第1讲 窑炉及陶瓷烧成

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第一讲窑炉及陶瓷烧成李萍2013年5月 陶瓷是火的艺术。烧成（烧结）是在热工设备中进行的。这里热工设备指的是陶瓷生产窑炉及其附属设备。烧结陶瓷的窑炉类型很多，同一种制品可在不同类型的窑内烧成，同一种窑也可烧结不同的制品。 第一节窑炉的发展历程——古代窑炉1.最原始烧陶的方法是不用窑的垒坯露天烧：在地面上挖一浅坑或在地面铺上小石头块，上面放上陶坯后，用干枝柴草围住周围顶部，外面涂抹较稠的黄土泥，上留通风小孔，地面点火烧制。温度只能达到800℃左右。 窑我们可以从“窑”这个字来分析，它是由“穴、缶”两个部分组合，穴就是地坑，缶就是陶器。这形象地说明了最初时期是“坑地为窑，复烧为缶”的。早在新石器时代，先民们就是这样“坑地为窑”烧制陶器。其中有横穴和竖穴窑最为典型。生活在西双版纳的傣族妇女，至今还沿用着这种原始的治陶方式。 2.距今6000多年前黄河流域的仰韶文化时期从无窑到有窑的烧制使彩陶有了明显的飞跃。出现最早的是从西安半坡遗址中发现的“竖穴式窑”或“横穴式窑”。（后又影响到龙山文化以及南北各地的陶窑。） 仰韶文化时期陶器彩陶船形壶彩陶双连壶 彩陶人面鱼纹盆 因为当时用的燃料是植物茎秆和木柴，在烧造技术上不能完全控制烧成温度和气氛，因此，仰韶文化的出土陶器多为红陶、灰褐陶和黑陶。注：红陶--氧化气氛；灰陶和黑陶--还原气氛，温度都不超过1000℃。仰韶文化时期的陶窑规模都很小，窑内面积有限，只能装少量的件数。 3.在商周时期，北方就出现了类似馒头的圆窑。河南的钧瓷就出之于馒头窑。4.到了战国时期出现了馒头窑和龙窑。（1）所谓馒头窑，指窑内的空间和外形似馒头，这种窑在我国北方比较多见。 3.在商周时期，北方就出现了类似馒头的圆窑。河南的钧瓷就出之于馒头窑。所谓馒头窑，指窑内的空间和外形似馒头，这种窑在我国北方比较多见。馒头窑窑内容积有大有小，大的有90~200m3左右，窑后有一烟囱，窑前设门，下面有通风坑道，可存灰。馒头窑靠夹墙竖烟道产生的抽力来控制窑内气氛，烧制温度可达1300℃左右，也用来烧还原焰。 河北的磁州窑、定窑；河南的钧窑、博山窑；陕西的耀州窑都属这种窑。 4.到了战国时期出现了龙窑。龙窑是一种横焰式窑。在我国南方比较多见。如广东石湾、浙江龙泉、福建的建阳、德化、宣兴等。在景德镇湖田，也多处发现龙窑遗址。龙窑一般都是依山坡建成，坡的大小缓急直接影响烧成时间和产量。一般是窑头坡度大、易上火，窑尾坡度小、易存火，低的一端为火膛，高的一端有排烟口。 龙窑的长度最大可达100m左右，内宽2-3m左右，内高2.5-3m左右。使用的燃料为松柴，后来逐渐改为烧煤粉。 龙窑的主要特点：升温快、降温也快，维持火焰和还原气氛时间长。宋代著名的影青、油滴、兔毫以及吉州窑的鹧鸪斑、玳瑁等，大多出于龙窑。 5.秦汉时期：火膛和容积不断增大，出现了马蹄窑。马蹄窑（与葫芦窑）是景德镇湖田窑系遗址的两种特殊的瓷窑，在明代生产芒口瓷。其形状方中带圆，下部大，上部小，很象马蹄下部的蹄甲。马蹄窑建造简单，投资少，景德镇湖田窑遗址，1977年清理。窑炉较小，利于产品更新换该窑为半倒焰式窑，长2.95米、宽2.5米-2.7米，坡度12.5°，东代，有灵活多变、适应市场壁与后壁残高2.3米，有烟道6个，的优点。后烟室1个。该窑可烧瓷碗2000只左右 6.到了元代，出现了葫芦窑。葫芦形窑炉是在龙窑的基础上发展、改进而来的，在景德镇元代民窑中大量使用，在御窑（官窑）遗址中也曾被发现过。清《南窑笔记》载：葫芦形窑“窑如卧地葫芦”。窑因其形状而得名。 葫芦窑是景德镇人在元代把马蹄窑和龙窑的特点结合起来，产生的新窑体。葫芦窑综合了马蹄窑半倒焰的技术和龙窑窑体结构的长处，形成了南北优势并存的产物。 7.到了明代初期，出现了德化的阶级窑。阶级窑实际上是从龙窑发展来的，依山坡建立，不同的是靠着的斜坡筑成了阶级式。烧成方法：当烧完第一室后，接着烧第二室，一室冷却，当一室冷却的同时，热气体散热通过其它各室，做预热使用。当第二室烧时，预热的空气又通过其它各室。阶级窑的优点是：利用废气预热，就地取材，利用地形，节省原料，而且温度可达1300℃以上。 窑内容量大约在200-240m3左右，整个窑由多个室串联组成，每个窑室有大有小，窑头与窑尾小，越接近中间越大，每个窑室的隔墙下有通火孔，窑室的每个后顶上有排气口，同时每边各开一个窑门，窑长因各地不同而异。 8.明末景德镇创造发明了烧制温度达1300℃以上的景德镇窑。窑身如半个瓮俯覆，又似半个蛋形覆置，也象一个前高后低的隧道。景德镇窑是在明末清初时期，在葫芦窑基础上演化而成的。其特点是把葫芦窑两室之间的折腰取消，使之变成“形如覆瓮”的蛋型，所以也叫瓮形窑或蛋形窑，景德镇人把这个独具地方特色，独具技术优势的属于平焰式的窑叫景德镇窑。 景德镇窑外形前大后小，前面只有一个火口，窑的尾部是排除废气的烟囱，窑内火焰朝着横向走，所以又称为横焰式窑，或平焰式窑。全长15~20米，窑底前端略低，倾斜度3°左右。窑头有火箱，火焰经窑体至窑尾，废气由蛋形截面的烟囱排出。容积大，约150~200立方米。窑墙与护墙之间填以砂土作隔热层，热利用率较好。 小结原始陶器：无窑烧制：垒坯露天烧，温度800℃左右仰韶文化时期：“竖穴式窑”或“横穴式窑”，温度900℃左右在商周时期：北方出现馒头窑战国时期：龙窑，温度1300℃左右秦汉时期:出现马蹄窑元代：出现了葫芦窑明代初期：出现阶级窑，温度可达1300℃以上明末：景德镇发明了烧制温度达1300℃以上的景德镇窑 第一节窑炉的发展历程——现代窑炉现代窑炉种类（1）按使用的燃料，分为：柴窑、煤窑、油窑、气窑、电窑。（2）按窑的外形，分为：推板窑、馒头窑、马蹄窑、龙窑、葫芦窑、圆窑、方窑、轮窑、环形隧道窑、梭子窑。（3）按火焰特点，分为：直焰窑、倒焰窑、横焰窑。（4）按生产工况，分为：间歇式窑、连续式窑（轮窑、环形隧道窑）、半连续窑（龙窑、德化阶级窑）。（5）按窑炉用途，分为：素烧窑、釉烧窑、烤花窑。 当今最常用的窑炉设备是隧道窑、辊道窑和梭式窑。隧道窑隧道窑一般是一条长的直线形隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车。燃烧设备设在隧道窑的中部两侧。在台车上放置装入陶瓷制品的匣钵，连续地由预热带的入口慢慢推入，而载有烧成品的台车，由冷却带的出口渐次被推出来。 燃料隧道窑包括：窑体、窑车窑车与窑具、燃烧系统、排烟系统、冷却系统、测控系统以及附属设备。 隧道窑的特点☺生产连续化，周期短，产量大，质量高；☺利用逆流原理工作，热利用率高，燃料经济，热量的保持和余热的利用都很好，所以燃料节省，较倒焰窑节省燃料50~60%；☺烧成时间简短，普通大窑由装窑到出空需要3~5天，隧道窑约有20小时左右就可以；☺节省劳力；☺提高质量；☺窑和窑具都耐久，5~7年修理一次；☺一次性投资较大，烧制制度不宜随意变动，灵活性较差。 辊道窑辊道窑是一种不用窑车的隧道窑，突出特点是用许多平行排列的转动的辊子组成的辊道来代替窑车作为烧制坯件的运载工具。坯体可直接放在辊道上，也可放在热垫板上，传动系统使辊子转动，被烧制的坯件沿通道向前移动，经预热带和烧成带，再经冷却带冷却后出窑。 辊道窑包括：窑体、燃烧系统、排烟系统、冷却系统、传动系统及测控系统六部分。 辊道窑的特点：温度均匀，窑内温差较许多窑炉小；适于快速烧成—釉面砖35~50分钟；日用瓷12小时；卫生洁具8~10小时；瓷质砖50~100分钟；节约燃料；不必用窑车、匣钵，有的仅用耐火垫板或不用垫板；有利于实现烧成工序的机械化和自动化，便于上下工序衔接，提高生产效率；操作简便，有利于提高产品质量，降低成本，减少占地面积和投资少等优点。 梭式窑梭式窑是一种现代化的间歇窑，其结构与隧道窑的烧成带相近，由窑室和窑车两大部分组成，坯件码放在窑车棚架上，推进窑室内进行烧制，在烧成冷却后将窑车和制品拉出窑室外卸车，窑车的运动犹如织布机上的梭子，故称为梭式窑。 梭式窑窑室工作条件相当恶劣，它要从室温迅速升至1000多度，在高温下保持一段时间，然后再急速冷却到600~700℃，随后冷却至室温。窑炉要经受高温以及在高温下炉尘，炉气，坯体与釉料的低熔挥发物的侵蚀作用，还要经受频繁的急速加热与冷却的热胀冷缩作用。 梭式窑的特点：在生产中灵活性大，可随被烧制制品的工艺要求变更烧成制度；窑内温度分布比较均匀，容易烧出要求严格的优质产品；生产安排灵活，可在周末和节假日停窑休息，烧成周期短；窑炉造价低，占地少，基建投资少；随着制品的加热冷却窑炉温度随之要变，窑体蓄热损失大，排烟温度高，排烟热损失大，增加了产品的燃料消耗量。 第二节陶瓷的烧成坯体经过成型及干燥过程后，生坯中颗粒之间只有很小的附着力，因而干燥强度相当低。要使颗粒相互结合形成较高的强度就必须通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化，形成预期的矿相组成，从而达到固定外形并获得所要求的性能，这种使坯体经高温处理的工艺过程称为烧成。 一、烧成的一些概念1.氧化焰在烧制时使空气中的氧气充分自由流入火焰中的燃烧。也就是说，进入窑内的氧气量远远大于使煤气中的一氧化碳及氢气完全燃烧所需的氧气量。这种性质的火焰，称为氧化焰。 2.还原焰除去燃烧时所必须的氧气量，绝对不让多余的氧气进入。即进入窑内的氧气不能使煤气中一氧化碳和氢气完全燃烧，这种火焰称还原焰。其作用是使三价的铁还原成二价的铁，使瓷器更加洁白。3.中性焰进入窑内的氧气刚好使煤气中一氧化碳和氢气完全燃烧，这种火焰称中性焰。 4.素烧干燥后的坯胎，用低温690~1020℃烧成，称为素烧。目的是增加坯体强度。5.釉烧经素烧后的坯胎，再上釉，经900~1000℃以上烧成，使釉子全部熔融，成为釉烧。 二、素烧素烧的方法依坯胎的种类而定。素烧的温度在800~900℃之间。烧制过程可分为三个阶段：第一阶段：烘烤期。即先用弱热温烘，在点燃了火种时，先不要将窑门完全关闭，要留有小缝，因为坯体在入窑时，仍留有一些水分，这样有利于水气的蒸发排除。 第二阶段：燃烧期。坯体内所含结晶水大约在300~400℃以上完全挥发；但温度烧至550~600℃时，便是坯体中石英膨胀期，注意温度上升的不能太快。第三阶段：恒温期。等温度上升到800~900℃时，开始恒温，恒温时间最好在30分钟左右。等坯中的碳素完全燃烧后，便可以停火，让窑炉自然冷却，冷却时不要打开窑门。等温度降至100℃以下，便可出窑。 三、釉烧釉烧的温度可分为低温、中温和高温。烧低温釉（铅釉为主）的温度大约在800~900℃；中温釉的温度在1000~1150℃；高温釉烧至1250~1350℃。釉烧温度是依据瓷质和釉的种类而定的，一般而言：陶器800~900℃；炻器1200~1300℃；软质瓷器1200~1300℃；硬质瓷器1350~1400℃。 四、烧成的物理化学变化瓷器的烧成主要经历四个阶段：低温阶段氧化分解阶段高温阶段冷却阶段 1.低温阶段（室温~300℃）坯体在此阶段主要是排除干燥时未能排除的残留水分，不发生化学变化。随着水分排除固体颗粒逐渐靠拢，坯体产生少量收缩，气孔率均有所增加。制品在低温阶段加热时间的长短，主要取决于坯体的入窑水分、厚薄及装烧方法等因素。当入窑水分大于3%时，应严格控制升温速度。 2.氧化分解阶段（300~950℃）这一阶段是坯体烧成的关键阶段之一。坯体中所含有机物、碳酸盐以及铁质化合物等大都在此阶段进行氧化或分解，反应进程将随升温速度及窑内气氛而异，此外，还有晶型转变、结构水排除，以及其他一些物理变化。坯体在氧化分解阶段发生的物理变化主要是：随着结构水的排除，碳酸盐的分解，以及有机物的氧化，坯体失重明显，气孔率进一步增大。另外，由于本阶段后期有少量熔体起胶结颗粒的作用，所以本阶段后期坯体强度有所增大。 3.高温阶段（950℃~烧成温度）此阶段主要发生以下化学变化：（1）继续氧化分解及排水；（2）硫酸盐的分解和高价铁的还原与分解；（3）液相及莫来石新相的形成；（4）新相重结晶和坯体烧结及坯釉中间层形成。坯体在高温阶段的物理变化主要是：由于液相的粘滞流动使坯中孔隙得以填充，以及莫来石晶体的析出及长大，使坯中气孔率急剧降低，坯体显著收缩，强度及硬度增大，坯体颜色趋白，光泽感增强，薄坯制品渐具半透明性。 4.冷却阶段（烧成温度~室温）冷却初期，为保证产品质量，一般冷却速度较快，坯釉中不会产生析晶，其化学变化主要是在870℃，573℃左右发生石英的晶型转化。物理变化主要是在800℃左右开始坯釉中液相由塑性状态转变为固态，并因结构变化产生一定应力，随着冷却的不断进行，产品具备所要求的物理化学性能。 五、烧成制度烧成制度是根据坯釉的温度制度组成和性质，坯体的形状，大小和厚薄，以及窑炉结构，装窑方法，升温速度烧成温度燃料种类等因素确定的。制品的烧成制度中对产品性能有直接影响的是高火保温冷却速度温度和气氛制度，合理的压力制度是实现既定温度制度就是温度与温度制度和气氛制度的时间的关系表示。根本保证。 升温速度烧成温度高火保温冷却速度升温速度主要取决于坯体的含水量，物理化学变化的反应速率，致密度，厚度，窑内实际温差以及坯体的热传导系数。一般来说，如果坯体含水率低，物化反应快，温度分布均匀，传热快，可快速升温；反之，应慢速升温，以免由于水分剧烈气化，反应剧烈或不完全，温差大及供热不足等原因造成烧成缺陷。 升温速度烧成温度高火保温冷却速度烧成温度。坯体经高温处理获得最优性能时的温度，也称正火温度。烧成温度主要取决于坯体本身组成与性质，如坯体的熔剂多，颗粒细，反应活性大，烧成温度则低。由于坯体性能随温度变化有一个渐变过程，因此烧成温度实际是指一个温度范围，即烧成温度范围。 升温速度烧成温度高火保温冷却速度高火保温。为使坯体内的物理化学变化进行更加完全，促使坯内组织趋于均一，制品内外和窑炉各处温差都尽可能的缩小，不仅高温时升温速度应慢，而且还须进行高火保温一段时间。具体保温时间的长短视坯体组成、大小、温差及止火温度而定。 升温速度烧成温度高火保温冷却速度冷却速度。冷却速度的快慢对坯中晶粒的大小，尤其是对晶体的应力状态及产品性能有很大的影响。850℃以上为了防止液相析晶和晶体长大以及低价铁氧化，可以进行快冷，这样可以提高坯体的机械强度和白度以及釉面光泽度。 气氛制度窑内气氛的性质是以燃烧产物中游离氧及还原成分CO的含量而定。一般游离氧含量8~10%为强氧化气氛；游离氧含量4~5%为普通氧化气氛；游离氧含量1~1.5%为中性气氛；游离氧含量小于1%，而一氧化碳含量在1.5~2.5%为弱还原气氛；一氧化碳含量2.5~7%为强还原气氛。低温阶段对气氛性质没有特殊要求，只要保证气流畅通及时带走水蒸气即可。氧化分解阶段要求较强氧化气氛及较大气流速度，以保证氧化分解反应顺利进行。冷却阶段因产品质量要求及冷却操作特点，必须保持氧化气氛。 压力制度坯体在烧结过程中的不同阶段需要合理的压力制度来保证温度制度和气氛制度的实现。所谓压力制度是指窑内各部位压力的大小与分布。通常是负压有利于氧化气氛的形成，正压有利于还原气氛的形成。负压过大，大量烟气和热量被带走，窑内温度波动大，热效率低，高温阶段还原气氛得不到保证；正压过大，烟气外逸，热损失大，但可缩小温差。 六、烧成缺陷开裂变形起泡釉裂色黄生烧过烧黑斑烟熏釉缕缺釉橘釉 （一）开裂低温阶段，如坯体在未烧前被碰裂或坯体含水量过高，升温过急易引起炸坯；经高温烧成，裂纹崩开，但被釉层覆盖，裂口断面光滑；冷却阶段因急冷过激所造成的风炸，裂口锋利。 （二）变形（制品扭曲、歪斜、翘角、扁口、底部上凸下凹等缺陷）配方对变形的影响在未烧前是潜在因素，一经高温，应力释放，暴露无遗。（塑性粘土用量大，泥料过细，坯料颗粒呈定向排列，变形大）器型结构设计的不合理性也是产生变形的潜在原因之一；成型操作不正确、干燥不均匀是产生变形的潜在根源；烧成工艺操作与控制不当引起变形。 导致变形和开裂的三个根本原因是机械应力、结构应力和坯料组成。破坏应力不大于坯体强度时，导致制品变形；当破坏应力超过坯体强度发生开裂。 （三）起泡（坯泡、釉泡）氧化泡：氧化不彻底造成的坯泡，俗称“小米泡”。外面被釉层所覆盖，不易被手磨破，断面呈灰黑色，大多产生在窑的低温部位；还原泡：由坯体内硫酸盐和高价铁还原不足而产生的坯泡，断面发黄，多产生在高温喷火口部位，又称“过火泡”。釉泡：沉积的碳素或分解产物在釉熔融前未完全烧尽，当釉层封闭坯胎后，碳素氧化所产生的气体不易逸出，只能成细小气泡状态残存釉层表面。 （四）釉面针孔、桔釉、缺釉与缕釉制品釉面出现小凹痕或小孔的缺陷，俗称“猪毛孔”。若釉面密集针孔群，使釉面外观呈桔子皮状，称之为“桔釉”。产生的原因：釉料的高温粘度大，流动性小；釉层过薄或釉料始熔温度过低；还原气氛过浓，致使细粒碳素沉积在釉层中而形成很小的开口釉泡。 缺釉：制品局部表面无釉的现象，面积较针孔大。无釉区的边缘上釉层突起呈卷缩状的缺釉又称为“缩釉”或“滚釉”。产生原因：坯釉配方不适应；釉的润湿性差；釉的高温粘度和表面张力过大；釉浆过稠；釉料过细；坯体过湿使坯釉分层等。缕釉：烧成温度过高，釉的熔化温度过低，造成熔釉向下流淌呈缕状。施釉太厚，上釉不匀，釉料局部堆积也会出现缕釉。