陶瓷｜深度分析瓷质釉面砖变形与辊棒痕的影响因素

摘要

 本文主要针对瓷质釉面砖生产常出现的辊棒痕缺陷进行分析，从坯、釉和烧成三方面找出控制点和调整方向以达到指导生产的目的。

关键词  辊棒痕  坯釉适应性  烧成制度  化学组成

一、引言

陶瓷砖的烧成是有液相参与的烧结过程，伴随着熔融、软化、收缩等一系列烧结现象的出现，因坯釉性能不同、烧结状态不同、窑内热气体传热速度不同等导致砖形随之变化，当这种变化超过一定范围就会成为缺陷或痕迹留在制品上，使砖坯变形。

所谓辊棒纹就是在瓷砖表面形成的与辊棒方向平行的波浪纹变形现象，它一般出现在距砖边缘5～8cm处，是因为瓷砖在烧成过程中高温下局部受辊棒的阻力作用而产生的轻微变形引起的缺陷。该缺陷在瓷质砖产品中表现得更加明显，更为突出。它与坯体的高温抗变形能力、坯釉膨胀系数的匹配状况、施釉方法、烧成制度等有较大关系。本文从坯、釉和烧成三方面进行实验、分析对辊棒纹产生的影响因素，从而找出控制点和调整方向以提高生产优等率。

二、坯体对辊棒纹的影响

1 、 化学组成对辊棒纹的影响

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  、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。

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。

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。

三 、釉料影响

砖的变形与釉的高温粘度、表面张力、熔融温度、膨胀系数有关，而这些影响因素与釉料组成有关；同时釉层厚度对变形也有直接的影响。

1、釉的组成与高温粘度、表面张力的关系以及对变形的影响

表面张力大的釉层有拉伸坯体的作用力，在坯上铺展容易使釉面不平成波纹状，甚至高温下产生缩釉；表面张力小的釉，釉面粗糙或容易形成针孔。表面张力大的釉其高温粘度也大，反之表面张力小的釉高温粘度也小；釉的表面张力大小受组成影响，受温度的影响变化不大；而高温粘度是随温度升高而降低。

一般来说，釉的粘度受釉组成中碱金属、碱土金属氧化物含量及其离子半径和离子间的极化能力大小的影响。在碱金属离子中,以离子半径大的取代离子半径小的，表面张力就会明显降低，其降低程度以分子量小的Li₂O最为显著，因为重量相等时，它引入的阳离子较多，其次是Na₂O降低程度大于K20，排序如下： Li⁺ <Na⁺<K⁺<Pb²⁺<Cs⁺；碱土金属氧化物对粘度的影响排序如下：

Ca²⁺1.06 A°>Zn²⁺0.83A°>Mg²⁺0.78A°。二价金属离子中钙、钡、锶的作用相近，它们对釉的表面张力有降低的作用，也随着离子半径的增大而明显降低。

一般釉中氧化钠存在SiO₂降低表面张力，A1₂O₃则提高釉的表面张力。

从增加釉对坯体的拉伸变形作用的角度考虑，应增加釉的粘度即加大表面张力；表面张力大的釉可以使砖形偏凹。

2 、 坯、釉膨胀系数大小的影响

坯釉膨胀系数的大小反映坯釉适应性是否良好，坯釉适应性是指熔融性能良好的釉，冷却后于坯体紧密结合成完美的整体。影响坯釉适应性有四个方面：即坯釉的膨胀系数之差、坯釉中间层、釉的弹性和抗张强度以及釉层厚度。

由于釉覆盖着坯体并紧密成一体，所以当釉的膨胀系数低于坯时，釉比坯的收缩小。釉除本身的收缩作用变形外，还受到坯体收缩时所赋予的压缩作用，使它处于受压弹性形变。反之,当釉的膨胀系数大于坯时，釉受到拉伸作用，产生拉伸弹性形变，使它处于张应力状态。具有压应力的釉机械强度好，制品的热稳定性也随之提高，砖形整体偏凸；当处于张应力状态时砖形整体偏凹。一般陶瓷砖釉层是处于受压状态。

3、釉面平滑度与光泽度的影响

对于不同的产品其基础釉有较大的差别，就光泽度而言，我们称为很雅、比较雅、雅；其釉面也有细腻、比较细腻、粗糙之分；在这种光泽的过渡中，除了砖坯本身的变形外，较光泽的釉面借助光线反射表现出的光泽差异也比较大；而比较雅的釉面对光泽反射明显降低；即很雅或粗糙的釉面辊棒痕的表现要轻微的多。

4 、施釉方法和釉层厚度的影响

对于不同的施釉方法，淋釉产品较喷釉产品釉层厚度增加，釉层加厚使釉的压应力降低、张应力增加、凸变形减小；另外淋釉产品的釉层表面较喷釉产品细腻光滑，光滑的生釉层有利于烧成后釉面光线的反射；所以淋釉产品辊棒痕比较严重比较确切的解释应该是细腻和光泽度较好的原因。

釉层加厚总的趋势是使釉的压应力降低，表现为烧成制品凸变形减小。由于釉层厚度不同，煅烧过程中釉组成改变的情况也不同，一般情况下釉层厚度<0.3mm，釉组成的变化对釉应力的影响比较明显。

薄釉层在煅烧是组分改变相应较大，中间层相对厚度增加，有利于提高釉中压应力。当釉层较厚时，釉应力降至最低值而且不再继续变化同时釉与坯的种类不同，釉层对应力的影响也不相同。

E石代产品中淋釉较喷釉釉层相对较厚，故对于同样的配方和烧成制度的淋釉产品来说相对凸变形较小。

四、烧成影响

1、温度的影响

砖形变化是在烧成过程中表现出来的，窑炉的温度和压力对变形构成直接的影响。

先回顾一下陶瓷制品的烧结过程：

1）从室温-300℃ 为吸附水排除阶段，这一阶段坯体强度和气孔率增加而收缩较小。对于非可塑性原料的坯体来说，会变得疏松多孔,强度降低。

2）300-950℃ 分解与氧化阶段，有机物在350℃ 以上氧化,碳素在600℃以上氧化，粘土和含水矿物排除结晶水、573℃石英晶形转变、坯料中的杂质碳酸盐分解产生CO2气体,铁的硫化物、硫酸盐分解和氧化,950℃有少量低共熔物的出现。

3）970℃-最高烧成温度,液相出现坯体进入烧结阶段；

4）950℃ 以上硫酸盐的分解、高价铁还原与分解,由粘土矿物分解产生的无定形A12O3、Si02在1100℃开始生成莫来石，长石在1170℃ 开始分解析出白榴石并有大量液相生成，液相促进高岭石分解形成莫来石。由高岭石分解形成粒状和片状一次莫来石，由长石熔体生成的针状二次莫来石晶体。坯体进入高温区新相生成和并进入烧结。

坯体在出现液相和进入烧结的过程中，液相的作用在于使晶体发生重结晶，另一方面由于其粘性和表面张力的作用将颗粒拉紧彼此粘结充填空隙，坯体的气孔率迅速降低，坯体急剧收缩标志着坯体瓷化烧结。

液相的粘度和液相量对烧结过程中的砖坯变形起着很大的影响作用，液相的粘度除与配方的组成有关外，烧成温度越高、反应时间越长、液相的粘度越小；所以在烧成过程中最高烧成温度、保温时间对于砖坯的软化变形十分关键。

有釉砖的理想烧成状态是在坯体基本完成氧化还原反应后釉层开始熔化，从减少釉层熔融、坯体进一步反应、气体的排除而造成的釉面缺陷的角度希望釉的始熔温度高些为好。

2、烧成制度影响

辊道窑作为陶瓷砖的现代烧成窑炉，通过辊道上下温度、压力控制实现砖坯的烧结目的。在烧成过程中，当窑炉的下部温度高，上下温差较大时，砖坯下表层先行收缩呈凸变形状态，温差越大凸变形越大；另一方面当釉层进入熔融状态，釉层的软化收缩、釉的表面张力作用有拉伸坯体向上的作用；同时窑内上部和辊下气体流动速度不同坯体传热速率不同也会出现凹凸变形。

窑炉的压力分布是实现温度制度的保证。压力变化直接导致是窑内气流的变化，流速不同使砖坯表面与内部热交换速率不同，这是窑压影响变形的直接原因；同时压力变化对窑炉火焰性质、坯体的热传递效率、冷却风的冷却效果产生影响。一般情况下，窑炉的冷却带整个处于正压状态、烧成带为微正压或零压状态，而预热带由于燃烧废气的抽出为负压。零压位为窑内压力的重要控制点，一般处在烧成带前端。为满足整个窑炉温度与压力分布，窑内除进风及排烟孔外还设有挡火墙、挡火板,同时窑内各段砖距疏密也对温度、压力起调节作用，并对变形产生影响。

3、窑炉传动影响

辊棒直径与间距、辊棒变形、辊棒粘脏对整个窑炉传动有直接影响，而这些也将影响砖坯在窑内行走状态，使之各点受力不均，从而可能导致砖的变形。

5辊棒痕作为一个专题，我们通过不同窑炉、不同釉料、不同釉层厚度、不同压机以及模具的胶膜厚度不同的对比试验，说明了上述因素的影响的确不同程度的存在，并且确认通过窑炉的调整去适应各种变化。如何减少这些因素的影响并减少窑炉的调整，要靠工艺基础的加

五、关于辊棒痕的分析

辊棒痕作为一个专题，我们通过不同窑炉、不同釉料、不同釉层厚度、不同压机以及模具的胶膜厚度不同的对比试验，说明了上述因素的影响的确不同程度的存在，并且确认通过窑炉的调整去适应各种变化。如何减少这些因素的影响并减少窑炉的调整，要靠工艺基础的加强和工艺与窑炉之间的配合和有效的沟通与互动，以减少缺陷产生和快速解决。

1、从坯的性能方面  坯料中的氧化铝含量要高，熔剂成分中氧化钠要低，由滑石引入的氧化镁尽量少，含氧化钙的原料要控制，同时粘土原料中要控制有机物含量高和结晶程度差的黑泥的加入，以提高坯料高温下抵抗变形的能力。

2、从釉的性能方面  釉的始熔温度高有利于窑炉下温的提高，利于坯体氧化还原反应和气体的排除，同时始熔温度高的釉高温粘度、表面张力也大。有试验表明：在釉配方中28%的钾长石调整为钾、钠长石各14%，前者的凹变形较明显大于后者，这样钠长石加大膨胀系数使坯体凹变形的作用变得次要，釉的粘度与表面张力的作用更加明显；这说明在砖形的凹凸变化方面，粘度的作用可能大于膨胀系数的影响。前者表现为在烧成过程中高温状态下的釉的性能，而后者更多的是表现在烧成后坯釉结合的适应性。

对于不同的产品其基础釉有较大的差别，就光泽度而言，我们称为很雅、比较雅、雅；其釉面也有细腻、比较细腻、粗糙之分；在这种光泽的过渡中，除了砖坯本身的变形外，较光泽的釉面借助光线反射表现出的光泽差异也比较大；而比较雅的釉面对光泽反射明显降低；即很雅或粗糙的釉面辊棒痕的表现要轻微的多。所以有时为解决辊棒痕在釉中加入A12O3或减少石英，用于降低光泽反射在视觉上的差异。对辊棒痕来说减少光线反射在对板时尽量使釉面偏雅一些有一定的道理。

3、对于不同的施釉工艺   淋釉产品较喷釉产品釉层厚度增加，釉层加厚使釉的压应力降低、张应力增加、凸变形减小；另外淋釉产品的釉层表面较喷釉产品细腻光滑，光滑的生釉层有利于烧成后釉面光线的反射；所以淋釉产品辊棒痕比较严重比较确切的解释应该是细腻和光泽度较好的原因。

4、在工艺基础方面

⑴坯料中氧化铝含量要适当的提高与稳定；

⑵注意滑石的引入对变形的影响，对于减少滑石用量的坯料配方要进行试验；

（3）在釉料性能方面注意釉的高温粘度对变形的影响；

（4）注意釉面光泽度在辊棒痕方面反映出的严重程度，对板时基础配方要尽量靠近无光区，同时注意模具表面的胶膜厚度对釉面质感的影响。

5、在烧成制度方面   

（1）重点控制970-1180℃ 窑炉上下温差，不使砖坯出现凸变形；

（2）增加负压提高该区间的传热速率；

（3）注意总结并参照坯釉开始出现收缩和变形的温度对该区间烧成制度的影响。

除了最高烧成温度和保温时间外，中高温度区同一截面上下温差大小是关键控制点：参照坯、釉开始出现收缩时的温度，应适当降低底温、提高面温；减少坯体上下表面与内部热反应差异，提高窑内气体流动速度，即适当增加负压，加快坯体的传热速率。同时该区段升温要避免温度过高或过低的波动，一旦变形出现或恢复平直，出窑后就会形成明显或不明显的痕迹；而对于已经出现凸变形的砖坯，通过提高上温或延长上温的保温时间只能使变形更加明显。

加强基础检测对生产的指导作用,利用检测结果发现变化因素,并用于生产过程中的调整。