傳統窯爐燒成中的“多元氣氛”及其對陶瓷呈色的影響研究

吳 雋，王宇旭，吳軍明，張茂林，李其江

（景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮333001）

傳統窯爐燒成中的“多元氣氛”及其對陶瓷呈色的影響研究

吳 雋，王宇旭，吳軍明，張茂林，李其江

（景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮333001）

陶瓷在燒制過程中，窯內氣氛對陶瓷的外觀呈色和質量方面都具有至關重要的影響。本文通過對大量有關資料、文獻的查閱與歸納分析，認識到的將窯爐氣氛簡單劃分為氧化、還原氣氛難以充分闡釋其對陶瓷品質的影響規律與機制，本文提出了窯爐燒成中“多元氣氛”的概念，同時從實證的角度，以陶瓷中使用最多且對氣氛最敏感的Fe、Cu系列色釉為具體對象，分別將其置于在燒制過程中產生不同氣氛的氣窯、柴窯內以相同或相似的制度燒成以認證“多元氣氛”對陶瓷制品呈色的影響。

陶瓷；窯爐氣氛；多元氣氛；外觀呈色

0 引 言

陶瓷產品燒成氣氛的傳統定義是指在燒制過程中，窯爐內的燃燒產物中所含的游離氧與還原成分的百分比，一般將燒成氣氛分為氧化氣氛和還原氣氛兩種[1]，燒成氣氛的不同對陶瓷的品質具有至關重要的影響：一方面，不同的燒成氣氛可以使相同配方的釉料產生不同的外觀呈色，例如相同配方的天目釉瓷器在不同的氣氛下可燒成黑、紅、棕、藍灰等不同顏色[2]。另一方面如果燒成氣氛控制不當，則容易使陶瓷產生黑心、氣泡、針孔等缺陷[3]。此外，燒成氣氛甚至對一些陶瓷的物理性能的好壞也能產生一定的影響，如收縮率、白度等。

1 窯爐氣氛的研究進展

1.1 窯爐氣氛對陶瓷性能的影響研究

目前，人們對窯爐氣氛與陶瓷之間的影響研究一是集中在陶瓷的性能方面，其中包括陶瓷的收縮率、抗折強度、白度和透光度等。此外，窯爐氣氛對陶瓷的影響研究還集中在陶瓷的呈色上。已有結果表明，窯爐氣氛往往對顏色釉的呈色效果起舉足輕重的作用[4]。氣氛對陶瓷呈色的影響首先反映在釉色的變化上，盡管釉的組成和燒成制度固定不變，但同樣的釉燒制出的顏色效果卻大不相同。例如，八十年代日本學者若松盈、竹內信行等通過研究指出：銅紅釉在強還原氣氛下燒成為灰色，在還原氣氛下燒成，然后在氧化氣氛下冷卻會形成紅色，而在氧化氣氛下燒成的銅紅釉則為綠色[5]。與此相同，鐵釉在還原氣氛下燒成為青色，在氧化氣氛下燒成則為黃色。其次，氣氛對陶瓷的呈色影響還反映在著色元素的上世紀價態和含量上。九十年代初，有學者研究認為通過穆斯堡爾譜中得到的特征超精細相互用作參量，可定量得出其中Fe2+和Fe3+的含量，由Fe2+/(Fe2++Fe3+)的值可以很容易區別出燒制是在氧化氣氛還是還原氣氛中進行的。當Fe2+/(Fe2++Fe3+)的比值越大，胎的灰顏色就越深，燒制氣氛以還原氣氛為主，當其達到最大值1時，說明該陶瓷胎是在強還原氣氛中燒成；當Fe2+/ (Fe2++Fe3+)的值越小，胎的灰顏色就越淺，燒制氣氛以氧化氣氛為主，當其值達到最小值0時，說明該陶瓷在強氧化氣氛中燒成[6]。

雖然有關氣氛對古陶瓷呈色的影響研究已經取得了一些階段性成果，包括氣氛的測定[7]，例如CO、O2這些常量化氣體含量的測定、氣氛的判別控制[8]、氣氛改變對陶瓷呈色的影響及其機理等理論問題[9]，但以往對于一些陶瓷的研究通常都是基于氧化氣氛或者還原氣氛這個概念下進行的，在實際中往往出現一些無法解釋的現象，如中國古代柴窯燒成中所謂的“窯變”現象，這些都已逐漸引起了人們的關注。

1.2 窯爐氣氛控制的研究

燒成氣氛的控制受到窯爐結構和設備的限制，如風量大小、風管直徑、排煙口、抽熱口位置等，但最關鍵的是穩定壓力的控制和合理地操作燃燒器。(1)穩定壓力的控制：風壓變化會影響氣體的流動狀態，窯內壓力的波動會引起氣氛的波動，而穩定壓力的控制的關鍵在于控制好零壓面，零壓面處于正負壓之間，當零壓面位于燒成帶前段，處于燒成帶與預熱帶之間時，燒成帶的氣壓為微正壓狀態，氣氛為還原氣氛；當零壓面位于燒成帶后段時，燒成帶處于微負壓狀態，氣氛為氧化氣氛。(2)合理地操作燃燒器：燃料是否完全燃燒會影響到窯爐氣氛，特別是燒成帶的氣氛。因此控制好燃料的燃燒程度，是控制爐內氣氛的重要手段。在燃料完全燃燒的情況下，燃燒中的全部可燃成分在空氣充足時能完全氧化，燃燒產物中沒有游離C及CO、H2、CH4等可燃成分，保證氧化氣氛的實現；當燃料不完全燃燒時，燃燒產物中存在一些游離C及CO、H2、CH4等，使窯內氣氛呈還原性[10]。

燒成環節是陶瓷制備工藝過程中最重要的環節。在實際生產中，燒成環節把握稍有不慎，就會出現滿窯廢品的情況[9]，而由于氣氛的影響常存在于無形之中，不如溫度可用眼睛觀測等方法容易，所以往往顯得更為重要和難以控制。自古以來就有“想要窮，燒銅紅”的說法[9]，這足以說明銅紅釉對燒成環節的要求之高。近年來，研究發現銅紅釉之所以難以燒制，是因為銅的呈色不僅與其在釉料中的濃度、燒成的溫度有關，還對燒成氣氛非常的敏感。根據氧化還原條件不同，銅可能以CuO、Cu+、Cu2+三種價態存在于釉中。二價銅離子產生天藍色，Cu2+O為紅色，原子狀態的Cu則為紅色和銅金星[11]。由此可見，有效控制燒成氣氛就是保證陶瓷品質的關鍵所在。鑒于此，景德鎮陶瓷學院曹春娥教授等應用不完全燃燒理論，詳細推導了計算過程。結果表明：用不完全燃燒理論確定銅紅釉燒成氣氛是切實可行的。該理論對實際陶瓷燒成過程，特使是對氣氛敏感的在還原氣氛下燒成的顏色釉生產有指導性意義和控制理論依據。

在現代日用陶瓷、藝術陶瓷、衛生潔具等生產中大多采用梭式窯，窯爐內的氣氛則由煙囪管道出口閘板的開度大小及窯底煙氣通道吸冷風口開度大小來決定。一般要求氧化氣氛燒成時，煙氣通道吸冷風口塞緊密封，而煙囪出口閘開大或全開；還原氣氛則關小或全關煙囪出口閘，拉開底部吸冷風口，以使窯內氣體沒有通道外流，從而也使窯外空氣不可能進入窯內以達到還原燃燒的目的[12]。這些具體操作方法對陶瓷燒成過程中氣氛控制具有很好的實踐意義。

2 “多元氣氛”的認識及其意義

隨著科學技術的進步，以及對陶瓷工藝研究的深入，相關研究者發現除了燃料燃燒等形成的窯爐氣氛對制品的性能會產生一定的影響外，窯爐內部制品胎釉高溫時產生的物理化學反應所生成的一些揮發性物質，同樣會對陶瓷制品的呈色等外觀性能產生一定的影響。

對于窯爐燒成中的氣氛，八十年代末景德鎮陶瓷學院與中國科學院地球化學研究所的學者們就利用巖礦色譜儀對氣氛中常見的O2、CO、CO2進行了測定，而且還對H2、CH4、H2O、N2等氣體組分進行了測定。其結果表明：在氧化階段，CH4和H2O的含量較少；在還原階段，氣氛中無氧或者只有極少量的氧氣；在弱還原階段，CH4和H2O的含量也相對較少。他們認為如果能夠找出各階段最佳氣氛含量的范圍，特別是還原階段H2與CO的最佳含量范圍，并以此作為參數來監控煤、油、煤氣、柴窯中的燒成氣氛，以提高窯爐中燒成瓷器的質量，這些將對窯爐理論的研究和生產實踐起到重要的作用[13]。

而對于窯爐內部制品自身產生的一些揮發性物質，九十年代河南省輕工研究所的學者發表了一篇名為“對窯爐氣氛的探討”的文章。他在文章中寫道：“窯爐內氣氛成分高度復雜，它不僅包括人們熟知的O2、CO、CO2、H2、N2等，而且包括被燒結坯釉料和匣缽發生物理化學反應所產生的物質，如Cu、Fe等。”[14]他們研究發現，置于銅綠色釉附近的本為白色釉的陶瓷制品毗鄰處釉面呈較深的黃綠色調，顯然這是綠釉中的銅離子高溫下擴散揮發，彌散于匣缽內，同時有少量被白釉吸附(收)并呈色，而且推斷出匣缽內氣體中銅離子的分布是不均勻的[14]。同時，他在研究鐵釉的時候也發現了銅釉的類似現象。可見，窯爐氣氛對制品的影響是極其復雜的，不僅與燃料的種類、燃燒的狀態等有關，甚至還與窯內的產品本身緊密相關。通過他的研究，人們對窯爐內的氣氛有了更進一步的了解，也使人們認識到窯爐氣氛中應當包含一系列的揮發性物質，這也為以后陶瓷研究者們的工作和學習提供了新的思路。

而在實際的生產中，人們也發現，即使采用相同的配方和燒成工藝，其產品與古代名瓷之間還存在著一定的差距(例如釉色的瑩潤感、常見的器件足底的火石紅以及彩料發色的韻味等等依然不能再現)。通過研究，他們發現可能是因為現代窯爐與古代窯爐使用的燃料已經發生了變化，古代柴窯使用的燃料在燃燒中能產生許多揮發性物質，例如Fe、Cu、P等，這些揮發性物質在窯爐內與坯釉結合，對瓷器產生影響。而對于擁有揮發性物質的這種窯爐氣氛也不像以往那樣可以用簡單的氧化還原氣氛來進行精確表征，因此，課題組在接收吸納前人學者研究理論成果的同時，提出了“多元氣氛”的概念。隨著“多元氣氛”的提出，可以利用“多元氣氛”對其進行科學的表征，進行更深入的分析和更為精確的測量，探究氣體中的一些揮發性物質對陶瓷呈色的一些內在聯系，為提高傳統陶瓷產品的呈色質量創造條件。

3 “多元氣氛”對陶瓷呈色影響的探索性實驗

一方面對氣窯和柴窯燒成過程中還原階段的氣氛進行檢測，測定主要氣體的含量。另一方面，通過固定陶瓷釉料配方和其他工藝制備條件(包括原料處理、成型和燒成制度等)，使其盡量保持相同或相似，使用不同的燃料燒制，但通過控制O2、CO的量比使之保持相近的氧化或者還原氣氛，在燒制過程中，分別采用氣窯、柴窯進行燒制，以達到氣氛的模擬。

表1為1000 ℃左右時氣窯和柴窯中燒成氣體含量檢測的結果。

從表1可以看出，在氣窯和柴窯中燒成時，氣氛中所含的O2、CO、CO2含量比較接近，變化不大。而NO和SO2含量則相差較大，在氣窯中，NO的含量幾乎為零，而在柴窯中，NO的含量最高的時候達到109 ppm，最低的時候達到37 ppm。而且側觀火口和后觀火口NO含量的變化成不同趨勢，在松柴剛加入時，側觀火口NO含量最多，達到109ppm，而隨著松柴的燃燒，其NO含量逐漸降低。后觀火口NO含量在松柴剛加入時含量最低，達到37 ppm，隨著松柴的燃燒，其NO含量逐漸升高。在氣窯中，SO2的含量也相對較低，上觀火口和下觀火口SO2含量的平均值只有5 ppm，小于柴窯中的最低值。柴窯中SO2含量的變化呈現出一定的規律，在松柴剛投入時，SO2的含量最大，而隨著松柴的燃燒，其含量逐漸降低，在燃盡時其值達到最低點。

表1 氣窯與柴窯不同觀火口的氣體含量Tab.1 The gas content of gas- and wood-fred kilns at different furnace observation port

氣體檢測結果中，氣窯和柴窯NO和SO2含量相差較大，其原因可能是因為所用燃料不同，氣窯采用精致級液化氣為燃料，其中N含量幾乎為零，S的含量小于0.8 mg/Kg。而在松柴中，N的含量在0.1-1%之間，S的含量則在100-200 mg/Kg之間。由此我們可以大致推斷氣窯和柴窯中NO和SO2含量相差較大，是因為燃料中N和S的含量相差較大，燃燒時生成的NO和SO2的含量也會因此產生較大的區別。

圖1 不同窯爐燒制Fe、Cu釉的外觀照片Fig.1 The appearance of the samples fred in different kilns

如圖1所示，圖為采用相同的基釉配方，但加入不同含量的Fe、Cu化合物，加入的Fe元素含量分別為0.3%、0.5%、0.8%，共三組。加入的Cu元素含量分別為0.5%、0.8%、1.0%，共三組。從左至右分別用氣窯、柴窯燒制而成，燒成溫度為1300 ℃。

通過對比圖片，觀察到在柴窯中燒成的Fe釉，釉面均有一定的泛黃現象，可能是因為柴窯氣氛中含有一定量的SO2，SO2會導致釉面泛黃。而氣窯氣氛中只存在著很少量的SO2，因此沒有出現泛黃的這一現象。

通過對比圖片，發現氣窯中燒成Cu釉時，都不約而同的出現了一定的裂紋現象。柴窯中燒出的Cu釉較氣窯中的Cu釉顏色都偏深暗一點，且柴窯中的Cu釉都出現了一定的析晶現象，但釉色都比氣窯中的均勻。根據上面氣體檢測的結果，可以初步推斷，相同的Cu釉在不同氣氛下燒成的效果是不一樣的，它們的外觀呈色等性質具有一定的區別，這與實驗之初的設想是一致的，也間接地證明了氣窯和柴窯中存在著不同的燒成氣氛。

在下一階段，將對鐵釉和銅釉繼續進行研究，通過X射線吸收精細結構、色度、化學組成、顯微結構等分析手段，進一步深入探究“多元氣氛”對陶瓷品質影響的規律與機制。

4 小 結

通過對較多資料文獻的歸納和分析，發現以簡單的氧化還原氣氛難以充分闡釋窯爐在燒成中所形成的復雜氣氛對陶瓷制品的外觀呈色等性能的影響，在此基礎上提出了全新的“多元氣氛”概念。初步實驗表明，陶瓷燒成窯爐內“多元氣氛”復雜成分及其含量的差異，不僅對制品的外觀呈色影響明顯，還會對陶瓷制品表面析晶、開裂等性能產生重要影響。

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The Multiple Atmosphere in Traditional Kiln Firing and Its Infuence on Ceramic Color

WU Juan, WANG Yuxu, WU Junming, ZHANG Maolin, LI Qijiang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In the fring process, the kiln atmosphere has important infuence on ceramic color and quality. Literature review and induction analysis reveal that the simple classifcation of kiln atmosphere as oxidizing or reducing is diffcult to accurately interpret its infuence on the quality of ceramics. This paper proposes a new concept of "multiple atmosphere" in the fring process and examines its effect on ceramic coloration through experiments in which the infuence of this atmosphere produced in gas- and wood-fred kilns under the same or much similar fring system on the most sensitive and the most widely used Fe and Cu glazes are studied.

ceramics; kiln atmosphere; multiple atmosphere; coloration

TQ174.6

A

1000-2278(2014)05-0521-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.05.014

2014-05-16。

2014-06-10。

國家自然科學基金(編號：51162017、51362016)；新世紀優秀人才支持計劃。

王宇旭(1988-)，男，碩士研究生。

Received date: 2014-05-16. Revised date: 2014-06-10.

Correspondent author:WANG Yuxu(1988-), male, Current master.

E-mail:wyx8690@sina.com