ЗАПОРОЖСКАЯ КЕРАМИКА

Виды обжига, зачем они нужны и что нужно контролировать прежде всего.
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.
- 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 - 1000оС. 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. Педанты 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 - 1420оС, рядовой столовый фарфор - 1300 - 1380оС, санитарно-технический - 1250 - 1280оС, 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.

Из белых фарфоровых чашек очень приятно пить чай на даче. 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 - 830оС, 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. Изделия после третьего обжига называют на Худсовете предприятия.

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 1200-1250oC. 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 - 1250oC, если это "фаянсовые" глазури, 900 - 1000oC, 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 950oC это еще непрочное рыхлое, а при 1050oC - плотноспекшееся, стекловидное тело. Конечно, бывают и исключения, но там и тогда. 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 - 950oC.

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. (Кстати, 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:
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 акуратно, 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.

Как же определить, нужен нам однократный или двукратный обжиг? Решающим критерием для художника или художественной студии является конечный результат - то есть осуществление художественного замысла. Для мастерских, изготавливающих более или менее 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 900oC, 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. Стоит ли проводить утильный бжиг?
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. Тогда зачем нужен утиль?!
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 1100oC. В этом случае наносят их, как правило, напылением сжатым воздухом.
Для майолики - самый сложный случай.
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.

Кажется, в нашем изложении проблем обжига все уже запутано настолько, что требуется еще одна раскладка по полочкам.

Что происходит в процессе нагрева и охлаждения.Интервал,oC 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 150oC, 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 - 800oC 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 250-300oС.
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 - 1300oC. 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.
Первый обжиг. В печь ставим сырец. В нем много воды, даже если он выглядит сухим. До 200 - 300oC нагреваем медленно, например за 2 - 3 часа. Обеспечиваем хорошую вентиляцию, чтобы выгорели все примеси. Конечная температура - 900 - 1000oC. 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.
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 (50oC 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.
Однократный обжиг с глазурью. Принимаем во внимание все, что в п.1 и в п.2. Не форсируем подъем температуры в интервале 500 - 900oC - до начала плавления глазури из черепка должны удалиться все газы!
Обжиг деколей, люстровых красок, надглазурных красок. Поднимаем температуру очень медленно (за 2 - 4 часа) до 400oC - надо сгореть всей органике. При этом среда должна быть окислительной (воздушной), а вентиляция - интенсивной. От 400 до 800oC - как угодно быстро. Выдержка 5 - 15 минут.

О том, какие условия обжига диктует печь, читайте ниже.

2. Электрические печи и два слова про другие.

Обжиг керамики проводят в самых разных тепловых агрегатах, называемых печами. Если для нагрева используется тепло электрического тока, печи называют электрическими, если тепло от сгорания органического топлива - топливными и обычно более конкретно:газовыми, дровяными, мазутными и т.д. За тысячи лет обжигов керамики изобретено немало конструкций топливных печей, а за последние сто лет - не меньшее число конструкций электропечей.
Независимо от вида и конструкции, в печи присутствует:
свободное пространство для ставки изделий, для краткости - камера;
огнеупорная и теплоизолирующая оболочка, для краткости - футеровка;
тепловой источник - нагреватель, горелка и т.д.
устройство для контроля и регулирования степени нагрева - регулятор.

Каждую печь можно классифицировать по особенностям перечисленных атрибутов. Если нужно заказывать печь, обязательно указывайте эти особенности.

Объем камеры определяет производительность печи в одном обжиге в периодической печи или за цикл толкания одной вагонетки в туннельной печи. В дальнейшем мы будем говорить только о печах периодического действия. Объем камеры может составлять 1 - 2 литра; такие маленькие печки удобны для тестовых обжигов и для изготовления небольших изделий типа керамической бижутерии. Объем камер печей, обычно используемых в мастерских и студиях, составляет от 50 - 100 литров до 1 - 1,5 куб. м. Для фабричных условий характерны печи с объемом от 3 до 20 куб. м.

Футеровка и нагреватель определяют максимальную температуру, которую можно развить в камере. Чем выше требуется температура, тем более высокого класса должны быть огнеупоры, что сразу и, заметим, резко сказывается на стоимости печи. Иногда камера отделена от нагревателя дополнительной футеровкой, называемой муфелем. (Не следует называть муфелями все подряд маленькие печи!)

Регулятор содержит устройство для измерения температуры, которым обычно является термопара, устройство регулирования мощности нагревателя и управляющее устройство, согласующее действие двух первых.

Ниже приведены некоторые конфигурации печей.

КостерПАРАМЕТР ЗНАЧЕНИЕ
Камера 10 - 100 литров
Футеровка слой земли
Теплоизоляция cлой земли
Нагреватель тепло сгорающих дров
Измеритель температуры на глаз по свечению
Регулятор мощности подкидывание дров
Управление cобственный опыт

Электропечь 200.1250.L (ООО "Термокерамика"), вариант
ПАРАМЕТР ЗНАЧЕНИЕ
Камера 200 литров
Футеровка шамотно-волкнистая плита ШВП-350
Теплоизоляция ШВП-350, ШЛ-0,4
Нагреватель электрический, спирали из проволоки Х23Ю5Т
Измеритель температуры термопара платина-платинородий ТПП
Регулятор мощности тиристорный блок
Управление Программное, программатор КТП
 

Такие разные тепловые устройства здесь приведены для того, чтобы глубже понять функции элементов печи.

Камера - это рабочее пространство, куда помещаются изделия и полки с подставками, из общего объема "от стенки до стенки" нужно вычесть объем, необходимый для нагревателей. А расчет полезной загрузки камеры нужно производить с учетом толщин полок.

Пример. Полезная ширина, глубина и высота камеры - 40 см. Имеется огнеупорная плита 39х39 см, толщиной 2 см и четыре стойки 7х7 см высотой 18 см. Сколько горшков диаметром 18 см и высотой 16 см можно поместить в печь? Ответ: если без полки - 4 шт., а если с полкой - 6 шт. (а не 8; смотрите на рисунке).

Продолжая пример, зададимся вопросом, а что, собственно, выгоднее - обжечь за один раз 4 горшка или 6? Ответ заключен в анализе количества тепла, необходимого на нагрев дополнительной массы огнеприпаса. Если горшок весит грамм 300, а плита и стойки - килограммов 5... Т.е. чуть ли не все тепло пойдет на нагрев огнеприпаса! И остывать печь будет дольше. Может случиться так, что за время обжига шести горшков можно провести два обжига по 4 горшка в каждом.

На самом деле нагреваются не только горшки и огнеприпас, но и стенки печи. В костре это - сплошная масса земли. Прогреть ее трудно, остудить тоже. В современной печи должны присутствовать огнеупоры с низкой теплоемкостью, низкой теплопроводностью и высокой огнеупорностью. Вакуумформованый волокнистый материал ШВП-350 хорошо подходит для конструирования печей с рабочей температурой 1200oC. Если вся печь выполнена из тяжелого шамотного кирпича, она потребует колоссального времени на нагрев и остывание, и соответственно затрат энергии. Такая тяжелая "на подъем" печь не позволит Вам реализовать режимы скоростного нагрева, если они Вам для чего-то поднадобились. Впрочем, можно увеличить мощность нагревателей.

Электрические нагреватели бывают проволочными и керамическими. Проволоку делают из нихрома (дорого, предельная температура 1100oC, зато остаются гибкими после работы) или из железных сплавов. Последние часто называют "фехраль", а импортные аналоги - "кантал"; отечественные марки имеют точное наименование - Х23Ю5Т или Х27Ю5Т. Фехраль работает до 1200 - 1350oC в зависимости от диаметра проволоки. После первого же нагрева необратимо становится хрупким, перегоревший в одном месте нагреватель нельзя починить скруткой!

К керамическим нагревателям относятся карбид-кремниевые, они же силитовые, они же карборундовые стержни: рабочая температура до 1400oC. В последние 10 лет упорно рекламируются дорогие хромит-лантановые нагреватели с рабочей температурой до 1700oC, которые имеют очень высокий ресурс работы при тех же 1300-1400oC (если не сломать, когда устанавливаешь тяжелую плиту :-)). Читайте в другом месте о том, как рассчитывать электрические нагреватели. Здесь мы рекомендуем обращаться за помощью в специализированные фирмы.

Если нагрев осуществляется газовыми горелками, в пространстве печи могут быть достигнуты любые температуры вплоть до 1700oC, а если еще использовать воздух, обогащенный кислородом, - до 2000oC. Газовые (да и другие топливные) печи хороши тем, что позволяют вести обжиг не только в окислительной, но и в нейтральной, и в восстановительной среде. Степень "восстановительности" регулируют изменением соотношения газ/воздух, в современных газовых печах это делается автоматически. Дровяные печи, к сожалению, сложнее поддаются автоматизации, но они просты в изготовлении, дешевы в эксплуатации, для них не требуется согласований с газовой инспекцией, а дают 1200oC запросто.

Чем мощнее нагреватели, тем более быстрый нагрев они могут обеспечить. И тем аккуратнее с ними нужно работать. Представьте, что произойдет в первые же пять минут с горшками, если одна сторона их обращена к мгновенно раскаляющейся стенке с нагревателями, а другая - к холодному соседнему горшку. Плавный разогрев (а точнее - равномерный по всей камере) проще всего получить, используя тиристорные силовые блоки. Регулирование выходной мощности в них происходит по принципу "больше сила тока" - "меньше сила тока", а не по принципу "включено" - "выключено". Если в Вашем распоряжении только последний способ регулирования, то задавайте на первом этапе невысокие температуры (сначала 100oC, через полчаса - 200oC, через час - 300oC, и только потом - конечную температуру). А если в печи совсем нет управляющего прибора, не отходите от нее и щелкайте выключателем каждые пять минут (Это не шутка!).

Называя разные температуры, мы до сих пор не уточняли, о чем идет речь - о температуре на нагревателе? на изделии? на термопаре? Если в печи установлена термопара, то прибор, подсоединенный к ней, будет показывать, естественно, температуру кончика термопары. По разным причинам, о которых написаны тома научной литературы, эта температура только примерно отражает тепловую ситуацию в печи. В процессе нагрева нагреватели всегда горячее, а изделия - холоднее, чем термопара. Термопара показывает температуру в некоторой точке камеры, а что делается в других местах - неизвестно. Тем не менее термопара выдает электрический сигнал, понятный электронным приборам, в том числе и автоматике управления мощностью. С этой точки зрения она незаменима. Долгая практика эксплуатации печи дает информацию о том, где в камере бывает жарче, где холоднее. Рано или поздно мы привыкаем к повадкам этого устройства. Но издавна (с конца 19 века) известен и другой способ определения момента достижения требуемой точки обжига. Это - обжиг по конусам Зегера.
 

Обжиг считается выполненным на данный конус, если конус, деформируясь в процессе обжига, коснулся подставки, на которую он установлен. Конус изготовлен из масс, поведение которых схоже с поведением обжигаемого материала. Если на практике выяснено, что наилучший результат достигается при обжиге на конус, скажем, 114, то все обжиги надо проводить на этот конус, не обращая особенного внимания на показания термопары. Да и термопара не нужна! Использование конусов чрезвычайно распространено в художественной керамике на Западе. И это не случайно..