浅谈烧成气氛的控制

发布时间：

2021-08-26 15:45

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陶瓷产品的烧成气氛是指在产品的烧制过程中，窑炉内的燃烧产物中所含的游离氧与还原成分的变化。一般烧成气氛分为氧化气氛和还原气氛两种。在实际生产中，采用何种气氛制度来烧制要根据产品配方中原料的组成以及烧制过程中各阶段的物化反应情况来确定。气氛会影响陶瓷坯体在高温下的物化反应速度、体积变化、晶粒尺寸与气孔大小等，尤其对陶瓷坯的颜色、透光度和釉面质量的影响更显突出。

1、烧成气氛对产品质量的影响

陶瓷产品在烧成过程中会发生一系列的物理化学反应，如水分的蒸发，盐类的分解、有机物碳和硫化物的氧化、晶型的转变、晶相的形成等。这些物理化学反应的速度，除了受温度影响外，气氛对其也有很大的影响，如果控制不当就会使陶瓷产品产生各种缺陷。

(1)影响铁和钛的化合价。在实际生产中，当氧化气氛烧成时，坯料中的Fe2O3在含碱量较低的玻璃相中溶解度很低，可析出胶态的Fe2O3使坯体显黄色；当还原气氛烧成时，形成的FeO熔化在玻璃相中呈淡青色。另外，当坯体中的氧化铁含量定时，若用氧化气氛烧成，被釉层所封闭的Fe2O3将有一部分与SiO2反应生成铁橄榄石并放出氧，氧会使釉面形成气泡与孔洞，而残留的Fe2O3会使坯体呈黄色。对含钛较高的坯料应避免用还原气氛烧成，否则部分TiO2会变成蓝色至紫色Ti2O3，还可能形成黑色的2FeO·Ti2O3尖晶石和一系列铁钛混合晶体，从而呈色加深。

(2)使SiO2还原和CO分解。在一定温度下，还原气氛可使SiO2还原为气态SiO，在较低的温度下，它在制品表面形成Si的黑斑。此外，还原气氛很可能因CO分解出碳沉积在坯、釉上形成黑斑。若再继续升高温度烧成，碳则被封闭在坯体中；若再被氧化成CO2就会形成气泡，对吸附性强的坯体尤为严重。

(3)黑心和黑斑。陶瓷产品的黑心是指在坯体的烧成过程中，有机物、硫化物、碳化物等因氧化不足而生成碳粒和铁质的还原物，致使坯体中间呈黑色或者灰色、黄色等现象。黑心缺陷的存在会影响陶瓷产品的强度、吸水率、电绝缘等性能指标。陶瓷产品产生黑心缺陷的关键是有机物、硫化物、碳化物等氧化不足。低温阶段如果氧化气氛不足，C、FeS2和FeO等的残留积聚使坯体呈黑色、灰色、黄色。在实际生产中要消除产品黑心，应在预热带保证足够强的氧化气氛。此外，如果在低温阶段窑内的氧化气氛不足，且存在还原气氛的情况下，由于在还原气氛中存在FeO，因此CO会激烈分解而析出C，低温阶段坯体的气孔率较高，析出的C很容易在坯体气孔的表面形成黑斑缺陷。

(4)气泡和针孔。陶瓷产品在烧成过程的低温阶段，除了发生氧化反应外，还伴随碳酸盐的分解，这些反应受到气氛的影响，氧化气氛足够时，反应会快且进行得更完全；反之，反应速度变缓且不完全。当烧成过程进入高温阶段后，坯体出现液相，反应所产生的气体无法自由排出坯体外，于是便出现针孔、气泡等缺陷。在低温阶段，坯体内的气体成分不能全部氧化分解，碳酸盐在氧化气氛中要在1300 ℃以上才进行分解，但在这样高的温度区域，坯体已有液相存在，粘度减小，分解出来的气泡会冲破液相逸出，形成气泡缺陷。为解决这一问题，在高温前(1000 ℃左右)要将烧成气氛控制为还原气氛。

(5)色差。陶瓷产品的色差是指单件产品的各部位或单件(批)产品之间的呈色深浅不一的现象。在陶瓷坯体和釉料的原料中，总会或多或少地引入一些铁、钛化合物，在烧结过程中烧成气氛的不同会影响到铁、钛存在的价数，不同价数的铁、钛会有不同的呈色，当烧成气氛不稳定时，坯体的呈色相应改变，从而形成产品的色差。

2、烧成气氛的控制

烧成气氛的控制虽然受到窑炉结构和设备的限制，如风量大小、风管直径、排烟口、抽热口位置等，但是最关键的还是稳定压力控制和合理操作燃烧器。

(1)稳定压力的控制。风压变化会影响到气体的流动状态，窑内压力的波动会引起气氛的波动，而稳定压力控制的关键在于控制好零压面。在窑炉预热带，为排走水分和燃烧时产生的烟气，压力相对比窑外低，窑内处于负压状态；在冷却带鼓入冷空气使制品冷却，压力相对比窑外高，窑内处于正压状态；在正负压之间有一零压面，烧成带就处于预热带和冷却带之间，因而零压面的移动就会引起烧成带气氛的变化。当零压面位于烧成带前段，处于烧成带与预热带之间时，烧成带的气压为微正压状态，气氨为还原气氛；当零压面位于烧成带后段时，烧成带处于微负压状态，气氛为氧化气氛。

(2)合理操作燃烧器。烧成的燃料是否完全燃烧将会影响到窑炉气氛，特别是烧成带的气氛。因此合理地操作燃烧器，控制好燃料的燃烧程度，是控制窑内气氛的重要手段。在燃料完全燃烧的情况下，燃料中的全部可燃成分在空气充足时能完全氧化，燃烧产物中没有游离C及 CO、H2、CH4等可燃成分，保证氧化气氨的实现；当燃料不完全燃烧时，燃烧产物中存在一些游离C及CO、H2、CH4等，使窑内气氛呈还原性。要使燃料完全燃烧，需注意以下三点:①确保燃料与空气充分均匀的混合；②保证充足的空气供给，并保持一定的过剩空气量；③确保燃烧过程在较高的温度下进行。

3、生产现场操作对烧成气氛的影响

(1)为提高烧成温度而改变空气过剩系数
有些企业为了追求窑炉产量的最大化，缩短烧成时间，最常用的手段就是加大燃料供应量，但燃料供应量增加后往往忽视调节助燃空气的供应量，造成烧成气氛有氧化气氛变为还原气氨。

(2)为解决预热带出现的缺陷而改变其气氛
为了降低预热带后段的温度而减少排烟闸的开度，影响窑炉压力平衡和气体流速，使预热带的氧化气氛减弱，容易造成前炉燃烧状态不良，使气氛出现波动。

(3)为解决冷却带出现的缺陷而改变冷风量
加大冷却带的冷风量，会使零压面向预热带移动，反之亦然，这些都会使气氛发生改变，所以必须相应调节抽热闸，稳定零压面。

4、结语

上述内容是依据稳定气氨的理论要点，分析了烧成气氛的调整不当导致烧成缺陷产生的原因以及对陶瓷窑炉烧成气氛控制的方法。但在实际生产的操作中，操作者会因为要解决某些烧成问题而不自觉地改变窑炉气氛，这种变化往往容易被忽视，不自觉地造成陶瓷烧成缺陷。虽然陶瓷烧成工序往往都是企业工艺管理的工序质量控制点，但问题在于工艺规范是否严格执行。可见，烧成缺陷的纠正措施在于强化工艺纪律管理。同时，为充分发挥工艺工作的质量保证作用，企业和职能部门的生产过程都应以工艺文件为依据，合理地规定投产批次，做到均衡生产，保持生产现场操作处于稳定状态，保证陶瓷烧成工艺的正确实施，搞好陶瓷窑炉烧成气氛控制，确保陶瓷烧成质量。

作者：金培

烧成,氧化气氛,还原气氛