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陶瓷制品在燒成過程中因熱應力而損壞的原因有哪些?如何避免?

以自清潔陶瓷中衛生陶瓷的燒成為例,我們采用隧道窯快速燒成技術。隧道窯是壹種反向水平流動的橫焰陶瓷加熱設備。隧道窯中的產品要依次經過預熱帶、燒成帶、急冷帶、緩冷帶和急冷帶(如圖5所示)。為了保證隧道窯各帶溫度分布的均勻性,盡可能縮短其燒成周期,應在改進坯釉配方的基礎上,改進燒成方法,使窯截面低而平,並優化衛生陶瓷產品的形狀和結構設計,以保證快速燒成過程中的產品質量。

圖5快燒隧道窯的結構和氣流示意圖。

5.1綠色釉燒成過程中的物理化學變化

青釉的燒制是壹個從量變到質變的復雜過程。在整個燒制過程中,釉料在窯中經歷溫度和氣氛的變化,同時伴隨著重量損失、收縮以及密度、顏色、強度和硬度等物理性質的變化,經歷顯著的質變和化學變化。根據青釉燒成過程中物理化學變化的特點,可將燒成組成分為五個階段,如表6所示。

表6釉坯在燒成過程中的物理化學變化

階段名稱溫度範圍的主要功能

物理變化,化學變化

低溫階段在室溫~300℃除去機械水和吸附水,減輕了重量,增加了孔隙率。

在氧化分解階段,重量在300~1000℃時減少(1)

(B)孔隙率增加

(3)硬度和機械強度的增加(1)氧化反應:

1.碳和有機物氧化;2.硫化鐵的氧化

(2)分解反應:

1.結晶水的分解和消除;2.碳酸鹽分解;3.硫酸鹽分解;4.氫氧化鐵的分解

(3)晶體轉變:

1.應時的晶體轉變;

2.氧化鋁的晶體轉變

在玻璃化和成瓷過程中,強度在1000℃時增加(1)

(2)孔隙率下降直至最小值。

(3)體積縮小,相對密度增加。

(4)顏色變白(1)繼續氧化和分解(主要是碳和硫酸鹽)

(2)固相熔化形成液相

(三)新晶體——莫來石的形成

(4)將高價鐵還原成低價鐵,並在還原氣氛下燒結的制品中形成低鐵矽酸鹽。

保持燒成溫度在高溫保溫階段(1)玻璃相進壹步增多,莫來石晶體進壹步發育長大。

(2)晶體擴散,固相和液相分布更加均勻

冷卻階段的燒結溫度~室溫(I)液相凝固

(2)亮度和光澤度增加。

(3)隨著硬度和機械強度增加的應時晶體轉變:

1.當冷卻到573℃時,α-應時→β-應時。

2.當冷卻到270℃時,α平方應時→β平方應時。

5.2點火系統

5.2.1快燒隧道窯橫截面溫度分布及其平衡

通常預熱帶至燒結帶的過渡溫度為900 ~ 950℃,然後窯內傳熱方式為對流傳熱和輻射傳熱兩種。當高溫帶窯溫差超過65438±05℃時,可能會造成橘色釉、針孔、釉泡和變形,因此更有必要在燒成帶采取必要的溫度平衡。為了減小燒成帶的溫差,首先要確定合適的燒成窯斷面結構。為使窯壁熱輻射與頂焰互補,上燒嘴的最佳位置應選在窯頂與燒成品上緣之間,並通過改進燒嘴結構避免窯內局部溫度升高。

5.2.2快燒隧道窯急冷段的溫度分布及其平衡

從燒成溫度到800℃,由於坯體中的液相仍處於熱塑性狀態,可以實施快速冷卻。這樣既可以防止坯體中液相結晶和晶體生長影響制品的力學性能,又可以防止制品因釉面結晶而失去光澤,同時滿足快速燒成的需要,縮短燒成周期[6]。但如果急冷速度過快,窯內局部溫度過低,溫差過大,可能導致窯內不同部位的產品或不同部位的產品結晶程度不同。如果淬火速度過快,可能會超過窯具所能承受的冷卻應力極限,影響窯具的使用壽命。為了防止淬火區的溫差過大,可采取以下措施:

l)由於急冷區的傳熱主要是對流傳熱,它有壹個類似於預熱區的窯段,在隧道窯的急冷區設置“屏障”有助於抑制高溫燒結區的熱輻射。

2)通過設置在產品上方和下方的多個噴孔,橫向於淬火區吹冷風或低溫熱風,可以達到預期的淬火效果。但為了避免窯內局部過冷,應註意噴嘴的合理選擇及其結構和形狀的設計。

3)在窯體的急冷區設置分散可變的熱風抽取系統,可以減少熱風向燒成區的流動,有利於窯段的溫度分布。

5.2.3快燒隧道窯緩冷帶和終冷帶的溫度分布及其平衡

當制品冷卻到800℃以下時,坯體中的液相已基本凝結成脆性固態,失去熱塑性,制品只能靠彈性抵抗熱應力;尤其是衛生陶瓷制品,當冷卻到573℃時,會發生應時晶型轉變,導致坯體發生急劇變化(體積收縮),產生壹定的破壞應力。因此,在常規燒成階段應采用緩冷工藝。而在衛生陶瓷快速燒成的冷卻階段,如果坯體內部的溫度分布更加均衡,產品就會安全快速地度過這個關鍵階段。為了縮短冷卻時間並確保窯冷卻帶部分的溫度分布均衡,可采取以下措施:

l)在冷卻帶的初始階段,為了減少自然提升對熱氣流分布和截面溫度均勻性的影響,窯頂可設計成低平的小間隙懸頂結構。

2)快速冷卻後緩慢均勻冷卻(如圖5所示)有利於應時晶型轉變的順利完成。

3)在冷卻帶中後期,增加了上下冷風鼓風機和熱風抽氣裝置(如圖5所示),不僅有利於斷面溫度均勻,而且有利於快速燒結。

5.2.4快燒隧道窯對裝窯方式、窯車臺面結構和窯具的要求。

關於料堆的堆放,原則上應盡量減小料堆與窯頂、窯壁和窯車臺面之間形成的料堆中的外軌道與內通道之比[7]。首先要省略平頂以減少頂部的外通道,然後通過合理堆放產品來減少頂部的空隙,從而優化裝窯密度。也可采用“上密下疏”的包裝方式,熱容量大的產品可放在上部,減少上下溫差。窯車平臺結構應采用輕質或中空、耐熱、隔熱材料,窯具應采用抗熱震性好、負荷軟化溫度高的輕質薄壁耐火材料,窯具與產品的質量比應控制在2.0以內。