烧成与烧结

7 烧成与烧结

7.1 烧成原理

为制定合理的煅烧工艺，就必须对物料在烧成时所发生的物理化学变化的类型和规律有深入的了解。但是物料烧成时的变化较所用的原料单独加热时更为复杂，许多反应是同时进行的。一般而言，物料的烧成变化首先取决于物料的化学组成，正确的说是物料中的矿物组成。使用不同的地区的原料，即使物料的化学组成相同，也不能得到完全相同的烧成性质。其次，物料的烧成变化在很大程度上还取决于物料中各组分的物理状态，即粉碎细度、混合的均匀程度、物料的致密度等，因为物料的烧成是属于液相参与的烧结过程，因此物料的分散性和各组分的接触的密切程度直接影响固相反应、液相的生成和晶体的形成。此外，烧成温度、时间和气氛条件对物料的烧成变化影响也很大。要将这些复杂的因素在物料烧成过程中的变化上反映出来是困难的。为研究方便本书以长石质陶瓷坯体为例进行讨论。

7.1.1 陶瓷坯体在烧成过程中的物理化学变化

陶瓷坯体在烧成过程中一般经过低温阶段、氧化分解阶段和高温阶段。

1.低温阶段(由室温～300℃)

坯料在窑内进行烧成时，首先是排除在干燥过程中尚未除去的残余水分。这些残余水分主要是吸附水和少量的游离水，其量约为2～5%。

随着水分排除固体颗粒紧密靠拢，发生少量的收缩。但这种收缩并不能完全填补水分所遗留的空间，因此物料的强度和气孔率都相应的增加。

在120～140℃之前，由于坯体内颗粒间尚有一定的孔隙，水分可以自由排出，可以迅速升温，随着温度进一步提高，坯体中毛细管逐渐变小，坯体内汽化加剧，使得开裂倾向增大。例如，当加热至120℃时，一克水占有的水蒸气容积为：22.4×(1+120/273)/18=1.79(升)。如果坯体中含有4～5%的游离水，则100克坯体的水蒸气体积达7.16--8.95升，相当于坯体体积的155倍。这些水蒸气主要由坯体的边角部位排出。为了保证水分排出不致使坯体开裂，在此阶段应注意均匀升温，速度要慢（大制品30℃/时，中小制品50～60℃/时），尤其是厚度和形状复杂的坯体更应注意。此外，要求通风良好，以便使排出的水蒸气能迅速排出窑外，避免冷聚在坯体表面。

2.分解与氧化阶段(300～950℃)

此阶段坯体内部发生了较复杂的物理化学变化，粘土和其它含水矿物排除结构水；碳酸盐分解；有机物、碳素和硫化物被氧化，石英晶型转化等。这些变化与窑内温度气氛和升温速度等因素有关。

（1）粘土和其它含水矿物排除结构水

粘土矿物因其类型不同、结晶完整程度不同、颗粒度不同、坯体厚度不同，脱水温度也有所差别，见表11-1。

Al2O3·2SiO2·2H2O 加热——→Al2O3·2SiO2＋2H2O↑

(高岭土) （偏高岭土）（水蒸气）

表11－1 各类粘土矿物脱水温度单位：℃

原料

吸热交换放热效应

排除吸附

水

排除结晶水晶格破坏新结晶物质形成重结晶

高岭土450～600 950～1050 1200～1300 地开石500～700 950～1050 1200～1300 珍珠陶土500～700 950～1050 1200～1300 多水高岭土100～200 450～600 900～1000 1200～1300 蒙脱石100～200 600～750 800～900 900～1000

叶腊石600～750 870 1120～1150

伊利石100～200 400～600 800～900 900～1000

绢云母600～800

粘土矿物脱去结构水与升温速度有关。升温速度加快，结构水的排除转向高温，且排出集中。结晶不良的矿物脱水温度较低。高岭石类矿物含结构水较多，在500～650℃之间集中排出，而蒙脱石和伊利石类粘土结构水量较少，脱水速度较为缓和。

粘土类矿物在集中排除结构水后，残存部分结构水要在更高的温度下才能排除，甚至持续到1100℃才能完全排除干净。产生这种现象的主要原因是：①这一部分水的（OH）根与粘土结合较紧密；②加热时，排出的结构水部分地被吸附在坯体空隙中。

粘土脱水后，继而晶体结构被破坏，失去可塑性。

（2）碳酸盐分解

MgCO3——→MgO + CO2 ↑500～800℃

CaCO3——→CaO + CO2↑800～1050℃

MgCO3·CaCO3——→CaO + MgO + 2CO2 ↑650～1000℃

4FeCO3——→2Fe2O3+3CO2 ↑800～1000℃

碳酸盐的结晶程度，升温速度和气氛都会影响碳酸盐的分解温度。

（3）有机物、碳素和硫化物的氧化

可塑性粘土，如紫木节土、黑碱石、黑泥等都含有大量的有机物和碳素，同时在烧成的低温阶段，烟气中的CO被分解，析出的碳素被多孔的坯体所吸附，这些物质加热时都要被氧化，反应将持续至1000℃。

C + O2——→CO2 ↑350℃～600℃以上

坯料中夹杂的硫化物的氧化反应约在800℃左右才能完毕。

FeS2 + O2 ——→FeS + SO2 350～450℃

4FeS + 7O2——→2Fe2O3 + 4SO2 ↑500～800℃

Fe2(SO3)3 ——→Fe2O3 + 3SO2↑560～770℃

（4）石英的晶型转变和少量液相形成

石英在573℃发生β—SiO2 —→α—SiO2，体积膨胀0.82%。按照K2O-Al2O3-SiO2 三元相图，985℃时出现低共熔物。由于杂质的存在，该共熔点的温度较相图所示温度约低60℃以上。也就是说，900℃左右在长石与石英、长石和被分解后的粘土颗粒的接触部位将出现熔滴。

此阶段物料的物理化学变化：当结构水和分解气体排除时，重量减轻，气孔相应增加。后期强度提高，坯体体积变化特征表现为三种原料（粘土、石英和长石）的膨胀和收缩的综合效应。在300--500℃为受热膨胀；

500--600℃，含高龄土多的收缩大，含伊利石多的呈膨胀，含石英多的晶型转变具有较大膨胀；650--850℃，粘土收缩较大，加上高温型石英膨胀系数是负值，虽然长石有较大膨胀，但含粘土多的显示收缩，长石多粘土少的显示平缓膨胀。850--900℃，由于长石显著膨胀，粘土收缩相对平缓，膨胀较小。因此，在此阶段，就坯体本身而言，危险性并不大，可以进行快速升温。决定本阶段升温速度的主要因素是窑炉的结构特点，如果窑炉的结构能保证工作截面上温度均匀，就可以快速升温，窑炉结构不能保证温度的均匀分布，快速升温将造成窑内较大温差，使温度较低部位的产品因氧化分解不充分而进入高温成瓷期后，产生烟熏、起泡的缺陷。为了加速此阶段化学反应的进行，应控制窑内为氧化气氛，并保持良好的通风。

3.高温阶段（950℃～烧成温度）

（1）氧化保温期（950--1050℃）

坯体在氧化分解期的氧化实际上是不完全的。由于水汽及其它气体产物的急剧排除，在坯体周围包围着一层气膜，它妨碍氧化继续往坯体内部渗透，从而使坯体孔隙中的沉碳难以烧尽。因此在进入还原操作之前，必须进行氧化保温，以使坯体中的氧化分解和结构水排除进行完毕，并使窑内温度均匀，为还原操作奠定基础。

所谓氧化保温，即采用低速升温或保温操作，加强烟气流通量，提高空气过剩系数。适宜的氧化保温的温度范围和时间取决于坯体的烧结温度、坯体的尺寸和窑炉的结构，对于在1300℃左右烧成的陶瓷坯体，在

900--1050℃之间氧化保温较适宜。产品尺寸越大，坯体越厚，碳素含量越大，釉的软化温度越低，装窑密度越大，保温时间则越长。