前言
生產(chǎn)陶瓷的一個重要過程是燒成，燒成是在熱工設(shè)備中進行的，這里熱工設(shè)備指的是先進陶瓷生產(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，勞動強度大，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，以及機械化和自動化。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)闊崮埽煞譃殡娮锠t、感應爐、電弧爐、電子束爐和離子爐等五類。
(1)電阻爐
當電源接在導體上時，導體就有電流通過，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)，使電爐沿整個高度溫度分布均
(2)感應爐
由于電磁感應作用在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，而這種感應電流因為導體的電阻而產(chǎn)生熱能的一種電爐。它又可分為感應熔煉爐和感應加熱爐，常利用感應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
利用高速運動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-光粉末照相機中的試樣，用電子束加熱浮區(qū)熔化法制備高熔點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行加熱的電爐。火焰窯爐能達到的溫度有一定的限度，通常不超過2000℃。可是，等離子體利用一部分電離能，故很容易地達到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個主要部分窯體（有圓窯和矩形窯）、燃燒設(shè)備和通風設(shè)備，其內(nèi)部示意圖如圖1所示。將煤加進燃燒室的爐柵上，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，其熱量以對流和輻射的方式傳給制品。因為火焰在窯內(nèi)是自窯頂?shù)瓜蚋G底流動的，所以稱為倒焰窯。
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，利用卷揚機或他牽引機械設(shè)備，使裝載制品的窯車在窯室底部軌道上移動，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。
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，所以又稱為抽屜窯。
因為制品是在窯外裝車、卸窯車，且易實現(xiàn)機械化操作。所以與傳統(tǒng)的倒焰窯窯內(nèi)裝、卸制品相比較，大大地改善了勞動條件和減輕了勞動強度。
4.鐘罩窯
鐘罩窯是一種窯墻，窯頂構(gòu)成整體像一個鐘罩，并可移動的間歇窯，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。鐘罩窯常備有兩個或數(shù)個窯底，在每個窯底上都設(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，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，利用起吊設(shè)備將窯罩吊起，移至裝載好制品的一個固定窯底上，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。
鐘罩窯是在窯外裝卸制品的，與傳統(tǒng)的倒焰窯比較，大大地改善勞動條件和減輕勞動強度。同時，與梭式窯一樣，使用高速調(diào)溫燒嘴以提高傳熱速率，縮短燒成時間，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)備的負擔，并且可以像梭式窯一樣采用程序控制系統(tǒng)，實現(xiàn)窯爐升溫各階段的自動控制。
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。因為窯墻的結(jié)構(gòu)就像一個個蒸籠一樣，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行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵下的一種物質(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，由大量正負帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體行為的一種準中性氣體。等離子體是解離的高溫導電氣體，可提供反應活性高的狀態(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。
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)熱作用而進行燒結(jié)的。這種放電直接加熱法，熱效率極高，放電點的彌散分布能夠?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、導電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個促進燒結(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散過程。
本文整理自由武漢理工大學出版社出版的《先進陶瓷工藝學》P131-135主編劉維良