浅谈坯体在烧成中的变形缺陷

摘要:陶瓷坯体在烧成过程中会发生各种物理和化学反应,烧结体的显微结构随温度的升高而变化,其体积及应力也相应产生变化,从而容易导致产品变形。本文主要阐述了产品在烧结过程中容易产生的变形缺陷,并提出了相应的解决措施。

关键词:坯体;变形;烧成;窑炉

1引 言

烧成是陶瓷生产最重要的工序之一,坯体烧成的过程要发生一系列的物理和化学变化,形成预期的矿物组成和显微结构以及固定的外形,从而达到所要求的质量性能。陶瓷产品在烧成后,有部分产品因产生不同形式的缺陷而被降级或成为废品。这些缺陷有些是在烧成工序产生的,有些是在前工序已存在,煅烧后才暴露出来,这统称为烧成缺陷。它主要包含了变形、开裂、起泡、烟熏、针孔、色差等,本文主要针对烧成变形展开讨论。

陶瓷制品的烧成变形由于产生的原因不同,可以分为烧成制度引起的变形与窑炉(如辊棒与窑内压力等因素)变形等,引起了产品翘角、下弯、翘边、凹面等各种缺陷,下面分别进行阐述。

2烧成变形的分类

2.1 不同烧成阶段的变形

2.1.1 烧成氧化期造成的变形

产品在达到最高温度点之前始终处于受热状态,但窑炉各段的坯体温度均低于窑内的空间温度。根据辊道窑的结构,前段辊棒上是没有或不点烧嘴的,一般辊棒上温度较辊棒下的低。当辊棒上下的温差超过一定值且辊棒下温度达到共熔物的最低共熔点时,坯体下表面会出现液相。液相的出现,会使颗粒间歇被填充,颗粒靠近,收缩加大,造成产品下表面气孔率降低。而此时,坯体上表面正处于晶型转化的体积增大阶段,由于上表面温度低,坯体因此向上弓起,当弓起太大时,会对烧起后期的软化蠕变产生不良影响。因为在软化阶段,坯体中的液相快速且大量出现,釉层的完全液化使坯体上下表面吸热不一,从而造成温差,坯体就会因受力以及支点作用而出现异常蠕变。由于液相往往产生于900～1090℃,因此,必须严格控制好该温度区间的升温速率,保证该阶段的温度曲线不出现大的转折。

在氧化阶段,快烧条件很容易导致产品在蠕变软化铺展中硬化,从而造成坯体的不正常形状,一般呈m状。这种“m”状态变形通过调整好辊上与辊下的排烟比例可以得到一定的改善,一般是增加上抽风,减少下抽风,降低窑头烧明处的温度,使该处尽可能增加一部分烧成期的烟气,增加氧化阶段的过氧系数,减少由于氧化铁存在而出现的大量液相,同时及时调整温度曲线中的不正常折点,例如可以增加排烟抽力,减少窑内正压,这样踏角会变小点。

2.1.2 坯体烧结成瓷阶段造成的变形

在烧结成瓷阶段,由于坯体中出现了大量液相,坯体气孔率快速降低,导致坯体收缩变形。在实际生产中,由于烧成周期的限制,不可能过长地增加保温时间或过高地提高烧结温度,所以烧成周期的相对固定性往往使坯体在结构上出现上下密度不一、收缩不一的结构,从而产生向上或向下翘起的变形。产生这种变形的原因,一是由于上下温差引起坯体收缩不一致;二是由于坯釉的膨胀系数不匹配,坯釉的适应性不是很理想,从而使得釉层在收缩过程中产生应力,最终造成产品变形;三是由于釉层厚度较大,造成坯体上下表面的实际热效应差值过大,也会导致在坯体烧结成瓷的过程中产生变形缺陷。

针对坯体在烧成过程中的变形缺陷,在工艺上,一般可以采取以下方法进行适当调整:

(1) 当成品向上凸时,可以适当提高辊棒上的温度,将釉的熔融温度向预热带前移,同时可降低釉层的熔点;当成品向下凹时,可以适当提高辊棒下的温度或增加釉层厚度,提高釉层的熔点;

(2) 当坯体在窑内充分收缩后,随着温度的进一步提高,坯体的体积还会膨胀,体积膨胀的多少可以作为判断玻化程度的依据。烧结玻化程度较高的陶瓷产品,可利用“升高温度体积膨胀”的特征来进行变形调节,具体的做法可以利用辊棒上下温差来实现翘曲变形的控制。

2.2 烧成制度引起的变形

烧成需要在窑炉内完成,科学合理地制定和执行烧成制度才能烧制出合格的陶瓷制品。

2.2.1 冷却过快引起的变形

冷却是使坯体从液相转化为固相的过程,也伴有体积收缩,在热量传递的过程中,先是坯体的角部受热,然后到表面、中心,也就是说先是坯体的边部、角部出现液相,然后才是坯体的中间部位。在冷却时,如果冷却速度过快,则会使得液相在坯体上分布不均匀,且内外散热不均匀,整个坯体就会呈拱形,这种变形主要是由于冷却速度不同而引起的。

达到熔融状态的坯体在冷却时,表面受到拉伸应力而中心却受到压缩应力,由于坯体上下表面的发展趋势是由上下表面拉伸力的相对大小决定的,当下表面冷却速度较大时,下表面拉伸应力大于上表面,坯体呈上翘状态;反之,当上表面急冷风较大时,上表面的拉伸力大于下表面,坯体呈下耷变形。

针对以上缺陷,在工艺上一般采取如下相应的调试方法:

(1) 烧成及冷却过程中尽量保持坯体底面与边角的温度等参数的平衡,使产品温度均匀;

(2) 在烧成制度方面,可以适当调节烧成曲线和烧成周期,使得温度在过渡过程中保持一定的稳定性,不至于因温度的突然变化引起收缩率的不同而引起变形缺陷,这在工艺中可以通过调节烧嘴燃烧的稳定性以达到烧成制度的稳定性。

2.2.2 止火温度高于烧成温度造成的变形

在烧成后期,在工艺上要进行一定的止火操作,这主要能起到补充烧成的作用,可以减慢烧成的速度,能在一定程度上保证坯体本身的瓷化趋于均匀,避免烧成的不完全和缺陷的产生。在实际烧成控制中,如果止火操作不合理,特别是当止火温度高于或等于烧成温度时, 在止火操作阶段,空间温度一般应低于止火坯体温度,这两个温度差值越大,对坯体的减缓作用越大;当差值低于或接近某个值时,坯体就会迅速软化,不再平展趋于流态,产品就会在硬化过程中出现一端下沉的现象。

为了防止这种变形,在适当降低止火温度或缩短保温时间的前提下,如果条件允许的话,也可以将最高温度点向冷却带前移或将整个瓷化温度都下调,但止火温度的降低是有限的,必须维持在1050℃上,如低于该温度值可能会出现急冷或类似的炸裂现象。

2.3 窑炉变形

2.3.1 辊棒转动引起的变形

陶瓷产品在高温软化时,由于高温区的辊棒平面不平整,会引起传动不稳等机械效应而导致变形;在高温区,坯体软化时重力及辊棒的推力在辊棒与坯体的接触面上的作用力不平衡,也会使坯体产生变形;烧成带相邻辊棒之间的间距过大,也会使坯体弯曲加大,而坯体入窑排列间隔过小,辊棒传动速率过快,使各排坯体相互挤压,也会造成变形,这统称为辊棒转动引起的变形。

对此,须调节产品在窑炉内的行走平直度,使辊棒在转动过程中保持平稳,并调节窑炉内坯体间的水平距离,以防止由于距离过近而产生的缺陷,防止产品变形。

2.3.2 窑炉压力造成的变形

窑炉内压力变化带来的直接变化是窑炉内气流的变化,而气流流速的变化会带来产品底-面热交换的速率变化,使坯体的收缩和膨胀不一致,这是压力变化影响变形的一个直接原因。窑炉压力是窑炉热传递的工作环境,压力变化会对窑炉火焰、坯体的热传递效率、冷却风的冷却效率产生很大的影响。因此,须调节窑炉风机,使窑炉内的气流稳定,从而起到稳定温度的作用。

3变形缺陷以及相应的解决措施

在烧成中引起产品变形的原因很多,同时所引起的变形也各有差异,其中主要包括了翘角、角下弯、上翘边、凹面、海鸥翅变形、扭曲以及不规则变形等。

3.1 翘角

这种变形的特点是坯体的四角都上翘,长度大约为30mm,其余表面平直或只有少许下凹,如图1所示。这种缺陷是由于烧成后期辊道平面上下温差过大所致,缺陷多发生在烧成的最后2～5min。其解决方法主要有:

(1) 如果出窑产品尺寸正确,降低烧成带最后2至3组辊棒上部的温度(5～10℃或更高,视调试效果确定),并对等升高辊道下面的温度;

(2) 如果烧成后产品尺寸偏大,则仅升高辊道下面的温度5～10℃或更多(视调试效果确定);

(3) 如果烧成后产品尺寸偏小,则仅降低辊道上面的温度5～10℃(视调试效果确定)。

3.2 角下弯

角下弯正好与翘角缺陷相反,它是坯体四角都下弯,长度大约为30mm,其余表面平直或只有少许上凸,如图2所示。这种缺陷发生于窑的中间或两侧。它是由于烧成后期辊道平面上下温差过大所致,解决方法主要有:

(1) 如果出窑产品尺寸正确,降低烧成带最后2至3组辊棒下部的温度(5至10℃或更高,视调试效果确定),并对等升高辊道上面的温度;

(2) 如果烧成后产品尺寸偏大,则仅升高辊道上面的温度5～10℃或更多(视调试效果确定);

(3)如果烧成后产品尺寸偏小,则仅降低辊道下面的温度5～10℃(视调试效果确定)。有时,只有靠近窑炉墙的一行出现角下弯现象,这种情况可能是在该侧烧成带温度偏低所致(也可能是辊棒太脏所致),这时可以降低该侧的助燃风压力,同时检查该侧的窑底是否堆积较多的烂坯体,造成蓄热过大、窑炉底部温度过高等;还要检查该侧辊棒孔是否漏风。有时把辊道窑炉的下层抽力减少,加大上层抽力,也能取得较好的效果。

3.3 上翘边

上翘边主要指坯体沿进窑方向平行的两边上弯,与之垂直方向的两边变形不明显,如图3所示。上翘边主要是由于烧成带前期,即850～900℃或比最高烧成温度低50～100℃温度区间内,辊道上下温差不合理。解决方法主要有: 提高该区域辊道上面的温度5～10℃或更多(视调试效果确定),同时对等降低辊道下面的温度,使其略呈下凹,但绝不能上凸,这样利用坯体在高温软化凸出点维持平衡,坯体因重力作用而恢复平直。

3.4 凹面

凹面是指坯体边缘逐渐下凹,如果是长方形坯体,长边比短边下凹更明显,如图4所示。凹面既可能是预热带辊道上下温差不合理所致,也可能是烧成带辊道上下温差不合理所致。

如果是坯体在预热带产生变形的,解决方法主要有:

(1) 调整坯体配方,降低坯体的烧失量。如减少烧失量大的原料用量,少用或不用含碳酸盐、硫酸盐的原料;适当加些瘠性料,降低坯体的收缩;

(2) 适当降低坯体的球磨细度;

(3) 提高成形压力,减小粉料含水率,从而提高坯体的密度,控制粉料和提高填料的均匀性;

(4) 根据坯体的变形情况,调节预热带辊道上下温差。坯体下凹时,提高辊道上面的温度或降低辊道下面的温度;如果坯体上凸,方法则相反;

(5) 减小温度梯度,调整烧成曲线或降低辊棒转速,延长烧成周期。

如果坯体在烧成带产生变形,可以适当采取以下措施进行调节:

(1) 如果出窑产品尺寸正确,降低辊道上面的温度5～10℃或更多(视调试效果确定),并对等提高辊道下面的温度;

(2) 如果烧成后产品尺寸偏大,则仅升高辊道下面的温度5～10℃或更多(视调试效果确定);

(3) 如果烧成后产品尺寸偏小,则仅降低辊道上面的温度5～10℃(视调试效果确定)。

3.5 扭曲

扭曲变形是指坯体与窑轴平行两边发生的变形(如图5所示),距边缘70～80mm处上弯,随后距边缘30mm处下弯。这种缺陷形成的原因有很多,具体如下:

(1) 可能是坯体在烧成之初,由于辊道下面的温度较高,坯体呈凸变形,这样坯体的两侧就成为整个坯体的支撑边,中部几乎悬空;当到达高温区时,坯体发生软化,坯体的左右两侧无法承受重力和辊棒传动对它的作用而开始上翘,同时支撑点也随着瓷坯体的变形而转移。当坯体两边上翘到一定程度后,又由于受重力作用而开始下弯,从而形成扭曲。解决方法主要有:先按角下弯缺陷加以处理,直到坯体转为上翘,再按上翘缺陷处理解决;

(2) 引起扭曲变形还有可能是角下弯缺陷扩大,常在烧成带最后5～10min内发生。此时通常按角下弯缺陷处理办法解决;

(3) 扭曲变形缺陷还有可能是急冷或急冷刚开始时,坯体在前进中相互挤压所致,可通过调节调速电机的转速和坯体排列的间隔来克服。

3.6 “海鸥翅”变形

“海鸥翅”变形如图6所示,造成这种变形的原因,可能是在烧成带的中部和末端,由于辊道上部的温度过高,使坯体变形成凹面,此时坯体的中部成为辊棒上的优先支撑区域。由于重力作用和坯体在传动中产生的应力,坯体的中部逐渐上凸,直到烧成带结束。解决这种变形,必须避免由于机械原因或温度过高所导致的凸变形,然后适当升高辊道下面的温度,在烧成带的中部和末端设定适当温差,约为25～30℃;如果需要,在烧成带前端也可以同样设定一定的温差。

3.7 不规则变形

不规则变形如图7所示。不规则变形发生在窑炉中的不同位置,虽然有时发生在某一特定位置,并表现为同一缺陷形式,但长时间观察会发现,其具有一定规律性。这类变形往往是由于粘棒、辊棒弯曲变形或辊棒不在同一水平线上、传动不平衡、坯体入窑前已发生下凹或上凸变形等,或是由于发生坯体挤压所致。解决方法主要有:定期打磨辊棒,在辊棒上涂氧化铝保护层;在瓷质坯体的背面也涂上氧化铝浆,这样既可防止坯底高温下产生的液相与辊棒粘结,又可使坯底相对较硬、上部相对较软;减弱力耦的扭曲作用,降低其变形程度。同时可以适当调整烧成曲线,避免早期变形。对于这种变形缺陷,仅简单地调节温度有时还不能取得很好的效果,尤其是在停炉较长时间后,再次烧窑时出现的变形,应检查各组烧嘴的煤气压力是否正常。

4结 论

在烧结过程中,当出窑制品出现烧成变形缺陷时,一定要仔细观察出窑制品变形的形状,深入分析其产生的规律性,从中查出导致变形的原因。在着手解决生产工艺问题时,一定要同时考虑各种影响因素,针对出现的缺陷,查找多方面的原因,同时结合陶瓷生产中的各个生产工序,进行相互联系的思考和研究。

参考文献

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[2] 石棋,李月明.建筑陶瓷工艺学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2007,08.

[3] 张云洪.陶瓷工艺技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

Distortion Defect of Ceramic Body During Sintering

Wu Tong

(Mechanism Engineering College,Qingyuan Polytechnic College,Qingyuan511510,China)

Abstract:With the increase of temperature,physical and chemical reactions occured in the ceramic body which caused the changes of volume and stress of the body,so different kinds of defects could easily appear duringsintering.In this paper,distortion defects during sintering were analysed and the corresponding solution was also brought forward.

Key Words:body;defect;sintering;kiln