第十二章_陶瓷的烧成分解

第十二章烧成烧成是指坯体在高温下发生一系列物理化学反应，使坯体矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸固定，强度提高，最终获得某种特定使用性能陶瓷制品的过程。6/112/2掌握陶瓷坯体在烧成过程中各温度段所经历的主要物理、化学变化；了解坯体在烧成过程中显微结构的变化与釉层的形成；烧成过程中常用的烧成设备的结构和特点；掌握烧成过程中常见缺陷产生的原因和预防措施。学习要点第一节烧成过程中的物理化学变化低温阶段室温～300℃中温阶段300～950℃高温阶段950～烧成温度冷却阶段烧成温度～室温坯体烧成过程烧结类型物质迁移机理驱动能气相烧结蒸发－凝聚蒸汽压差固态烧结扩散自由能或化学位差液相烧结粘滞流动、扩散毛细管压力、表面张力反应液相烧结粘滞流动、溶解－沉淀毛细管压力、表面张力一、低温阶段（室温-300℃）水分蒸发期，为继续干燥阶段物理变化－脱残余水分；坯体少量收缩，气孔率增大。坯体含水量对坯体升温的影响1、水量过大，蒸发引起过大内应力，导致坯体开裂。2、坯体表面凝水，导致局部膨胀，造成水迹和开裂；3、与SO2作用产生在坯体表面产生白霜；防范措施：水分含量3%,严格控制升温速度；水分含量1%,可以加速升温；一般控制在2％；加强通风，提高干燥速度；控制烟气温度，防止凝水；二、中温阶段（300-950℃）分解氧化和晶型转化期1、结构水的排除2、碳酸盐分解3、碳素、有机质和硫化物氧化4、石英的晶型转变和少量液相的形成O2H2SiOOAlO2H2SiOOAl2232℃60040022322℃950~730332℃1050~85032℃850~5003COMgOCaOCaCOMgCOCOCaOCaCOCOMgOMgCO232222224SOO2Fe7O4FeSSOFeSOFeS2COO2C三、高温阶段（950-最高烧成温度)三价铁还原成二价铁，与二氧化硅反应形成硅酸铁。FeO+SiO2==FeSiO3（1150℃）硫酸盐分解释放二氧化硫在釉面玻化前排出。CaSO4+CO==CaSO3+CO2，CaSO3==CaO+SO2转变点低于釉料始熔温度150℃,CO浓度3%～5%玻化成瓷期，坯体开始烧结，釉层开始熔化1.氧化保温阶段（950－1020℃）促使中温阶段各反应反应完全，使窑内温度均匀；2.强还原阶段（1020－1150℃）3．弱还原阶段(1150-烧成温度）防止燃烧不充分造成残碳，趋于中性气氛非晶态（玻璃相）增多，液相的表面张力使颗粒相互拉近，坯体逐渐致密；熔解Al2O3+SiO2生成莫来石，形成骨架，增加坯体强度。高温阶段瓷坯的特点：1）强度增大；2）吸收率和孔隙率降低；3）体积收缩；4）光泽度增加。避免升温过快，控制还原气氛的浓度，减小窑内温差四、高温保温阶段一般陶器：1150～1250℃，时间1小时；精陶：1220～1250℃，时间2～3小时；日用瓷：1280～1400℃，时间1～2小时；釉面砖：1150～1250℃，时间1分钟；1、促使物化反应完全；2、使坯体内部的玻璃相，生成的新相和未熔融石英可以进一步分散和反应，改善微区结构，保证固相物质与液相能够均匀分布；3、促进莫来石晶体生长，增强坯体强度；4、减小窑内温差。五、冷却阶段400℃~室温;可以快冷，含有大量方石英的坯体应缓冷,速率可大于100℃/h;急冷缓冷终冷烧成温度～850℃；降低成本，防止析晶和低价铁再氧化，提高坯体强度，速率为150～300℃/h;850～400℃；注意石英相变，冷却速率不宜过大,速率为40～70℃/h;第二节烧成设备燃料火焰与制品的位置烧成作用烧成过程固体燃料窑液体燃料窑气体燃料窑电为能源窑明焰窑隔焰窑半隔焰窑素烧窑釉烧窑烤花窑间歇式窑连续式窑一、倒焰窑（老式间歇式窑炉）特点：生产方式灵活，结构简单，温差小，但周期长，劳动强度大，热效率低，适合多种制品的烧制。二、梭式窑和钟罩窑（现代间歇式窑炉）1）间歇式窑生产制度灵活，窑可靠近生产制品的地点砌筑安装，缩短运输线路。2）设备投资低。3）燃料消耗比与普通间歇窑低，动力消耗少，费用低，砌筑安装更加方便。4）可以通过光电控制机构对温度和窑内气氛进行调节，大大减少上釉产品的烧成缺陷。5）降低劳动强度，改善劳动环境。新型的间歇式窑具有下列优点：三、隧道式窑（连续式窑炉）隧道窑的优点：1．生产连续化，周期短，产量大，质量高；2．利用逆流原理工作，热利用率高，燃料消耗低；3．改善劳动条件，减轻了劳动强度；4．窑体使用寿命长，一般5－7年才修理一次。不足之处：1、隧道窑建造所需材料和设备较多，一次投资较大。2、烧成制度不宜随意变动，一般只适用大批量生产和对烧成制度要求基本相同的制品．灵活性轻差。3、隧道窑设备维修和管理工作量较大。四、辊道式窑优点：升温快，温度分布均匀，上下温差小于5℃；易实现自动化和机械化不用蓄热量大的窑车，热量消耗小，操作简单。适于扁平，小型制品缺点：不适合烧制高大的制品，最高温度为1300℃，不适合烧制高温制品。第三节烧成制度温度制度压力制度气氛制度烧成制度一、烧成制度的拟订目的：最佳热工制度，达到高产低耗⑴坯料在加热过程中的性状变化⑵坯体形状，厚度和入窑水分薄壁小件-快烧；厚壁大件-缓烧⑶窑炉结构，燃料性质，装窑密度是实现烧成制度的重要因素。⑷烧成方法同一种坯体采用不同的烧成方法时，要求的烧成制度各不相同。二、温度制度－温度与时间的关系升温速度烧成温度保温时间冷却速度升温速度取决于热应力与抵抗热应力的能力烧成温度升温速度陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即烧成时的止火温度，实际上是一个允许的温度范围，称为烧成范围升温速度烧成温度保温时间冷却速度烧成温度烧成温度（℃）相组成（%）气孔体积（%）玻璃相莫来石石英12103619423127038233721310412533113504822291长石质瓷坯不同温度下的相组成烧成温度的确定，主要应取决于配方组成、坯料细度和产品的性能要求，同时还与烧成时间相互制约。升温速度烧成温度保温时间冷却速度保温时间在烧成温度或稍低于此温度的某一温度下保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，另一方面保证组织结构均匀一致。冷却速度保温时间取决于坯体的应力状况①玻璃相多－－高温快冷，低温缓冷②晶形转变多－－转变温度附近缓冷③厚大坯体－－缓冷防开裂隧道窑煅烧日用瓷的温度曲线实线－窑顶温度曲线；虚线－设计温度曲线；—·—车面温度曲线；—×—车下温度曲线三、气氛制度强氧化气氛：O2＝8~10%,a=1.6~2.5氧化气氛：O2=2~5%,a=1.2~1.5中性气氛：O2=1~5%,CO＝1~2％，a=0.99~1.05弱还原气氛：O21%,CO＝1.5~2.5％，a=0.95强还原气氛：O21%,CO＝3~7％，a=0.90由烟气中游离氧和还原成分的含量确定)N0.5COO3.761/(1a22空气过剩系数①气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响②气氛对坯体的烧结温度和收缩的影响③气氛对坯的颜色和透光性及釉层质量的影响a.影响Fe,Ti的价数，氧化气氛下析出胶态Fe2O3使坯体显黄色；还原气氛下FeO形成玻璃相坯体呈淡青色；还原气氛下，TiO2→Ti2O3显蓝或紫色；b.在还原气氛下SiO2和CO分别还原为Si和C，使制品表面产生黑斑。④气氛对升温和窑内温差的影响氧化焰→温差大；还原焰→温差小；三、压力制度－压力与温度的关系负压有利于氧化气氛正压有利于还原气氛隧道窑烧成曲线第四节烧成缺陷开裂开裂1.入窑前已裂：成型设计不合理；干燥速度过快；装窑不当。2.烧后坯釉同时裂开：入窑含水量过大，升温快，水分排出过急，开裂范围大，裂口规则，断面粗糙但不锋利，色黄；高温阶段升温过快，坯体收缩过大，裂口平整，范围小，不锋利，白色泛黄；冷却阶段降温过快，裂纹细长，裂口断面光滑，锋利，色白；变形原料：塑性粘土多；挤泥颗粒定向排列，溶剂过多；成型：成型应力；坯体密度不均；脱模外力致应力；烧成：装窑不当；烧成温度过高，窑内温差大，受热不均坯泡：氧化泡似小米粒，断面呈灰黑色；还原泡比氧化泡大，断面发黄；釉泡：较小，位于釉层表面，位于边缘或棱角处又称水边泡，坯体或釉料可溶盐过多造成。起泡棕眼桔釉由釉料熔化坯体气体释放不尽造成微细针孔，釉泡破裂后不能填平釉面。色黄火刺黑斑烟熏发黄：升温太快，Fe3+未能全部还原火刺：匣体密封不严，火焰直接与制品接触，边缘呈黄色或褐色；黑斑：烧成气氛控制不当，有机物中碳素在高温下沉淀而显黑色。烟熏：碳素，有机物沉积而未被氧化釉裂剥釉坯釉膨胀系数不适应。生烧过烧坯釉料配方不合理烧成温度偏高或偏低保温时间控制不当装窑不合理，窑内温差大釉缕缺釉烧成温度过高或釉的温度过低，或坯体上有灰尘和油污，釉高温粘度和表面张力过大。