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淺談燒成氣氛的控制
發(fā)布時間：
2021-08-26 15:45
來源：
陶瓷產(chǎn)品的燒成氣氛是指在產(chǎn)品的燒制過程中，窯爐內(nèi)的燃燒產(chǎn)物中所含的游離氧與還原成分的變化。一般燒成氣氛分為氧化氣氛和還原氣氛兩種。在實際生產(chǎn)中，采用何種氣氛制度來燒制要根據(jù)產(chǎn)品配方中原料的組成以及燒制過程中各階段的物化反應(yīng)情況來確定。氣氛會影響陶瓷坯體在高溫下的物化反應(yīng)速度、體積變化、晶粒尺寸與氣孔大小等，尤其對陶瓷坯的顏色、透光度和釉面質(zhì)量的影響更顯突出。
1、燒成氣氛對產(chǎn)品質(zhì)量的影響
陶瓷產(chǎn)品在燒成過程中會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如水分的蒸發(fā)，鹽類的分解、有機物碳和硫化物的氧化、晶型的轉(zhuǎn)變、晶相的形成等。這些物理化學(xué)反應(yīng)的速度，除了受溫度影響外，氣氛對其也有很大的影響，如果控制不當(dāng)就會使陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)生各種缺陷。
(1)影響鐵和鈦的化合價。在實際生產(chǎn)中，當(dāng)氧化氣氛燒成時，坯料中的Fe2O3在含堿量較低的玻璃相中溶解度很低，可析出膠態(tài)的Fe2O3使坯體顯黃色；當(dāng)還原氣氛燒成時，形成的FeO熔化在玻璃相中呈淡青色。另外，當(dāng)坯體中的氧化鐵含量定時，若用氧化氣氛燒成，被釉層所封閉的Fe2O3將有一部分與SiO2反應(yīng)生成鐵橄欖石并放出氧，氧會使釉面形成氣泡與孔洞，而殘留的Fe2O3會使坯體呈黃色。對含鈦較高的坯料應(yīng)避免用還原氣氛燒成，否則部分TiO2會變成藍色至紫色Ti2O3，還可能形成黑色的2FeO·Ti2O3尖晶石和一系列鐵鈦混合晶體，從而呈色加深。
(2)使SiO2還原和CO分解。在一定溫度下，還原氣氛可使SiO2還原為氣態(tài)SiO，在較低的溫度下，它在制品表面形成Si的黑斑。此外，還原氣氛很可能因CO分解出碳沉積在坯、釉上形成黑斑。若再繼續(xù)升高溫度燒成，碳則被封閉在坯體中；若再被氧化成CO2就會形成氣泡，對吸附性強的坯體尤為嚴重。
(3)黑心和黑斑。陶瓷產(chǎn)品的黑心是指在坯體的燒成過程中，有機物、硫化物、碳化物等因氧化不足而生成碳粒和鐵質(zhì)的還原物，致使坯體中間呈黑色或者灰色、黃色等現(xiàn)象。黑心缺陷的存在會影響陶瓷產(chǎn)品的強度、吸水率、電絕緣等性能指標(biāo)。陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)生黑心缺陷的關(guān)鍵是有機物、硫化物、碳化物等氧化不足。低溫階段如果氧化氣氛不足，C、FeS2和FeO等的殘留積聚使坯體呈黑色、灰色、黃色。在實際生產(chǎn)中要消除產(chǎn)品黑心，應(yīng)在預(yù)熱帶保證足夠強的氧化氣氛。此外，如果在低溫階段窯內(nèi)的氧化氣氛不足，且存在還原氣氛的情況下，由于在還原氣氛中存在FeO，因此CO會激烈分解而析出C，低溫階段坯體的氣孔率較高，析出的C很容易在坯體氣孔的表面形成黑斑缺陷。
(4)氣泡和針孔。陶瓷產(chǎn)品在燒成過程的低溫階段，除了發(fā)生氧化反應(yīng)外，還伴隨碳酸鹽的分解，這些反應(yīng)受到氣氛的影響，氧化氣氛足夠時，反應(yīng)會快且進行得更完全；反之，反應(yīng)速度變緩且不完全。當(dāng)燒成過程進入高溫階段后，坯體出現(xiàn)液相，反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體無法自由排出坯體外，于是便出現(xiàn)針孔、氣泡等缺陷。在低溫階段，坯體內(nèi)的氣體成分不能全部氧化分解，碳酸鹽在氧化氣氛中要在1300 ℃以上才進行分解，但在這樣高的溫度區(qū)域，坯體已有液相存在，粘度減小，分解出來的氣泡會沖破液相逸出，形成氣泡缺陷。為解決這一問題，在高溫前(1000 ℃左右)要將燒成氣氛控制為還原氣氛。
(5)色差。陶瓷產(chǎn)品的色差是指單件產(chǎn)品的各部位或單件(批)產(chǎn)品之間的呈色深淺不一的現(xiàn)象。在陶瓷坯體和釉料的原料中，總會或多或少地引入一些鐵、鈦化合物，在燒結(jié)過程中燒成氣氛的不同會影響到鐵、鈦存在的價數(shù)，不同價數(shù)的鐵、鈦會有不同的呈色，當(dāng)燒成氣氛不穩(wěn)定時，坯體的呈色相應(yīng)改變，從而形成產(chǎn)品的色差。
2、燒成氣氛的控制
燒成氣氛的控制雖然受到窯爐結(jié)構(gòu)和設(shè)備的限制，如風(fēng)量大小、風(fēng)管直徑、排煙口、抽熱口位置等，但是最關(guān)鍵的還是穩(wěn)定壓力控制和合理操作燃燒器。
(1)穩(wěn)定壓力的控制。風(fēng)壓變化會影響到氣體的流動狀態(tài)，窯內(nèi)壓力的波動會引起氣氛的波動，而穩(wěn)定壓力控制的關(guān)鍵在于控制好零壓面。在窯爐預(yù)熱帶，為排走水分和燃燒時產(chǎn)生的煙氣，壓力相對比窯外低，窯內(nèi)處于負壓狀態(tài)；在冷卻帶鼓入冷空氣使制品冷卻，壓力相對比窯外高，窯內(nèi)處于正壓狀態(tài)；在正負壓之間有一零壓面，燒成帶就處于預(yù)熱帶和冷卻帶之間，因而零壓面的移動就會引起燒成帶氣氛的變化。當(dāng)零壓面位于燒成帶前段，處于燒成帶與預(yù)熱帶之間時，燒成帶的氣壓為微正壓狀態(tài)，氣氨為還原氣氛；當(dāng)零壓面位于燒成帶后段時，燒成帶處于微負壓狀態(tài)，氣氛為氧化氣氛。
(2)合理操作燃燒器。燒成的燃料是否完全燃燒將會影響到窯爐氣氛，特別是燒成帶的氣氛。因此合理地操作燃燒器，控制好燃料的燃燒程度，是控制窯內(nèi)氣氛的重要手段。在燃料完全燃燒的情況下，燃料中的全部可燃成分在空氣充足時能完全氧化，燃燒產(chǎn)物中沒有游離C及 CO、H2、CH4等可燃成分，保證氧化氣氨的實現(xiàn)；當(dāng)燃料不完全燃燒時，燃燒產(chǎn)物中存在一些游離C及CO、H2、CH4等，使窯內(nèi)氣氛呈還原性。要使燃料完全燃燒，需注意以下三點:①確保燃料與空氣充分均勻的混合；②保證充足的空氣供給，并保持一定的過?？諝饬?；③確保燃燒過程在較高的溫度下進行。
3、生產(chǎn)現(xiàn)場操作對燒成氣氛的影響
(1)為提高燒成溫度而改變空氣過剩系數(shù)
有些企業(yè)為了追求窯爐產(chǎn)量的最大化，縮短燒成時間，最常用的手段就是加大燃料供應(yīng)量，但燃料供應(yīng)量增加后往往忽視調(diào)節(jié)助燃空氣的供應(yīng)量，造成燒成氣氛有氧化氣氛變?yōu)檫€原氣氨。
(2)為解決預(yù)熱帶出現(xiàn)的缺陷而改變其氣氛
為了降低預(yù)熱帶后段的溫度而減少排煙閘的開度，影響窯爐壓力平衡和氣體流速，使預(yù)熱帶的氧化氣氛減弱，容易造成前爐燃燒狀態(tài)不良，使氣氛出現(xiàn)波動。
(3)為解決冷卻帶出現(xiàn)的缺陷而改變冷風(fēng)量
加大冷卻帶的冷風(fēng)量，會使零壓面向預(yù)熱帶移動，反之亦然，這些都會使氣氛發(fā)生改變，所以必須相應(yīng)調(diào)節(jié)抽熱閘，穩(wěn)定零壓面。
4、結(jié)語
上述內(nèi)容是依據(jù)穩(wěn)定氣氨的理論要點，分析了燒成氣氛的調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致燒成缺陷產(chǎn)生的原因以及對陶瓷窯爐燒成氣氛控制的方法。但在實際生產(chǎn)的操作中，操作者會因為要解決某些燒成問題而不自覺地改變窯爐氣氛，這種變化往往容易被忽視，不自覺地造成陶瓷燒成缺陷。雖然陶瓷燒成工序往往都是企業(yè)工藝管理的工序質(zhì)量控制點，但問題在于工藝規(guī)范是否嚴格執(zhí)行?？梢?，燒成缺陷的糾正措施在于強化工藝紀(jì)律管理。同時，為充分發(fā)揮工藝工作的質(zhì)量保證作用，企業(yè)和職能部門的生產(chǎn)過程都應(yīng)以工藝文件為依據(jù)，合理地規(guī)定投產(chǎn)批次，做到均衡生產(chǎn)，保持生產(chǎn)現(xiàn)場操作處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證陶瓷燒成工藝的正確實施，搞好陶瓷窯爐燒成氣氛控制，確保陶瓷燒成質(zhì)量。
作者：金培
燒成,氧化氣氛,還原氣氛
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