陶瓷的烧成制度
2014-11-24 11:25阅读：
烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度三个主要内容。温度制度和气氛制度是根据不同的产品的不同要求来确定的，而压力制度是保证温度制度和气氛制度实现的条件，三者是互相影响相辅相成，共同影响着烧后产品的质量和烧成工艺干燥设备的顺利进行。
（一）温度制度
温度制度常用烧成温度曲线来表示，烧成曲线上描述了坯体烧成时由室温加热升温到烧成温度、以及由烧成温度冷却至室温时的温度与时间的变化情况。
烧成曲线的内容包括各阶段的升温速度、最高烧成温度(止火温度)、保温时间和冷却速度。
1．各阶段的升温速度
通常升温速度与烧成所需的全部时间成反比，而各阶段时间的长短又与窑炉的种类、装窑容量、坯体的性质、坯体的厚度及其所含杂质的种类与数量等有密切关系。
低温阶段实际上是坯体干燥的延续，升温速度主要取决于进窑坯体的含水量、坯体厚度、窑内实际温差和装坯量。当坯体进窑水分高、装坯量大或坯体较厚时，升温太快将引起坯体内部水蒸气压力增高，易产生开裂或炸裂现象。
氧化分解阶段的升温速度主要取决于原料的纯度和坯体的厚度，也与气体介质的流速与火焰性质有关。原料纯且分解物少、制品较薄时，则升温可快些；如坯体内杂质较多且制品较厚，氧化分解费时较长或窑内温差较大，升温速度不宜过快；当温度尚未达到烧结温度以前，结合水及分解的气体产物排除是自由进行的，而且没有收缩，因而制品中不会产生应力，故升温速度可加快。随着温度升高，坯体中开始出现液相，应注意使碳素等在坯体烧结和釉层熔融前燃尽，而不致产生气泡。
高温阶段的升温速度取决于窑的结构、装窑密度以及坯体收缩变化的程度和烧结范围宽窄等因素。当窑的容积较大时，升温过快则窑内温差大，将引起高温反应不均匀。坯体中的玻璃相出现的速度和数量对坯体的收缩产生不同程度的影响，应根据不同收缩情况决定升温速度。在高温阶段的
主要现象是收缩大，但如能保证坯体受热均匀，收缩一致，则升温较快也不会产生应力而使制品开裂或变形。
2．最高烧成温度(止火温度)
烧成温度是指制品在烧成过程中所经受的最高温度。考虑到各种物理化学反应的进行是一个渐变过程，加上窑内温差、制品内外部的温差及传热过程需要时间，烧成温度实际上是指一定的温度范围。
对于致密陶瓷制品，烧成温度应选定在烧结温度范围之内。达到烧结温度后，制品致密度最大，收缩率最大，气孔率与吸水率最小。因此，烧成温度通常可通过测定试样的相对密度、气孔率或吸水率等来确定。对于多孔陶瓷制品，因不要求致密烧结，达到一定的气孔率及强度后即可终止加热，所以其烧成温度低于其烧结温度。在烧成过程中达到烧结温度的上限后，如果继续升温称为过烧。过烧后坯体的气孔率又会增大，致密度下降，制品的其它性能也发生变化。
烧成温度的高低取决于坯料的组成、坯料所要求达到的物性指标、坯体开始软化的温度和烧成速度的快慢等因素。对于烧结温度范围宽的坯料，可选择在上限温度和以较短的时间进行烧成；对于烧结温度范围窄的坯料，则宜选择在下限温度，并以较长的时间进行烧成。
3．保温时间
保温是指在烧成过程中达到某一温度范围后保持一段时间，这段时间称为保温时间。
一般在氧化阶段结束将要转入还原之前进行一次保温（中火保温）。在接近止火时又须进行一次保温（高火保温）。保温的目的是拉平窑内温差，使全窑产品的高温反应均匀一致。保温时间的长短取决于窑的结构、大小、窑内温差情况、坯件厚度及大小、以及制品所要求达到的玻化程度。通常容积较大的窑，因升温速度较慢，为使全窑坯体达到同一玻化程度，其止火温度可以比操作小窑时稍低，而保温时间必须较长。
4．冷却速度
冷却是把坯体从高温时的可塑状态降至常温呈岩石般状态的凝结过程。冷却制度是否正确，对制品性能同样有很大的影响。对于厚而大的坯体，如冷却太快，由于内外散热不均匀，会造成应力而引起开裂。一般日用陶瓷体小胎薄，有较多液相，在高温阶段尚呈可塑状态，高温下的热应力大部分可为液相的弹性和流动性所补偿，加快冷却并无危险。高温快速冷却不仅可以缩短生产周期，提供大量余热，还可以增加釉的透明度与光泽度，也能防止冷却过程中大量冷空气进入窑内而引起已还原的铁质重新氧化，对提高釉面白度有利。
一般瓷器中玻璃相的转变温度在830~800℃的范围内，低于此温度时塑性消失，并将发生残余石英的晶型转化。无论是液相由塑性状态转变为弹性状态，或是晶型转变，都会使坯体内产生应力。因此，在800℃以下至400℃的冷却时应小心谨慎，适当放慢冷却速度，以防出现惊裂。至400℃以下，热应力变小，冷却速度又可适当加快。
（二）气氛制度
燃料燃烧是一个较复杂的过程，往往同时产生氧化与还原过程：
氧化过程
C＋O2→CO2↑
2H2+O2→2H2O↑
CH4+2O2→CO2↑＋2H2O↑
2CO＋O2→2CO2↑
还原过程
CO2＋C→2CO↑
H2O＋C→CO＋H2
前四个过程按理论进行时，称之为中性焰（中性气氛），此时进入的空气正好能烧尽所提供的燃料。当前面四个过程是在导入过量空气的情况下进行，燃烧后还残存氧气时便得到氧化焰（氧化气氛）。当前面四个过程是在空气不足的情况下进行，燃烧后还有末燃尽的可燃物（CH2、H2）存在时便获得还原焰（还原气氛），这时出现后面两个还原过程。
1．氧化焰（氧化气氛）
氧化焰是在空气供给充分、燃烧完全的情况下所产生的一种无烟而透明的火焰。燃烧产物的主要成分是CO2与剩余氧气，不含可燃物质。氧含量在弱氧化焰时为2%~5%，强氧化焰时大于5%。
陶瓷制品烧成时，在低温阶段对气氛没有特殊要求，从400~1000℃左右，要求氧化气氛，而且是由弱到强，到临近大火阶段要以强氧化焰平烧一个时期（称为中火保温），其作用在前期是使坯体内水分蒸发，后期是使有机物与碳酸盐氧化分解完全，使坯体得到正常收缩，为进入还原期打好基础。
在充分供给空气时，如过剩空气量过多，会使升温停滞或温度下降，从而浪费燃料，理想的方法应该是使燃料得到完全燃烧，又尽可能地限制导入过剩空气，但这是很不容易做到的。特别是使用固体燃料时，如不供给过剩空气就很难燃烧充分。一般总是或多或少有一点过剩空气，才能获得完全燃烧。
2．还原焰（还原气氛）
还原焰是在空气供给不充分、燃烧不完全的情况下所产生的一种有烟而混浊的火焰。此时空气过剩系数小于1，在0.7~0.9左右，燃烧产物内含有的CO和H2在2%~7%左右（弱还原焰取下限，强还原焰取上限），且无游离O2存在（至多不大于1%）。
还原焰的作用主要使坯釉内所含Fe2
O3（黄色或红色，熔点1560℃）绝大部分还原成FeO（青色，熔点1420℃），在较低温度下与SiO2结合为淡青色的易熔的低铁硅酸盐，从而促进坯体在较低温度下烧结，并消除了由于Fe2
O3的存在而形成的黄色，使白度得到了提高。
还原焰还可以促使硫酸盐提早分解成SO2与其它气体一起逸出。这两个反应如下：
Fe2O3
+CO→2FeO
+CO2↑
FeO
+SiO2→FeSiO3
CaSO4+CO→CaSO3+CO2↑
CaSO3→CaO+SO2↑
还原焰对含铁量高的瓷器坯体来说是必不可少的过程，但在坯体含铁量低时也可不用还原焰，始终用氧化焰烧成到底。有时在坯料中加入微量钴盐（0.02%），使钴的青色冲淡Fe2O3的黄色而呈白色。
对粗陶器、炻器、土器，由于坯料内多数含有较高的Fe2O3和TiO2，陶器釉料中也含有一定量的着色金属氧化物或它们的盐类，烧后能使制品呈现黄、红、棕、紫等色，只有采用强氧化气氛烧成，才能使制品色泽鲜艳，一般没有采用还原焰的必要。
3．中性焰（中性气氛）
理论上中性焰是进入的空气量恰好能燃尽燃料，空气过剩系数为1，燃烧时实际消耗的空气量与理论上所需的空气量相等，而无剩余的CO或O2存在。事实上纯粹的中性焰很难获得，它总是稍偏于氧化或稍偏于还原。在釉料熔化以后直至坯体完全瓷化和釉充分熔融发光这一阶段，没有再用还原焰的必要，但也不应采用氧化焰，否则会将已还原的铁质重新氧化，所以要用中性焰。由于纯粹的中性焰不易获得，因此常用轻微的还原焰代替。
合理的气氛制度是保证陶瓷制品烧成质量的重要条件，而气氛制度的确定，应以坯釉配方组成和制品的性能要求为依据，例如陶器和瓷器的性能要求不同，气氛制度也不同。同样是瓷器，南方和北方所用的原料不同，因而气氛制度和干燥设备也不一样。
还原期的重要问题，是还原的强弱程度及还原期的起讫温度。还原要求先强后弱，程度适当。如还原不足，则不能最大限度地把高价铁还原成低价铁，此时将瓷件打碎观察，断面呈淡黄色且较粗糙。而得到充分还原的坯体则呈淡青色且致密。还原气氛能降低氧化铁和硫酸盐的分解温度，如还原不足未能使氧化铁及硫酸盐充分分解时，不仅色泽不好，而且会在温度继续升高釉面封闭后由于氧化铁和硫酸盐的分解脱气而使釉面起泡。但如还原过强，又会因烟气中有大量碳素而造成釉面烟熏。一般在强还原阶段使烟气中维持CO含量5%~7%，在弱还原阶段使烟气中维持CO含量2%~4%。
在还原阶段控制烟气中游离氧的含量比增加CO的含量更为重要，有时在还原阶段尽管CO含量不低，但如游离氧偏高（＞1%），就会影响釉面使釉面发黄。
测定还原气氛的强弱，使用气体分析仪可获得比较准确的数据。为了简捷方便，也可用肉眼观察加以判定。例如还原期看火孔有火焰喷出，可从其喷出长度得知其还原程度的强弱。
（三）压力制度
对于使用燃料燃烧供热的窑炉，窑内气体(烟气及空气)的压力对窑内温度和气氛有决定性的影响。通过调节窑炉有关设备(烧嘴、风机、闸板等)可控制窑内各部分气体压力呈一定分布。窑内气体压力的规律性分布称为压力制度。
压力制度起保证温度制度和气氛制度的作用。其重要性表现在以下三方面：
（1）压力制度直接影响到气氛制度。例如，油烧隧道窑中，预热带为负压，烧成带、冷却带为正压，零压位控制在预热带和烧成带之间。这样的压力分布有利于气氛制度的稳定。预热带呈负压，可使排烟通畅，保证预热带的氧化气氛。烧成带保持微正压，可以有效地阻止外界冷空气侵入窑内，有利于保证烧成带的还原气氛。零压位在预热带与烧成带之间，便于分隔焰性，使氧化与还原清楚。如果压力制度破坏了，窑内气氛也就随之改变，如烧成带如果出现较大的负压，窑内的还原气氛就破坏了，制品就可能出现发黄缺陷。
（2）压力制度直接影响到窑内的温度制度。负压过大，吸入的冷空气多，温度会下降，温差也会增大。
（3）压力的大小直接影响入窑空气量及出窑的烟气量，也直接影响预热效果、燃烧效果和冷却速度等。
窑内的压力一般是借助倾斜式压力计等测压仪表来测定的。在没有测压仪表的情况下，可以通过观察看火孔的火焰情况来判断。如果看火孔火焰往外冒，说明窑内的压力大于外界大气压力，窑内是处于正压操作，冒出的火焰越长，说明窑内压力越大。如果看火孔火焰不往外冒，说明窑内处于负压状态，也就是窑内的压力小于外界大气压力。此外，通过窑内火焰流动状态等现象也能判断窑内的抽力大小。
（四）烧成制度的制定
1．烧成制度制定的依据
制定烧成制度的主要依据是坯体的组成与性质、釉料的性能与要求以及使用窑炉的情况等。
（1）坯体的组成与性质
坯体的组成、原料的性质以及高温中发生的各种变化均影响反应进行的速度。根据坯料中各种矿物成分的差热曲线，可了解坯体在加热过程中不同温度区间所分解的气体情况。根据坯料的烧结性能曲线（致密度、气孔率、收缩曲线），可初步判断坯体的烧成温度和烧成温度范围，从而得出坯体在烧成过程中各阶段允许的升温与降温速度。
制定烧成制度时要充分考虑制品的尺寸和形状、坯体的厚度、制品的大小及坯体的温度传导情况。坯体加热时由于传热过程需要时间，在坯体断面方向形成温度梯度，从而引起不同层坯体的不均匀膨胀（冷却时为不均匀收缩），这种不均匀膨胀或收缩使坯体内产生应力，导致坯体开裂或变形。升温（降温）速度愈快，坯体尺寸愈大，坯体愈厚，应力就愈大，开裂或变形的概率就愈大。
（2）釉料的性能与要求
坯体中产生的气体必须通过釉层逸出，釉未熔融前釉层是多孔体，气体能顺利通过釉层。而当釉层大部分熔融后，气体通过就很困难，往往形成釉泡、气孔等缺陷。釉料的熔融温度范围，应适应烧成设备及操作对烧成温度范围所控制的程度。
当釉面要求为光亮釉时，则需要进行快速冷却，以防止釉熔体产生结晶。在烧制无光釉、结晶釉时，情况正好相反，应延长保温时间，慢速冷却，促进晶体生成。因此要针对釉料的性能要西游记制定烧成制度。
当釉层或者与釉层相关的装饰层的成熟温度与坯体的烧成温度相差较大时，应采用二次烧成或二次以上烧成。
（3）所用的窑炉情况
制定烧成制度时，应考虑窑炉的结构型式特点、装窑方式、燃料种类、供热能力大小及调节的灵活性、窑具的性质等。应根据不同产品选择适当的窑炉烧成，窑炉要能够实现制品烧成所需要的烧成制度。
在执行烧成制度的过程中要随时根据坯釉配方变化、产品品种变化、燃料变化，甚至气候变化及烧成产品反馈的信息等因素予以调整。调整烧成制度时要注意调节效果的滞后性，一般来说，窑炉自重愈大（厚壁）、烧成周期愈长、装窑密度愈大则滞后时间愈长。因此要根据这些情况在调整并经过滞后期后的观察分析才可确定调节是否正确，以决定是否需继续调整及如何调整。如果在滞后期内即做下一步调整，则可能会作出错误判断，以至于情况比调整前更为恶化。新型薄壁轻型快烧窑炉滞后期很短，因此调节灵敏，为提高烧成的品质创造了条件。
2．产品烧成制度的确定
（1）烧成温度曲线的拟订
烧成温度曲线的拟订包括各阶段的升温速度、最高烧成温度、保温时间和冷却速度。
升温速度的确定，应依据制品所用原料在各个温度段所发生的物理化学变化、窑炉的大小、坯体的厚度与形状、所用原料的颗粒细度和装窑数量来综合确定。升温速度直接影响到烧成时间的长短，烧成时间的缩短，不仅提高了窑炉的生产率，而且能节约燃料。
低温阶段即在400℃以前，其升温速度主要取决于坯体的厚度、颗粒组成、黏土的含量、坯体进窑的含水率和窑内实际装坯量。当坯体颗粒组成致密，装窑容量大，且坯体进窑水分高或坯体较厚者，升温太快将引起坯件内部水蒸汽压力的升高而导致开裂现象的产生，升温速度一般大件产品为30℃/h，而中小制品为50~60℃/h。同时注意加大烟囱抽力来确保通风。
分解及氧化期即在900℃以前，升温速度取决于原料纯度、火焰性质、气流速度以及坯体厚度。原料较纯且分解物较少时，升温可以较快。坯体内杂质含量较多，则可能因快速升温而产生氧化分解不完全的情况，后期容易出现坯体变色、釉泡等缺陷。在这阶段中，除了在400℃~600℃间因为高岭石结构水的迅速排除，升温应缓慢些以外，一般可加速升温。但要保证窑内的氧化气氛。
高温阶段，升温速度取决于窑炉的结构、装窑密度和坯体收缩变化的速度，当窑的体积较大，升温过快则窑内的温差较大，将引起高温反应的不均匀，而且由于坯体玻璃相出现的多少与快慢会引起坯体发生不同程度和速度的收缩，在收缩较快的阶段，升温不易大快，收缩较慢的阶段，则可加快升温速度。一般燃气梭式窑，在此阶段可以快速升温。但在最高烧成温度下应有适当的保温时间。
最高烧成温度的确定，烧成温度的高低与坯体的组成、颗粒细度、制品的质量要求以及升温速度有关。烧成温度必须在坯体的烧成温度范围之内，具体的确定则需依据制品内在性能及外观质量要求来决定，对烧成范围窄的坯料，适宜在允许范围中的下限烧成，延长保温时间；而对烧成范围宽的坯料，则可在上限烧成。
保温时间的确定，保温时间的长短，决定于窑的结构、坯体的厚度和大小以及制品所要求达到的致密程度，通常容积较大的窑炉升温较为困难，为了使坯体达到同一烧成温度，其止火温度必须比小容积窑炉的要低，而保温时间则须延长。
冷却速度的确定，主要取决于坯体内液相的凝固速度。较厚的坯体冷却太快时，可能在坯体内外造成不均匀应力而引起开裂现象。液相较多的坯体采取快速冷却将使坯体内不易析晶或促使形成微晶，从而可提高其机械强度，而且可防止铁质的再次氧化，提高白度。
（2）烧成气氛的确定
为了适应坯体原料与制品性能的要求，某些产品要烧还原性气氛，一般情况南方烧还原气氛较多。氧化分解以后，如果是还原焰烧成，在空气不足的情况下，燃烧产物中将含有可燃气体，与空气一并进入窑中继续混合完成燃烧，并放出热量，使窑内的温度与燃烧室的温度差异减小，这是还原焰可使窑内温度均匀的理论依据，对于烧成温度范围窄的坯体，在烧成中使用还原焰干燥设备尤为重要。
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