第7章烧成与窑具.

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1、1,第七章 烧成与窑具,坯体在烧成过程中的物理化学变化 烧成制度 快速烧成 装钵装窑 窑具,2,烧成：通过高温处理，使坯体发生一系列 物理化学变化，形成预期的矿物组成和显 微结构，从而达到固定外形并获得所要求 性能的工序。,烧成温度：为了达到产品的性能要求，应 该烧到的最高温度。 烧结温度：材料加热过程达到气孔率最小、 密度最大时的温度。,3,瓷质：长石质、绢云母质、滑石质、骨 质瓷、高铝质,按照变化特点大致可分为四个阶段 瓷器 （1）低温阶段常温300 （2）氧化分解阶段300950 （3）高温阶段950 烧成温度 （4）冷却阶段烧成温度 室温,7.1 坯体加热过程中的物理化学变化,4,7.

2、1.1.低温阶段（常温300） 坯体残余水分蒸发期 任务: 排除干燥剩余水分和吸附水。 特征：基本不收缩，强度变化很小， 基本无化学变化。 升温速度取决于：坯体入窑水分。 水分高，慢 水分低，可以快 此阶段要加强通风，避免“结露”形成“水迹”,5,7.1.2. 氧化分解阶段（300950 ） 氧化分解及晶型转化期 化学变化： （1）粘土和其它含水矿物排除结构水 Al2O32SiO2 2H2O Al2O32SiO2 + 2H2O（500700 ） 3MgO 4SiO2 H2O 3(MgO SiO2)+SiO2 + H2O(900 ),（2）碳酸盐的分解： CaCO3 CaO+CO2 (85010

3、50 ) MgCO3 MgO+ CO2 (730950 ),6,（3）碳素和有机物的氧化： 有机物+O2 CO2 + H2O(350 以上) C+O2 CO2 (600 以上),（4）硫化物及硫酸盐的氧化分解： FeS2+O2 Fe2O3+SO2 （350 800 ） Fe2(SO3)3 Fe2O3+SO2 （560 770 ）,7,（5）晶型转变： -石英 - 石英 573 - 石英 - 方石英 870 ,物理变化： （1）重量减轻，气孔率提高，有一定的收缩； （2）有少量液相产生，后期强度有一定提高。,8,本阶段的升温速度： 1.从工艺上讲可以快速升温 原因在于：（1）此时坯体气孔率较高

4、（2）釉面没有封闭 （3）坯体体积变化不大 （石英、长石膨胀，粘土收缩抵消） 2.从窑炉上讲要考虑实际条件 （1）要考虑温差的影响，温差大若快升温，导致反应不一致，反应不充分 （2）要考虑坯体受热情况，大件、厚件、有匣烧成要慢。 气氛要求：必须保持氧化气氛。,9,7.1.3. 高温阶段（950 烧成温度） 玻化成瓷期 化学变化：,（1）1050 以前继续氧化分解反应,（2）硫酸盐的分解与高价铁的还原,MgSO4MgO+SO3 900以上 CaSO4CaO+SO3 1250-1370 Na2SO4Na2O+SO3 1200-1370,Fe2O3+CO FeO+CO210001100 还原焰,10

5、,（3）形成大量液相和莫来石新相 长石熔融+低共熔物+溶解石英和粘土 大量液相+析出少量莫来石（二次莫来石） 一次莫来石生成,（4）新相的重结晶和坯体的烧结 细小二次莫来石晶体溶解后向大晶粒（溶 解度小）沉积使其重结晶长大；同时液相在表 面张力作用下拉近固相并填充气孔，使坯体成 为多相有机结合的致密烧结体。,物理变化： 气孔率降低，坯体收缩较大，强度提高， 颜色变化。,12,7.1.4. 冷却阶段 变化： （1）液体逐渐凝固成玻璃体； （2）二次莫来石长大； （3）残余石英晶型转变。,13,冷却速度的控制： （1）冷却初期（高温冷至850） 因为，此时瓷体中玻璃相处于塑性状态 所以，快冷不会产

6、生破坏应力（应力被质点移动而松弛），如果窑具能承受住急冷应力，且窑截面温度均匀，则冷却速度应尽可能的快。 好处：防止釉面析晶 防止FeO转变为Fe2O3 缩短烧成周期（提高产量和周转率）,14,（2）冷却中期（850400） 此时: 瓷体由塑性向固态转化(玻璃相Tg800830 ) 残余石英相变（573 ）引起体积变化 所以，冷却速度要慢，1020 /h为宜。 该阶段称为危险阶段（否则将形成永久应力） （3）冷却后期（400 ） 400 时，整个瓷体已经完全固化，只要能承受住暂时应力（否则炸瓷），速度可快！,15,瓷坯冷却前后的变化图,1. 石英 2. 液相（玻璃相） 3. 二次莫来石 4.

7、粘土残骸及一次莫来石,16,17,烧成过程示意图,1.石英 2.长石 3.熔滴 4.粘土矿物p219,18,7.2 烧成制度,烧成制度：烧成过程中各阶段气氛、温度及 其温度变化速率的具体要求。 包括：温度制度、气氛制度和压力制度。,温度制度：包括各阶段的升温速度、最高烧 成温度和保温时间。,气氛制度：各阶段所对应的气氛要求。,压力制度：为了保证温度、气氛制度的实现， 对窑内压力的要求。,19,7.2.1. 烧成制度与产品性能的关系,7.2.1.1 烧成温度对产品性能的影响,（1）烧成温度与产品的气孔率有关 在达到烧结温度之前，烧成温度越高， 气孔率越低，材料的强度越高，吸水率越低。,（2）烧成

8、温度与产品的岩相组成有关 高温下旧相的溶解，新相的生成、长大都 与温度有着密切关系。,20,某长石质瓷坯相组成与烧成温度的关系,21,对于长石质瓷，在过烧温度之前适当提 高烧成温度，能够提高玻璃相和莫来石量， 减少残余石英量，导致产品的机电性能提高， 透光度提高，密度增大，热膨胀系数降低。,（3）烧成温度对产品性能的影响,22,7.2.1.2 高温保温时间对产品性能的影响 高温保温时间：一般是指达到最高烧成温度 后，保持温度不变的一段时间，目的是为了 均匀窑内温度，产品各部分物理化学反应 均匀、完全，使产品的结构性能趋于一致。,适当降低烧成温度，延长保温时间，可 以提高产品品质，提高烧成合格率

9、，对于大件、异型、密装产品更加重要。,23,7.2.1.3 升、降温速度对产品性能的影响,（1）升温速度太快，可能导致产品的变形和 开裂。 （2）冷却速度太快，可能导致产品的炸裂； 太慢导致釉面析晶。,（3）同一种坯料烧成温度相同时： 慢速升温：气孔率较低，强度高。 快速升温：气孔率较高，强度低。,24,（4）冷却速度对产品质量的影响 快速烧成的产品，缓慢冷却，二次莫来 石异常生长，强度降低； 缓慢升温的产品，缓慢冷却，强度提高； 高温阶段冷却速度缓慢，可能导致低价 铁氧化产品泛黄，釉析晶；,有晶型转变的产品，在其温度范围，快速冷却可能导致产品炸裂。,25,对于普通陶瓷产品冷却制度一般为： 高

10、温阶段应当快速冷却，低温阶段相对 缓慢，晶型转变温度附近最慢。,26,7.2.1.4 烧成气氛对产品性能的影响 中科院上海硅酸盐研究所李家治、周仁等 进行了大量的研究。,（1）气氛对烧结温度的影响 A组Fe2O3含量AA2分别为0.62、1.75、2.09 B组Fe2O3含量BB3分别为0.43、0.49、0.54、1.69 烧结温度测试结果对比如下：,27,规律： （A）Fe2O3含量提高烧结温度均降低； （B）同一种坯料还原气氛的烧结温度一定低于氧 化气氛；而且Fe2O3含量越高相差越大。,28,原因： （A）氧化气氛下坯料中的Fe2O3仍主要以 Fe2O3的形式存在，还原气氛下坯料 中的

11、Fe2O3主要以FeO的形式存在； （B） FeO比Fe2O3的助熔能力强。,29,（2）气氛对最大烧成线收缩率的影响,氧化气氛 还原气氛,30,规律： A组坯料还原气氛收缩率大； B组坯料氧化气氛收缩率大。 原因： B组坯料中膨润土所含的碳素、有机物在还原气氛中氧化分解温度提高。,即：气氛对最大烧成线收缩率的影响与坯料 的组成有关。,31,（3）气氛对瓷坯颜色、透光度及釉面质量影响 （A）氧化气氛烧成后，瓷坯发黄。 （B）还原气氛烧成后，瓷坯呈淡青色。,低铁高钛坯料（北方）常用氧化气氛烧成； 高铁低钛坯料（南方）常用还原气氛烧成。,（C）强的还原气氛可能导致： SiO2被还原分解出Si黑斑；

12、 CO被还原C沉积黑斑或转变成气泡。,32,7.2.2.制定烧成制度的依据,7.2.2.1 坯料组分在加热过程中的性状变化 （1）相图（晶型转变）和热分析资料（差热 曲线DTA、失重曲线TG、瓷坯热膨胀 曲线TE、生坯不可逆热膨胀曲线ITE） 是确定升、降温速度的依据之一。,33,34,利用热分析综合图谱绘制理论烧成曲线,35,（2）烧结曲线（气孔率、烧成线收缩率、吸 水率及密度变化曲线）和高温物相分析， 是确定烧成温度的主要依据。,36,A.烧结范围宽、液相粘度大、量随温度变化小的坯料，烧成温度可以确定在烧结 范围 上限附近（T2）； B.烧结范围窄、液相粘度小、量随温度变化 大的坯料，烧成

13、温度只能定在烧结范围下 限附近（T1）,37,7.2.2.2 制品的大小和形状,升温速度快时，坯体的断面形成温度梯 度、坯体在膨胀或收缩过程中均产生不均 匀应力，导致坯体变形（塑性状态）或开 裂（弹性状态）。 结论：坯体越厚、形状越复杂越容易变形 或开裂，升温速度不能太快。,38,39,7.2.2.3 釉烧方法,（1）一次烧成时，釉料的熔化温度与坯料的 氧化分解温度相适应，中火保温防止针 孔、橘釉、黑心、鼓泡等缺陷。,（2）冷却初期依据釉料要求确定冷却速度 光泽釉快速冷却 结晶釉结晶温度保温处理,40,（3）二次烧成 高温素烧低温釉烧：釉烧时可以不考虑 坯体的脱结构水及 氧化分解排气，素烧 时

14、不考虑与釉的关系。,低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑 坯体的脱结构水，要考虑氧化分解，素 烧时不考虑与釉的关系。,41,7.2.2.4 根据坯料中TiO2和Fe2O3含量确定 气氛制度,低铁高钛坯料（北方）常用氧化气氛烧成； 高铁低钛坯料（南方）常用还原气氛烧成。,7.2.2.5 窑炉结构、容量、燃料和装窑密度,窑炉结构:温度均匀性，升温速度。 燃料种类:装烧方法，燃烧强度，升温速度。 容量、密度：窑内温度的均匀性，升温速度。,42,7.2.3. 烧成制度的控制 7.2.3.1温度制度的控制,（1）流体燃料：调节燃料和助燃空气的流量。 （2）固体燃料：每次添加量、间隔时间、燃 料在燃烧室内的

15、分布。 （3）调节窑内压力制度（烟道抽力）,43,7.2.3.2 气氛制度的控制 （1）流体燃料：调节助燃空气过剩系数0.9、0.95、1.0、1.1。 （2）固体燃料：每次添加量、间隔时间以 及燃烧程度。 （3）调节窑内压力制度（烟道抽力） 窑内正压有利于还原气氛的形成，负压有利于氧化气氛的形成。,44,7.2.3.3压力制度的控制 （1）烟道（总烟道、支烟道）抽力 （2）气体的进入量和排除量的调节,45,7.2.4. 烧成制度举例说明 （1）某瓷质外墙砖的烧成曲线,46,（2）隧道窑还原气氛烧成日用瓷,1400 1200 1000 800 600 400 200 0,47,7.3 快速烧成

16、,快速烧成：烧成周期4小时以下的烧成过程。,7.3.1快速烧成的意义 （1）节约能源（燃料） 烧成能耗占总成本2030 烧成时间缩短10，产量提高10， 单位能耗降低4。,48,（2） 充分利用原料资源 随着低温快速烧成的实现，大量的耐火 度较低的原料可以大量应用于陶瓷生产。如 硅灰石、透辉石、霞石正长岩、含锂矿物以 及一些尾矿等劣质原料。,（3）减少窑具的使用量 隔焰、明焰辊道窑的使用大幅度减少了窑 具的用量。,49,（4）缩短生产周期，提高生产效率,（5）低温快速烧成有利于色釉的显色， 提高某些瓷坯的强度,局限性：大件、较厚的产品，性能要求 特殊的产品不适合,50,7.3.2. 快速烧成的工艺措施 （1）坯釉能适合快速烧成的要求, 体积随温度变化小（收