土与火的艺术——烧成

发布时间：

2021-12-01 16:09

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将陶瓷坯体加热至高温，发生一系列物理化学反应，然后冷却至室温，坯体的矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定使用性能的陶瓷制品，这一工艺过程称为烧成。

一、烧成过程中的物理化学变化
1、低温阶段（室温～300℃）（水分蒸发期）
（1）主要排除干燥过程中没有除掉的多余的水分；（2）升温速度主要取决于坯体入窑时的水分；（3）加强通风。
坯体发生下列变化：
（1）质量减轻；（2）气孔率增加；（3）体积收缩。
2、中温阶段（300℃～950℃）（氧化分解阶段）
在这一阶段，坯体内部发生了较复杂的物理化学变化：粘土中的结构水得到排除，碳酸盐分解，有机物、碳素和硫化物被氧化，石英晶型转化。这些变化与氧化温度、升温速度、窑炉内气氛等因素有关。若升温速度过快，则分解与氧化的温度相应提高。
（1）结构水的排除
排除各种粘土原料和其它含水矿物的结构水，如：高岭石脱水。
由高岭石分解物形成的粒状及片状莫来石称为一次莫来石，由长石熔体形成的针状莫来石称为二次莫来石。
（2）碳酸盐、硫酸盐分解
（3）碳素、硫化物及有机物的氧化
（4）石英的晶型转变和少量液相的形成
900℃附近长石与石英、长石与分解后粘土颗粒，在接触处有共熔体液滴生成。
本阶段变化特点：
（1）气体产物排除，密度减小，气孔增加；
（2）粘土收缩及石英膨胀所引起的体积变化，有互补性；
（3）少量熔体的胶结作用，使坯体强度相应提高。
本阶段注意事项：
（1）依窑炉结构特点控制升温速度；
（2）保证窑内氧化气氛；
（3）加强通风。
3、高温阶段（950℃～最高烧成温度）
也称玻化成瓷期:温度最高阶段。坯体出现液相，釉层开始熔融，根据坯、釉中的铁、钛含量及对制品外观的颜色要求来决定是否采用还原焰烧成。
还原烧成细分为氧化保温、强还原和弱还原三个阶段，这三个阶段之间的两个转化温度点及后两段还原气氛浓度（CO浓度）“两点一度”是确定气氛制度的关键。
（1）氧化保温期
氧化分解期的反应继续进行并进行完毕。
氧化保温目的：
a.使碳素、有机物、硫化物充分氧化；b.碳酸盐进一步分解；c.残留结构水完全排除；d.缩小全窑温差。
使气体产物在釉面气孔未被封闭前排出。
注意：保温(低速升温或保温操作)；氧化气氛（加强烟气流通量，提高空气过剩系数）；于釉面始熔前150℃向下一阶段强还原气氛转换。
临界温度：氧化保温期转强还原期的温度。临界温度主要由坯釉化学组成决定。
a.临界温度过低则还原过早，坯釉中有关组分氧化反应进行不完全，部分有机物或碳素残留在坯中，易产生“黑心”甚至起泡等缺陷。
b.临界温度过高，则还原推迟，Fe2O3还原不足，坯体发黄，起不到还原气氛应起的作用。
（2）强还原阶段
此阶段CO浓度在3～5％，基本无过剩氧存在。因此该阶段必须采取强还原气氛，使坯体内的Fe2O3、CaSO4在釉层封闭坯体之前，得到充分还原、分解。
（3）弱还原阶段
釉层基本上玻化，封闭了瓷胎的表面，形成大量液相和莫来石新相，此阶段进行液相烧结，坯体开始致密化。
最高烧成温度取决于成品要求的吸水率、烧成收缩、抗折强度等指标，也与烧成周期有关，对同一产品，烧成周期较长，最高烧成温度则较低；烧成周期较短，最高烧成温度则较高。达到最高烧成温度后，应进行适当的保温，目的在于使窑内各部位温度均匀一致，也使制品各部分表里温度均匀。保温时间以窑炉不同、装窑密度不同、烧成周期不同而定。
4、冷却阶段
（1）最高烧成温度～850℃急冷阶段
因为坯体处于塑性状态，快冷不开裂；快冷可以缩短烧成周期，有效防止液相析晶和晶粒长大，防止低价铁氧化，提高白度。冷却速度150～300℃/h。
（2）850℃～400℃缓冷阶段
•开始凝固，失去塑性，石英多晶转变，伴有体积变化。冷却速度40～70℃/h。
（3）400℃～室温最终冷却阶段（快冷）
冷却速度100℃/h以上。

二、烧成设备
1、间歇式窑：倒焰窑；梭式窑；钟罩式窑。
2、连续式窑：隧道窑；辊道窑。

三、烧成制度
烧成制度包括：温度制度，气氛制度，压力制度。其中压力制度是实现温度制度和气氛制度的保证。
1、烧成制度的拟定
拟定烧成制度的依据：
（1）坯料在加热过程中的形状变化：
根据坯料系统有关相图，可初步估计烧结温度的高低和烧结范围的宽窄，结合坯料的差热曲线，失重和烧成收缩曲线，以及热膨胀曲线，拟定合理的升温速度、止火温度和烧成范围。
（2）坯体形状、厚度和入窑水分：
薄壁、小件制品，入窑水分易控制，可短周期快烧；大件、厚壁及形状复杂、坯中含大量可塑粘土及有机物的粘土，升温速度放慢，烧成周期要长。
（3）窑炉结构、燃料性质、装窑密度：
不同窑型，同一窑型其结构和容量的不同，将影响窑内的传热方式和温差大小以及操作条件；装窑密度将影响窑内气体的流动分布和产品所需的热容量；燃料的种类和热值的高低将影响燃烧操作和可能提供的热量。
（4）烧成方法：
目前广泛采用的除传统烧结法以外，还有热压烧结以及近期发展的高温和常温等静压烧成、电火花烧成等各种新的烧成方法。
2、温度制度
温度制度包括升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度即温度与时间的关系。
温度—时间曲线称之为烧成曲线。
3、气氛控制
烧成气氛是根据燃烧中的游离氧的含量和还原成分的含量确定的。常用空气过剩系数α表征。
4、压力制度
压力制度是指窑内压力与时间的关系。通过调整窑炉有关设备（烧嘴、风机、闸板等），控制窑内各部分气体压力呈一定分布，这个窑内气体压力的规律性分布称为压力制度。

四、装窑
烧成前将陶瓷生坯装入窑内的操作称为装窑。
装窑要求：
（1）根据窑内温差情况和钵体性能来确定窑位。如烧成温度高的钵体装在窑温高的部位，反之烧成温度低的钵体装在低温部位。
（2）窑具及产品间隙合理（如钵柱间，棚架间），能满足窑内气体合理流动，传热均匀的要求，使不同部位产品单位时间，单位质量得到的热量相近，避免局部过热或过冷。
（3）保护产品不受污损。包括窑内烟气及窑具本身污损（如窑具掉渣等）。
（4）装载牢固。特别是叠装较高时要充分考虑产品及窑具高温荷重性能及受力平衡情况，还要考虑烧成过程中振动及运动惯性、受力等因素（如装在隧道窑窑车上的窑具及产品）。确保产品安全及窑炉安全运转，不发生窑具、产品窑内倒塌（倒窑）等意外。
（5）窑具之间、产品与窑具之间、窑具与窑体之间（窑底、窑车面等）接触面要进行必要处理（如采用垫泥、垫饼、垫砂、涂层等），防止高温后粘结，否则需强力分开而损坏窑具或产品。
（6）减轻操作劳动强度。力争机械化、自动化操作，减少产品装烧损失率。
（7）在确保安全及产品品质前提下，减轻窑具质量，延长窑具使用寿命，降低窑具与产品质量比，降低产品单位能耗，提高经济效益。

五、窑具
1、窑具种类
陶瓷制品在窑炉内烧成时，或者为了隔离不净的烟气接触，或为了制品的支撑，托放及叠装，常用一些耐火材料制成不同形状的辅助材料应用于窑内。这些辅助耐火材料统称为“窑具”。
窑具包括窑车、匣钵、棚板、垫脚、辊道和推板等。
2、窑具材料的性能要求
窑具的主要性能指标是在多次反复冷热与荷载下的使用次数，它是反应窑具材质性能、制造工艺及使用条件等方面的综合指标。根据使用条件，对窑具材料提出如下要求：
(1)良好的热稳定性；(2)在常温和高温下强度大；(3)良好的导热性或隔热性和低的蓄热量；(4)高的耐火度和小的重烧收缩；(5)器型平整度、尺寸精确度以及较小的重量。

烧成