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淺談燒成氣氛的控制
發布時間：
2021-08-26 15:45
來源：
陶瓷產品的燒成氣氛是指在產品的燒制過程中，窯爐內的燃燒產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。在實際生產中，采用何種氣氛制度來燒制要根據產品配方中原料的組成以及燒制過程中各階段的物化反應情況來確定。氣氛會影響陶瓷坯體在高溫下的物化反應速度、體積變化、晶粒尺寸與氣孔大小等，尤其對陶瓷坯的顏色、透光度和釉面質量的影響更顯突出。
1、燒成氣氛對產品質量的影響
陶瓷產品在燒成過程中會發生一系列的物理化學反應，如水分的蒸發，鹽類的分解、有機物碳和硫化物的氧化、晶型的轉變、晶相的形成等。這些物理化學反應的速度，除了受溫度影響外，氣氛對其也有很大的影響，如果控制不當就會使陶瓷產品產生各種缺陷。
(1)影響鐵和鈦的化合價。在實際生產中，當氧化氣氛燒成時，坯料中的Fe2O3在含堿量較低的玻璃相中溶解度很低，可析出膠態的Fe2O3使坯體顯黃色；當還原氣氛燒成時，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的還原物，致使坯體中間呈黑色或者灰色、黃色等現象。黑心缺陷的存在會影響陶瓷產品的強度、吸水率、電絕緣等性能指標。陶瓷產品產生黑心缺陷的關鍵是有機物、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。在實際生產中要消除產品黑心，應在預熱帶保證足夠強的氧化氣氛。此外，如果在低溫階段窯內的氧化氣氛不足，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。陶瓷產品在燒成過程的低溫階段，除了發生氧化反應外，還伴隨碳酸鹽的分解，這些反應受到氣氛的影響，氧化氣氛足夠時，反應會快且進行得更完全；反之，反應速度變緩且不完全。當燒成過程進入高溫階段后，坯體出現液相，反應所產生的氣體無法自由排出坯體外，于是便出現針孔、氣泡等缺陷。在低溫階段，坯體內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。陶瓷產品的色差是指單件產品的各部位或單件(批)產品之間的呈色深淺不一的現象。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，在燒結過程中燒成氣氛的不同會影響到鐵、鈦存在的價數，不同價數的鐵、鈦會有不同的呈色，當燒成氣氛不穩定時，坯體的呈色相應改變，從而形成產品的色差。
2、燒成氣氛的控制
燒成氣氛的控制雖然受到窯爐結構和設備的限制，如風量大小、風管直徑、排煙口、抽熱口位置等，但是最關鍵的還是穩定壓力控制和合理操作燃燒器。
(1)穩定壓力的控制。風壓變化會影響到氣體的流動狀態，窯內壓力的波動會引起氣氛的波動，而穩定壓力控制的關鍵在于控制好零壓面。在窯爐預熱帶，為排走水分和燃燒時產生的煙氣，壓力相對比窯外低，窯內處于負壓狀態；在冷卻帶鼓入冷空氣使制品冷卻，壓力相對比窯外高，窯內處于正壓狀態；在正負壓之間有一零壓面，燒成帶就處于預熱帶和冷卻帶之間，因而零壓面的移動就會引起燒成帶氣氛的變化。當零壓面位于燒成帶前段，處于燒成帶與預熱帶之間時，燒成帶的氣壓為微正壓狀態，氣氨為還原氣氛；當零壓面位于燒成帶后段時，燒成帶處于微負壓狀態，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；當燃料不完全燃燒時，燃燒產物中存在一些游離C及CO、H2、CH4等，使窯內氣氛呈還原性。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，并保持一定的過剩空氣量；③確保燃燒過程在較高的溫度下進行。
3、生產現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
有些企業為了追求窯爐產量的最大化，縮短燒成時間，最常用的手段就是加大燃料供應量，但燃料供應量增加后往往忽視調節助燃空氣的供應量，造成燒成氣氛有氧化氣氛變為還原氣氨。
(2)為解決預熱帶出現的缺陷而改變其氣氛
為了降低預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，使預熱帶的氧化氣氛減弱，容易造成前爐燃燒狀態不良，使氣氛出現波動。
(3)為解決冷卻帶出現的缺陷而改變冷風量
加大冷卻帶的冷風量，會使零壓面向預熱帶移動，反之亦然，這些都會使氣氛發生改變，所以必須相應調節抽熱閘，穩定零壓面。
4、結語
上述內容是依據穩定氣氨的理論要點，分析了燒成氣氛的調整不當導致燒成缺陷產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工藝管理的工序質量控制點，但問題在于工藝規范是否嚴格執行。可見，燒成缺陷的糾正措施在于強化工藝紀律管理。同時，為充分發揮工藝工作的質量保證作用，企業和職能部門的生產過程都應以工藝文件為依據，合理地規定投產批次，做到均衡生產，保持生產現場操作處于穩定狀態，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，確保陶瓷燒成質量。
作者：金培
燒成,氧化氣氛,還原氣氛
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