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[技术]陶瓷窑炉烧成气氛的控制及影响

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文章出处:上仪营销中心技术部 [2007/11/24]
责任编辑:上仪营销中心技术部
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1、烧成气氛的概念
陶瓷产品的烧成气氛是指在烧制的过程中,窑炉内的燃烧产物中所含的游离氧与还原成分的百分比。一般将烧成气氛分为氧化气氛和还原气氛两种。游离氧含量在8%以上的称为强氧化气氛,游离氧含量在4%~5%的称为普通氧化气氛,游离氧含量1%~1.5%的称为中性气氛;当游离氧的含量小于1%,并且CO含量在3%以下时,称为弱还原气氛,CO含量在5%以上的称为强还原气氛。 在实际生产中,采用何种气氛制度来烧制陶瓷产品,要根据产品配方中原料的组成以及烧制过程中各阶段的物化反映情况来确定。当原料中所含有机物和碳较少,且粘性低、吸附性弱、含铁量较高时,适合与还原气氛烧成;反之,则适合与氧化气氛烧成。
2、烧成气氛对产品性能的影响
众所周知,气氛会影响陶瓷坯体在高温下的物化反应速度、体积变化、晶粒尺寸与气孔大小等,尤其对陶瓷坯的颜色、透光度和釉面质量的影响,更显突出。 2.1影响铁和钛的化合价 在实际生产中,当氧化气氛烧成时,坯料中的Fe2O3在含碱量较低的玻璃相中熔解度很低,可析出胶态的Fe2O3使坯显黄色;当还原气氛烧成时,形成的FeO熔化在玻璃相中呈淡青色。另外,当坯体中的氧化铁含量一定时,若用氧化气氛烧成,被釉层所封闭的Fe2O3将有一部分与SiO2反应生成铁橄榄石并放出氧,其反应如下: 2Fe2O3+2 SiO2→2(2FeO·SiO2)+O2↑ 反应生成的氧会使釉面形成气泡与孔洞,而残留的Fe2O3会使坯体呈黄色。对含钛较高的坯料应避免用还原气氛烧成,否则部分TiO2会变成蓝至紫色Ti2O3,还可能形成黑色2FeO·Ti2O3尖晶石和一系列铁钛混合晶体,从而呈色加深。 2.2使SiO2还原和CO分解 在一定的温度下,还原气氛可使SiO2还原为气态的SiO,在较低的温度下它将按2SiO→SiO2+Si 分解,因而在制品表面形成Si的黑斑。还原气氛中的CO在一定的温度下会按2CO→CO2+C分解。在400℃时CO2是稳定的,而在1000℃时,仅有0.7%(体积)CO2。CO的分解在800℃以下才速度较快,而高于800℃时需要一定的催化剂。碳虽也有催化作用,但要求一定的表面积,游离态的氧化铁催化作用则与表面积无关,因此在还原气氛中很可能因CO分解出碳沉积在坯、釉上形成黑斑。若再继续升高温度烧成,在碳被封闭在坯体中;若再被氧化成CO2就会形成气泡,对吸附性能强的坯体尤为严重。
3、烧成气氛对产品缺陷的影响
陶瓷产品在烧成过程中会发生一系列的物理化学反应,如水分的蒸发,盐类的分解,有机物、碳和硫化物的氧化,晶型的转变,晶相的形成等。这些物理化学反应的速度,除了受温度影响之外,气氛对其也有很大的影响,如果控制不当,就会使陶瓷产品产生各种缺陷,下面介绍最常见的几种缺陷。
3.1黑心 陶瓷产品的黑心是指在坯体的烧成过程中,有机物、硫化物、碳化物等因氧化不足而生成碳粒和铁质的还原物,致使坯体中间呈黑色或者灰色、黄色等现象。黑心缺陷的存在会影响陶瓷产品的强度、吸水率、色泽等性能指标。陶瓷产品产生黑心缺陷的关键是有机物、碳化物、硫化物氧化不足,陶瓷产品在烧成过程的低温阶段发生有机物的分解和如下的氧化反应: FeS2+O2→FeS+SO2↑(350~450℃) 4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2↑(500~800℃) C+O2→CO2↑(600℃以上) 在此阶段如果氧化气氛不足,有机物的分解和上述的氧化反应就无法完全地进行,C、FeS2和FeO等过多地残留积聚在坯体内而使坯体呈黑色、灰色、黄色。在实际生产中要消除产品黑心,须在600~650℃让有机物开始燃烧,在300~850℃让有机物、铁化合物和碳充分氧化,也就是说,应在预热带保证足够强的氧化气氛。另外,在烧成的低温阶段,烟气中的CO会被分解,反应式如下: 2CO→2C↓+O2↑ 这一分解在800℃以上时会比较明显,而800℃以下时,在有一定催化剂的情况下反映也很明显(游离态的FeO就是很好的催化剂)。如果在低温阶段窑内的氧化气氛不足,且存在还原气氛的情况下,由于在还原气氛中存在的FeO,因此CO会激烈分解而析出C。在低温阶段由于坯体的气孔率较高,析出的C很容易被吸附在坯体气孔的表面而形成黑斑缺陷。
3.2气泡和针孔 陶瓷产品在烧成过程的低温阶段,除了发生前面所述的氧化反应外,还伴随着碳酸盐的分解: MgCO3→MgO+CO2↑(500~750℃) CaCO3→CaO+CO2↑(550~1000℃) 这些反应的速度和完全程度都受到气氛的影响,氧化气氛足够时,反应会快且进行得更完全;反之,反应速度变缓且不完全。当烧成过程进入高温阶段后,坯体出现液相,反应所产生的气体无法自由排出坯体外,于是便出现针孔、气泡等缺陷。在低温阶段将坯体内的气体成分全部氧化分解是不可能的,因为碳酸盐和Fe2O3在氧化气氛中要在高于1300℃以上才进行分解,但是在这样高的温度区域,坯体已经有液相存在,粘度减小,分解出来的气泡会冲破液相逸出,造成釉面不平,或者残留在釉层内,形成气泡缺陷。为解决这一问题,在高温前(1000℃左右)要将烧成气氛控制为还原气氛,让Fe2O3及硫酸盐类发生如下还原分解: Fe2O3+CO→2FeO+CO2↑ CaSO4+CO→CaSO3+CO2↑ CaSO4→CaO+SO2↑ 3.3色差 陶瓷产品的色差是指单件产品的各部位或单件(批)产品之间的呈色深浅不一的显现。在陶瓷坯体和釉料的原料中,总会或多或少地引入一些铁、钛化合物,在烧结过程中烧成气氛的不同会影响到铁、钛存在的价数,不同价数的铁、钛会有不同的呈色,当烧成气氛不稳定时,坯体的呈色相应改变,从而形成产品的色差。目前,市场上流行的钒钛金属砖,由于其坯料含钛较高,如在还原气氛下会有部分TiO2转变成蓝色至紫色的Ti2O3,形成色差,也有可能形成黑色的FeO·Ti2O3尖晶石和铁钛混合晶体,从而加深铁的呈色,形成砖面颜色深浅不一,其反应式如下: TiO2+CO→Ti2O3+CO2↑ FeO+2TiO2+CO→FeO·Ti2O3+CO2↑
4、烧成气氛的控制
烧成气氛的控制受到窑炉结构和设备配置的限制,比如风机风量的大小,风管直径的大小,排烟口、抽热口、抽湿口位置的设置等,都会影响到烧成气氛的控制。但是,最关键的还是稳定压力制度和合理操作燃烧器。
4.1稳定压力制度压力变化会影响到气体的流动状态,因此窑内压力制度的波动会引起气氛的波动,要控制好气氛,就必须稳定好压力制度,而稳定压力制度的关键在于控制好零压面。在窑炉预热带,因要排走水分和燃烧时产生的烟气,故压力相对比窑外环境的低,对比之下窑内气压处于负压状态;在冷却带要鼓入冷空气使制品冷却,压力相对比窑外环境的高,对比之下窑内气压处于正压状态;在正负压之间有一零压面,烧成带就处在预热带和冷却带之间,因而零压面的移动就会引起烧成带气氛的变化。当零压面位于烧成带前段,处于烧成带与预热带之间时,烧成带的气压为微正压状态,气氛为还原气氛;当零压面位于烧成带的后端时,烧成带处于微负压状态,气氛为氧化气氛。
4.2合理操作燃烧器烧成的燃料是否完全燃烧将会影响到窑炉气氛,特别是烧成带的气氛。因此合理地操作燃烧器,控制好燃料的燃烧程度,是控制窑内气氛的重要手段。在燃料完全燃烧的情况下,燃料中的全部可燃成分在空气充足时能完全氧化,燃烧产物中没有游离C及CO、H2、CH4等可燃成分,保证氧化气氛的实现;当燃料不完全燃烧时,燃烧产物中存在一些游离C及CO、H2、CH4等,使窑内气氛呈还原性。要使燃料完全燃烧,须注意以下三点:①确保燃料与空气充分,均匀地混合;②保证充足的空气供给,并保持一定的过剩空气量;③确保燃烧过程在较高的温度下进行。
5、实际生产中烧成气氛的调整
对于上述稳定气氛的理论要点,许多人都很清楚,但在实际的操作中,会因为要解决某些烧成问题而不自觉地改变窑炉的气氛,这种变化往往容易被人忽视,以下是常见出现的问题。
5.1为了提高烧成温度而改变空气过剩系数 有些多企业为了追求单窑产量的最大化,不断地加快烧成速度,缩短烧成周期。而操作工最常用的手段就是加大燃料供应量,但燃料供应量增加后往往没有及时调节助燃空气的供应量和助燃风机总闸的调节,造成烧成气氛由氧化气氛变为还原气氛。
5.2为解决预热带出现的缺陷而改变其气氛 一些操作工为了降低预热带后段的温度而减小排烟闸的开度,影响了窑炉压力平衡和气体流速,使预热带的氧化气氛减弱,如控制不好容易造成前炉燃烧状态不良,使气氛出现波动。
5.3为解决冷却带出现的缺陷而改变冷风量 这样操作不仅影响到全窑压力制度的变化,而且会使气氛发生变化。比如加大冷风,容易使零压面向预热带移动,反之零压面又会向冷却带方向移动,这些都会使气氛发生改变。为了稳定压力,必须相应调节抽热闸的开度,以平衡全窑的气体进出量,稳定零压面。
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