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从窑炉的角度出发探讨陶瓷制品快烧的可能性

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-6-7 14:30
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2019-4-30 16:56:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    1、陶瓷坯体在烧结过程中的主要物理化学变化为:室温至300度,主要是排除干燥窑之后仍然残留的水分;300至1000度,随着结构水的排除与碳酸盐的分解,坯体失重明显,体积无明显变化,高岭石逐步转变为偏高岭石;1000至烧结温度,坯体开始收缩,且随着温度的升高产生剧烈的收缩使坯体致密化;当温度高于烧结温度后,坯体开始膨胀。

    2、陶瓷材料的最佳烧结温度与升温速度满足线性关系:而且升温速度越快,陶瓷材料的最佳烧成温度越高。

    3、坯料粒度减小,粒度分布变窄,则最佳烧结温度逐渐降低,烧结体中的晶粒尺寸变小,体积密度逐渐增大,开口气孔率逐渐降低,抗折强度相应增大。

    以上是建筑卫生陶瓷在烧成过程中,所经历的一些重要物理化学过程总结。很明显地,我们陶瓷热工的所有的努力,最终还是应该围绕着“产品”的以上烧成规律来进行的。

    一、烧成温度

    烧成温度是影响烧结的一个重要要素,虽然提高温度对固体扩散或熔解-沉淀等传质都是有利的,但是单纯提高温度不仅浪费能源,而且温度过高将产生晶粒异常长大,促使二次再结晶,气孔率增加,出现过烧膨胀。所以基本上,从窑炉设计的角度看“继续延长烧成带比例”不应该成为快烧窑炉的主要技术选项。而且,我们不难发现:在有液相的烧结中,甚至有坯体因为液相过量,粘度下降,使制品软化变形。所以一些需要不断强化升高烧成温度的设计方案,不应该被认为是符合陶瓷产品减排方向的。

    有研究表明,在未达到烧结温度之前的阶段(即生烧阶段),坯体在高温状态下达不到充分收缩和致密化,未排出的气体较多,且由于液相量少,液相表面张力小,气孔的形状呈长条形沟状分布。晶相的组成主要是一次晶相为主,二次晶相极少,因此材料的抗折强度低。所以对于一些低吸水率的陶瓷墙地砖快速烧成,问题的关键就是如何实现坯体的充分收缩和致密化。依照目前“主要靠前面密枪及大流量排烟”的方法来看,要么800-1000度的调节手段非常有限,要么不符合窑炉排放标准以及减排精神,所以这方面需要有新的设计突破。

    当窑炉温度超过了坯体的烧结温度达到过烧阶段,坯体达到致密收缩之后继续升高温度,残余的少量硫酸盐分解产生的气体,以及封闭在坯体内部的气体由于温度过高而产生膨胀,单位体积内的液相含量减少,气体的形状变得大而圆,并且相邻的气孔互相连通,似蜂窝状分布。除了原材料及加工工序之外,人们总是希望在窑炉调控方面实现低温盐的提前分解......但是受制于炉内流体差异以及烧嘴的温度场偏差,生产中寻找到一定的平衡状态是有难度的。而且高温状态下晶相的组成主要是二次晶相,及很少量的一次晶相,随着温度的不断升高,液相中熔解的碱金属离子不断增加,促进了二次晶相的析出和形成,也促使了二次晶相过分长大,导致了晶界面积的不断减少,从而抗折强度变低。快烧但是如何定量控制温度,避免过度烧结——这基本是目前我国低吸水率陶瓷产品快烧的主要瓶颈之一。

    当温度处于烧结温度范围时即处于适烧阶段,显微气孔含量低,共熔体大小和数量适中,一次晶相和二次晶相大小发育均衡,晶界表面积较大,抗折强度和体积密度大,表面孔隙率及吸水率低。是的,这就是为何我们总是在强调“延长烧成带比例的设计思路不应该继续得到鼓励”的原因。

    二、升温速度

    升温速度主要影响烧结体的体积密度和显微结构。升温速度过快则将会使坯体受热不均而产生裂纹,同时在加热时坯体中的水会产生汽化。过快的升温速率会使过多的水蒸气来不及顺利排除出坯体外,在坯体内形成很高的气压而使坯体开裂(例如窑炉前边裂、侧抽侧裂......所以如果要突破快烧,需要在找到更加不依赖窑头温度的窑头加热排水方式),此外一些原材料(如碳酸盐)再升温过程中会发生分解放出气体,所以过快的升温速率会使坯体内的二氧化碳压力过大而产生裂纹(我们跟踪意大利某窑炉公司的宽体窑炉发现,过高的氧化分解温度甚至可以使微粉砖产生的尾烟排气中间裂。因为我们谈论的的通用的快烧模式,一些小概率的成功调试案例不会左右主题方向,所以作为热能技术开发而言,应该认为这里也是存在瓶颈了)。虽然我国窑炉界一直习惯了“提前排出”的模式,一直坚持提前排除模式,但是一方面这种方式加热效率极限已经出现,另一方面毫无疑问这种提前排除模式效率很低,排放极大,已经不能称之为趋势了。考虑到坯体中的残余水以及低温盐分解温度跨度很大,几乎跨越了烧成带之前的全部时间——所以在我们在窑炉设计方面,需要有针对性更强的阶段性解决方案,回避极限,同时坚持高效。

    另外,有研究表明,虽然快速升温有利于陶瓷坯体致密化的进行和抑制陶瓷晶体的长大,但是由于容易造成坯体烧结时间较短,产品的最终致密化程度不高。而在低温时快速升温,中高温时缓慢加热,可以获得更加好的致密化效果和微观结构。因此选择适当的升温速率和降温速率可以获得理想的烧结性能,对于陶瓷的烧成过程具有非常重要的意义。这方面陶瓷窑炉(尤其是辊道窑)需要在烧嘴分布、挡火板之外,寻找到更加符合窑炉流体特性的设计方法,最终实现“低温时快速升温,中高温时缓慢加热”的控制目的。

    三、保温时间

    保温时间对材料的致密化有重要影响,烧结状态下物质的迁移和液相对孔隙的填充,都是一个动力学过程,需要在对应的条件下以一定的时间作为保证。令人惊奇的是有些陶瓷坯体随着保温时间的延长,晶粒逐渐长大同时弹性模量和抗压强度均有所下降,热膨胀系数也会随之下降。这方面看起来在窑炉设计角度是比较容易实现的,但是目前也是还有潜力可挖的。首先我们的保温段设定为保温模式时,其环境压力受制于“急冷带压力”、“窑尾余热风机”和“排烟风机”。其次,通过一些技改工程案例,总结认为:我们的辊道窑烧成曲线中,其墙地砖产品还没有真正意义地体现过高火保温的积极意义,有的只是停留在“炉”层面的千篇一律而已。

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