前言
生產(chǎn)陶瓷的一個(gè)重要過程是燒成，燒成是在熱工設(shè)備中進(jìn)行的，這里熱工設(shè)備指的是先進(jìn)陶瓷生產(chǎn)窯爐及其附屬設(shè)備。焙燒陶瓷的窯爐類型很多，同一種制品可在不同類型的窯內(nèi)燒成，同一種窯也可焙燒不同的制品。先進(jìn)陶瓷生產(chǎn)所用窯爐，其發(fā)展過程是由低級到高級，由產(chǎn)量、質(zhì)量低，燃料消耗大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，燒成溫度低，不能控制氣氛，發(fā)展到產(chǎn)量、質(zhì)量高，燃料消耗低，燒成溫度高，能控制氣氛，以及機(jī)械化和自動(dòng)化。按窯爐的操作來分，可分為間歇式窯爐和連續(xù)式窯兩大類。間歇式窯爐按其功能新穎性可分為電爐、高溫倒焰窯、梭式窯、鐘罩窯和SPS燒結(jié)爐。本文主要對間歇式窯爐進(jìn)行簡略介紹。
1.電爐
電爐是電熱窯爐的總稱。一般是通過電熱元件把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，可分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐、電子束爐和離子爐等五類。
(1)電阻爐
當(dāng)電源接在導(dǎo)體上時(shí)，導(dǎo)體就有電流通過，因?qū)w的電阻而發(fā)熱的一種電熱設(shè)備。這類電爐按爐溫的高低可以分為低溫（工作溫度低于700℃）、中溫（工作溫度為700~1250℃）和高溫(工作溫度大于1250℃）三類。
①箱式電阻爐：外形像箱子，爐腔呈長六面體，靠近爐腔內(nèi)壁放置電熱體。主要用于單個(gè)小批量的大、中、小型制品的燒成。
②井式電阻爐：爐腔高度大于長度和寬度（或直徑）,爐門開在爐頂面，用爐蓋密封。電熱體通常布置在爐腔的側(cè)壁上。多為圓形、正方形或長方形。適宜于燒制管狀制品，深井電爐通常沿高度分成幾個(gè)加熱區(qū)，各區(qū)溫度通過分別控制功率來調(diào)節(jié)，使電爐沿整個(gè)高度溫度分布均
(2)感應(yīng)爐
由于電磁感應(yīng)作用在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而這種感應(yīng)電流因?yàn)閷?dǎo)體的電阻而產(chǎn)生熱能的一種電爐。它又可分為感應(yīng)熔煉爐和感應(yīng)加熱爐，常利用感應(yīng)爐研制氮化硅等熱量主要由電弧產(chǎn)生的電加熱爐。用于人工合成云母、生產(chǎn)氧化鋁空心球及硅酸鋁耐火纖維優(yōu)質(zhì)保溫材料等。
(4)電子束爐
利用高速運(yùn)動(dòng)的電子能量作為熱源來加熱的電爐，又稱為電子轟擊爐。電子轟擊加熱器已經(jīng)用來加熱高溫X-光粉末照相機(jī)中的試樣，用電子束加熱浮區(qū)熔化法制備高熔點(diǎn)金屬單晶如超純鈞單晶純度99.9975%),用電子束加熱硅單晶爐和用電子束熔爐。另外，電子束用于焊接、蒸發(fā)鍍膜、熱處理等方面。
(5)離子爐
利用電能所產(chǎn)生的等離子體的能量來進(jìn)行加熱的電爐?；鹧娓G爐能達(dá)到的溫度有一定的限度，通常不超過2000℃?？墒牵入x子體利用一部分電離能，故很容易地達(dá)到10000℃以上的溫度。
2.高溫倒焰窯
倒焰窯主要是以煤和油為燃料，這些燃料燃燒而獲得能量。它的結(jié)構(gòu)包括3個(gè)主要部分窯體（有圓窯和矩形窯）、燃燒設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備，其內(nèi)部示意圖如圖1所示。將煤加進(jìn)燃燒室的爐柵上，一次空氣由灰坑穿過爐柵，經(jīng)過煤層與煤進(jìn)行燃燒。燃燒產(chǎn)物自擋火墻和窯墻所圍成的噴火口噴至窯頂，再自窯頂經(jīng)過窯內(nèi)制品倒流至窯底，由吸火孔、支煙道及主煙道向煙肉排出。在火焰流經(jīng)制品時(shí)，其熱量以對流和輻射的方式傳給制品。因?yàn)榛鹧嬖诟G內(nèi)是自窯頂?shù)瓜蚋G底流動(dòng)的，所以稱為倒焰窯。
圖1.倒焰窯整體示意圖
3.梭式窯
梭式窯是一種窯車式的倒焰窯，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的矩形倒焰窯基本相同。燒嘴安設(shè)在兩窯墻上，并視窯的高矮設(shè)置一層或數(shù)層燒嘴。窯底用耐火材料砌筑在窯車鋼架結(jié)構(gòu)上，即窯底吸火孔、支煙道設(shè)于窯車上，并使窯墻下部的煙道和窯車上的支煙道相連接，利用卷揚(yáng)機(jī)或他牽引機(jī)械設(shè)備，使裝載制品的窯車在窯室底部軌道上移動(dòng)，窯車之間以及窯車與窯墻之間設(shè)有曲封和砂封。梭式窯結(jié)構(gòu)如圖2所示。
窯室內(nèi)容車數(shù)視窯的容積而定，小容積梭式窯容車一、二輛，大容積梭式窯在寬度方向上可并排放兩輛窯車，在長度方向上可排四輛或更多的窯車。
圖2. 梭式窯結(jié)構(gòu)如圖
梭式窯可在窯室長度方向上的兩端都設(shè)置窯門，在窯外碼裝好制品的窯車由一端窯門推入窯內(nèi)，制品燒好并冷卻至一定溫度后的窯車從窯室的另一端推出，接著把另外已裝好制品的窯車推入窯室內(nèi)；也可是在同一側(cè)的同一窯門推入，燒結(jié)冷卻后推出，像書桌里抽屜一樣在窯內(nèi)來回移動(dòng)，所以又稱為抽屜窯。
因?yàn)橹破肥窃诟G外裝車、卸窯車，且易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作。所以與傳統(tǒng)的倒焰窯窯內(nèi)裝、卸制品相比較，大大地改善了勞動(dòng)條件和減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。
4.鐘罩窯
鐘罩窯是一種窯墻，窯頂構(gòu)成整體像一個(gè)鐘罩，并可移動(dòng)的間歇窯，故稱為鐘罩窯。其結(jié)構(gòu)基本上與傳統(tǒng)的圓形倒焰窯相同。燒嘴沿窯墻圓周安設(shè)一層或數(shù)層，每個(gè)燒嘴的安裝位置都是火焰噴出方向與窯橫截面的圓周成切線方向。鐘罩窯常備有兩個(gè)或數(shù)個(gè)窯底，在每個(gè)窯底上都設(shè)有吸火孔以及與主煙道相連接的支煙道。窯底的結(jié)構(gòu)分窯車式和固定式兩種。窯車式鐘罩窯在使用時(shí)，先通過液壓設(shè)備將窯罩提升到一定的高度，然后將裝載制品的窯車推入窯罩下，降下窯罩，嚴(yán)密砂封窯罩和窯車之間的結(jié)合處，即可開始燒窯。固定底式鐘罩窯在使用時(shí)，利用起吊設(shè)備將窯罩吊起，移至裝載好制品的一個(gè)固定窯底上，密封窯罩與窯底，即可燒窯。制品將燒成并冷卻至一定溫度之后，便將窯罩提升，推出窯車，再推入另一裝好制品的窯車；或?qū)⒏G罩吊起，移至另一固定窯底上，繼續(xù)燒另一窯制品。
圖3.鐘罩窯示例
鐘罩窯是在窯外裝卸制品的，與傳統(tǒng)的倒焰窯比較，大大地改善勞動(dòng)條件和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，與梭式窯一樣，使用高速調(diào)溫?zé)煲蕴岣邆鳠崴俾?，縮短燒成時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省燃料消耗量，尤其是使用輕質(zhì)耐高溫的隔熱材料為窯襯，不但減少窯體向外散熱和蓄熱量，而且大大地減輕窯罩的金屬鋼架結(jié)構(gòu)和起吊設(shè)備的負(fù)擔(dān)，并且可以像梭式窯一樣采用程序控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)窯爐升溫各階段的自動(dòng)控制。
還有一種可以變更窯室高度的鐘罩式窯，窯墻、窯頂可以利用起吊設(shè)備單獨(dú)吊起，并且窯墻是分圈砌筑的，可根據(jù)焙燒制品的高度需要而靈活地裝拆，以變更窯室的高度。因?yàn)楦G墻的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)個(gè)蒸籠一樣，故又稱這種窯為蒸籠窯。
5.SPS燒結(jié)爐
SPS燒結(jié)爐是利用放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵(lì)下的一種物質(zhì)狀態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外，物質(zhì)的第四種狀態(tài)。等離子體是電離氣體，由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體。等離子體是解離的高溫導(dǎo)電氣體，可提供反應(yīng)活性高的狀態(tài)。等離子體溫度4000~10999℃，其氣態(tài)分子和原子處在高度活化狀態(tài)，而且等離子氣體內(nèi)離子化程度很高，這些性質(zhì)使得等離子體成為一種非常重要的材料制備和加工技術(shù)。SPS燒結(jié)爐主要包括以下幾個(gè)部分：軸向壓力裝置；水冷沖頭電極；真空腔體；氣氛控制系統(tǒng)（真空、氨氣）;直流脈沖電源及冷卻水、位移測量、溫度測量和安全等控制單元。SPS燒結(jié)爐的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4. SPS燒結(jié)爐的基本結(jié)構(gòu)
SPS燒結(jié)爐與熱壓（HP)有相似之處，但加熱方式完全不同，它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴(kuò)散作用。SPS燒結(jié)爐是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進(jìn)行燒結(jié)的。這種放電直接加熱法，熱效率極高，放電點(diǎn)的彌散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱，因而容易制備出均質(zhì)、致密、高質(zhì)量的燒結(jié)體。SPS燒結(jié)爐燒結(jié)過程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個(gè)促進(jìn)燒結(jié)的因素外，顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫，可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)（如去除表層氧化物等）和吸附的氣體。電場的作用是加快擴(kuò)散過程。
本文整理自由武漢理工大學(xué)出版社出版的《先進(jìn)陶瓷工藝學(xué)》P131-135主編劉維良
