窑炉内的气氛

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窑炉内的气氛

为了保证所有矿物成分在整个焙烧过程中都得到充分合理的理化反应，就必须给组成砖瓦坯体的各矿物组分以不同的、适合其不同性质的燃烧气氛，以确保制品的物理化学反应正常进行。所以，在砖瓦烧制的整个干燥与焙烧过程中，不同阶段就需要有不同的气氛性质。

窑炉内的气氛性质分为三种：即氧化气氛、中性气氛、还原气氛。这些气氛性质的形成，主要取决于参与燃烧的空气量的充足与否。燃烧时参与的空气量适当时，则形成中性气氛；空气量充足（有过剩的空气量）时，则形成氧化气氛；空气量不足时，就是还原气氛。还原气氛就是窑内燃烧处于缺氧状态，这种缺氧状态下的燃烧会出现升温迟缓、火行速度慢、燃烧强度低。内燃烧砖时，还原气氛下还会出现燃烧不充分的还原性黑心，而且颜色发乌失去红色外表，严重情况下还会在砖表皮出现氧化亚铁米粒状气泡颗粒。


1、窑炉内的还原气氛


不同的燃烧气氛，会导致粘土中的铁氧化物变价，使制品最终烧成后会产生各种颜色的制品。使烧成后砖瓦呈现红色外观的内在因素是三氧化二铁；能决定外观颜色的还有另外一个因素，就是焙烧阶段的燃烧气氛在起作用。低温下的三氧化二铁呈稳定的棕红色。而在焙烧温度（比如1000℃）不变、三氧化二铁含量不变的情况下，高温下的三氧化二铁就会失去低温状态下的稳定性而增强活性。这个时候如果窑内的焙烧气氛是还原性气氛，三氧化二铁就会被还原生成四氧化三铁或氧化亚铁，从而导致制品外表变为青黑色或者青蓝色。砖的表皮就会出现前文所说的气泡状米粒析出物。
如下图：

△ 米粒析出物

这里由于空气流通通道过于狭窄，不利于空气的穿流，在整个焙烧过程中长期处于严重缺氧状态，就会表现出这样的颜色并出现这种米粒状析出物。

制砖粘土中要求必须含有适量的铁元素，铁元素不光是熔融粘结剂，有利于砖在不太高的温度下起烧结反应从而生成致密的新晶相，也是砖表泛红必不可少的着色剂。粘土中的铁在还原气氛下，向易熔的亚铁硅酸盐过度，同时还释放出气态化合物。粘土在焙烧过程中的软化温度，也取决于介质的气氛性质。在还原介质中，砖体的荷重变形温度就会降低；在氧化气氛中就会提高。也就是说，还原气氛易使砖体提前软化。加热粘土，使其达到某一粘度值，在还原气氛中所需的加热温度比在氧化气氛中所需温度要低50~100℃。

气氛对粘土粘度的影响可解释为：在还原气氛中铁元素的氧化物转化为更加容易熔化的低氧化物，增加了高温液相后粘土物质表面的张力。因为粘度小了，制品在还原气氛中表面收缩就会加大，又因为还原气氛使高价铁变为低价铁，从而降低了粘土制品的软化温度，必然结果就是：还原气氛下的制品更容易在未达到烧成温度以前就会变形断裂甚至报废。
如下图：

△高温过烧断裂
上图这些制品往往会被误认为是高温过烧导致的，其实造成这种废品出现的主要原因，是缺氧燃烧引起的，还原状态下的缺氧燃烧使制品提前进入软化阶段所致，是还原气氛造成的提前软化变形。
还原气氛使得低活性的三氧化二铁还原成反应能力极强的低氧化铁。二价铁离子在粘土矿物脱水后的基体内迅速扩散，导致其破坏，形成无定型状态，从而创造更早地进行固态反应和生成新晶相的条件。
所谓的还原气氛，系指过剩氧气量低于1%的气体介质。


2、窑炉内的氧化气氛


所谓的氧化气氛，系指含有2%~5%过剩量的氧气。如果是在空气过剩量不超过燃烧的理论需要量1.5%~2%范围内进行，则认为气体介质是中性的。强氧化气氛中过剩氧气量超过理论需要量的10%。
氧化气氛下焙烧出来的制品，窑车上的砖垛上下色泽均匀一致，声音清越，质地致密，节省内燃，黑心量小。所以内燃烧砖，多提倡正压烧成——微正压或者正负压即可。
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