Обжиг керамики. Режимы обжигов различных видов керамических изделий. Процессы, происходящие при обжиге.
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. Никто не желает кривья и треска, прилипшей к полке глазури, и всякого рода пузырей и наколов.
Сформулировать это понимание на языке цифр сложнее. Во время нагрева множество химических соединений, из которых состоит наше сырое изделие, претерпевает серьезные изменения.
гидратация, 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. Нам остается проводить эксперимент за экспериментом, выясняя, что важно, а что нет, какой должна быть температура, нужна ли выдержка, и почему там и тогда все было хорошо, а здесь и сейчас — сплошное безобразие.
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.
Теперь конкретно об этих принципах.
1. Виды обжига, зачем они нужны и что нужно контролировать прежде всего.
2. Электрические печи и два слова про другие.
1. 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.
о 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.
Костер
| ПАРАМЕТР | 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…
Источник: Хорсс материалы для художественной керамики
www.keramika.peterlife.ru
Глина. Заготовка глины для работы.
Глина — мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита, монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы. Образуется в процессе местного накопления минералов, но большинство из них представляют собой наносы от водных потоков, выпавшие на дно озер и морей.
Основной источник глинистых пород — это полевой шпат, который при распаде под постоянными воздействием атмосферных явлений образуют каолинит и другие гидраты алюминиевых силикатов.
Глина, встречающаяся в природе, настолько разнообразна по составу, что в земных недрах фактически можно найти готовую глиняную смесь, пригодную для изготовления любого вида керамики — от сверкающей белизной фаянсовой посуды до красного печного кирпича. Разумеется, крупные залежи ценных видов глины встречаются редко, поэтому около таких природных кладовых возникают фабрики и заводы по производству керамики, как, например, в Гжели под Москвой, где в свое время была обнаружена белая глина.
Найти подходящую глину для лепки и гончарных работ можно практически всюду, было бы желание. К тому же небольшое количество глины всегда можно «исправить» отмучиванием и другими способами. Глина может залегать сразу же под слоем почвы на небольшой глубине. На садовых участках ее можно обнаружить при различных земельных работах. Пласты глины довольно часто выходят на поверхность по берегам рек и озер, в откосах и склонах оврагов. В Нечерноземье есть области, где глина буквально находится под ногами и в сырую погоду на проселочных дорогах превращается в сплошное месиво, вызывая негодование прохожих. Даже из такой собранной на дороге «грязи» можно лепить, а затем обжигать небольшие декоративные изделия. Но, разумеется, этого делать не следует. Даже там, где кругом глинистая почва, нужно вырыть хотя бы неглубокую канаву, чтобы добраться до более чистых и однородных слоев.
Определить пригодность глины для лепки можно довольно простым способом. Из небольшого комка увлажненной глины, взятой для пробы, скатайте между ладонями жгут толщиной примерно с указательный палец. Затем медленно согните его пополам. Если при этом в месте сгиба не образуются трещины или их совсем мало, то глина вполне пригодна для работы и, по всей вероятности, в ней содержится 10 — 15% песка.
Жирной считается глина, содержащая менее 5% песка, в то время как тощая включает в себя до 30% песка. В глину средней жирности входит 15% песка.
Каждый вид глины на определенной стадии лепки, сушки и обжига меняет свой цвет. Высохшая глина отличается от сырой лишь более светлым тоном, но при обжиге большинство глин резко меняет свой цвет. Исключение составляет лишь белая глина, которая при увлажнении приобретает лишь легкий серый оттенок, а после обжига остается такой же белой. Окраска «живой глины», обычно находящейся во влажном состоянии, чаще всего обманчивая. После обжига она может неожиданно резко измениться: зеленая станет розовой, бурая — красной, а синяя и черная — белой. Как известно, свои игрушки мастерицы из села Филимоново Тульской области лепят из черно-синей глины. Лишь побывав после просушки в обжиговой печи, игрушки становятся белыми с чуть кремоватым оттенком. Чудесное превращение, которое произошло с глиной, объясняется очень просто: под влиянием высокой температуры выгорели органические частицы, которые придавали глине до обжига черную окраску.
Выходы красной железистой глины.
На цвет глины, как в сыром, так и в обожженном состоянии, влияют также находящиеся в ней различные минеральные примеси и соли металлов. Если, например, в состав глины входят оксиды железа, то после обжига она становится красной, оранжевой либо фиолетовой. По цвету, который приобретает глина после обжига, различают беложгущуюся глину (белый цвет), светложгущуюся (светло-серый, светло-желтый, светло-розовый цвет), темножгущуюся (красный, красно-коричневый, коричневый, коричнево-фиолетовый цвет).
Чтобы определить, с какой глиной приходится иметь дело, из небольшого куска слепите пластинку или скатайте шарик, который после тщательной сушки обожгите в муфельной печи.
Заготовленную глину положите в ёмкости и залейте водой так, чтобы отдельные ее комочки слегка выступали над поверхностью. Желательно сразу заготовить как можно больше глины. При изобилии глины расходуется лишь небольшая ее часть, а остальная будет постоянно вылеживаться. Чем больше глина будет находиться во влажном состоянии, тем лучше.
Раньше гончары выдерживали глину на открытом воздухе в так называемом глиннике — специальной яме, стены которой делали из бревен, плах или толстых досок. Глина должна была пролежать в глиннике не менее трех месяцев, но порой она находилась в открытом хранилище по нескольку лет. Весной и летом ее обжигали солнечные лучи, осенью обдували ветры и поливали дожди, зимой она замерзала на морозе и оттаивала при оттепели, тогда в нее проникала талая вода. Но все это шло глине только на пользу, поскольку она разрыхлялась от многочисленных микротрещин, при этом окислялись вредные органические примеси и вымывались растворимые соли. Многовековая практика народных мастеров показала, что чем больше вылеживается глина, тем лучше ее качество.
Глину, имеющую оптимальную жирность и хорошо вылежавшуюся, достаточно лишь тщательно промять и выбрать случайно попавшие в нее камушки. В былые годы глину разминали в гончарне или избе на полу, посыпанном песком, который в загадке о горшке назван «топанцем». Нередко проминкой и очисткой глины занималась вся семья, в том числе и дети. Глину топтали босыми ногами до тех пор, пока она не превращалась в тонкую пластину, которую тут же скатывали в рулон. Затем рулон складывали пополам и снова топтали. Когда же глина вновь обретала форму пластины, сворачивали новый рулон. Так повторяли до пяти раз, пока глина не превращалась в однородную массу, мягкую и податливую, как тесто для пирогов. Кстати, хорошо промятую и очищенную глину, готовую для гончарных работ, так и называют — глиняным тестом.
Глину, содержащую много песка и посторонних примесей, перед проминкой обязательно очищают просеиванием и отмучиванием.
Просеивание глины.
Если вы решили просеять глину, то разложите ее небольшими комками на деревянном настиле и высушите на солнце (рис.1.1). Зимой глина хорошо сушится на морозе, разложенная под навесом, куда не попадает снег. Небольшое количество глины можно высушить в помещении, на теплой печи или на батарее центрального отопления. Разумеется, чем меньше будут комки, тем быстрее высохнет глина. Высохшую глину ссыпьте в толстостенный деревянный ящик и разбейте трамбовкой — массивным отрезком древесного ствола с укрепленными сверху ручками (рис.1.2). Образовавшуюся глиняную пыль просейте через мелкое сито и удалите из нее всевозможные примеси в виде камушков, щепок, былинок и крупных песчинок (рис.1.3). Перед лепкой глиняный порошок замешивают так же, как тесто для хлеба, доливая время от времени воду и тщательно перемешивая руками глиняную массу. Часть глиняного порошка желательно хранить на тот случай, если глиняное тесто необходимо быстро сделать более густым, а времени на подсушивание и выпаривание нет. В жидкое глиняное тесто подсыпают необходимое количество порошка, а затем хорошо вымешивают.
Подготовка глины. Просеивание и отмучивание. (рис. с сайта: poselenie.ucoz.ru)
Отмучивание глины.
При отмучивании глина не только очищается, но и становится более жирной и пластичной. Поэтому чаще всего отмучивают глину, содержащую много песка, имеющую низкую пластичность. Отмучивать глину нужно в высокой посудине, например в ведре.
Одну часть глины залейте тремя частями воды и оставьте на ночь. Утром глину тщательно размешайте мутовкой до получения однородного раствора. Затем дайте раствору продолжительное время отстояться. Как только сверху вода высветлится, осторожно слейте ее с помощью резинового шланга. Но не так-то легко слить воду, не замутив ее. Поэтому еще в древности было придумано простое и остроумное приспособление, которое до сих пор применяют японские гончары (рис.1.4). В деревянной кадке на небольшом расстоянии друг от друга сверлят по вертикали несколько отверстий. Каждое отверстие перед заполнением кадки жидким глиняным раствором затыкают деревянной пробкой. Более тяжелые песчинки и разного рода камушки оседают на дно в первую очередь. Затем, после отстаивания, вниз опускаются частицы глины. Постепенно вода сверху светлеет и становится наконец прозрачной (рис.1.4а). Как только уровень светлой воды кажется чуть ниже верхнего отверстия, пробку вытаскивают, и осветленная, отстоявшаяся вода выливается из бочки (рис.1.46). Через какое-то время вынимают пробку, расположенную ниже. Так постепенно сливается вся отстоявшаяся вода. Чтобы ускорить процесс оседания глины, в раствор предварительно добавляют горькую английскую соль (примерно одну щепоть на ведро). Вместо деревянной кадки можно использовать подходящую металлическую посудину. На разных уровнях в нее впаивают короткие трубки, которыезатыкают пробками.
После удаления отстоявшейся воды осторожно вычерпайте жидкую глину, оставляя нетронутым нижний слой, в котором находятся осевшие на дно камушки и песок. Глиняный раствор вылейте в широкий деревянный ящик или таз и поставьте его на солнце, чтобы из глины быстрее испарилась лишняя влага (рис.1.5). Как только подсохшая глина потеряет текучесть, время от времени перемешивайте ее лопатой. После того как глина приобретет консистенцию густого теста и перестанет прилипать к рукам, ее закрывают полиэтиленовой пленкой или клеенкой и хранят до начала лепных работ.
Работа с глиной. Лепка из глины.
Перебивание» глины.
Непосредственно перед лепкой, чтобы удалить из вылежавшейся глины пузырьки воздуха и повысить ее однородность, глиняное тесто перебивают и переминают. Перебивание глины незаменимо в тех случаях, когда глина по каким-либо причинам была недостаточно хорошо очищена и в ней встречаются мелкие камушки и другие инородные включения. Обработку начинают с того, что из куска глины скатывают колобок (рис.2.1), который затем приподнимают и с силой бросают на стол или верстак. При этом колобок слегка сплющивается и принимает форму каравая. В руки берут гончарную струну (стальную проволоку с двумя деревянными ручками на концах (рис.2.2)) и разрезают «каравай» на две части (рис.2.3). Подняв верхнюю половину, переворачивают ее срезанной стороной вверх и с силой бросают на стол. На нее также с силой бросают, не переворачивая, нижнюю половину (рис.2.4). Слепившиеся половинки перерезают сверху вниз струной, затем один из разрезанных кусков глины бросают на стол, а на него — второй (рис.2.5). Эту операцию повторяют несколько раз. При разрезании глиняного теста струна выталкивает из него встречающиеся на пути всевозможные камушки, вскрывает пустоты и уничтожает пузырьки воздуха. Чем больше сделано разрезов, тем чище и однороднее станет глиняное тесто.
Обработать глиняное тесто можно также с помощью плотницкого струга или же большого ножа (рис. 3). Ком глины тщательно уплотняют с помощью массивной деревянной колотушки (рис.3.1). Затем его с силой прижимают к столу или верстаку и срезают стругом (рис.3.2а) или ножом тончайшие пластинки (рис.3.26). Попадающиеся под лезвие всевозможные инородные включения отбрасывают в сторону. Чем тоньше срезаемые пластинки, тем чище и однороднее становится глиняное тесто. Полученные после строгания пластинки снова собирают в единый ком и уплотняют колотушкой до тех пор, пока он не станет монолитным (рис.3.3). Подготовленный таким способом ком глины снова строгают. Эти приемы повторяют до тех пор, пока глиняное тесто не станет однородным и пластичным.
Перемин глины.
Это последняя стадия подготовки глиняного теста, предназначенного для лепки. В руки берут ком глины (рис.4.1) и раскатывают его так, чтобы получился удлиненный валик (рис.4.2). Затем валик сгибают пополам (рис.4.3) и обминают его так, чтобы опять получился округлый ком (рис.4.4). С этого момента все операции промина повторяют в той же последовательности несколько раз.
Пластичность глиняного теста зависит не только от однородности его структуры и состава, но и влажности. (рис. с сайта: poselenie.ucoz.ru)
Если глина слишком сухая, ее перед каждым последующим перемином обильно сбрызгивают водой.
Определяют пластичность глины уже известным вам способом. Небольшой комок глины (рис.4.5а) раскатывают между ладонями (рис.4.56). Полученный жгут сгибают пополам. Если глина имеет высокую пластичность, то на изгибе жгута не появится ни единой трещины (рис.4.5в).
Наличие трещин говорит о том, что глина слишком пересохла и ее необходимо увлажнить (рис.4.5г).
Известно множество народных способов подготовки глиняного теста. В некоторых областях России мастера-игрушечники проминают, а затем и разделяют глину на отдельные заготовки следующим способом. Глиняный ком (рис.5.1) сплющивают деревянным молотком (рис.5.2). Полученную пластину сворачивают в рулон (рис.5.3). Рулон сминают молотком и лепят из него такой же ком, какой был в самом начале (рис.5.4). Слепленный ком снова расплющивают (рис.5.5) и пластину скручивают в рулон (рис.5.6). Проделав все это несколько раз, рулон тщательно переминают и из полученного кома скатывают жгут, который разрезают ножом на «ломти» (рис.5.7). Каждый «ломоть» в зависимости от величины будущей заготовки разрезают в свою очередь на две или четыре части (рис.5.8). Каждую половинку и четвертинку раскатывают в ладонях, получая заготовки в виде шариков одинаковой величины (рис.5.9). Заготовки укладывают в деревянный ящик, накрывают вначале увлажненной тканью, а затем уже клеенкой или полиэтиленовой пленкой. Иногда их складывают в какую-нибудь металлическую посудину, закрыв сверху крышкой. В таком виде заготовки могут храниться более месяца, не теряя при этом первоначальной пластичности.
Сушка глиняных изделий.
Сушка — довольно длительный процесс. Поспешность может свести на нет всю предыдущую работу: при быстрой сушке изделие покрывается многочисленными трещинами и коробится. На первом этапе сушки влага из изделия должна испаряться как можно медленнее. В первые дни посуду и игрушки народные мастера сушат в помещении или под навесом в тихом заветренном месте, где не бывает сквозняков. На предварительную сушку уходит двое-трое суток. После этого изделия досушивали на протопленной печи. Чем лучше высохнет глина, тем больше надежды на то, что при обжиге не возникнет брак.
Изделие, имеющее сложную форму с множеством деталей, сушить нужно с особой осторожностью, например, опустив в какую-либо металлическую посудину или коробку, прикрыв ее сверху газетным листом. Крупное изделие можно покрыть сверху сухой тряпкой. На вторые сутки тряпку снимают, но продолжают сушить изделие в тени. Примерно на четвертые сутки средних размеров изделие можно досушивать на печи или на батарее центрального отопления. Высохшая глина приобретает достаточно высокую прочность, необходимую для дальнейшей обработки. Перед тем как подвергнуть обжигу, каждое изделие нужно тщательно осмотреть. Если будут обнаружены трещины, их необходимо тщательно заделать. Трещину смачивают водой и замазывают мягкой глиной. Кроме трещин, на изделии могут оказаться всевозможные неровности, случайные наслоения, приставшие к поверхности глиняные крошки и мелкие царапины. Испорченные участки нужно обработать циклей и зачистить мелкозернистой наждачной бумагой, а затем удалить глиняную пыль широкой кистью или щеткой.
Для придания изделию блеска применяют лощение. Один из древних способов лощения очень прост. Поверхность подсохшего изделия натирают любым гладким предметом, уплотняя верхний слой глины до появления блеска.
После обжига блеск становится сильнее. Лощеную посуду можно смело использовать в хозяйстве, так как она достаточно влагоустойчина. На Руси лощеную посуду с декоративной целью дополнительно подвергали чернению. Для этого в конце обжига в печь бросали какое- нибудь дымящее топливо, например, вар. Впитывая дым, сосуды становились черными, сохраняя блеск. Есть еще один способ чернения посуды. Раскаленную керамику бросают в опилки или в рубленую солому.
Обжиг глины.
С древности, гончары врезали свой горн для обжига глины на небольшом склоне. Как это, примерно, выглядело, вы можете видеть на рисунке, на котором горн нарисован в разрезе.
Принципиальная схема горна для обжига глины, в разрезе, вид сбоку.
В современных технологиях обжига глины, в большинстве своём используют электрические муфельные и различные камерные печи, которые без труда достигают температуры в 950 и выше градусов.
Электрическая лабораторная муфельная печь широкого назначения. Максимальная температура до 950°C. Мощность 1 — 1,5 кВт. Загрузка муфеля объёмом до 10 л. Такие печи с успехом можно использовать и в обычной городской квартире.
Технология обжига.
Максимальная температура обжига для простых изделий — 950°C. Большие температуры используют для фаянса (до 1250°C) и фарфора (до 1420°C). Изделие нельзя сразу обжигать при такой температуре, ее надо поднимать постепенно, плавно, не допуская скачков, примерно на 100°C в час. Таким образом в первые два часа температура в печи должна достигнуть 300°C и ее следует так же плавно поднимать до 500°C. Именно 500°C является критической отметкой — при такой температуре могут потрескаться даже очень хорошо высушенные глиняные изделия. Все так же плавно и постепенно температуру следует довести до 950°C. Во время обжига не стоит открывать смотровое окошко в печи.
Понижать температуру в печи опять же необходимо постепенно, без скачков. Скорость понижения температуры не должна превышать 60°C в час и лишь при достижении 400°C в печи, скорость понижения температуры можно немного ускорить. Доставать готовое изделие допускается при 60°C, а в случае если изделие покрыто глазурью — при 40°C. Причем выкладывать готовые изделия следует в специально приготовленную для этого посуду.
Но что делать тому, кто хочет просто слепить из глины прямоугольный параллелепипед и обжечь его. Затем поднять над головой и провозгласить: "Я сделал кирпич!"? Именно для этого и существуют «другие технологии».
После обжига глина становится керамикой, но происходит это при температуре 500-900°C, то есть глину надо поместить в такое место, в котором как минимум 500°C. Длительность обжига зависит от температуры — чем меньше температура, тем дольше надо обжигать глину. Но все равно на обжиг глины уйдет минимум 8-12 часов.
Когда глина после обжига стала керамикой ее можно дополнительно покрыть глазурью и еще раз обжечь.
Обжиг на костре.
Изделие должно со всех сторон обогреваться, иначе услышите щелчки от разрывов (детей лучше рядом не сажать, вдруг осколок отлетит), такая практика при этом способе возможна. Удачные результаты получаются с маленькими по объему изделиями, свистульками, но гарантии, сохранить каждое из них, у вас все-таки нет. (фото и подпись с сайта: glina.teploruk.ru)
В обычном костре можно добиться температуры 750°C, что вполне соответствует температуре, при которой глина превращается в керамику. При обжиге на костре действуют правила обжига в печи, а именно — обжигать изделие надо одинаково, равномерно со всех сторон. Для этого можно обложить изделие дровами и сделать вокруг него костер. В общем то все! Если поддерживать костер 8 часов, а лучше еще дольше, то изделие вполне приготовится и будет достаточно крепким. Чем дольше идет обжиг, тем крепче будет готовое изделие. Перед разведением костра глиняное изделие можно поставить на какое-нибудь возвышение, иначе весь жар может находиться сверху изделия.
Проверить качество после обжига можно по цвету и звуку готового изделия. Если изделие выглядит обгорелым, поменяло местами цвет, имеет черные пятна — обжиг проходил слишком долго. Если при ударе изделие издает глухой звук — время обжига не хватило и изделие не превратилось в керамику, а осталось глиной.
Обжиг под костром.
Для обжига глины под костром следует положить готовое высушенное глиняное изделие в какую-нибудь емкость — очень хорошо может подойти для этого консервная банка, например. Выкопать яму и уложить в нее дрова таким образом, что бы они напоминали решетку. Приготовленные емкости (консервные банки) с глиняными изделиями поместить в ячейки сложенной из дров решетки. Засыпать яму углями, так что бы они полностью накрыли емкости (консервные банки). Для этого вполне можно использовать угли от старого костра. Сверху присыпать тонким слоем земли. В общем, печь для обжига глины готова.
Осталось только поверх этой ямы развести костер и пользоваться им на свое усмотрение, так сказать в свое удовольствие. Можно сварить обед и ужин или высушить одежду и погреться, можно даже просто смотреть на горящий костер и отдыхать — печь работает. При такой технологии печь продолжает работать и после того как костер перестает гореть. Например, если костер потушен поздно вечером, то его следует присыпать землей и оставить до утра. Ночью глиняные изделия постепенно и плавно начнут остывать, что делает такую технологию обжига глины в чем то даже более технологичную чем обычный обжиг на костре. Утром от углей, которыми были засыпаны емкости с глиняными изделиями (консервные банки), останется только пепел, а сами изделия станут вполне твердыми и готовыми к дальнейшему их применению.
Большие изделия, такие как кувшины или широкие тарелки, при такой технологии обжечь вряд ли получится, но для маленьких изделий она очень хорошо подходит. Это могут быть, например, какие-нибудь сувениры или украшения, а могут быть вполне определенные изделия — наконечники для стрел, небольшие шестеренки или еще что-нибудь.
Что происходит с глиной при обжие в процессе нагрева и охлаждения.
(данные таблицы с сайта: www.horss.ru)
| Интервал,°C | Результат. |
|---|---|
| 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. |
| 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. |
| 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. |
www.makuha.ru
Историческая физика. Реконструкция древних технологий
Обжиг керамики. Режимы обжигов различных видов керамических изделий. Процессы, происходящие при обжиге
|
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. Никто не желает кривья и треска, прилипшей к полке глазури, и всякого рода пузырей и наколов. Сформулировать это понимание на языке цифр сложнее. 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. Нам остается проводить эксперимент за экспериментом, выясняя, что важно, а что нет, какой должна быть температура, нужна ли выдержка, и почему там и тогда все было хорошо, а здесь и сейчас — сплошное безобразие. 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. Теперь конкретно об этих принципах.
1. Виды обжига, зачем они нужны и что нужно контролировать прежде всего. Условно разделим все материалы на 4 группы:
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 о 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. 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 — 1420 о С, рядовой столовый фарфор — 1300 — 1380 о С, санитарно-технический — 1250 — 1280 о 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 . 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 — 830 о С, люстровые краски и препараты золота — при той же или чуть меньшей температуре. Сейчас распространился и высокотемпературный декорирующий обжиг при 1000 — 1100 о С. 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 1200-1250 o 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 o C, если это "фаянсовые" глазури, 900 — 1000 o 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 o C это еще непрочное рыхлое, а при 1050 o C — плотноспекшееся, стекловидное тело. Конечно, бывают и исключения, но там и тогда . Для майолики в принципе характерны низкие температуры обжига — 900 — 1100 o C. 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 o 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. (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:
В принципе, если не считать совсем низкотемпературный декорирующий обжиг, однократно можно обжечь любой материал. Но:
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:
Для фаянса:
Для майолики — самый сложный случай.
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.
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 — 300 o C нагреваем медленно, например за 2 — 3 часа. Обеспечиваем хорошую вентиляцию, чтобы выгорели все примеси. Конечная температура — 900 — 1000 o 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. • 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 o 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. • Однократный обжиг с глазурью. Принимаем во внимание все, что в п.1 и в п.2. Не форсируем подъем температуры в интервале 500 — 900 o C — 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 400 o C — надо сгореть всей органике. При этом среда должна быть окислительной (воздушной), а вентиляция — интенсивной. От 400 до 800 o C — 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:
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. Костер
Электропечь 200.1250.L (ООО "Термокерамика"), вариант
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 1200 o C. 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 1100 o C, 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 — 1350 o C 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 1400 o C. В последние 10 лет упорно рекламируются дорогие хромит-лантановые нагреватели с рабочей температурой до 1700 o C, которые имеют очень высокий ресурс работы при тех же 1300-1400 o C (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 1700 o C, а если еще использовать воздух, обогащенный кислородом, — до 2000 o C. 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 1200 o C 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 100 o C, через полчаса — 200 o C, через час — 300 o C, 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… |
www.abitura.com