探讨砖坯在辊道窑中的烧成变化

探讨砖坯在辊道窑中的烧成变化辊道窑烧墙地砖已有几十年的历史，产品在不断更新换代，辊道窑也在趋于完善，然而，不管何种产品，在辊道窑烧成过程中，总发现诸如变形、裂砖、黑心、黑点问题，严重影响产品的质量。无论是工艺上或是烧成上的原因，一直以来，陶瓷工程技术人员在不断地摸索解决问题的思路和方法，但总是存在许多盲目性，造成了不必要的损失。究其原因在于我们不清楚砖坯在辊道窑中的烧成具体变化情况，所以，笔者从实际生产中产品缺陷的解决方案出发，探索砖坯在辊道窑中的烧成变化情况，分析砖坯的烧成机理，为墙地砖在工艺配方、烧成控制以及整个生产工艺控制上提供直接的参考依据。1、砖坯的化学组成及主要特性砖坯在烧成过程总的变化主要取决于其化学组成，通常建陶砖坯配方组成中化学成份有SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、H2O、IL等。Al2O3——含量取决于配方中粘土的用量，粘土具有可塑性、结合性、吸附性、干燥烧成收缩性及高温耐火性等，也就决定了生坯强度、坯体收缩率及烧成温度等。SiO2——在砖坯中具有骨架作用，硬度高，抛光光泽度好，在加热和冷却过程中伴有石英晶型转变，体积、强度发生变化。Na20、K2O——在砖坯中主要起助熔作用，降低坯体烧成温度，由长石引入。CaO、MgO——在砖坯中也可起助熔作用，同时具有增白和调节烧成温度范围的作用，CaO、MgO通常以碳酸盐或硫酸盐的形式存在，在煅烧中产生大量CO2、SO2气体。Fe2O3、TiO2——也具有一定的助熔作用，在常规白料砖坯中主要表现为负面作用，因为烧后变成黑点或绿点。H2O、IL——主要由粘土引入，其他原料如石粉、石砂等也或多或少带入一点。H2O、IL在加热过程中逐渐挥发，配方中的塑性粘土含有上述所有的成份，瘠性原料瓷砂、石粉等主要含SiO2、Al2O3、CaO、MgO、H2O、Na20等。2、砖坯在各区的物理化学变化及质量因素辊道窑通常划分为预干区、预热区、中高温区、保温区、急冷区、缓冷区、强冷区。砖坯在不同的区域进行着不同的物理化学反应。预干区：干燥器缓慢干燥（室温~200'C）——自由水、吸附水大量排除窑炉预热干燥（室温~450'C）——自由水，吸附水基本排除，结构水开始排除预热区：结构水排除碳酸盐氧化分解，有机物氧化、碳酸盐、硫酸盐分解（450~1000'C），硫化物氧化，石英晶型转变中高温区：坯体氧化还原反应继续，液相开始生成（1000'C~最高烧成），形成新结晶，坯体急剧收缩保温区：液相量增长，新结晶成长（最高烧成温度~急冷区前），瓷化急冷区：液相凝固，石英晶型转变（保温区温度~580'C）缓冷区：石英晶型转变，坯体缓慢降温（580~400'C）强冷区：坯体急剧降温，石英晶型转变（400~80'C）砖坯在不同区域进行物理化学反应，那么砖坯各种缺陷可以从这里去找原因。（1）预干区最常见缺陷：开口裂、边裂、炸坯、滴脏；（2）预热区最常见缺陷：边裂、中心裂、黑心、黑点、变形；（3）中高温区最常见缺陷：变形、尺码缺陷（大小头、大小尺码等）、色差；（4）保温区最常见缺陷：四边形、头边变形、尺码缺陷和色差；（5）急冷区最常见缺陷：变形、风裂、色差；（6）缓冷区最常见缺陷：风裂、脆性、变形；（7）强冷区最常见缺陷：风裂（釉裂）、变形。2.1预干区生坯从压机成型出来通常含有6%~10%的水份，不同品种有各自的水份要求。生坯含水率远远大于空气湿度，所以，生坯烧成的第一步即干燥排水，在此，不管是烧成窑的预干区还是专门的干燥器，一并概括为生坯的预干区，预干区的排水主要是砖坯的吸附水（包括自由水），决定吸附水排除速度及完全程度的是干燥介质的温度、湿度和流速，本质上是砖坯内水份的外扩散速度、内扩散速度及干燥速度。砖坯边裂即烧出来的产品边部出现若干5~10mm长的细小裂纹，裂纹深度往往在半砖厚之内，出现在砖的各个方面，无规律性，与压机因模框或脱模造成的边裂有所不同，边裂是由于介质温度高、湿度小、流速快导致快速排除边部水份，而内扩散缓慢，内部水份不能及时填补砖坯边部粉料颗粒间，从而使得颗粒间产生空隙，由于不断失水，空隙不断拉大，同时砖坯干燥失水收缩产生内应力，拉大空隙，形成边裂纹，如果颗粒大、颗粒检举大，由高温液化而急剧收缩进一步拉大空隙，出窑则表现为开口裂。开口裂往往裂透底且裂口宽度、长度都比较大。开口裂、边裂的形成还与机械振动折伤、砖坯水份不均匀、成型压力不均匀、布料不均匀、颗粒级配不好有关，尤其是机械抖动极易造成开口裂，根据热工原理是起始于干燥速度控制不合理，没能使得坯体内外扩散速度协调，内应力大雨砖坯维持结构完好的弹性力和塑性力，则产生炸坯。维持结构完好的弹性和塑性决定于砖坯成型的压力和颗粒间彼此粘接力，产生膨胀的内应力取决于水份的量和活跃度，即水份的含量和温度。因此，影响炸坯的因素便是：粉料的水份过大、成型压力过大或过小造成砖坯的分层、压力不均匀、水份不均匀、干燥升温速度太快、干燥起始外扩散能力不足等。砖坯经过干燥后又暴露在空气中再进窑烧成，在暴露过程中会吸附空气中的水份，吸附水的含量取决于坯体的干燥度及外界空气湿度和坯体的致密度、暴露时间，如果砖坯经干燥后又吸水，表面重新被润湿，后又急剧干燥，极易造成边裂，渗花抛光砖印花后喷水入窑干燥造成的裂俗称“水纹裂”。砖坯干燥40'C开始表现明显，120'C加速，300'C吸附水则基本排除，同时，砖坯在预干区还伴有因吸附水的排除而造成的体积收缩和坯体强度的增加，砖坯强度的增加从40'C开始，120'C表现相当明显，且此时随温度的升高而强度增大，但又有一个极限，超过此极限则强度显著降低，日用陶瓷Al2O3含量高，极限干燥温度为250'C，而建筑陶瓷未曾出现确定的极限干燥温度报道，据生产实践体会，建陶墙地砖因SiO2含量高，极限干燥温度可能表现为180~200'C。滴脏通常表现在干燥过程中由于水滴粘附脏物，滴在砖坯表面造成，因砖坯需要热源干燥，所以有的企业采用窑尾抽余热干燥，有的采用热风炉送热风干燥，也有的采用烧成窑的窑头抽烟气来干燥。对于抽余热干燥，滴脏很少，而对于后两者特别是第三者来说滴脏的几率大很多，因为热风炉燃油和窑头烟气中含有硫份、碳粒，也就是说，本身干燥的介质就是脏的，而第三者更表现为烟气中还含有大量的水蒸汽，这为液化为水滴准备了条件，其次，因砖坯干燥要求采用高温高湿的干燥方法，特别是对于大规格砖，如何满足高湿？一方面是引入高湿度干燥介质对前段进行干燥，另一方面则是控制抽湿量即关小抽湿闸来满足。滴脏往往是干燥控制上顾此失彼造成，由于介质湿度大，水蒸汽遇冷便会形成水滴，水滴溶解窑内壁的锈迹滴到砖面形成滴脏，滴脏并不全是因饱和水蒸汽遇低温铁皮造成，也有的是本身饱和脏介质遇冷空气造成。解决滴脏除了控制介质的湿度、洁净度以外还要注意干燥器的保温，尽量避免干燥器内的热介质遇冷液化。2.2预热区2.2.1化学结构水的排除砖坯在辊道窑内预干区300~450'C，吸附水排除完全，部分矿物的结构水开始排除，对于粘土类矿物，Al2O3含量大，化学结构水在450~650'C之间快速排除，因为结构水的排除迅速，收缩明显，晶体结构遭到破坏，对于陶瓷地砖，由于规格大而厚，极易造成砖坯的中心裂，砖坯受热从边部开始逐步移到中间中层，排水过程也是先到边部后到中间中层，如果由于升温过快而未及时排除吸附水，此时吸附水、结构水的同时排除引起中间急剧的收缩则易产生中心裂缺陷，中心裂通常表现为细小裂纹呈现于外表，也有的裂纹出现在砖坯的中间层，另外如果成型时布料不均或模具排气不良，形成的中心裂更为明显，裂纹比大。有些矿物的化学结构水排除温度很高，达1000'C，甚至更高，这类矿物在建陶中配方用量不大，控制得当，结构水的排除不会有太大的破坏性。2.2.2氧化分解墙地砖配方中的泥类含有有机质，有时为增强泥浆的悬浮性、流动性和坯体强度而加入有机添加剂，此类有机物在烧成过程中受热氧化，同时，坯体中也含有一些碳酸盐、硫酸盐和铁的化合物等杂质，他们在一定的温度下进行氧化分解放出CO2或SO2等。碳素的氧化开始于400'C左右，一般要到900'C以上才可以完全，如烧不完全，则残留在坯体内，形成黑心或黑点，釉面砖则还会造成因釉面熔融封闭坯体气孔而形成釉面烟熏、气泡、针孔。硫化物、碳酸盐的氧化分解反应程度，取决于砖坯中有机质的含量、窑内的温度、气氛以及反应的时间，相应的砖坯成型的压力影响，反应进行的快慢、时间，而氧化分解反应进行程度就决定了是否出现黑心、黑点、针孔、气泡、烟熏等缺陷。对于低温熔块石灰制品，针孔缺陷是很难避免的，因为释放的气体很多。在氧化气氛中，燃料中的游离硫及硫化物释放的硫份，若遇水蒸汽便可形成亚硫酸进而形成硫酸，具有腐蚀性，所以，抽烟系统及窑前段金属结构容易被腐蚀结垢或剥落。不仅如此，亚硫酸若存在于透明熔快釉中，容易与熔快中的钡、钙化合物反应结成“盐霜”，此反应在整个升温过程中釉面熔融状态下都可能产生，盐霜与硫化物含量、燃料产生的硫份、燃烧的气氛、水蒸汽含量有关。2.2.3石英的晶型转变陶瓷墙地砖中的石英（SiO2）含量在70%左右，一般60%，而石英在熔烧过程中会出现多次的晶型转变，不同温度下的转变有各自不同的特征，主要表现为体积膨胀，石英的膨胀会导致砖坯内部结构的变化，直接影响到砖的强度、光泽度及变形度等。石英在晶型转变过程中，570'C时的β石英转为α石英的速度最大，有0.82%的体积膨胀，虽然这时体积膨胀很小，但其转化速度很快，又是在固相条件下进行，破坏性强；870'Cα石英转变为α磷石英时，体积增长最大（+16%），但速度很慢，所以破坏性不强，砖坯的高硅含量很容易导致砖坯在573'C左右开裂，包括升温裂和冷却裂（冷却裂因没有砖坯颗粒间空隙，更容易裂），这里先讨论升温裂，升温裂对于建陶并不常见，因生坯本身尚未液化，未形成低共熔物，石英快速晶型转变并不伤及整块坯体，更主要的是辊道窑通常预热升温速度比较慢，没构成破坏。砖坯在870'C时出现α石英到α磷石英的转变，体积增长最大（+16%），不过转变速度慢，不会造成砖坯结构破坏，但因石英含量高，整个砖坯体积膨胀大，相对抵消部分因水份排除、氧化分解反应造成的体积收缩，整体砖坯体积会增大，烧成收缩率越小的配方越明显，而有一面先膨胀，就导致变形，在辊道窑的设计乃至实际点枪上，往往是下部枪点多，特别是前区，有的甚至前区上部不点枪而下部点枪较多，从表面考虑，这是企业重视砖正面质量的原因所在，对釉面砖，如果面温提高过早使得吆面始熔过早，容易造成针孔、气泡、黑心、黑点、烟熏等缺陷，预热区点枪的辊下砖坯实际温度往往比未点枪的辊上砖坯实际温度高，所以表现为先整体上翘变形，如果砖面温度高于底温，就整体下拱，砖坯随着烧成的不断进行，面上和底下都会达到870'C，不过是先后而已，这时砖坯会是一种什么样的变形呢？假设砖坯下面先达到870'C，底面先膨胀从而整体上翘，此时上面仍存在氧化分解不断形成可被压缩的气孔，使得上翘得以进行，而当上面开始达到870'C，下面的氧化分解已近完成，也就是可被压缩的气孔少，同时又有部分产生的液相填补，所以，砖坯整体下拱受到阻力，但仍然可以存在，不过下拱幅度小些，砖坯存在整体上翘形式，但由于重力使得砖坯存在下塌的趋势。从整个预热区分析看，砖坯在预热区的缺陷，如中心裂受结构水的排除影响，黑心、黑点、针孔、气泡、熏黑受氧化分解影响，盐霜受氧化分解、燃料燃烧影响，变形受石英晶型转变影响。