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佛山市佳韵窑业技术有限公司letou体育官网
来源: 未知 发布时间:2020-01-23 11:19

  辊道窑烧建陶墙地砖已有几十年的历史。从彩釉砖到玻化砖、水晶砖、彩釉马赛克、抛光砖,仿古砖、仿石砖等等,产品在不断地更新换代,辊道窑也在不断趋於完善。然,不管何种建陶产品在辊道窑烧成过程中,总发现诸如变形、裂砖、黑心、黑点、脆性等老问题,严重影响到产品的产质量。工艺上的不足也好,烧成上的原因也罢,一直以来陶瓷工程技术人员在不断地摸索解决问题的方法和思路,但总是存在许许多多的盲目性,造成了许许多多不必要的损失。原因在于我们不清楚砖坯在辊道窑中的烧成具体情况,不知道砖坯在窑内哪个区域发生何种物理化学变化及程度,真正了解砖坯在烧成过程中的变化情况,是当今我国档次不高,能耗却大的建陶界重要的研究课题之一,所以,笔者就实际生产中产品缺陷的解决方案出发,探索砖坯在辊道窑中的烧成变化情况,旨在起到抛砖引玉,百花齐放的作用,大家共同分析砖坯的烧成机理,为建陶墙地砖在工艺配方上,烧成控制上及至整个生产工艺控制上提供直接的参考依据。

  砖坯在烧成过程中的变化主要决定于其化学组成,通常建陶砖坯配方组成中化学成分有SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、letou体育官网Fe2O3、TiO2、H2O、IL等。

  Al2O3——Al2O3含量决定配方中粘土的用量,粘土具有可塑性、结合性、吸附性、干燥烧成收缩性及高温耐火性等,也就决定生坯强度,坯体收缩率及烧成温度等。

  SiO2——SiO2在砖坯中具有骨架作用,而且硬度高,抛光光泽度好,同时在加热和冷却过程中伴有石英型转变,体积、强度发生变化。

  Na2O、K2O——在砖坯中,主要起助熔作用,降低坯体烧成泥度。主要存在于长石中,由长石引入配方中。

  CaO、MgO——在砖坯中也可起助熔作用,同时具有增白和调节烧成温度范围的作用。CaO、MgO通常以碳酸盐或硫酸盐的形式存在,在煅烧中产生大号Ca2、SO2气体排出。

  Fe2O3、TiO2——也具有一定的助熔作用,在常规白料砖坯中主要表现为负作用,那杂质,因为烧后容易变成黑点或绿点。

  H2O、IL——主要由粘土引入,当然其它原料如石粉石砂等也或多或少带入一点。IL、H2O在加热过程中逐渐蒸挥发。严格地说,建陶原材料中单纯化学成分的矿物不存在。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。

  根据辊道窑的结构和砖坯的烧成过程,通常划分为预干区、预热区、中高温区、保温区、急冷区、缓冷区、强冷区。砖坯在不同的区域进行着不同的物理化学反应。根据日用陶瓷的经验推广,建陶墙地砖在辊道窑上的划分为。

  预干区——干燥器缓慢干燥(室温~200℃)——自由水、吸附水、大量排除

  窑炉预热干燥(室温~450℃)——自由水、吸附水排除基本完 结构水开始排除。

  预热区——结构水排除碳酸盐氧化分解(450℃~1000℃){有机物氧化、碳酸盐、硫酸盐分解、硫化

  中高温区——坯体氧化还原反应的继续,液相开始生成 (1000℃~最高烧成)

  砖坯在不同的区域进行各自的物理化学反应,那么砖坯出窑形形色色的缺陷基本上可以从这里去找原因。

  生坯从压机成型出来含有一定的水份,通常在6%~10%左右甚至更高,各种不同品种有各自特殊的工艺水份要求。同品种也因各厂不同的设备(如压机)而有所不同。可见,生坯含水率远远大于空气温度,所以,生坯烧成的第一变化是物理变化即干燥排水、在此,不管是烧成窑的预干区还是专门的干燥器(立式干燥器或卧式干燥窑),一并概括为生坯的预干区。预干区的排水,主要是砖坯的吸附水(包括自由水),决定吸附水排除的速度及完全度是干燥介质的温度,温度和流速,本质上是砖坯内水份的外扩散速度,内扩散速度及干燥时长,在保证质量的前提下尽可能提高产量是企业的方向和要求,所以容易因把握不好出现盲目追求产量而导致质量问题。

  砖坯边裂即烧出来的产品边部出现若干5~10mm长的细小裂纹,裂纹深度往往是半砖厚之内,有面边裂,出有底边裂,有前边裂也有后边裂,有左边裂,也有右边裂,往往规律性不大,与压机因模框或脱模造成的边裂有所不同,边裂是由于砖坯边部最先承受高温介质冲刷而开始外扩散,且由于温度高、温度小,流速快而导致快速排除边部水份,而内扩散缓慢,内部水份不能及时填补砖坯边部粉料颗粒间粘附成型的水膜,从而使得颗粒间产生空隙,再由不断失水,空隙不断拉大,同时砖坯干燥失水收缩产生内应力,拉大空隙,出就形成边裂纹,如果颗粒大,颗粒间距大,由高温烧成液化而急剧收缩进一步拉大空隙。出窑则表现为开口裂。开口裂往往裂透底且裂口宽度,长度都较大。当然,开口裂、边裂的形成还与机械振动折伤,砖坯水份不均匀、成型压力不均匀,布料不均匀颗粒级配不好有关,尤其是机械抖动极易造成开口裂,就热工原理而言,概括性地说是起始干燥速度控制得不合理,没能使得坯体内外扩散速度协调,往往是外扩散速度大于内扩散速度,而如果内扩散速度大于外扩散,内部水份不能及时渗透扩散,受高温产生剧烈布朗运动从而形成沸腾状向外膨胀性的内应力。内应力大于砖坯维持结构完好的弹性力和塑性力,则产生炸坯,维持结构完好的弹性和塑性决定于砖坯成型的压力和颗粒间彼此粘接力;产生膨胀的内应力取决于水份的量和活跃度,也就是水份的含量和水份的温度。由此,影响炸坯的因素便是——粉料的水份过大,成型压力过大或过小造成砖坯的分层、压力不均匀、水份不均匀、干燥升温速度太快,干燥起始外扩散能力不足等等。砖坯经过干燥后又暴露在空气中再进窑连续升温烧成,在暴露过程中会吸附空气中的水份从而形成吸附水。吸附水的含量取决于坯体本身的干燥度及外界空气温度和坯体的致密度、暴露时长。如果砖坯经过干燥后又吸水,表面结构重新被润湿,后又急剧干燥,极易造成边裂的,渗花抛光砖的印花后喷水,入窑干燥造成的裂纹俗称为“水纹裂”正是这类问题所在。

  砖坯干燥过程中,40℃开始就表现明显,120℃表现快速,300℃吸附水则基本排除,同时,砖坯在预干区还伴有因吸附水的排除而造成的体积收缩和坯体强度的增加,砖坯强度的增加从40℃开始,120℃表现相当明显,且此时随温度的升高而强度增大。但又有一个极限,超过此极限则强度显著降低,日用陶瓷Al2O3含量高,极限干燥温度表现为250℃,而建筑陶瓷未曾出现确定的极限干燥温度报道,在此,据生产实践体会,建陶墙地砖因SiO2含量高,可能表现为180~200℃。

  从以上分析不难理解,对于快速烧成墙地砖来说,入窑水份的严格要求控制的重要意义。

  砖坯的滴脏,通常表现在干燥器干燥过程中,由于不干净的粘附脏物的水滴,滴在砖坯表面造成。这里不难理解水滴的由来,它是生坯受热干燥而蒸发的水蒸汽,水蒸汽遇冷便会形成水滴,脏物是由窑内壁的锈迹,或干燥介质中本身含有炭粒或过多硫分造成的。为什么会造成水滴缺陷呢?首先,因砖坯需要热源干燥,所以有的企业采用窑尾抽余热来干燥,有的采用热炉送热来干燥,也有的采用烧成窑的窑头抽烟气来干燥,对于抽余热干燥来说,滴脏很少,而对于后两者特别是第三者来说,滴脏机率大很多,因为热风炉燃油和窑头烟气都在热介质中含有硫分、炭粒,也就是说,本身干燥介质就是脏的,而第三者更表现为烟气中还含有大量的水蒸汽,这为液化为水滴准备了条件;其次,因砖坯干燥工艺的控制要求,需要采用高温高湿的干燥方法,特别是对于大规格砖来说,因高温高湿干燥容易使砖坯内水份内外扩散同时进行而不致于造成边裂。如何满足高湿呢?一方面是引入高湿度干燥介质对前段即砖坯的起始干燥过程——升速干燥等速干燥前期进行干燥,另一方面则是控制抽湿量即关小抽湿闸来满足。不难理解,滴脏往往是干燥控制上顾此失彼造成的,是为了调节控制边裂而增大干燥器内湿度而产生的。由于介质湿度大,水蒸汽遇冷便会形成水滴,水滴溶解干燥窑内壁的锈迹等滴到砖面形成滴脏。当然,滴脏并不一定全是因饱和水蒸汽遇低温铁皮造成,也有的是本身饱和湿度的脏介质遇冷空气而造成的。所以,解决滴脏除了控制介质的湿度、干净度以外还要注意干燥器的保温,尽量避免干燥器内的热介质遇冷液化。

  砖坯在辊道窑内预干区300℃~450℃时,吸附水排除完全部分矿物的结构水开始排除,对于粘土类矿物(泥类),含有Al2O3量多,本身的化学结构水在450℃~650℃之间快速排除,由此坯体失重迅速,收缩明显,粘土晶体结构遭到破坏,逐渐失去可塑性,产生吸热反应。因为结构水的排除迅速,收缩明显,晶体结构遭到破坏,所以,对于建筑陶瓷地砖来说,由于规格大而厚,极易造成砖坯的中心裂,砖坯受热从边部开始后逐步到中间中层,排水过程也是边部最先后到中间中层。如果由于升温过快而来不及排除完吸附水,此时吸附水,结构水在同时排除引起中间急剧的收缩则易产生中心裂缺陷。中心裂通常表现为细小裂纹呈现于外表,也有的在砖坯的中间层,如果成型时布料不均或模具排气问题,则形成的中心裂更为明显,往往裂纹较大。当然,机械原因造成的中心裂通常表现为裂纹大、粗、长。

  有些矿物的化学结构水的排除温度很高,要到1000℃甚至更高时才能排除,当然,这类矿物在建陶中配方占量不大,控制得当,结构水的排除不会有太大的破坏性。

  墙地砖的配方中的泥类,含有有机质,有的还为增强泥浆的悬浮性,流动性和坯体强度而加入有机添加剂(如甲基纤维素等),在烧成过程中受热进行氧化。同时,坯体中也总会含有一些碳酸盐、硫酸盐和铁的化合物等杂质,它们在一定温度下进行氧化分解放出CO2或SO2等气体,特别是水晶砖类。

  碳素的氧化开始于400℃左右,但在900℃以前很难烧完全,一般要至900℃以上才可以,如烧不完全,则残留在坯体内,形成黑心或黑点,釉面砖则除此之外,还会造成因釉面熔融封闭坯体排气的气孔,而形成釉面烟熏、汽泡、针孔。

  硫化物、碳酸盐的氧化过程:FeS2+O2→(350~450℃)FeS+SO2

  由反应方程式可以看出,氧化分解进行得完不完全,取决于砖坯中有机质的含量,窑内的温度,气氛以及反应的时长。相应的砖坯成型的压力影响反应进行的快慢、时长。氧化分解进行得完不完全,也就决定是否出现黑心、黑点、针孔、汽泡、烟熏等缺陷。由此可知对于低温熔块石灰制品而言,针孔缺陷是很难避免的,因为释放的气体很多。

  在氧化气氛过程中,燃料中的游离硫分及硫化物释放的硫分,若遇水蒸汽便可形成偏硫酸进而形成硫酸,具有腐蚀作用。所以,抽烟系统及窑前段金属结构容易被腐蚀结垢或剥落。不仅如此,偏硫酸若存在于透明熔块釉制品烧成过程中,容易与熔块中的钡、钙化合物发生反应使化合物产生分解形成“盐霜”缺陷,在整个升温过程中釉面熔融状态下都可能产生。盐霜与配方中硫化物的含量以及燃料产生的硫分、燃烧的气氛、水蒸汽含量有关。

  建筑陶瓷墙地砖的配方组成中,石英(SiO2)含量在70%左右,一般都60%,而石英在煅烧熔融过程中,会出现多次的晶型转变。不同温度下的转变有各自不同的特征,主要表现为体积膨胀,石英的膨胀会导致砖坯内部结构的变化,直接影响到出窑砖的强度,釉面光泽度以及变形度等。

  从图示可以看出,在建陶行业,必须探讨的是α石英→β石英,α石英——α鳞石英及鳞石英系列。石英在晶型转变过程中,以573℃时的β石英转为α石英的速度为最大,且有0.82%的体积膨胀,虽然这时体积膨胀很小,但其转化速度很快,又是在干固相条件下进行,破怀性强;在870℃α石英转变为α鳞石英时,体积增长最大(+16%),但其速度很慢,所以对砖坯结构性的破坏力不强。建陶砖坯的石英含量一般在70%左右,所以高硅含量很容易导致砖坯的573℃左右开裂,包括升温裂和冷却裂(冷却裂因没有什么砖坯颗粒间空隙,所以更容易裂)。这里先讨论升温裂,升温裂对于建陶来说,并不常见,因生坯本身尚未液化,未进行全面的化学反应,也就是说未形成低共熔物,那么石英快速晶型转变并不伤及其它矿物,更主要的是辊道窑通常预热升温梯度比较缓慢,所以构不成573℃快速转变的条件。

  砖坯经过600℃开始出现暗红色,以后随温度的升高红度加强,800℃左右为血红色,1000℃时为橙红色,1200℃时为黄红色,1300℃时为黄白色,砖坯在870℃时出现α石英——α鳞石英的转变,体积增长最大(+16%),不过转变速度慢,所以不会造成砖坯结构破裂,但因石英含量高,整个砖坯体积膨胀大,相对缓冲部分因水份排除氧化分解反应造成的体积收缩,整体砖坯体积会增大,(烧成收缩率越小的配方越明显),如果砖坯上下表面同时开始膨胀,不会造成大的影响,而有一面先进入膨胀期,就会导致整体变形。在辊道窑的设计乃至实际点枪上,往往是下部枪点得多,特别是前区的枪,有的甚至前区上部枪不点而下部点枪较多(基本点完),从表面技术考虑,这是企业重视砖正面质量的原因所在,尤其是釉面砖,如果面温提高过早使得釉面始熔过早,就容易造成针孔、气泡、黑心、黑点,烟熏等缺陷。预热区点了下枪的辊下砖坯实际温度往往比未点上枪的辊上砖坯实际温度高,所以表现为先整体上翘变形。当然,如果砖面温度高于底温度,那么就整体下拱,砖坯随着烧成的不断进行,面上和底下都会达到870℃,不过是谁先谁后而已,这时砖坯会是一种什么样的变形呢?

  砖坯在870℃时,一是石英晶型转变导致膨胀变形,二是还有不断的氧化分解反应形成的体积收缩以及小部分液相的产生形成体积收缩,假设砖坯下面先进入870℃,底面先膨胀从而整体上翘。此时上面仍存在氧化分解不断形成可彼压缩的气孔,使得上翘得以进行,且幅度大。而当上面开始进行870℃,下面的氧化分解已完成得差不多,也就是可被压缩的气孔少,同时又有部分产生的液相填补,所以,砖坯整体下拱受到阻力,但仍然可以存在,不过下拱幅度小些,上翘、下拱两者一对比抵消,砖坯存在整体上翘形式。但由于重力作用,又使得砖坯存在下塌的趋势。

  从整个预热区的分析来看,砖坯在预热区的缺陷,中心裂受结构水的排除影响,黑心黑点,针孔气泡,烟熏,受氧化分解影响,盐霜受氧化分解,燃料燃烧影响;变形受石英晶型转变影响。

  建陶墙地砖因其内质的要求不同,所以最高烧成温度是不一样的,如内墙砖瓷片,其内质为陶质,劈离砖为炻质,水晶地砖为炻质(也有的是瓷质),仿古砖和外墙都有炻质与瓷质,抛光砖基本为瓷质,相同烧成条件下,最高烧成温度依次提高,瓷质砖烧成时的中温区相当于陶质砖烧成时的高温区。所以为叙述方便并称为中高温区。

  砖坯在中高温区主要为烧结甚至瓷化,但同时存在氧化分解反应的继续进行,大量液相生成,形成新的结晶,逐步烧结。

  前面已讲过配方中的部分有机质、碳酸盐、硫酸盐物质受成型压力,前期氧化分解程度的影响,须在高温烧成时得以继续氧化分解。只要存在氧化气氛,该过程就有继续进行的条件之一。目前建陶烧成绝大部分是氧化气氛烧成。

  建陶的配方中存在不少的助熔性矿物,如钾、钠长石等,这也是从烧成成本出发的,而K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3等熔剂氧化物,在不同的温度下能与SiO2和Al2O3形成各种低共熔物开始出现液相。与K2O、Na2O熔剂生成低共熔物熔点较低,有的在750℃左右,也由此开始生成少量的玻璃相。随着温度的升高,长石等原料熔融,坯体中的玻璃相逐渐增多,这种玻璃物质,具有熔解石英和粘土质颗粒及其它晶体能力,温度愈高时间愈长,熔解的量越多。也就是说,对有光透明熔块釉,始熔点低且烧后透明度好,而对于坯体本身而言,在预热区开始只生成极少量玻璃液相,主要在中高温区出现大量。大量液相的出现能促使Al2O3、SiO2在1100~1200℃重新结晶为莫来石,相对降低重结晶的温度,有利于坯体较高瓷化。

  由以上分析可知,中高温区产生大量液相,能填补坯体水份的排除,氧化分解CO2等气体排除产生的颗粒间的空隙。结晶颗粒由表面张力作用互相靠拢,产生急剧收缩,体积缩小,一直到烧成达到最高峰。由此中高温区主要决定坯体的尺码,坯体的变形度及出窑的吸水率等。应该指出的是(1)液相量的过早出现和过剩,对变形形式及程度的影响大;(2)液相量使得坯体瓷化收缩,如液相过量或存在时间过长,会产生一种“沸腾”效应,从而使得塑性状态下的砖坯出现肿胀,那就是“过烧膨胀”现象,可见,过烧膨胀坯体体积会变大,同时气孔率重新升高。

  与尺码相关的产品缺陷有整体大尺码、小尺码,大小头、长短边、扎腰、鼓腰等。这些产品缺陷大部分由压机成型时造成,而在烧成过程中反映出来,同时窑炉烧成也极易造成尺码缺陷。对于窑两边的尺码大于窑中间位的尺码,就很容易理解——窑边因散热吸外界冷风等降低了温度,产生液相量不足或时间短,相对收缩小些导致的。坯体收缩是靠液相去填补颗粒空隙及拉拢颗粒,如在成型时整体压力大,则颗粒间原本空隙小,那么收缩余地小,则容易出现整体大尺码现象;而如果局部压力大,局部粉料颗粒空隙注,收缩余地小,是往往出现这局部的尺码偏大现象,如两邻边分别受压不一,则容易出现短边;如两对边受压不一,则容易出现大小头。如同边角部比中心部受压力大,则容易出现扎腰现象……

  对于变形,在中高温区通常表现为四角变形、角部变形、垂直辊棒边的折式变形、扭曲变形、辊棒效应式变形“3”字形变形等。

  四角变形——四角同时上翘或下妥。这是由于砖坯四边,四角受热最快,受热时间最长的原因(从热传导分析可知)。如果中高温区面温高于底温(实际温度)一定程度,则四角同时上翘,反之亦然。

  角部变形——单角变形,因为砖坯存在液相,也便可塑,所以,必须先排除该角在窑内行进所受的机械阻力,如擦墙、粘砖、碰瘤、走砖位不好等。砖坯在窑内行进的位置及枪火的长短、水平温差,有时都对角部变形有决定性影响。

  折式变形——如果砖坯压中并通过某辊棒结瘤位,则该处会留下一纵向折式变形,这是重力原理造成,不难理解。对于烧成造成横向折式变形,因为经过石英晶型转变后,进入中高温区前段,已经产生了液相,如该时温度急剧升高,液相急剧产生,则收缩急剧变化,如上下温差大,则朝温度高的一面折式弯曲变形,折式变形跟棒距和上下压差,辊面平整度以及砖坯之间的间距有关系。

  扭曲变形、辊棒效应力“3”字形变形——扭曲变形,砖坯纵向象水蛇一样扭曲的变形。这是一种复合变形,先是预热区的整体变形,而后是中高温区的局部变形,二者重合形成。当然,扭曲变形还与急冷,缓冷有关,要视具体变形状而定。

  高中保温区是液相的进一步形成的区域,为急冷做好缓冲作用。高火保温区一般只是最高烧成区的1/2时长甚至更短,温度也低于最高烧成温度100℃左右,由于高火保温,砖坯产生的液相更多,收缩更加剧,吸水率更小。也由此砖坯在此段受上下温差大小变形普遍,主要是砖坯前两角或前边变形,严重的会影响到整体变形。这里的变形机理与最高烧区一样是收缩变形,所以,变形稳向是向温度高的一面弯曲。

  由于高火保温对砖坯进一步液化,所以一般情况下砖坯收缩加大。但如果砖坯配方原料过低温或砖坯在此前已液化较完全,在高火保温区极易造成过热膨胀,液相沸腾,反而形成开口或闭口气孔到急冷时固化,从而导致尺寸增大、吸水率加大及砖坯抛光后存在小针孔、熔洞。对于釉面砖而言,往往表现为釉面过火出现猪毛孔样的细小密密麻麻的针孔,有的直接表现为大口气泡气孔,防污能力,光泽度下降。

  冷却是成熟的砖坯从液相转化为固相,即砖坯从高温的塑性状态降至常温岩石般状态的过程。考虑到产品的产量,产品的出窑温度,更考虑产品的冷却质量,根据砖坯的配方特性,从而划分为急冷过程,缓冷过程以及强冷过程。

  急冷理论上是可以将高火保温下的砖坯迅速冷却至573℃以前的,这也是一般技术人员所认为的保证573℃时缓冷而不至于会因β石英与α石英的晶型转变而开裂(即风裂、风惊)。事实上,不同产品有不同的冷却要求,大规格与小规格不同,釉面砖同玻化抛光砖不同。急冷对于釉面砖来说,可以增加釉面的透明度和光泽度,因为釉内含有大量的硅、尤其是熔块釉,冷却结晶倾向强烈。釉内如有晶体生长,就会使透明度与光泽度受到影响。而影响结晶程度是在釉面的软化点温度范围的时长(有光釉的始熔温度在800℃左右),时间越长,结晶导致失透越明显,那么快速冷却能很快地越过软化点温度范围,防止大量晶体的析出。所以,对于有光釉而言,急冷快速冷却对釉面透明度及光泽度大有益处。同理,对于无光釉而言,急冷稍缓慢对釉面的乳浊程度及细腻程度大有益处了。事实上,这种控制方向已经成了从所周知的经验之谈。急冷对于抛光砖而言,轻微程度对抛光光泽度有影响,因为坯中的硅含量冷却形成类似为玻璃相的物质,则抛光光泽会好一点,但主要的却是急冷裂及急冷强度。因为抛光砖往往都是大规格的,一般都在300×300mm以上,大至1200×1800MM。

  急冷是使砖坯从液相转化为固相的过程,也就伴有物理变化即体积收缩。对于厚而大的坯件,如急冷短而快,则会由于内外散热不均匀而造成不均匀的应力,引起开裂,这种开裂一般都是有明显纹路的,而且断口有些蜡质光泽。不容忽视的是急冷的上下温差过大,也会引起上下收缩不均匀。由于砖坯规格大,冷却散热时间长,所以,对于大规格砖来说,急冷缓冷都应该长些,控制也就容易些。如果急冷太短,则为避免砖坯过高温进入缓冷,急冷风就要加大,急冷风的加大,砖坯四周热交换最快冷却最快,四周边也就很容易达到黑暗固化状态即573℃或更低,但中心部分散热缓慢仍呈高温红色,这种温度差引起应力差,再加上石英晶型转变开裂,由边部开始的风裂在所难免,有光釉面砖则极易形成釉裂,因为它的硅含量更高。砖坯经过反复烧后,内部的粘土颗粒基本熔解,游离石英量逐渐变多,砖坯的弹性降低、脆性加大,也就更容易风裂。对于釉面砖腰线、花片砖来说,因为基本经过三度烧,所以相对而言抗折强度降低,同时由于有光熔块的增多,冷却时风裂的机率会更大。但一般腰线、花片砖烧成采用小型辊道窑缓慢烤烧,所以控制得好,破坏性也不大。对于辊道窑的箱体结构来说,窑墙的传导散热及密边辊棒与石棉间的不密封以及事故处理口处的传导散热及不密封,相对而言窑体中间部位温度是高于两窑边的,也就是说,如果出现窑两边砖风裂,除检查窑体密封外,适当提高急冷区温度是有必要的。必须指出的是急冷区打冷风入窑,那么热电偶显示温度肯定大大低于砖坯的实际温度,一旦出急冷区,显示温度往往会反弹而等于甚至超过急冷,这点砖坯规格越大越明显,窑速越快越明显。垫板支撑烧成彩码广场砖同样很明显,因为热板蓄热厉害,所以在实际控制上不能迷信于热电偶显示温度。

  急冷和中高温区、高火保温区一样,都存在液相过程,砖坯在熔融状态下即粘土、长石、石英形成低共熔时,存在物理化学变化,其中重要点之一就是对砖坯冷却成岩石状时的颜色有决定性作用。对于砖坯的颜色,主要取决于着色剂(包括色料)烧后的呈色,而温度和气氛是影响着色离子价位,状态的决定因素。有的着色剂在不同的温度下显示不同的颜色,有的在不同的气氛下显示不同的颜色。所以,在高温烧成时(包括中高温区和高火保温区),温度高低,高火保温时长及烧嘴燃烧数量与气氛对产品的呈色大有影响。急冷区对砖坯的呈色的影响主要是气氛(炉膛气氛),急冷是离心式通风把外界空气注入急冷区冷却砖坯的,而空气中含有21%的氧化,也就大大改变了急冷区的气氛——氧化气氛加强。对于对气氛敏感的着色剂来说,急冷的调节是影响出窑砖呈色的重要因素。

  前面已经分析过石英的晶型转变,在急冷过程中也就存在870℃时的α鳞石英与α石英间的晶型转变,那么砖坯也就存在因晶型转变体积膨胀的变形趋势了。砖坯从高火保温区进入急冷,砖面同砖底都会承受急冷风而冷却至870℃而体积膨胀,当然,此时砖坯由于规格大及本身传导热的物理性能,各点到达870℃的时间是不相同的。结合前面的分析,边部、角部是最先到达870℃的。870℃时还存在大量液相,液相具有迁移性和可塑性,所以,变形最先体现在四边四角,当面部先到达870℃时,砖坯面开始膨胀而使整个砖坯呈拱形,随着温度的降低,液相固化而使得面部可塑性明显下降及颗粒基本丧失迁移能力而保持相对硬化结构,此后底面到达870℃时开始膨胀,而由于面部已基本硬化定型而大大阻碍砖坯上翘趋势,再等底部硬化定型,则出窑砖往往出现整体拱形,从力学角度分析,急冷区通常表现为正压,如果面部急冷风压力大于底部(即上急冷风大于下急冷风)砖坯就存在边角被压下而呈拱形趋势,有点须明确的是,砖坯垂直辊棒的两边受辊棒支撑,同时砖坯由于液相自重下垂和辊棒的传导传热。所以,平行辊棒的两边即前后边变形度通常是小于垂直辊棒两边即左右边的。从机理分析上可知急冷变形是因砖坯的液相量存在可塑性,也就是说高度液化(瓷化)更容易受急冷影响而变形,以此类推,瓷质砖比炻质砖易受急冷影响而变形,炻质砖又比陶质砖易受急冷影响而变形。从另一角度分析,其实高度液相根本问题还是烧成的中高温区及高火保温区,也就是说,对于变形,最终原因还是在烧成过程,急冷调节变形只是个辅助手段。当然进一步说砖坯的烧成急冷变形容易与否,取决于配方中各组分的含量,因为各种不同矿物高温塑性是不一样的。生产控制时,不宜太过于于依赖急冷来调节变形,因为这样不是靠烧成温度对砖坯上下表面结构的烧结定格来完成的,如果配方不够理想,很可能出现产品出窑后后期返弹变形。

  砖坯经过急冷之后,便进入缓冷区。缓冷区可想而知是使砖坯缓慢冷却的区域,它是根据制品中的573℃石英晶型转变的破坏性而设计控制的。砖坯在573℃时基本固化,只存在少量的液相,所以这时的低高温型的石英晶型转变很容易导致整个砖坯破裂或强度下降,使得生产前功尽弃,可见缓冷的控制的重要性所在。如何控制缓冷,这和砖坯的种类、规格密功相关,一般而言,为了满足快速冷却而又不开裂,要求急冷在不使砖坯开裂的情况下尽可能降低些温度,从而也就缩短缓冷所需要的时间。因为砖坯本身规格及窑墙散热等原因,窑炉横向方向上的各砖进入573℃是不同的,就是同一件砖各点进入573℃的先后也是不同的,哪一点控制不好,冷却快了都会导致开裂或脆性,所以要求缓冷段尽可能减小水平温差及空气流动度和相应延长缓冷时间。可见砖坯规格越大,缓冷段要求越长,但这又不是千篇一律的。如果只是延长缓冷,而忽视缓冷的各抽热热风闸的调节,同样会导致砖坯的风裂或脆性,因为影响风裂或脆性除了温度外,还与介质流速有关,同样的介质温度下,流速越快,砖坯本身冷却也就越快。由此,缓冷段的压力控制及各闸的开度控制相当重要。这一点更体现在水晶釉面砖上,因为水晶釉的高硅量,对冷却更敏感。为使经过急冷后的的釉面不风裂,所以缓冷前段控制微正压或正压是必要的,同时前后仓位不应有过大的温度降。在窑炉设计及操作控制上,缓冷前段采用间壁冷却对釉面质量保证相当重要。为避免冷风对缓冷区的影响,急冷与缓冷、缓冷与强冷间的马弗板挡火板、挡火墙的高度设置也是不容忽视的,当然窑体保温密封是最基本的要求。其实总的来说,缓冷的控制是尽可能使窑内砖坯任一部位在573℃时都能缓慢过渡,过此之后便可强制冷却了。573℃是个理论温度,在窑炉控制上不可盲目迷信于冷却段各热电偶的显示温度,这跟前面讲的急冷区的情况是一样的。 有条件的话,窑炉技术人员应该使用红外线测温枪来检测测砖坯的实际温度。

  传统上缓冷控制仅在理解为保证砖坯的强度上,其实这是不完全的,首先缓冷抽热要尽可能考虑加速冷却以为提高产量提供调节余地,以及抽取更多的余热以便利用;再次还应注意缓冷区对变形的影响,当然,缓冷变形并非就是砖坯在缓冷时变形,因为此时砖坯已岩石化了,它是间接影响到急冷区而变形的,急冷、强冷打入的冷风大都要经过缓冷抽热斗抽走以维持窑炉平衡(当然有的窑炉在设计上考虑比较成熟而又单独为强冷提供了一个抽废热风系统,与缓冷抽热分离)。缓冷抽热风如很大程度上影响到急冷,那么会因缓冷抽热的改变而改变急冷段的上下冷却温度和压力,急冷的上下冷却改变也就可能改变原来的急冷变形趋势。当然,这种情况在生产控制中应尽可能避免,以保证冷却质量及系统的稳定性。若为之,很可能会顾此失彼或者说得不偿失。

  对于快速烧成和大规格砖烧成及垫板撑烧,也就是说对出缓冷时砖坯表面温度仍很高的制品烧成而言,强冷是必不可少的。后期强冷,既是为窑尾执砖工的劳动强度考虑,也是为制品的出窑质量考虑,因为砖坯在163℃、117℃时还存在鳞石英系列的快速晶型转变,很可能导致砖坯出窑因环境温度、外界空气流速,温度影响而使脆性加大,这点对于大规格砖来说尤为明显,而对于水晶釉面砖来说,则会出现釉面风裂。当然,如果强冷控制得不好,砖在此时会出现质量问题,因为强冷是加速外界冷空气对砖坯的影响;而有的因窑速要求(产量大),出窑砖经过强冷风冷却后也无法降低砖温,而有的窑炉甚至没有强冷风,所以有必要采用出窑口淋水冷却,这种方法可以将砖急剧冷却,但也有弊端,它极易因此造成强度降低,即脆性加大。可见强冷,这整个烧成的最后一环节,也是一容忽视的。

  根据对砖坯在辊道窑中的烧成过程分析探讨,不难看出砖坯在烧成中存在多方面的物理化学变化。

  由于干燥排水及氧化分解反应造成的烧失量,所以砖坯经过烧结后重量减小,收缩越大的制品重量减小越厉害。

  由于生坯中的水份蒸发,体积收缩以及液相量生成填补颗粒缝隙拉拢颗粒适成体积收缩。当然烧成过程中存在石英晶型转变造成体积膨胀,这些只能抵消部分收缩。就整件砖坯而言,烧后体积到底会收缩多少,这要视配方组成、成型压力以及烧成温度而言的,对于抛光砖而言,考虑到白度及抛光光泽度,往往配方要求收缩大些,而对于不磨边的制品如瓷片等,为保证尺码齐整,配方则要求收缩小些。值得注意的是有的配方在不完全烧成时(生烧),砖坯出窑尺码会大于压机成型时的砖坯尺寸,比如瓷片砖坯在素烧不完全的情况下,往往出现这类情况。

  砖坯在烧成过程中体积收缩,那么气孔率也就降低,必须注意的是如砖坯已在完全瓷化的时候继续受热煅烧,则会产生液体“沸腾”现象而体积开始膨胀,气孔率也开始加大。而当同样的烧成温度下,不过烧时,还原气氛比氧化气氛下煅烧的产品气孔率要低,吸水率要小,抗折强度要大。

  许多原料乃至色料,色釉等在一定温度、气氛下呈现不同的色调,所以,砖坯经过烧成后颜色发生不同的变化。就是同一件砖坯经过不同烧成次数,后呈色也会有所改变,而对于不同的窑来说,因气氛、温度、压力三大制度以及窑炉不可能完全一样,所以烧后都会有色差。对于瓷片及其配套制品的花片、腰线,尽管后两者只是低温烤花,但会存在色差,有的甚至完全改变原瓷片的颜色。当然,只要清楚砖坯的呈色机理及变化原因,是完全可以尽可能调近颜色的。

  砖坯入窑后随着机械吸附水的排除、强度略有提高;573℃石英晶型转变及氧化区结构水的排除,矿物的氧化分解,强度都略有下降;750℃以后随着液相生成而强度逐渐增加,在良好的烧成温度下,坯体强度和硬度在刚好砖坯完全液化时达到最高,过烧膨胀又会下降,更主要的是冷却过程的控制,控制不好则强度大大降低。

  陶瓷烧成是个复杂的过程,在理论与实践操作经验下,都是很难以准确地进行描述的,所以砖坯在窑内各点的全方面跟踪(比如重量、体积、气孔率、颜色、强度、硬度)是对新型陶瓷辊道窑提出的在高新科技方面的要求。知道了砖坯在烧成过程中这些具体的变化形式及幅度,那么分析和解决产品缺陷就容易得多。

  对于陶瓷行业能耗一直是企业重要的经济效益指标,真正能掌握砖坯在辊道窑中的烧成变化,我们在控制上就能很有效地把握各点的温度,从而避免不必要的热损失,这样一来,节能降耗就不再是建陶界的空头口号了。

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