問：陶瓷窯爐燒成氣氛對產(chǎn)品性能及產(chǎn)品缺陷有哪些影響？對燒成氣氛應(yīng)該怎樣控制？

答：1燒成氣氛的概念

陶瓷產(chǎn)品的燒成氣氛是指在燒制的過程中，窯爐內(nèi)的燃燒產(chǎn)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1.0%～1.5%的稱為中性氣氛；當(dāng)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(chǎn)中，采用何種氣氛制度來燒制陶瓷產(chǎn)品，要根據(jù)產(chǎn)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(dāng)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，反之則適合于氧化氣氛燒成。

2 燒成氣氛對產(chǎn)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(yīng)速度、體積變化、晶粒尺寸與氣孔大小等，尤其對陶瓷制品的顏色、透光度和釉面質(zhì)量的影響更顯突出。

2.1 影響鐵和鈦的化合價

在實際生產(chǎn)中，當(dāng)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(tài)的Fe2O3使坯體顯黃色，當(dāng)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(dāng)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(yīng)生成鐵橄欖石并放出氧氣，其反應(yīng)如下：

反應(yīng)生成的氧氣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(yīng)避免用還原氣氛燒成，否則部分TiO2會變成藍(lán)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

3 燒成氣氛對產(chǎn)品缺陷的影響

陶瓷產(chǎn)品在燒成過程中會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如水分的蒸發(fā)，鹽類的分解，有機物、碳和硫化物的氧化，晶型的轉(zhuǎn)變，晶相的形成等。這些物理化學(xué)反應(yīng)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(dāng)，就會使陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)生各種缺陷，下面介紹最常見的幾種缺陷。

3.1 黑心

陶瓷產(chǎn)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(zhì)的還原物，致使坯體中間呈黑色或者灰色、黃色等現(xiàn)象。黑心缺陷的存在會影響陶瓷產(chǎn)品的強度、吸水率、色澤度等性能指標(biāo)。陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)生黑心缺陷的關(guān)鍵是有機物、碳化物、硫化物氧化不足，陶瓷產(chǎn)品在燒成過程的低溫階段發(fā)生有機物的分解和如下的氧化反應(yīng)：

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(yīng)就無法完全地進(jìn)行，C、FeS2和FeO等過多地殘留積聚在坯體內(nèi)而使坯體呈黑色、灰色、黃色。在實際生產(chǎn)中要消除產(chǎn)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(yīng)在預(yù)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(yīng)如下：

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(tài)的FeO就是很好的催化劑)。如果在低溫階段窯內(nèi)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(chǎn)品在燒成過程的低溫階段，除了發(fā)生前面所述的氧化反應(yīng)外，還伴隨著碳酸鹽的分解：

這些反應(yīng)的速度和完全程度都受到氣氛的影響，氧化氣氛充足時，反應(yīng)會快且進(jìn)行得更完全；反之，反應(yīng)速度變緩且不完全。當(dāng)燒成過程進(jìn)入高溫階段后，坯體出現(xiàn)液相，反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體無法自由排出坯體外，于是便出現(xiàn)針孔、氣泡等缺陷。

在低溫階段將坯體內(nèi)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1 300 ℃以上才能進(jìn)行分解，但是在這樣高的溫度區(qū)域，坯體已經(jīng)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(nèi)，形成氣泡缺陷。為解決這一問題，在高溫前(1 000 ℃左右)要將燒成氣氛控制為還原氣氛，讓Fe2O3及硫酸鹽類發(fā)生如下還原分解：

3.3 色差

陶瓷產(chǎn)品的色差是指單件產(chǎn)品的各部位或單件(批)產(chǎn)品之間的呈色深淺不一的現(xiàn)象。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(jié)過程中燒成氣氛的不同會影響到鐵、鈦存在的價數(shù)，不同價數(shù)的鐵、鈦會有不同的呈色，當(dāng)燒成氣氛不穩(wěn)定時，坯體的呈色相應(yīng)改變，從而形成產(chǎn)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(zhuǎn)變成藍(lán)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(yīng)式如下：

4 燒成氣氛的控制

燒成氣氛的控制受到窯爐結(jié)構(gòu)和設(shè)備配置的限制，比如風(fēng)機風(fēng)量的大小，風(fēng)管直徑的大小，排煙口、抽熱口、抽濕口位置的設(shè)置等，都會影響到燒成氣氛的控制。但是，最關(guān)鍵的還是穩(wěn)定壓力制度和合理操作燃燒器。

4.1 穩(wěn)定壓力制度

壓力變化會影響到氣體的流動狀態(tài)，因此窯內(nèi)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(wěn)定好壓力制度，而穩(wěn)定壓力制度的關(guān)鍵在于控制好零壓面。在窯爐預(yù)熱帶，因要排走水分和燃燒時產(chǎn)生的煙氣，故壓力相對比窯外環(huán)境的低，對比之下窯內(nèi)氣壓處于負(fù)壓狀態(tài)，在冷卻帶要鼓入冷空氣使制品冷卻，壓力相對比窯外環(huán)境的高，對比之下窯內(nèi)氣壓處于正壓狀態(tài)在正負(fù)壓之間有一零壓面，燒成帶就處在預(yù)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(dāng)零壓面位于燒成帶前段，處于燒成帶與預(yù)熱帶之間時，燒成帶的氣壓為微正壓狀態(tài)，氣氛為還原氣氛；當(dāng)零壓面位于燒成帶的后端時，燒成帶處于微負(fù)壓狀態(tài)，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(nèi)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(chǎn)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(xiàn)；當(dāng)燃料不完全燃燒時，燃燒產(chǎn)物中存在一些游離C及CO、H2、CH4等，使窯內(nèi)氣氛呈還原性。要使燃料完全燃燒，須注意以下3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，并保持一定量的過剩空氣；

3)確保燃燒過程在較高的溫度下進(jìn)行。

5 實際生產(chǎn)中燒成氣氛的調(diào)整

對于上述穩(wěn)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，以下是最常出現(xiàn)的問題。

5.1 為了提高燒成溫度而改變空氣過剩系數(shù)

多數(shù)企業(yè)為了追求單窯產(chǎn)量的最大化，不斷地加快燒成速度，縮短燒成周期。而操作工最常采用的手段就是加大燃料供應(yīng)量，但燃料供應(yīng)量增加后往往沒有及時調(diào)節(jié)助燃空氣的供應(yīng)量和助燃風(fēng)機總閘的調(diào)節(jié)，造成燒成氣氛由氧化氣氛變?yōu)檫€原氣氛。

5.2 為解決預(yù)熱帶出現(xiàn)的缺陷而改變其氣氛

一些操作工為了降低預(yù)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(yù)熱帶的氧化氣氛減弱，如果控制不當(dāng)容易造成前爐燃燒狀態(tài)不良，使氣氛出現(xiàn)波動。

5.3 為解決冷卻帶出現(xiàn)的缺陷而改變冷風(fēng)量

這樣操作不僅影響到全窯壓力制度，而且會使氣氛發(fā)生變化。比如加大冷風(fēng)，容易使零壓面向預(yù)熱帶移動，反之零壓面又會向冷卻帶方向移動，這些變化都會使氣氛發(fā)生改變。為了穩(wěn)定壓力，必須相應(yīng)調(diào)節(jié)抽熱閘的開度，以平衡全窯的氣體進(jìn)出量，穩(wěn)定零壓面。