陶瓷坯体螺旋挤出成形的螺旋纹缺陷及其解决途径

摘要 本文详细地分析了陶瓷坯体螺旋挤出成形时螺旋纹缺陷的产生原因，并提出了解决陶瓷坯体螺旋纹缺陷的有效途径。

关键词 螺旋纹缺陷，产生原因，解决途径

1前 言

目前，真空挤压成形机是陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖（又称劈离砖或劈裂砖）、污排水陶管和窑具等制品塑性挤出成形的关键设备。可塑性陶瓷泥料（以下简称泥料）经真空挤压成形机处理后，其物料分布趋于均匀，结构更加紧密，可塑性得到最大限度地提高，并成形为具有一定形状尺寸、机械强度较大、致密度较高、含水率较低及表面平整光洁的陶瓷坯体。但在后续的干燥过程中，坯体易产生螺旋纹缺陷（螺旋形裂纹――俗称“S”形缺陷），严重影响制品的质量。所以说，研究和探讨陶瓷坯体螺旋挤出成形时螺旋纹缺陷的产生原因及其解决途径，对于提高陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等产品的质量及企业的经济效益都具有深远而重要的意义。

生产实践表明，陶瓷坯体螺旋纹缺陷的产生通常与原料的组成、物理化学性能、含水率、物料颗粒级别及其级配比例、泥料陈腐处理时间、坯体干燥工艺参数的选用及真空挤压成形机的结构特点等许多因素有关。为此，本文在原料的组成及含水率的适宜范围、物料颗粒级别及其级配的合理比例、泥料陈腐的处理时间和坯体干燥工艺参数的合理选用条件下，研究和探讨陶瓷坯体螺旋纹缺陷的产生原因及其解决途径。

2螺旋纹缺陷的产生原因

在陶瓷坯体的螺旋挤出成形生产过程中，通常造成坯体螺旋纹缺陷的原因主要有以下几方面：

2.1 机头内腔过流截面的突然增大

事实上，由最末端挤泥绞刀（也称挤泥螺旋或挤泥螺旋绞刀）进入机头内腔的泥料总是呈空间螺旋带状的结构。由于最末端挤泥绞刀（因其离真空室的距离最远，故称为最末端挤泥绞刀）的轴毂直径既没有逐渐缩小也没有伸入机头内腔，因此，空间螺旋带状的泥料进入机头时，因挤泥绞刀轴毂直径的突然消失，导致机头内腔过流截面的突然增大，结果促使泥料形成螺旋形空洞。虽然，在最末端挤泥绞刀的作用下，泥料的螺旋形空洞经机头的逐渐挤压紧密后最终消失，重新结合成一个整体并以“相同”的速度从机嘴（也称成形模具）挤出成形为陶瓷坯体。但因螺旋带状泥料重新结合时不够紧密，当坯体干燥时，因收缩的不均匀等原因造成坯体断面（垂直于坯体挤出方向的截面），从而产生螺旋纹缺陷。

2.2 机头和机嘴内腔工作表面的摩擦阻力

在最末端挤泥绞刀的作用下，泥料经机头和机嘴挤出成形为陶瓷坯体的生产过程中，由于泥料与机头和机嘴工作表面的摩擦阻力等作用，导致挤出成形时，坯体的中部挤出成形阻力较小，挤出速度较快；而坯体周边部分的挤出成形阻力较大，挤出速度较慢。显然挤出速度较快与挤出速度较慢的部位将依次产生位移，并表现为泥料的分层剪切运动。结果坯体干燥时，因收缩的不均匀等原因造成坯体断面（垂直于坯体挤出方向的截面），从而产生螺旋纹缺陷。

2.3 物料颗粒的定向排列

由于制作陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等制品的泥料中不可避免地含有片状和（或）针状结构的高岭土和（或）云母类矿物颗粒等，那么在坯体的螺旋挤出成形过程中，为了减少成形阻力，这些片状和（或）针状结构的高岭土和（或）云母类矿物颗粒总是以其长轴平行于挤出方向来实现物料颗粒的互相移近靠拢和密实成形，从而造成物料颗粒的定向排列。显然坯体干燥时，因收缩的不均匀等原因造成坯体断面（垂直于坯体挤出方向的截面），从而产生螺旋纹缺陷。

2.4 真空度偏低

在制作陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等制品的泥料中，有塑性物料颗粒（如：高岭土等）、瘠性物料颗粒（如：石英等）、水以及分布在这些物料颗粒之间和水中的气体，气体可以看作是使陶瓷坯体挤出成形过程复杂化的因素。若真空挤压成形机的真空度太低，那么泥料中的气体不易排除或排除不完全，导致混杂在泥料中的气体阻碍物料颗粒的互相移近靠拢和密实成形。最终表现为坯体干燥时，因收缩的不均匀等原因造成坯体断面（垂直于坯体挤出方向的截面），从而产生螺旋纹缺陷，严重时甚至造成坯体的变形和开裂等缺陷。

3陶瓷坯体螺旋纹缺陷的解决途径

虽然在陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等坯体螺旋挤出成形的生产过程中，造成坯体螺旋纹缺陷的原因多种多样，其解决途径也千变万化，但归纳起来不外乎是以下几方面：

3.1 真空挤压成形机

3.1.1 应优先采用三轴卧式真空挤压成形机

从理论上讲，真空挤压成形机按坯体的挤出方位可分为立式真空挤压成形机和卧式真空挤压成形机，但因切坯等原因，目前广泛应用的真空挤压成形机都是卧式真空挤压成形机。卧式真空挤压成形机按绞刀轴的多少通常可分为：单轴真空挤压成形机（搅泥绞刀和挤泥绞刀安装于同一主轴上）、双轴真空挤压成形机（上部一根搅泥轴、下部一根挤泥轴）和三轴真空挤压成形机（上部两根搅泥轴、下部一根挤泥轴）。三轴卧式真空挤压成形机工作时，上部两搅泥轴分别驱动左旋绞刀、右旋绞刀逆向旋转，实现对泥料的强制破碎、搅拌、揉练及混合均匀，确保坯体各向同性，达到最大限度地减少坯体的螺旋纹缺陷。目前国内外广泛应用的真空挤压成形机几乎都是三轴卧式真空挤压成形机，也正是由于这个原因。

3.1.2 采用直径逐渐缩小的流线型轴毂的最末端挤泥绞刀

在坯体的挤出成形过程中，采用沿挤出方向轴毂直径逐渐缩小的流线型（如：圆锥型和圆球形等）轴毂的最末端挤泥绞刀，能促使进入机头的泥料迅速填满机头内腔各部位，从而达到减弱和（或）消除泥料形成螺旋形空洞的作用，有利于泥料的紧密结合和物料颗粒的均匀分布，从而减少坯体的螺旋纹缺陷。

3.1.3 采用前倾型叶片的最末端挤泥绞刀

在绞刀的轴向剖面内，若绞刀叶片垂直于坯体的挤出方向，则称为垂直型叶片绞刀；若绞刀叶片与挤出方向的夹角β＞90°，则称为后倾型叶片绞刀，其后倾角为(β－90°)；若绞刀叶片与挤出方向的夹角γ＜90°，则称为前倾型叶片绞刀，其前倾角为(90°－γ)。垂直型叶片绞刀对泥料的挤压和推进（输送）等作用较大，推泥（挤泥）效率最高，实践生产中应用非常广泛，因此，真空挤压成形机的搅泥绞刀和挤泥绞刀通常采用垂直型叶片绞刀；而后倾型叶片绞刀则加剧泥料的回流（也称返流），造成泥料的发热和产量的减少等不利影响，实际生产中很少采用后倾型叶片绞刀；至于前倾型叶片绞刀能促使泥料移向绞刀轴的中心处，特别适宜采用最末端挤泥绞刀，有利于泥料填满机头内腔各部位及泥料的紧密结合，从而减少坯体的螺旋纹缺陷。但前倾角不能太大，通常应小于3°～5°，否则，坯体中心部分的挤出速度太快，造成泥料剧烈的分层剪切运动，反而加速坯体的螺旋纹缺陷。

3.1.4 采用多线螺旋绞刀的最末端挤泥绞刀

由于单线螺旋绞刀输送泥料的脉动性，导致绞刀轴的不均匀受力，特别是处于悬臂结构的挤泥轴极易弯曲变形而影响陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等制品的产品质量。若最末端挤泥绞刀采用双线、三线甚至四线螺旋绞刀，能最大限度地改善挤泥轴的受力状态，促使挤泥轴趋于均匀承受轴向力的作用，从而增加挤泥轴的刚性，提高真空挤压成形机的工作可靠性。更重要的是，双线、三线甚至四线螺旋绞刀的最末端挤泥绞刀，能将真空室（也称抽气室）内单线螺旋绞刀输送的泥料均匀地分成两部分、三部分甚至四部分同时进入机头内腔，减少了泥料的脉动性，确保泥料的均匀结合，有利于减少坯体的螺旋纹缺陷。

3.1.5 采用适宜螺旋升角的绞刀

螺旋升角是绞刀的重要参数之一，它决定了绞刀的外缘直径、轴毂直径和导程（螺距的整数倍）之间的关系。通常螺旋升角较大的绞刀能对泥料产生较大的破碎、搅拌、混合及输送等作用，但对泥料的揉练作用较差，因此所得的泥料可塑性差，不利于坯体的塑性挤出成形，并且驱动绞刀轴旋转所消耗的电机功率较大。反之，螺旋升角较小的绞刀对泥料的揉练作用较大，有利于泥料的均匀混合和提高泥料的可塑性，易于获得高质量的陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具坯体。对目前广泛应用的三轴卧式真空挤压成形机而言，搅泥绞刀螺旋升角可采用15°～25°[1]，挤泥绞刀（包括最末端挤泥绞刀）螺旋升角可采用10°～14°[1]，有利于减少坯体的螺旋纹缺陷及获得较小的单位产量功率消耗。

3.1.6 采用阻转棒和阻转筛板等装置

由于最末端挤泥绞刀送入机头内腔的泥料总是呈空间螺旋带状结构，若泥料在进入机头内腔的入口处设置阻止泥料因惯性作用跟随最末端挤泥绞刀旋转的装置，如：阻转棒和阻转筛板等，能有效地减弱和（或）消除泥料的旋转运动，使之成为一个整体，并以相同的轴向速度挤向机嘴，从而达到减少坯体螺旋纹缺陷的目的。

3.1.7 采用适宜轴向长度尺寸的机头和机嘴

通常机头和机嘴的轴向长度尺寸越大，坯体的挤出成形阻力就越大，虽然所得坯体的致密度较高、机械强度较好，但单位产量的功率消耗急剧增大，并且坯体挤出成形非常困难，易产生螺旋纹缺陷，坯体质量反而较差。反之，机头和机嘴的轴向长度尺寸越小，坯体的挤出成形阻力就越小，坯体易于挤出成形，但坯体的致密度差，又易于变形反而影响坯体的成形质量，同样也是不可取。因此实践生产中，须配备一定数量的轴向长度尺寸不同的机头和机嘴，可有效地减少坯体的螺旋纹缺陷，从而最大限度地降低单位产量的功率消耗。

3.1.8尽量提高绞刀、输泥筒、机头和机嘴等工作表面的光滑平整度

在坯体的螺旋挤出成形过程中，泥料与绞刀、输泥筒（也称机壳）、机头和机嘴等工作表面频繁接触及剧烈摩擦，易造成泥料发热，加剧泥料的返流，降低真空挤压成形机的产量；更重要的是，泥料的发热加剧了物料颗粒的定向排列，结果坯体易产生螺旋纹缺陷。因此，我们可通过精密铸造及打磨抛光绞刀、输泥筒和机头等非加工工作面的措施，努力提高绞刀、输泥筒、机头和机嘴等工作表面的光滑平整度，减少坯体的螺旋纹缺陷。

3.1.9 确保挤泥绞刀、输泥筒、机头和机嘴的安装同轴度

通常挤泥绞刀（包括最末端挤泥绞刀）、输泥筒、机头和机嘴的安装同轴度好，泥料挤出成形的阻力就越小，便于各物料颗粒的互相移近靠拢及密实成形，有利于减少坯体的螺旋纹缺陷。因此，我们设计制造和选用真空挤压成形机时，应确保真空室、输泥筒、机头和机嘴之间轴向接触面的平行度以及圆柱定位面之间的同轴度在规定的范围内，同时还应确保真空室轴承箱、挤泥轴、挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀之间轴向接触面的平行度以及圆柱定位面之间的同轴度在规定的范围内，并充分发挥其密封作用。

3.2 操作使用

3.2.1 均匀加泥

由于胶带输送机通常具有中间堆料多两侧堆料少的弊病，因此，虽然采用胶带输送机对真空挤压成形机喂料，也不能实现均匀喂料。若在真空挤压成形机加料口的正上方设置一料箱，通过控制料箱底部闸板的开口大小便能实现对真空挤压成形机的均匀加泥。均匀加泥是获得混合均匀的泥料的前提条件，它不但提高了真空挤压成形机的工作可靠性，而且还有利于减少坯体的螺旋纹缺陷。

3.2.2 适宜的真空度

制作陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等制品所使用的原料，在制备成泥料的生产过程中总是携有大量的气体。气体在泥料中常以以下三种状态存在，即溶解在水中、以气泡的形式存在于水和各物料颗粒之间以及自由状态。其中前两种状态比较多，最后一种状态比较少。在坯体的挤出成形生产过程中，以气泡的形式存在于水和各物料颗粒之间的气体与溶解在水中的气体共同作用，阻碍各物料颗粒的变形、互相移动、靠拢以及密实成形，导致坯体一旦离开机嘴后因受压缩气体的作用立即膨胀，造成坯体的膨胀变形甚至开裂。在坯体的挤出成形生产过程中，须利用抽真空装置（真空泵）去除泥料中混杂的气体，促进各物料颗粒易于变形、互相移动、靠拢以及密实成形。若真空挤压成形机获得的真空度太低，如低于0.09MPa，那么抽真空装置不足以排除泥料中混杂的气体或混杂气体排除很少，结果混杂气体的泥料挤出成形时，因物料分布的不均匀，干燥过程中易产生螺旋纹等缺陷，变形较大甚至开裂，会严重影响制品的质量。只有当真空挤压成形机获得的真空度高于0.09MPa，抽真空装置才能克服泥料的阻力，可靠地排除泥料中混杂的气体，促使泥料的可塑性得到最大限度的提高，迫使泥料揉练混合均匀及物料分布趋于均匀，有利于减少坯体的螺旋纹等缺陷及提高制品的产品质量。

3.2.3 适宜的绞刀轴转速

绞刀轴转速也是真空挤压成形机的重要参数之一，它决定了陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等制品的质量、生产量及功率消耗等技术指标。事实上，真空挤压成形机所处理的泥料总是具有适宜的粘性，因此工作时，泥料总会不同程度地粘接在绞刀轴毂附近而成为随绞刀轴旋转而无轴向移动的“旋转泥”，结果“旋转泥”又加剧坯体产生螺旋纹等缺陷，特别是绞刀轴的转速较高时，这种现象更为明显。因此，减少或消除“旋转泥”产生的有效途径是降低绞刀轴的转速，达到减弱或消除泥料跟随绞刀轴旋转，迫使泥料紧密结合成为一个整体并以相同的轴向速度移向机嘴。同时，实践也表明，当绞刀外缘处的线速度在0.8～1m/s时，能有效地减少坯体的螺旋纹缺陷，并且此时制品的单位产量功率消耗又较低。

3.2.4 绞刀与输泥筒之间的适宜间隙

由于制作陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等制品的泥料须含有适量的石英等瘠性物料颗粒，因此在坯体的挤出成形过程中，由于石英等瘠性物料颗粒非常坚硬，它们将刺入和刻划绞刀和输泥筒等工作表面，严重磨损绞刀和输泥筒等工作表面。因此，真空挤压成形机工作一段时间后，挤泥绞刀和输泥筒之间的间隙将明显增大。同时，由于挤泥绞刀和输泥筒之间的间隙是泥料由机头返回真空室的通道，挤泥绞刀和输泥筒之间的间隙的增大将迫使大量泥料由机头经挤泥绞刀和泥缸之间的间隙返回真空箱，一方面，造成真空挤压成形机产量的急剧降低及单位产品功率消耗的急剧增大；另一方面，导致泥料温度的急剧升高，从而加剧物料颗粒的定向排列，造成坯体产生螺旋纹缺陷。但挤泥绞刀和输泥筒之间须产生相对运动以及便于加工制造，因此挤泥绞刀和输泥筒之间须采用适宜的间隙，常为3～5mm。通常若挤泥绞刀和输泥筒之间的间隙增大到15～20mm时，应及时更换磨损了的挤泥绞刀和输泥筒或通过堆焊磨损处并打磨抛光焊缝表面等措施，促使挤泥绞刀和输泥筒之间的间隙处于正常状态，即3～5mm，这样有利于减少坯体的螺旋纹缺陷，从而提高产品质量及企业的经济效益。

4结论

陶瓷辊棒、陶瓷柱塞、劈开砖、污排水陶管和窑具等陶瓷坯体螺旋挤出成形的螺旋纹缺陷及其解决途径是目前世界范围内陶瓷生产企业及陶瓷科技工作者共同关注的课题。我们认为在坯体的原料组成、物理化学性能及适宜的含水率、颗粒级别及其级配的合理比例，泥料的陈腐处理得当及坯体的干燥工艺参数合理的条件下，应优先采用适宜的螺旋升角（搅泥绞刀选用15°～25°，挤泥绞刀及最末端挤泥绞刀选用10°～14°）、适宜的绞刀轴转速（绞刀外缘处的线速度在0.8～1m/s）及绞刀与输泥筒间隙适宜（3～5mm）的三轴卧式真空挤压成形机；同时还应采用轴毂直径沿挤出方向逐渐缩小的流线型（如：圆锥型和圆球形等）轴毂的双线、三线甚至四线螺旋绞刀的前倾型叶片的最末端挤泥绞刀；并在机头内腔泥料的入口处设置阻止泥料因惯性跟随最末端挤泥绞刀旋转的阻转棒及阻转筛板等装置。此外还应确保挤泥绞刀（包括最末端挤泥绞刀）、输泥筒、机头和机嘴的同轴度以及尽量提高绞刀、输泥筒、机头和机嘴等工作表面的光滑平整度，并作好真空挤压成形机的维修保养、均匀加泥及抽真空装置的密封等工作；及时观察真空挤压成形机真空室的真空计读数，使其大于0.09MPa；绞刀、输泥筒、机头和机嘴等工作表面磨损后应及时更换或通过堆焊磨损处并打磨抛光焊缝表面等措施，促使挤泥绞刀和输泥筒之间的间隙处于正常状态，即3～5mm。只有这样，才能减少泥料与绞刀、输泥筒、机头和机嘴等工作表面的摩擦阻力，促使泥料的可塑性得到最大限度的提高，紧密结合成为一个整体，并以相同的轴向速度移向机嘴，最终挤出成形为具有一定形状尺寸、机械强度较大、致密度较高、含水率较低及表面平整光洁的陶瓷坯体。

参考文献

1 蔡祖光.真空挤压成形机螺旋升角的选用[J].中国建材,2002,10

2 蔡祖光.真空挤压成形机使用时应注意的问题[J].佛山陶瓷,2007,7