Сушка и обжиг керамических изделий
Сушка - процесс удаления влаги из изделия путем испарения.
Условия сушки - температура и влажность окружающего воздуха должны быть одинаковыми вдоль всей поверхности изделия, т.е. нежелательно высушивать керамику на солнце или сквозняке, т.к. из-за неравномерного просушивания изделие может растрескаться. Скорость сушки зависит от температуры и влажности окружающей среды, а также от формы и габаритов изделия. Время сушки в естественных условиях - 3-10 дней, в сушильных устройствах - 6 ч и менее. Если изделие недостаточно просушено, то при обжиге оно может разорваться.
Воздушная усадка - сокращение размеров глинистых материалов в связи с испарением воды, находящейся в капиллярах между частицами, и отдачей воды из гидратных оболочек глинистых материалов (испарение механически и физически связанной воды).
Для определения усадки изготавливают глиняные плитки размером 50 * 50 * 8 мм с метками по диагоналям на расстоянии 50 мм. Воздушная усадка (%) L = l1 - l2 * 100, 11 где 11 - линейные размеры влажного образца, 12 - линейные размеры образца после сушки. Наибольшая воздушная усадка наблюдается у высокопластичных глин и достигает 12…15%. Огневая усадка - сокращение размеров абсолютно сухого глиняного изделия при его обжиге вследствие происходящих в глине химических превращений (дегидратации, перекристаллизации глиняных материалов) и плавления наиболее легкоплавких примесей с образованием стекла, заполняющего промежутки между частицами (? 1%). У высокопластичных глин усадка при сушке и обжиге может достигать 20-25%.
Обжиг - конечная и важная стадия любого керамического производства. При обжиге керамических изделий происходят сложнейшие физико-химические процессы, в результате которых керамическая масса - механическая смесь минеральных частиц - становится камнеподобным материалом - прочным, твердым, химически стойким, с присущими только ему эстетическими свойствами.
Периоды обжига:
- подъем температуры, нагревание (наиболее ответственный);
- выдержка при постоянной температуре;
- снижение температуры, охлаждение.
Составляющие режима обжига:
- скорость нагрева и охлаждения,
- время выдержки при постоянной температуре,
- температура обжига,
- среда обжига (окислительная, в условиях свободного доступа воздуха; восстановительная, в условиях прекращения доступа воздуха и избытка угарного газа; нейтральная).
Физико-химические процессы, происходящие при обжиге:
1. Удаление свободной (гигроскопической) влаги - 100-250?С.
После сушки изделия имеют остаточную влажность около 2-4 %, и эта влага удаляется в начальный период обжига в интервале температур 100-250?С. Подъем температуры в этом периоде обжига следует вести осторожно со скоростью 30-50?С в час.
2. Окисление (выгорание) органических примесей - 300-800?С.
При быстром подъеме температуры и недостаточном притоке кислорода воздуха часть этих примесей может не выгореть, что обнаруживается по темной сердцевине черепка.
3. Дегидратация глинистых материалов - удаление химически связанной воды - 450-850?С.
Особенно активно этот процесс происходит в интервале температур 580-600?С. Al2О3? 2SiO2 ? 2Н2О> Al2О3? 2SiO2 + 2Н2О Удаление химически связанной, или конституционной, воды в составе основного глинообразующего минерала - каолинита - сопровождается разложением молекулы этого минерала и переходом его в метакаолинит Al2О3? 2SiO2, имеющий скрытокристаллическое строение. В интервале температур 550-830? С метакаолинит распадается на первичные оксиды Al2О3? 2SiO2 > Al2О3+2SiO2, а при температуре свыше 920?С начинает образовываться муллит 3Al2О3? 2SiO2, содержание которого во многом определяет высокую механическую прочность, термостойкость и химическую стойкость керамических изделий. С повышением температуры кристаллизация муллита ускоряется и достигает своего максимума при 1200-1300 ?С.
4. Полиморфные превращения кварца - 575?С.
Данный процесс сопровождается увеличением объема кварца почти на 2%, однако большая пористость керамики при этой температуре не препятствует росту кварцевых зерен и в черепке не возникает значительных напряжений. При охлаждении печи при той же температуре происходит обратный процесс, сопровождаемый сокращением объема черепка на приблизительно 5 %.
5. Выделение оксидов железа - от 500?С.
В составе керамических масс железо может находиться в виде оксидов, карбонатов, сульфатов и силикатов. При температуре обжига выше 500?С оксид железа Fe2O3, частично замещающий Al2О3 в глинистых минералах, выделяется в свободном виде и окрашивает керамику в красный цвет, интенсивность которого зависит от содержания Fe2O3 в керамической массе.Углекислое железо - сидерит - Fe2СO3 разлагается в интервале температур 400-500?С. Разложение сульфата железа FeSO4 происходит при температуре 560-780?С.
6. Декарбонизация - 500-1000?С.
Данный процесс происходит в фаянсовых и майоликовых массах, в состав которых входят карбонатные породы: мел, известняк, доломит: СаСО3>СаО+СО2 . Выделяющийся СО2 не дает каких-либо дефектов на изделиях, если керамические массы в этот период еще не отфлюсовались. В противном случае на поверхности изделий могут появиться характерные вздутия - «пузыри».
7. Образование стеклофазы - от 1000?С.
Глинистые минералы при нагреве до 1000?С не плавятся, но ввод в состав керамических масс силикатов с высоким содержанием щелочных металлов способствует образованию смесей с температурой плавления от 950?С. Жидкая фаза, даже в небольшом количестве, играет очень важную роль в повышении спекания черепка, как бы «склеивая» минеральные частицы керамической массы в единое целое.
8. Восстановительный обжиг (для фарфора - 1000-1250?С, Для гончарной керамики и майолики - 500-950?С).
Восстановительная среда создается путем увеличения концентрации окиси углерода в печных газах и способствует изменению цвета керамических масс и декоративных покрытий за счет стремления СО «отнять» кислород у химических элементов, входящих в состав керамических изделий. Цель создания восстановительной среды при производстве фарфора - перевод оксида железа, содержащегося в фарфоровой массе и придающего нежелательную желтую или желто-серую окраску фарфору, в силикат-фаялит FeO?SiO2 - слабоокрашенное соединение голубовато-белого цвета, в результате чего значительно повышается белизна фарфора. Если в топку печи будет подано избыточное количество топлива по отношению к подаваемому с воздухом кислороду, то реакция горения будет происходить не до конца и в результате неполного сгорания будет образовываться не углекислый газ (СО2), а угарный газ (СО) и оставаться не прореагировавшее с кислородом топливо (С) в виде копоти и дыма. 3С + О2 > 2СО + С. Угарный газ, являясь в данных условиях особо активным восстановителем, будет реагировать с окисью железа (Fe2O3) в составе керамической массы, восстанавливая ее в закись железа (FeO), присоединяя к себе кислород и образуя за счет присоединенного кислорода углекислый газ СО2. Fe2O3 + СО>2 FeO + СО2. Превращение в результате восстановительного обжига окиси железа в его закись придает черепку в зависимости от содержания в нем Fe2O3 и в зависимости от температурного режима обжига оттенок от зеленовато-голубого до иссиня-черного. Реагируя с оксидами в составе глазурей, угарный газ восстанавливает оксиды до металлов, в результате чего на поверхности глазурей появляется металлический блеск.
9. Расплавление полевошпатных материалов - 1100-1360?С.
В расплавленном полевошпатном стекле растворяются метакаолинит Al2О3? 2SiO2 и мелкие зерна кварца. В этом температурном интервале происходит образование (кристаллизация) муллита 3Al2О3?2SiO2, который вместе с нерастворившимися частицами кварца образует каркас керамического черепка.
Обжиг обычно контролируют термопарой или милливольтметром. Но при наличии определенного опыта не составляет труда определить визуально температуру обжига на том или ином его этапе по цвету раскаленного черепка внутри печи:
темно-красный - 600 - 700?С;
вишнево-красный - 800 - 900?С;
яркий вишнево-красный - 1000?С;
светло-оранжевый - 1200?С;
начинает белеть - 1300?С;
белый - 1400?С;
яркий белый - 1500?С.
Продолжительность обжига керамических тонкокерамических изделий колеблется в больших пределах и зависит от конструкции и размеров обжигательных печей, вида топлива, конечной температуры обжига, химического и гранулометрического состава керамических масс, размеров и формы изделий и др.
Обжиг некоторых видов крупногабаритных фарфоровых электроизоляторов длится 5-6 суток, а охлаждение - 10-12 суток, обжиг и охлаждение облицовочных керамических плиток в роликовых печах осуществляется всего за 15 минут.
Продолжительность обжига и охлаждения фарфоровых изделий (посуды) составляет в горнах 40-48 часов, в туннельных печах - 26-32 ч, в скоростных конвейерных печах - 18-20 ч.
Обычно тонкокерамические изделия обжигаются дважды: цель первого (утильного) обжига - придать изделиям достаточную механическую прочность, необходимую для выполнения следующей операции технологического процесса - глазурования. В производстве фаянса и фаянсовой майолики в процессе первого обжига, проводимого при высоких температурах (1200-1230?С), черепок доводится до требуемой степени спекания, а задачей второго, или «политого», обжига является лишь наплавление глазури на изделия. Температура утильного обжига гончарных изделий - 800-900?С, «политого» - 900-1000?С.
В условиях производства процесс приготовления керамических масс состоит из следующих основных операций: грубое дробление, рассев, тонкий помол, смешивание, ситовая очистка, магнитная очистка, приготовление пластичной (формовочной) массы, приготовление литейного шликера, транспортировка керамических масс к формовочным и литейным участкам.
В условиях небольших мастерских подготовка формовочной массы происходит по-другому.
Пластичные сырьевые материалы - глины и каолины - имеют непостоянную влажность, зависящую от сезона. Для выравнивания влажности и повышения однородности глины применяют длительное (не менее трех месяцев) вылеживание ее в специальных ямах - глинниках. Воздействие атмосферных явлений, перепады температуры (особенно промораживание) способствуют перераспределению воды в массе, ее саморазрыхлению, при этом окисляются вредные органические примеси, вымываются растворимые соли. Масса в таких условиях как бы «зреет» для формования.
Основная задача первых стадий обработки сырья - получение однородной массы определенной влажности. Из глины необходимо удалить посторонние включения - камни, корни деревьев, куски угля и известняка, другие примеси, которые могут усложнить процесс формования и обжига изделий. Для достижения этих целей применяют отмучивание - один из элементарных способов подготовки формовочной массы. Он заключается в осаждении частиц кварцевого песка, полевого шпата и других из глины, распущенной в воде. При отмучивании глина не только очищается, но и становится более жирной и пластичной.
Источник
Условия сушки - температура и влажность окружающего воздуха должны быть одинаковыми вдоль всей поверхности изделия, т.е. нежелательно высушивать керамику на солнце или сквозняке, т.к. из-за неравномерного просушивания изделие может растрескаться. Скорость сушки зависит от температуры и влажности окружающей среды, а также от формы и габаритов изделия. Время сушки в естественных условиях - 3-10 дней, в сушильных устройствах - 6 ч и менее. Если изделие недостаточно просушено, то при обжиге оно может разорваться.
Воздушная усадка - сокращение размеров глинистых материалов в связи с испарением воды, находящейся в капиллярах между частицами, и отдачей воды из гидратных оболочек глинистых материалов (испарение механически и физически связанной воды).
Для определения усадки изготавливают глиняные плитки размером 50 * 50 * 8 мм с метками по диагоналям на расстоянии 50 мм. Воздушная усадка (%) L = l1 - l2 * 100, 11 где 11 - линейные размеры влажного образца, 12 - линейные размеры образца после сушки. Наибольшая воздушная усадка наблюдается у высокопластичных глин и достигает 12…15%. Огневая усадка - сокращение размеров абсолютно сухого глиняного изделия при его обжиге вследствие происходящих в глине химических превращений (дегидратации, перекристаллизации глиняных материалов) и плавления наиболее легкоплавких примесей с образованием стекла, заполняющего промежутки между частицами (? 1%). У высокопластичных глин усадка при сушке и обжиге может достигать 20-25%.
Обжиг - конечная и важная стадия любого керамического производства. При обжиге керамических изделий происходят сложнейшие физико-химические процессы, в результате которых керамическая масса - механическая смесь минеральных частиц - становится камнеподобным материалом - прочным, твердым, химически стойким, с присущими только ему эстетическими свойствами.
Периоды обжига:
- подъем температуры, нагревание (наиболее ответственный);
- выдержка при постоянной температуре;
- снижение температуры, охлаждение.
Составляющие режима обжига:
- скорость нагрева и охлаждения,
- время выдержки при постоянной температуре,
- температура обжига,
- среда обжига (окислительная, в условиях свободного доступа воздуха; восстановительная, в условиях прекращения доступа воздуха и избытка угарного газа; нейтральная).
Физико-химические процессы, происходящие при обжиге:
1. Удаление свободной (гигроскопической) влаги - 100-250?С.
После сушки изделия имеют остаточную влажность около 2-4 %, и эта влага удаляется в начальный период обжига в интервале температур 100-250?С. Подъем температуры в этом периоде обжига следует вести осторожно со скоростью 30-50?С в час.
2. Окисление (выгорание) органических примесей - 300-800?С.
При быстром подъеме температуры и недостаточном притоке кислорода воздуха часть этих примесей может не выгореть, что обнаруживается по темной сердцевине черепка.
3. Дегидратация глинистых материалов - удаление химически связанной воды - 450-850?С.
Особенно активно этот процесс происходит в интервале температур 580-600?С. Al2О3? 2SiO2 ? 2Н2О> Al2О3? 2SiO2 + 2Н2О Удаление химически связанной, или конституционной, воды в составе основного глинообразующего минерала - каолинита - сопровождается разложением молекулы этого минерала и переходом его в метакаолинит Al2О3? 2SiO2, имеющий скрытокристаллическое строение. В интервале температур 550-830? С метакаолинит распадается на первичные оксиды Al2О3? 2SiO2 > Al2О3+2SiO2, а при температуре свыше 920?С начинает образовываться муллит 3Al2О3? 2SiO2, содержание которого во многом определяет высокую механическую прочность, термостойкость и химическую стойкость керамических изделий. С повышением температуры кристаллизация муллита ускоряется и достигает своего максимума при 1200-1300 ?С.
4. Полиморфные превращения кварца - 575?С.
Данный процесс сопровождается увеличением объема кварца почти на 2%, однако большая пористость керамики при этой температуре не препятствует росту кварцевых зерен и в черепке не возникает значительных напряжений. При охлаждении печи при той же температуре происходит обратный процесс, сопровождаемый сокращением объема черепка на приблизительно 5 %.
5. Выделение оксидов железа - от 500?С.
В составе керамических масс железо может находиться в виде оксидов, карбонатов, сульфатов и силикатов. При температуре обжига выше 500?С оксид железа Fe2O3, частично замещающий Al2О3 в глинистых минералах, выделяется в свободном виде и окрашивает керамику в красный цвет, интенсивность которого зависит от содержания Fe2O3 в керамической массе.Углекислое железо - сидерит - Fe2СO3 разлагается в интервале температур 400-500?С. Разложение сульфата железа FeSO4 происходит при температуре 560-780?С.
6. Декарбонизация - 500-1000?С.
Данный процесс происходит в фаянсовых и майоликовых массах, в состав которых входят карбонатные породы: мел, известняк, доломит: СаСО3>СаО+СО2 . Выделяющийся СО2 не дает каких-либо дефектов на изделиях, если керамические массы в этот период еще не отфлюсовались. В противном случае на поверхности изделий могут появиться характерные вздутия - «пузыри».
7. Образование стеклофазы - от 1000?С.
Глинистые минералы при нагреве до 1000?С не плавятся, но ввод в состав керамических масс силикатов с высоким содержанием щелочных металлов способствует образованию смесей с температурой плавления от 950?С. Жидкая фаза, даже в небольшом количестве, играет очень важную роль в повышении спекания черепка, как бы «склеивая» минеральные частицы керамической массы в единое целое.
8. Восстановительный обжиг (для фарфора - 1000-1250?С, Для гончарной керамики и майолики - 500-950?С).
Восстановительная среда создается путем увеличения концентрации окиси углерода в печных газах и способствует изменению цвета керамических масс и декоративных покрытий за счет стремления СО «отнять» кислород у химических элементов, входящих в состав керамических изделий. Цель создания восстановительной среды при производстве фарфора - перевод оксида железа, содержащегося в фарфоровой массе и придающего нежелательную желтую или желто-серую окраску фарфору, в силикат-фаялит FeO?SiO2 - слабоокрашенное соединение голубовато-белого цвета, в результате чего значительно повышается белизна фарфора. Если в топку печи будет подано избыточное количество топлива по отношению к подаваемому с воздухом кислороду, то реакция горения будет происходить не до конца и в результате неполного сгорания будет образовываться не углекислый газ (СО2), а угарный газ (СО) и оставаться не прореагировавшее с кислородом топливо (С) в виде копоти и дыма. 3С + О2 > 2СО + С. Угарный газ, являясь в данных условиях особо активным восстановителем, будет реагировать с окисью железа (Fe2O3) в составе керамической массы, восстанавливая ее в закись железа (FeO), присоединяя к себе кислород и образуя за счет присоединенного кислорода углекислый газ СО2. Fe2O3 + СО>2 FeO + СО2. Превращение в результате восстановительного обжига окиси железа в его закись придает черепку в зависимости от содержания в нем Fe2O3 и в зависимости от температурного режима обжига оттенок от зеленовато-голубого до иссиня-черного. Реагируя с оксидами в составе глазурей, угарный газ восстанавливает оксиды до металлов, в результате чего на поверхности глазурей появляется металлический блеск.
9. Расплавление полевошпатных материалов - 1100-1360?С.
В расплавленном полевошпатном стекле растворяются метакаолинит Al2О3? 2SiO2 и мелкие зерна кварца. В этом температурном интервале происходит образование (кристаллизация) муллита 3Al2О3?2SiO2, который вместе с нерастворившимися частицами кварца образует каркас керамического черепка.
Обжиг обычно контролируют термопарой или милливольтметром. Но при наличии определенного опыта не составляет труда определить визуально температуру обжига на том или ином его этапе по цвету раскаленного черепка внутри печи:
темно-красный - 600 - 700?С;
вишнево-красный - 800 - 900?С;
яркий вишнево-красный - 1000?С;
светло-оранжевый - 1200?С;
начинает белеть - 1300?С;
белый - 1400?С;
яркий белый - 1500?С.
Продолжительность обжига керамических тонкокерамических изделий колеблется в больших пределах и зависит от конструкции и размеров обжигательных печей, вида топлива, конечной температуры обжига, химического и гранулометрического состава керамических масс, размеров и формы изделий и др.
Обжиг некоторых видов крупногабаритных фарфоровых электроизоляторов длится 5-6 суток, а охлаждение - 10-12 суток, обжиг и охлаждение облицовочных керамических плиток в роликовых печах осуществляется всего за 15 минут.
Продолжительность обжига и охлаждения фарфоровых изделий (посуды) составляет в горнах 40-48 часов, в туннельных печах - 26-32 ч, в скоростных конвейерных печах - 18-20 ч.
Обычно тонкокерамические изделия обжигаются дважды: цель первого (утильного) обжига - придать изделиям достаточную механическую прочность, необходимую для выполнения следующей операции технологического процесса - глазурования. В производстве фаянса и фаянсовой майолики в процессе первого обжига, проводимого при высоких температурах (1200-1230?С), черепок доводится до требуемой степени спекания, а задачей второго, или «политого», обжига является лишь наплавление глазури на изделия. Температура утильного обжига гончарных изделий - 800-900?С, «политого» - 900-1000?С.
В условиях производства процесс приготовления керамических масс состоит из следующих основных операций: грубое дробление, рассев, тонкий помол, смешивание, ситовая очистка, магнитная очистка, приготовление пластичной (формовочной) массы, приготовление литейного шликера, транспортировка керамических масс к формовочным и литейным участкам.
В условиях небольших мастерских подготовка формовочной массы происходит по-другому.
Пластичные сырьевые материалы - глины и каолины - имеют непостоянную влажность, зависящую от сезона. Для выравнивания влажности и повышения однородности глины применяют длительное (не менее трех месяцев) вылеживание ее в специальных ямах - глинниках. Воздействие атмосферных явлений, перепады температуры (особенно промораживание) способствуют перераспределению воды в массе, ее саморазрыхлению, при этом окисляются вредные органические примеси, вымываются растворимые соли. Масса в таких условиях как бы «зреет» для формования.
Основная задача первых стадий обработки сырья - получение однородной массы определенной влажности. Из глины необходимо удалить посторонние включения - камни, корни деревьев, куски угля и известняка, другие примеси, которые могут усложнить процесс формования и обжига изделий. Для достижения этих целей применяют отмучивание - один из элементарных способов подготовки формовочной массы. Он заключается в осаждении частиц кварцевого песка, полевого шпата и других из глины, распущенной в воде. При отмучивании глина не только очищается, но и становится более жирной и пластичной.
Источник