摘要 本文主要探討了高溫電加熱梭式窯的加熱原理、設(shè)計(jì)方法和注意點(diǎn)，并介紹了幾種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的裝燒方法和注意事項(xiàng)，指出了不同的高溫陶瓷產(chǎn)品采用不同裝燒方法的特點(diǎn)及其優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 陶瓷，燒成，窯爐，窯具

1前言

隨著全球工業(yè)的迅猛發(fā)展，作為新材料之一的陶瓷制品，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，這對(duì)陶瓷工業(yè)的發(fā)展是一個(gè)極好的機(jī)會(huì)。然而隨之而來的對(duì)陶制品的高要求也成為陶瓷工作者面臨的難題。例如在航天航空工業(yè)用的陶瓷制品，除性能特殊外，還要求將制品的厚度制作到0.5mm以下；而在TFT行業(yè)的大規(guī)格液晶制品用陶瓷卻要求其產(chǎn)品長(zhǎng)度達(dá)1.5m以上。眾所周知，這些行業(yè)用的陶瓷制品均屬精密結(jié)構(gòu)陶瓷系列，其燒成溫度均超過 1650℃，而要在高于1650℃的溫度燒制合格的1.5m以上的陶瓷產(chǎn)品并非易事。幾年來，筆者根據(jù)市場(chǎng)的需要，針對(duì)性地做了大量的探索性試驗(yàn)工作，較好地解決了相關(guān)的共性問題，本文主要就大件高溫瓷燒成過程中產(chǎn)品的裝燒方法進(jìn)行探討。

2大件高溫陶瓷燒成設(shè)備

這里說的大件高溫陶瓷是指直徑在250mm以上或長(zhǎng)度在1000mm以上的產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的共性是“大”，要求有高的圓整度與平整度，且產(chǎn)品性能一致。燒制這類產(chǎn)品通常所用的窯爐是以氣或油為燃料的高溫梭式窯，而這類窯爐在燒成過程中易出現(xiàn)一些難以控制的問題，因此筆者在試驗(yàn)與探索過程中采用了高溫電窯，由于電窯的熱傳遞方式主要為輻射與傳導(dǎo)，考慮到窯爐溫度的穩(wěn)定性和可控性，確定采用熱量輻射的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加熱燒成，如圖1所示。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先對(duì)窯爐的長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行熱學(xué)方面的計(jì)算，既要考慮燒成產(chǎn)品的大小、厚薄，窯爐的上下、左右、中間的產(chǎn)品是否能用熱量輻射的方法對(duì)其加熱燒熟，窯爐體積是否合理，又要考慮到窯爐爐膛不能太小，大件產(chǎn)品是否能裝進(jìn)或裝載量太少，影響經(jīng)濟(jì)效益等因素。除上述因素外，在窯爐設(shè)計(jì)時(shí)還要注意以下三點(diǎn)：

（1） 窯爐的寬度

首先根據(jù)發(fā)熱體的功率計(jì)算出其輻射距離，然后再確定窯爐的寬度。如果窯爐設(shè)計(jì)太寬，超過了發(fā)熱體本身的輻射距離，則窯爐中間的產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)生燒，在快到高溫時(shí)窯溫也不容易升上去，延長(zhǎng)保溫時(shí)間時(shí)則會(huì)浪費(fèi)能源。如果太窄，直徑大的產(chǎn)品裝不進(jìn)去或只能裝1～2件，熱利用率就不高，達(dá)不到設(shè)計(jì)的目的。

（2） 窯爐的高度

通常情況下，常規(guī)的電加熱窯爐的爐膛截面積一般不大于900cm2，這樣顯然滿足不了大件產(chǎn)品的裝燒要求，筆者所設(shè)計(jì)的窯爐上下沒有安裝發(fā)熱體，只靠三面的輻射傳熱來達(dá)到燒成的目的(如圖1)。如果窯爐設(shè)計(jì)得太高，由于上下沒有發(fā)熱體，只能根據(jù)發(fā)熱體能夠制作的最高高度來設(shè)計(jì)窯爐的最高高度，才能盡可能減少產(chǎn)品的上下溫差。

（3） 窯門的處理

考慮到裝、出窯的方便，本設(shè)計(jì)采用抽屜窯車的方式，故窯門口無法安裝發(fā)熱體，由于該窯爐內(nèi)沒有設(shè)計(jì)煙囪和氣流流通，亦即爐膛內(nèi)沒有對(duì)流傳熱，如果不能處理好窯門的設(shè)計(jì)問題，那么窯門口的產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)生燒的現(xiàn)象。

以上三點(diǎn)是在設(shè)計(jì)高溫窯爐時(shí)特別要注意的地方。

3大件高溫陶瓷裝窯方法

針對(duì)大件高溫陶瓷產(chǎn)品的特點(diǎn)與窯爐的選擇，筆者圍繞裝燒方法做了大量探索，并初步認(rèn)為根據(jù)不同的產(chǎn)品特點(diǎn)分別選擇以下幾種方法是解決大件高溫陶瓷燒成問題的較好途徑。

（1） 堆燒法

這是最為常見的裝窯方法，其堆裝方法如圖2所示。

這種裝燒工藝的特點(diǎn)是窯位利用率高、操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)品燒成后平整度高。適合于燒成平板、圓環(huán)狀的坯體。由于窯爐燒成采用輻射的方法進(jìn)行熱量的傳遞，這種裝燒方法所帶來的問題是：如果產(chǎn)品是實(shí)心板形狀的，由于產(chǎn)品的裝載高度過高或者產(chǎn)品的自身重量過重，在燒成過程中就會(huì)出現(xiàn)由于坯體的自由收縮受到限制而致使燒后產(chǎn)品產(chǎn)生中間嚴(yán)重開裂的缺陷。這種裝燒方法對(duì)底板的平整度和荷重軟化要求也非常高，一旦耐火底板出現(xiàn)不平或斷裂現(xiàn)象，整個(gè)產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)變形、開裂甚至倒塌的情況。

（2） 斜堆法

這是一種借力的燒成方法，其斜堆方法如圖3所示。

這種裝燒工藝的特點(diǎn)是降低了坯體自重所帶來的副作用。解決了一些厚重產(chǎn)品由于自身的重量問題產(chǎn)生的產(chǎn)品收縮不一致以及開裂、拉斷、變形等缺陷。適用于細(xì)長(zhǎng)條形產(chǎn)品，長(zhǎng)、方形厚重產(chǎn)品以及一些圓柱狀的棒類產(chǎn)品的燒成。這種裝燒方法對(duì)窯具要求非常高，窯具一定要有足夠承受力的斜面，而且斜面要非常平整。產(chǎn)品裝燒不適合堆裝，所以其裝載數(shù)量少，而且裝載坯體時(shí)要求細(xì)心、排列整齊，不能錯(cuò)位。稍有疏忽，整板產(chǎn)品就會(huì)全部彎曲、變形或者坯體在燒成收縮時(shí)會(huì)因受到阻力而出現(xiàn)拉斷和開裂現(xiàn)象。

（3） 吊燒法

這是大件高溫瓷比較難燒的一種方法，其吊燒方法如圖4所示。由于產(chǎn)品制作越來越大，有些產(chǎn)品的長(zhǎng)度大于1m，無法用常規(guī)的方法燒成。這種方法燒成的產(chǎn)品垂直度好，彎曲度及變形小。燒成后的產(chǎn)品尺寸精度高，對(duì)1m以上的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)尤為明顯。部分棒狀類、圓管類產(chǎn)品只有用這種方法才能制作成功。尤其對(duì)圓管產(chǎn)品能確保其圓整度。但該方法窯具搭架困難，要求裝窯工人有豐富的裝窯經(jīng)驗(yàn)。窯具支撐架、掛在支撐架上的坯體厚度等都要精確計(jì)算，一旦哪個(gè)方面不合理，產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)彎曲、變形、頸部開裂、下部掉落等缺陷。這種裝燒方法的窯內(nèi)產(chǎn)品裝載量少，也容易出現(xiàn)倒窯現(xiàn)象。

（4） 框架法

這是一種棚板壘疊起來的燒成方法，如圖5所示。

這種燒成方法是為實(shí)現(xiàn)不同的大、小件產(chǎn)品在同一座窯里面燒成，同時(shí)為了節(jié)約窯位而采用各種不同的墊塊、平板、立柱等搭建起來的裝窯方法。該方法能充分利用窯位，各種產(chǎn)品可靈活裝燒。燒成基本不受窯具限制，大小產(chǎn)品能自由搭配。這種方法適合于厚重的筒狀產(chǎn)品的燒成，但要求各種形狀、不同大小、高低不一的圓柱體、長(zhǎng)方體窯具齊全。該法裝窯比較困難，且窯位利用率的高低直接影響到經(jīng)濟(jì)效益，要求工人在精裝密套的同時(shí)要考慮到熱量的散發(fā)。

目前常用上述四種方法對(duì)大件高溫陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行燒成，之所以這樣做，是出于對(duì)大件制品燒成原理和坯體在燒成過程中的物理化學(xué)變化的考慮，并通過不同的產(chǎn)品裝窯方法來控制一些燒成缺陷的產(chǎn)生。在加熱過程中要求產(chǎn)品受熱均勻、緩慢，窯爐設(shè)計(jì)是先進(jìn)行輻射傳熱，熱量一旦傳到坯體表面，就轉(zhuǎn)化為通過傳導(dǎo)傳熱的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加熱直到燒成結(jié)束。因此，在裝窯時(shí)，應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

（1） 底板選擇一定要平整，其自身荷重軟化溫度要在1800℃以上。

（2） 坯體在堆裝時(shí)不能簡(jiǎn)單地一層層往上碼，而是應(yīng)該在每一層坯體間加一層墊塊。這樣，一方面可以在板與板之間增加熱量流通的空間，產(chǎn)品容易燒透；另一方面，在產(chǎn)品升溫過程中，坯體中的有機(jī)物質(zhì)易于揮發(fā)，不易出現(xiàn)開裂、生燒等問題。

（3） 坯體的堆裝高度要適可而止。坯體的高度越高，自身的重量就越大，如果為了多燒產(chǎn)品而一味地往上堆裝，燒后的產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)上小下大的現(xiàn)象，底層的產(chǎn)品還會(huì)出現(xiàn)開裂、生燒、收縮受阻等問題。

（4） 如果采用斜堆法燒成，則在制作窯具時(shí)要設(shè)計(jì)好斜面的角度，這對(duì)產(chǎn)品的合格率以及燒成后產(chǎn)品是否有缺陷尤為重要，所以要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、自身重量以及需要借力的大小設(shè)計(jì)合理的斜靠面。由于有些產(chǎn)品比較長(zhǎng)，坯體全部斜放在一個(gè)斜靠面上幾乎是不可能的，所以，如果是幾節(jié)斜靠面組合起來的窯具，就要求每一節(jié)斜靠面之間不能有明顯的錯(cuò)位。另外一些窯具要采用磨加工的方法來制作，否則產(chǎn)品易在收縮時(shí)拉斷，即使產(chǎn)品不斷裂，也會(huì)影響產(chǎn)品的平整度。

（5） 窯具制作時(shí)要留有排氣孔，因?yàn)楫a(chǎn)品的著力點(diǎn)是借助于窯具，即坯體是附著在窯具面上的，一旦沒有排氣孔，產(chǎn)品在低溫?zé)蓵r(shí)坯體內(nèi)部的有機(jī)物就無法排除，同樣會(huì)使產(chǎn)品出現(xiàn)開裂、變形、云斑等缺陷。

（6） 采用吊燒的方法來燒成，一定要對(duì)窯具進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。因?yàn)椴煌漠a(chǎn)品要有各種不同形狀的窯具來吊掛，這是確保產(chǎn)品在燒成過程中能否一直處于垂釣狀態(tài)的關(guān)鍵。稍有差錯(cuò)，產(chǎn)品經(jīng)過燒成收縮就會(huì)出現(xiàn)掉落狀態(tài)，也就失去了吊燒的意義。高度的控制在吊燒工藝中同樣需要準(zhǔn)確無誤。產(chǎn)品的裝燒高度一般根據(jù)坯體的長(zhǎng)度而定，但如果在裝窯時(shí)完全按照產(chǎn)品的長(zhǎng)度來吊掛，燒出來的產(chǎn)品肯定不合格，因此要在裝燒時(shí)先根據(jù)產(chǎn)品的長(zhǎng)度計(jì)算出產(chǎn)品的吊燒高度，然后再確定窯具的總高度。

（7） 避免窯車有大的震動(dòng)。大件產(chǎn)品一般來說在梭式窯或倒焰窯燒成的可能性比較大，在倒焰窯燒成時(shí)震動(dòng)比較小，但抽屜式（梭式窯）燒成時(shí)，因?yàn)橛懈G車的推進(jìn)過程，同時(shí)由于產(chǎn)品比較高，一旦窯具不穩(wěn)，窯車在推進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)倒窯情況。