陶瓷窯爐燒成氣氛的控制及影響
發布時間：2009-10-24
作者：ccy
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概要：
1、燒成氣氛的概念陶瓷產品的燒成氣氛是指在燒制的過程中，窯爐內的燃燒產物中所含的游離氧與還原成分的百分比。一般將燒成氣氛分為氧化氣氛和還原氣氛兩種。游離氧含量在8%以上的稱為強氧化氣氛，游離氧含量在4%~5%的稱為普通氧化氣氛，游離氧含量1%~1。
1、燒成氣氛的概念
陶瓷產品的燒成氣氛是指在燒制的過程中，窯爐內的燃燒產物中所含的游離氧與還原成分的百分比。一般將燒成氣氛分為氧化氣氛和還原氣氛兩種。游離氧含量在8%以上的稱為強氧化氣氛，游離氧含量在4%~5%的稱為普通氧化氣氛，游離氧含量1%~1.5%的稱為中性氣氛；當游離氧的含量小于1%，并且CO含量在3%以下時，稱為弱還原氣氛，CO含量在5%以上的稱為強還原氣氛。 在實際生產中，采用何種氣氛制度來燒制陶瓷產品，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映情況來確定。當原料中所含有機物和碳較少，且粘性低、吸附性弱、含鐵量較高時，適合與還原氣氛燒成；反之，則適合與氧化氣氛燒成。
2、燒成氣氛對產品性能的影響
眾所周知，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。
2.1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熔解度很低，可析出膠態的Fe2O3使坯顯黃色；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一定時，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，其反應如下：
2Fe2O3+2 SiO2→2（2FeO·SiO2）+O2↑
反應生成的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會變成藍至紫色Ti2O3，還可能形成黑色2FeO·Ti2O3尖晶石和一系列鐵鈦混合晶體，從而呈色加深。
2.2 使SiO2還原和CO分解
在一定的溫度下，還原氣氛可使SiO2還原為氣態的SiO，在較低的溫度下它將按2SiO→SiO2+Si 分解，因而在制品表面形成Si的黑斑。還原氣氛中的CO在一定的溫度下會按2CO→CO2+C分解。在400℃時CO2是穩定的，而在1000℃時，僅有0.7%（體積）CO2。CO的分解在800℃以下才速度較快，而高于800℃時需要一定的催化劑。碳雖也有催化作用，但要求一定的表面積，游離態的氧化鐵催化作用則與表面積無關，因此在還原氣氛中很可能因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，在碳被封閉在坯體中；若再被氧化成CO2就會形成氣泡，對吸附性能強的坯體尤為嚴重。
3、燒成氣氛對產品缺陷的影響
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，除了受溫度影響之外，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，下面介紹最常見的幾種缺陷。
3.1黑心
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、色澤等性能指標。陶瓷產品產生黑心缺陷的關鍵是有機物、碳化物、硫化物氧化不足，陶瓷產品在燒成過程的低溫階段發生有機物的分解和如下的氧化反應：
FeS2+O2→FeS+SO2↑（350~450℃）
4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2↑（500~800℃）
C+O2→CO2↑（600℃以上）
在此階段如果氧化氣氛不足，有機物的分解和上述的氧化反應就無法完全地進行，C、FeS2和FeO等過多地殘留積聚在坯體內而使坯體呈黑色、灰色、黃色。在實際生產中要消除產品黑心，須在600~650℃讓有機物開始燃燒，在300~850℃讓有機物、鐵化合物和碳充分氧化，也就是說，應在預熱帶保證足夠強的氧化氣氛。另外，在燒成的低溫階段，煙氣中的CO會被分解，反應式如下：
2CO→2C↓+O2↑
這一分解在800℃以上時會比較明顯，而800℃以下時，在有一定催化劑的情況下反映也很明顯（游離態的FeO就是很好的催化劑）。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的FeO，因此CO會激烈分解而析出C。在低溫階段由于坯體的氣孔率較高，析出的C很容易被吸附在坯體氣孔的表面而形成黑斑缺陷。
3.2 氣泡和針孔
陶瓷產品在燒成過程的低溫階段，除了發生前面所述的氧化反應外，還伴隨著碳酸鹽的分解：
MgCO3→MgO+CO2↑（500~750℃）
CaCO3→CaO+CO2↑（550~1000℃）
這些反應的速度和完全程度都受到氣氛的影響，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。 在低溫階段將坯體內的氣體成分全部氧化分解是不可能的，因為碳酸鹽和Fe2O3在氧化氣氛中要在高于1300℃以上才進行分解，但是在這樣高的溫度區域，坯體已經有液相存在，粘度減小，分解出來的氣泡會沖破液相逸出，造成釉面不平，或者殘留在釉層內，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，讓Fe2O3及硫酸鹽類發生如下還原分解：
Fe2O3+CO→2FeO+CO2↑
CaSO4+CO→CaSO3+CO2↑
CaSO4→CaO+SO2↑
3.3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顯現。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。
目前，市場上流行的釩鈦金屬磚，由于其坯料含鈦較高，如在還原氣氛下會有部分TiO2轉變成藍色至紫色的Ti2O3，形成色差，也有可能形成黑色的FeO·Ti2O3尖晶石和鐵鈦混合晶體，從而加深鐵的呈色，形成磚面顏色深淺不一，其反應式如下：
TiO2+CO→Ti2O3+CO2↑ FeO+2TiO2+CO→FeO·Ti2O3+CO2↑
4、燒成氣氛的控制
燒成氣氛的控制受到窯爐結構和設備配置的限制，比如風機風量的大小，風管直徑的大小，排煙口、抽熱口、抽濕口位置的設置等，都會影響到燒成氣氛的控制。但是，最關鍵的還是穩定壓力制度和合理操作燃燒器。
4.1 穩定壓力制度
壓力變化會影響到氣體的流動狀態，因此窯內壓力制度的波動會引起氣氛的波動，要控制好氣氛，就必須穩定好壓力制度，而穩定壓力制度的關鍵在于控制好零壓面。在窯爐預熱帶，因要排走水分和燃燒時產生的煙氣，故壓力相對比窯外環境的低，對比之下窯內氣壓處于負壓狀態；在冷卻帶要鼓入冷空氣使制品冷卻，壓力相對比窯外環境的高，對比之下窯內氣壓處于正壓狀態；在正負壓之間有一零壓面，燒成帶就處在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，氣氛為還原氣氛；當零壓面位于燒成帶的后端時，燒成帶處于微負壓狀態，氣氛為氧化氣氛。
4.2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，保證氧化氣氛的實現；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，須注意以下三點：
①確保燃料與空氣充分，均勻地混合；
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。
5、實際生產中燒成氣氛的調整
對于上述穩定氣氛的理論要點，許多人都很清楚，但在實際的操作中，會因為要解決某些燒成問題而不自覺地改變窯爐的氣氛，這種變化往往容易被人忽視，以下是常見出現的問題。
5.1為了提高燒成溫度而改變空氣過剩系數
有些多企業為了追求單窯產量的最大化，不斷地加快燒成速度，縮短燒成周期。而操作工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沒有及時調節助燃空氣的供應量和助燃風機總閘的調節，造成燒成氣氛由氧化氣氛變為還原氣氛。
5.2為解決預熱帶出現的缺陷而改變其氣氛
一些操作工為了降低預熱帶后段的溫度而減小排煙閘的開度，影響了窯爐壓力平衡和氣體流速，使預熱帶的氧化氣氛減弱，如控制不好容易造成前爐燃燒狀態不良，使氣氛出現波動。
5.3為解決冷卻帶出現的缺陷而改變冷風量
這樣操作不僅影響到全窯壓力制度的變化，而且會使氣氛發生變化。比如加大冷風，容易使零壓面向預熱帶移動，反之零壓面又會向冷卻帶方向移動，這些都會使氣氛發生改變。為了穩定壓力，必須相應調節抽熱閘的開度，以平衡全窯的氣體進出量，穩定零壓面。
