实现低温快烧工艺的条件和机理

    硅灰石为偏硅酸钙，其化学式为CaSiO3，是一种适用于陶质釉面砖的低温快烧原料，它在坯体中的主要作用机理为：

     1． 降低烧成温度机理
        1） 在传统的硅铝体系之中，主要的原料为石英、长石、叶腊石、滑石、粘土等，生成的物相主要以莫来石为主。为了实现硅铝体系生成莫来石的反应，需采用1250℃~1300℃之高温，周期要达到40小时以上。而将硅灰石引入到传统的陶质坯体中后，新的体系除了硅铝以外，增加了钙的组分，构成了硅-铝-钙为主要成分的低共熔体系，生成的物相主要是钙长石，而实现这一反应只需要在较低温度的条件下即可，这就是硅灰石能降低烧成温度的机理。 
        2） 硅灰石陶质坯体配方中的成瓷反应如下：

 CaSiO3（硅灰石）+Al2O3·2SiO2·2H2O(粘土)    1100℃  CaO·Al2O2·2SiO2（钙长石）+SiO2（方石英或无定形石英）+H2O
CaSiO3（硅灰石）+Al2O3·4SiO2·2H2O(叶腊石)    1100℃  CaO·Al2O2·2SiO2（钙长石）+3SiO2（方石英或无定形石英）+H2O
CaSiO3（硅灰石）+3MgO·4SiO2·2H2O（滑石）    1100℃   3 (CaMg·Si2O6)（透辉石）+SiO2（方石英或无定形石英）+H2O

3） 理论计算的烧结温度：根据G·塔曼对硅酸盐提出的经验规则：

T烧结温度=0.8×T熔融温度 

SiO2  72.6%,Al2O3  23.20%,MgO  4.19%，从相图中查得熔融温度1600℃，

T烧结温度=0.8×T熔融温度=0.8×1600℃=1280℃ 

硅灰石陶质配方的化学组成为SiO2  58.73%,Al2O3  21.54%,CaO  19.73%，熔融温度℃

烧结温度=0.8×1360℃=1088℃

从计算可以说明，硅灰石在陶质配方中具有助熔作用。与传统配方相比，大约可降低烧成温度150℃~200℃，较明显地节约了能源。         
    2． 缩短烧成周期机理 
        硅灰石质配方可将烧成周期从几十小时缩短十几小时，几小时，甚至几十分钟，其主要机理如下：
         1） 预热阶段 
            硅灰石本身不含有机物、结晶水、吸附水，从差热曲线看，硅灰石在1200℃以前没有明显的吸热、放热效应，以及不发生快速相变化； 这些特性都符合上文提到的预热阶段快速烧成的条件。与传统配方相比，硅灰石配方更适用于快速干燥，快速脱水，更容易通过573℃的石英晶型转换点。
        2） 烧结阶段 
            据资料计算，硅灰石和偏高岭石在1100℃时发生反应的生产热： QP1=-38.0千卡/摩尔； 而偏高岭石在1200℃下分解为莫来石的生产热： QP2=△H1473℃T=--131千卡/摩尔； 以上数据表明，前者所放出的热量（绝对值）远小于后者，说明前者的反应进行得比后者平稳得多。硅灰石质配方高温烧成阶段反应时的低放热效应是实现快速烧成的因素之一。 
        3） 冷却阶段
            硅灰石质坯体能够实现快速冷却的主要原因是：
            ① 在硅灰石配方中没有和含有极少的石英，而传统的陶质配方中至少要添加至20%的石英。石英在573℃左右要从六方a石英变为三方b石英，而且这种转变温度范围窄，并伴有0.8%的体积变化。当573℃时体积收缩率达1.7%,降到400℃时达2.6%，所以硅灰石坯体配方较添加较多石英的传统配方更适用于快速冷却。 
            ② 硅灰石坯体中的方石英含量低于传统配方的方石英含量。这是由于：一方面传统配方中的高岭石、叶蜡石在高温慢烧的条件下，除了生成莫来石外，还分别有36%和58%（重量比）的SiO2可转化为方石英；而硅灰石坯体在低温快烧条件下，硅灰石与高岭土、硅灰石和叶腊石除了反应生成钙长石外，只有18%和40%的SiO2可以转化为方石英。另一方面，传统配方中添加的石英在高温慢烧的条件下，以及在K、Na、Ca、Mg离子的作用下，也能部分转化为方石英，而在硅灰石质坯体中添加的石英量较小，且在低温快烧条件下转化为方石英量较小，且在低温快烧的条件下转化为方石英的比例更少。上述两条是硅灰石坯体中方石英含量比传统配方低的原因。
        结晶程度好、晶体无缺陷、较纯的方石英在270℃以下会发生高、低温相对突变，而结晶程度差、晶形缺陷多、成分不纯的方石英则晶相转化温度低，转化温度范围较宽。硅灰石坯体和传统坯体中的方石英属于后者的类型，它们的晶形转化温度在100~200℃之间。当高温相的立方晶系的a--方石英变为低温相的四方晶系的b--方石英时，体积要发生2.5%的变化，这种体积变化常常引起结构应力，而造成坯体开裂。 因此，方石英是不利于坯体快速冷却的产物。 
        总之，硅灰石坯体适用于快速冷却的主要原因是其石英、方石英的含量低。

    3． 降低烧成收缩、提高生坯和烧成后成品强度的机理 
        据资料介绍，硅灰石质釉面砖的计算烧成收缩为0.3%，实际收缩为<0.5%，而传统釉面砖的计算烧成收缩为5.3%，而实际为1%左右（因为没有考虑石英转化为方石英时体积膨胀）。由此可以看出，硅灰石质的陶质坯体的烧成收缩要比传统坯体小，这就有利于保证在快速烧成中产品尺寸的准确性。
        另外，由于硅灰石针状晶体杂乱无章的排列有利于形成交织连锁结构增强了生坯的强度。在硅灰石质配方烧成的坯体中，针状的硅灰石呈交织排列，而在硅灰石的晶体四周是它与粘土矿物的反应生成物-钙长石和方石英组成的反应边，这些生成物起着焊接加固作用。钙长石的生成量越多，反应边越厚，那么硅灰石的针状晶体与周围的固结越牢，成品的强度越高。提高生坯和成品的强度，都有利于快速烧成的实现，和成品合格率的提高。

    4． 硅灰石釉适应于低温快烧的机理：
        用硅灰石配制的釉能适用于低温快烧，其原理如下：
        1） 硅灰石的低膨胀系数，有利于制备低膨胀系数的釉，以匹配低温烧成的硅灰石质，透辉石质坯体； 
        2） 硅灰石本身不含任何的挥发气体，用硅灰石制成的釉，始熔温度较高能适用于在釉光亮之前挥发性气体基本上逸出，在釉面封闭后短时间流动时排出的气体最少，不会产生凹坑、针眼等缺陷。另一方面，硅灰石质釉能满足快速冷却，粘度增加，迅速固化之要求。
        3） 硅灰石能降低釉浆的粘度，具有更好的施釉性能，烧成时能提高釉面之光泽，降低高温熔体之粘度，在快速烧成时很少产生波纹。
        4） 硅灰石有利于呈色反应，用来配制色基，有利于在快速烧成中呈色鲜艳、稳定。