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第三节 陶瓷烧成技术与窑炉

历史上,我国瓷器在康熙年间的烧成温度最高,达到1360℃。20世纪60~70年代,我国日用瓷为了赶超国外硬质瓷,追求釉面高硬度等指标,不断提高烧成温度。湖南建湘瓷厂的烧成温度超过1400℃,甚至达到1420℃。这不仅需要提高坯体配方中的氧化铝含量,增加对优质高岭土的用量需求,而且能耗太高。之后,出现逐渐降低烧成温度的趋势,并广泛开展对烧成温度较低的软质瓷,如骨质瓷等的研究与开发。

我国的瓷器向来有“南青北白”,南方烧还原焰、北方烧氧化焰的区别和传统。在1949年以后,随着高岭土-长石-石英配方体系的推广,南北方各瓷厂所用黏土原料产地不再局限于本地,为了追求不同的瓷质和釉色效果等,各地对烧成气氛的控制出现多元化的趋势。

传统上,我国日用瓷的烧成是一次完成的,而国外的许多高档瓷则是二次烧成的。二次烧成有两种方式,一种是低温素烧、高温釉烧,另一种是高温素烧(本烧)、低温釉烧。二次烧成的实现和推广对提高我国日用陶瓷的档次,达到国外高档瓷器的水平起到了积极的作用。

陶器的烧成最初是用平地堆烧或封泥烧,后发展成半地下式的横穴窑和竖穴窑。东周战国以前使用升焰窑。战国时期出现了龙窑,东汉时龙窑得到改进和提高,烧出了瓷器。宋代时,山东、陕西等地的部分半倒焰式馒头窑已用煤作燃料。元末明初时福建德化创建了阶级窑,景德镇创建了葫芦窑。明末清初时景德镇创建蛋形窑(又称镇窑)。

一、烧成技术的进步

1911~1948年间,我国日用陶瓷窑炉技术进展不大,北方地区仍以煤烧馒头窑、倒焰窑为主,南方则以烧柴的龙窑、阶级窑及景德镇蛋形窑为主。但在窑炉的设计、制造、操作和测温技术方面学习国外,引进仪表,有所进步。

1949年以后,我国陶瓷业基本实现了由传统向现代化转变,并逐步融入世界发展的潮流。日用陶瓷的烧成工艺技术、窑炉和热工技术也有了长足的进步。

20世纪50年代初,北方烧制日用陶瓷和建筑卫生陶瓷的倒焰窑技术已较成熟。1950年,唐山第一瓷厂用108m 3 的倒焰窑烧日用瓷。1951年,河南钧瓷厂用100m 3 的倒焰窑烧蓝钧瓷。1953~1960年,启新瓷厂建设烧制建筑卫生陶瓷的煤烧倒焰窑2座。1953年,景德镇开始设计倒焰窑,至1965年全市共有大容积(90~100m 3 )圆形倒焰窑131座,烧成能力占当时日用瓷总产量的70%左右。几乎在同一时期,浙江日用瓷也由柴烧龙窑烧成过渡到煤烧倒焰窑烧成。

20世纪50年代,我国南方地区还普遍使用龙窑等窑炉。刘振群在研究和总结龙窑优点的基础上,指出改进方向,使龙窑得以保存并继续发挥作用。浙江很多陶器厂仍沿用龙窑,到1988年,诸暨还有烧陶龙窑42座。1911~1987年,龙窑仍是广东日用陶瓷的主要烧成设备,至1987年全省仍有龙窑900余座,烧成的日用陶瓷按件数计占全省总量约70%。1987年后,广东的龙窑才逐步被倒焰窑、隧道窑等所取代。在当时的历史条件下,龙窑的改进和使用对地处山区的中小陶瓷企业具有现实的意义。

从20世纪50年代末开始至70年代初,国际上陶瓷工业的窑炉热工技术随着燃料结构的改变,即由燃煤、重油等转向天然气、液化石油气和轻油等,实现三大技术突破,一是发明和使用高速调温烧(喷)嘴,二是广泛使用新型耐火材料和隔热材料,三是采用精密自动控制系统。在此基础上,发展了以推板窑、辊道窑为连续式作业的代表窑炉,以梭式窑(又称抽屉窑)、钟罩窑(高帽窑)为间歇式作业的代表窑炉,从而使窑炉由传统的土木砖石“构筑物”变成了机电一体化、有较高技术含量的“烧成机器”。

自20世纪80年代开始,我国引进了一批先进的窑炉设备和相关的热工技术。与此同时,我国的陶瓷窑炉热工理论工作者也积极投身于引进设备和技术的消化吸收和再创新工作,在多方面取得了一大批有价值、水平较高的科技成果,对于我国热工技术的发展和窑炉结构、作业的进步具有较大的指导意义。

在现代陶瓷工业的各行业中,采用最多的窑炉是窑车式隧道窑(通常简称“隧道窑”)、辊道窑和梭式窑。因此,有人把这三种窑炉称为“三大主力窑型”。

二、隧道窑

隧道式窑炉开始是用于日用陶瓷的烤花,后来才用于上釉坯体的烧成。

1949年以后,景德镇在技术进步方面做出了显著成绩。1957年12月,由陶瓷研究所、工艺美术合作工厂建造成功第一座隧道锦窑,用于烤花。至1964年10月,全市共建成隧道锦窑24条,基本实现了彩瓷烤花隧道锦窑化。

20世纪60年代中期后,我国传统的日用陶瓷烧成窑炉逐渐被隧道窑、梭式窑等所取代。1963年,山东博山陶瓷厂研制并建成国内第一条日用陶瓷煤烧隧道窑,随后,轻工业部开始向全国推广。到70年代末,全国共建成日用陶瓷煤烧隧道窑400多条。

1950年,沈阳陶瓷厂(当时叫第一陶瓷厂)就设计使用了我国卫生陶瓷生产用第一条煤气烧成隧道窑。但直到20世纪70~80年代,我国才普遍使用煤烧明焰匣缽隧道窑烧制卫生陶瓷。1982年,河南新安县瓷厂建设了卫生陶瓷煤烧隔焰隧道窑,代替倒焰窑和明焰匣钵隧道窑,后在全国中小卫生陶瓷厂得到普遍使用。

20世纪70年代,唐山市建筑陶瓷厂研制成功釉面砖素烧煤烧隧道窑。1970年,景德镇陶瓷厂王文秀等研制成功釉面砖釉烧多孔推板窑,1975年以前烧煤,1975年后改作烧重油。

20世纪60年代,大庆油田的建成,使重油和残渣油可以作为工业燃料。20世纪60~70年代,我国的煤烧隧道窑大多经技术改造成以重油为燃料的油烧隧道窑。1965年,湖南建湘瓷厂建造了我国第一座用重油烧成日用瓷的隧道窑。1976年,景德镇宇宙瓷厂和光明瓷厂建成两座由江西省陶瓷工业公司设计的油烧隧道窑,在各瓷厂推广,到1983年全市共建油烧隧道窑17座。1970~1984年,郑州瓷厂先后建成两座以重油为燃料的隧道窑,1980年,建成一座隔焰式燃重油隧道烤花窑。

1971年,唐山陶瓷厂、中国建筑西北设计院和中国建筑材料科学研究院研究成功卫生瓷重油隔焰隧道窑,实现了无匣钵烧成。1972年,沈阳陶瓷厂建成烧残渣油小型隧道窑,用于烧成红地砖、卫生瓷。1975年,景德镇建筑陶瓷厂建成了由陕西省第一建筑设计院设计的用重油烧成的隔焰隧道窑,替代煤烧倒焰窑与煤烧隧道窑,用于釉面砖的素烧,也可替代多孔窑用齿钵装施釉素坯用于釉面砖的素釉烧。

20世纪80年代,中国建筑西北设计院设计研制出烧热煤气卫生瓷半隔焰隧道窑在大同云岗陶瓷厂投产。沈阳陶瓷厂建成重油半隔焰隧道窑。唐山建筑陶瓷厂和天津计算机厂开发出卫生瓷油烧隧道窑微机联控技术,对四条卫生瓷隧道窑的烧成温度、压力、气氛进行自动联控。

从20世纪80年代到90年代初,我国唐山、佛山、湖南、景德镇等产区陆续从德国RIEDHAMMER、日本东陶、澳大利亚GENERAL、瑞士NIRO、美国SWINDELL DRESSLER、美国BICKLEY、英国BRICESCO等公司引进了大量以洁净煤气、液化石油气或轻柴油为燃料,用微型计算机控制、新型轻质耐火材料构筑,采用高速烧嘴或脉冲烧嘴的现代隧道窑,用于生产卫生陶瓷、日用陶瓷或电瓷。经过消化吸收再创新,使我国现代隧道窑的设计、建造能力迅速发展和提升,达到国际先进水平,不仅可以基本满足国内陶瓷工业的需求,而且进入了国际市场。

三、辊道窑

辊道窑又称辊底窑,具有生产连续、烧成周期短、能耗低等特点。20世纪70年代,国外辊道窑的制造技术趋于成熟。在国内,辊道窑被首先用于日用陶瓷的烤花,以后才用于上釉坯体的烧成。

1974年,山西省闻喜县陶瓷厂建成我国第一条煤烧日用瓷烤花隔焰辊道窑。同年,辽宁省海城县陶瓷四厂建成我国第一条油烧日用瓷烤花隔焰辊道窑。1981年10月,第一台CGC32型油烧辊道烤花窑在景德镇宇宙瓷厂投产。1981年,河南焦作陶瓷三厂建成全省第一条电辊道烤花窑,1989年又改造成计算机控制的辊道烤花窑。1991年,景德镇4369工程从德国引进一座气烧釉中彩辊道窑。1994年9月,重庆兆峰有限公司从德国HEIMOSOTH公司引进的明焰无匣快烧辊道窑建成投产,扔掉了日用陶瓷行业使用了千年的匣钵。90年代后期,国内相继引进消化吸收辊道窑的技术,研制国产化辊道窑。湖北中洲窑炉公司为邯郸、高淳、淄博等地日用陶瓷厂建造的辊道窑的能耗仅是传统隧道窑的1/3左右。此后,高温日用陶瓷辊道窑在我国迅速得到了广泛应用。

辊道窑是陶瓷砖生产最适用的窑型,在所有窑型中能耗最低。1974年,沈阳陶瓷厂李廷江等自主开发出第一条烧重油的釉面砖国产辊道窑。1982年,中国建筑材料科学研究院孙琳等和黄石建筑陶瓷厂研制成功油烧双层辊道窑。80年代中后期,山东工业陶瓷研究设计院杨仲青等研发出煤电混烧辊道窑。1983年,佛山石湾利华装饰砖厂从意大利WELKO公司引进带辊道窑的年产30万平方米彩釉砖全自动生产线,1986年,中国建筑材料科学研究院陶瓷所、佛山市石湾化工陶瓷厂、佛山市陶瓷工贸集团公司设备能源部等通过引进消化吸收研制出燃重油的半隔焰辊道窑。同年,佛山市节能技术服务中心和佛山市石湾建筑陶瓷厂研制成功燃重油辊道窑的微机控制技术。1988年,新疆建材陶瓷厂自行开发出电热辊道窑,用于快烧彩釉砖。1991年,中国建筑材料科学研究院陶瓷所和唐山轻工业机械厂研制成功微机控制的FRW2000单层辊道窑,用于自贡墙地砖厂。其后,各窑炉公司大量生产陶瓷砖用辊道窑。到90年代末,辊道窑已取代了其他所有的窑型,使陶瓷砖的生产实现了烧成辊道窑化。20世纪末,辊道窑的长度最长的达400多米。2010年科达、摩德娜、中窑、鑫信等公司制造出窑宽3.0~3.2m的宽体辊道窑。现在,摩德娜、科达等公司的辊道窑已大量出口到印度、越南、泰国、印尼、美国等国家。

1990年,佛陶集团彩洲陶瓷厂引进意大利莫里公司的卫生瓷辊道窑(54m×1.4m)投产。1994年,石湾建陶厂引进卫生瓷辊道窑。2001年,河南新郑市大根陶瓷有限公司建成国产第一条78m×1.5m卫生陶瓷燃气辊道窑。近年来,新郑欧普和禹州欧亚公司先后建成90m×2.10m气烧辊道窑。河南卫生瓷辊道窑技术走在了全国的前列。

四、梭式窑

梭式窑又叫抽屉窑,属间歇式窑炉,具有容积可大可小、烧成制度灵活性大等优点而得到广泛使用。1974年,由淄博市硅酸盐研究所、淄博瓷厂、博山陶瓷厂共同设计的全国第一座以轻柴油为燃料的快速自动烧成6m 3 梭式窑在淄博市硅酸盐研究所建成。1979年,江西省陶瓷公司自行设计建造成功全市第一座5m 3 油烧梭式窑。1987年,景德镇窑具厂从英国阿克米-玛尔斯公司引进了一座气烧梭式窑,用于生产碳化硅棚板、薄壁人工合成莫来石质匣钵等轻质窑具。1988年,汕头特区建业陶瓷公司从日本引进了我国第一座液化气自吸式烧嘴的砖棉结构梭式窑。1991年,江西省陶瓷研究所窑炉组对汕头引进窑炉进行了消化吸收,设计出砖棉混合结构的液化气梭式窑,销往全国。

在建筑卫生陶瓷行业,梭式窑主要用于卫生陶瓷修补后的重烧和彩烧,也可用于卫生陶瓷的一次烧,一般使用气体燃料。2002年,佛山安然热工窑炉设备公司制造的55m 3 全自动脉冲燃烧梭式窑在四川泸州兴达洁具厂使用。2004年,广东伊丽卫浴设备公司180m 3 自动控制梭式窑投产,年产卫生陶瓷75万件。同年,潮州新高陶瓷窑炉研究所制造的150m 3 自动控制梭式窑在潮州梦佳卫生瓷厂投产,兴中信窑炉公司在潮州建成90m 3 梭式窑用于烧成卫生瓷。

近20多年来,我国自行设计建造的液化气梭式窑已在各地(尤其是景德镇与潮州地区)的陶瓷企业得到广泛应用,用于日用瓷、陈设艺术瓷和卫生瓷的烧成。2006年,潮州的梭式窑总容积达5万立方米,卫生瓷年产量的约90%用梭式窑烧成。

20世纪80年代初,电瓷行业从国外引进了高速烧嘴间歇式梭式窑,使电瓷的烧成条件得到极大改善。80年代中后期,我国完成了高速烧嘴间歇式梭式窑的国产化工作,燃料主要为城市煤气、发生炉煤气、天然气、液化气、重油等。目前,国内电瓷业已有上百座这种窑炉在使用。 I5L62VxIPp3UWM5GfM71Bjn89fQm6plhaXNPqeNw3c/Fz1XmH45s3ImVmPvQmzdL

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