建筑陶瓷干燥与烧成缺陷分析

13．6　建筑陶瓷干燥与烧成缺陷分析

烧成制度是否调试得合理，最终还要由烧出的产品质量来判定。产品质量的优劣，决定了产品在市场上的竞争力，因而克服产品缺陷、提高产品质量对企业来说是至关重要的。陶瓷产品的缺陷一般都要经过烧成后才能发现，而且烧成后缺陷一旦产生就无法挽回，故俗话说陶瓷是“生在原料、死在烧成”。因此，热工窑炉的技术人员、操作人员应对各种缺陷有一定的认识，才能对所出现的缺陷进行分析后对症下药，消除或减少缺陷，提高产品质量与档次。

然而，造成缺陷的原因往往是错综复杂的，即使是同一缺陷也不一定能找到一个固定的解决模式，而要根据窑炉结构特点、产品种类，燃料种类，甚至季节特点等具体情况加以分析。产品缺陷除了烧成工序产生的外，大多往往是前段工序造成的隐患，经过烧成工序反映出来的，而且许多缺陷并不是单一原因造成的。故本节虽重点分析烧成缺陷，但也不会刻意区别缺陷来自烧成或前道工序。

13．6．1　开裂

开裂是辊道窑快烧建筑瓷砖等产品时较常出现的一种缺陷，可分为升温阶段开裂与降温阶段开裂。升温阶段由于制品尚未瓷化仍呈颗粒状，故此时开裂出窑后特征为断面粗糙，裂口呈锯齿形，又因开裂后还经高温煅烧，故裂口边缘圆滑，裂缝中可能有流釉。降温阶段开裂因制品经过了烧成带高温瓷化，开裂后必然呈现断面光滑、裂口锋利的特征。

1．升温阶段开裂

升温阶段开裂多发生在砖坯边缘部(见图13．8)，最常发生在预热带前段，即蒸发阶段。主要原因是坯体入窑水分较高而窑头升温叉过急，传热速率大于水分向外蒸发的传质速率，坯体表面硬化使内部水汽不易排出而造成开裂，故此种开裂一般裂口较大，又称大口裂。解决办法是严格控制坯体入窑水分，在窑炉操作上通过调整排烟支闸等来降低窑头温度，对明焰辊遭窑还可调小或关闭预热带辊下第一、二对烧嘴。以避免预热带开始时温度升得太快。在预热带中后期如升温过急由于晶型转化等也可能发生开裂，此时开裂一般裂口很小，锯齿也细小。辊道窑烧成，这种缺陷不多见，有也多出现在外侧温度条件不良处。

升温阶段开裂除烧成因素产生的外，还有两种较常见，即硬裂与层裂。硬裂的特征是形如鸡爪或蚯蚓蠕动似小裂纹(见图13．9)。这一缺陷主要是粉料水分不均匀或填料、加压操作不当，使砖坯密度不一致，待到入窑升温时收缩也就不一致，因而造成开裂。解决这一缺陷主要从改进前道工序着手，如增加粉料存腐时间、改进填料与压砖的操作。层裂是与砖面平行的开裂，在墙地砖生产中常有出现，但问题不是出在烧成，原因主要是成形时粉料内空气排除不足而封闭在坯体内，烧成时排出不顺畅造成膨胀(产生夹层)或裂开(产生层裂)。解决这一缺陷要从配方开始入手，减少片状结构的原料(如滑石、方解石等)，改进造粒方法，正确掌握压砖操作等。

图13．8　大裂口

图13．9　硬裂

2．降温阶段开裂

降温阶段开裂又称风裂或冷裂，在快速烧成的辊道窑中较易发生，但也容易在烧成过程中依靠经验采取正确的窑炉操作调试而加以克服。该缺陷在石英晶型转化区最易出现，应调节好冷却带鼓入冷风与抽出热风的各闸板，使600℃～500℃温度范围内降温缓慢。有时出窑产品靠窑墙边部开裂较多，这很可能是辊子与孔砖间密封不严，而缓冷段窑内呈负压，吸入冷风从而引起风裂。应经常检查辊孔密封情况，并及时用陶瓷棉补充以堵塞漏风处。

产品冷却时易引起开裂的另一区段为急冷后段，辊道窑急冷段多用辊上下并列排布的急冷风管，合理调节各风管支闸开度大小，使后段降温较慢些。例如某厂辊道窑焙烧彩釉砖，急冷段排列的12对急冷风管全部开启，发现出窑产品表面有肉眼难以观察的细丝裂纹，对急冷进风调整，大开前3对，其余基本关闭，该缺陷消除。

另外，当快冷段冷却速率达不到要求时，也可能因产品出窑温度太高而造成产品出窑后惊裂，这时应增加快冷段的鼓风量。有时还会因进窑作业不平稳，造成窑内制品不连续而存在大段空缺，引发窑内温度及气流变化，也可能产生开裂缺陷。

13．6．2　变形

烧成不当造成的变形缺陷大多都是由窑内温度场不均匀，使暴露在较高温度的部分有较大的收缩或软化较强，因而产生变形。当然，还有其他很多因素可造成变形缺陷，如辊子不平整、传动不平稳等机械效应导致的变形;配方不当、砖压成形时密度不均等前道工序都有可能留下产生变形的隐患。这里仅讨论窑炉操作上的原因。

1．平整度缺陷

当窑内辊上下存在较大温差时，温度较高的一面——例如砖坯顶面，会有较大的收缩而发生下凹;反之，在辊上温度较低时，则会发生上凸变形。总之，窑内因上下温差产生变形，砖坯总是凸向低温面。

(1)翘角

坯体的四角都上翘约30mm，其他部分平整或只有少许下凹，如图13．10。缺陷发生频率几乎固定而且全窑一致。但位于侧边的坯体较不严重。如果辊上下温差未予适当控制，缺陷多发生在烧成最后的2～5mm。以中等尺寸的坯体为基准，克服的办法是:若出窑产品尺寸正确．降低辊筒上方温度5℃～10℃，并对等提高辊筒下方温度;若出窑产品尺寸偏大，则升高辊筒下方温度5℃～10℃或以上;若出窑产品尺寸偏小，则降低辊筒下方温度5℃～10℃。

图13．10　翘角

(2)角下弯

如图13．11所示。这一缺陷与翘角完全类同，只是辊上下温差相反，产生翘角是由于烧成后段辊上温度高于下方温度，而产生角下弯则是由于烧成后段辊下温度高于辊上温度。故解决办法与上述对应。

图13．11　角下弯

(3)弯曲

坯体边缘平稳地逐渐下凹，如图13．12所示。若为长方形坯体，长边比短边显著。缺陷发生频率几乎固定而且全窑一致，但位于侧边的坯体较不严重。缺陷可发生在烧成全过程，尤其在升温中期和后期存在辊下温度高于辊上温度时。克服办法是:若出窑产品尺寸正确，降低辊筒上方温度5℃～10℃，或依照调整结果在此温度范围以上，并对等提高辊筒下方温度;若出窑产品尺寸偏大，则升高辊筒下方温度5℃～10℃或以上;若出窑产品尺寸偏小，则降低辊筒下方温度5℃～10℃或以下。

(4)平行上弯

坯体前端及后端两边，距边缘约70～80mm上弯，如图13．13。缺陷发生的频率几乎固定而且全窑一致，但位于窑侧制品较不严重。该缺陷较可能发生在烧成带前段，即850℃～900℃和低于最高温度50℃～100℃之间的位置。其矫正方法是在该段提高辊上温度和降低辊下温度，使其略呈下凹，但绝不能上凸。这样，坯体在辊道上继续前进时，在凸出点维持平衡。利用高温软化现象，坯体可因机械应力作用而恢复平坦。

图13．12　弯曲

图13．13　平行上弯

图1 3．1 4　扭曲

(5)扭曲

在坯体前后端，距边缘约70～80mm处上弯，随后离边30mm下弯，如图13．14。缺陷发生的频率几乎固定而且全窑一致，但位于侧边的坯体较不严重。发生的原因众多:

①可能是在急冷区或急冷刚开始时，坯体在前进中自我挤压。若为此原因，应调节分段传动的速度，使制品间的空隙稍微加大。

②可能是前述角下弯缺陷的扩大，常在烧成带最后5～10分钟发生。在此必须注意的是本现象并非仅靠测量窑温就可证实，尤其是长期停窑后再开时，更是如此。如果温度是自动控制，则每一组烧嘴的气压必须予以校验，并酌情提高最后一对辊下烧嘴所用的气压。③可能是前述角下弯与平行上弯两缺陷的综合。可先按第(2)项的方法改进，直到缺陷转为平行上弯的形式时，再以第(4)项中建议的方式进行修正。(6)不规则扭曲如图13．15所示。无法分类的不规则变形，全窑发生处不同，也不一致。虽然时常发现在特定位置，并为同一缺陷形式，但长时间观察仍是不连续现象。

图13．15　不规则扭曲

这种变形大致与坯体在窑内的运送方式有关，时常可见外缘坯体略快中央落后以至于呈弧形前进。原因是辊筒表面有污染物黏积，或是坯体的厚度及间隙产生变化。有时变形可能源于坯体成形时所产生的下凹或上凸，则必须在前道工序先行矫正。坯体形态正确矫正和保持辊筒表面的平整，可消除本项缺陷。此类缺陷可能发生在窑烧成末期和急冷段之间。

2．两边尺寸不一

俗称大小头，如图13．16所示。显然，该缺陷是因窑内水平温差较大造成，可能是因两侧烧嘴的燃料或空气量不均所致;或窑顶的隔板高度不一，引起两侧的气流流动不均;或窑底的一侧有堆坯现象，而引发两侧的蓄热不均所致。

图13．16　大小头

16．3．3　黑心

若在烧成过程中有机物未完全烧去，在坯体内会出现黑心，白坯会呈黄—绿—灰阴影，而红坯则呈黄灰黑色。颜色是由有机物和碳化物因氧不足而生成的碳粒和铁质的还原现象所形成，也可能因气体肿胀而在瓷砖内形成双凸状穴洞。所有降低釉面透气性的因素，例如;坯体过高的水分及过细的粒度、过高的成形压力、厚度过大及釉料熔点低等皆可诱发此类缺陷。

对窑炉操作而言，要消除这些缺陷须采取措施以保证在600℃～650℃使有机物完全燃烧;在800℃～850℃时(特别是红坯)，应使气体在釉料未充分熔融及部分坯体已玻化之前顺利排出。在预热带全程以负压操作，以利反应气体的排出;为留出更多的时间进行氧化反应，在保证不致引起预热开裂缺陷的前提下，可加快预热带前段升温速率;充分供应空气以保证氧化环境，尤其是预热带后段，空气可直接在烧成区之前喷入窑内，以冷却来自该区的热气，使800℃～850℃左右升温平缓，并使环境呈充分氧化气氛，可有效地消除此类缺陷。

常观察到的黑心缺陷有下列3种典型形态:

(1)如图13．17(a)的形态。若缺陷仅在坯的一边，一般是模腔装料不均而产生的缺陷。若缺陷在坯的四周，则是压砖操作引起的问题，可能是上模下降太快，导致模腔边缘积集微细粉末;也可能模具下降太大，空气因此未顺利排出，而导致模腔内某些区域积集微细粉末。

(2)如图13．17(b)的形态。产生缺陷的原因是坯料研磨过度，或成形压力过高，或釉料熔融温度过低，在碳素完全燃烧前失去表面透气性。釉料熔融温度不能提高时，可在烧成带前段辊上利用冷风喷管或辊上烧嘴(仅开空气)喷入冷空气，以保持釉面低温，在适当的烧成时间内避免其熔融。

(3)如图13．17(c)的形态。黑心偶尔伴有胀起，是由于坯体中含有高水分的粉块。

图13．17　黑头

此问题不能凭调整烧窑操作获得解决，必须检查粉料并严格过筛或注意来自设备的偶发污染物，例如喷雾干燥时不良燃烧造成的碳粒、压砖机漏油等。

16．3．4　釉面缺陷

釉面缺陷的产生和存在严重地影响釉面制品的外观质量，影响装饰效果。以下对各种常见的釉面缺陷进行一些分析。

1．色差

单件制品的各部位或批量产品的每件呈色深浅不一、色调浓淡不均匀的现象即为色差缺陷。另外，釉面呈现不同于本身正常色调的异色，也视为色差缺陷。

色差缺陷的形成主要来源于色剂本身，如色剂原料性质的波动、色剂原料粉碎细度不同、色剂配料时混合不均、色剂煅烧温度低或煅烧时间短等，使色剂显色能力降低，显色稳定性差。利用这样的色剂制成的釉料，对温度和气氛的变化特别敏感。此外，施釉工艺不当，如釉料的浓稀变化、釉层厚度变化都有可能导致色差缺陷。

对烧成过程而言，主要由窑炉烧成温度的变化和差异而产生色差缺陷。例如，生产棕色釉面瓷砖以Fe₂O₃为合成着色剂的主要原料，当温度高于1250℃时将发生如下化学反应:

2Fe₂O₃=4FeO+O₂↑(1250℃以上)

由于FeO的生成而使釉面产生带有灰黑色调的不正常色调。用铬钛黄做着色剂制备的釉料在烧成温度变化时，釉面制品也会发生类似的色差缺陷。

此外，在烧成过程中气氛的异常变化也可能导致产品产生色差缺陷。例如，以Fe₂O₃着色的棕色釉面，在还原气氛下将生成FeO，从而导致釉面呈现灰黑色调。

因此，在烧成操作中要克服色差缺陷，主要是保持窑内温度和气氛的稳定，消除窑内温差。

2．釉面不平整

当氧化不足时釉面易呈“蛋壳”状，或出现气泡或针孔等釉面不平整的缺陷。主要原因是过量空气供应不足。窑内通风又不良，使烧成区呈现较高的废气浓度，甚至由于燃烧不完全而产生的碳粒在釉面沉积。即使在隔焰辊道窑内，燃烧废气不与釉面直接接触，当窑内通风不良时仍有充满釉料蒸气的空气滞留在此区域，这种空气也可能造成釉面的不透明区域，有时伴随着针孔产生。针对这些原因，在窑炉操作上显然应增加空气量及紊流状态，加强窑内通风，如调大烧嘴的空气进量，适当增加排烟的抽力;保证预热带氧化分解阶段反应充分，使坯体中反应气体在釉熔融前完全排出。

釉面不平整缺陷除烧成过程外，还与前道工序有关。例如，当坯釉中碳酸盐成分较多，而在烧成时控制又不良，易引起釉面针孔。当釉料中可熔性盐类较多时，这些盐类在干燥时随水分蒸发而向坯体边缘迁移并在那里积聚．从而降低了这部分釉的熔点，使其提前熔化而堵塞了挥发物的排除，会在制品边缘形成一串小釉泡(俗称水边泡)。

3．釉面析晶

当急冷段降温速率不够快时，可能在釉玻璃相中产生二次析晶。当析晶严重时，制品釉面析晶呈圆圈痕迹的鳞状，略轻时则呈针状、鸡爪状或雪花状;当析晶较轻时，则出现霉腐状花膜析晶或蒙雾状析晶。产生析晶的原因除急冷操作不当外，当烧成带燃烧不完全时，产生的碳素在釉面沉积作为晶核，会促进釉面析晶，尤其当窑内存在烟气倒流时更甚。另外，当燃料中含硫量高时，含硫烟气易与釉熔体作用形成硫酸盐晶体，使釉面出现白斑或发蒙。窑上操作克服办法主要是增大第一、二对急冷风量，以使制品高温时快速急冷，且能阻止烟气倒流。

4．缩釉

一般说来缩釉缺陷的根源不在烧成而在前段工序。由于配方及施釉工艺的原因使釉层对坯体的附着力差，从而在釉坯干燥或焙烧初期，釉层就出现裂纹甚至与坯体部分脱离，以至到釉熔融阶段在表面张力作用下产生缩釉，这对那些高温时对坯浸润性差、表面张力大、黏度高的釉料更易发生。因此，克服该缺陷应从配方入手，适当调整配方或在釉料中添加少量可塑性原料，例如加入l%～2%的高塑性膨润土。另在施釉时要控制好釉浆密度与坯体温度，以增加釉层对坯的附着能力。从烧成角度考虑，减小预热带初始阶段升温速度，以免釉层产生裂缝在烧成带延长高火保温时间，以克服釉料高温黏度大与流动性差之不足。

5．其他釉面缺陷

在辊道窑烧成建筑瓷砖，出窑制品还常会出现其他一些影响釉面外观质量的缺陷，如斑点、熔洞、棕眼等。显然，这些缺陷与窑炉操作无关，只有加强前道工序的管理才能克服。例如，加强原料的精选、精洗、除铁、除杂质，改善施釉工艺的管理与操作等。