Политой обжиг

5.4.5 Политой обжиг

Фарфоровый полуфабрикат приобретает нужные свойства — механическую прочность, газо- и водонепроницаемость, терми­ческую устойчивость только после политого обжига при высо­кой температуре. Поэтому политой обжиг является завершаю­щей и ответственнейшей операцией в технологии изготовления фарфора. Он называется политым потому, что ему подверга­ются изделия, политые глазурью. Иногда политой обжиг име­нуется также вторым или окончательным обжигам, так как он следует за первым обжигом.

Политой обжиг фарфоровых изделий производится в нижней (политой) камере горна или соответствующих туннельных и Щелевых печах. Его осуществляют при определенных температурных и газо­вых режимах, точное соблюдение которых зависит от регулиро­вочной способности печи. При обжиге фарфора большое значение имеет процесс нагревания полуфабриката от температуры 1050 до 1080°С. В этот период нужно обеспечить избыток воздуха и полное сгорание топлива без образования сажи. С одной стороны, это необходимо для дегазации черепка, особенно если он недостаточно прокален в первом обжиге, с другой, — для предотвращения оседания частиц сажи, которые очень плохо выгорают вторично. Опыт показывает, что неправильное нагревание способствует образованию пятен и наколов на поверхности глазури. Поэтому рекомендуется делать окислительную выдержку 30— 60 мин при температуре 1050—1080 °С до перехода к восстановительному периоду. В отличие от фаянса и витриес-чайна для обжига фарфора необходим восстановительный период, который оказывает решающее влияние на качество полуфабриката и во время которого могут образоваться многие огневые дефекты.

Почти во всех сырьевых материалах в качестве примесей содержатся Fe₂O₃ и сульфаты. Так, в фарфоровой массе содержится около 0,5% Fe₂O₃ , который при температуре 1300°С отщепляет кислород:

3Fe₂O₃ = 2Fe₃O₄ + 0,5O₂, или 2Fe₂O₃ = 4FeO + O₂.

При температуре выше 1300°С черепок в значительной степени уплотнен, глазурь расплавлена, поэтому кислород не может выделиться и содействует образованию пузырей. Следовательно, дегазация должна быть смещена в область таких температур, при которых черепок еще пористый и кислород может улетучиваться. Для этого необходимы восстановительные газы (СО или Н₂). Горение должно осуществляться при недостатке воздуха. Процесс восстановления должен произойти до плотного спекания черепка и растекания глазури. Восстановление Fe₂O₃ происходит согласно уравнению:

Fe₂O₃ + СО = 2FеО + CO₂.

В период восстановления, пока черепок еще пористый, СО или H₂ отнимает у Fe₂O₃ кислород, который в противном случае позднее отщепляется сам и становится причиной образования прыщей и пузырей. Во время этого этапа обжига в дымовых газах должно содержаться от 2 до 5 % СО и H₂. Для надежности восстановительную среду поддерживают немного дольше, чем нужно теоретически; таким образом, обжиг проводят при недостатке воздуха в области температур от 1050 до 1300 °С.

Необходимость, восстановления Fe₂O₃ обусловлена также следующими причинами.

Разложение Fe₂O₃ на FeО и О₂ может осуществляться без восстановительной среды при температурах выше 1300 °С, однако оно происходит не полностью. Fe₂O₃ окрашивает невосстановленный черепок в желтоватый цвет. Чтобы получить белую окраску, весь имеющийся Fe₂O₃ надо перевести в FeО. Последний, соединяясь с SiO₂, образует силикат железа, имеющий зеленовато-голубой оттенок, который почти незаметен и не снижает качества изделия.

Образующийся при восстановлении FeO значительно улучшает условия спекания черепка и ускоряет его уплотнение. Аналогичное явление происходит с CaSO₄ В присутствии СО или Н₂ он разлагается быстрее, чем в окислительной среде, с отщеплением SO₃.

Восстановления не требуется для керамических масс, спекающихся при более низких температурах (1300 °С), при которых выделения газов не происходит, так же как и для масс, не достигающих плотного спекания, из которых газы могут выделиться в любое время.

В последний период политого обжига черепок должен созреть, благодаря чему фарфор приобретает высокую прочность, становится просвечивающим и плотным. Глазурь равномерно растекается и создает красивую блестящую поверхность фарфора.

Качество политого обжига зависит от максимальной температуры обжига, длительности выдержки и состава газовой среды. Состав дымовых газов в этот период обжига должен быть близким к нейтральному. Избыток воздуха может привести к повторному окислению Fe0, а восстановительная среда ухудшает экономические показатели обжига, белизну и качество поверхности фарфора.

В последний период обжига подъем температуры замедляется, расход топлива увеличивается. Окончательная температура обжига, °С,1340—1380 (в щелевых печах до 1430)

Максимальная температура обжига зависит от состава массы и равномерности распределения температур по сечению садки изделий.

Политой обжиг фарфора проходит четыре периода: 1) нагревание и дегазация до температуры 1050—1080 °С в окислительной среде;

2) восстановление в области температур (1050—1080) — 1300 ⁰С;

3) максимальная выдержка в нейтральной среде до температуры 1340—1380°С;

4) охлаждение от максимальной до комнатной температуры.

Продолжительность обжига фарфоровых изделий в туннельных печах составляет 27—35 ч, фаянсовой посуды — 18— 27 ч.

Для большинства видов изделий продолжительность нагревания и охлаждения теоретически можно значительно сократить, однако огнеприпас, которым мы распологаем при современном уровне знаний, не позволяет этого сделать.

В щелевых печах, в которых огнеприпас практически не используется, обжиг посуды сокращен до 2 – 5 ч.

В технике обжига наряду с режимами имеет значение организация производства. Расход топлива и капитальные затраты на сооружение печей должны быть по возможности низкими, срок службы и надежность в работе высокими. Раньше самыми целесообразными были камерные печи (горны) с многодневным режимом обжига, которые не соответствуют современному уровню развития теплотехники.

Современные типы печей — непрерывнодействующие туннельные и камерные периодического действия с выкатным подом. Разновидностью туннельных печей являются щелевые, разновидностью камерных печей с выкатным подом — колпаковые.

Туннельные печи. Недостаточно широкое распространение туннельных печей в керамической промышленности в предшествующий период объясняется их особенностями. Туннельные печи не отличаются такой гибкостью изменения режима обжига, как например горны. Это значит, что для туннельной печи нужен приблизительно одинаковый ассортимент и достаточно большое количество изделий, подаваемых на загрузку постоянно. Поэтому туннельные печи стали применять только с развитием концентрации производства на больших предприятиях. Годовая производительность средней туннельной печи длиной 85 м, высотой и шириной садки по 1 м 1500— 1800 т.

Туннельную печь делят на три зоны: подогрева — от входа в печь до первых горелок; обжига — средняя часть, в которой находятся горелки; охлаждения — от конца зоны обжига до выхода из печи.

В первой зоне изделия нагреваются поступающими из зоны обжига продуктами горения, которые перемещаются навстречу движению печной вагонетки. Продукты горения отсасываются из туннеля через расположенные в боковых стенках каналы и выводятся к дымовой трубе или вытяжному вентилятору. В оснащенной горелками (до 90 шт.) зоне обжига изделия нагреваются до температуры спекания.

В зоне охлаждения вагонетка и садка должны отдать тепло, что осуществляется с помощью рекуператоров, представляющих собой систему труб или каналов, через которые продувается воздух. Полученный таким образом нагретый воздух передается для других технологических процессов, например для сушки, или возвращается в туннельную печь (вдувание нагретого воздуха в зону подогрева, нагревание воздуха, подаваемого для горения в зону обжига). При выходе из печи садка должна быть охлаждена до температуры 100—150 °С.

Во всех трех зонах туннельной печи требуется равномерное распределение температур и газовой среды по всему сечению. Новейшие туннельные печи для этой цели оснащены системами циркуляции, нагнетания и вытяжки.

В настоящее время для улучшения равномерности распределения температур во всех зонах печей как при нагревании, так и при охлаждении применяется принцип поперечной циркуляции теплоносителя. При этом используется преимущественно естественный термический напор (нагретые газы легче, они сами поднимаются). Однако эффективность циркуляции зависит от наличия продольных разрывов в садке.

Благодаря многочисленным техническим усовершенствованиям (вентиляторы, трубопроводы, горелки, шиберы, контрольно-измерительные и регулирующие приборы) туннельная печь стала сложным агрегатом, для правильного обслуживания которого необходимы рабочие высокой квалификации.

Контроль обжига осуществляется с помощью обширной измерительной системы.

Канал обжига должен быть хорошо закрыт от влияния внешней среды. Снизу это обеспечивается плотным смыканием платформ вагонеток (в поперечном направлении), а у стен (в продольном направлении) специальными устройствами — лабиринтами, песочным уплотнением. В начале печи для уплотнения раньше часто устанавливали жалюзи. Теперь их заменили воздушными завесами.

Печные вагонетки перемещаются по рельсам. Вагонетка состоит из огнеупорной платформы, металлического основания и ходовой части. На платформе обычно устанавливают канализированный под, который воспринимает садку и выполняет важнейшую технологическую функцию, обусловливая аэрогидродинамические параметры обжига. В связи с тем что механическая прочность платформы невелика, основание ее должно быть жестким, чтобы оградить огнеупорный материал от повреждений.

Различают две основные системы туннельных печей — открытого пламени и муфельные. Так как для обжига все в большей степени применяется чистый природный газ, в промышленности преобладают печи открытого пламени. Муфельные печи устарели. Для исключения влияния дымовых газов на качество полуфабриката все чаще используют электрические туннельные печи.

Туннельные печи открытого пламени можно применять там, где используют чистое топливо, или где изделия при соприкосновении с дымовыми газами не портятся. Для некоторых изделий такой контакт даже необходим, например при обжиге

фарфора, когда необходимы химические реакции между продуктами горения и изделиями.

В печах открытого пламени горячие дымовые газы поступают прямо в туннель. Они омывают обжигаемые изделия и должны при этом равномерно распределиться по сечению садки, обеспечив непрерывное нагревание. Следует избегать непосредственного соприкосновения изделий с пламенем, чтобы предотвратить их пережог. Поэтому горение происходит в топках или в разрывах садки (импульсные или высокоскоростные горелки), откуда продукты горения поступают к обжигаемым изделиям. Благодаря такой прямой теплопередаче печь открытого пламени достаточно экономична, отличается высокой производительностью. В промышленности тонкой керамики наиболее распространены печи с сечением канала 1—1,2 м³. В печах, имеющих более крупное сечение, труднее обеспечить необходимый аэрогидродинамический режим обжига. При большой высоте садки очень сильно возрастают нагрузки на огпеприпас, в результате чего существенно увеличиваются расходы на обжиг.

Электрические туннельные печи обеспечивают абсолютно чистую газовую среду, поэтому их применяют преимущественно для обжига декорированных изделий. В качестве нагревателей используют канталовые (Кантал — сплав для электронагревательных элементов — сталь, содержащая Fe, Сг. А1, Со, с максимальной температурой использования 1150— 1375 °С, разработан в Швеции) стержни. Электронагреватели обеспечивают температуру обжига до 1200 °С. Благодаря использованию системы рециркуляции, отводу горячего воздуха из зоны обжига в зону подогрева, где тепло передастся изделиям, достигается низкий удельный расход энергии (0,06— 0,1 кВт/кг), отнесенный к загружаемой продукции, включая вспомогательные материалы,

Широкому распространению электрических туннельных печей препятствует в настоящее время повышенный спрос на электроэнергию. Однако по мере истощения мировых запасов органического топлива и совершенствования атомных электростанций значение электрических печей возрастает.

Но туннельные печи имеют некоторые недостатки. С одной стороны, из-за высокой производительности печи все производство (неуправляемо) сосредоточивается в процессе обжига, с другой стороны, загрузка изделий в печь — процесс трудоемкий, необходим дорогой огнеприпас, возникают большие расходы на загрузку и выгрузку печей. Трудно оптимизировать процесс обжига из-за инертности крупногабаритной туннельной печи и длительного обжига, составляющего для фарфора (политой обжиг) 25—35 ч.

В туннельных печах обжигаемые изделия в конце зоны подогрева достигают температуры 400—800 °С, а затем попадают на первый участок зоны обжига), образуемый первой группой горелок, настроенных на сильное окисление. Эта группа горелок обеспечивает нагревание изделий до температуры 1050—1080 °С, после чего изделия поступают на второй участок зоны обжига, где горелки работают при недостатке воздуха. Здесь в фарфоровой массе происходит восстановление Fe₂О₃.

В связи с тем что продукты горения в туннельной печи перемещаются навстречу изделиям, т. е. к входной двери, восстановительные газы попадают на первый окислительный участок зоны обжига. Для сохранения окислительной среды на первом участке восстановительные составляющие продуктов горения на границе между двумя участками дожигаются благодаря вдуванию воздуха через воздушную завесу.

Важно, чтобы на втором участке зоны обжига в канал печи не подсасывался побочный воздух, который может нарушить восстановительную среду. Поэтому печи для политого обжига на участках, начиная с перехода к восстановительной фазе, работают с избыточным давлением. Это необходимо, так как уплотнение печного пространства никогда не бывает полным.

Следовательно, при обжиге наряду с температурой и газовой средой большое внимание следует уделять давлению в объеме печи.

На последнем участке зоны обжига происходит созревание фарфора. Здесь также нежелательно проникание побочного воздуха, так как необходима стабильная, равномерная газовая среда, приближающаяся к нейтральной.

Процесс охлаждения в туннельных печах в значительной степени определяется устойчивостью огнеприпаса к сменам температур. Тонкостенные фарфоровые изделия можно охладить за несколько минут. Однако такой процесс сопровождается быстрым выходом из строя дорогостоящего огнеприпаса. Для повышения качества изделий важно, чтобы охлаждение проходило в газовой среде, не содержащей продуктов горения. Зона обжига находится под давлением, поэтому продукты горения стремятся в зону охлаждения. Чтобы препятствовать этому, в конце печи вдувают воздух для получения противодавления в зоне охлаждения. Кроме того, для предотвращения перемещения дымовых газов в начале зоны охлаждения размещают отсасывающие отверстия.

Режим работы печей политого обжига обусловливается теплопроизводительностью групп или отдельных горелок, газовой средой, аэрогидродинамическим режимом в объеме печи, количеством вдуваемого воздуха, эффективностью рекуператоров в зоне охлаждения. Эти величины постоянно контролируют и поддерживаютавтоматически на заданном уровне, за исключением пропускной способности рекуператоров. Процесс спекания — самый энергоемкий в керамической промышленности, поэтому особо важное значение имеет рациональное использование энергии. Для экономии энергии необходимо:

оптимально загружать объем печи, соблюдать установленные плотность садки и длительность процесса;

максимально использовать тепло продуктов горения в зоне подогрева за счет поперечной циркуляции,

снижать поглощение тепла плитами вагонеток за счет футеровки вагонеток легковесными огнеупорными материалами;

подогревать воздух, подаваемый для горения, с помощью рекуператоров оптимальной конструкции, действующих в зоне охлаждения (температура воздуха до 600 ° С);

использовать в сушилках воздух, отбираемый из зоны охлаждения печей;

избегать потерь от боя при транспортировании полуфабриката и огне-припаса;

снижать массу огнеприпаса.

Распределение температур в туннельной печи в значительной степени зависит от аэрогидродинамического режима в канале, который в свою очередь обусловлен плотностью садки. Изделия, которые не омываются продуктами горения, нагреваются недостаточно. Для отсасывания продуктов горения

в плотно загруженной туннельной печи необходимо большое разрежение в зоне подогрева, что способствует подсасыванию побочного воздуха и снижению тем самым коэффициента полезного действия.

Садка вагонетки образуется столбами капселей с плоскими изделиями или загруженными продукцией этажерками. Перемещающиеся вдоль и частично поперек печи продукты горения должны насколько возможно равномерно омывать изделия. Для этого необходимо, чтобы столбы капселей стояли не плотно, а с зазорами. Потеря производительности может быть компенсирована повышением скорости перемещения вагонеток.

К элементам садки относятся также опорные стойки, образующие канализированный под вагонетки, через который продукты горения подводятся к нижней части садки. Излишня плотная садка вынуждает поддерживать большое разрежение в начале печи, что повышает опасность появления таких дефектов, как задувка, засорка. Кроме того, с увеличением плотности садки повышается опасность недожога середины ее нижней части и пережога внешней части.

Следует учесть, что при пережоге изделий, находящихся вблизи горелок, повреждается огнеприпас, особенно кордиеритовый капсель.

Большое значение для режима обжига имеет соблюдение свободных проходов для потоков тепла в канализированном поду и в разрывах садки.

Необходимо также следить за устойчивостью столбов капселей и этажерок, иначе в печи может произойти завал и повреждение вагонеток. Это случается чаще всего из-за обвала садки, которая заклинивается между вагонеткой и стенкой печи. В таких случаях приходится останавливать печь. Работы по ликвидации аварии проводятся в тяжелых условиях. При загрузке изделий в капседь и на вагонетку необходимо придерживаться разработанных схем садки. Фарфоровые чашки и кружки легко деформируются в процессе обжига, поэтому их склеивают попарно или устанавливают на бомзы. При склеивании двух кружек их края смазывают специальным составом и соединяют отверстиями, препятствуя таким образом искривлению. Кружки с фигурным краем обжигают на бомзах, представляющих собой своеобразный огнеприпас, который, будучи отформованным из той же массы, что и кружка, в процессе обжига претерпевает одинаковую с ней усадку, тем самым, предотвращая деформацию.

Особого внимания требует установка для обжига фигурной керамики. В зависимости от вида изделий иногда приходится использовать специальный огнеприпас. Изделия с широко расставленными деталями надо установить так, чтобы эти детали при обжиге не отвалились. При загрузке вагонеток следует неукоснительно соблюдать профиль садки.

Назначение огнеприпаса — обеспечить рациональную загрузку печей и защитить изделия от нежелательного воздействия дымовых газов.

В зависимости от назначения и формы различают следующие виды огнеприпаса:

капсель для круглой плоской посуды из карбидкремний- или кордиеритсодержащего материала; плиты для этажерок на основе тех же материалов;

стойки для этажерок и канализированного пода из карбид-кремний-, муллит- или кордиеритсодержащего материала;

подставки для тарелок и приспособления для установки глазурованной плоской посуды в стопки во время политого обжига или обжига декорированных изделий;

опорные плиты и бомзы, подпорки для установки обжигаемых изделий в наклонном положении;

опоры для выступающих деталей при обжиге скульптуры. Огнеприпас испытывает высокие механические и термические нагрузки, поэтому он должен иметь высокую прочность в холодном и нагретом состоянии, термостойкость, стабильность размеров в ходе длительной эксплуатации, химическую устойчивость при температурах эксплуатации, умеренную себестоимость.