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1、无机材料工艺原理,烧 成,本章讲授的主要内容,基本概念 烧成原理 烧成制度 烧成技术与设备 现代烧成技术,基本概念,烧成：无机非金属材料坯体在高温中通过热化学反应，形成预期的矿物组成和显微结构，从而获得所要求性能的产品的工序。,基本概念,烧成是一个复杂的过程，它包括燃料的燃烧，物料或坯体的加热及其在加热过程中发生的一系列物理化学反应，直至制品冷却。整个过程存在着复杂的热量传递、质量传递的过程，它们互相影响、相互制约。,基本概念,热量传递：燃烧过程：燃料窑体和制品，窑体制品；制品传热：表里冷却过程：制品窑体和气体；环境空间：窑体散失给周围的气体和物体。,基本概念,质量传递：自扩散和相互扩散分解、
2、氧化和还原生成新相，或低共熔物，或液相而填入各种孔隙。条件：主要决定于温度和物质的浓度。,基本概念,动量传递：窑内气体处于流动状态。燃料和助燃空气不断进入窑内，燃烧产物（火焰、烟气）不断地被排除；热气流通过制品表面，直接影响到制品热量的传递；而在冷却时又希望隔离热源，避免热气体的流入，往往用外加冷气流的办法，一可阻挡热气流，二可加快制品的冷却，使热气流上下搅动也可使窑内上下温度均匀。动量传递可直接影响热量的传递和质量的传递。,基本概念,只有很好地组织好这三种传递过程，才能圆满地完成烧成过程。,基本概念,最明显的现象：外型尺寸收缩；密度增加；硬度和机械强度显著提高；对水和酸的稳定性大大增强；电气
3、性能及其它性能的改善。,基本概念,烧成的方式：一次烧成：要求坯釉的成熟温度一致，施釉要求较严格，但省能。二次烧成：坯、釉分做二次烧成的烧成方式。当生坯的烧成温度较高，或生坯强度较差，釉的成熟温度比坯的低很多时，为保证产品质量和便于施釉操作的机械化，常采用此种方式。,烧成原理-推动力,粉末颗粒增大，表面能减少。缺陷减少，存在各种晶格缺陷。烧成是系统总能量减少的过程，这就是烧成过程的动力。烧成过程实质上是烧成制品是由介稳态向稳定态转变的过程。由于本身所具有的能量难以克服能垒，故烧成一般不能自动进行，须升到一定的温度才可。,烧成原理-原动力,烧结颈部与粉末颗粒其它部位之间存在化学位差。表面张力造成的
4、一种机械力，它垂直作用于烧结曲面上，使烧结颈向外扩大，最终形成孔隙网。过剩空位浓度梯度引起烧结颈表面下微小区载内的空位向粉末颗粒内扩散，从而造成原子在相反的方向上的迁移，使颈部得以长大。烧结颈表面与颗粒表面之间存在的蒸气压之差，将导致结颈迁移。,烧成原理-物质迁移,烧成过程中的传质机理很复杂，可分为：粘塑性流动过程；扩散过程，有体积、表面和界面扩散；蒸发凝结过程；溶解沉析过程；从物相传质角度看，坯体烧结有固相烧结和液相烧结。固相烧结，出现、过程；固液烧结，出列、过程；复杂烧结中，上述四种情况并存。,烧成原理-物质迁移,表面迁移：物质在颗粒表面流动而引起的迁移，表面扩散与蒸发凝结，此时烧结体的基
5、本尺寸、密度不变。体积迁移：体积扩散、塑性流动以及非晶物质的粘性流动，通常发生在烧结的后期。,两球烧结模型的物质迁移类型,烧成原理基本过程,初期：表面扩散作用明显，颗粒间的原始接触点或面转变成晶粒结合，形成烧成颈，其长大速度与物质迁移机制有关。此阶段中由于粉末颗粒结合面增大，烧结体的强度和导电性有明显增加，但对颗粒内晶粒尚末发生变化，颗粒外形也基本上没有改变。坯体气孔率大，收缩约在1%左右。,烧成原理基本过程,中期：以晶界和晶格扩散为主，颗粒开始粘结，烧结颈扩大，颗粒间距缩小，孔隙结构变得光滑，形成连续的孔隙网络。气孔由不规则形状逐渐变成有三个颗粒包围的圆柱形管道，气孔相互连通，晶界开始移动，
6、晶粒正常生长，坯体气孔率降低为5%，收缩达80%90%。此阶段开始发生再结晶及晶粒长大。,烧成原理基本过程,后期，最终烧结阶段：借助于体积扩散，气孔已孤立、球化及收缩。由于晶粒的长大，孔隙与晶界脱离而成为孤立孔隙。空位扩散到晶界处，孔隙 才继续收缩。坯体收缩达90%100%。,烧成原理影响烧结因素,原始粉料的粒度从理论上计算，当起始粒度从2m缩小到0.5m，烧结速率增加64倍。这相当于粒径小的粉料烧结温度降低150300。,烧成原理影响烧结因素,MgO起始粒度为20m时，即使在1400保持很长时间，仅能达相对密度70%；若粒径在20m，温度为1400或粒径在1m以下，温度为1000时，烧结速率
7、很快；如果粒径在0.1m，其烧结速率与热压烧结相差无几。,烧成原理影响烧结因素,为防止二次再结晶，起始粒径必须细而均匀，如果细颗粒内有少量大颗粒存在，则易发生晶粒异常生长而不利烧结。一般氧化物材料最适宜的粉末粒度为0.050.5m。,烧成原理影响烧结因素,原始粉末的粒度不同，烧结机理有时也会发生变化。例如AlN烧结，据报道当粒度为0.784.4m时，粗颗粒按体积扩散机理进行烧结，而细颗粒则按晶界扩散或表面扩散机理进行烧结。,烧成原理,外加剂的作用固相烧结中，少量外加剂（烧结助剂）可与主晶相形成固熔体促进缺陷增加；在液相烧结中，外加剂能改变液相的性质（如粘度、组成等），因而都能起促进烧结的作用。
8、,烧成原理,外加剂与烧结主体形成固溶体 条件：离子大小、晶格类型及电价数接近；结果：使主晶相晶格畸变，缺陷增加，便于结构基元移动而促使烧结。有限置换型固熔体比形成连续固熔体更有助于促进烧结。,烧成原理,外加剂与烧结主体形成液相 由于液相中扩散传质阻力小、流动传质速度快，因而降低了烧结温度和提高了坯体的致密度。,烧成原理,外加剂与烧结主体形成化合物烧结透明的Al2O3制品时，加入MgO或MgF2，以形成镁铝尖晶石（MgAl3O4）而包裹在Al2O3晶粒表面，以抑制晶界移动速率，充分排除晶界上的气孔，对促进坯体致密化有显著作用。,烧成原理,外加剂阻止多晶转变加入5%CaO 于ZrO2中，生成阴离子
9、缺位固溶体，同时抑制晶型转变，使致密化易于进行。,烧成原理,外加剂起扩大烧结范围的作用 加入适量La2O3和Nb2O5，可使锆钛酸铅材料的烧结范围由2040提高到80。注意：只有适量的外加剂才能促进烧结，过量则会妨碍烧结相颗粒的直接接触。,烧成原理,纯Al2O3时的烧结活化能为502 kJ/mol，加入2%MgO后为398 kJ/mol，加入5%MgO时，升高到545 kJ/mol，则起抑制烧结的作用。,烧成原理,烧成温度和保温时间 提高烧成温度对传质有利。温度过高也会促使二次再结晶而使制品性能恶化，烧成时会使液相量增加，粘度下降，使制品变形。,烧成原理,表面扩散只能改变气孔形状而不能引起颗粒
10、中心距的逼近，因此不出现致密化过程。高温阶段以体积扩散为主，低温阶段以表面扩散为主。如材料的烧成在低温时间较长，会因表面扩散改变了气孔的形状而给制品性能带来损害。故应尽可能快地升到高温以创造体积扩散的条件。高温短时间烧成是制造致密陶瓷材料的好方法，但还要结合考虑材料的传热系数、二次结晶温度、扩散系数等各种因素，合理制定烧成温度。,烧成原理,气氛的影响烧成气氛可分为氧化、还原和中性三种。在由扩散控制的氧化物烧成中，气氛的影响与扩散控制因素有关，与气孔内气体的扩散和溶解能力有关。若氧化物的烧结是由阳离子扩散速率控制，则在氧化气氛中烧成，表面积聚了大量氧，使阳离子空位增加，有利于阳离子扩散的加速而促
11、进烧成。,烧成原理,进入封闭气孔内气体的原子尺寸愈小愈易扩散。气孔消除也愈容易。如像氩或氮那样的大分子气体，在氧化物晶格内不易自由扩散最终残留在坯体中。但若像氢或氦那样的小分子气体，扩散性强，可以在晶格内自由扩散，因而烧成与这些气体的存在无关。,烧成原理,当样品中含有铅、锂、铋等易挥发物质时，控制烧结时的气氛更为重要。如锆钛酸铅材料烧结时，必须要控制一定分压的铅气氛，以抑制坯体中铅的大量溢出。并保持坯体严格的化学组成，否则将影响材料的性能。,烧成原理,成型压力的影响 成型压力愈大，对烧结愈有利。但若压力过大使粉料超过塑性变形限度，就会发生脆性断裂。,烧成原理,生坯内粉料的堆积程度、加热速度、保
12、温时间、粉料粒度分布等都对烧成有一定的影响。影响因素很多，且相互间的关系也较复杂，在研究烧结时若不充分考虑这众多因素，就不能获得具有重复性和高致密度的制品，并进一步对烧结体的显微结构和机、电、光、热等性质产生显著的影响。,烧成原理示例,普通陶瓷的烧成：最重要的是物料在的物理化学变化，应掌握对此的影响因素，进而分析烧成原理，为制订合理的烧成制度提供坚实的理论基础。,烧成原理-物理化学变化,烧成过程中的阶段划分 分低温阶段(由室温300)；氧化分解阶段（300950）高温阶段（950烧成温度）冷却阶段（烧成温度室温）,烧成原理低温阶段(由室温300)，,排除坯体中的残余水分（约为25%）。坯体的强
13、度和气孔率都相应的增加。在120140间，由于坯体内颗粒间尚有一定的孔隙，水分可以自由排出，可以迅速升温，随着温度进一步提高，坯体中毛细管逐渐变小，坯体内汽化加剧，此时应均匀慢速升温，尤其是厚度和形状复杂的坯体更应注意。此外，要求通风良好，以使水蒸气迅速排出窑外，避免冷聚在坯体表面。,烧成原理分解与氧化阶段（300950）,坯体发生了较复杂的物理化学变化：粘土和其他含水矿物排除结构水；碳酸盐分解；有机物、碳素和硫化物被氧化；石英的晶型转化。它们都与窑内温度气氛和升温速度有关。,烧成原理分解与氧化阶段（300950）,粘土矿物脱去结构水与升温速度有关，升温速度加快，结构水的排除移向高温，结晶不良
14、的矿物脱水温度较低。高岭石类矿物含结构水量较多，在500650之间集中排出，而蒙脱石和伊利石类粘土含结构水量较少，脱水速度较和缓。,烧成原理分解与氧化阶段（300950）,碳酸盐的分解温度与其结晶程度，升温速度和气氛有关。,烧成原理分解与氧化阶段（300950）,可塑性粘土，如紫木节土、黑碱石、黑泥等都含有大量的有机物和碳素，在烧成的低温阶段，烟气中的CO被分解，析出的碳素被多孔的坯体所吸附。这些物质加热时都要被氧化，反应将持续至1100,烧成原理分解与氧化阶段（300950）,石英的晶型转变：573时，-SiO2-SiO2，体积膨胀0.82%。在K2OAl2O3SiO2三元系统中，985时出
15、现共熔物，由于杂质的存在，该共熔点的温度较相图所示温度约低60以上，即900左右时将在长石与石英，长石和被分解后的粘土颗粒的接触部位出现熔滴。,烧成原理分解与氧化阶段（300950）,物理化学变化小结300-500为受热膨胀；500-600，高龄土多的收缩大，伊利石或石英多的则呈膨胀。650-850，膨胀收缩不明显，粘土收缩较大，高温型石英负膨胀，长石有较大膨胀，故长石多粘土少的坯体显示平缓膨胀。850-900，长石显著膨胀，粘土收缩相对平缓，总膨胀较小。此阶段危险性不大，可以进行快速升温。但受窑炉类型制约。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,氧化保温期（9501050）还原期（105011
16、80）弱还原期（1180止火温度）,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,氧化保温期的主要反应继续氧化分解反应并排除结构水；偏高岭石转化为铝硅尖晶石和无定型SiO；液相开始出现，并开始熔融石英；在液相存在下，无定形石英和部分石英晶体转化为方石英。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,还原期的起始温度一般比釉的软化温度低150左右，使气体在釉面气孔未被封闭前排出。升温速度平缓(30-35/小时)，使分解反应充分进行。烟气中控制CO(04)%，游离O2(01)%。釉面封闭时作为还原结束温度。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,由于液相的粘滞流动和表面张力的拉紧作用，填充坯内孔隙，促进晶粒重新排列，
17、颗粒互相靠拢，坯体显著收缩致密，气孔率降低，气孔数目减少。形状变圆，坯体强度显著提高。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,还原期主要反应由铝硅尖晶石形成一次莫来石和方石英 硫酸盐的分解和高价铁的还原与分解 液相的大量生成 二次莫来石的形成问题：何为“一次莫来石”与“二次莫来石”？,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,何为“一次莫来石”与“二次莫来石”？一次莫来石：由高岭石分解经固相反应形成的粒状及片状莫来石；二次莫来石：由长石熔体形成的针状莫来石。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,还原烧成操作后要换成中性气氛或弱还原气氛，这样使沉积的残粒能充分燃烧，防止釉面污染，更重要地是使液相继续发展
18、，促进莫来石晶体进一步长大，由于中性气氛很难控制，为了防止铁的氧化使瓷器发黄，更不希望出现氧化气氛，所以大多采用弱还原气氛。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,弱还原期废气组成是：CO2（169）%；O2（0.51）%；CO（13）%。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,弱还原的末期要进行高火保温，以完善坯体内的物理化学反应，保证组织结构均一，调整窑内各部位温差。一般高火保温维持24h。弱还原期升温速度一般控制在10/h左右。坯体中显气孔率小于5%时作为弱还原的结束温度。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,玻化成瓷期：还原期和弱还原期。大量液相可以：填满坯体空隙，粘结晶粒，使瓷坯致密成为
19、整体；促进莫来石生成发育、降低烧成温度、促进烧结；阻止或延缓多晶转变；长石熔体具有高的粘度，石英和粘土分解产物的熔解又不断的提高液相的粘度，使坯体具有很宽的烧成范围和对组分变化的较低敏感性。因此长石质瓷中液相量可高达5060%。但液相量过多，将使瓷坯的骨架削弱，增加变形倾向；过少则不能填满坯体空隙，降低瓷的机电性能。,烧成原理高温阶段（950烧成温度）,除高粘度液相外，陶瓷形状在烧成过程中的稳定性还与坯体中的结晶相含量也有很大关系。莫来石晶体的线性尺寸不断增大，交错贯穿，它与残余的石英粒子构成了“骨架”，增强了瓷坯的结构强度。,烧成原理冷却阶段（烧成温度室温）,由烧成温度至850时，坯内液相由
20、塑性状态开始凝固；850以下时，坯内液相完全凝固，此时必须注意坯体内外温差所造成的热应力和石英晶型转变时体积收缩应力对坯体的不利影响，因此冷却不宜过快，降温速度应控制在4070h,烧成原理釉的形成,釉料在加热过程中发生一系列复杂的物理化学反应，大概可分为经矿物脱水和分解、化合、烧结、熔融等阶段。,烧成原理釉的形成脱水和分解,釉原料发生脱水反应，滑石（8001000），硼酸（2001400）碳酸钾1100以上；碳酸钠1500以上；碳酸钡的分解温度从915开始，一直持续到1350。长石在800以上时放出大量所吸附的各种气体，氧化铅、硼酸、硼砂、氧化锑等均有不同程度的挥发。,烧成原理釉的形成化合,某
21、些成分可通过固相反应生成新物质。碱金属和硅酸从700起直950，可形成可熔性硅酸盐，1150成为有流动性的溶液。CaCO3和SiO2 在800使反应生成CaOSiO2，CaCO3 和高岭土在500600时开始反应。与硅酸反应最快的是氟化物。水蒸汽的存在将加速反应的进行。,烧成原理釉的形成烧结,烧结是将粉末状态的物质经过热处理转化为凝集块状的物质。釉料中由于共熔物的生成形成熔层，硅酸不断向熔层溶解，长石熔化，在熔体的表面张力作用下，釉层转变为坚实致密的烧结体。在烧结过程中，釉料体积收缩增大，气孔率降低。,烧成原理釉的形成熔融,釉熔融是经过高温处理由固相转化为液相的过程。除高温外，化学分解化合扩散
22、和溶解都促进了熔融，烧结也促使釉的熔融。在釉的烧结和熔融过程中，并与坯体相互反应，渗透形成了坯釉中间层，当釉层熔融并进入充分流动的阶段，由于气体的逸出和对流作用，使釉逐渐趋于均质，在表面张力的作用下，均匀铺展在坯的表面上，此时，釉已进入成熟。,烧成制度,只有按照坯釉的物理化学变化的需要来供给热量和气氛，才能获得理想产品。烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。影响产品性能的重要因素是温度和气氛，压力制度旨在温度和气氛制度的实现。温度制度包括升温速度、烧成时间和保温时间，冷却速度等参数。,烧成制度,在烧成制度中，升温速度或冷却速度的允许值取决于坯料在烧成或冷却时所受到的应力作用。,烧成制度制订
23、烧成制度的依据,坯料在加热过程中的性状变化，资料：坯料的差热、失重和烧成收缩及密度变化曲线，确定：合理的升温速度、止火温度和烧成温度范围，最优点控制：既不影响产量又要减轻体积变化所造成的危害。,烧成制度制订烧成制度的依据,坯体的形状、厚度和含水率：对于大型、厚壁制品，升温不能过快，保温时间不宜过短。窑炉结构、容量、燃料和装窑密度。烧成方式：一次烧成和二次烧成。可借鉴同类产品的生产经验制定烧成制度，但要经过试烧，调整后才能用于正式生产。,烧成制度温度制度的确定升温速度,热应力包括物料的热膨胀(或收缩)；沿制品厚度方向上的热梯度。如果物料的热膨胀大，或者热梯度很大，不可避免的产生不同的热应力，尤其
24、是在遇到有晶型转变所产生的体积效应时，热应力可能导致制品开裂。,烧成制度温度制度的确定升温速度,（1）低温阶段：升温速度取决于坯体的颗粒组成、粘土含量、入窑水分及装坯密度和温差等因素。此时大型制品的温升速度为3040/时，中小制品为5070/时。,烧成制度温度制度的确定升温速度,（2）分解和氧化阶段：升温速度取决于坯体中粘土类型及含量，窑炉结构、窑内气氛，气流速度等，一般，除含有粘土较多的坯体，在其结晶水排除范围不能升温太快外，均可快速升高。大型坯体为2040/时、中小型坯体达5070/时，薄壁制品可达80200/时。,烧成制度温度制度的确定升温速度,（3）高温阶段：升温速度取决于窑炉结构、装
25、窑密度、坯体的收缩程度。窑容积大，温差大，装窑密度大；或坯体中粘土和溶剂含量多，收缩值大；烧结范围窄时，应缓慢升温。在强还原阶段，温升速度为2540/h。弱还原阶段，中小坯体为3040/h；大坯件为2030/h。高火保温阶段，液相大量出现，升温速度就不重要了，为使坯体反应完全，窑内温度均匀，升温速度控制在10/h左右为宜。,烧成制度温度制度的确定烧成温度,烧成温度是指瓷坯在烧成时获得最优性质相应的温度，即操作时的止火温度。坯体的烧成温度先是根据坯体的收缩率和气孔率的变化及其烧结情况确定其烧成范围。最后将产品在生产窑中试烧，测定产品的性能后确定。,烧成制度温度制度的确定烧成温度,从物理化学变化过
26、程来看，烧成温度取决于坯体内液相和晶相的比例及升温时液相粘度的变化。各类产品的配方，细度不同，在同一温度下的液相粘度都不同，故其止火温度也不一样。,烧成制度温度制度的确定保温时间,两次保温：1.氧化阶段结束时即转入还原阶段之前，称为中火保温或氧化保温，其目的是使分解和氧化反应能在坯体烧结和釉层封闭之前进行完全，并均匀窑内温度，保温时间：大型坯件812小时，小型坯件46小时。,烧成制度温度制度的确定保温时间,两次保温：2.将近止火时又进行一次保温，称为高火保温。其目的是使窑内温度均匀，物理化学反应趋于完全，使坯体具有足够的液相量和适当的晶体尺寸；另一方面，晶体在液相中有一个扩散过程，在坯体内每个
27、微观区域，液相和固相浓度力求平衡，从而使固相和液相得以均匀分布，保证组织结构趋于一致，坯体烧结程度一致，保温时间为24小时。,烧成制度温度制度的确定冷却速度,从烧成温度至850坯体处于塑性阶段，快速冷却产生的热应力大部分为液相的弹性和流动性所补偿，快冷不会产生危险，冷却速度可达到80100/时。温度继续下降，坯体内液相凝固，若冷却过快则瓷件由于冷却不均匀而产生有害应力，导致开裂。特别使在573和180270期间，石英晶型转变产生的体积效应，将加剧热应力的破坏作用，因而冷却速度应缓慢。,烧成制度气氛制度的确定,烧成气氛对产品性能的影响 烧成气氛是根据燃烧产物中的游离氧的含量和还原介质的含量来确定
28、的。在烧成过程中，烧成气氛不仅影响坯体的化学反应，升温速度，烧成温度，而且影响瓷质性能，颜色光泽。影响程度与原料种类和纯度有关。,烧成制度气氛制度的确定影响,气氛对坯的颜色和透光性以及釉层质量的影响 影响铁、钛的价数。含铁坯体，还原烧成时白度及透光性。对含钛较多的坯料则应避免还原气氛。否则部分TiO2变成兰紫色的Ti2O3，或形成墨色FeOFe2O3尖晶石和一系列铁钛混合晶体从而加深铁的呈色。使 SiO2 和CO还原，可能会在制品表面形成Si黑斑。形成氮的化合物，氮在高温还原气氛中可以形成化合物溶解于坯釉熔体中，遇到氧化气氛或有Fe2O3 的氧化作用时，又会重新分离产生气泡。,烧成制度气氛制度
29、的确定影响,气氛对机电性能的影响在电瓷烧成中发现，凡存在氧化发黄（赤变）的产品不仅外观呈色不良，且瓷质结构松弛，冷热性能、机械强度、体积电阻、击穿电压等性能指标下降。产生发黄的原因是在还原阶段中、未及时还原、或还原不彻底，还原气氛不稳定，使FeO氧化为Fe2O3，造成发黄。,烧成制度气氛制度的确定影响,气氛对升温和窑内温差的影响氧化焰空气供给充分、燃烧完全、火焰无烟而透明，升温速度快，但窑内的温差大。若过剩空气过多，则会使升温停滞或温度下降。还原焰是一种有烟而混浊的火焰，火焰长而柔软，窑内温差小，使窑内各部位制品均匀受热，减小产品性能的分散性。,烧成制度气氛制度的确定,基本规律：低温阶段：氧化
30、气氛；氧化分解阶段：氧化气氛，或强氧化气氛；强还原阶段：强还原气氛；弱还原和高火保温阶段：弱还原气氛或中性气氛；冷却阶段：氧化气氛,烧成制度气氛制度的确定,原则：抓住氧化转还原（转换温度或临界温度）和强还原转弱还原这两个温度点，以及还原气氛的浓度。转换温度过低，坯釉分解氧化反应不完全，易造成釉泡或烟熏；转换温度过高，坯釉已烧结，釉面封闭，还原介质难以渗入坯内，起不到还原铁质等作用，且易造成高温沉碳，从而产生阴黄、花釉、釉泡和烟熏等缺陷，一般临界温度控制在釉始熔前150左右。较有效的强还源温度应在1100之前。强还原气氛由坯中铁含量而定，一般含CO为36%。由强还原转为弱还原的温度以釉面封闭温度
31、为起点。此时CO为1.53.0%.,烧成制度气氛制度的确定,决定还原时间的因素还原气氛强，时间可短，还原气氛弱，则时间应长；坯体气孔率越高，有利于气氛介质进入坯内，因此在还原前半期的作用比后半期更有效；坯体越厚越大，还原时间应延长。窑内截面温差越大，为使产品烧透，时间应相应延长。,烧成制度压力制度的确定,压力制度是实现温度制度和气氛制度的保证。负压有利于形成氧化气氛，正压有利于形成还原气氛。负压过大，大量的热烟气被抽走，窑内温差大，易造成局部过烧或生烧，热效率降低，燃料消耗增加。正压过大，烟气外逸，散热大，同样增加燃料消耗；在隧道窑中会出现烟气向冷却带倒流和漏入车下，使冷却不良，窑车下部温度升
32、高；当还原气氛过浓时，导致烟熏。但增大正压，对减小气体分层，缩小上下温差有利。,烧成制度压力制度的确定,隧道窑压力制度类型全窑正压，最大正压点位于烧成带偏后部位；全窑基本上是负压，只在烧成带后上部为微正压，最大负压在烟气汇总的烟道处；预热带负压，烧成和冷却带正压，最大正压点位于烧成带后端，最大负压点也在烟气汇总的烟道处，零压点为预热带的的末端。,烧成制度压力制度的确定,隧道窑压力制度类型一般采用最后一种压力制度。预热带为负压，使排烟通畅，吸入少量二次风，保证转换气幕前为氧化气氛。但负压不应过大，否则窑头吸入过多冷气，增大预热带前段上下温差。烧成带保持微正压，使冷空气难入窑内，稳定窑内温度和气氛
33、。高火保温区保持微正压以利于保证弱还原防止制品二次氧化，零压点控制在预热带的末端，以便于分开焰性，使氧化、还原阶段分明。,烧成制度压力制度的确定,倒焰窑各阶段的压力控制与隧道窑运转时各带的压力制度基本吻合。在高温阶段理想的操作方法是烟道内有不大的负压，零压点处于窑底。窑内处于不太大的正压。压力大小还与燃料种类有关。如烧油的正压值较烧煤的大。压力制度一经调试后，应力求稳定。,烧成制度实例,烧成温度采用曲线的形式来表示，即将温度和气氛随烧成时间的改变来绘制，并将温度时间曲线称为烧成曲线。,烧成制度实例,隧道窑烧成过程窑结构尺寸：有效长度80m，其中预热带24m、烧成带25m、冷却带31m，内宽1.
34、64m，内高2.0m，燃烧室10对，其中氧化保温3对，还原5对，高火保温2对。窑车尺寸为长宽21.6m。工艺条件 窑车推进速度1m/h，燃料：重油，重油雾化采用Dg2比例调节喷嘴。助燃高压风机压力不小于120mm水柱，风量不小于8100 m3/h，油温90110，入窑坯体水分不大于1.5%。,烧成制度实例,隧道窑烧成操作要点干燥期：入窑3车位，温度在550以前，氧化气氛，微负压。氧化期：412车位，温度970前，强氧化气氛，零压点在11车位。氧化保温期：1317车位，温度970990，强氧化气氛（O2含量不小于8%），15#车位处窑内压力为0.81mm水柱。强还原期：1821车位，温度9901
35、130，强还原气氛（CO含量2.55.0%），窑内正压操作，47看火孔冒出150250mm火苗。弱还原期：2223车位，温度11301180，弱还原气氛（CO含量13%左右），8看火孔要冒出100mm左右火苗，不得带烟。高火保温期：2425车位，温度11801260，CO含量0.51.0%间，尽力缩小上下温度差，防止生烧和倒钵。冷却带：2640车位。,烧成制度实例,间隙窑烧成过程实例 产品：220KV套管，燃料：重油点火160 2h 氧化气氛 窑内压力为微负压 160300 14h 氧化气氛 窑内压力为微负压 300300 4h 氧化气氛 窑内压力为微负压 300540 12h 氧化气氛 窑内
36、压力为微负压 540700 16h 氧化气氛 窑内压力为微负压 700800 5h 氧化气氛 窑内压力为微负压 900980 8h 氧化气氛 窑内压力为微负压1040 下停火 12h14h 还原气氛 正压高火保温 4h 弱还原气氛 上正 下负,现代陶瓷窑炉的烧成制度,现代陶瓷窑炉应用的新方法、新技术。在预热带，普遍地使用了顶吹和侧吹气幕风。有利于调节预热带上下温差、升温速率的缓急和窑头的温度，气幕风的使用，使得在预热带上部的一段区域内呈现一定程度的正压，而不象传统窑炉预热带全呈负压的状态。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,使用洁净燃料，自动控制水平提高，最高温度点能够控制到1的范围内，并且能长期保持稳
37、定，在冷却带，急冷风由狭缝式改为排管式冷却，冷却效果均匀稳定。而传统窑炉中，由于急冷风比较集中并且量大，急冷温度一般都在750以上，而在现代窑炉中，急冷温度甚至可以降到600左右，在烧瓷片和日用瓷的辊道窑中，急冷温度甚至可以降到550以下而不会出现风惊缺陷。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,压力制度：窑炉的最大压点是在急冷和烧成带尾部之间，在传统窑炉中一般在1.51.8mm水柱；即15 18Pa，而在现代陶瓷窑炉中，压力在5 8Pa左右，在缓冷带，美国SD和意大利西蒂等公司的窑炉中还采用了顶吹和侧吹结构。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,应用新型保温砌体和低蓄热窑车：在产品产量、质量，以及产品能耗方面与传统窑
38、炉相比呈现出巨大优势。产品质量：现代窑炉的烧成缺陷非常低，合格率、优级品率很高。产品产量：一般都在50万件以上，如在美国SD公司的窑炉，断面3.8米年产量在100万件。窑炉适应能力强：高、中、低档产品在同一窑炉中都能有非常好的烧成质量。产品能耗低、周期短，若压力制度调节合适，产品出窑温度也很低，能够达到60以下。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,调试极为方便：和传统窑炉相比，更加有规律可循。故而现代窑炉产量高、缺陷低，并且能够长期保持稳定。与传统窑炉相比，现代陶瓷窑炉在结构上，设备上的不同，主要体现在烧成制度中温度制度和压力制度相互适应。必须认清和掌握现代陶瓷窑炉的特点和作用，掌握其调试方法，才能充分
39、地利用这些新技术、新方法。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,现代陶瓷窑炉中烧成制度的制定1、现代窑炉，由于使用的是保温砌体，低蓄热窑车，洁净化气体燃料，以及自动化控制。整体窑炉的烟气量的降低，无论是预热带、烧成带和冷却带的压力普遍下降，要求整个窑炉的送风和排烟抽热要有良好的配合。在整个窑炉内部要掌握的三个平衡：预热带和烧成带之间的平衡，冷却带中、急冷风和窑尾送风与抽热之间的平衡。窑内压力和窑下压力之间的平衡。这三个平衡哪一个平衡做得不好，都会对产品质量窑炉使用寿命造成影响。此外，窑头的气幕风机和窑尾风机、缓冷带的顶吹、侧风机都地对整个窑炉的温度和整窑的压力产生影响。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,2、在现代
40、陶瓷窑炉中，可综合升温速度，上下温差、晶型转换等工艺因素，再结合排烟和气幕风机以及各分类闸板的开度可以方便地调整预热带和冷却带的温度压力制度。在冷却带，冷风的鼓入应尽量由上部鼓入，抽热由上部抽出。急冷的温度在保证不出风惊的情况下，尽量降低一些，以缓解缓冷段的压力。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,3、在烧成带，制定温度曲线一定要与压力制度有效地结合起来。在制定温度曲线时除考虑工艺质量要求以外，还要考虑烧成带自动控制的设备特性的特点。一般烧成带各区的自动控制分为单独控制煤气和空、燃气比例控制两种。在这两种控制中，若温度制度不合理，对压力制度的影响就会呈现出两种不同的形式。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,a、在
41、单独控制燃气的窑中，由于窑气和燃气的比例是在一定燃气开度下的固定比例，这时亦会出现两种情况，一是烧成温度低于设定温度，此时烧嘴处于开大状态，烧嘴燃烧强烈，其控制下的窑炉内的温度场也很强。二是烧成温度高于设定温度，烧嘴就会关小，而这时空气压力是不变的，空燃比例就会失调。如果温度曲线不合理，设定温度高出实际温度许多，此区的烧嘴会关至最低，此时烧嘴起的就是降温作用，窑内的温度场因此强弱不均。产生过多的废气，造成窑内压力制度不合理。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,b、在空、燃比例调节的窑炉中，如果温度制度不合理也会出现两种情况，第一种情况与前面提到的是一致的，只是烧嘴开大的同时，空气和燃气是同时增长的。在出
42、现第二种情况时，如果设定温度过低，此区烧嘴的空燃气关得太小时，烧嘴处于最小火燃状态（如执行器和比例阀调得不好，没有此状态），烧嘴产生的烟气量大大减小。而排烟拉力是一定的，此时，烧成带烟气就会被过多拉向窑头一侧，窑前部温度升高。如果此时另一区甚至更多的温度高于设定温度时，就会加剧这种情况。窑炉前温度和压力变得极不稳定，窑炉部温度升高而后部温度急剧降低。这种情况在顶车不连续和装车不均时，尤为明显。,现代陶瓷窑炉的烧成制度,上述的两种情况表明，在制定温度制度时，除了考虑工艺要求外，还必须使烧嘴各区的执行器开度稳定在合适的位置上，使执行器上下都有一定余量来调节，并且这个开度不应相差太大。这个比例应该在
43、40 60%之间。这样温度制度和压力制度才能达到有机地配合。否则，如果执行器的开度波动过大，如某一区开度在20%而加另一区又在80%，烧成过程中就会产生偏差，窑炉的稳定性也会降低。,烧成技术,普通硅酸盐制品的烧成设备主要有隧道窑、辊道窑、倒焰窑、直焰窑、梭式窑、电阻炉及各类熔窑等，多以煤、重油和天然气等为燃料。,遂道窑,抽屉窑的特点,等温高速喷嘴的使用普通烧嘴在窑炉内的传热状况升温速率一般控制在不损坏坯件的最佳限度内，若产品内外温度梯度过大，内应力可能会引起坯件(瓷件)开裂或炸裂而产生废品。普通烧嘴火焰温度很高，在烧嘴喷出口附近的坯件被迅速加热，使被加热坯件的背火面和远离火口的坯件很难同时均匀
44、加热。在中低温阶段，为防止和克服由于各部位温度不均匀，多采取保温和放慢升温速度的办法，通过“均温”逐步缩小窑内各部位温差。高温时，窑内待烧制品间可以互相辐射，强化了制品表面和自身内在的传热时才有可能加快升温速度。,抽屉窑的特点,普通烧嘴在窑炉内的传热状况“斯且芬波尔茨曼定律”得知，辐射能量的大小是与辐射源和受热体之间绝对温度差的四次方成正比，进入窑内的可辐射的焰气与待加热的坯件温差越大，辐射传热量也越多。这种用加大温差的办法来提高传热效率，在陶瓷行业制品(尤其是大型或形状复杂的制品)焙烧过程中，特别在几个容易出现产品缺陷的阶段，往往造成靠近辐射源(火口、喷嘴出口)的坯件或朝向辐射源的坯件有因过
45、快加热而产生缺陷的危险。背着辐射源的坯件或坯件的部分，往往与朝向辐射源的部分有明显的温差，严重时可能造成坯件变形，弯曲甚至开裂，炸裂等等。可见，对于焙烧陶瓷的窑炉单靠辐射能力的提高来加快传热效率还是存在许多弊端的。,抽屉窑的特点,等温高速烧嘴高速喷出的焰气的温度可以调节到接近产品烧成工艺规定的各阶段温度(近似地称为等温)，特别在低温阶段特别重要，高速气流所产生的扰动和卷吸作用，使得窑内对流传热效率及温度的均匀性分布大为改善。采用等温高速烧嘴。是缩短窑炉烧成周期，提高产品质量，大幅降低能耗的重要途径之一。,抽屉窑的特点,等温高速喷嘴的使用，相对来说通过辐射传热形式传给坯件的热量减少了很多。也即，
46、炉壁(窑墙和窑顶)的间接辐射作用大为减弱。以辐射为主的传统窑炉，首先用大量的热量去加热炉墙，然后才有可能加热(包括反射)制品。,抽屉窑的特点,等温高速烧嘴的选用 从调温形式分有带二次风(调节出口温度)和不带二次风两种。带二次风的调温高速烧嘴，往往是燃料和助燃空气完全燃烧后，在喷出的焰气中再掺入二次空气来调节降低喷出的焰气的温度。适用于低热值燃料。对高热值燃料，在烧嘴燃烧腔内完全燃烧，对燃烧腔耐火材料的要求非常苛刻，也不利于还原气氛的烧成，因为，即便关掉二次风的供给，由于该烧嘴是按在完全燃烧状态下工作而设计的，也无法实现还原气氛。,抽屉窑的特点,二次风的调温烧嘴，由于其调节比非常大，即使在空燃比
47、变化范围中都能稳定燃烧，故这种烧嘴既能达到良好的调温效果，又能很方便的达到还原气氛。该型烧嘴的燃烧腔壁面温度较低，对燃烧腔耐火材料也没有许多苛刻要求。再由于调温和变换气氛都在同一套空煤气系统中完成，因而对实现自动控制和降低控制造价都是十分有利的，即便是人工操作也很容易掌握。,抽屉窑的特点,传统窑炉，多用重质耐火砖(顶多有一层隔热层)，其形式也多为拱顶，炉壁散热损失大；窑炉容积利用率也较低。制品的加热首先是待到窑体各部分加热升温后才有可能使被加热。现代化窑炉，选用了导热系数小，比重小，强度高，抗热震性好的轻质耐火材料(砖或纤维制品)，作成轻质窑墙，平吊顶结构，窑炉有效容积增大，窑体蓄热散热量减少
48、，窑的热惰性非常低，再加上有效的对流换热的加强，使窑炉的烧成周期大为缩短，能耗大幅度降低。,抽屉窑的特点,全纤维的窑体结构会有更大的节能效果，但由于纤维抗火焰冲刷的能力较弱，一般当气流速度过大时纤维就会产生剥落，加速粉化使其使用寿命大为降低，因此阻碍了纤维在高速烧嘴窑炉上的应用推广。需用“铠甲材料”附着在不同种类的纤维材料表面上，以大幅度降低燃耗，而且窑炉使用寿命比用轻质砖还要长。再由于砌炉材料容重小，相应的炉体钢结构费用可降低，基础可简化，无论一次投资还是运转成本都会大为降低。,抽屉窑的特点,窑炉管路系统设计是否合理也会影响高速烧嘴性能的发挥。例如，抽屉窑往往通过换热器回收烟气余热，加热助燃
49、空气。管路系统布置不合适或施工粗糙，使得各点流量分配不匀，造成烧嘴工作状况差异较大，则会给窑炉运转工作带来一定影响。,抽屉窑的特点,窑炉的控制水平对窑炉正常运有着密不可分的联系，许多窑炉运行，受人为因素影响较严重(技术水平，责任心等)，造成运转不正常或达不到预期的经济技术效果。在经济条件允许的情况下，最好采用自动控制，使窑炉在最佳状态下(最佳空燃比，最小用电量，最理想工艺状态)运转，尽管一次投资较非自控系统会高些，但长期的产品质量提高，以及燃耗，用电量的减少使投资很快回收并长期受益，这已为众多用户所证明是一本万利的。,窑炉的施工和有关问题,窑炉施工技术是一个非常重要的问题。如果施工质量差或方法
50、不合理，便会在很大的程度上影响窑炉的使用寿命和烧成工艺，并降低窑的热效率，增加维修费用。窑炉要求：承受高温荷重，要求一定的严密性和几何尺寸的准确性，以防止窑内热气体外漏和冷空气的吸入，能适应烧成工艺的要求，保证窑内压力、温度、气氛制度的实现。窑墙是单面受热，且温度高低有别，膨胀和收缩不同，容易损坏，间歇式的窑炉尤甚。窑炉施工的首要任务就是保证砌筑安装质量，使昂贵的窑炉设备更好更快地发挥效益，同时也应争取降低造价。,窑炉的施工和有关问题,窑炉的地基与基础问题和要求1）地基：一般应事先进行工程地质勘察，掌握土的物理和力学性质，要求搞清楚地基土质的好坏，承载力的大小，地下水位的高低，土层的分布是否均
