МДК0201 Теплотехническое оборудование. Занятие №15.
Назначение процесса обжига материалов и изделий керамики. Виды обжига изделий: утильный (первый), политой (второй),
Декорированный (третий).
В обжиге происходят все основные изменения в глине и глазури, после которых и образуется то, что мы называем керамикой. Обжиг - это технологический процесс, параметры которого найдены практическими испытаниями, и он должен быть проведен так, как этого требуют обжигаемые изделия. Интуитивно понятно, что мы хотим вынуть из печи. От утиля ожидается звонкая прочность и некоторая пористость, чтобы он впитывал глазурь. От бисквитного фарфора - приятная шелковистость и белизна. Блестящие глазури должны хорошо блестеть, а матовые быть по-настоящему матовыми.
Во время нагрева множество химических соединений, из которых состоит наше сырое изделие, претерпевает серьезные изменения. Дегидратация, фазовые превращения, химические взаимодействия, растворение и кристаллизация - вот их неполный список. До сих пор не существует полной теоретической модели, по которой можно было бы заранее предсказать результат, а если бы она существовала, нам потребовался бы месяц исследований состава глины и глазури, чтобы дать точное задание на расчет. Но мы хотим получать задуманные эффекты и запланированные свойства изделий, и для этого нужно иметь возможность контролировать параметры обжига и управлять ими, зная основные, самые общие, принципы.
Виды обжига, зачем они нужны и что нужно контролировать.
Условно разделим все материалы на 4 группы:
· Фарфор - много плавней, при нагревании в черепке образуется много жидкой фазы. Сюда же отнесем каменные массы.
· Фаянс - жидкой фазы почти что нет. Кстати, и фаянса-то почти уже никто не выпускает в его прежде классическом варианте.
· Майолика - здесь будем так называть изделия из красной глины, в том числе гончарку, терракоту и т.п.
· Шамот - по химическому составу - любой из вышеперечисленных материалов. Отличается от них тем, что содержит зерна уже обожженного материала, связанные пластичной глиной.
Для каждой группы материалов условно выделим некоторые объединяющие их моменты.
Фарфоровая схема обжига.
Сначала проводят первый, утильный, обжиг. То есть обжигают высохшие изделия без глазури. Температуру выбирают в интервале 800 - 1000°С. После первого обжига изделия приобретают прочность, достаточную даже для машинного глазурования (на конвеерной линии). Изделия остаются пористыми, но, если есть трещины, их легко выявить (по характерному дребезжанию) простукиванием деревянной палочкой. При глазуровании не надо церемониться с изделием так, как это бывает в случае сырца (однократный обжиг). Можно легко глазуровать изделия окунанием, даже если они метровых габаритов. Изделия после этого обжига называют утилем.
Затем проводят второй обжиг. Перед глазурованием и, соответственно, перед вторым, политым, обжигом, на изделие наносят подглазурную роспись. По технологии после этого проводят еще и промежуточный закрепляющий обжиг, чтобы краски не смылись при окунании в глазурь. Политой обжиг, т.е. обжиг полуобожженного заглазурованного изделия, проводят при температуре созревания черепка. Это разные температуры для разных видов фарфора (а мы сюда отнесли еще и каменные массы). Настоящий фарфор требует 1380 - 1420°С, рядовой столовый фарфор - 1300 - 1380°С, санитарно-технический - 1250 - 1280°С, а каменные массы - в зависимости от того, что используют в роли плавня. Второй обжиг окончательно формирует структуру керамики и, таким образом, определяет все ее физико-химические свойства. Изделия после этого обжига (если оно не расписано) называют бельем.
Традиции диктуют фарфору другой вид: с цветочной росписью, картинкой, золотой или голубой каемочкой. Украшения фарфор получает в третьем, декорирующем, обжиге. Обычные надглазурные краски вжигают при 800 - 830°С, люстровые краски и препараты золота - при той же или чуть меньшей температуре. Сейчас распространился и высокотемпературный декорирующий обжиг при 1000 - 1100оС. Роспись для него проводят красками высокого огня (внутриглазурные краски) или легкоплавкими цветными глазурями. Иногда, чтобы получить яркие краски, проводят два и более декорирующих обжигов. Все они, с точки зрения классификации, третьи.
Фаянсовая схема обжига
Первый обжиг фаянса - высокий. В фаянсовых массах практически нет плавней, поэтому при обжиге образуется минимальное количество жидкой фазы, или не образуется вообще, а глины, входящие в его состав, имеют высокую тугоплавкость. Это дает возможность обжигать изделия из фаянса сразу при температурах, необходимых для созревания черепка. Как правило, это 1200-1250°C. В отличие от фарфора, черепок останется пористым, на него легко нанести слой глазури.
А второй обжиг, политой, можно проводить при любой температуре. То есть, при той, которая требуется для нормального растекания глазури: 1150 - 1250°C, если это "фаянсовые" глазури, 900 - 1000°C, если это свинцовые майолики; можно нанести белую эмаль и использовать технику росписи по сырой эмали. Во всех случаях, если глазури подобраны правильно, мы получим изделие с такой же прочностью, какой она была после первого обжига.
Третий, декорирующий, обжиг проводят так же, как и в фарфоровой схеме. Если он необходим. Ведь, по сравнению с фарфором, низкая температура политого обжига допускает применение глазурей и красок широкой цветовой гаммы.
Обжиг майолики
Здесь используются красножгущиеся глины с невысокой тугоплавкостью. Пережег может привести к их вспучиванию и сильной деформации. Красные глины вдобавок имеют узкий интервал обжига. Например, при 950°C это еще непрочное рыхлое, а при 1050oC - плотноспекшееся, стекловидное тело. Для майолики в принципе характерны низкие температуры обжига - 900 - 1100oC. И как раз примерно при этих температурах завершаются процессы разложения глинистых материалов, которые (процессы) сопровождаются выделением газообразных веществ. Это делает крайне затруднительным так называемый однократный обжиг - и черепка и глазури - за один раз. Если обратиться к нижеприведенной таблице, будет ясно, насколько близки температуры обжига майолики к критическим для керамики температурам. Самая распространенная технология - первый, утильный, и второй, политой, обжиг.
Режим первого обжига выбирают таким, чтобы в максимальной степени прошли все процессы превращения глинистых минералов. Незавершенность этих процессов обязательно скажется на качестве поверхности глазури после второго обжига. Температура утильного обжига может быть и выше, и ниже температуры политого обжига. Обычно ниже, где-то на уровне 900 - 950°C. Режим второго обжига выбирают исходя из характеристик глазури, но, естественно, при этом нельзя превышать температуру начала деформации черепка.
Обжиг шамота
Основное отличие шамотных масс от вышеперечисленных - наличие в массе жесткого каркаса из плотных, уже прошедших соответствующий обжиг зерен. Размер зерен может варьироваться от 100 микрон до нескольких миллиметров, что определяется скорее требованиями фактуры материала, а не требованиями технологии. Жесткий каркас препятствует усадке массы в процессе обжига. При сушке усадка шамотных масс ненамного меньше, чем тонких пластичных масс. Это позволяет проводить обжиг при несколько более высоких температурах, не опасаясь серьезной деформации изделия. Часто материал зерен имеет другой состав, чем пластичная составляющая массы. Если тугоплавкость зерен выше, температуру обжига можно увеличить значительно.
А в целом схема обжига шамота та же, что и для других типов масс: сначала утильный, потом (если нужно) политой, потом (если нужно) декорирующий обжиги.
Однократный обжиг
Однократный обжиг - это когда на высушенное изделие наносят глазурь и обжигают все в один прием, объединяя утильный и политой обжиги. Это мечта любого производственного экономиста:
· только один раз тратится энергия на нагрев;
· ставка изделий в печь и их выемка производится один раз;
· не нужен промежуточный склад утиля;
· цикл от сырца до готового изделия сокращается вдвое, т.е. меньше относительные затраты на аренду площадей и зарплату за счет повышения производительности.
В принципе, если не считать совсем низкотемпературный декорирующий обжиг, однократно можно обжечь любой материал, но при этом:
· приходится наносить и подглазурный рисунок, и собственно глазурь на просто высушенное изделие, которое, конечно, не имеет прочности утиля;
· из-за этого исключается машинная обработка, а руками надо все делать очень аккуратно, чтобы ничего не разбить;
· глазурование методом окунания - наиболее экономный с точки зрения расхода глазурей - можно проводить только для маленьких изделий, делая большую паузу между глазурованием внутри и снаружи;
· нет утиля, нет и промежуточного контроля качества (овальность, тонкие краевые трещины и т.п.), т.е. заранее закладывается более высокий процент брака
· глазури должны быть специфицированы на однократный обжиг.
Для мастерских, изготавливающих серийную продукцию, и для керамических фабрик, решающим могут оказаться соображения экономического порядка. Вот что нужно иметь в виду.
Для фарфора:
· Энергозатраты на низкий утильный обжиг существенно ниже затрат на высокий обжиг. Для первого достаточны температуры порядка 900°C, воздушная окислительная среда, электрическая печь со слабой футеровкой. Для второго - хорошо футерованная и желательно пламенная печь. Стоит ли экономить на утиле?
· Глазури для фарфора начинают расплавляться при температуре, близкой к температуре созревания фарфорового черепка. В том интервале температур, где происходят процессы разложения глинистых минералов, глазурный слой походит на порошок, и газы легко проходят через него. Таким образом, не приходится опасаться дефектов глазури, возникающих по причине газонепроницаемости расплава.
· Фарфоровые массы - это тощие, быстро промокающие массы. Глазурование сырца требует сноровки. Утиль нужен.
· Многие крупные изделия, например, изразцы, часто надо глазуровать напылением. А при обжиге на бисквит глазуровать вообще не надо.
Для фаянса:
· Утильный обжиг (помните, он проводится на высокую температуру) нужен обязательно, если мы собираемся использовать легкоплавкие глазури. Иначе в однократном обжиге мы получим не фаянс, а нечто недожженное, напоминающее папье-маше.
· Утильный обжиг не нужен, если мы используем высокотемпературные глазури, которые, наподобие фарфоровых, начинают плавиться выше 1100°C. В этом случае наносят их, как правило, напылением сжатым воздухом.
Для майолики.
· Утиль нужен практически всегда, и причем на максимально высокую температуру. Многие технологи западной школы рекомендуют обжигать майолику чуть ли не до стекловидного состояния, чтобы выжечь все примеси и разложить все, что способно разложиться в утильном обжиге. Вопрос, а как потом глазуровать? Можно. Читайте об этом в разделе о глазурях.
· Если в качестве покрытия использовать ангобы или что-то вроде терра-сигилята, или если вы располагаете специальными глазурями с очень коротким интервалом плавления, можно обойтись без утиля.
Для всех материалов однократный обжиг возможен при условии тщательно отлаженной технологии, которая в случае керамики, на две трети состоит из опыта работающих.
Что происходит в процессе нагрева и охлаждения.
| Интервал,C | Процесс |
| 20 - 100 | Удаление влаги из массы. Греть нужно медленно и, главное, равномерно. Чем толще стенки изделия, тем медленнее нагрев. |
| 100 - 200 | Удаление влаги из массы продолжается. Если приборы показывают 150°C, это еще не значит, что изделие нагрелось до такой температуры, особенно в толще, особенно на толстой подставке. Глазурное покрытие претерпевает усадку. Выделяющиеся из объема изделия пары воды могут привести к растрескиванию и отлету покрытия. Из люстровых покрытий выделяются летучие органические соединения. Не форсируйте нагрев. |
| 200 - 400 | Выгорание органических веществ. Если по каким-то причинам их много, следует обеспечить хороший приток воздуха (деколи, люстры, связующее надглазурных красок и мастик). |
| 550 - 600 | Серьезное фазовое превращение кварца. Оно редко проявляется на стадии нагрева, а на стадии охлаждения может привести к т.н. "холодному" треску. |
| 400 - 900 | Разложение минералов глины. Выделяется химически связанная вода. Разлагаются азотнокислые и хлористые соли (если их использовали). |
| 600 - 800 | Начало расплавления свинцовых и других легкоплавких флюсов, надглазурных красок. При 750 - 800°C в третьем декорирующем обжиге происходит размягчение поверхности глазури и впекание красок, золота и т.п. Выгорание сульфидов. |
| 850 - 950 | Разложение мела, доломита. Начало взаимодействия карбонатов кальция и магния с кремнеземом. Эти процессы сопровождаются выделениями углекислого газа. В целом завершены все превращения глинистых веществ. Их наиболее мелкие частицы уже спеклись и обеспечили заметную прочность черепка. К концу интервала - полное расплавление майоликовых глазурей. |
| 1000 -1100 | Интенсивное взаимодействие извести и кремнезема сопровождается появлением жидкой фазы (например, в известковом фаянсе), уплотнением и деформацией черепка. Начало размягчения полевых шпатов. Плавление нефелин-сиенита. Интенсивное разложение сульфатов, что сопровождается выделением сернистого газа. |
| 1200 -1250 | Интервал спекания беложгущихся глин, фаянсовой массы. Растворение кремнезема и каолинита в расплаве полевого шпата. |
| 1280 - 1350 | Процесс муллитообразования. Иглы муллита пронизывают фарфоровую массу, что в дальнейшем обеспечит ей высокую прочность и термостойкость. Превращение тонкодисперсного кварца в кристобаллит. |
| 1200 - 1420 | Этот температурный интервал характерен для фарфора. Здесь происходят процессы восстановления рыжих оксидов железа в более благородные голубые, если обеспечены соответствующие окислительно-восстановительные условия обжига. Температуры высоки, вязкости умеренные, очень быстро протекает диффузия: например, подглазурная роспись теряет четкость очертаний. |
| 1420 - 1000 | Ничего особенного в процессе охлаждения не происходит. И глазурь, и масса находятся в достаточно пластичном состоянии, поэтому охлаждать можно настолько быстро, насколько это позволяет печь. Если используются глазури, склонные к кристаллизации, медленное охлаждение или выдержка 1-10 часов в этом интервале приводит к росту кристаллов. |
| 1000 - 700 | Начинается окисление низших оксидов меди, марганца и др. металлов (если они использованы) в высшие. Недостаток кислорода в пространстве печи может дать поверхность с металлизацией. Если требуется восстановление - самое время для него. Восстановительную среду следует поддерживать чуть ли не до комнатных температур, как минимум до 250-300°С. |
| 900 - 750 | И черепок, и глазурь перешли в хрупкое состояние и далее остывают как единое твердое тело. Если не согласованы КТР - возможен цек или отскок глазури и даже разрушение изделия. |
| 600 - 550 | Обратное фазовое превращение кварца с резким объемным изменением. Скоростной проход этого интервала может вызвать "холодный" треск. |
| 300 - 200 | Фазовое превращение кристобаллита. Он образовался, если в массе был очень тонкодисперсный кремнезем, при 1250 - 1300°C. Не следует спешить открывать дверцу печи. |
| 250 - 100 | Охлаждение продолжается! В глубине ставки, в толстых частях изделий температура гораздо выше, чем в тонких кромках и чем показывает термопара. Дайте изделиям остыть равномерно. |
В таблице описаны основные процессы. Поэтому сейчас еще раз кратко укажем, что главное в обжиге.
o Первый утильный обжиг. В печь ставим сырец. В нем много воды, даже если он выглядит сухим. До 200 - 300°C нагреваем медленно, например за 2 - 3 часа. Обеспечиваем хорошую вентиляцию, чтобы выгорели все примеси. Конечная температура - 900 - 1000°C. Если нет уверенности в температуре, делаем выдержку 1 - 3 часа, давая возможность всей садке равномерно прогреться. Охлаждение ведем с такой скоростью, с которой остывает печь. Форсированное охлаждение проводим только после нескольких экспериментов - цека глазурей не будет, поскольку нет глазурей, а вот холодный треск из-за кварца может иметь место.
o Обжиг с глазурью после утиля. В печь ставим заглазурованные изделия. Черепок уже обжигали на утиль, так что скорость на начальном участке нагрева может быть выше; главное, хорошо просушить глазурь. Нагрев до конечной температуры проводим так быстро, как позволяет печь и, главное, скорость прогрева изделий. При конечной температуре делаем выдержку от 15 минут до 1-2 часов с целью равномерного прогрева. Если скорость подъема температуры в конце нагрева невысокая (50°C в час и меньше), считаем, что выдержка уже была. Лучше, конечно, здесь пользоваться конусами Зегера. "Полочки" (выдержки при постоянной температуре) на стадии охлаждения - только для кристаллических глазурей и некоторых матовых. В остальном - как в п.1.
o Однократный обжиг с глазурью. Принимаем во внимание все, что в п.1 и в п.2. Не форсируем подъем температуры в интервале 500 - 900°C - до начала плавления глазури из черепка должны удалиться все газы.
o Обжиг деколей, люстровых красок, надглазурных красок. Поднимаем температуру очень медленно (за 2 - 4 часа) до 400°C - надо сгореть всей органике. При этом среда должна быть окислительной (воздушной), а вентиляция - интенсивной. От 400 до 800°C - как угодно быстро. Выдержка 5 - 15 минут.
Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.
2. Предоставить кривые обжига 3-х видов различных изделий и материалов.
Срок выполнения 20.10.2020.