Конусы

Пирометрические конусы -  не сильно распространенный в российской керамической среде инструмент для контроля обжигов. Тем не менее, он очень удобен и иногда практически незаменим.

Что такое конусы, когда они появились, из чего сделаны, как и зачем их можно использовать - поговорим ниже.

Конусы в таком виде, в каком они знакомы нам, были разработаны немецким химиком и керамистом Германом Зегером, а позже в Америке производство конусов было основано Эдвардом Ортоном, поэтому их часто называют и конусами Зегера и конусами Ортона. Хотя сам Ортон настаивал на первом варианте.

Пирометрические конусы - небольшие вытянутые пирамидки, сделанные из тех же материалов, что глина и глазури. Каждый номер строго соответствует тщательно выверенному составу, который при получении определенного количества тепла расплавится и, согнувшись, коснется кончиком основания.

Самое важно в понимании работы конусов - разобраться в том, что такое количество тепла, и почему конус не показывает конкретную температуру. Для этого немного отклонимся от темы керамики и обратимся к кулинарии.

Для варки макарон мы используем кипящую воду, то есть воду, нагретую до 100 градусов. Чтобы макароны сварились так, как нам нужно, они должны находиться в воде этой температуры определенное количество времени. И время это будет зависеть от размера макарон и того, как сильно кипит вода. Если мы вытащим макароны через минуту после начала варки, они останутся сырыми. Если сильно передержим - переварятся и превратятся в кашу. И все эти “состояния” макарон мы получим при одинаковой температуре - ста градусах Цельсия.

Точно так же происходит и с керамикой. Нам важно не только нагреть условную массу до 1200 градусов, но и то, с какой скоростью происходит нагрев и в течение какого времени мы будем удерживать температуру. 
Если нагрев произойдет слишком быстро, то даже при достижении нужной температуры мы получим недожог. Если же скорость набора будет медленная и/или выдержка очень долгой, масса получит избыток тепла, начнет деформироваться и пузыриться. Поэтому ориентироваться на верхний предел обжига - недостаточно. Нам приходится учитывать и две другие переменные: скорость нагрева и выдержку.

Обратите внимание: здесь и далее речь идет о скорости нагрева на последних ста градусах обжига. Все, что ниже - может повлиять на разные технологические процессы обжига, но не на суммарное количество тепла, дающее информацию о конусе.

Итак, если термопара дает нам информацию исключительно о температуре, да и то только о температуре воздуха в месте выхода термопары в камеру печи, конусы могут сообщить, как прошел обжиг в разных местах камеры и каково было суммарное полученное в обжиге тепло.

У конуса всегда есть номер, и он соотносится с информацией в таблице. Чтобы разобраться в том, как читать таблицу, сначала рассмотрим разновидности конусов.
По внешнему виду они делятся на самоподдерживающиеся (Self Supporting Cones), большие (Large Cones) и маленькие (Small Cones).

Маленькие конусы используют как правило в специальных печах, и о них мы говорить не будем. Большие  и самоподдерживающиеся - одинаково приспособлены для использования в дровяных обжигах и доступных нам электрических печах, разница только в том, что большие конусы нужно закреплять на подставке под определенным углом, а у самоподдерживающегося в конструкции уже заложена подставка, которая держит конус в нужном положении. Обратите внимание, что основанием такого конуса считается не место соприкосновения конуса с лещадью, а место перехода подставки в собственно конус.

В каждом из этих видов конусов есть деление на обычные конусы (Regular) и конусы без железа (Iron Free). Вторые созданы для редукционных обжигов, так как в бескислородной среде железо восстановится до чистого металла и сыграет как флюс, исказив показания конуса. В электрическом окислительном обжиге это не важно, поэтому железо в составе может присутствовать.

Как “читать” показания конусов после обжига? Обжиг на конус конкретного номера считается достигнутым, когда кончик конуса коснулся плоскости его основания. В случае с большими конусами - это лещадь. Если же у вас самоподдерживающиеся конусы - основанием будет считаться плоскость, в которой подставка конуса переходит непосредственно в конус.

Обратите внимание на особенности нумерации конусов: есть нумерация с нулем, например “06 конус”, а есть без - 6 конус. Это не одно и то же. Они располагаются он низких температур к высоким от 022 до 14 номеров.

Если только вы не используете конус непосредственно для контроля обжига (см. ниже), обычно для работы выбираются три последовательных номера. Из которых целевой - это средний номер, конус на один номер меньше - guide cone и на один номер больше - guard cone. Два соседних конуса нужны, чтобы показатели целевого можно было расшифровать более полно. Если он отработает четко, вопросов не будет, но если вдруг он расплавится или, наоборот, недостаточно согнется, состояние соседних с ним номеров поможет разобраться в том, как прошел обжиг.

Для каждого типа конусов в таблице есть колонки, соответствующие трем скоростям нагрева - 15 С/час, 60 С/час и 150 С/час, и в зависимости от этой скорости конус будет соответствовать разной температуре в некотором промежутке.

Например, шестой конус при скорости нагрева 15 С/час соответствует температуре 1185 градусов, 60 С/час - 1222 градуса, а 150 С/час - 1243 градуса Цельсия.  Важно понять, что эти цифры - ориентировочные, и с помощью конуса не измеряют температуру в печи, потому что на то, как согнется конус, повлияют также конструкционные особенности печи, плотность садки и даже скорость остывания.

Как выбрать номер конуса?
Вот как раз тут вам поможет табличка. Ориентируйтесь на температуру обжига, указанную производителем материалов и на скорость обжига на последних ста градусах, которая близка к вашей рабочей программе. Имейте в виду, если вы добавляете выдержку на пике, это тоже повышает количество тепла: час выдержки способен повысить обжиг на один конус. В печах небольшого объема мы редко делаем такие длинные выдержки, но выдержки в 15-30 минут тоже будут иметь некоторое влияние.

ПРИМЕР: Пробники “высоких” материалов для магазина чаще всего обжигаются на режиме 1200 градусов, скорость набора последнего сегмента 60 С/час, выдержка 20 минут. По таблице это 5,5 конус, но у нас есть еще выдержка плюс не забываем про влияние других факторов, так что результат может оказаться немного выше. Поэтому для такого режима обжига я бы выбрала конусы 5,5-6-7 или 5-6-7.

Для чего мы можем использовать конусы, если не для точной проверки температуры?

Конус - это инструмент для контроля обжига непосредственно в процессе, если печь позволяет посмотреть на них, либо же это способ сравнить однородность распределения нагрева по камере, сопоставить между собой два разных обжига или передать информацию другому керамисту, не используя непосредственно подробную программу обжига.

Рассмотрим все эти варианты подробнее.

1. Инструмент для контроля обжига. Актуально для дровяных обжигов или для печей, где есть “смотровое окошко”. Напротив окошка устанавливаются конусы нужных интервалов температур и исходя из того, какой конус уже упал, а какой начал падать, принимается решение о том, нужно ли еще добавить дров в топку и пора ли уже заканчивать обжиг. В дровяном обжиге - это единственный способ контроля, если только вы не привыкли ориентироваться на цвет пламени, а для печей с контроллером и смотровым окошком это просто дополнительный способ управления процессом.

2. Инструмент для диагностики распределения тепла по камере. Довольно часто, особенно если печь большая, а спирали в ней расположены не со всех сторон, печь греется неравномерно. Чтобы понять, где нагрев максимальный, а где не дотягивает, нужно поставить комплекты из одинаковых конусов в разные места камеры. Например, на верхнюю полку, посередине и на нижнюю. Или сравнить разницу между самой удаленной от дверцы фронталки точки и максимально к ней близкой. Результат в конусах будет очень наглядным.

3. Сравнение обжигов между собой. Даже если вы обжигаете одни и те же материалы на одном и том же режиме, иногда результаты удивляют. Повлиять может разная садка или состояние спиралей. Тогда бывает полезно сравнить, не изменилось ли суммарное количество тепла, получаемое изделиями во время обжига на этом режиме. Мы рекомендуем фиксировать в конусах результат обжига, когда вы подбираете режим под новые материалы, тогда вам будет, с чем сравнивать, когда вы заметите какие-то отклонения в результате. Например, мы знаем, что на нашем режиме 1200 (60 С/час) и 20 минут выдержка у нас ложится 6 конус. Когда при тех же условиях мы заметим пережог (глазури текут сильнее, масса стекленеет или пузырится), мы снова поставим конус в обжиг и увидим, что упал уже 7. Значит, спирали износились, скорость набора температуры упала и масса получила слишком много тепла. Меняем спирали или корректируем режим так, чтобы падал 6 конус.

4. Описание обжига в конусах, а не в градусах, очень удобный и универсальный способ передать информацию другому керамисту, если он, конечно, тоже пользуется этим способом. Конечно, вы можете сказать: я жгу эту массу на температуру 1220 градусов и даже уточнить выдержку и скорость набора, но у вас отличаются печи - по объему или по конструкции, возможно еще какие-то нюансы повлияют, и результат получится другой. Если же нам сообщат “эта масса на 6 конус”, мы будем знать, что наш стандартный режим обжига должен подойти.

Несколько советов по использованию конусов:

• обращайтесь с конусами аккуратно, они довольно хрупкие и при падении могут сломаться,
• если у конуса отломан кончик, пользоваться им уже нельзя, результат получится неточный,
• один конус используется однократно, даже если в обжиге он не достиг своего целевого показателя. Если вы поставите его второй раз в обжиг, полученное в предыдущем обжиге тепло суммируется с повторным и результат будет искажен,
• ставьте конусы в обжиг на подставки либо на хорошо покрытую обмазкой лещадку, потому что при пережоге конус плавится и может прилипнуть к лещадке,
• если вы пользуетесь большими конусами, которые не стоят сами, аккуратно закрепите их на подставке с помощью глины, аккуратно соблюдая нужный угол наклона