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1、第十章 烧成及窑具,主讲人：胡晓洪,陶瓷工艺原理,要 目,10.0 三种烧成情况 10.1 烧成制度 10.2 快速烧成 10.3 装钵装窑 10.4 窑具 习 题,10.0三种烧成情况,(1)纯坯烧（坯变）如陶器，玻化砖，特种陶瓷(2)坯素烧+釉烧（釉变为主）如釉面砖，(3)坯+釉 一次烧(坯釉同时变）烧成制度需坯、釉同时考虑，但往往更多考虑坯体，因坯体是主体。,窑具,10.1.1 烧成制度,定义：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效果的工序。烧成过程是在称为“窑炉”的专门热工设备中实现的制品在窑炉中进行烧成时，为避免火焰直
2、接接触制品而造成窑内污损，为承载、叠装制品，需要一定形状，性能的耐火材料来达到这个目的，通称窑具。,10.1 烧成制度,烧成工序是陶瓷生产过程中最重要的工序之一，制定科学合理的烧成制度，并准确执行是产品质量的重要保证。烧成温度：为了达到产品的性能要求，应该烧到的最高 温度。（P418）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。对于致密材料。如果不要求致密，则烧成温度小于烧结温度。陶器,烧成制度,烧成制度,一、烧成制度与产品性能的关系 1、烧成温度对产品性能的影响 导热系数、抗折强度、弹性模量、膨胀系数 1）烧成温度与产品的气孔率有关（过烧膨胀）2）烧成温度与产品的岩相组成有关
3、2、保温时间对产品性能的影响 3、升、降温速度对产品性能的影响 4、冷却速度对产品质量的影响,二、保温时间对产品性能的影响,降低烧成温度，延长保温时间，有利。使各部分物理化学反应均匀，对大型、异形，装载过密的烧成三、升，降温速度对产品性能的影响冷热膨胀的影响，气体的影响。四、烧成气氛对产品性能的影响（P422,）氧化还原焰，对烧结温度，线收缩，过烧膨胀，颜色，透光度，釉面质量。,四、烧成气氛对产品性能的影响,10.1.2 制定烧成制度的依据,一、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、热膨胀曲线TE、ITE）。是确定升、降温速度的依据之
4、一。,利用热分析综合图谱绘制理论烧成曲线,低温阶段注意：100150 脱吸附水升温不能太快；500600 脱OH、晶型转变升、降温不能太快；,10.1.1 烧成制度,二、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（P418表105），是确定烧成温度的主要依据。,10.1.2 制定烧成制度的依据,1.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）；2.烧结范围窄、液相粘度小、量随温度变化大的坯料的坯料，烧成温度只能定在烧结范围下限附近（T1）,三、制品的大小和形状,10.1.2 制定烧成制度的依据,升温速度快时，坯体的断面形成温
5、度梯度、坯体在膨胀或收缩过程中 均产生不均匀应力，导致坯体的变形（塑性状态）和开裂（弹性状态）。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。,四、釉烧方法,10.1.2 制定烧成制度的依据,1、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。预热带与烧成带前部 2、高火保温结束，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 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，素烧时不考虑釉的作用。低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱结构水，素烧时不考虑釉的作用。二次烧成其它优点：1）减
6、少缺陷，提高合格率，避免浪费。2）坯体强度提高，有利于施釉、装饰 3）工序的机械化。,五、根据坯料中氧化钛和氧化铁的含量确定气氛制度,10.1.2 制定烧成制度的依据,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。六、窑炉结构、容量、燃料和装窑密度 窑炉结构窑内温度的均匀性，升温速度，烧成温度。燃料种类装烧方法，升温速度，烧成温度。容量和装窑密度窑内温度的均匀性，升温速度。,温度制度的控制 流体燃料：调节燃料和助燃空气的流量。固体燃料：每次添加量、间隔时间、燃料在燃烧室的分布 调节窑内压力制度（烟道抽力）气氛制度的控制 流体燃料：调节助燃空气过剩系数0.9、0.9
7、5、1.0、1.1 固体燃料：每次添加量、间隔时间以及燃烧程度。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。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,10.1.3 烧成制度的控制,坯釉一次烧成过程中坯和釉的物化变化,(1)坯体水分蒸发期（0-300)坯体入窑时，含水2%左右，主要为吸附水，气孔率2540%。应加强通风，避免凝水，造成“水迹”和“开裂”。，断面大窑炉，稀码快烧。（2）氧化分解及晶型转化期(300950)结构水排出，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、升温速率、气氛
8、 有关。如升温过快，则分解与氧化的温度相应提高。氧化焰,反应式举例,Al2O3 2SiO2 2H2O-Al2O3 2SiO2+2H2O 400-525 CaCO3-CaO+CO2(500-1000)MgCO3-MgO+CO2(500-700)2CO-2 C+O2(积炭）C+O2-CO2;(600-1000)FeS2+O2-FeS+SO2(350-450)4 FeS+7O2-2 Fe2O3+4SO2（500-800)-石英-石英（573),(3)玻化成瓷期（950-烧成温度）坯出现液相，釉开始熔融。a.氧化保温（950-1020）除积炭，免烟熏和发泡 b.强还原阶段（10201150)使坯体内的
9、Fe2O3及CaSO4在釉封层之前得到充分还原与分解：Fe2O3+CO-2FeO+CO2;(1100)2 Fe2O3+CO-4FeO+CO2;(1100)CaSO4+CO-CaO+SO2+CO2;(800),否则，釉层封层后，还原气氛不易渗透 到坯体内部，致使坯体还原不足，釉层吸烟（C粒）发灰。若Fe2O3 未被完全还原，瓷器断面呈淡黄色，且粗糙。当坯体得充分还原时，断面致密，发淡青色，有明显贝壳状。因FeO易与SiO2生成易熔的玻璃状物质，促进坯体烧结。FeO（黑色）+SiO2-FeSiO3(青色）这阶段要平稳升温，控制O2 0-1%,CO2 14-17%;CO 2-4%;此阶段釉层基本玻化
10、，封闭了瓷胎表面，坯体瓷化。,c.弱还原阶段（1150-烧成温度）防止铁被重新氧化。为使窑内温度均匀，瓷台内部物化变化充分，在烧成温度下保温是必要的。高火保温：消除温差，组织结构均一，相同理化性能。d.冷却期：初期快冷（以形成玻璃质）750-550 慢冷（玻璃相由塑性态转变为固态，结构上有显著变化，引起较大应力，故冷却要慢）500 以下，可自然冷,（二）压力制度,烧嘴，风机，闸板调节压力预热带负压，烧成带正压。零压两个带之间。冷却带正压。,10.2 快速烧成的意义,快速烧成是一个相对的概念。减少能耗，增加产量P433表1、节约能源（燃料）烧成能耗占总成本2030,2、充分利用原料资源 随着低温
11、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原料 3、提高窑炉与窑具的使用寿命 烧成温度降低对窑炉及耐火材料的要求降低；隔焰窑、明焰窑的使用大幅度减少了窑具的用量,10.2 快速烧成的意义,10.2 快速烧成的意义,4、缩短生产周期，提高生产效率 传统烧成方法烧成周期大多几十小时；快速烧成可以缩短至几十分钟。5、低温快速烧成有利于某些色釉的显色，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,10.2 实现快速烧成的工艺措施,1、坯釉能适合快速烧成的要求 1）体积随温度变化小（收缩、热膨胀系数）；2）
12、导热性好，晶型转变少，物理化学反应速度快、排气少；3）釉的始熔温度较高，高温粘度小且随温度变化大。2、减少入窑坯水分，提高入窑坯体温度 3、控制坯体形状、大小和厚度 4、窑炉温差小保温好 5、窑具耐火度较高、热稳定性好,传统窑炉使用不洁燃料，为防止产品污损，装窑时需将产品装入封闭的窑具中烧成，叫匣钵。装钵 装钵的目的 1、隔离不洁净火焰与制品，防止烟气中的灰分、碳粒污染釉面；2、使强度较低，大小形状不同的制品能够有规则地叠装，同时合理利用窑位；3、制品之间保持一定距离，防止釉面熔化后互相粘结。装钵方法 座装、扣装、立装、吊装、叠装和套装。根据坯体的大小、形状以及对釉面的不同要求，采用不同的装钵
13、方法。P437图,10.3装钵装窑,10.3装钵装窑,倒烟窑装窑、隧道窑装窑、无匣装窑：大断面隧道窑，及梭式窑。墙地砖、卫生洁具。电瓷（普通陶瓷范畴）,10.3装钵装窑,装窑要求 1、根据窑内温差情况，确定各部位的装窑密度或产品种类。高火位密装，低火位稀装；色釉产品根据颜料耐火情况装。2、窑具之间、窑具与窑体之间产品之间保持一定的距离，保证烟气合理流动，传热均匀。窑具与窑底、窑车面之间有垫砂（垫饼、垫泥、涂层）防止粘结。3、叠装牢固平稳，保证在高温下或受到震动等作用下能够安全运行。4、在保证安全和产品质量的前提下，减轻窑具质量，减少窑具用量，提高经济效益。,窑具种类：包括匣钵、棚板、支柱、各种
14、耐火垫、托板、辊棒和窑车材料等。P442表1011 现代窑炉的重要标志之一，就是大幅度减少了窑具的用量，采用多种高级耐火材料窑具，满足快速烧成的需要。节省3/4能源 P442表1012，提高使用次数。,10.4 窑具,10.4 窑具的性能要求,1、足够的结构强度：常温强度和高温强度 2、良好的抗热震性能（急冷急热性）破坏机理：裂纹不断扩展；热膨胀系数小产生应力小不易破坏 熟料和基质的大小，相互关系；相对量的多少影响较大。产生应力,10.4 窑具的性能要求,3、重复使用时窑具的体积稳定性（不可逆变化）二次莫来石化引起体积膨胀 碳化硅的氧化引起体积膨胀 熔融石英的析晶引起体积膨胀 4、导热性能 良
15、好的导热性，有利于窑具寿命提高，降低燃料消耗，提高产品质量。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具的材质：1）硅铝质（粘土质、高铝质和莫来石质）粘土质使用温度1300 以下 高铝质使用温度1400 以下 2）硅铝镁质（莫来石堇青石质；堇青石莫来石质）莫来石堇青石质 高铝熟料+堇青石结合剂 堇青石莫来石质 堇青石熟料+粘土质结合剂 堇青石高温下分解，此类窑具的使用温度1300,10.4 窑具的材质及破坏分析,3）碳化硅质（粘土结合、氧化铝结合、氮化硅结合、再结晶）碳化硅导热系数大、热膨胀系数小，使用温度高，可达1400以上 500 时=15.12W/mK；=5.57-5.5910-6/。随着结合
16、方式的优化各种性能进一步提高。4）熔融石英质 含SiO2 99.5%时=0.5410-6/,而且高温粘度大，高温荷重软化温度也比硅铝质及硅铝镁质窑具高，抗热震性好，使用温度可达1380。使用过程中转变为方石英，膨胀破坏。,10.4 窑具的材质及破坏分析,3）碳化硅质（粘土结合、氧化铝结合、氮化硅结合、再结晶）碳化硅导热系数大、热膨胀系数小，使用温度高，可达1400以上 500 时=15.12W/mK；=5.57-5.5910-6/。随着结合方式的优化各种性能进一步提高。4）熔融石英质 含SiO2 99.5%时=0.5410-6/,而且高温粘度大，高温荷重软化温度也比硅铝质及硅铝镁质窑具高，抗热
17、震性好，使用温度可达1380。使用过程中转变为方石英，膨胀破坏。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具材料损坏机理分析 机械损坏除外）1）硅酸铝质窑具 晶相组成：莫来石、残余石英、刚玉和玻璃相。一次莫来石长大；石英的方石英化；二次莫来石化。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具材料损坏机理分析（机械损坏除外）2）硅铝镁质窑具 晶相组成：堇青石、莫来石、残余石英、刚玉和玻璃相。损坏机理：堇青石的分解、溶解；莫来石长大，二次莫来石化导致性能降低，机械损坏。3）碳化硅质 SiC氧化 SiO2石英裂纹SiC氧化 损坏机理：氧化。致密度高，空隙率低，可以降低氧化速度。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑
18、具材料损坏机理分析（机械损坏除外）4）熔融石英质窑具 损坏机理：石英玻璃在高温下逐渐析晶转变成方石英，体积膨胀，导致结构疏松损坏。特别是高温液相作用更大。此外，硅铝质和硅铝镁质窑具，在还原气氛下易损坏；碳化硅质和熔融石英质窑具，在氧化气氛下易损坏。,6.3 窑炉 隧道窑,辊道窑,四、窑具的制造,1.熟料的选择高温煅烧过的料作为骨料。注意颗粒级配。粗细颗粒直径比（68）：1，粗、中、细（56）：（12）：（23）2.混合料的均匀性。3.造型与成形4.窑具的烧成：专门煅烧，充分烧结5.窑具生产的标准化与专业化。,作业,1、何为烧成制度？包括哪些内容？2、长石质坯体在加热过程中的物理化学变化？3、何为还原焰烧成？4、瓷坯中的二次莫来石来源？,
