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磚坯在輥道窯中的燒成變化探討

磚坯在輥道窯中的燒成變化探討

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——程昭華的原創論文,未經許可,不得轉載!
 
  輥道窯燒建陶墻地磚已有幾十年的歷史。從彩釉磚到玻化磚、水晶磚、彩釉馬賽克、拋光磚,仿古磚、仿石磚等等,產品在不斷地更新換代,輥道窯也在不斷趨於完善。然,不管何種建陶產品在輥道窯燒成過程中,總發現諸如變形、裂磚、黑心、黑點、脆性等老問題,嚴重影響到產品的產質量。工藝上的不足也好,燒成上的原因也罷,一直以來陶瓷工程技術人員在不斷地摸索解決問題的方法和思路,但總是存在許許多多的盲目性,造成了許許多多不必要的損失。原因在于我們不清楚磚坯在輥道窯中的燒成具體情況,不知道磚坯在窯內哪個區域發生何種物理化學變化及程度,真正了解磚坯在燒成過程中的變化情況,是當今我國檔次不高,能耗卻大的建陶界重要的研究課題之一,所以,筆者就實際生產中產品缺陷的解決方案出發,探索磚坯在輥道窯中的燒成變化情況,旨在起到拋磚引玉,百花齊放的作用,大家共同分析磚坯的燒成機理,為建陶墻地磚在工藝配方上,燒成控制上及至整個生產工藝控制上提供直接的參考依據。
 

  1 磚坯的化學組成及主要特性

  磚坯在燒成過程中的變化主要決定于其化學組成,通常建陶磚坯配方組成中化學成分有SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、H2O、IL等。
 
  Al2O3——Al2O3含量決定配方中粘土的用量,粘土具有可塑性、結合性、吸附性、干燥燒成收縮性及高溫耐火性等,也就決定生坯強度,坯體收縮率及燒成溫度等。
 
  SiO2——SiO2在磚坯中具有骨架作用,而且硬度高,拋光光澤度好,同時在加熱和冷卻過程中伴有石英型轉變,體積、強度發生變化。
 
  Na2O、K2O——在磚坯中,主要起助熔作用,降低坯體燒成泥度。主要存在于長石中,由長石引入配方中。
 
  CaO、MgO——在磚坯中也可起助熔作用,同時具有增白和調節燒成溫度范圍的作用。CaO、MgO通常以碳酸鹽或硫酸鹽的形式存在,在煅燒中產生大號Ca2、SO2氣體排出。
 
  Fe2O3、TiO2——也具有一定的助熔作用,在常規白料磚坯中主要表現為負作用,那雜質,因為燒后容易變成黑點或綠點。
 
  H2O、IL——主要由粘土引入,當然其它原料如石粉石砂等也或多或少帶入一點。IL、H2O在加熱過程中逐漸蒸揮發。嚴格地說,建陶原材料中單純化學成分的礦物不存在。配方中的塑性粘土中含有上述所有的成分,瘠性原料瓷砂、石粉等主要含SiO2、Al2O3、Na2O、H20、CaO、MgO等。
 

  2 磚坯在各區的物理化學變化及質量因素

  根據輥道窯的結構和磚坯的燒成過程,通常劃分為預干區、預熱區、中高溫區、保溫區、急冷區、緩冷區、強冷區。磚坯在不同的區域進行著不同的物理化學反應。根據日用陶瓷的經驗推廣,建陶墻地磚在輥道窯上的劃分為。
 
  預干區——干燥器緩慢干燥(室溫~200℃)——自由水、吸附水、大量排除
 
  窯爐預熱干燥(室溫~450℃)——自由水、吸附水排除基本完 結構水開始排除。
 
  預熱區——結構水排除碳酸鹽氧化分解(450℃~1000℃){有機物氧化、碳酸鹽、硫酸鹽分解、硫化
 
  物氧化}石英晶型轉變
 
  中高溫區——坯體氧化還原反應的繼續,液相開始生成 (1000℃~最高燒成)
 
  形成新結晶
 
  坯體急劇收縮
 
  保溫區——液相量增長完全
 
  新結晶成長 (最高燒成溫度~急冷區前
 
  瓷化過程
 
  急冷區——液相析晶、凝固
 
  石英晶型轉變 (保溫區溫度~580℃)
 
  緩冷區——石英晶型轉變
 
  坯體緩慢降溫 (580℃~400℃)
 
  強冷區——坯體急劇降溫
 
  石英晶型轉變 (400℃~80℃)
 
  磚坯在不同的區域進行各自的物理化學反應,那么磚坯出窯形形色色的缺陷基本上可以從這里去找原因。
 
  (1) 預、干區最常見的缺陷:開口裂、邊裂、炸坯、滴臟
 
  (2) 預熱區最常見缺陷:邊裂、中心裂、黑心、黑點、變形
 
  (3)中高溫區最常見缺陷:變形、尺碼缺陷(大小頭、大小尺碼等),色差
 
  (4)保溫區最常見缺陷:四邊形、頭邊變形、尺碼缺陷等,色差
 
  (5)急冷區最常見缺陷:變形、風裂、色差
 
  (6)緩冷區最常見缺陷:風裂、脆性、變形
 
  (7)強冷區最常見缺陷:風裂(釉裂)、變形
 

  2.1 預干區

  生坯從壓機成型出來含有一定的水份,通常在6%~10%左右甚至更高,各種不同品種有各自特殊的工藝水份要求。同品種也因各廠不同的設備(如壓機)而有所不同。可見,生坯含水率遠遠大于空氣溫度,所以,生坯燒成的第一變化是物理變化即干燥排水、在此,不管是燒成窯的預干區還是專門的干燥器(立式干燥器或臥式干燥窯),一并概括為生坯的預干區。預干區的排水,主要是磚坯的吸附水(包括自由水),決定吸附水排除的速度及完全度是干燥介質的溫度,溫度和流速,本質上是磚坯內水份的外擴散速度,內擴散速度及干燥時長,在保證質量的前提下盡可能提高產量是企業的方向和要求,所以容易因把握不好出現盲目追求產量而導致質量問題。
 
  磚坯邊裂即燒出來的產品邊部出現若干5~10mm長的細小裂紋,裂紋深度往往是半磚厚之內,有面邊裂,出有底邊裂,有前邊裂也有后邊裂,有左邊裂,也有右邊裂,往往規律性不大,與壓機因模框或脫模造成的邊裂有所不同,邊裂是由于磚坯邊部最先承受高溫介質沖刷而開始外擴散,且由于溫度高、溫度小,流速快而導致快速排除邊部水份,而內擴散緩慢,內部水份不能及時填補磚坯邊部粉料顆粒間粘附成型的水膜,從而使得顆粒間產生空隙,再由不斷失水,空隙不斷拉大,同時磚坯干燥失水收縮產生內應力,拉大空隙,出就形成邊裂紋,如果顆粒大,顆粒間距大,由高溫燒成液化而急劇收縮進一步拉大空隙。出窯則表現為開口裂。開口裂往往裂透底且裂口寬度,長度都較大。當然,開口裂、邊裂的形成還與機械振動折傷,磚坯水份不均勻、成型壓力不均勻,布料不均勻顆粒級配不好有關,尤其是機械抖動極易造成開口裂,就熱工原理而言,概括性地說是起始干燥速度控制得不合理,沒能使得坯體內外擴散速度協調,往往是外擴散速度大于內擴散速度,而如果內擴散速度大于外擴散,內部水份不能及時滲透擴散,受高溫產生劇烈布朗運動從而形成沸騰狀向外膨脹性的內應力。內應力大于磚坯維持結構完好的彈性力和塑性力,則產生炸坯,維持結構完好的彈性和塑性決定于磚坯成型的壓力和顆粒間彼此粘接力;產生膨脹的內應力取決于水份的量和活躍度,也就是水份的含量和水份的溫度。由此,影響炸坯的因素便是——粉料的水份過大,成型壓力過大或過小造成磚坯的分層、壓力不均勻、水份不均勻、干燥升溫速度太快,干燥起始外擴散能力不足等等。磚坯經過干燥后又暴露在空氣中再進窯連續升溫燒成,在暴露過程中會吸附空氣中的水份從而形成吸附水。吸附水的含量取決于坯體本身的干燥度及外界空氣溫度和坯體的致密度、暴露時長。如果磚坯經過干燥后又吸水,表面結構重新被潤濕,后又急劇干燥,極易造成邊裂的,滲花拋光磚的印花后噴水,入窯干燥造成的裂紋俗稱為“水紋裂”正是這類問題所在。
 
  磚坯干燥過程中,40℃開始就表現明顯,120℃表現快速,300℃吸附水則基本排除,同時,磚坯在預干區還伴有因吸附水的排除而造成的體積收縮和坯體強度的增加,磚坯強度的增加從40℃開始,120℃表現相當明顯,且此時隨溫度的升高而強度增大。但又有一個極限,超過此極限則強度顯著降低,日用陶瓷Al2O3含量高,極限干燥溫度表現為250℃,而建筑陶瓷未曾出現確定的極限干燥溫度報道,在此,據生產實踐體會,建陶墻地磚因SiO2含量高,可能表現為180~200℃。
 
  從以上分析不難理解,對于快速燒成墻地磚來說,入窯水份的嚴格要求控制的重要意義。
 
  磚坯的滴臟,通常表現在干燥器干燥過程中,由于不干凈的粘附臟物的水滴,滴在磚坯表面造成。這里不難理解水滴的由來,它是生坯受熱干燥而蒸發的水蒸汽,水蒸汽遇冷便會形成水滴,臟物是由窯內壁的銹跡,或干燥介質中本身含有炭粒或過多硫分造成的。為什么會造成水滴缺陷呢?首先,因磚坯需要熱源干燥,所以有的企業采用窯尾抽余熱來干燥,有的采用熱爐送熱來干燥,也有的采用燒成窯的窯頭抽煙氣來干燥,對于抽余熱干燥來說,滴臟很少,而對于后兩者特別是第三者來說,滴臟機率大很多,因為熱風爐燃油和窯頭煙氣都在熱介質中含有硫分、炭粒,也就是說,本身干燥介質就是臟的,而第三者更表現為煙氣中還含有大量的水蒸汽,這為液化為水滴準備了條件;其次,因磚坯干燥工藝的控制要求,需要采用高溫高濕的干燥方法,特別是對于大規格磚來說,因高溫高濕干燥容易使磚坯內水份內外擴散同時進行而不致于造成邊裂。如何滿足高濕呢?一方面是引入高濕度干燥介質對前段即磚坯的起始干燥過程——升速干燥等速干燥前期進行干燥,另一方面則是控制抽濕量即關小抽濕閘來滿足。不難理解,滴臟往往是干燥控制上顧此失彼造成的,是為了調節控制邊裂而增大干燥器內濕度而產生的。由于介質濕度大,水蒸汽遇冷便會形成水滴,水滴溶解干燥窯內壁的銹跡等滴到磚面形成滴臟。當然,滴臟并不一定全是因飽和水蒸汽遇低溫鐵皮造成,也有的是本身飽和濕度的臟介質遇冷空氣而造成的。所以,解決滴臟除了控制介質的濕度、干凈度以外還要注意干燥器的保溫,盡量避免干燥器內的熱介質遇冷液化。
 

  2.2預熱區

  2.2.1化學結構水的排除

  磚坯在輥道窯內預干區300℃~450℃時,吸附水排除完全部分礦物的結構水開始排除,對于粘土類礦物(泥類),含有Al2O3量多,本身的化學結構水在450℃~650℃之間快速排除,由此坯體失重迅速,收縮明顯,粘土晶體結構遭到破壞,逐漸失去可塑性,產生吸熱反應。因為結構水的排除迅速,收縮明顯,晶體結構遭到破壞,所以,對于建筑陶瓷地磚來說,由于規格大而厚,極易造成磚坯的中心裂,磚坯受熱從邊部開始后逐步到中間中層,排水過程也是邊部最先后到中間中層。如果由于升溫過快而來不及排除完吸附水,此時吸附水,結構水在同時排除引起中間急劇的收縮則易產生中心裂缺陷。中心裂通常表現為細小裂紋呈現于外表,也有的在磚坯的中間層,如果成型時布料不均或模具排氣問題,則形成的中心裂更為明顯,往往裂紋較大。當然,機械原因造成的中心裂通常表現為裂紋大、粗、長。
 
  有些礦物的化學結構水的排除溫度很高,要到1000℃甚至更高時才能排除,當然,這類礦物在建陶中配方占量不大,控制得當,結構水的排除不會有太大的破壞性。
 

  2.2.2氧化分解

  墻地磚的配方中的泥類,含有有機質,有的還為增強泥漿的懸浮性,流動性和坯體強度而加入有機添加劑(如甲基纖維素等),在燒成過程中受熱進行氧化。同時,坯體中也總會含有一些碳酸鹽、硫酸鹽和鐵的化合物等雜質,它們在一定溫度下進行氧化分解放出CO2或SO2等氣體,特別是水晶磚類。
 
  有機物的氧化過程:C+O→CO2
 
  碳素的氧化開始于400℃左右,但在900℃以前很難燒完全,一般要至900℃以上才可以,如燒不完全,則殘留在坯體內,形成黑心或黑點,釉面磚則除此之外,還會造成因釉面熔融封閉坯體排氣的氣孔,而形成釉面煙熏、汽泡、針孔。
 
  硫化物、碳酸鹽的氧化過程:FeS2+O2→(350~450℃)FeS+SO2
 
  4FeS+TO2-(500~800℃)2Fe2O3+4SO2
 
  CaCO3_CaO+CO2
 
  由反應方程式可以看出,氧化分解進行得完不完全,取決于磚坯中有機質的含量,窯內的溫度,氣氛以及反應的時長。相應的磚坯成型的壓力影響反應進行的快慢、時長。氧化分解進行得完不完全,也就決定是否出現黑心、黑點、針孔、汽泡、煙熏等缺陷。由此可知對于低溫熔塊石灰制品而言,針孔缺陷是很難避免的,因為釋放的氣體很多。
 
  在氧化氣氛過程中,燃料中的游離硫分及硫化物釋放的硫分,若遇水蒸汽便可形成偏硫酸進而形成硫酸,具有腐蝕作用。所以,抽煙系統及窯前段金屬結構容易被腐蝕結垢或剝落。不僅如此,偏硫酸若存在于透明熔塊釉制品燒成過程中,容易與熔塊中的鋇、鈣化合物發生反應使化合物產生分解形成“鹽霜”缺陷,在整個升溫過程中釉面熔融狀態下都可能產生。鹽霜與配方中硫化物的含量以及燃料產生的硫分、燃燒的氣氛、水蒸汽含量有關。
 

  2.2.3 石英的晶型轉變

  建筑陶瓷墻地磚的配方組成中,石英(SiO2)含量在70%左右,一般都>60%,而石英在煅燒熔融過程中,會出現多次的晶型轉變。不同溫度下的轉變有各自不同的特征,主要表現為體積膨脹,石英的膨脹會導致磚坯內部結構的變化,直接影響到出窯磚的強度,釉面光澤度以及變形度等。
 
  圖示
 
  從圖示可以看出,在建陶行業,必須探討的是α石英→β石英,α石英——α鱗石英及鱗石英系列。石英在晶型轉變過程中,以573℃時的β石英轉為α石英的速度為最大,且有0.82%的體積膨脹,雖然這時體積膨脹很小,但其轉化速度很快,又是在干固相條件下進行,破懷性強;在870℃α石英轉變為α鱗石英時,體積增長最大(+16%),但其速度很慢,所以對磚坯結構性的破壞力不強。建陶磚坯的石英含量一般在70%左右,所以高硅含量很容易導致磚坯的573℃左右開裂,包括升溫裂和冷卻裂(冷卻裂因沒有什么磚坯顆粒間空隙,所以更容易裂)。這里先討論升溫裂,升溫裂對于建陶來說,并不常見,因生坯本身尚未液化,未進行全面的化學反應,也就是說未形成低共熔物,那么石英快速晶型轉變并不傷及其它礦物,更主要的是輥道窯通常預熱升溫梯度比較緩慢,所以構不成573℃快速轉變的條件。
 
  磚坯經過600℃開始出現暗紅色,以后隨溫度的升高紅度加強,800℃左右為血紅色,1000℃時為橙紅色,1200℃時為黃紅色,1300℃時為黃白色,磚坯在870℃時出現α石英——α鱗石英的轉變,體積增長最大(+16%),不過轉變速度慢,所以不會造成磚坯結構破裂,但因石英含量高,整個磚坯體積膨脹大,相對緩沖部分因水份排除氧化分解反應造成的體積收縮,整體磚坯體積會增大,(燒成收縮率越小的配方越明顯),如果磚坯上下表面同時開始膨脹,不會造成大的影響,而有一面先進入膨脹期,就會導致整體變形。在輥道窯的設計乃至實際點槍上,往往是下部槍點得多,特別是前區的槍,有的甚至前區上部槍不點而下部點槍較多(基本點完),從表面技術考慮,這是企業重視磚正面質量的原因所在,尤其是釉面磚,如果面溫提高過早使得釉面始熔過早,就容易造成針孔、氣泡、黑心、黑點,煙熏等缺陷。預熱區點了下槍的輥下磚坯實際溫度往往比未點上槍的輥上磚坯實際溫度高,所以表現為先整體上翹變形。當然,如果磚面溫度高于底溫度,那么就整體下拱,磚坯隨著燒成的不斷進行,面上和底下都會達到870℃,不過是誰先誰后而已,這時磚坯會是一種什么樣的變形呢?
 
  磚坯在870℃時,一是石英晶型轉變導致膨脹變形,二是還有不斷的氧化分解反應形成的體積收縮以及小部分液相的產生形成體積收縮,假設磚坯下面先進入870℃,底面先膨脹從而整體上翹。此時上面仍存在氧化分解不斷形成可彼壓縮的氣孔,使得上翹得以進行,且幅度大。而當上面開始進行870℃,下面的氧化分解已完成得差不多,也就是可被壓縮的氣孔少,同時又有部分產生的液相填補,所以,磚坯整體下拱受到阻力,但仍然可以存在,不過下拱幅度小些,上翹、下拱兩者一對比抵消,磚坯存在整體上翹形式。但由于重力作用,又使得磚坯存在下塌的趨勢。
 
  從整個預熱區的分析來看,磚坯在預熱區的缺陷,中心裂受結構水的排除影響,黑心黑點,針孔氣泡,煙熏,受氧化分解影響,鹽霜受氧化分解,燃料燃燒影響;變形受石英晶型轉變影響。
 

  3 中高溫區

  建陶墻地磚因其內質的要求不同,所以最高燒成溫度是不一樣的,如內墻磚瓷片,其內質為陶質,劈離磚為炻質,水晶地磚為炻質(也有的是瓷質),仿古磚和外墻都有炻質與瓷質,拋光磚基本為瓷質,相同燒成條件下,最高燒成溫度依次提高,瓷質磚燒成時的中溫區相當于陶質磚燒成時的高溫區。所以為敘述方便并稱為中高溫區。
 
  磚坯在中高溫區主要為燒結甚至瓷化,但同時存在氧化分解反應的繼續進行,大量液相生成,形成新的結晶,逐步燒結。
 
  前面已講過配方中的部分有機質、碳酸鹽、硫酸鹽物質受成型壓力,前期氧化分解程度的影響,須在高溫燒成時得以繼續氧化分解。只要存在氧化氣氛,該過程就有繼續進行的條件之一。目前建陶燒成絕大部分是氧化氣氛燒成。
 
  建陶的配方中存在不少的助熔性礦物,如鉀、鈉長石等,這也是從燒成成本出發的,而K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3等熔劑氧化物,在不同的溫度下能與SiO2和Al2O3形成各種低共熔物開始出現液相。與K2O、Na2O熔劑生成低共熔物熔點較低,有的在750℃左右,也由此開始生成少量的玻璃相。隨著溫度的升高,長石等原料熔融,坯體中的玻璃相逐漸增多,這種玻璃物質,具有熔解石英和粘土質顆粒及其它晶體能力,溫度愈高時間愈長,熔解的量越多。也就是說,對有光透明熔塊釉,始熔點低且燒后透明度好,而對于坯體本身而言,在預熱區開始只生成極少量玻璃液相,主要在中高溫區出現大量。大量液相的出現能促使Al2O3、SiO2在1100~1200℃重新結晶為莫來石,相對降低重結晶的溫度,有利于坯體較高瓷化。
 
  由以上分析可知,中高溫區產生大量液相,能填補坯體水份的排除,氧化分解CO2等氣體排除產生的顆粒間的空隙。結晶顆粒由表面張力作用互相靠攏,產生急劇收縮,體積縮小,一直到燒成達到最高峰。由此中高溫區主要決定坯體的尺碼,坯體的變形度及出窯的吸水率等。應該指出的是(1)液相量的過早出現和過剩,對變形形式及程度的影響大;(2)液相量使得坯體瓷化收縮,如液相過量或存在時間過長,會產生一種“沸騰”效應,從而使得塑性狀態下的磚坯出現腫脹,那就是“過燒膨脹”現象,可見,過燒膨脹坯體體積會變大,同時氣孔率重新升高。
 
  與尺碼相關的產品缺陷有整體大尺碼、小尺碼,大小頭、長短邊、扎腰、鼓腰等。這些產品缺陷大部分由壓機成型時造成,而在燒成過程中反映出來,同時窯爐燒成也極易造成尺碼缺陷。對于窯兩邊的尺碼大于窯中間位的尺碼,就很容易理解——窯邊因散熱吸外界冷風等降低了溫度,產生液相量不足或時間短,相對收縮小些導致的。坯體收縮是靠液相去填補顆粒空隙及拉攏顆粒,如在成型時整體壓力大,則顆粒間原本空隙小,那么收縮余地小,則容易出現整體大尺碼現象;而如果局部壓力大,局部粉料顆粒空隙注,收縮余地小,是往往出現這局部的尺碼偏大現象,如兩鄰邊分別受壓不一,則容易出現短邊;如兩對邊受壓不一,則容易出現大小頭。如同邊角部比中心部受壓力大,則容易出現扎腰現象……
 
  對于變形,在中高溫區通常表現為四角變形、角部變形、垂直輥棒邊的折式變形、扭曲變形、輥棒效應式變形“3”字形變形等。
 
  四角變形——四角同時上翹或下妥。這是由于磚坯四邊,四角受熱最快,受熱時間最長的原因(從熱傳導分析可知)。如果中高溫區面溫高于底溫(實際溫度)一定程度,則四角同時上翹,反之亦然。
 
  角部變形——單角變形,因為磚坯存在液相,也便可塑,所以,必須先排除該角在窯內行進所受的機械阻力,如擦墻、粘磚、碰瘤、走磚位不好等。磚坯在窯內行進的位置及槍火的長短、水平溫差,有時都對角部變形有決定性影響。
 
  折式變形——如果磚坯壓中并通過某輥棒結瘤位,則該處會留下一縱向折式變形,這是重力原理造成,不難理解。對于燒成造成橫向折式變形,因為經過石英晶型轉變后,進入中高溫區前段,已經產生了液相,如該時溫度急劇升高,液相急劇產生,則收縮急劇變化,如上下溫差大,則朝溫度高的一面折式彎曲變形,折式變形跟棒距和上下壓差,輥面平整度以及磚坯之間的間距有關系。
 
  扭曲變形、輥棒效應力“3”字形變形——扭曲變形,磚坯縱向象水蛇一樣扭曲的變形。這是一種復合變形,先是預熱區的整體變形,而后是中高溫區的局部變形,二者重合形成。當然,扭曲變形還與急冷,緩冷有關,要視具體變形狀而定。
 

  4 高火保溫區

  高中保溫區是液相的進一步形成的區域,為急冷做好緩沖作用。高火保溫區一般只是最高燒成區的1/2時長甚至更短,溫度也低于最高燒成溫度100℃左右,由于高火保溫,磚坯產生的液相更多,收縮更加劇,吸水率更小。也由此磚坯在此段受上下溫差大小變形普遍,主要是磚坯前兩角或前邊變形,嚴重的會影響到整體變形。這里的變形機理與最高燒區一樣是收縮變形,所以,變形穩向是向溫度高的一面彎曲。
 
  由于高火保溫對磚坯進一步液化,所以一般情況下磚坯收縮加大。但如果磚坯配方原料過低溫或磚坯在此前已液化較完全,在高火保溫區極易造成過熱膨脹,液相沸騰,反而形成開口或閉口氣孔到急冷時固化,從而導致尺寸增大、吸水率加大及磚坯拋光后存在小針孔、熔洞。對于釉面磚而言,往往表現為釉面過火出現豬毛孔樣的細小密密麻麻的針孔,有的直接表現為大口氣泡氣孔,防污能力,光澤度下降。
 

  5 急冷區

  冷卻是成熟的磚坯從液相轉化為固相,即磚坯從高溫的塑性狀態降至常溫巖石般狀態的過程。考慮到產品的產量,產品的出窯溫度,更考慮產品的冷卻質量,根據磚坯的配方特性,從而劃分為急冷過程,緩冷過程以及強冷過程。
 
  急冷理論上是可以將高火保溫下的磚坯迅速冷卻至573℃以前的,這也是一般技術人員所認為的保證573℃時緩冷而不至于會因β石英與α石英的晶型轉變而開裂(即風裂、風驚)。事實上,不同產品有不同的冷卻要求,大規格與小規格不同,釉面磚同玻化拋光磚不同。急冷對于釉面磚來說,可以增加釉面的透明度和光澤度,因為釉內含有大量的硅、尤其是熔塊釉,冷卻結晶傾向強烈。釉內如有晶體生長,就會使透明度與光澤度受到影響。而影響結晶程度是在釉面的軟化點溫度范圍的時長(有光釉的始熔溫度在800℃左右),時間越長,結晶導致失透越明顯,那么快速冷卻能很快地越過軟化點溫度范圍,防止大量晶體的析出。所以,對于有光釉而言,急冷快速冷卻對釉面透明度及光澤度大有益處。同理,對于無光釉而言,急冷稍緩慢對釉面的乳濁程度及細膩程度大有益處了。事實上,這種控制方向已經成了從所周知的經驗之談。急冷對于拋光磚而言,輕微程度對拋光光澤度有影響,因為坯中的硅含量冷卻形成類似為玻璃相的物質,則拋光光澤會好一點,但主要的卻是急冷裂及急冷強度。因為拋光磚往往都是大規格的,一般都在300×300mm以上,大至1200×1800MM。
 
  急冷是使磚坯從液相轉化為固相的過程,也就伴有物理變化即體積收縮。對于厚而大的坯件,如急冷短而快,則會由于內外散熱不均勻而造成不均勻的應力,引起開裂,這種開裂一般都是有明顯紋路的,而且斷口有些蠟質光澤。不容忽視的是急冷的上下溫差過大,也會引起上下收縮不均勻。由于磚坯規格大,冷卻散熱時間長,所以,對于大規格磚來說,急冷緩冷都應該長些,控制也就容易些。如果急冷太短,則為避免磚坯過高溫進入緩冷,急冷風就要加大,急冷風的加大,磚坯四周熱交換最快冷卻最快,四周邊也就很容易達到黑暗固化狀態即573℃或更低,但中心部分散熱緩慢仍呈高溫紅色,這種溫度差引起應力差,再加上石英晶型轉變開裂,由邊部開始的風裂在所難免,有光釉面磚則極易形成釉裂,因為它的硅含量更高。磚坯經過反復燒后,內部的粘土顆粒基本熔解,游離石英量逐漸變多,磚坯的彈性降低、脆性加大,也就更容易風裂。對于釉面磚腰線、花片磚來說,因為基本經過三度燒,所以相對而言抗折強度降低,同時由于有光熔塊的增多,冷卻時風裂的機率會更大。但一般腰線、花片磚燒成采用小型輥道窯緩慢烤燒,所以控制得好,破壞性也不大。對于輥道窯的箱體結構來說,窯墻的傳導散熱及密邊輥棒與石棉間的不密封以及事故處理口處的傳導散熱及不密封,相對而言窯體中間部位溫度是高于兩窯邊的,也就是說,如果出現窯兩邊磚風裂,除檢查窯體密封外,適當提高急冷區溫度是有必要的。必須指出的是急冷區打冷風入窯,那么熱電偶顯示溫度肯定大大低于磚坯的實際溫度,一旦出急冷區,顯示溫度往往會反彈而等于甚至超過急冷,這點磚坯規格越大越明顯,窯速越快越明顯。墊板支撐燒成彩碼廣場磚同樣很明顯,因為熱板蓄熱厲害,所以在實際控制上不能迷信于熱電偶顯示溫度。
 
  急冷和中高溫區、高火保溫區一樣,都存在液相過程,磚坯在熔融狀態下即粘土、長石、石英形成低共熔時,存在物理化學變化,其中重要點之一就是對磚坯冷卻成巖石狀時的顏色有決定性作用。對于磚坯的顏色,主要取決于著色劑(包括色料)燒后的呈色,而溫度和氣氛是影響著色離子價位,狀態的決定因素。有的著色劑在不同的溫度下顯示不同的顏色,有的在不同的氣氛下顯示不同的顏色。所以,在高溫燒成時(包括中高溫區和高火保溫區),溫度高低,高火保溫時長及燒嘴燃燒數量與氣氛對產品的呈色大有影響。急冷區對磚坯的呈色的影響主要是氣氛(爐膛氣氛),急冷是離心式通風把外界空氣注入急冷區冷卻磚坯的,而空氣中含有21%的氧化,也就大大改變了急冷區的氣氛——氧化氣氛加強。對于對氣氛敏感的著色劑來說,急冷的調節是影響出窯磚呈色的重要因素。
 
  前面已經分析過石英的晶型轉變,在急冷過程中也就存在870℃時的α鱗石英與α石英間的晶型轉變,那么磚坯也就存在因晶型轉變體積膨脹的變形趨勢了。磚坯從高火保溫區進入急冷,磚面同磚底都會承受急冷風而冷卻至870℃而體積膨脹,當然,此時磚坯由于規格大及本身傳導熱的物理性能,各點到達870℃的時間是不相同的。結合前面的分析,邊部、角部是最先到達870℃的。870℃時還存在大量液相,液相具有遷移性和可塑性,所以,變形最先體現在四邊四角,當面部先到達870℃時,磚坯面開始膨脹而使整個磚坯呈拱形,隨著溫度的降低,液相固化而使得面部可塑性明顯下降及顆粒基本喪失遷移能力而保持相對硬化結構,此后底面到達870℃時開始膨脹,而由于面部已基本硬化定型而大大阻礙磚坯上翹趨勢,再等底部硬化定型,則出窯磚往往出現整體拱形,從力學角度分析,急冷區通常表現為正壓,如果面部急冷風壓力大于底部(即上急冷風大于下急冷風)磚坯就存在邊角被壓下而呈拱形趨勢,有點須明確的是,磚坯垂直輥棒的兩邊受輥棒支撐,同時磚坯由于液相自重下垂和輥棒的傳導傳熱。所以,平行輥棒的兩邊即前后邊變形度通常是小于垂直輥棒兩邊即左右邊的。從機理分析上可知急冷變形是因磚坯的液相量存在可塑性,也就是說高度液化(瓷化)更容易受急冷影響而變形,以此類推,瓷質磚比炻質磚易受急冷影響而變形,炻質磚又比陶質磚易受急冷影響而變形。從另一角度分析,其實高度液相根本問題還是燒成的中高溫區及高火保溫區,也就是說,對于變形,最終原因還是在燒成過程,急冷調節變形只是個輔助手段。當然進一步說磚坯的燒成急冷變形容易與否,取決于配方中各組分的含量,因為各種不同礦物高溫塑性是不一樣的。生產控制時,不宜太過于于依賴急冷來調節變形,因為這樣不是靠燒成溫度對磚坯上下表面結構的燒結定格來完成的,如果配方不夠理想,很可能出現產品出窯后后期返彈變形。
 

  6 緩冷區

  磚坯經過急冷之后,便進入緩冷區。緩冷區可想而知是使磚坯緩慢冷卻的區域,它是根據制品中的573℃石英晶型轉變的破壞性而設計控制的。磚坯在573℃時基本固化,只存在少量的液相,所以這時的低高溫型的石英晶型轉變很容易導致整個磚坯破裂或強度下降,使得生產前功盡棄,可見緩冷的控制的重要性所在。如何控制緩冷,這和磚坯的種類、規格密功相關,一般而言,為了滿足快速冷卻而又不開裂,要求急冷在不使磚坯開裂的情況下盡可能降低些溫度,從而也就縮短緩冷所需要的時間。因為磚坯本身規格及窯墻散熱等原因,窯爐橫向方向上的各磚進入573℃是不同的,就是同一件磚各點進入573℃的先后也是不同的,哪一點控制不好,冷卻快了都會導致開裂或脆性,所以要求緩冷段盡可能減小水平溫差及空氣流動度和相應延長緩冷時間。可見磚坯規格越大,緩冷段要求越長,但這又不是千篇一律的。如果只是延長緩冷,而忽視緩冷的各抽熱熱風閘的調節,同樣會導致磚坯的風裂或脆性,因為影響風裂或脆性除了溫度外,還與介質流速有關,同樣的介質溫度下,流速越快,磚坯本身冷卻也就越快。由此,緩冷段的壓力控制及各閘的開度控制相當重要。這一點更體現在水晶釉面磚上,因為水晶釉的高硅量,對冷卻更敏感。為使經過急冷后的的釉面不風裂,所以緩冷前段控制微正壓或正壓是必要的,同時前后倉位不應有過大的溫度降。在窯爐設計及操作控制上,緩冷前段采用間壁冷卻對釉面質量保證相當重要。為避免冷風對緩冷區的影響,急冷與緩冷、緩冷與強冷間的馬弗板擋火板、擋火墻的高度設置也是不容忽視的,當然窯體保溫密封是最基本的要求。其實總的來說,緩冷的控制是盡可能使窯內磚坯任一部位在573℃時都能緩慢過渡,過此之后便可強制冷卻了。573℃是個理論溫度,在窯爐控制上不可盲目迷信于冷卻段各熱電偶的顯示溫度,這跟前面講的急冷區的情況是一樣的。 有條件的話,窯爐技術人員應該使用紅外線測溫槍來檢測測磚坯的實際溫度。
 
  傳統上緩冷控制僅在理解為保證磚坯的強度上,其實這是不完全的,首先緩冷抽熱要盡可能考慮加速冷卻以為提高產量提供調節余地,以及抽取更多的余熱以便利用;再次還應注意緩冷區對變形的影響,當然,緩冷變形并非就是磚坯在緩冷時變形,因為此時磚坯已巖石化了,它是間接影響到急冷區而變形的,急冷、強冷打入的冷風大都要經過緩冷抽熱斗抽走以維持窯爐平衡(當然有的窯爐在設計上考慮比較成熟而又單獨為強冷提供了一個抽廢熱風系統,與緩冷抽熱分離)。緩冷抽熱風如很大程度上影響到急冷,那么會因緩冷抽熱的改變而改變急冷段的上下冷卻溫度和壓力,急冷的上下冷卻改變也就可能改變原來的急冷變形趨勢。當然,這種情況在生產控制中應盡可能避免,以保證冷卻質量及系統的穩定性。若為之,很可能會顧此失彼或者說得不償失。
 

  2.7 強冷區

  對于快速燒成和大規格磚燒成及墊板撐燒,也就是說對出緩冷時磚坯表面溫度仍很高的制品燒成而言,強冷是必不可少的。后期強冷,既是為窯尾執磚工的勞動強度考慮,也是為制品的出窯質量考慮,因為磚坯在163℃、117℃時還存在鱗石英系列的快速晶型轉變,很可能導致磚坯出窯因環境溫度、外界空氣流速,溫度影響而使脆性加大,這點對于大規格磚來說尤為明顯,而對于水晶釉面磚來說,則會出現釉面風裂。當然,如果強冷控制得不好,磚在此時會出現質量問題,因為強冷是加速外界冷空氣對磚坯的影響;而有的因窯速要求(產量大),出窯磚經過強冷風冷卻后也無法降低磚溫,而有的窯爐甚至沒有強冷風,所以有必要采用出窯口淋水冷卻,這種方法可以將磚急劇冷卻,但也有弊端,它極易因此造成強度降低,即脆性加大。可見強冷,這整個燒成的最后一環節,也是一容忽視的。
 

  3總結

  根據對磚坯在輥道窯中的燒成過程分析探討,不難看出磚坯在燒成中存在多方面的物理化學變化。
 

  3.1重量的變化

  由于干燥排水及氧化分解反應造成的燒失量,所以磚坯經過燒結后重量減小,收縮越大的制品重量減小越厲害。
 

  3.2體積的變化

  由于生坯中的水份蒸發,體積收縮以及液相量生成填補顆粒縫隙拉攏顆粒適成體積收縮。當然燒成過程中存在石英晶型轉變造成體積膨脹,這些只能抵消部分收縮。就整件磚坯而言,燒后體積到底會收縮多少,這要視配方組成、成型壓力以及燒成溫度而言的,對于拋光磚而言,考慮到白度及拋光光澤度,往往配方要求收縮大些,而對于不磨邊的制品如瓷片等,為保證尺碼齊整,配方則要求收縮小些。值得注意的是有的配方在不完全燒成時(生燒),磚坯出窯尺碼會大于壓機成型時的磚坯尺寸,比如瓷片磚坯在素燒不完全的情況下,往往出現這類情況。
 

  3.3氣孔率的改變

  磚坯在燒成過程中體積收縮,那么氣孔率也就降低,必須注意的是如磚坯已在完全瓷化的時候繼續受熱煅燒,則會產生液體“沸騰”現象而體積開始膨脹,氣孔率也開始加大。而當同樣的燒成溫度下,不過燒時,還原氣氛比氧化氣氛下煅燒的產品氣孔率要低,吸水率要小,抗折強度要大。
 

  3.4顏色的變化

  許多原料乃至色料,色釉等在一定溫度、氣氛下呈現不同的色調,所以,磚坯經過燒成后顏色發生不同的變化。就是同一件磚坯經過不同燒成次數,后呈色也會有所改變,而對于不同的窯來說,因氣氛、溫度、壓力三大制度以及窯爐不可能完全一樣,所以燒后都會有色差。對于瓷片及其配套制品的花片、腰線,盡管后兩者只是低溫烤花,但會存在色差,有的甚至完全改變原瓷片的顏色。當然,只要清楚磚坯的呈色機理及變化原因,是完全可以盡可能調近顏色的。
 

  3.5 強度與硬度的變化

  磚坯入窯后隨著機械吸附水的排除、強度略有提高;573℃石英晶型轉變及氧化區結構水的排除,礦物的氧化分解,強度都略有下降;750℃以后隨著液相生成而強度逐漸增加,在良好的燒成溫度下,坯體強度和硬度在剛好磚坯完全液化時達到最高,過燒膨脹又會下降,更主要的是冷卻過程的控制,控制不好則強度大大降低。
 
  陶瓷燒成是個復雜的過程,在理論與實踐操作經驗下,都是很難以準確地進行描述的,所以磚坯在窯內各點的全方面跟蹤(比如重量、體積、氣孔率、顏色、強度、硬度)是對新型陶瓷輥道窯提出的在高新科技方面的要求。知道了磚坯在燒成過程中這些具體的變化形式及幅度,那么分析和解決產品缺陷就容易得多。
 
  對于陶瓷行業能耗一直是企業重要的經濟效益指標,真正能掌握磚坯在輥道窯中的燒成變化,我們在控制上就能很有效地把握各點的溫度,從而避免不必要的熱損失,這樣一來,節能降耗就不再是建陶界的空頭口號了。

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