Сушка и обжиг изделий

О процессах во время сушки

Сушка является важным этапом в процессе изготовления керамики. Очень важно, чтобы изделие высохло полностью и равномерно. Влажность только что сформованных изделий обычно составляет 16–22%, а после сушки остаточная влажность должна составлять 4–5%. Во время сушки удаляется только "свободная" (межслоевая) вода, которая находится в порах изделия в пространстве между зернами пластичных и непластичных минералов. Часть пор выходит на поверхность изделия, а другая часть находится в глубине стенок, поэтому "свободная" вода во время сушки не может удалиться мгновенно. В первую очередь, вода испаряется с поверхности изделия, а на ее место за счет капиллярных сил поднимается вода из внутренних слоев керамической массы.

После удаления влаги капилляры сужаются. Происходит усадка изделия, которая для гончарных масс обычно составляет 5-7%. При этом изделие переходит в так называемое "кожетвердое" состояние, и дальнейшая усадка сушки уже незначительна. Если влага снаружи удаляется слишком быстро, то поверхностные капилляры закрываются раньше, чем вода из внутренних слоев успевает достичь внешнего слоя. Вода может оказаться запертой во внутренних полостях, что приводит к неравномерной усадке – "короблению" и потере формы изделий, а также к их растрескиванию. Излишняя или слишком ранняя полировка изделий также может привести к похожему результату.

Стенки изделия могут иметь различную толщину и плотность в зависимости от давления, оказанного при отминке массы и формовании. При формовании изделий следует избегать ситуаций, когда одна часть изделия окажется плотнее других. Также следует стремиться к равной толщине стенок и избегать резких переходов и углов.
Как правило, чем больше непластичных компонентов в массе (песок, кварц, шамот), тем равномернее протекает сушка и меньше усадка изделий.

Для более равномерной сушки, особенно крупных изделий с толстыми стенками, ее проводят во влажной атмосфере. В условиях небольшой керамической мастерской изделия сушат естественным образом при температуре 25-35°С, и сушка в этом случае продолжается несколько дней. Изделия размещают на специальных стеллажах, на проветриваемых деревянных подставках.  Внешние стенки изделий всегда сохнут быстрее внутренних.
Для поддержания необходимой влажности часто изделия сверху накрывают влажной ветошью или полиэтиленом на некоторое время.

Быстросохнущие элементы, например, ручки, также на некоторое время оборачивают влажным и/или водонепроницаемым материалом. Чтобы дно высыхало равномернее, изделия иногда ставят на гипсовую подставку. Сушку керамической плитки лучше осуществлять на крупной сетке или специальной подсыпке из тонкомолотого кварца. Иногда сушку изделий совмещают с обжигом в той же печи, что и обжиг, как более продолжительный предварительный нагрев. В любом случае, вся свободная вода должна полностью удалиться из изделий при нагреве до 120 - 160°С.
Как визуально определить, что изделие высохло? Высохшее изделие легче, светлее и меньше в размерах, чем сырое. Его можно потрогать руками или приложить к щеке -  высохшее изделие будет теплым.

Обжиг керамических изделий

Обжиг – это наиболее важный и энергозатратный технологический процесс. Во время обжига в керамических массах проходит ряд физико-химических преобразований, которые завершаются спеканием. После обжига снижается пористость изделий, увеличивается их прочность, водонепроницаемость, изменяется цвет, создается декоративное покрытие. Изделие приобретает целостность. Глазури превращаются в стеклообразное водонепроницаемое покрытие, которое служит не только для эстетических, но и для санитарных целей.  

Порядок и схема обжига
Обжиг керамики может проходить в один или в несколько этапов.
Чаще применяется двухэтапная схема обжига:

1 обжиг – утильный (промежуточный). В первом обжиге участвует хорошо высушенное изделие, которое или совсем не декорировано, или частично декорировано ангобом или цветной глиной. Глазурь в первом обжиге не участвует. Результатом первого обжига является не готовое изделие, а полуфабрикат – утиль, он же черепок или бисквит (biscuit), который предстоит еще декорировать глазурью, флюсным ангобом, подглазурными или надглазурными красками, или сочетанием этих материалов. Температура утильного обжига обычно выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, все основные физико-химические процессы, связанные с выделением газообразных веществ и набором некоторой прочности изделия, завершились, а с другой стороны, пористость черепка (влагопоглощение) было достаточным для качественного нанесения глазури и других материалов.

2 обжиг – политой, или глазурный. Во второй обжиг ставится уже декорированное изделие. Во время обжига глазурь и краски закрепляются на его поверхности. Температура политого обжига, как правило, зависит от температуры обжига применяемых для декорирования материалов.

В двухэтапной схеме обжига возможны два варианта:

1) фарфоровая схема – первый обжиг на низкую температуру, второй на высокую. Эта схема обычно используется в производстве фарфора. Такой порядок обжига позволяет без труда декорировать изделие после первого низкого обжига. В то время как окончательную прочность, водонепроницаемость и другие полезные свойства изделия приобретают уже во втором политом обжиге.
2) фаянсовая схема обжига – первый обжиг на высокую температуру, второй на низкую. Фаянсовая схема обычно используется при обжиге масс, которые и после высокого обжига сохраняют достаточную пористость для нанесения глазури (фаянсовые массы). А также в тех случаях, когда требуется декорирование низкотемпературными глазурями.
Третий и последующие обжиги иногда проводят для закрепления деколей или какого-либо другого декоративного покрытия. Эти обжиги обычно непродолжительны и проводятся при более низких температурах, чем даже обжиг утиля.

Обжиг в один этап считается экономически более выгодным, так как требует меньше энергетических и других затрат – загрузка изделий в печь, складские расходы и др. Но он имеет и множество минусов:
- приходится декорировать изделие, не имеющее прочности утиля, что требует особой аккуратности в работе;
- практически исключается глазурование методом окунания (а это самый экономичный метод);
- глазурование внутренней и внешней части изделий приходится проводить с большим перерывом;
- требуется применение добавок, позволяющих закрепить глазурь или другой декор на изделии;
- не подходит для низкотемпературных глазурей и красок.

 Обжиг в один этап выгоден:
- при больших объемах производства, когда технологическая схема хорошо отработана и определенный процент брака запланирован;
- когда не требуется сложное декорирование и длительная ручная работа;
- когда хотя бы часть глазури наносится распылением;
- когда используются глазури с коротким интервалом плавления;
- когда используются высокотемпературные глазури, период плавления которых совпадает с периодом спекания черепка.

 Таким образом, каждый вправе выбрать ту схему обжига, которая больше подходит для имеющихся в его распоряжении материалов и условий работы.

Температура обжига и основные процессы

Современные печи для обжига керамики могут обеспечить достаточно быстрый нагрев до самых высоких температур, но скорость нагрева печи лимитируется скоростью протекания физико-химических процессов, которые преобразуют сырой керамический материал в прочное керамическое изделие. Эти процессы протекают в твердой фазе и требуют определенного времени для их полного завершения. В общем случае весь процесс обжига керамики можно разделить на несколько температурных интервалов.

25–200°С – происходит медленный нагрев изделий, при котором удаляется межслоевая и частично адсорбированная (связанная) вода. В этот период могут проявиться все недостатки и просчеты, допущенные ранее при сушке – это воздушные пузыри и другие неоднородности, оставшиеся при вымешивании массы, недостаточно равномерная сушка, чрезмерное заглаживание поверхности изделий, затрудняющее выход газов, и т.д. На этом этапе очень важен равномерный прогрев изделий. Скорость нагрева выбирается в зависимости  от общего пространства печи, от степени загрузки, размера и толщины изделий. Крупные и толстые изделия не следует нагревать слишком быстро. С другой стороны, слишком медленный нагрев на этом этапе может привести к эффекту "запаривания", когда растворимые в воде соли конденсируются на поверхности изделий, что в дальнейшем может давать пятна и “выцветы” на глазури. В среднем, скорость подъема температуры на этом участке составляет 75-100°С/час.

200-400°С – завершается удаление связанной воды, а также происходит сгорание большей части органических веществ, содержащихся в массах. Это могут быть естественные органические примеси, а также различные органические добавки и материалы. Сгорание некоторых клеящих добавок возможно вплоть до 600-700°С. Скорость подъема температуры на этом участке также, в среднем, составляет 100°С/час. При температуре 400°С  рекомендуется сделать выдержку 15-20 минут для удаления выделяющихся газов и выравнивания температуры в пространстве печи. Заглушки в этот период должны быть открыты и атмосфера в печи - преимущественно окислительная.

400-600°С – начинается дегидратация глинистых минералов и выделение химически связанной  воды, входящей в их кристаллическую решетку. Удаление "кристаллизационной воды" обычно не представляет трудностей, но разрушение глинистых минералов в этот период может быть причиной возникновения локальных напряжений в черепке.

Около 573°С происходит фазовый переход кварца из β в более высокотемпературную α – форму. Этот процесс сопровождается объемными изменениями, что вызывает дополнительные напряжения в черепке. Поэтому в этот период не следует поднимать температуру в печи слишком быстро – не более 100°С/час. При 600°С также желательно сделать выдержку 20-30 минут.

600-800°С –  в этот период черепок обладает пониженной прочностью, так как большинство глинистых минералов к этому моменту уже разложились, а процесс спекания еще не завершен. Новые минералы еще не образовались, жидкая фаза также отсутствует. Силы сцепления между частицами ослаблены, поэтому температуру в печи следует поднимать достаточно быстро 130-150°С/час. Любая остановка нагрева в этот период нежелательна.

800-1000°С – начинается процесс спекания керамической массы, зависящий от состава массы.  Общим является завершение разложения глинистых минералов, их перекристаллизация и взаимодействие с другими компонентами массы. Во время спекания происходит диффузионный перенос вещества, химическое взаимодействие компонентов и образование новых минералов. Эти процессы могут протекать с выделением газообразных веществ. Если выделение летучих веществ не завершилось в первом утильном обжиге, то оно может продолжиться в последующем политом обжиге и вызвать брак глазурного покрытия – проколы, кратеры, пузыри и пр.
В этот период обжига карбонаты кальция СаСО3 и магния MgCO3 активно взаимодействуют с продуктами разложения глинистых минералов – аморфными кремнеземом SiO2 и глиноземом Al2O3. Эти реакции протекают с выделением углекислого газа СО2. Некоторые красящие оксиды – марганца MnO2, меди СuO, железа Fe2O3 - разлагаются во время обжига с выделением кислорода О2. Если керамические массы содержат в большом количестве эти компоненты – например, карбонаты больше > 16-20% или оксид марганца MnO2 > 9%, то график обжига таких масс должен быть несколько удлинен, особенно в период выделения летучих веществ. Скорость обжига в этот температурный период не должна превышать 75-100°С/час.

Конечная температура обжига и время выдержки выбираются в зависимости от состава массы и от того, какую пористость на промежуточном этапе нужно получить. Важно помнить, что карбонаты являются плавнями. Поэтому пережог массы, содержащей карбонаты, выше некоторой температуры может дать излишек расплава в черепке и как итог - избыток стекловатой фазы и низкую пористость. Поэтому для масс, содержащих карбонаты, требуется особенно тщательно соблюдать график обжига.

Высокотемпературные "каменные" массы и массы с шамотом обжигают по фаянсовой схеме, если их предполагается украшать легкоплавкими глазурями. Эти массы обычно спекаются в течение широкого температурного интервала, который заканчивается выдержкой в 20-30 минут при конечной температуре. Скорость обжига таких масс выше температуры 600°С, обычно составляет 130-150°С/час. Если высокотемпературные массы предполагается глазуровать высокотемпературными глазурями, то используется фарфоровая схема обжига. В этом случае первый утильный обжиг обычно проводят при температуре 1000°С.

Охлаждение

Период остывания в условиях небольших мастерских обычно не регулируется. Охлаждение печи происходит естественным путем после ее отключения. Но некоторые нюансы есть и в этом процессе. Не следует форсировать остывание и преждевременно открывать печь. Охлаждение печи, как правило, занимает столько же времени, как и нагрев. Особенно важно проводить медленное охлаждение керамических масс с высоким содержанием кварца – каменные массы, фарфор. Это связано с тем, что в период охлаждения около температур 573°С и 230°С, высокотемпературные формы кварца переходят в низкотемпературные кристаллические формы, с существенным изменением объема, что может стать причиной возникновения локальных напряжений в остывающем черепке и вызвать скрытые дефекты, и даже разрушение изделий. Не рекомендуется открывать печь пока температура не упадет до 160°С.
С другой стороны, слишком медленное остывание печи в период до 700°С, например, при  плохом проветривании помещения, где располагаются печи, может вызвать нежелательную кристаллизацию, помутнение или изменение цвета глазури.

Статья подготовлена сотрудниками Компании: технологом-консультантом Ольгой Анатольевной Хлебородовой и руководителем учебно-методического отдела Оксаной Александровной Кондрашиной.