陶瓷器燒成

陶瓷器製造中為了完成坯、釉料各組分的物理化學變化，以形成緻密、堅實的剛性體和達到所要求的性能而進行的高溫處理工藝。它是完成一件成品的關鍵過程。

陶瓷器燒成工藝的完善和發展與燒成技術的進步密切相關。如熱源的變更，窯爐結構的改進，溫度與氣氛的有效控制等，都是相互制約、相互促進的。例如熱源由使用柴、草、煤，逐漸進步到油類、煤氣、電力。這個變更關聯著窯爐設計的改進。同時，窯爐結構的改進也促進了熱源的變化，也使預期的、可控制的溫度與氣氛得以實現。主要受原料種類、粒度、預燒溫度的影響。

燒成方式陶瓷器生產中的高溫處理有幾種方式。成型坯體在施釉后入窯燒成，使坯與釉同時完成其物理化學及物理的變化，達到成陶或成瓷要求的，稱為一次燒成。在一次燒成中有些還包括釉下彩繪所用彩料的燒成。但由於某些釉(如顏色釉、低溫釉)燒成溫度低，生坯的燒成和釉的燒成必須分兩次完成，這種燒成稱為二次燒成。其中坯體的燒成稱為素燒，施釉后再進行燒成稱為釉燒。素燒后不再施釉所得器物，稱為素陶或素瓷，也可以作為成品應用。此外，還有一類高溫處理方式，即在釉燒完成後用無機顏料或金屬彩料（金水、鉑水、鈀水和光澤彩）進行裝飾（見陶瓷器裝飾）,然後在750～800℃溫度下進行烤燒，使彩料通過物理的與化學的變化形成彩色並與釉密切附著，不致由於撫摩或沖刷而脫落，這種高溫處理稱為烤花或彩燒。

燒成中的物理化學變化陶瓷器的燒成是一個物理化學變化的複雜過程。組成陶瓷器的各種陶瓷器原料，包括粘土類、石英類、長石類礦物和其中混入的少量雜質，經過粉碎、配料、摻水、混練、成型、乾燥和施釉等工藝過程，是一系列物理變化過程，由此而形成的是一個混合體。實際的陶瓷器坯體是一個工藝岩石型實體。這一實體轉變成陶和瓷依賴於高溫燒成所導致的物理化學變化。這些變化包括：

①粘土類礦物原料中吸附水和結晶水的排除，結晶物質晶格的變形、破壞與重排，新型結晶物質的形成。例如高嶺石礦物在燒成中發生吸附水和結晶水的脫除，形成偏高嶺石，經過高溫分解和重結晶形成莫來石。

②石英類礦物中的石英晶體由低溫型的β－石英轉變成高溫型的α-石英、α-鱗石英和α-方石英，體積發生可逆性膨脹。

③長石類礦物，如鉀長石，在1160℃時發生分解熔融，到1290℃達到完全熔融，所形成的長石玻璃相可以部分地溶解粘土與石英，析出莫來石晶體。

④高溫中某些原料組分發生氧化或分解。如：

4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2

MgCO3→MgO+CO2

生成氧化物與氣體。這些氣體與原來留存在坯體中顆粒之間的空氣向外排放，少量的殘留在坯體中，形成微觀結構能觀察到的氣孔組織。

⑤呈液體狀態的包括長石熔融形成的玻璃態物質，以及通過分解形成的鹼土金屬氧化物MgO、CaO及酸性氧化物SiO2，在高溫中反應形成的鹼玻璃，填入晶體顆粒堆積構成的縫隙或空洞中。藉助於液體的表面張力作用將顆粒互相拉攏，導致整個坯體的收縮與緻密化。這種收縮現象在陶瓷器燒成中普遍存在，而收縮率因構成坯體物料的性質而異。

這些變化促成陶器與瓷器的緻密、堅實燒結體的形成。如果坯體化學組分中經燒成形成的玻璃態物質的組分較少，燒成溫度偏低，生成的液態物質的數量不足以填充坯體中大部分的氣孔，而使殘留氣孔多，緻密度差，吸水率大，構成了陶器坯體的特徵。反之，則形成瓷器坯體的特徵。

工藝因素主要包括燒成過程中的溫度制度和氣氛制度。這些因素有時受到原料種類、粒度、預燒溫度和成型方法的制約。

溫度制度包括燒成溫度，升、降溫速度，保溫時間等多項內容。確定具有一定組成與性狀的陶瓷器物的溫度制度必須經多方面規劃。

①燒成溫度：一般根據陶瓷器坯體內玻璃相的性質、玻璃相（液相）與結晶相（固相）之比以及所預期的成品性質而定；有時也依據釉料的適宜成熟溫度和表現特徵決定燒成溫度的上限。為了減少產品在軟化狀態下受重力作用而導致坍塌或變形，燒成溫度範圍比較窄的產品一般在低於最高容許燒成溫度20～30℃的溫度下燒成。

②升溫速率：與坯體和釉的礦物原料類型、製品大小和形狀、裝窯模式、窯爐容積和結構等有關，此外，還應考慮坯體內脫水、分解、多晶轉變、相組成、整體微觀結構等各種物理化學變化的溫度範圍和加熱時釉與坯的氣孔率的變化。

③保溫時間：應能保證坯和釉的物理、化學反應達到平穩、衡定及體積效應。坯體最高收縮率一般發生在950～1280℃,故宜在低於開始強烈收縮的溫度下進行保溫。燒成收縮的大小和階段取決於粘土類物質和所生成液相的種類與數量。瓷器的液相量一般在55%左右。

④降溫速度：冷卻階段要避免液相和固相的熱不均勻收縮。瓷器中的液相一般在1000℃以下凝固，因此在750～650℃的溫度範圍中冷卻速度必須緩慢，尤其是遊離石英含量高的器皿更需注意。但在液相凝固點以上降溫速度若過慢，會出現某些化合物的氧化還原反應或晶粒長大、玻璃相成分下降現象。

氣氛制度窯爐內自由氧的壓力大於氧化物的分解壓力時，將進行氧化反應，稱此氣氛為氧化氣氛。反之，則發生還原反應，稱還原氣氛。燒成過程中的氣氛性質在很大程度上影響到陶瓷器胎內的玻璃相的粘度和釉的析晶、分相等動力學過程。

一般說來，在釉玻璃化以前(約900～1000℃)，宜提高氧分壓以利於原料的脫水、分解和有機物的燒失。高溫階段應適當加強還原性氣氛並控制住遊離氧，使硫酸鹽分解溫度有所下降(1050～1150℃)，高價鐵提前放氧(1000～1150℃)，形成低鐵熔質相，使粘度降低，促進燒結，同時也減少了高價鐵著色和部分固溶於莫來石中的幾率。但高溫還原氣氛較強時，鈦的著色效應較鐵為強，因此高溫時採用柔弱的還原性氣氛更為有利。此外，在高溫中大多數離子在液相中擴散阻力小，能相應地降低燒結溫度。

燒成設備陶瓷器燒成所用的設備為窯爐。原始的陶瓷器燒成方法為平地堆燒，現仍有少數地區沿用。現在一般用間歇式或連續式自動控制窯爐設備燒成。

隨著對溫度與氣氛要求的提高，固定形式的燒成窯爐逐漸出現。最早有挖地而成的穴窯(橫穴窯、豎穴窯)，後來出現了如中國南方各省依坡地建築的龍窯，或用耐火磚建造的圓形、鴨蛋形（如景德鎮窯）、半圓形窯爐以及流行於遠東一帶的階級式半倒焰窯爐。20世紀初出現了倒焰式的方形、圓形窯和連續式隧道窯。這些新型窯爐適於用石油、煤氣或電力作熱源，使陶瓷器的燒成工藝穩定、節省燃料和易於控制。

分類窯爐的類別很多，按外形分為龍窯、階級窯、饅頭窯、隧道窯、鐘罩式窯、梭式窯等；按火焰流動方式分為直焰、平焰、半倒焰和倒焰窯等；按作業方式分為間歇式窯和連續式窯等。

①鐘罩式窯：又稱高帽窯。是以兩個固定窯底和一個帶有窯牆、窯頂結構的帽罩做成一套的間歇式倒焰窯。如用燃油或煤氣作燃料，其窯底有吸火孔及支煙道；而用電力燒成的則無需吸火孔和支煙道。窯牆上可以布置燃料燒嘴，或者安裝電阻發熱元件。使用時，在裝好生坯的窯底上套上鐘罩，在另一窯底上裝置待燒的生坯。前一窯底上的坯體燒達預定溫度，冷卻至一定溫度后，即將鐘罩吊起移至第二個窯底上，加熱升溫。這種窯可以利用部分餘熱，窯內溫度均勻，周轉快，裝出窯便利，勞動條件好，並可以隨時更改燒成制度。

②梭式窯：利用窯車作為活動窯底的倒焰式或半倒焰式窯。窯車上留有吸火孔與支煙道可以與窯牆上的煙道連通。使用時，將待燒的生坯裝置在窯車上，推入窯內，進行加熱升溫，操作近似於隧道窯。當燒達燒成溫度並冷卻后將窯車從另一端推出。窯車也可以從入口拉出，這樣的窯只有一個出入口，又稱抽屜窯。此時，將裝好生坯的另一窯車推入窯內進行燒成。這種窯的優點與鐘罩式窯相同。

設計要求窯爐的設計與建造需考慮以下 3個因素。

①滿足燒成工藝因素。減少窯內各部位的溫差，並使窯內溫度穩定，重複性好。對隧道窯來說可採取以下措施：嚴格密封窯體和窯車間隙；在不影響燒成的前提下，保持窯內外壓差儘可能小；窯車採用低蓄熱耐火材料製作；料垛下面留出20～30cm走火通道，使窯斷面下部的阻力小於上部，以使部分火焰和熱煙氣加熱下部產品。

②達到最大的經濟效益。通過減少窯爐構件的蓄熱、散熱損失和合理設計窯室結構來降低熱損耗。窯的熱負荷由有效熱、熱損失和廢熱組成。理想的窯爐應能最大程度地提高有效熱、減少熱損失並設法利用廢熱。此外，窯爐需保持一定的結構強度和較長的維修間隔。

③降低勞動強度。採用合理結構以減少操作程序，應用先進機械或電子技術使工藝過程實現半自動或自動化。20世紀70年代以來，用電子計算機對窯爐進行部分和全部工藝過程式控制制，使勞動強度顯著降低，勞動生產率大幅度提高。

匣缽與窯具陶瓷器在燒成工藝中經常採用匣缽、棚板、支柱或支架等承燒器材。匣缽能起到防止陶瓷器在燒成過程中因燃氣和灰塵接觸造成污損或缺陷以及盛裝和支架的作用，提高裝窯密度。匣缽和窯具必須在高溫時不變形、不分解，具有良好的熱穩定性和機械強度，因而須採用優良的耐火材料。常用的耐火材料為粘土及熟料質高鋁耐火材料和碳化硅質耐火材料。

匣缽與窯具在陶瓷燒成過程中由於本身熱容量而增加了無效熱消耗，並且材質和形狀設計對陶瓷器的燒成質量有各種影響因素，因而是燒成工藝中值得重視的環節。