電瓷燒成模擬及優(yōu)化

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(1.云南錫業(yè)職業(yè)技術學院，云南 個舊 661000；2.湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

0 引言

電瓷的燒成決定了其顯微結構，而電瓷的顯微結構又決定了電瓷的機電性能。要提高電瓷的機電性能，往往要從優(yōu)化電瓷的顯微結構入手，而優(yōu)化顯微結構則要從優(yōu)化電瓷的制造工藝開始[1-3]。電瓷性能、顯微結構及制造工藝是電瓷制造過程中相互關聯(lián)的3個組成部分，只有3者密切配合，統(tǒng)籌考慮，整體優(yōu)化，才可獲得高質(zhì)量的電瓷產(chǎn)品[4-6]。

燒成是電瓷制造工藝過程中最重要的一環(huán)。我國電瓷燒成基本上都采取了具有“兩次保溫”的升溫過程，也大多數(shù)都采用了還原氣氛的燒成方式。具體來說，燒成開始時，采用氧化氣氛，根據(jù)制品的特征確定升溫速度。大約900℃，為了更好地完成原料的某些組分的氧化與分解，設置了一個保溫階段(俗稱中火保溫階段)，其后，進入強還原階段，再按一定的速度升溫，直至最高燒成溫度(俗稱止火溫度)，在此，再保溫一段時間，也稱為高火保溫，之后，就進入了冷卻階段[7-9]。一些其他品種的陶瓷，尤其是我國南方以瓷石為原料的陶瓷，也多采用這種燒成制度。

某廠是專業(yè)生產(chǎn)電氣化鐵路絕緣子的廠家。近段時間，其瓷質(zhì)車頂絕緣子產(chǎn)品在例行檢查過程中，出現(xiàn)了彎曲負荷偏低，材料強度離散性偏大，產(chǎn)品合格率偏低的現(xiàn)象。反復審視其工藝過程，其配料、成型、干燥、上釉乃至燒成，都是嚴格按照其工藝規(guī)范進行的，沒有發(fā)現(xiàn)問題。為了找到產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)的問題，筆者研究了其試驗后產(chǎn)品的顯微結構，找到了其原因，并通過理論模擬，定量提出了優(yōu)化陶瓷顯微結構，提高產(chǎn)品性能的方案。

1 失效電瓷顯微結構特征

筆者對例行試驗中破壞的樣品進行了SEM電鏡觀察。該批產(chǎn)品的Al2O3含量為54%，燒成溫度1 260℃，保溫3 h。瓷坯中心部位和外緣部位有大量粒狀的一次莫來石，而二次莫來石的含量都極少且相互間缺少交聯(lián)，瓷坯中氣孔較多，且玻璃相不發(fā)育，見圖1。

(a)瓷坯中心部位5 000倍的SEM照片

(b)瓷坯中心部位20 000倍的SEM照片

(c)瓷坯外緣部位5 000倍的SEM照片

(d)瓷坯外緣部位20 000倍的SEM照片

從圖1可看出，該瓷坯的燒成還差點火候，還沒有燒熟。燒成火候不到，產(chǎn)品沒有形成最優(yōu)的顯微結構，自然也就達不到預期的性能了。由此也找到了提高產(chǎn)品質(zhì)量的途徑——提高燒成溫度或在保持原有燒成溫度的條件下，延長保溫時間。接下來的問題是如何較精確地定量地確定提高燒成溫度及延長保溫時間。

2 電瓷燒成過程的理論模擬計算

為了較精確地定量地確定燒成溫度的提高及保溫時間的延長，筆者采用ANSYS有限元分析軟件進行了理論模擬計算，著重燒成過程中窯爐、瓷坯中心和瓷坯外緣的溫度隨著燒成的時間的變化規(guī)律，從而得出合適的止火溫度及高火保溫時間，再進行實際驗證。

2.1 有限元計算參數(shù)的選擇

瓷體桿徑為φ120 mm，瓷坯材料屬性參數(shù)見表1[10]。

表1 瓷坯材料屬性參數(shù)Table 1 Ceramic material property parameter

所用窯爐為74 m3的車底窯，升溫過程主要分為6個階段(即室溫至200℃的脫水階段，200℃至960℃的快速升溫階段，960℃左右為中火保溫階段，960℃至1 120℃為強還原階段，此時坯體中已開始出現(xiàn)玻璃相，1 120℃至止火溫度的致密化階段和1 260℃左右的高火保溫階段)。車底窯對流換熱系數(shù)按經(jīng)驗公式(1)計算：

(1)

式中：Nu為對流換熱系數(shù)；Re0為燒嘴雷諾數(shù)；Re為窯內(nèi)雷諾數(shù)。其中，Re≤8.99×104,Re0≤5.06×104。

根據(jù)窯爐的實際運行情況和熱工計算[11]，燒成過程中窯爐系統(tǒng)與瓷坯的對流換熱系數(shù)可取10.7 W/m2·K。

2.2 模擬計算結果及分析

ANSYS模擬計算結果顯示：燒成過程中，由于受到窯爐對流換熱系數(shù)和坯體材料熱傳導系數(shù)的影響，瓷坯中心、瓷坯外緣和窯溫之間存在著一定程度的溫度差，見圖2和圖3?？偟那闆r是瓷坯的溫度總是要低于窯爐的溫度，而瓷坯中心的溫度則要低于瓷坯外緣的溫度。升溫過程中，這些溫度差還會有逐漸增大的趨勢。升溫速度越快，溫差增加的趨勢也會越大。保溫過程中，這些溫度差則會逐漸減小，且隨著保溫時間的增加，窯溫、瓷坯外緣及瓷坯中心的溫度會趨向于均勻，瓷坯溫度會逐漸向窯溫逼近，但卻無法完全達到窯溫。也就是說，止火溫度為1 260℃時，瓷坯外緣及中心的實際溫度均難以達到1 260℃。

圖2 瓷坯中心、邊緣及窯溫隨時間變化曲線Fig.2 The curve for the ceramic center temperature,ceramic edge temperature and kiln temperature changing with time

圖3 瓷坯中心、外緣和窯溫差隨時間的變化Fig.3 The curve for the temperature difference among ceramic center,ceramic edge and kiln changing with time

圖4給出了1 260℃下，瓷坯外緣與瓷坯中心在不同保溫時間下的溫度分布情況。保溫時間為3 h時，瓷坯中心的溫度為1 247℃，外緣溫度為 249℃，均低于燒成溫度范圍下限1 250℃。

圖4 1 260℃保溫時瓷坯溫度隨保溫時間的變化Fig.4 The changing of ceramic billet temperature along with heat preservation time under1 260℃

當保溫時間為4 h時，瓷坯中心溫度為1 251℃，外緣溫度為1 252℃，剛達到燒成溫度范圍下限1 250℃。從企業(yè)以前的經(jīng)驗來看，該產(chǎn)品最低燒成溫度應為1 250℃。由此可知，1 260℃下保溫3 h是難以獲得具有優(yōu)良的顯微結構的瓷材料的。而將保溫時間延長到4 h，所得顯微結構會有較大的改善，見圖5。瓷坯外緣已出現(xiàn)了大量的呈針狀的相互交織的二次莫來石，但在瓷坯中心仍然只能看到大量粒狀的一次莫來石，二次莫來石顆粒數(shù)量很少，表明瓷坯的外緣已基本燒熟，但中心部位卻仍還未燒熟燒透。還不是最佳的顯微結構，所得產(chǎn)品同樣還不會具有理想的性能。

(a)瓷坯中心部位5 000倍的SEM照片

(b)瓷坯中心部位20 000倍的SEM照片

(c)瓷坯外緣部位5 000倍的SEM照片

(d)瓷坯外緣部位20 000倍的SEM照片

在1 260℃止火溫度下繼續(xù)延長保溫時間，例如，保溫時間達到8 h，瓷坯中心和外緣溫度均可達到1 258℃，接近了止火溫度，應該可以獲得理想的顯微結構。從其8 h保溫瓷坯樣品的SEM分析情況來看，也證實了上述模擬計算的結果，見圖6。

(a)5 000倍SEM照片

(b)20 000倍SEM照片

從8 h保溫的瓷坯中心樣品中可見到眾多的呈相互交織的針狀二次莫來石，表明已達到了良好的燒熟狀態(tài)，這種工況條件下燒出的制品，在例行試驗中，都已達到了企業(yè)標準的要求。

燒成過程中瓷坯中心、瓷坯外緣和窯溫之間，存在著一定的溫度差，且瓷坯溫度難以達到止火溫度，延長高火保溫時間是一種重要的途徑。另一方面，也可以通過提高止火溫度來保證陶瓷的致密化燒結。為此，筆者分別計算了將止火溫度提高到1 270℃和1 280℃的燒成情況。結果顯示，當止火溫度為1 270℃時，保溫4 h，瓷坯中心的溫度就可達到1 260℃(見圖7)，而當止火溫度為1 280℃時，保溫2.3 h，瓷坯中心的溫度就可達到1 260℃(見圖8)，也就是說，就可以達到理想的燒成溫度。

圖7 止火溫度1 270℃時瓷坯溫度隨保溫時間變化曲線Fig.7 The ceramic billet temperature changing with the heat preservation time when the ceasefire temperature is 1 270℃

圖8 止火溫度1 280℃時瓷坯溫度隨保溫時間變化曲線Fig.8 The ceramic billet temperature changing with the heat preservation time when the ceasefire temperature is 1 280℃

為驗證上述模擬結果，分別在止火溫度為1 270℃，保溫4 h及止火溫度為1 280℃，保溫時間為2.3 h條件下對車頂絕緣子進行了燒成。從其瓷坯中心部位樣品的SEM觀察結果來看，均出現(xiàn)了大量的相互交聯(lián)的針狀二次莫來石晶體，見圖9和圖10。說明瓷坯已經(jīng)燒熟，并獲得了優(yōu)良的顯微結構。這兩窯瓷件在例行檢查中，也沒有發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品。

(a)5 000倍SEM照片

(b)20 000倍SEM照片

(a)5 000倍SEM照片

(b)20 000倍SEM照片

3 結論

對例行試驗中失效的絕緣子樣品，用掃描電子顯微鏡觀測，發(fā)現(xiàn)了存在燒結不完全的現(xiàn)象，據(jù)此，利用有限元商業(yè)軟件進行了模擬計算，確定了燒成過程中的窯爐、瓷坯表面及瓷坯中心的溫度分布情況及溫度變化情況，定量地確定了改進燒成、提高產(chǎn)品質(zhì)量的途徑。通過上述工作，得出以下結論：

1)燒成過程中，瓷坯表面的溫度總是要低于窯爐內(nèi)溫度，瓷坯中心溫度總要低于瓷坯外緣的溫度，升溫過程中，瓷坯中心與瓷坯外緣溫差以及瓷坯與窯爐溫差均逐漸增大。升溫速度越快，溫差增大越快。保溫中，瓷坯中心、瓷坯外緣與窯溫三者間的溫差逐漸減小。

2)若窯爐止火溫度較低，則須通過延長高火保溫時間來保證瓷坯整體都接近最佳燒成溫度，才可使整個瓷件燒熟，以使瓷坯中心和瓷坯外緣均獲得良好的顯微結構，提高陶瓷的整體性能。

3)若止火溫度較高，則可以在較短的時間內(nèi)使瓷坯中心和瓷坯外緣都達到較佳燒成溫度范圍，使整個瓷坯均燒熟，獲得良好的瓷坯顯微結構特征，也可以提高陶瓷的整體性能。