4.7. Обжиг

Обжиг как завершающая стадия керами­ческого производства включает в себя помимо термической обработки отформованного и вы­сушенного сырца (в отдельных случаях деко­рированного в суховоздушном состоянии, на­пример солями-растворами) также термиче­скую обработку керамического изделия, по­литого глазурью (иногда предварительно деко­рированного подглазурной или по сырой гла­зури), и термическую обработку изделия с на­несенной надглазурной росписью.

В зависимости от назначения и характера керамического материала его обжиг можно вести в один прием или в несколько приемов (стадий). Первый обжиг (так называемый утильный), например для фаянса, сводится к закреплению формы изделия и к приобре­тению материалом всех основных, присущих ему свойств. Второй обжиг (так называемый политой или глазурный) - к закреплению-глазури на материале, а для некоторых ма­териалов, как, например, фарфоровых, также к приобретению присущих ему основных свойств, которые не были получены при пер­вом обжиге. Третий обжиг (так называемый декоративный) сводится к закреплению на глазурованном материале надглазурной рос­писи. Этот обжиг, в свою очередь, может вес­тись в один или несколько приемов (в зави­симости от количества и характера красок, наносимых на обожженный глазурованный материал).

Изучение обжига сравнительно с сушкой представляется намного более сложным, так как в данном случае, наряду с физическими процессами протекают химические превра­щения обжигаемого материала. Превращение необожженной керамической массы под влиянием действия высоких температур в но­вый материал, обладающий камнеподобной структурой, обусловлен рядом сложных про­цессов, как, например, образованием стекло­видной фазы, перекристаллизациями, модификационными изменениями (преимущест­венно кварца), получением различных новых соединений из основных составляющих ке­рамической массы и т. д. Таким образом, при обжиге керамических масс имеют место слож­ные физические, химические и физико-хими­ческие процессы.

Значение природы изменений, которые претерпевает керамическая масса в процессе обжига, и тех закономерностей, которые обус­ловливают образование заданного керамиче­ского материала, дают возможность квалифи­цированного ведения процесса обжига.

Весь процесс обжига можно условно под­разделить на три основных периода: период предварительного подогрева, собственно об­жига и охлаждения.

Первый период (предварительный подо­грев) служит для прогрева сырца от началь­ной температуры (40-80°С) до температуры начала второго периода. В этом периоде все компоненты массы находятся в твердом со­стоянии, следовательно, протекание химиче­ских взаимодействий в данном случае идет очень медленно. Здесь особенно важно соблю­дать плавный подъем температуры, так как резкие колебания последней могут привести к неравномерному прогреву сырца (в особен­ности по его толщине), что влечет за собой создание больших внутренних напряжений, а это, в свою очередь, приводит к разрушению обжигаемого изделия. Поэтому необходимо соблюдать равномерный прогрев сырца по всей толще садки в печи.

В первом периоде обжига помимо прогрева сырца протекают процессы удаления гигро­скопической и химически связанной влаги. Последняя выделяется главным образом за счет дегидратации глинистого вещества, иду­щей по уравнению Аl₂О₃ * 2SiO₂ * 2Н₂О = Аl₂О₃ * 2SiO₂ + 2Н₂О (при температуре око­ло 600°С).

В этом периоде имеют также место выго­рание органических примесей и разложение карбонатов, например при температуре 800 - 850°С идет разложение карбонатов кальция: СаСО₃ = СаО + СО₂.

Первый период заканчивается при темпе­ратурах 800 - 950°С (в зависимости от харак­тера обжигаемого материала).

Второй период (собственно обжиг) служит для завершения процессов образования камнеподобного материала. Качество обожжен­ного изделия определяется преимущественно в этом периоде. Здесь поддерживаются наи­более высокие температуры обжига.

В начале данного периода керамический материал представляет собой массу, состоя­щую из маслосвязанных частичек, слегка смоченных жидкой фазой. Присутствие жид­кой фазы обусловлено содержанием в ис­ходных материалах легкоплавких веществ. Последние под влиянием повышенной темпе­ратуры частично расплавляются с выделе­нием легкоплавких смесей (эвтектик). При дальнейшем повышении температуры увели­чивается количество жидкой фазы за счет полного расплавления легкоплавких состав­ляющих, сопровождающееся образованием сложных силикатов.

При температуре 1200 - 1400°С идет раз­ложение алюмосиликатов, содержащихся в керамической массе, на свободные окислы с последующим образованием новых соедине­ний. Например, безводный каолинит распа­дается на свободные окислы, которые соеди­няясь, выкристаллизовываются из жидкого расплава, образуя муллит (3Аl₂О₃ * 2SiO₂), вы­деляющийся при этом избыточный кремнезем представляется преимущественно в виде крем­некислого стекла.

Жидкая фаза мешает перерождению зерен β-кварца в кристобалит, сопровождающему­ся увеличением объема (которое может до­стигнуть 20% сравнительно с первоначаль­ным). Легкоплавкие составляющие, вступая в химическое взаимодействие с кварцем, дают жидкую фазу, которая способствует растворе­нию неустойчивых модификаций кварца и, насыщаясь ими, выкристаллизовывает устой­чивые модификации. Кроме того, жидкая фа­за благодаря своей высокой вязкости и сма­чивающей способности мешает образовыванию трещин и содействует спеканию.

Таким образом, жидкая фаза играет роль как бы пружины, смягчающей явления расширения кварца в результате его модификационных изменений. Она также играет роль цемента, заливающего трещины и поры, спо­собствуя этим спеканию и получению моно­литного материала.

Из сказанного выше следует, что исходные материалы, не содержащие плавней, не могут дать качественного обожженного изделия в силу полного отсутствия жидкой фазы во втором периоде обжига. Однако избыток жид­кой фазы, образующейся при обжиге в ре­зультате содержания в исходных материалах чрезмерно большого количества плавней, вызывает отрицательный эффект, так как при этом уменьшается огнеупорность массы и повышается способность к деформации.

Третий период (охлаждение) служит для понижения температуры в печи с целью остужания обожженных изделий. Понижение температуры в печи, аналогично ее повыше­нию, должно идти плавно. Скорость пониже­ния зависит от характера обжигаемых изде­лий (толщины их стенок, степени спекания материала и др.). Например, чем толще стен­ки изделия, тем охлаждение должно идти медленнее. Действительно, многие изделия архитектурно-художественной керамики, на­пример мозаичные плитки для полов, раз­личные архитектурные вставки и др. не вы­держивают быстрого охлаждения, они дела­ются хрупкими, трескаются, а иногда даже разрываются. Отсюда, как правило, вначале охлаждение необходимо вести медленно.

Обычно в самом начале этого периода имеет место небольшая зона закала (пере­пад температур для большинства керамиче­ских материалов составляет около 30° в 1 ч). Опасность появления трещин особенно велика при температурах 600 - 400°С, где заметно сказывается влияние модификационных из­менений кварца, имеющих место при темпе­ратуре 575°С. В дальнейшем про­хождение процесса охлаждения можно уско­рить вплоть до его завершения, обычно до­пуская при этом перепад температур ориенти­ровочно около 120 - 125° в 1 ч.

Отсюда, суммируя особенности процессов, протекающих при обжиге, можно сделать вы­вод, что для получения качественного обож­женного изделия необходимо соблюдать сле­дующие основные условия: 1) наличие доба­вок в исходной керамической массе, обеспечивающих при обжиге образование вязкой жидкой фазы, которая обусловливает спека­ние массы и обладает хорошей смачивающей: способностью. При этом жидкая фаза должна также обладать свойством осуществлять раст­ворение неустойчивых модификаций и про­дуктов разложения основных составляющих массы; 2) равномерное распределение легко­плавких добавок в отформованном и высу­шенном изделии, в противном случае избы­ток жидкой фазы, образующийся в отдель­ных участках изделия, ведет к возникнове­нию сильных внутренних напряжений и бо­лее ранней деформации в процессе обжига; 3) достижение оптимальной температуры об­жига с последующим выдерживанием ее в течение определенного времени, обеспечиваю­щей возможность частичной перекристалли­зации основных составляющих массы.

Физико-химические процессы, протекаю­щие при утильном и политом обжиге, в сумме отвечают физико-химическим процессам, про­текающим при однократном обжиге изделия в соответствующих периодах обжига.

Моя дипломная работа обжигалась двукратно, но каждый обжиг по своей сути являлся политым, т.к. он протекал при температуре 1050˚С. В связи с тем, что боковые стенки камина еще не были готовы к обжигу, пришлось за первый раз обжечь только зеркало с топкой. Т.к. я не был уверен в достаточной просушке сырца, пришло растянуть период прогрева до 300 минут при температуре 90˚С. Продолжительность обжига, включая все периоды от прогрева до полного остужения печи, заняло 3-е суток. Результатом обжига стали такие эффекты, как сборка глазури, матовость поверхности зеркала, металлизация пигмента, выгорка некоторых цветных глазурей (изумрудной, русской зеленой). Сборка получилась в связи с тем, что поверхность покрываемая глазурью не была проутилена. Следствием металлизации является увеличение концентрации пигмента на поверхности. Матовость- из-за того, что ангобы не были покрыты прозрачной глазурью.

Во второй заход обжигались продекорированные боковые стороны и докрашенные элементы топки и зеркала. Результатом второго обжига стало то, что некоторые дефекты, которые были не желательные, были исправлены. Хотя, как говорится, дефекты в керамике- это дополнительные эффекты.