无机非金属课件：第十二章　烧成.ppt

1、第十二章烧成第十二章烧成12.1烧成过程中的物理化学变化烧成过程中的物理化学变化12.1.1低温阶段（干燥）低温阶段（干燥） 排除坯体内残余水分（排除坯体内残余水分（2%），温度），温度350C） C碳素碳素+O2CO2（600C） S +O2SO2 (250920C) 铁的硫化物氧化铁的硫化物氧化 (此阶段应全部氧化成此阶段应全部氧化成Fe2O3)FeS2+O2 FeS+SO2 (350 450C)4FeS+7O2 2 Fe2O3+4SO2 (500 800C)2. 分解反应分解反应 结构水的分解、排除结构水的分解、排除(一般起始温度为一般起始温度为200 300C)高岭土高岭土 Al2O3

2、.2SiO2.2H2O Al2O3.2SiO2 + 2H2O (400 600C) 碳酸盐的分解碳酸盐的分解MgCO3(500 850C)、CaCO3 (850 1050C)、FeCO3 (800 1000C)、 MgCO3.CaCO3 (730 950C) 硫酸盐的分解硫酸盐的分解Fe2(SO3)3 Fe2O3+3 SO2 (560 750C)MgSO4 MgO+ SO3 (900C，氧化焰，氧化焰) 粘土矿物因其类型、结晶完粘土矿物因其类型、结晶完整程度和颗粒度的不同，排整程度和颗粒度的不同，排除结构水的温度也有所差别。除结构水的温度也有所差别。 高岭土高岭土 450-650 珍珠陶土珍珠

3、陶土 500-700 蒙脱石蒙脱石 500-750 伊利石伊利石 400-650 叶蜡石叶蜡石 600-750 瓷石瓷石 450-700 3.石英多晶转化和少量液相生成石英多晶转化和少量液相生成中温阶段条件控制中温阶段条件控制控制升温速度，以保证有足够的氧化分解反应时间；控制升温速度，以保证有足够的氧化分解反应时间；加强通风；加强通风；保持良好的氧化气氛。保持良好的氧化气氛。12.1.3 高温阶段高温阶段(玻化成瓷玻化成瓷) 烧成气氛：烧成气氛： 氧化焰和还原焰两种气氛氧化焰和还原焰两种气氛 还原焰烧成过程中的物理化学变化还原焰烧成过程中的物理化学变化1)氧化保温阶段氧化保温阶段 温度温度 釉

4、面始熔前釉面始熔前150C (10001100C) 时间时间 与烧成温度、窑内温差、升温速度、坯体厚度与烧成温度、窑内温差、升温速度、坯体厚度和密度有关。和密度有关。2)强还原阶段强还原阶段 气氛气氛 CO(3%6%)，CO2(12% 17%)，游离氧，游离氧(0 1%)，空气过剩系数约为空气过剩系数约为0.9。强还原作用强还原作用 使使Fe2O3还原成还原成FeO；Fe2O3 +CO FeO + CO2 (10001100C) 2Fe2O3 4 FeO +O2 (12501370C，还原焰为，还原焰为10801100C)FeO + SiO2 FeSiO3 (1150C) 使硫酸盐在较低温度下

5、分解。使硫酸盐在较低温度下分解。Na2SO4 Na2O+SO3 (12001370C还原焰为还原焰为10801100C)CaSO4+CO CaSO3+CO2 (10801100C)CaSO3 CaO+SO2C+CO2 2CO (1100C)3)弱还原阶段弱还原阶段气氛：气氛：CO(1.0%2.5%) ,空气过剩系数为空气过剩系数为0.95。温度：约为温度：约为1250C。4)高温阶段条件控制高温阶段条件控制 控制升温速度，二个气氛转换点温度要准确；控制升温速度，二个气氛转换点温度要准确； 控制还原气氛的浓度；控制还原气氛的浓度； 减小窑内温差。减小窑内温差。 此阶段发生的物理化学变化此阶段发生

6、的物理化学变化l、氧化分解阶段进行不彻底的反应继续进行。、氧化分解阶段进行不彻底的反应继续进行。 2. 熔融长石与低共熔物，构成瓷坯中的玻璃相。熔融长石与低共熔物，构成瓷坯中的玻璃相。3. 在高温作用下，一次莫来石、二次莫来石的形成在高温作用下，一次莫来石、二次莫来石的形成 4. 由于玻璃相及莫来石的生成，制品强度增加，气孔率减少，由于玻璃相及莫来石的生成，制品强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩，强度、硬度增大。坯体急剧收缩，强度、硬度增大。 5. 釉料熔融成为玻璃体。釉料熔融成为玻璃体。12.1.4 保温阶段保温阶段 烧结范围宽的坯料，可适当提高止火温度，减少保烧结范围宽的坯料，可适当提高止

7、火温度，减少保温时间。烧结范围窄的坯料则相反；温时间。烧结范围窄的坯料则相反； 窑内温差大时延长保温时间；窑内温差大时延长保温时间； 装窑密度大时减少保温时间。装窑密度大时减少保温时间。12.1.5 冷却阶段冷却阶段1)急冷：最高烧成温度急冷：最高烧成温度-850C，冷却速度，冷却速度150-300C/h。缩短烧成周期；缩短烧成周期；防止液相析晶和晶粒长大；防止液相析晶和晶粒长大；防止低价铁的再度氧化。防止低价铁的再度氧化。2)缓冷：缓冷：850C-400C，冷却速度，冷却速度40-70C/h。3)快冷：快冷：400C-室温，冷却速度室温，冷却速度100 C/h。发生的物理化学变化发生的物理化

8、学变化 l. 随着温度的降低，液相析晶，玻璃相物质凝固。随着温度的降低，液相析晶，玻璃相物质凝固。 2. 游离石英晶型转变。游离石英晶型转变。 在573-石英转变为-石英，体积收缩0.82%。270时，-方石英转变为-方石英，体积收缩2.8%。 (a)固相烧结(Al2O3)和(b)液相烧结样品 (98W-1Ni-1F2(wt%)的显微结构 12.1.5瓷胎的显微结构瓷胎的显微结构 长石质瓷胎的显微结构长石质瓷胎的显微结构 玻璃相（玻璃相（40%60%）：）： 长石玻璃。在长石玻璃中交织有粗大的针状莫来长石玻璃。在长石玻璃中交织有粗大的针状莫来石晶体；石晶体； 石英颗粒周围的高硅氧熔融玻璃层；石

9、英颗粒周围的高硅氧熔融玻璃层； 粘土分解产物区间内填充在细小莫来石晶体间的粘土分解产物区间内填充在细小莫来石晶体间的玻璃相。玻璃相。 晶体相晶体相(2050%)： 莫来石晶体、残余石英晶体莫来石晶体、残余石英晶体 气孔气孔烧成温度烧成温度 （） 相相 组组 成成 （% %） 气孔体积气孔体积 （% %） 玻璃相玻璃相 莫来石莫来石 石石 英英 1210121056569 932323 3127012705858636328282 2131013106161151523231 1135013506262101019191 112.2烧成设备烧成设备12.2.1烧成设备的分类烧成设备的分类 所用燃

10、料不同所用燃料不同 制品与火焰接触与否制品与火焰接触与否 烧成作用烧成作用 烧成过程连续与否：间歇式和连续式烧成过程连续与否：间歇式和连续式烧结是在热工设备中进行的，这里热工设备指的是先烧结是在热工设备中进行的，这里热工设备指的是先进陶瓷生产窑炉及其附属设备。烧结陶瓷的窑炉类型很多，进陶瓷生产窑炉及其附属设备。烧结陶瓷的窑炉类型很多，同一种制品可在不同类型的窑内烧成，同一种窑也可烧结同一种制品可在不同类型的窑内烧成，同一种窑也可烧结不同的制品。不同的制品。本节将介绍常用的间歇式窑炉、连续式窑和辅助设备，本节将介绍常用的间歇式窑炉、连续式窑和辅助设备，如：电炉、电隧道窑以及电发热元件等。如：电炉

11、、电隧道窑以及电发热元件等。12.2.2间歇式窑间歇式窑12.2.2.1.12.2.2.1.间歇式窑炉间歇式窑炉 按其功能新颖性可分为电炉、高温倒焰窑、梭式窑和钟罩窑。按其功能新颖性可分为电炉、高温倒焰窑、梭式窑和钟罩窑。电炉电炉 电炉（电炉（electric furnace）是电热窑炉的总称。一般是通过）是电热窑炉的总称。一般是通过电热元件把电能转变为热能，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉等。电热元件把电能转变为热能，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉等。箱式电阻炉实物图（箱式电阻炉实物图（a）和）和炉体结构示意图（炉体结构示意图（b） 管式电阻炉实物图（管式电阻炉实物图（a）和炉体结构示意图（和炉体

12、结构示意图（b） 电弧感应加热炉（电弧感应加热炉（arc induction heating） 热量主要由电弧产生的电加热炉，用于人工合成云母、生产氧化铝空心球及硅酸铝耐火纤维优质保温材料等。电磁感应加热炉（电磁感应加热炉（magnetic induction heating） 由于电磁感应作用在导体内产生感应电流，而这种感应电流因为导体的电阻而产生热能的一种电炉。常利用感应炉研制氮化硅等。高温倒焰窑（高温倒焰窑（reverse flame kiln） 倒焰窑工作流程倒焰窑工作流程1-窑室；窑室；2-燃烧室；燃烧室；3-灰坑；灰坑；4-窑底吸火孔；窑底吸火孔；5-支烟道；支烟道；6-主烟道；主

13、烟道；7-挡火墙；挡火墙；8-窑墙；窑墙；9-窑顶；窑顶；10-喷火口喷火口梭式窑（梭式窑（drawer kiln） 梭式窑结构示意图梭式窑结构示意图1-窑室；窑室；2-窑墙；窑墙；3-窑顶；窑顶；4-烧嘴；烧嘴；5-升降窑升降窑门；门；6-支烟道；支烟道；7-窑车；窑车；8-轨道轨道钟罩窑（钟罩窑（bell kiln）该钟罩窑用于精细氧化铝陶瓷高温烧成。采取该钟罩窑用于精细氧化铝陶瓷高温烧成。采取窑罩升降式，密封性能特别好，可在窑罩下方窑罩升降式，密封性能特别好，可在窑罩下方出装产品而不受震动。窑内旋转气流，采取车出装产品而不受震动。窑内旋转气流，采取车下排烟方式，窑内温度非常均匀。采用富氧

14、燃下排烟方式，窑内温度非常均匀。采用富氧燃烧技术，升温快，节能效果明显。烧技术，升温快，节能效果明显。 序号序号项目项目技术参数及性能说明技术参数及性能说明1容积容积2.0立方立方2设计温度设计温度1750 3窑内温差窑内温差 5 4控温精度控温精度 25燃料燃料天然气天然气6烧嘴烧嘴高速调温烧嘴，高速调温烧嘴，4只只7燃烧方式燃烧方式富氧空气助燃富氧空气助燃8升降方式升降方式窑罩液压升降窑罩液压升降连续式窑连续式窑 连续式窑炉的分类方法有多种，下面按制品的输送连续式窑炉的分类方法有多种，下面按制品的输送方式可分为隧道窑、高温推板窑和辊道窑。方式可分为隧道窑、高温推板窑和辊道窑。 与传统的间歇

15、式窑相比较，连续式窑具有连续操作与传统的间歇式窑相比较，连续式窑具有连续操作性，易实现机械化，大大地改善了劳动条件和减轻了劳性，易实现机械化，大大地改善了劳动条件和减轻了劳动强度，降低了能耗等优点。动强度，降低了能耗等优点。隧道窑（隧道窑（tunnel kiln）辊道窑是电热式隧道窑的一种，只是传递烧结样品的传递系辊道窑是电热式隧道窑的一种，只是传递烧结样品的传递系统不是传统的窑车、推板，而是同步转动的陶瓷或金属辊棒。统不是传统的窑车、推板，而是同步转动的陶瓷或金属辊棒。每条辊子在窑外传动机构的作用下不断地转动；制品由隧道每条辊子在窑外传动机构的作用下不断地转动；制品由隧道的预热端放置在辊子上

16、，在辊子的转动作用下通过隧道的预的预热端放置在辊子上，在辊子的转动作用下通过隧道的预热带、烧成带和冷却带。热带、烧成带和冷却带。辊道窑（辊道窑（roller kiln）窑炉辅助设备窑炉辅助设备发热元件发热元件 电炉按炉温的高低可以分为低温电炉按炉温的高低可以分为低温（工作温度低于（工作温度低于700）、中温（工作）、中温（工作温度为温度为7001250）和高温（工作温）和高温（工作温度大于度大于1250）三类。炉温在）三类。炉温在1200以以下，通常采用镍铬丝、铁铬钨丝，炉温下，通常采用镍铬丝、铁铬钨丝，炉温为为13501200时采用硅碳棒；炉温为时采用硅碳棒；炉温为1600可采用二硅化钼棒为

17、电热体。可采用二硅化钼棒为电热体。元件的寿命取决于以下三个因素：元件的寿命取决于以下三个因素：正确的安装，控制合理的升温降温速率，元件的碰撞。正确的安装，控制合理的升温降温速率，元件的碰撞。常见硅钼棒形状常见硅钼棒形状 新型窑炉新型窑炉热压炉热压炉热压烧结热压烧结热压设备主要适用于那些考虑热压设备主要适用于那些考虑低扩散性或需要毛细管结构低扩散性或需要毛细管结构（机械性能、热性能和光性能（机械性能、热性能和光性能兼得）的材料，它们是不需要兼得）的材料，它们是不需要经过超高温获得高密度的材料。经过超高温获得高密度的材料。通过热压工艺不仅能够轻易的通过热压工艺不仅能够轻易的制造出各种常规形状（如片

18、装，制造出各种常规形状（如片装，圆柱体，长方体圆柱体，长方体)的工件，还能的工件，还能够通过优化设计，轻易的制造够通过优化设计，轻易的制造出其它复杂形状的产品。出其它复杂形状的产品。氮化硅氮化硅, Al2O3, TiC/TiN 和硅铝氧氮陶瓷和硅铝氧氮陶瓷(刀具刀具, 阀组件阀组件, 轴承轴承,耐摩擦件等耐摩擦件等).掺镧锆钛酸铅掺镧锆钛酸铅(PLZT) 和其它高性能陶瓷和其它高性能陶瓷 . 碳化硼碳化硼(B4C). SiC(+Al2O3)陶瓷刀具陶瓷刀具.温度：温度：2200 压力：压力：100bar 用于陶瓷产品的高温气压烧结用于陶瓷产品的高温气压烧结 高温高气压烧结材料的特性是首高温高气

19、压烧结材料的特性是首先在低压状态下进行烧结工艺，先在低压状态下进行烧结工艺，然后在常压下烧结材料达到疲劳然后在常压下烧结材料达到疲劳状态，最后是在高气压下烧结状态，最后是在高气压下烧结（结果是进一步的增加材料疲劳（结果是进一步的增加材料疲劳状态并迅速的消除材料中的应状态并迅速的消除材料中的应力）。因此在高温高气压烧结工力）。因此在高温高气压烧结工艺后，材料的各方面机械性能艺后，材料的各方面机械性能（硬度，强度，韧性等）都优于（硬度，强度，韧性等）都优于普通的烧结工艺。普通的烧结工艺。气压烧结气压烧结烧结氮化硅、硅铝氧氮陶瓷，经过此烧结氮化硅、硅铝氧氮陶瓷，经过此设备烧结后具有非常好的机械性能设

20、备烧结后具有非常好的机械性能（可用做刀具，涡轮增压器的转子及（可用做刀具，涡轮增压器的转子及应用于发动机等等）应用于发动机等等）. 放电等离子体烧结炉（放电等离子体烧结炉（SPS） 是利用放电等离子体进行是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态或特定激励下的一种物质状态,是是除固态、液态和气态以外除固态、液态和气态以外,物质的物质的第四种状态。等离子体是电离气第四种状态。等离子体是电离气体体,由大量正负带电粒子和中性粒由大量正负带电粒子和中性粒子组成子组成,并表现出集体行为的一种并表现出集体行为的一种准中性气体。准中性气体。 放电

21、等离子体烧结炉放电等离子体烧结炉结构陶瓷、多功能陶瓷、金属陶瓷结构陶瓷、多功能陶瓷、金属陶瓷金属间化合物：金属间化合物：TiAl, MoSi2, Si3Zr5, NiAl, NbCo, NbAl, LaBaCuSO4等离子体是解离的高温导电气体等离子体是解离的高温导电气体,可提供反应活性高的状态。等离子可提供反应活性高的状态。等离子体温度体温度400010999,其气态分子和原子处在高度活化状态其气态分子和原子处在高度活化状态,而且而且等离子气体内离子化程度很高等离子气体内离子化程度很高,这些性质使得等离子体成为一种非常这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。烧结温度最高可以

22、达到重要的材料制备和加工技术。烧结温度最高可以达到2400C 微波烧结炉微波烧结炉微波烧结炉微波烧结炉微波烧结是利用微波具有的特殊波段微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的在电磁场中的介质损耗使量，材料的在电磁场中的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。由于材料可内外均匀地密化的方法。由于材料可内外均匀地整体吸收微波能并被加热，使得处于整体吸收微波能并被加热，使得处于微波场中的被烧结物内部的热梯度和微波场中的被烧结物内部的热梯度和热流方向与常规烧结时完全不同。热流方向与常规烧结时

23、完全不同。微波可以实现快速均匀加热而不会引起试样开裂或在试样内形成微波可以实现快速均匀加热而不会引起试样开裂或在试样内形成热应力，更重要的是快速烧结可使材料内部形成均匀的细晶结构热应力，更重要的是快速烧结可使材料内部形成均匀的细晶结构和较高的致密性，从而改善材料性能。同时，由于材料内部不同和较高的致密性，从而改善材料性能。同时，由于材料内部不同组分对微波的吸收程度不同，因此可实现有选择性烧结，从而制组分对微波的吸收程度不同，因此可实现有选择性烧结，从而制备出具有新型微观结构和优良性能的材料。备出具有新型微观结构和优良性能的材料。 本系列设备主要用于在真本系列设备主要用于在真空和保护气氛的条件下

24、，空和保护气氛的条件下，对金属、陶瓷等粉沫冶金对金属、陶瓷等粉沫冶金材料及制品的烧结、氮化、材料及制品的烧结、氮化、石墨化，也可以用于物理石墨化，也可以用于物理气相沉积（气相沉积（PVD）。）。 技术指标：技术指标：1、工作区域：直径、工作区域：直径高高 4501200（mm）2、工作温度：、工作温度：25003、电源额定功率：、电源额定功率：100KW4、极限真空：、极限真空：6.710-3帕帕 真空烧结炉真空烧结炉 真空烧结炉真空烧结炉 连续式窑连续式窑12.3烧成制度烧成制度烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。度。12.3.1烧成制度的拟定烧成

25、制度的拟定1.坯料在加热过程中的性状变化坯料在加热过程中的性状变化2.坯体形状、厚度和入窑水分坯体形状、厚度和入窑水分3.窑炉结构、燃料性质、装窑密度窑炉结构、燃料性质、装窑密度4.烧成方法烧成方法12.3.2温度制度温度制度 升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度等，就升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度等，就是温度与时间的关系。是温度与时间的关系。12.3.3气氛制度气氛制度气氛制度指的是不同温度范围气氛制度指的是不同温度范围O2及及CO浓浓度，空气过剩系数。度，空气过剩系数。1. 气氛对坯体过烧膨胀的影响气氛对坯体过烧膨胀的影响瓷石瓷石-高岭土瓷坯在还原气氛中过烧产生的高岭土瓷坯在还原

26、气氛中过烧产生的膨胀比在氧化气氛中小；膨胀比在氧化气氛中小；高岭土高岭土-长石长石-石英石英-膨润土瓷坯在还原气氛中膨润土瓷坯在还原气氛中过烧膨胀比在氧化气氛中大。过烧膨胀比在氧化气氛中大。2.气氛对坯体收缩和烧结的影响气氛对坯体收缩和烧结的影响瓷石质瓷坯在还原气氛中的收缩较在氧化瓷石质瓷坯在还原气氛中的收缩较在氧化气氛中大；长石与膨润土瓷坯在氧化气氛气氛中大；长石与膨润土瓷坯在氧化气氛中的收缩较大。中的收缩较大。两种瓷坯在还原气氛中的烧结温度比氧化两种瓷坯在还原气氛中的烧结温度比氧化气氛的低。气氛的低。3.气氛对坯的颜色和透光性及釉层质量的影响气氛对坯的颜色和透光性及釉层质量的影响 铁、钛的

27、价数影响铁、钛的价数影响 SiO2、CO的影响的影响4.气氛对升温和窑内温差的影响气氛对升温和窑内温差的影响 氧化气氛下升温速度快，易造成窑内温差大；还原氧化气氛下升温速度快，易造成窑内温差大；还原气氛下窑内温差小。气氛下窑内温差小。12.3.4压力制度压力制度 压力制度是指窑内压力与时间的关系。压力制度是指窑内压力与时间的关系。 间歇式窑是规定不同温度区间（时间）总烟道抽力间歇式窑是规定不同温度区间（时间）总烟道抽力的大小；的大小； 连续式窑是指窑内压力沿长度的分布。连续式窑是指窑内压力沿长度的分布。 零压点零压点 预热带最大负压预热带最大负压 烧成带和冷却带微正压烧成带和冷却带微正压12.

28、3.5低温烧成与快速烧成低温烧成与快速烧成1）低温烧成与快速烧成的作用）低温烧成与快速烧成的作用 节约能源节约能源 充分利用原料资源充分利用原料资源 提高窑炉与窑具的使用寿命提高窑炉与窑具的使用寿命 缩短生产周期、提高生产效率缩短生产周期、提高生产效率 低温烧成，有利于提高色料的显色效果低温烧成，有利于提高色料的显色效果 快速烧成可使坯体中晶粒细小，提高制品的强度、改快速烧成可使坯体中晶粒细小，提高制品的强度、改善某些介电性能。善某些介电性能。2）降低烧成温度的工艺措施）降低烧成温度的工艺措施 调整坯、釉料组成调整坯、釉料组成 加入碱金属与碱土金属氧化物加入碱金属与碱土金属氧化物 提高坯料细度

29、提高坯料细度3）快速烧成必须满足的工艺条件）快速烧成必须满足的工艺条件 坯、釉料干燥收缩和烧成收缩小坯、釉料干燥收缩和烧成收缩小 坯料的热膨胀系数小坯料的热膨胀系数小 坯料的导热性能好坯料的导热性能好 减少坯体入窑水分，提高坯体入窑温度减少坯体入窑水分，提高坯体入窑温度 控制坯体厚度、形状和大小控制坯体厚度、形状和大小 选用温差小和保温良好的窑炉选用温差小和保温良好的窑炉12.4瓷器的烧成缺陷瓷器的烧成缺陷 开裂开裂 变形变形 起泡起泡 毛孔和桔釉毛孔和桔釉 色黄、火刺、落渣、斑点、烟薰色黄、火刺、落渣、斑点、烟薰 生烧和过烧生烧和过烧 釉裂釉裂 釉缕和缺釉釉缕和缺釉低温烧成 快速烧成1、快速烧成的工艺措施2、为什么日用陶瓷生产北方烧氧化焰南方烧还原焰?烧成3、为什么所有瓷石质坯与未加膨润土的长石质坯在还原气氛中过烧40的膨胀比在氧化气氛中要小的多?思考题思考题一次莫来石二次莫来石5、液相对坯体的成瓷作用晶界相界晶界异相偏析效应4、为什么说普通陶瓷在还原气氛中的烧结温度比氧化气氛中低？