陶瓷坯體螺旋擠出成形的螺旋紋缺陷及其解決途徑

摘要 本文詳細地分析了陶瓷坯體螺旋擠出成形時螺旋紋缺陷的產生原因，并提出了解決陶瓷坯體螺旋紋缺陷的有效途徑。

關鍵詞 螺旋紋缺陷，產生原因，解決途徑

1前 言

目前，真空擠壓成形機是陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚（又稱劈離磚或劈裂磚）、污排水陶管和窯具等制品塑性擠出成形的關鍵設備。可塑性陶瓷泥料（以下簡稱泥料）經真空擠壓成形機處理后，其物料分布趨于均勻，結構更加緊密，可塑性得到最大限度地提高，并成形為具有一定形狀尺寸、機械強度較大、致密度較高、含水率較低及表面平整光潔的陶瓷坯體。但在后續的干燥過程中，坯體易產生螺旋紋缺陷（螺旋形裂紋——俗稱“S”形缺陷），嚴重影響制品的質量。所以說，研究和探討陶瓷坯體螺旋擠出成形時螺旋紋缺陷的產生原因及其解決途徑，對于提高陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等產品的質量及企業的經濟效益都具有深遠而重要的意義。

生產實踐表明，陶瓷坯體螺旋紋缺陷的產生通常與原料的組成、物理化學性能、含水率、物料顆粒級別及其級配比例、泥料陳腐處理時間、坯體干燥工藝參數的選用及真空擠壓成形機的結構特點等許多因素有關。為此，本文在原料的組成及含水率的適宜范圍、物料顆粒級別及其級配的合理比例、泥料陳腐的處理時間和坯體干燥工藝參數的合理選用條件下，研究和探討陶瓷坯體螺旋紋缺陷的產生原因及其解決途徑。

2螺旋紋缺陷的產生原因

在陶瓷坯體的螺旋擠出成形生產過程中，通常造成坯體螺旋紋缺陷的原因主要有以下幾方面：

2.1 機頭內腔過流截面的突然增大

事實上，由最末端擠泥絞刀（也稱擠泥螺旋或擠泥螺旋絞刀）進入機頭內腔的泥料總是呈空間螺旋帶狀的結構。由于最末端擠泥絞刀（因其離真空室的距離最遠，故稱為最末端擠泥絞刀）的軸轂直徑既沒有逐漸縮小也沒有伸入機頭內腔，因此，空間螺旋帶狀的泥料進入機頭時，因擠泥絞刀軸轂直徑的突然消失，導致機頭內腔過流截面的突然增大，結果促使泥料形成螺旋形空洞。雖然，在最末端擠泥絞刀的作用下，泥料的螺旋形空洞經機頭的逐漸擠壓緊密后最終消失，重新結合成一個整體并以“相同”的速度從機嘴（也稱成形模具）擠出成形為陶瓷坯體。但因螺旋帶狀泥料重新結合時不夠緊密，當坯體干燥時，因收縮的不均勻等原因造成坯體斷面（垂直于坯體擠出方向的截面），從而產生螺旋紋缺陷。

2.2 機頭和機嘴內腔工作表面的摩擦阻力

在最末端擠泥絞刀的作用下，泥料經機頭和機嘴擠出成形為陶瓷坯體的生產過程中，由于泥料與機頭和機嘴工作表面的摩擦阻力等作用，導致擠出成形時，坯體的中部擠出成形阻力較小，擠出速度較快；而坯體周邊部分的擠出成形阻力較大，擠出速度較慢。顯然擠出速度較快與擠出速度較慢的部位將依次產生位移，并表現為泥料的分層剪切運動。結果坯體干燥時，因收縮的不均勻等原因造成坯體斷面（垂直于坯體擠出方向的截面），從而產生螺旋紋缺陷。

2.3 物料顆粒的定向排列

由于制作陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等制品的泥料中不可避免地含有片狀和（或）針狀結構的高嶺土和（或）云母類礦物顆粒等，那么在坯體的螺旋擠出成形過程中，為了減少成形阻力，這些片狀和（或）針狀結構的高嶺土和（或）云母類礦物顆粒總是以其長軸平行于擠出方向來實現物料顆粒的互相移近靠攏和密實成形，從而造成物料顆粒的定向排列。顯然坯體干燥時，因收縮的不均勻等原因造成坯體斷面（垂直于坯體擠出方向的截面），從而產生螺旋紋缺陷。

2.4 真空度偏低

在制作陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等制品的泥料中，有塑性物料顆粒（如：高嶺土等）、瘠性物料顆粒（如：石英等）、水以及分布在這些物料顆粒之間和水中的氣體，氣體可以看作是使陶瓷坯體擠出成形過程復雜化的因素。若真空擠壓成形機的真空度太低，那么泥料中的氣體不易排除或排除不完全，導致混雜在泥料中的氣體阻礙物料顆粒的互相移近靠攏和密實成形。最終表現為坯體干燥時，因收縮的不均勻等原因造成坯體斷面（垂直于坯體擠出方向的截面），從而產生螺旋紋缺陷，嚴重時甚至造成坯體的變形和開裂等缺陷。

3陶瓷坯體螺旋紋缺陷的解決途徑

雖然在陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等坯體螺旋擠出成形的生產過程中，造成坯體螺旋紋缺陷的原因多種多樣，其解決途徑也千變萬化，但歸納起來不外乎是以下幾方面：

3.1 真空擠壓成形機

3.1.1 應優先采用三軸臥式真空擠壓成形機

從理論上講，真空擠壓成形機按坯體的擠出方位可分為立式真空擠壓成形機和臥式真空擠壓成形機，但因切坯等原因，目前廣泛應用的真空擠壓成形機都是臥式真空擠壓成形機。臥式真空擠壓成形機按絞刀軸的多少通常可分為：單軸真空擠壓成形機（攪泥絞刀和擠泥絞刀安裝于同一主軸上）、雙軸真空擠壓成形機（上部一根攪泥軸、下部一根擠泥軸）和三軸真空擠壓成形機（上部兩根攪泥軸、下部一根擠泥軸）。三軸臥式真空擠壓成形機工作時，上部兩攪泥軸分別驅動左旋絞刀、右旋絞刀逆向旋轉，實現對泥料的強制破碎、攪拌、揉練及混合均勻，確保坯體各向同性，達到最大限度地減少坯體的螺旋紋缺陷。目前國內外廣泛應用的真空擠壓成形機幾乎都是三軸臥式真空擠壓成形機，也正是由于這個原因。

3.1.2 采用直徑逐漸縮小的流線型軸轂的最末端擠泥絞刀

在坯體的擠出成形過程中，采用沿擠出方向軸轂直徑逐漸縮小的流線型（如：圓錐型和圓球形等）軸轂的最末端擠泥絞刀，能促使進入機頭的泥料迅速填滿機頭內腔各部位，從而達到減弱和（或）消除泥料形成螺旋形空洞的作用，有利于泥料的緊密結合和物料顆粒的均勻分布，從而減少坯體的螺旋紋缺陷。

3.1.3 采用前傾型葉片的最末端擠泥絞刀

在絞刀的軸向剖面內，若絞刀葉片垂直于坯體的擠出方向，則稱為垂直型葉片絞刀；若絞刀葉片與擠出方向的夾角β＞90°，則稱為后傾型葉片絞刀，其后傾角為(β－90°)；若絞刀葉片與擠出方向的夾角γ＜90°，則稱為前傾型葉片絞刀，其前傾角為(90°－γ)。垂直型葉片絞刀對泥料的擠壓和推進（輸送）等作用較大，推泥（擠泥）效率最高，實踐生產中應用非常廣泛，因此，真空擠壓成形機的攪泥絞刀和擠泥絞刀通常采用垂直型葉片絞刀；而后傾型葉片絞刀則加劇泥料的回流（也稱返流），造成泥料的發熱和產量的減少等不利影響，實際生產中很少采用后傾型葉片絞刀；至于前傾型葉片絞刀能促使泥料移向絞刀軸的中心處，特別適宜采用最末端擠泥絞刀，有利于泥料填滿機頭內腔各部位及泥料的緊密結合，從而減少坯體的螺旋紋缺陷。但前傾角不能太大，通常應小于3°～5°，否則，坯體中心部分的擠出速度太快，造成泥料劇烈的分層剪切運動，反而加速坯體的螺旋紋缺陷。

3.1.4 采用多線螺旋絞刀的最末端擠泥絞刀

由于單線螺旋絞刀輸送泥料的脈動性，導致絞刀軸的不均勻受力，特別是處于懸臂結構的擠泥軸極易彎曲變形而影響陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等制品的產品質量。若最末端擠泥絞刀采用雙線、三線甚至四線螺旋絞刀，能最大限度地改善擠泥軸的受力狀態，促使擠泥軸趨于均勻承受軸向力的作用，從而增加擠泥軸的剛性，提高真空擠壓成形機的工作可靠性。更重要的是，雙線、三線甚至四線螺旋絞刀的最末端擠泥絞刀，能將真空室（也稱抽氣室）內單線螺旋絞刀輸送的泥料均勻地分成兩部分、三部分甚至四部分同時進入機頭內腔，減少了泥料的脈動性，確保泥料的均勻結合，有利于減少坯體的螺旋紋缺陷。

3.1.5 采用適宜螺旋升角的絞刀

螺旋升角是絞刀的重要參數之一，它決定了絞刀的外緣直徑、軸轂直徑和導程（螺距的整數倍）之間的關系。通常螺旋升角較大的絞刀能對泥料產生較大的破碎、攪拌、混合及輸送等作用，但對泥料的揉練作用較差，因此所得的泥料可塑性差，不利于坯體的塑性擠出成形，并且驅動絞刀軸旋轉所消耗的電機功率較大。反之，螺旋升角較小的絞刀對泥料的揉練作用較大，有利于泥料的均勻混合和提高泥料的可塑性，易于獲得高質量的陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具坯體。對目前廣泛應用的三軸臥式真空擠壓成形機而言，攪泥絞刀螺旋升角可采用15°～25°[1]，擠泥絞刀（包括最末端擠泥絞刀）螺旋升角可采用10°～14°[1]，有利于減少坯體的螺旋紋缺陷及獲得較小的單位產量功率消耗。

3.1.6 采用阻轉棒和阻轉篩板等裝置

由于最末端擠泥絞刀送入機頭內腔的泥料總是呈空間螺旋帶狀結構，若泥料在進入機頭內腔的入口處設置阻止泥料因慣性作用跟隨最末端擠泥絞刀旋轉的裝置，如：阻轉棒和阻轉篩板等，能有效地減弱和（或）消除泥料的旋轉運動，使之成為一個整體，并以相同的軸向速度擠向機嘴，從而達到減少坯體螺旋紋缺陷的目的。

3.1.7 采用適宜軸向長度尺寸的機頭和機嘴

通常機頭和機嘴的軸向長度尺寸越大，坯體的擠出成形阻力就越大，雖然所得坯體的致密度較高、機械強度較好，但單位產量的功率消耗急劇增大，并且坯體擠出成形非常困難，易產生螺旋紋缺陷，坯體質量反而較差。反之，機頭和機嘴的軸向長度尺寸越小，坯體的擠出成形阻力就越小，坯體易于擠出成形，但坯體的致密度差，又易于變形反而影響坯體的成形質量，同樣也是不可取。因此實踐生產中，須配備一定數量的軸向長度尺寸不同的機頭和機嘴，可有效地減少坯體的螺旋紋缺陷，從而最大限度地降低單位產量的功率消耗。

3.1.8盡量提高絞刀、輸泥筒、機頭和機嘴等工作表面的光滑平整度

在坯體的螺旋擠出成形過程中，泥料與絞刀、輸泥筒（也稱機殼）、機頭和機嘴等工作表面頻繁接觸及劇烈摩擦，易造成泥料發熱，加劇泥料的返流，降低真空擠壓成形機的產量；更重要的是，泥料的發熱加劇了物料顆粒的定向排列，結果坯體易產生螺旋紋缺陷。因此，我們可通過精密鑄造及打磨拋光絞刀、輸泥筒和機頭等非加工工作面的措施，努力提高絞刀、輸泥筒、機頭和機嘴等工作表面的光滑平整度，減少坯體的螺旋紋缺陷。

3.1.9 確保擠泥絞刀、輸泥筒、機頭和機嘴的安裝同軸度

通常擠泥絞刀（包括最末端擠泥絞刀）、輸泥筒、機頭和機嘴的安裝同軸度好，泥料擠出成形的阻力就越小，便于各物料顆粒的互相移近靠攏及密實成形，有利于減少坯體的螺旋紋缺陷。因此，我們設計制造和選用真空擠壓成形機時，應確保真空室、輸泥筒、機頭和機嘴之間軸向接觸面的平行度以及圓柱定位面之間的同軸度在規定的范圍內，同時還應確保真空室軸承箱、擠泥軸、擠泥絞刀和最末端擠泥絞刀之間軸向接觸面的平行度以及圓柱定位面之間的同軸度在規定的范圍內，并充分發揮其密封作用。

3.2 操作使用

3.2.1 均勻加泥

由于膠帶輸送機通常具有中間堆料多兩側堆料少的弊病，因此，雖然采用膠帶輸送機對真空擠壓成形機喂料，也不能實現均勻喂料。若在真空擠壓成形機加料口的正上方設置一料箱，通過控制料箱底部閘板的開口大小便能實現對真空擠壓成形機的均勻加泥。均勻加泥是獲得混合均勻的泥料的前提條件，它不但提高了真空擠壓成形機的工作可靠性，而且還有利于減少坯體的螺旋紋缺陷。

3.2.2 適宜的真空度

制作陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等制品所使用的原料，在制備成泥料的生產過程中總是攜有大量的氣體。氣體在泥料中常以以下三種狀態存在，即溶解在水中、以氣泡的形式存在于水和各物料顆粒之間以及自由狀態。其中前兩種狀態比較多，最后一種狀態比較少。在坯體的擠出成形生產過程中，以氣泡的形式存在于水和各物料顆粒之間的氣體與溶解在水中的氣體共同作用，阻礙各物料顆粒的變形、互相移動、靠攏以及密實成形，導致坯體一旦離開機嘴后因受壓縮氣體的作用立即膨脹，造成坯體的膨脹變形甚至開裂。在坯體的擠出成形生產過程中，須利用抽真空裝置（真空泵）去除泥料中混雜的氣體，促進各物料顆粒易于變形、互相移動、靠攏以及密實成形。若真空擠壓成形機獲得的真空度太低，如低于0.09MPa，那么抽真空裝置不足以排除泥料中混雜的氣體或混雜氣體排除很少，結果混雜氣體的泥料擠出成形時，因物料分布的不均勻，干燥過程中易產生螺旋紋等缺陷，變形較大甚至開裂，會嚴重影響制品的質量。只有當真空擠壓成形機獲得的真空度高于0.09MPa，抽真空裝置才能克服泥料的阻力，可靠地排除泥料中混雜的氣體，促使泥料的可塑性得到最大限度的提高，迫使泥料揉練混合均勻及物料分布趨于均勻，有利于減少坯體的螺旋紋等缺陷及提高制品的產品質量。

3.2.3 適宜的絞刀軸轉速

絞刀軸轉速也是真空擠壓成形機的重要參數之一，它決定了陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等制品的質量、生產量及功率消耗等技術指標。事實上，真空擠壓成形機所處理的泥料總是具有適宜的粘性，因此工作時，泥料總會不同程度地粘接在絞刀軸轂附近而成為隨絞刀軸旋轉而無軸向移動的“旋轉泥”，結果“旋轉泥”又加劇坯體產生螺旋紋等缺陷，特別是絞刀軸的轉速較高時，這種現象更為明顯。因此，減少或消除“旋轉泥”產生的有效途徑是降低絞刀軸的轉速，達到減弱或消除泥料跟隨絞刀軸旋轉，迫使泥料緊密結合成為一個整體并以相同的軸向速度移向機嘴。同時，實踐也表明，當絞刀外緣處的線速度在0.8～1m/s時，能有效地減少坯體的螺旋紋缺陷，并且此時制品的單位產量功率消耗又較低。

3.2.4 絞刀與輸泥筒之間的適宜間隙

由于制作陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等制品的泥料須含有適量的石英等瘠性物料顆粒，因此在坯體的擠出成形過程中，由于石英等瘠性物料顆粒非常堅硬，它們將刺入和刻劃絞刀和輸泥筒等工作表面，嚴重磨損絞刀和輸泥筒等工作表面。因此，真空擠壓成形機工作一段時間后，擠泥絞刀和輸泥筒之間的間隙將明顯增大。同時，由于擠泥絞刀和輸泥筒之間的間隙是泥料由機頭返回真空室的通道，擠泥絞刀和輸泥筒之間的間隙的增大將迫使大量泥料由機頭經擠泥絞刀和泥缸之間的間隙返回真空箱，一方面，造成真空擠壓成形機產量的急劇降低及單位產品功率消耗的急劇增大；另一方面，導致泥料溫度的急劇升高，從而加劇物料顆粒的定向排列，造成坯體產生螺旋紋缺陷。但擠泥絞刀和輸泥筒之間須產生相對運動以及便于加工制造，因此擠泥絞刀和輸泥筒之間須采用適宜的間隙，常為3～5mm。通常若擠泥絞刀和輸泥筒之間的間隙增大到15～20mm時，應及時更換磨損了的擠泥絞刀和輸泥筒或通過堆焊磨損處并打磨拋光焊縫表面等措施，促使擠泥絞刀和輸泥筒之間的間隙處于正常狀態，即3～5mm，這樣有利于減少坯體的螺旋紋缺陷，從而提高產品質量及企業的經濟效益。

4結論

陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、劈開磚、污排水陶管和窯具等陶瓷坯體螺旋擠出成形的螺旋紋缺陷及其解決途徑是目前世界范圍內陶瓷生產企業及陶瓷科技工作者共同關注的課題。我們認為在坯體的原料組成、物理化學性能及適宜的含水率、顆粒級別及其級配的合理比例，泥料的陳腐處理得當及坯體的干燥工藝參數合理的條件下，應優先采用適宜的螺旋升角（攪泥絞刀選用15°～25°，擠泥絞刀及最末端擠泥絞刀選用10°～14°）、適宜的絞刀軸轉速（絞刀外緣處的線速度在0.8～1m/s）及絞刀與輸泥筒間隙適宜（3～5mm）的三軸臥式真空擠壓成形機；同時還應采用軸轂直徑沿擠出方向逐漸縮小的流線型（如：圓錐型和圓球形等）軸轂的雙線、三線甚至四線螺旋絞刀的前傾型葉片的最末端擠泥絞刀；并在機頭內腔泥料的入口處設置阻止泥料因慣性跟隨最末端擠泥絞刀旋轉的阻轉棒及阻轉篩板等裝置。此外還應確保擠泥絞刀（包括最末端擠泥絞刀）、輸泥筒、機頭和機嘴的同軸度以及盡量提高絞刀、輸泥筒、機頭和機嘴等工作表面的光滑平整度，并作好真空擠壓成形機的維修保養、均勻加泥及抽真空裝置的密封等工作；及時觀察真空擠壓成形機真空室的真空計讀數，使其大于0.09MPa；絞刀、輸泥筒、機頭和機嘴等工作表面磨損后應及時更換或通過堆焊磨損處并打磨拋光焊縫表面等措施，促使擠泥絞刀和輸泥筒之間的間隙處于正常狀態，即3～5mm。只有這樣，才能減少泥料與絞刀、輸泥筒、機頭和機嘴等工作表面的摩擦阻力，促使泥料的可塑性得到最大限度的提高，緊密結合成為一個整體，并以相同的軸向速度移向機嘴，最終擠出成形為具有一定形狀尺寸、機械強度較大、致密度較高、含水率較低及表面平整光潔的陶瓷坯體。

參考文獻

1 蔡祖光.真空擠壓成形機螺旋升角的選用[J].中國建材，2002，10

2 蔡祖光.真空擠壓成形機使用時應注意的問題[J].佛山陶瓷，2007，7