第七章辊道窑的操作与控制

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1、第七章 辊道窑的操作与控制众所周知，烧成是陶瓷工业生产过程的关键工序。不管以何种原料来调配，也不管前道 工序多么复杂、多么完善，没有烧成过程，或烧成过程不合理，就不可能得到满足要求的产 品。要使制品烧成合乎质量要求，除了要有先进的烧成设备（辊道窑）外，还要有良好的操 作控制，才会相得益彰。7.1 烧成制度控制的原理与方法7.1.1 陶瓷制品在烧成过程中的变化陶瓷制品的烧成过程甚为复杂，无论采用何种烧成工艺（一次或二次烧成），它在烧成过 程的各个阶段中均将发生一系列物理化学变化。透彻了解陶瓷制品在烧成过程中的变化，无 疑对烧成控制有重大意义。陶瓷制品在烧成过程中的变化随不同的温度阶段各有不同，下

2、面 分不同的阶段加以叙述。第一阶段：室温300C，此阶段为蒸发阶段，主要是排除机械水和吸附水，坯体不发生 化学变化，只发生坯体体积收缩、气孔率增加等物理变化。第二阶段：300950C，此阶段为氧化分解阶段，坯体的主要化学变化是结构水的排除、 坯体中所含有机物、碳酸盐、硫酸盐等化合物的分解和氧化，以及晶型转变。7.1.1.1 分解反应1. 结晶水的分解、排除 此阶段为坯料中各种粘土原料和其他含水矿物（如滑石、云母等）结构水的排除。结构水的分解、排除温度，取决于原料的矿物组成、结晶程度和升温速度等。例如，高岭石的脱 水温度约在400600C之间，蒙脱石的脱水温度为600750C，伊利石脱水温度为4

3、00 600C，滑石在600C以上脱水，瓷石在600700C之间急剧脱水。2. 盐类的分解 陶瓷坯料中一般含有碳酸盐、硫酸盐类物质，在此阶段会分解而逸出二氧化碳等气体，使坯体进一步收缩或气孔率增加（如釉面砖）。主要分解反应如下：MgCO3 = MgO+CO2 T（400900C）CaCO3= CaO+CO2 T（8501050 C）4FeCO3+O2= 2Fe2O3+4CO2T（8001000C）MgCO3CaCO3 = CaO+MgO+2CO2 T （730950C）Fe2 （SO3） 3= Fe2O3+3SO2 T（560750 C）7.1.1.2 氧化反应1. 碳素及有机物的氧化 坯体中

4、的碳素来源于坯釉原料，如我国北方的紫木节土、黑碱石、黑砂虿和南方的黑泥 等都含有大量有机物和碳素，还有烧成时烟气中未燃烧的碳粒沉积在坯体表面等。这些物质 在加热升温时均发生氧化反应，其反应式为：有机物中C+O2 T CO2 T（350C以上）C （碳素）+ o2T CO2T（约 600C 以上）S+ O2= SO2T（250920C）2. 铁的硫化物氧化 其反应式为：FeS2+O2=FeS+SO2 T（350450 C）4FeS+7O2=2Fe2O3+4SO2 T （500800C）7.1.1.3 晶型转变1. 石英晶型转变 石英在陶瓷配方中用量比较多，它在焙烧过程中会发生多种晶型转变，其体积

5、产生较大 的变化。在573C,卩-石英迅速地转变为a-石英，体积膨胀0.82% ；在867C, a-石英缓慢地 转变为a-鳞石英，体积膨胀14.7%。2. 氧化铝的晶型转变第一阶段:坯料中的粘土矿物脱水分解生成的无定形A12O3,在约950C时转化为y-A12O3。 Y-A12O3是一种反应能力很强的氧化物，在1000C以上能与SiO2反应生成莫来石晶体，构成制 品的骨架结构。第二阶段：950C最高烧成温度，此阶段为烧结阶段。由于各种陶瓷制品性质及其所用 原料不同，最高烧成温度也不同。主要发生的变化是坯体中的长石类熔剂熔融出现液相，由 于液相的产生，在其表面张力的作用下，不仅促使颗粒重新排列紧

6、密，而且使颗粒之间胶结 并填充孔隙。由于颗粒曲率半径不同和受压情况不同，促使颗粒间中心距离缩小，坯体逐渐 致密。同时，游离Al2O3。与SiO2会在液相中再结晶，形成一种针状的莫来石新晶体，它还能 在液相中不断成长，并与部分未被液相熔解的石英及其他成分共同组成坯体的骨架，而玻璃 态的液相就填充在这骨架之中，使制品形成较严密的整体。此时，气孔率降低，坯体产生收 缩，强度随之增加，从而达到瓷化。第三阶段:即由高温至常温的冷却阶段。此阶段制品中玻璃相粘度增大，并由塑性状态 转化为固体状态，硬度和强度增至最大。与此同时，发生石英的晶型转变（573C）、析晶和 物理收缩。因此，冷却速度对陶瓷制品的性能影

7、响很大。7.1.2 烧成制度确定的原则合理的烧成制度是实现烧成过程优质、高产、低消耗的关键。烧成制度包括温度制度、 气氛制度和压力制度。温度制度无疑是烧成制度中最重要的。合理的温度制度包括：各阶段合理的升（降） 温速率；适宜的最高烧成温度及高火保温时间；窑内断面温度均匀性好（上下、水平 温差小）。最高烧成温度主要取决于产品配方，可由同类产品工厂实际中收集数据或根据开发性实 验得到的数据来确定。例如，一次烧成瓷质砖：白坯为12001250C，红坯为11401180C； 一次烧成彩釉砖：白坯为11601200C,红坯为11001160C；二次烧成釉面砖:素烧为1100 1140C，釉烧为10201

8、030C（透明釉）或10301060C（乳白釉）。辊道窑多用于焙烧建筑瓷砖，产品厚度一般较薄，且单层焙烧，窑内温场容易保证均匀， 因此可快速升温与冷却，属快烧窑。但由于制品的导热热阻，制品表面与中心总会有温差， 也就会在制品内部产生热应力，一旦超出一定界限就会使制品产生变形或开裂。我国学者宋 嵩对辊道窑面砖快烧过程进行了工艺实验与计算机模拟研究，得出了面砖在烧成过程中最大 允许温差（见表7-1）。表7-1面砖在烧成过程中最大允许温差温度范围/C05005007007001100允许温差/C9090100温度范围/C11006506503003000允许温差/C1001727生坯（升温）熟坯（降

9、温）根据生产实际与计算机模拟，除急冷后段（800700C ）降温速率要小于80C/min和缓 冷段降温速率要小于30C/min外，其他阶段升降温速率达到100C/min都不会超表7-1中的 最大允许温差。因此，只要传热能力增加，辊道窑生产建筑瓷砖，缩短烧成时间仍有潜力。 但是除了考虑烧成过程热应力的影响外，还要考虑各阶段所进行的物理一化学变化所必需的 时间。按前述陶瓷制品烧成过程的变化，以下对各阶段所需时间进行分析。第一阶段：辊道窑焙烧建筑砖类产品。只要坯体入窑水分控制在1%以下，快速升温，坯 体不裂。如入窑水分 0.5%，窑温度达150200 C，坯体不裂，坯体中残余水分也能在几分 钟内排除

10、。第二阶段：对于辊道窑来说，升温阶段的石英晶型转化并不是一个危险阶段，因为辊道 窑温度均匀，石英晶型转换迅速，更重要的是升温阶段制品仍呈细颗粒状，孔隙率较大，体 积变化有伸缩余地，故一般不会出现晶型转化而引起的开裂。需要注意的是此阶段一系列氧 化分解反应需要足够的时间，且有大量co2、h2o等气态物质逸出，并应尽量在釉料熔融前 顺利排出，以免产生黑心、气泡、针孔等缺陷。由于氧化反应速度一般随温度升高而加快， 故在800950 C时降低升温速率，保证较长时间是可取的。第三阶段：该阶段发生烧结物理一化学变化，需要一定时间（国内一般大于10min）。特 别要注意的是为了达到制品内外烧结程度一致，制品

11、釉面平整、光滑，在最高烧成温度下需 一定的保温时间。保温时间长短取决于制品尺寸、坯釉配方等，一般为36min。第四阶段为制品冷却阶段，冷却前段（即急冷区），由于产品还处于塑性阶段，只要冷却 均匀，冷却速率可以达到100C/min而不致引起制品开裂，但要注意在急冷后期（800 700C ）降温速率要减慢。在冷却中段（即缓冷区），由于产品内液相刚刚凝固，还比较脆弱， 再加上573C左右又有石英的晶型转换，故冷却速率不可超过30C/min,在石英晶型转化温度 范围还应更慢。500C以后，随着制品强度的增加可以快速冷却（故称快冷区）。确定合理的温度制度除了理论分析（包括计算机模拟）外，由于产品种类、配

12、方干变万 化，更多地还要以实验数据为依据，并最终在生产实际中加以调整确定。图7-1为某厂焙烧瓷 质砖明焰辊道窑实测的温度曲线图。由于建筑陶瓷大多在氧化气氛下烧成，故气氛制度在辊道窑中较易得到保证。辊道窑 属中空窑，窑内气体流动阻力小，据实测每米窑长压降约为IPa,故辊道窑容易实现在预热带 微小负压及成带微小正压霞工作，压力制度步难得到保证，图7-2微某厂66m油烧明焰辊道 窑实测的压力曲线。7.1.3烧成制度控制的一般方法陶瓷制品的烧成过程，要求在特定的烧成制度下进行。如上所述，通过分析与试验，并 在辊道窑实际生产中摸索出一套合理的热工制度。维持这一热工制度的稳定，是辊道窑正常 生产的前提。然

13、而在生产实际条件下，影响热工制度稳定的因素很多。窑炉操作人员的任务 是，当扰动因素出现或已影响热工制度发生变化时，能够及时地进行操作，使热工制度迅速 恢复正常并稳定。这一工作也可借助自动化装置来实现，关于辊道窑的自动控制留待第7.4节 讨论，这里着重介绍监测和人工操作控制的一般方法。7.1.3.1温度制度的控制1.温度的监测辊道窑温度的监测，主要依靠沿窑长装在窑顶或窑侧的热电偶所反映的温度数据。必须 注意的是：由于传热的影响，热电偶测得的温度，既不是制品温度，也不是窑内气体温度。 在预热带，热电偶测得的温度小于烟气温度而大于制品温度，且温度越低差别越大；在烧成 带，与预热带类似，但三者温度差别

14、比较小，且热电偶测得的温度较接近制品温度；在冷却 带则相反，热电偶测得的温度大于气体温度而小于制品温度。（1）预热带温度的监测：要控制好预热带温度，有效办法是控制好3个关键温度点，即 窑头温度点、预热带中部温度点（约500C处）及预热带末端温度点（约950C处）。窑头温 度过高，易使坯体炸裂；预热带末端温度点的位置，反映坯体预热的效果，并间接反映坯体 在烧成带停留的时间；预热带中部温度点则是预热带温度最关键的温度点，控制这个温度点 在适当位置意义很大。因若太前，说明窑头升温过急，易在坯体蒸发期造成开裂缺陷；若太 后，说明窑头温度偏低，使得预热带后段不得不快速升温，一方面可能在晶型转化处产生坯

15、体炸裂，另一方面使氧化阶段时间减少，容易引起气泡、针孔等氧化不足的缺陷。（2）烧成带温度的监测：烧成带温度的监测，主要是确定烧成带的最高温度和高温区间 长度，即制品在高温下停留的时间。烧成带的最高温度是成瓷的最高温度点，它影响到产品 的生烧和过烧；高温区间长度，影响到保温时间的长短，从而也影响产品质量。（3）冷却带温度的监测：冷却带应监测急冷后的温度（约800C处）、冷却带中部温度（约500C处）及出窑前温度。急冷后温度点是判断急冷好坏的依据；冷却带中部温度点附近制品 发生石英晶型转换（注意：此处热电偶测得的温度比制品温度低），这是制品产生风裂的危险 区，其前后温度变化应平缓；出窑前温度则可判断快冷区的效果，同时，出窑温度过高，即 使制品在窑内未开裂，出窑后仍可能发生惊裂。2. 温度的调控手段（1）预热带温度的调控：辊道窑预热带温度制度一般可通过调节排烟总闸、排烟支闸、 安装在预热带的烧嘴等开度来调整。但调节排烟总闸对窑内压力制度影响较大，只有当整个 预热带温度偏低（或偏高）时才适当将排烟总闸开度打大（或关小）；利用烟囱排烟的辊道窑， 有时天气、季节发生变化时也需要适当调整排烟总闸开度，例如夏季或气压低时也应将排烟 总闸开度略微增加。调节排烟支闸，主要是调整各段烟气流量的分配，使之满足各点的温度 要求。例如当窑头温度过高时，可将窑