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浅析陶瓷烧成的气氛的控制

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    2019-6-7 14:30
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2019-4-30 16:58:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    一、 气氛在陶瓷领域中的运用

    大家知道,仅探讨“辊道窑中的温度及温度控制”是不够的。陶瓷的烧成光靠温度是达不到特定物理、化学性能要求的,在烧成过程中另一个决定因素便是气氛,这也是为何人们常把“三大制度”依次叫温度、气氛、压力。在建筑卫生陶瓷中,各种花釉、色料在不同的气氛中呈色机理不一样,同时氧化不好,坯体容易出现黑心等缺陷,所以一般要求的是氧化气氛下烧成;在日用陶瓷中,单从白度考虑,因原料中的含铁或钛量不同而要求烧氧化气氛或还原气氛,含铁量多的在还原气氛下是白里泛青,而在氧化气氛下是白里泛黄夹黑点;特种陶瓷如铁氧体陶瓷即磁性陶瓷,也就是俗话说的吸铁石、磁钢,只有在氧化气氛下才能达到预期的磁场强度、磁通、剩磁等物理化学性能要求指标……总而言之,不管是广义的陶瓷还是狭义的陶瓷,在烧成过程中对气氛的要求都同对温度的要求一样严格,两者缺一不可。当然,这里主要就建筑陶瓷的辊道窑去分析气氛对烧成的机理作用及控制方式等。 

    二、 气氛的分类

    一般而言,辊道窑内的气氛涉及两部分,即烧嘴燃烧气氛和炉膛烟气气氛。

    1、 烧嘴燃烧气氛(火焰的气氛)

     燃料燃烧时,需要供给一定量的空气使燃料中的可燃成分与空气中的氧化合生成CO2 、H2O、 SO2 等。根据燃料燃烧化学反应方程式计算出来的单位燃料完全燃烧时所需要的空气量叫理论空气量。在实际燃烧过程中为保证燃料的完全燃烧,实际供给的空气量往往要大于理论空气量,称为实际空气量。实际空气量与理论空气量的比值称为空气过剩系数α。现时陶瓷窑炉基本上是采用油(柴油、重油等)和气(水煤气、城市煤气、天然气、液化石油气等)作为燃料。经验上,气体燃料燃烧时的空气过剩系数α值为1.05~1.15,而液体燃料燃烧时的空气过剩系数α值为1.15~1.25。

    实际上,不管是何种燃料,燃烧时根据操作、控制α的大小不同,一般反映出火焰的气氛不同,也就有氧化焰、还原焰和中性焰之分。〈1〉氧化焰,空气过剩系数α>1,燃烧产物中有过剩的氧而不含可燃成分(如CO等)。当燃烧产物中游离氧含量占4~5%时,称之为普通氧化焰;当占8~10%时称为强氧化焰。〈2〉还原焰,空气过剩系数α<1,燃烧产物中含有可燃成分(如CO等)未燃完,当CO<2%时称为弱还原焰,而在3~5%时则为强还原焰。〈3〉中性焰空气过剩系数α=1,燃烧产物中没有过剩的氧,也没有过剩的可然性成分。因为燃烧时过剩的氧靠燃烧的一次、二次风引入,这风即为外界空气,所以有降低烧嘴温度的作用;而存在CO等未燃尽,故热值未达到最高,故此,理论上中性焰的温度最高,但这往往难以控制。

    2、 炉膛烟气气氛

    燃料在烧嘴处燃烧产生烟气,对烧嘴而言的气氛就可用氧化焰、还原焰或中性焰这三种火焰状况来表达,而实际窑炉炉膛内尤其是辊道窑、隧道窑等连续性窑炉炉膛内,不仅存在燃烧产物,还存在因压力制度而导致的外界空气的侵入和急冷、各种气幕等打入的空气量。所以,炉膛内烟气的气氛指炉膛内有否及有多少CO、O2等。窑炉不同区域,单独侵入的空气量不同(尤其在密封性能不好,即辊棒与多孔砖之间、窑顶马弗板处石棉未塞好时),气氛也就不同。而陶瓷制品不是靠哪一个烧嘴烧成的,所以,考察炉膛内气氛是根本,当然,烧嘴气氛又影响到炉膛气氛。

    三、 陶瓷烧成过程中的气氛要求 

    陶瓷热工是为陶瓷工艺服务的,工艺配方的不同,决定对烧成时气氛要求不一样,如工艺要求釉面砖(包括有釉卫生洁具)或含色料多的玻化砖,气氛则相当大程度上影响到产品的呈色。这主要是因着色离子在不同氧含量或一氧化碳含量的热气流中所呈价态不同而导致呈现不同颜色的原因。对于有釉制品如水晶内墙砖、水晶地砖、卫生洁具、仿古釉面砖、无光釉面砖等,气氛的要求更为明显,因为气氛不同更多影响外在质量到产品的,如釉面色差、盐霜、针孔、烟熏乃至落脏等(后面将详细叙述)。陶瓷制品不仅讲究外在艺术效果,更需要注重内部质量,也就由此有了陶质、炻质、瓷质陶瓷。不管是何种建陶产品,在工艺配方中都存在硅、铝,都存在塑性原料、瘠性原料,都存在有机材料、无机材料。而在烧成过程中,就相应地会出现黑心、黑点、气泡、针孔等缺陷的可能。实践证明,越是快速烧成,这种可能性越大,因为给有机质氧化还原反应的时间不足。这是从反应过程中时间的长短而论的,而真正决定氧化还原反应快慢在于适当的温度、充分的烧嘴氧化气氛、炉膛氧化气氛以及相应的烟气流速。这是内因,外因则就是产品的升温梯度即烧成的快慢了。

    而在某些特种陶瓷烧成过程中,气氛要求更为严格,因为气氛不同直接影响到最终产品物理、化学性能的达标。比如磁性陶瓷,因其原料为铁氧质,而铁离子在还原气氛与氧化气氛中分别存在不同的价态。又因目前国内普遍多空推板隧道窑煤烧而成,故为避免制品在烧成过程中遇到还原气氛,所以采用隔焰烧成。

    四、 陶瓷烧成过程中的气氛控制

    “生在配方,死在烧成”,这是许多陶瓷企业技术人员的共同感叹,当然大家所说的烧成是个广义的概念,包括温度、气氛、压力这三大制度外,还容进了烟气流速。其实,对气氛的要求十分严格、十分重要乃为大多数工程技术人员所认同,然而如何针对性地去调节气氛,如何控制从而解决类似色差、色号、针孔、黑心、气泡、黑点、烟熏、盐霜等缺陷呢,这便是理论与实践相结合的问题所在。这里就从连续性窑炉辊道窑和间歇性窑炉梭式窑上分别去探讨在窑炉上如何通过控制气氛以解决产品的诸多缺陷。

    1、 辊道窑

    辊道窑因其先进性已被建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷所应用。当然,这里难以一言而足,主要针对建筑陶瓷墙地砖来阐述。

    (1) 黑心、黑点、气泡

    这类缺陷产生于砖坯的氧化还原反应段即通常所说的850~1050℃之间。可以说,黑心、黑点主要存在于一次烧成大规格抛光砖中,因为砖坯规格大(特别是600×600、  800×800乃至800×1600),厚度厚,成型压力高,所以砖坯的排水、氧化都进行得比较慢,在快速烧成情况下,这类缺陷更是容易出现。如何在保证窑速不放慢的前提下调节黑心呢,结合经验而言:

    ①抽烟风机抽烟能力。这一方面是风机功率,二是抽烟风机各闸,三是抽烟风管内径。抽烟风机型号、功率决定单位时间可排走窑内的烟气量,而闸板的开度可制约单位烟气流量,不管是进风口还是出风口。同时由于烟气中的硫分、水分等会腐蚀管道内壁,从而结渣,所以管径的大小亦影响到烟气排走的能力。总之,如果砖坯存在黑心,检查各闸是否全开或存在假性开度以及管道的密封性,视黑心程度增大闸板开度及加强密封。当然,调节总闸会牵涉到烟气流速、零压位的变动,有可能导致变形、干燥裂等问题出现,这些必须综合考虑。

    ②850~1050℃区域烧嘴气氛。加大总的抽烟,增大了850~1050℃区域的负压,相对而言该段的氧化气氛会好些,因负压则难免有含氧为21%的空气漏入炉膛内。但如果此段或850℃以前各烧嘴的火焰燃烧不好,即由于片面追求延长温度段导致前面的烧嘴火焰长火、飘火甚至冲烟等,则极大地破坏了炉膛内的气氛。就是从温度角度考虑,烧嘴的实际温度往往高于热电偶显示温度的,那么又可能导致砖坯提前进入1050℃后的烧成液化过程。对于氧化还原反应,顾名思义,氧化则必须是氧化气氛,除了炉膛,还有烧嘴。为了避免烧嘴出现长火、还原燃烧的问题,采用多点枪小流量控制则是一种比较好的方式。

    ③当然,对于黑心缺陷,除了炉膛及烧嘴的气氛控制、温度梯度控制,还有中温区与预热区的马弗板挡火墙以及前面已讲的窑体密封性。而预热区的铁棒、瓷棒两端塞棉深度亦有小范围的影响。

    黑心是严重的氧化还原反应进行不彻底的缺陷,黑点则是相对轻微些的氧化还原反应不透所造成的(原料中的杂质造成黑点不同时讨论),气泡往往表现为渗花抛光砖渗花釉与坯体在氧化还原反应过程中的过急或氧化不透导致后期烧成液化表面从而封闭气体逸出通道而造成。必须清楚区别的是氧化不透的气泡与砖坯过火的气泡,砖坯过火的气泡往往砖底面也可反映出来。

    黑心缺陷除存在于一次烧成地砖外,对于二次烧成墙砖也是家常便饭,这里所指二次烧成主要是先高温素烧,后低温釉烧的那种。其高温素烧其实机理与一次烧地砖相同,不过是两次烧的墙砖规格小、成型压力低而已。但因其要求快速烧成(有的只有20几分钟),所以控制不好或进入控制误区也会出现黑心缺陷的。笔者曾就某企业200×300瓷片素烧过程中的黑心缺陷上,通过调节前区枪火为氧化燃烧而不管其显示温度低于850℃,再通过调整温度曲线而解决问题。也曾于某企业600×600多管布料幻彩砖生产上,通过窑口负压大小而判断抽烟风机吸风口总闸为假性开度,但无法校正,从而更换备用抽烟风机工作立刻解决黑心缺陷。当然,产品黑心,采用什么方法调节、调多大幅度,这是不能一概而论的,必须是针对窑炉工况及产品特征对症下药的。

    (2) 色差、色号多

    众所周知,色差、色号多这类缺陷,通常影响因素甚多,比如原材料、配方、成型乃至烧成。单就烧成而言,企业技术人员皆知烧成温度不稳定容易造成色差、色号多。其实温度固然是影响色差、色号多的重要原因,但气氛的影响对于某些颜色的砖来说更为重要(比如含铁元素的黑色、含铜元素的绿色或红色或蓝色,这里不多介绍各种离子在烧成过程中的价态转变的微观情况)。在自动控制的窑炉烧成过程中,温度可以稳定控制(采用0号柴油烧成,枪火结焦可能性小),也就是说,在窑速不变的情况下,温度稳定,出砖颜色就统一了。事实并非如此,气氛的影响至关重要,笔者以黑釉烧成来针对性阐述:

    某企业在前几年,1号窑出黑釉砖相当漂亮,相比之下,2号窑出黑釉砖效果则差些。而近两年,2号窑黑釉砖烧出还是比较漂亮,而1号窑则烧黑釉达不到理想要求,主要为泛蓝色。两者对比,可以说主要是1号窑工况变了,而釉的问题可以排除。从温度角度考虑,1号窑按以前的经验温度曲线、窑速来烧黑釉,仍然是偏蓝色。由此可以说气氛影响决定了。而抽烟风机、雾化风机、助燃风机未变动过,如何去解决气氛不足问题呢?笔者通过多次实验观察到,出窑砖四边部黑于中心;而2号窑曾经由于砖过火导致出窑砖四边蓝于中心,由此更可断定是气氛不足造成无法烧成黑色了。

    那么,砖坯是在窑内哪部位影响比较大呢?从理论上分析,①釉面始熔时的氧化还原反应过程;②烧嘴燃烧产生烟气的气氛;③整个炉膛内的气氛。从实际控制中,就此分析去找原因发现:⑴助燃风无风压表测量,但助燃风管道上泄漏严重;⑵雾化风压0.04~0.05MPa,仍可调节;⑶抽烟风机完全可以将整条窑烧成区抽成全负压;⑷急冷风、缓冷抽热自动控制,正常情况下皆未能全开;⑸马弗板有多道可供调节。针对1号窑这些工况,结合实验所得,从气氛加强乃至强氧化角度入手,针对性地对抽烟、助燃、雾化、冷却、抽热、点枪及枪火状态、马弗板等的调节,一举解决了这一老大难问题。沿着此方向,再配以适当的窑速、膨胀系数大小不同的底釉的选择,出窑砖黑色加深,甚至漂亮过2号窑烧成的。综合整个实验、调节过程得出一个结论,简单概括地说:釉在整个熔融过程中皆受气氛的影响,氧化气氛越足,黑釉烧出越漂亮。

    色号同色差,可以说是形影不离的关系。在烧成过程中,温度、急冷、抽热皆为自动控制,而且是意大利仪表,灵敏度比较好。出现色号,一为整体性,二为水平色差。这其实并不难解释。当燃烧正常情况下,风油配比是恒定的,而当升高温度,油量加大时,烧嘴风油配比就变了,因为助燃风、雾化风开度一般是不变的,那么烧嘴产生的烟气的气氛就变了。同理,水平色差除了水平温度外,两边枪火的气氛差也是重要的影响因素。同时,由于负压段较长,所以两边石棉塞紧程度、马弗板高度、挡火墙设置、两边抽烟支闸开度都是影响两边漏入含氧21%的空气不同导致气氛不同的原因。

    (3) 盐霜

    盐霜,通俗称为“水雾”、“水茫”,表现在水晶透明釉墙地砖上。究其机理乃为熔块中的钡或钙离子与烟气中的硫离子结合而在釉面形成一层薄薄的白色不透明沉淀,形似在釉面形成了一层水雾状,水茫茫的,故此称为“水雾”,“水茫”。硫酸钡、硫酸钙皆为盐类,在釉面上形同霜,故专业称为盐霜。从机理可知熔块的组分是釉面盐霜的前提,而窑炉内烟气中的硫离子是第二原因。在窑炉上,燃料中的硫分已决定了,在燃烧过程中通过氧化气氛尽量使硫离子充分吸附氧离子形成二氧化硫气体,然后顺畅排出炉膛。水蒸气也是形成盐霜的原因之一,因为水蒸气的存在,易使硫分形成偏硫酸,一旦形成硫酸,则极易在釉面始熔时与钡、钙离子反应形成盐霜。所以在窑炉控制上,釉面始熔时的负压、燃料的充分氧化燃烧即氧化强氧化燃烧十分重要。诚然,也可选择含硫分低的燃料或采取硫分过滤等手段来降低烟气中的硫含量。

    (4) 针孔、烟熏

    针孔、烟熏这两类缺陷十分明了,可谓是从事釉面砖生产的技术人员皆所知。影响针孔的原因很多,单就窑炉上,除与烧成气氛有关外,还与釉面始熔时的温度有关。在一次烧釉面砖中,如在釉面始熔前坯体还氧化还原反应彻底,则在釉面始熔后,坯体中释放的气体冲破釉面而形成针孔。当然,在坯体过烧也会产生新的气体而冲破釉面形成针孔;而底釉在高温过烧下也会沸腾而是使面釉产生针孔。而在某些色料中,因气氛不同致使着色离子活跃度不同可能导致从而形成针孔。烟熏,则是燃料燃烧不完全,形成还原气氛并伴有黑烟,由此附着在熔融的釉面上。特别是烟气倒流在釉面冷却析晶过程中更易产生。故此,保证各枪火的氧化燃烧及合理的压力制度,对避免或减少针孔、烟熏是非常有效的。

    (5) 落 脏

    落脏,主要指由于烧嘴不完全燃烧或熄枪了,产生碳粒子、油粒子侵入到砖面上燃烧而留下的痕迹。故此,保证枪火的氧化燃烧是避免烧嘴落脏的根本途径。

    总的来说,辊道窑的气氛控制对建陶墙地砖的质量影响相当大,什么样的气氛适合建筑陶瓷墙地砖,已是水到渠成的了。氧化气氛的控制方式,一则抽烟风机,而则风油配比,三则表现为外界打入的空气量如各类气幕、急冷等。具体表现为各枪火氧化燃烧时火焰短、淡蓝色且透明或半透明状;而炉膛则表现为通体清晰透明,窑尾至窑头从通道内一眼可以望穿。

    2、 梭式窑

    梭式窑是间歇式窑炉的先进代表,目前广泛应用于日用陶瓷、艺术陶瓷、卫生洁具、色料等。梭式窑内气氛对产品质量的影响及氧化气氛下的状况与辊道窑类同,这里主要介绍一下梭式窑气氛控制的方式。

    梭式窑由于其特殊的窑体结构,一般都采用自然排烟即烟囱排烟,由此,在燃料选择上一般为气体燃料,如液化石油气、水煤气、城市煤气等。控制烧嘴气氛也就是风气配比的问题,而炉膛内的气氛则烟囱管道出口闸板的开度大小及窑底烟气通道吸冷风口开度大小来控制。一般要求氧化气氛烧成时,烟气通道吸冷风口塞死密封,而烟囱出口闸开大或全开;还原气氛则关小或全关烟囱出口闸,拉开底部吸冷风口,以使窑内烟气没有通道外流,从而也使窑外空气不可能进入窑内以达到还原燃烧的目的。当然烧嘴的风气配比燃烧是相当重要的因素。在高火保温结束后急冷,通常是打开炉门,这样也有利于制品在冷却过程中补充氧化反应,到制品暗红或者更高温时又关好炉门以缓慢冷却。

    五、 总结

    陶瓷是个广义的定义,但无论何种产品的烧成,都离不开温度、气氛的控制要求。我们希望的是在产品的烧成过程中,应综合分析,而后对症下药。气氛问题往往牵涉到工艺方面的配方组成,两者应有机结合,共同处理。工艺配方可以为制品不同的艺术效果、性能打下基础,而烧成气氛受窑炉种类、窑炉结构设备所限制,所以不同的陶瓷产品,可针对性地选择辊道窑、隧道窑、或梭式窑、倒焰窑或电窑等。从燃料角度考虑,则可选择有少油烧或气烧乃至煤烧,特别是硫分要求严格的产品更是有参考价值。

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