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陶瓷器烧成

[拼音]:taociqi shaocheng

[外文]:ceramics firing

陶瓷器制造中为了完成坯、釉料各组分的物理化学变化,以形成致密、坚实的刚性体和达到所要求的性能而进行的高温处理工艺。它是完成一件成品的关键过程。

陶瓷器烧成工艺的完善和发展与烧成技术的进步密切相关。如热源的变更,窑炉结构的改进,温度与气氛的有效控制等,都是相互制约、相互促进的。例如热源由使用柴、草、煤,逐渐进步到油类、煤气、电力。这个变更关联着窑炉设计的改进。同时,窑炉结构的改进也促进了热源的变化,也使预期的、可控制的温度与气氛得以实现。

烧成方式

陶瓷器生产中的高温处理有几种方式。成型坯体在施釉后入窑烧成,使坯与釉同时完成其物理化学及物理的变化,达到成陶或成瓷要求的,称为一次烧成。在一次烧成中有些还包括釉下彩绘所用彩料的烧成。但由于某些釉(如颜色釉、低温釉)烧成温度低,生坯的烧成和釉的烧成必须分两次完成,这种烧成称为二次烧成。其中坯体的烧成称为素烧,施釉后再进行烧成称为釉烧。素烧后不再施釉所得器物,称为素陶或素瓷,也可以作为成品应用。此外,还有一类高温处理方式,即在釉烧完成后用无机颜料或金属彩料(金水、铂水、钯水和光泽彩)进行装饰(见陶瓷器装饰),然后在750~800℃温度下进行烤烧,使彩料通过物理的与化学的变化形成彩色并与釉密切附着,不致由于抚摩或冲刷而脱落,这种高温处理称为烤花或彩烧。

烧成中的物理化学变化

陶瓷器的烧成是一个物理化学变化的复杂过程。组成陶瓷器的各种陶瓷器原料,包括粘土类、石英类、长石类矿物和其中混入的少量杂质,经过粉碎、配料、掺水、混练、成型、干燥和施釉等工艺过程,是一系列物理变化过程,由此而形成的是一个混合体。实际的陶瓷器坯体是一个工艺岩石型实体。这一实体转变成陶和瓷依赖于高温烧成所导致的物理化学变化。这些变化包括:

(1)粘土类矿物原料中吸附水和结晶水的排除,结晶物质晶格的变形、破坏与重排,新型结晶物质的形成。例如高岭石矿物在烧成中发生吸附水和结晶水的脱除,形成偏高岭石,经过高温分解和重结晶形成莫来石。

(2)石英类矿物中的石英晶体由低温型的β-石英转变成高温型的α-石英、α-鳞石灰和α-方石英,体积发生可逆性膨胀。

(3)长石类矿物,如钾长石,在1160℃时发生分解熔融,到1290℃达到完全熔融,所形成的长石玻璃相可以部分地溶解粘土与石英,析出莫来石晶体。

(4)高温中某些原料组分发生氧化或分解。如:

4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2

MgCO3→MgO+CO2生成氧化物与气体。这些气体与原来留存在坯体中颗粒之间的空气向外排放,少量的残留在坯体中,形成微观结构能观察到的气孔组织。

(5)呈液体状态的包括长石熔融形成的玻璃态物质,以及通过分解形成的碱土金属氧化物MgO、CaO及酸性氧化物SiO2,在高温中反应形成的碱玻璃,填入晶体颗粒堆积构成的缝隙或空洞中。借助于液体的表面张力作用将颗粒互相拉拢,导致整个坯体的收缩与致密化。这种收缩现象在陶瓷器烧成中普遍存在,而收缩率因构成坯体物料的性质而异。

这些变化促成陶器与瓷器的致密、坚实烧结体的形成。如果坯体化学组分中经烧成形成的玻璃态物质的组分较少,烧成温度偏低,生成的液态物质的数量不足以填充坯体中大部分的气孔,而使残留气孔多,致密度差,吸水率大,构成了陶器坯体的特征。反之,则形成瓷器坯体的特征。

工艺因素

主要包括烧成过程中的温度制度和气氛制度。这些因素有时受到原料种类、粒度、预烧温度和成型方法的制约。

温度制度

包括烧成温度,升、降温速度,保温时间等多项内容。确定具有一定组成与性状的陶瓷器物的温度制度必须经多方面规划。

(1)烧成温度:一般根据陶瓷器坯体内玻璃相的性质、玻璃相(液相)与结晶相(固相)之比以及所预期的成品性质而定;有时也依据釉料的适宜成熟温度和表现特征决定烧成温度的上限。为了减少产品在软化状态下受重力作用而导致坍塌或变形,烧成温度范围比较窄的产品一般在低于最高容许烧成温度20~30℃的温度下烧成。

(2)升温速率:与坯体和釉的矿物原料类型、制品大小和形状、装窑模式、窑炉容积和结构等有关,此外,还应考虑坯体内脱水、分解、多晶转变、相组成、整体微观结构等各种物理化学变化的温度范围和加热时釉与坯的气孔率的变化。

(3)保温时间:应能保证坯和釉的物理、化学反应达到平稳、衡定及体积效应。坯体最高收缩率一般发生在950~1280℃,故宜在低于开始强烈收缩的温度下进行保温。烧成收缩的大小和阶段取决于粘土类物质和所生成液相的种类与数量。瓷器的液相量一般在55%左右。

(4)降温速度:冷却阶段要避免液相和固相的热不均匀收缩。瓷器中的液相一般在1000℃以下凝固,因此在750~650℃的温度范围中冷却速度必须缓慢,尤其是游离石英含量高的器皿更需注意。但在液相凝固点以上降温速度若过慢,会出现某些化合物的氧化还原反应或晶粒长大、玻璃相成分下降现象。

气氛制度

窑炉内自由氧的压力大于氧化物的分解压力时,将进行氧化反应,称此气氛为氧化气氛。反之,则发生还原反应,称还原气氛。烧成过程中的气氛性质在很大程度上影响到陶瓷器胎内的玻璃相的粘度和釉的析晶、分相等动力学过程。

一般说来,在釉玻璃化以前(约900~1000℃),宜提高氧分压以利于原料的脱水、分解和有机物的烧失。高温阶段应适当加强还原性气氛并控制住游离氧,使硫酸盐分解温度有所下降(1050~1150℃),高价铁提前放氧(1000~1150℃),形成低铁熔质相,使粘度降低,促进烧结,同时也减少了高价铁着色和部分固溶于莫来石中的几率。但高温还原气氛较强时,钛的着色效应较铁为强,因此高温时采用柔弱的还原性气氛更为有利。此外,在高温中大多数离子在液相中扩散阻力小,能相应地降低烧结温度。

烧成设备

陶瓷器烧成所用的设备为窑炉。原始的陶瓷器烧成方法为平地堆烧,现仍有少数地区沿用。现在一般用间歇式或连续式自动控制窑炉设备烧成。

随着对温度与气氛要求的提高,固定形式的烧成窑炉逐渐出现。最早有挖地而成的穴窑(横穴窑、竖穴窑),后来出现了如中国南方各省依坡地建筑的龙窑,或用耐火砖建造的圆形、鸭蛋形(如景德镇窑)、半圆形窑炉以及流行于远东一带的阶级式半倒焰窑炉。20世纪初出现了倒焰式的方形、圆形窑和连续式隧道窑。这些新型窑炉适于用石油、煤气或电力作热源,使陶瓷器的烧成工艺稳定、节省燃料和易于控制。

分类

窑炉的类别很多,按外形分为龙窑、阶级窑、馒头窑、隧道窑、钟罩式窑、梭式窑等;按火焰流动方式分为直焰、平焰、半倒焰和倒焰窑等;按作业方式分为间歇式窑和连续式窑等。

(1)钟罩式窑:又称高帽窑。是以两个固定窑底和一个带有窑墙、窑顶结构的帽罩做成一套的间歇式倒焰窑。如用燃油或煤气作燃料,其窑底有吸火孔及支烟道;而用电力烧成的则无需吸火孔和支烟道。窑墙上可以布置燃料烧嘴,或者安装电阻发热元件。使用时,在装好生坯的窑底上套上钟罩,在另一窑底上装置待烧的生坯。前一窑底上的坯体烧达预定温度,冷却至一定温度后,即将钟罩吊起移至第二个窑底上,加热升温。这种窑可以利用部分余热,窑内温度均匀,周转快,装出窑便利,劳动条件好,并可以随时更改烧成制度。

(2)梭式窑:利用窑车作为活动窑底的倒焰式或半倒焰式窑。窑车上留有吸火孔与支烟道可以与窑墙上的烟道连通。使用时,将待烧的生坯装置在窑车上,推入窑内,进行加热升温,操作近似于隧道窑。当烧达烧成温度并冷却后将窑车从另一端推出。窑车也可以从入口拉出,这样的窑只有一个出入口,又称抽屉窑。此时,将装好生坯的另一窑车推入窑内进行烧成。这种窑的优点与钟罩式窑相同。

设计要求

窑炉的设计与建造需考虑以下 3个因素。

(1)满足烧成工艺因素。减少窑内各部位的温差,并使窑内温度稳定,重复性好。对隧道窑来说可采取以下措施:严格密封窑体和窑车间隙;在不影响烧成的前提下,保持窑内外压差尽可能小;窑车采用低蓄热耐火材料制作;料垛下面留出20~30cm走火通道,使窑断面下部的阻力小于上部,以使部分火焰和热烟气加热下部产品。

(2)达到最大的经济效益。通过减少窑炉构件的蓄热、散热损失和合理设计窑室结构来降低热损耗。窑的热负荷由有效热、热损失和废热组成。理想的窑炉应能最大程度地提高有效热、减少热损失并设法利用废热。此外,窑炉需保持一定的结构强度和较长的维修间隔。

(3)降低劳动强度。采用合理结构以减少操作程序,应用先进机械或电子技术使工艺过程实现半自动或自动化。20世纪70年代以来,用电子计算机对窑炉进行部分和全部工艺过程控制,使劳动强度显著降低,劳动生产率大幅度提高。

匣钵与窑具

陶瓷器在烧成工艺中经常采用匣钵、棚板、支柱或支架等承烧器材。匣钵能起到防止陶瓷器在烧成过程中因燃气和灰尘接触造成污损或缺陷以及盛装和支架的作用,提高装窑密度。匣钵和窑具必须在高温时不变形、不分解,具有良好的热稳定性和机械强度,因而须采用优良的耐火材料。常用的耐火材料为粘土及熟料质高铝耐火材料和碳化硅质耐火材料。

匣钵与窑具在陶瓷烧成过程中由于本身热容量而增加了无效热消耗,并且材质和形状设计对陶瓷器的烧成质量有各种影响因素,因而是烧成工艺中值得重视的环节。

参考书目
  1. 华南工学院、南京化工学院、武汉建筑材料工业学院合编:《陶瓷工艺学》,建筑工业出版社,北京,1981。

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文章名称:《陶瓷器烧成》
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