分析坯釉配方及烧成对辊棒痕的关系与直接影响
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分析了在烧成过程中影响砖坯变形的因素, 并对砖坯在窑炉烧成过程中各种受力导致辊棒痕产生的根源进行了详细受力分析。采用高温显微镜法和热膨胀曲线, 在大生产条件下对比研究釉的熔融性能与坯釉膨胀系数等对砖形 (辊棒痕) 的影响, 认为釉料固化温度高低是导致辊棒痕产生的重要根源之一, 而釉面粘度、表面张力、光泽度是加强辊棒痕视觉的重要因素。
１砖坯在烧成过程中变形的影响因素
烧成过程中砖坯变形影响因素和砖坯在行进过程的受力分析图，分别见图１、图２、图３、图４所示。
当已经出现轻微弯曲时的砖坯从辊棒间隙前进至下一条辊棒时，砖坯受力图如图３所示。
从图 ３ 中可以看出，砖坯在最软的时候，重力 Ｇ使它向下掉弯，摩擦力 Ｆ 使它前进，同时 Ｆ 力有促使砖弯曲变形的趋势；砖坯在软化时与辊棒接触面增大；表面张力 Ｎ 可以将坯拉伸向上，当行进至下一根辊棒位置时，已经弯曲的砖坯还会受到辊棒对弯曲砖坯的瞬间阻力，受摩擦力的作用又会将坯拉伸至辊棒上。
当砖坯软化至冷却收缩时，重力 Ｇ＋L2＋Ｆ 使砖坯向下掉弯，L3 使砖坯整体向上凹。在砖坯匀速通过，急冷风压力稳定情况下，L1使砖坯拉向上，L2在重力 Ｇ 与 L3和阻力的作用下，使砖坯掉角呈弯弧状。砖坯冷却过程受力分析图如图４所示。
从图2、图3、图4可以看出, 重力G是始终存在的, 如何使砖坯在软化时高温粘度大, 减少变形这是涉及坯料配方的问题;同时釉料有加剧坯体软化的作用, 烧成制度对变形的影响也同样存在。
在讨论问题时, 为了使问题简化, 暂不考虑由于烧成不当造成坯体软化、辊棒长钉、坯体互相碰撞或者窑炉温差过大等因素引起的各种不规则变形, 仅考虑由于釉料配方导致的受力变化进行试验和分析。
２坯体对辊棒痕的影响分析
2.1 化学组成对辊棒痕的影响
1） Al2O3
氧化铝（主要来源于粘土）含量高，莫来石形成量多，坯体抗变形的能力好。在坯体中钾、钠含量一定的情况下，氧化硅降低高温粘度，氧化铝则会提高高温粘度。一般来说，一定温度下坯体配方中氧化铝含量应尽量高，熔剂含量中钠含量应适当的低、钾含量适当高，坯体不容易变形。
2 ） K2O/Na2O
氧化钾、钠（主要来源于钾、钠长石和砂、石粉）作为助熔剂其含量多则变形大；其中钠长石始熔点低（约1120℃），坯体高温粘度小且随温度变化快，烧成范围窄，变形倾向大。以钾长石为主的玻璃相则熔体高温粘度大，并且粘度随温度变化速率小，熔融范围宽，使陶瓷制品在高温下不容易变形。一般来说，坯体配方中K2O与Na2O的比例，最好控制在1:0.8～1:1.2的范围之内。
3 ） CaO/MgO
氧化钙和氧化镁能显著地降低坯体烧结温度和高温粘度；坯体中滑石加入量虽少但引起的变形程度较钾、钠要大得多。
2.2 粘土原料的影响
坯料中粘土类原料在高温下生成稳定的结晶相——莫来石，交错贯穿在瓷胎中，构成骨架，提高制品的机械强度和热稳定性，其种类、结晶程度与变形密切相关。黑、白泥属于高岭石类粘土，结晶程度比较好的高岭石类粘土抵御变形的能力较强；而结晶程度差、晶形发育不完全的粘土类原料和微晶高岭石类粘土容易变形。在坯料配方中要注意黑泥对砖形的影响，尤其是氧化铝含量高但颗粒细、腐殖质含量多的种类。此种黑泥结晶程度差，其变形量将远远大于其铝含量高抵抗变形的作用，导致整砖有较大变形。
2.3 坯体泥浆颗粒级配的影响
球磨泥浆颗粒过细，颗粒级配不合理，将使粉料烧结温度降低，从而更容易变形。
2.4 粉料的容重和颗粒级配的影响
粉料容重小、细颗粒多，其填充密度小，在压机压力一定的情况下，坯体致密度差容易变形。影响粉料性能的主要因素之一是泥浆性能,泥浆流速差、触变大、不仅使球磨效率降低,同时粉料的容重小、粉料流动性不好、颗粒强度低、压缩比大。
3 釉料配方对辊棒痕的影响分析试验
釉和玻璃是一样的无固定熔点，只在一定的范围内逐渐融化，在升温过程中，釉料制成的圆柱体试样会发生连续的变化，一般要经历以下几个关键温度点（见图５）。
1) 软化点。釉料熔融前呈现塑性的最高温度。
2) 始熔温度。圆柱体出现抹角, 棱角变圆。
3) 半球点。投影为半球状, 试样与垫片间的接触线为高度的2倍, 釉料完全熔融的温度。
4) 流动点。试样投影扁平2格, 高度降为原来的1/3或接触角<30°。
5) 熔融温度范围是指半球至扁平两格的温度范围。
釉的始熔温度、烧成温度范围之间没有比例关系, 但与组成和性能有关。产生坯釉应力的开始温度即固化温度, 是从软化点开始产生应力, 还是从转变点开始?目前普遍认为:软化温度时, 釉熔体粘度太小, 尚不能产生应力。日本稻田博等学者认为, 转变点釉熔体已经硬化, 开始产生应力的温度应该高于这个温度, 产生坯釉应力的开始温度应取两者的平均温度 (见图6) ;国内学者赵达峰提出应在固化温度下, 把坯体和釉熔块测定的膨胀系数曲线重合起来进行坯釉应力研究 (见图7) 。
砖坯从窑头到窑尾经历下列工艺过程, 即:干燥收缩始熔前膨胀烧成收缩冷却收缩, 见图8、图9、图10。
图8所示施釉后的砖坯略带凸形进窑。图9砖坯上层大量水分蒸发, 产生干燥收缩。图10釉层比坯层先行熔化提前膨胀, 砖形产生弯曲变形。
在没有施釉的情况下, 砖坯在1 080~1 100℃膨胀, 施釉之后釉层比坯层先熔, 导致膨胀提前, 且上下膨胀不均匀, 致使此阶段砖形呈凸形。如果釉料的始熔温度越低, 膨胀差就越大, 砖坯凸形越明显, 到完全烧结, 烧塌时掉角就会越大 (仅从工艺角度分析, 不考虑窑炉中、前温的上下温差) , 见图11, 图12。当然, 如果L2>L1, 则整体砖形偏凸。
3.1 釉料热膨胀系数
设计选择两组釉配方A1/A2在大生产辊道窑炉中同时烧成, 并进行对比观察, 见表1。
两个配方烧成后釉面光泽度实测差异很小, 但是A1#釉比A2#釉辊棒痕视觉上明显严重, 将两者膨胀曲线进行实测对比分析, A1#有锌釉的膨胀釉系数比A2#大, 30~600℃平均热膨胀系数分别为7.491 5×10-6/℃和7.288 7×10-6/℃。从砖坯受力分析图上可以看出:与膨胀系数相关的力为L1和L2, 也就是说不管L1和L2如何变化, 都不会影响辊棒痕的产生。
上述实验说明坯、釉料热膨胀系数的大小能影响砖形, 但只能使砖形整体凸或凹, 不会使砖形出现规律的波浪状凸凹变形, 热膨胀系数不是产生辊棒痕视觉明显差异的主要根源因素。
3.2 表面张力和高温粘度、釉面光泽度
从受力图上可看到, 如果表面张力N增大, 是有因重力G的拉伸作用而“耷低的头”, 使其“抬头”的趋势, 但表面张力不能无限增大。通常, 表面张力大的釉料其高温粘度亦大, 表面张力N再大, 也远远小于重力G。但表面张力N如果太小, 高温粘度亦很小, 则釉层充分润湿或渗透互熔坯层表面, 加剧了坯体的软化, 不利于砖形平整。
在1200℃左右时, 釉中各氧化物表面张力大小顺序为:Al2O3>MgO>CaO>BaO>SiO>ZrO2>ZnO>Na2O。
不同釉料配方在烧成后形状是千变万化的, 对于哑光釉料而言, 烧成后釉面光泽度与硅铝比、结晶物质组成和晶化程度密切相关, 然而它们不是产生辊棒痕的根本原因。
3.3 熔融性能
为进一步论证始熔温度对受力分析的影响, 设计了如下两组试验。
1) 设计3#、4#、5#配方在大生产辊道窑中同时烧成, 烧成后光泽度调整控制在15~18接近, 然后进一步观察。
结合A1、A2配方的高温影像分析和热膨胀曲线, 其始熔温度分别是1 038℃以前和1 060℃, 无锌釉的始融点较高, 砖形较好, 可以判定砖坯在中前温段, 到完全熔融至坯体烧结阶段的砖形变化较小。
B配方始熔温度在1 048℃以前, 辊棒痕明显且带勾;C配方始熔温度在1 047℃以后, 无辊棒痕, 砖形好;D配方始熔温度接近1 095℃处, 无辊棒痕出现, 砖形很好。
2) 选用不同膨胀系数不同化学组成的熔块, 按照90%熔块, 10%球土比例配成面釉E、F、G, 在大生产辊道窑同一窑位中同时烧成, 烧成后光泽度、膨胀系数、软化点温度实测如表３所示。
3.4 化妆土、花釉、透明釉对辊棒痕砖形的影响
大多数瓷质砖表面都施有一层透明釉或者表面印花, 如果坯釉的热膨胀系数不匹配, 同样会引起变形, 这一点在瓷质砖的变形问题中往往得不到重视[5];花釉、透明釉对砖形均不利, 均会增加砖形掉角+0.1~+0.2, 是因为花釉、透明釉可能会降低面釉的始熔温度, 而且在高温阶段降低表面张力、高温粘度, 加剧砖坯软化所致。
化妆土与坯体更加接近, 可以极大拓宽生产砖型调节范围, 也有利于辊棒痕的调整已为生产验证, 在此不再赘述。
4 结论
瓷质砖的辊棒痕形成原因与釉料组成密切相关, 也跟窑炉烧成制度与砖坯在窑炉辊棒上运动状态密切相关。
1) 高温粘度、表面光泽度不是产生辊棒痕的根本因素, 但高温粘度和表面张力影响釉料烧成后融平能力;不同釉料配方体系烧成后光泽程度和釉面平整度不同, 将在视觉上造成更大的辊棒痕差异;
2) 辊棒痕的产生与面釉的始熔温度, 表面张力及高温粘度有关;不同釉料配方始熔点、软化点、转变点的不同而导致固化温度高低的不同, 在烧成后在不同冷却阶段由于坯釉热膨胀系数差异综合作用力于坯体, 是导致辊棒痕产生的重要根源。
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