大件高溫陶瓷裝窯方法及注意事項

摘要 本文主要探討了高溫電加熱梭式窯的加熱原理、設計方法和注意點，并介紹了幾種高溫結構陶瓷的裝燒方法和注意事項，指出了不同的高溫陶瓷產品采用不同裝燒方法的特點及其優越性。

關鍵詞 陶瓷，燒成，窯爐，窯具

1前言

隨著全球工業的迅猛發展，作為新材料之一的陶瓷制品，其應用領域也在不斷擴大，這對陶瓷工業的發展是一個極好的機會。然而隨之而來的對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行業的大規格液晶制品用陶瓷卻要求其產品長度達1.5m以上。眾所周知，這些行業用的陶瓷制品均屬精密結構陶瓷系列，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以上的陶瓷產品并非易事。幾年來，筆者根據市場的需要，針對性地做了大量的探索性試驗工作，較好地解決了相關的共性問題，本文主要就大件高溫瓷燒成過程中產品的裝燒方法進行探討。

2大件高溫陶瓷燒成設備

這里說的大件高溫陶瓷是指直徑在250mm以上或長度在1000mm以上的產品，這類產品的共性是“大”，要求有高的圓整度與平整度，且產品性能一致。燒制這類產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一些難以控制的問題，因此筆者在試驗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，考慮到窯爐溫度的穩定性和可控性，確定采用熱量輻射的方法對產品進行加熱燒成，如圖1所示。

根據產品的結構特點，首先對窯爐的長、寬、高進行熱學方面的計算，既要考慮燒成產品的大小、厚薄，窯爐的上下、左右、中間的產品是否能用熱量輻射的方法對其加熱燒熟，窯爐體積是否合理，又要考慮到窯爐爐膛不能太小，大件產品是否能裝進或裝載量太少，影響經濟效益等因素。除上述因素外，在窯爐設計時還要注意以下三點：

（1） 窯爐的寬度

首先根據發熱體的功率計算出其輻射距離，然后再確定窯爐的寬度。如果窯爐設計太寬，超過了發熱體本身的輻射距離，則窯爐中間的產品就會出現生燒，在快到高溫時窯溫也不容易升上去，延長保溫時間時則會浪費能源。如果太窄，直徑大的產品裝不進去或只能裝1～2件，熱利用率就不高，達不到設計的目的。

（2） 窯爐的高度

通常情況下，常規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品的裝燒要求，筆者所設計的窯爐上下沒有安裝發熱體，只靠三面的輻射傳熱來達到燒成的目的(如圖1)。如果窯爐設計得太高，由于上下沒有發熱體，只能根據發熱體能夠制作的最高高度來設計窯爐的最高高度，才能盡可能減少產品的上下溫差。

（3） 窯門的處理

考慮到裝、出窯的方便，本設計采用抽屜窯車的方式，故窯門口無法安裝發熱體，由于該窯爐內沒有設計煙囪和氣流流通，亦即爐膛內沒有對流傳熱，如果不能處理好窯門的設計問題，那么窯門口的產品就會出現生燒的現象。

以上三點是在設計高溫窯爐時特別要注意的地方。

3大件高溫陶瓷裝窯方法

針對大件高溫陶瓷產品的特點與窯爐的選擇，筆者圍繞裝燒方法做了大量探索，并初步認為根據不同的產品特點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是窯位利用率高、操作簡單、產品燒成后平整度高。適合于燒成平板、圓環狀的坯體。由于窯爐燒成采用輻射的方法進行熱量的傳遞，這種裝燒方法所帶來的問題是：如果產品是實心板形狀的，由于產品的裝載高度過高或者產品的自身重量過重，在燒成過程中就會出現由于坯體的自由收縮受到限制而致使燒后產品產生中間嚴重開裂的缺陷。這種裝燒方法對底板的平整度和荷重軟化要求也非常高，一旦耐火底板出現不平或斷裂現象，整個產品就會出現變形、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是降低了坯體自重所帶來的副作用。解決了一些厚重產品由于自身的重量問題產生的產品收縮不一致以及開裂、拉斷、變形等缺陷。適用于細長條形產品，長、方形厚重產品以及一些圓柱狀的棒類產品的燒成。這種裝燒方法對窯具要求非常高，窯具一定要有足夠承受力的斜面，而且斜面要非常平整。產品裝燒不適合堆裝，所以其裝載數量少，而且裝載坯體時要求細心、排列整齊，不能錯位。稍有疏忽，整板產品就會全部彎曲、變形或者坯體在燒成收縮時會因受到阻力而出現拉斷和開裂現象。

（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。由于產品制作越來越大，有些產品的長度大于1m，無法用常規的方法燒成。這種方法燒成的產品垂直度好，彎曲度及變形小。燒成后的產品尺寸精度高，對1m以上的產品優勢尤為明顯。部分棒狀類、圓管類產品只有用這種方法才能制作成功。尤其對圓管產品能確保其圓整度。但該方法窯具搭架困難，要求裝窯工人有豐富的裝窯經驗。窯具支撐架、掛在支撐架上的坯體厚度等都要精確計算，一旦哪個方面不合理，產品就會出現彎曲、變形、頸部開裂、下部掉落等缺陷。這種裝燒方法的窯內產品裝載量少，也容易出現倒窯現象。

（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現不同的大、小件產品在同一座窯里面燒成，同時為了節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，各種產品可靈活裝燒。燒成基本不受窯具限制，大小產品能自由搭配。這種方法適合于厚重的筒狀產品的燒成，但要求各種形狀、不同大小、高低不一的圓柱體、長方體窯具齊全。該法裝窯比較困難，且窯位利用率的高低直接影響到經濟效益，要求工人在精裝密套的同時要考慮到熱量的散發。

目前常用上述四種方法對大件高溫陶瓷產品進行燒成，之所以這樣做，是出于對大件制品燒成原理和坯體在燒成過程中的物理化學變化的考慮，并通過不同的產品裝窯方法來控制一些燒成缺陷的產生。在加熱過程中要求產品受熱均勻、緩慢，窯爐設計是先進行輻射傳熱，熱量一旦傳到坯體表面，就轉化為通過傳導傳熱的方法對產品進行加熱直到燒成結束。因此，在裝窯時，應該注意以下幾個方面：

（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） 坯體在堆裝時不能簡單地一層層往上碼，而是應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，產品容易燒透；另一方面，在產品升溫過程中，坯體中的有機物質易于揮發，不易出現開裂、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，如果為了多燒產品而一味地往上堆裝，燒后的產品就會出現上小下大的現象，底層的產品還會出現開裂、生燒、收縮受阻等問題。

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

（5） 窯具制作時要留有排氣孔，因為產品的著力點是借助于窯具，即坯體是附著在窯具面上的，一旦沒有排氣孔，產品在低溫燒成時坯體內部的有機物就無法排除，同樣會使產品出現開裂、變形、云斑等缺陷。

（6） 采用吊燒的方法來燒成，一定要對窯具進行精確設計。因為不同的產品要有各種不同形狀的窯具來吊掛，這是確保產品在燒成過程中能否一直處于垂釣狀態的關鍵。稍有差錯，產品經過燒成收縮就會出現掉落狀態，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確無誤。產品的裝燒高度一般根據坯體的長度而定，但如果在裝窯時完全按照產品的長度來吊掛，燒出來的產品肯定不合格，因此要在裝燒時先根據產品的長度計算出產品的吊燒高度，然后再確定窯具的總高度。

（7） 避免窯車有大的震動。大件產品一般來說在梭式窯或倒焰窯燒成的可能性比較大，在倒焰窯燒成時震動比較小，但抽屜式（梭式窯）燒成時，因為有窯車的推進過程，同時由于產品比較高，一旦窯具不穩，窯車在推進過程中會出現倒窯情況。