13．5．1 正确选择原料和坯釉组成
黏土在受热过程中，由于升温速度不同，吸热和放热的温度和反应的程度将受到明显影响，而长石原料的反应却与升温速度无关。因此在制定快速烧成陶瓷坯体时，应特别注意选择黏土原料的种类和数量。例如，黏土加热时由于存在烧失和晶型结构的变化，因而加热过程要平缓。硅灰石和磷矿渣都无结晶水，而且膨胀系数小，所以加热时体积变化小且极为均匀。采用这类原料配制成的建筑陶瓷砖，克服了长石质配方烧成收缩大和石英多晶转化造成体积突变的缺点，使烧成在几十分钟内完成。
对于建筑陶瓷，在允许范围内可尽量提高坯体中的SiO2含量，减少Al2O3的含量，有利于缩短烧成周期。因为Al2O3要提高烧成温度而高温下的升温尤其困难。铝酸盐分解和化合时又要吸较大热量，从而影响快速升温。SiO2能减少坯体的烧失量并能抵消部分收缩。所以高硅质瓷利于快烧。然而这种坯在冷却过程中极易炸裂，如果窑炉的热交换不良，冷却系统不完善，这种配方很难生产，采用活性原料或增加原料细度都能促进快烧。
1．低温快烧的经验公式
下式是陶瓷坯料化学组成和烧成温度之间的经验公式:
T=267．44+0．15(S+A){73．32～［4．18～(S/A)］2}～1．15(C+M+K+N){7．86～［2．8～(R2O/RO)］2}。
式中:S，A，C，M，K，N等分别表示SiO2，Al2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O等氧化物在坯
体中的质量百分含量(%);
R2O表示碱金属的质量百分含量(%);
RO表示碱土金属和二价金属氧化物的质量百分含量%。从公式可知，调整S/A、熔剂数量R2O+ RO及R2O/RO均可达到降低烧成温度的目的。
2．适合于低温快烧的原料
(1)低温烧成及其对原料的要求
烧成是将陶瓷坯体在一定条件下进行热处理，使之发生一系列物理化学变化，形成预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求性能的工序。以黏土、长石、石英三种矿物成分配制的传统陶瓷坯料在烧成过程中随着温度的逐渐升高，其中所含水分(结合水和结晶水)排除，碳酸盐、硫酸盐分解，有机物、碳素和硫化物等氧化，石英多晶转变，液相产生，长石、石英等旧晶相颗粒在液相中熔融，并从液相中析出比较稳定的新晶相莫来石。由于液相充填坯体固体颗粒之间的孔隙，且由于液相表面张力的作用，使固体颗粒互相靠近，促使坯体致密化，使坯体体积收缩，气孔率下降;而在液相中旧晶相的熔解过程和新晶相析出过程不断进行，促使莫来石晶体在线性方向上不断长大，呈针状交错贯穿于坯体中起骨架作用，使瓷坯强度增大，最后莫来石、残留石英与坯内其他组成借助于玻璃状物质黏结在一起，形成了致密的有较高机械强度的瓷胎。由此可见，对于以液相烧结为主的传统陶瓷制品来说，液相的存在和稳定的新晶相的产生是达到烧成目的的关键，而这两者需要在一定烧成温度下才得以实现，低温烧成顾名思义是在相对较低的温度下完成烧成过程，故它对原料的要求是:
①在相对较低的温度下生成低共熔物即液相。
②在这个较低的烧成温度下液相数量和黏度均合适。液相数量过少，坯体致密化和熔融析晶过程受到影响;液相黏度过低，坯体容易变形。
③在较低温度下生成新晶相。
从这个意义上说，以黏土、石英、长石三种矿物成分组成的普通陶瓷坯料，作为熔剂矿物的长石本身就是一种低温原料，由于长石中提供了K2O或Na2O，与Al2O3、SiO2形成三元低共熔体系，使液相得以在较低温度下产生，并生成组成为3Al2O3·2SiO2的莫来石晶体。长石的代用品如伟晶花岗岩、霞石正长岩、酸性玻璃熔岩等因含有一定量碱金属氧化物，其作用同于长石。
硅灰石作为建筑陶瓷低温烧成原料得到广泛应用，当硅灰石与黏土或与叶蜡石配成坯料时构成了硅酸铝钙系陶瓷，高温生成晶相为钙长石及方石英，这个反应温度较低，约900℃～1000℃，从而降低了烧成温度。
碱金属、碱土金属氧化物含量丰富的非金属矿物与其他原料适当配合，都可考虑作为低温烧成陶瓷原料。
(2)快速烧成及其对原料的要求
陶瓷制品在烧成过程中，从低温逐渐加热到高温，在高温段保温一定时间，然后从高温又冷却到低温，需要一定的烧成温度和烧成时间，在这段时间内，各种物理化学反应得以完成，最终成为有固定外形尺寸、一定的气孔率、较高强度及其他一系列所要求性能的产品，烧成温度不够或烧成时间不足，不仅达不到所期待的产品性能，而且往往还会造成各种烧成缺陷，在一定范围内，烧成温度和烧成时间又是互补的，温度不够，可以通过适当延长烧成时间予以弥补;同样，时间不足，也可通过适当提高烧成温度予以弥补，这就是称之为低温长烧、高温短烧的烧成工艺，借此可以取得所要求的烧成效果，而低温快烧工艺既要在较低烧成温度又要在较短烧成时间下完成烧成全过程，如果原料选用不当或烧成操作不当，容易造成下列几方面产品缺陷:
①坯体变形开裂和产品尺寸不一。
由于烧成过程中热量在坯体内的传递滞后于坯体表面温度的升降以及窑炉内上下左右之间存在的温差，致使坯体内存在温度梯度，从而引起坯体各部分收缩不均匀产生热应力，热应力正比于温度梯度，而温度梯度正比于温度变化速度，温度变化速度过快，坯体内的热应力过大，以致超过制品所能承受的极限，就引起制品变形如开裂。另外，由于窑炉烧成带截面温差以及高温保温时间短的原因，致使靠近窑内两侧的制品和中间部位的制品长短不一，特别是对于烧成范围狭窄的坯料，这种长短差更明显。
②釉面针孔、气泡等缺陷。
现代陶瓷烧成反应动力学的研究和生产实践证明，陶瓷坯体中物化反应速度正比于升温速度，升温速度越快，反应速率越大。尽管如此，在快速烧成时由于坯体在预热带时间过短，挥发性成分分解排除来不及在高温段前全部完成，以致当釉熔融封闭制品表面时，坯料中还继续有挥发性成分逸出，冲破釉面，轻则造成针孔，重则形成气泡。
③坯釉结合不牢及缩釉裂釉等。
由于坯釉料匹配不好，烧成后没有形成良好的坯釉中间层，以致釉层与坯体结合不牢或发生缩釉裂釉，这在快速烧成中更易出现。
根据以上分析，总结出对快速烧成的原料要求是:
a．原料中挥发性成分(结晶水、有机物、碳酸盐、硫酸盐等)尽量少，即原料烧失量小，且希望挥发性成分在1000℃前能全部逸出。
b．原料烧成范围尽量宽。
c．原料烧成收缩尽量小。
d．原料热膨胀系数大小适宜。从减小热应力的角度考虑，坯料热膨胀系数宜小;从坯釉匹配角度考虑，坯料热膨胀系数应稍大些，应略大于釉料热膨胀系数。综合这两个因素，坯料的热膨胀系数应中等大小为适宜，并希望热膨胀系数随温度升降呈平稳的线性变化，以避免因烧成过程中不规则的胀缩而产生的产品缺陷。
在实际选择原料时，满足上述各项要求中的其中几项，即可考虑用作快烧原料，例如目前在建筑陶瓷生产中采用的透辉石(CaO·MgO·2SiO2，理论化学组成为CaO25．9%，MgO18．6%，SiO255．5%)，除了因为它富含熔剂性碱土金属氧化物CaO、MgO是一种低温原料外，还因为它:不含挥发性成分;是瘠性料，烧成收缩小;热膨胀系数不大，且随温度升高而呈线性变化;本身不产生多晶转变，因而可避免因多晶转变的体积效应所造成的应力，故也是一种较好的快烧原料。
(3)原料低温烧成性能与快速烧成性能之间的关系
原料低温烧成与快速烧成两种性能之间有对立的一面，又有统一的一面。前面已提及，制品在烧成中发生的变形开裂是由于坯体中热应力超过制品的承受极限。这里，热应力是引起变形开裂的外因，制品自身的承受能力是内因，原料具有低温烧成性能即在较低温度下完成烧成物化反应，赋予制品以强度，也就具备了在一定范围内抵抑热应力而不变形不开裂的能力。烧成时间越短，温度变化速度就越快，则制品内热应力也越大;而低温烧成性能越好，则制品在这个较低温度下烧成后强度越高，越能承受较大热应力而不变形不开裂。故从这个角度分析，原料低温烧成与快速烧成两种性能有统一的一面。但是，在选择低温快烧原料时往往不能同时满足上述对低温烧成和快速烧成的全部要求，某种原料烧成温度较低，但快烧性能却欠佳，或反之，低温性能不理想，快烧性能倒很好，这又是对立的一面。例如作为传统熔剂原料长石，本身就是低温快烧原料，在低温快烧工艺中，有人认为选用钾长石好，也有人认为选用钠长石好，这实质上是因为这两种长石在低温烧成性能和快速烧成性能两者中各有所长之故。在同样温度下，钾长石熔融物黏度大于钠长石熔融物黏度，其熔融物黏度随温度变化的速率钾长石又小于钠长石，且钾长石比钠长石又有较宽的熔融温度范围，因此用钾长石作熔剂原料要比用钠长石烧成范围宽，有利于快速烧成中的操作控制。但钠长石的熔融温度比钾长石低，容易形成液相，其液相黏度小，容易熔解黏土分解物和一部分石英，新晶相莫来石容易在钠长石熔体中生长发育，所以低温烧成性能钠长石比钾长石好，因此在综合比较钾长石和钠长石的低温快烧性能及其优先选用哪一种时，决定于侧重点偏重于哪一点。
含CaO、MgO的矿物如滑石(3MgO·4SiO2·H2O)、白云石(CaCO3·MgCO3)、硅灰石(CaO·SiO2)、透辉石(CaO·MgO·2SiO2)、透闪石(2CaO·5MgO·8SiO2·H2O)加入到坯料中去，都能降低坯料的烧成温度，但是它们对坯料烧成范围的影响却因加入量多少而截然不同，当引入少量的CaO、MgO时，例如在坯料中加入4%左右的滑石或2%的白云石，不致引起熔体数量的大量增加，由于石英的熔解，熔体也能保持适当的黏度，且在坯体中形成了起骨架作用的莫来石针晶，所以坯体具有较好的抗变形能力和较宽的烧成范围，此时滑石或白云石起到同时调节烧成温度和烧成范围、改善产品性能的添加剂作用;而当坯料中引入较多的CaO、MgO时，例如把透辉石、硅灰石等作为主要原料加入到坯料中去(加入量在10%以上)，使坯料烧成范围变窄，因为这时坯料烧成中总会形成一定量的钙质玻璃或钙镁玻璃，其高温黏度随温度升高而迅速降低，容易造成产品的变形，所以硅灰石、透辉石等矿物原料目前常用做低温快速原料，是因其有挥发性成分少、瘠性料收缩小等有利于快速烧成的一面。
为解决上述矛盾，使低温烧成和快速烧成两大优点兼而有之，可采用复合熔剂或在坯料中添加能改变熔体性能的物质的方法。例如在坯料中同时加钾长石和钠长石或采用本身就含有钾长石和钠长石两种矿物成分的长石原料。如配制以黏土为主要原料成分的低温快烧坯料，则可采用含有未风化完全的长石碎屑的黏土原料外加石灰石构成长石一石灰石组成的复合熔剂或采用石灰石—长石—滑石组成的复合熔剂来强化其烧结过程;如用透辉石等作为低温快烧原料时，为加宽烧成范围，应在坯料中同时增加Al2O3、SiO2、ZrO2等成分，以提高液相高温黏度。
(4)选用低温快烧原料时要注意的几个问题
①在选用低温快烧原料时，必须结合窑炉设备条件一起考虑。目前建筑陶瓷生产中普遍采用的辊道窑较之隧道窑、推板窑等老式窑炉容易实行低温快烧。所以同样的原料，在隧道窑、推板窑中达不到低温快烧而在辊道窑中却有可能达到。而同为辊道窑，因窑体结构、窑墙耐火材料、烧嘴种类和布置、所用燃料种类、人控还是自控等等的不同而影响到低温快烧效果的差异。窑内温差小，窑体保温性能好，用煤气或轻柴油等优质燃料、明焰烧成、自动调节的辊道窑比窑内温差大、窑体保温性能差、用煤或重油等劣质燃料、隔焰烧成、人工调节的辊道窑更有利于低温快烧，因而前者对低温快烧原料的挑选余地要比后者大。
②在选用低温快烧原料时，首先要看生产产品的品种。对于吸水率较低的瓷质或炻质的外墙砖、地砖，其坯料烧成温度接近于烧结温度，因而要求原料烧成范围宽;而对于吸水率允许大一些的精陶瓷釉面内墙砖，其坯料烧成温度离烧结温度尚有一段差距，且固相反应是烧成过程中形成坯体的基本反应，因此烧成范围窄的原料对它的快速烧成的负面影响相对小些。于是硅灰石、透辉石等烧成范围窄的低温快烧原料常用于生产釉面内墙砖，而用于生产外墙砖、地砖效果就要差些。另外，烧成温度相对较高、坯体致密的瓷质、炻质墙地砖对原料挥发性成分的含量要求也要比烧成温度相对较低、气孔率较大的精陶质釉面砖严格，故碳酸盐含量高的页岩红土或红黏土不宜用作外墙砖、地砖的低温快烧原料，却可用做多孔性陶瓷制品如釉面砖的低温快烧原料，只有碳酸盐含量低于2%的页岩红土才可用做彩釉墙地砖的低温快烧原料。
③要求原料来源广泛，价格低廉，在基本满足低温快烧要求的前提下，尽量使用所谓的劣质料和本地料，以使生产成本降低。例如用长石风化未完全仍含有较多钾钠成分的黏土料取代长石，广东陶瓷企业应用较多的低温瓷砂实质上属于这一类，各地都可寻找发掘类似的低温料。又如近年在开发瓷质砖以及对待“红坯”和“白坯”的问题上，似乎一味追求白坯，喜用色浅、质好、价高的低温硬质料如硅灰石、透辉石、伊利石等，而排斥色深、质次、价廉的低温软质料如红黏土，实际上这是步入了选料误区。成分合适的红黏土是具有低温烧结性好、中等塑性、收缩不大等综合性能的黏土原料，适宜低温一次快烧工艺，可用来生产精陶质、炻质墙地砖，对于含Ca、Mg较少的红黏土，烧成范围不窄，从理论上讲完全可以用来生产吸水率小的墙地砖产品，国外高档墙地砖产品往往采用有色、廉价的“劣质”原料。
④工业废渣如萤石矿渣、磷矿渣、高炉矿渣、珍珠岩废料等往往含有较多的低熔点成分，烧失量小，烧成收缩不大，因而适合低温快烧的要求，把它们用作建筑陶瓷低温快烧料，既扩大了原料来源，又降低了原料成本，还可变废为宝，为综合治理三废做贡献。
⑤在选择低温快烧原料时，除了对这种原料的低温烧成和快速烧成两种性能通盘考虑外，还要根据生产工艺性能要求综合考虑坯料的整体配方，如某种低温快烧原料在满足某项工艺性能方面存在不足，可以通过配方中加入其他原料予以调剂，则这种低温快烧原料仍可采用。
⑥生产中应以产品质量为前提，以质量求效益。当低温快烧原料和窑炉确定以后，必须严格按相适应的烧成制度和工艺操作规程进行生产，否则会明显降低产品的性能。
13．5．2 低温快烧对窑炉的要求
建筑陶瓷要实现低温快速烧成，除了对坯釉配方组成、坯体的形状以及入窑水分等要求外，采用能够适合低温快烧的窑炉十分重要，对于保证产品质量，提高生产效率具有重要的意义。
1．快烧窑具有短小、扁窄和自动控制等特点。
传统窑炉在截面内垂直方向与水平方向上的温差很大，窑具蓄热量大限制了升温和冷却速度。而辊道窑窑炉的截面小，上下温差低，辊子速度可以灵活调节，窑具的蓄热小，是目前快速烧成中最适合的窑炉，在建筑陶瓷生产中得到广泛应用。
2．采用高速等温喷嘴以保证窑温的均匀分布。
采用高速等温喷嘴是减小窑内温差，实现快速烧成的一项重大技术措施。普通喷嘴的喷出气流速度仅为5～10m/s，不能在窑内造成气流的再循环和强烈的搅拌作用。高速喷嘴的喷出速度为40～80m/s，甚至高达160～300m/s。喷入窑内的高速燃气气流引起窑内气流的再循环，大幅度提高传热效率，从各个方向对制品进行均匀快速加热。
高速等温喷嘴是向高速喷嘴添加扩散空气。燃烧气体与扩散空气的混合气体从燃烧器喷口射出的速度在其温度调节范围内(1800℃～100℃)的任一设定值均能保持相当稳定。提高燃气量，相当于减少扩散空气量，则使燃气流温度提高，反之，温度下降。在整个烧成过程中，燃气流速保持在一个相当稳定的数值上，即窑内维持相对稳定的强气流循环。因此，可以说高速等温喷嘴具有燃气流速快，空间热强度大，温度分布均匀的特点，为高质量快速烧成提供了成功的条件。
3．优质的筑窑材料。
采用轻质、耐高温、高强度、绝缘性好的材料筑窑，减少窑墙厚度，降低散热损失和窑墙蓄热，克服加热与冷却过程中的温度滞后现象，调节灵活，适应快速烧成的要求。选用耐火材料的长期工作温度应比实际使用温度高出200℃左右作为安全系数。选用泡沫电熔刚玉砖以及采用陶瓷纤维隔热材料较为理想。
4．含硫量低、无灰分的优质燃料。
在烧成过程中，1000℃以下以对流传热为主，在高温区域以辐射传热为主。在以对流传热为主的预热带，要达到快速地均匀升温，采用隔焰不利于对流传热。对流传热与气体流速成比例，即:
Q=A·α(T气－T制)
式中:Q—对流传热量;
A—传热面积;
α—对流传热系数;
T气，T制—分别为气体热源及制品的温度。
因此采取使用城市煤气、天然气、液化气、轻质柴油等无灰分、低含硫量燃料进行明焰直接加热较适宜。要求明焰烧成的含硫量低于0．2%。
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