+7 (919) 728-28-69 +7 (916) 686-58-42
Москва, Даниловская наб., 8с6
agm.glaze@yandex.ru

Суббота-воскресенье выходной
8(919) 728-2869 ~ 8(916) 686-5842
Москва, Даниловская наб., 8с6
agm.glaze@yandex.ru

Суббота-воскресенье выходной

обжиг керамики

Основные принципы процесса обжига, режим и его связь с реальными условиями, факторы влияния.

Во время обжига происходят различные процессы:
  • преобразования минералов;
  • химические реакции;
  • взаимодействия компонентов.
Качество керамического изделия зависит от успешного завершения этих процессов. А успешное завершение процессов зависит от хорошо подобранного режима обжига.
Формула хорошего обжига — это не только правильно выбранная температура. Это сочетание времени, тепла и условий, в которых проходит процесс: особенностей изделия, материалов, загрузки и самой печи.

Навигация по статье

Главное в обжиге
Время и тепло
Контроллер и реальность
Основные участки обжига
Режим и реальность
Факторы влияния
Форма
Масса
Глазурь
Загрузка
Печь

главное в обжиге

Назначение обжига — формирование черепка изделия с заданными физико-техническими свойствами и закрепление глазури и декора на его поверхности.

Мороз И. И. Технология фарфоро-фаянсовых изделий.

Время и тепло

Для завершения всех преобразований изделию требуется не только нужная температура, но и время, чтобы тепло успело проникнуть вглубь черепка.
Простой бытовой пример — варёные яйца.
Если держать яйцо в кипящей воде пару минут, оно получится всмятку. Если дольше — «в мешочек», а затем вкрутую. Температура воды остаётся той же самой, меняется только время воздействия тепла, результат которого всем известен.

Но важно и другое: температуру нельзя полностью заменить временем.
Ещё один кулинарный пример: если запекать курицу при слишком высокой температуре, она быстро подрумянится и даже обгорит снаружи, но внутри останется сырой (несмотря на выставленную температуру духовки).
Если же температура слишком низкая, никакого времени не хватит, чтобы она приготовилась.
В керамике действует тот же принцип: результат обжига определяется сочетанием температуры и времени.
Достичь нужной температуры должна не только атмосфера печи, но и стенки изделия по всей глубине.
Поэтому важно не путать:
  • показания контроллера с фактической температурой в разных зонах печи;
  • фактическую температуру с количеством тепла, которое изделие успело получить за время обжига.

Контроллер и реальность

Контроллер уже „там“ — изделие ещё нет
Спирали нагреваются, термопара передает показания контроллеру, тот улыбается и машет.
А что в это время происходит с самим изделием?
Оно нагревается. Да, но как?
Неравномерно.

Изделие, подставка, футеровка и весь огнеприпас холоднее окружающей среды. Нагрев происходит постепенно — от наружных слоев к внутренним.
Быстрее всего нагреваются кромка и внешняя сторона изделия. Полость изделия и дно, особенно в месте контакта с лещадкой, отстают на несколько градусов. Чем выше скорость нагрева, тем больше эта разница.
А значит, выше внутренние напряжения.

Тот же температурный контраст, только в обратном порядке, возникает и при остывании — и тоже создает напряжение.
Снизить негативное воздействие напряжений помогают выверенные режимы обжига. Подобранная скорость и выдержки компенсируют неравномерность прогрева и остывания.
Условное изображение градиента температур изделия, лещадки и атмосферы печи:
  • а — нагревание в обычном режиме
  • б — нагревание в ускоренном режиме
  • в — остывание в естественных условиях
а
б
в

Основные участки режима обжига

Любой режим обжига состоит из нескольких этапов, которые обычно отражаются на графике обжига.

Нагрев

Нагрев — участок набора температуры.
Его характеризует скорость подъёма температуры (°C/мин или °C/час).

Скорость нагрева имеет большое значение: слишком быстрый подъём температуры может привести к появлению дефектов в изделии.

Обычная скорость нагрева — 100 °C в час.
На некоторых участках может снижаться до 60 °C в час или подниматься до 120−150 °C в час.

Промежуточные выдержки

Промежуточные выдержки— остановки нагрева на определённой температуре.
Для них указывают температуру выдержки и её продолжительность.

Задачи промежуточных выдержек не ограничиваются выравниванием температуры в печи и внутри изделий.
Для некоторых видов масс они необходимы для завершения процессов, происходящих при обжиге на определенных этапах.
В зависимости от массы, вида изделий и других факторов выдержки могут длиться от 10 минут до нескольких часов.

Пиковая выдержка

Пиковая (конечная) — время, в течение которого изделия находятся при конечной температуре обжига.

Она необходима для завершения прежде всего спекания черепка и качественного разлива глазури.
Её длительность зависит от тех же факторов, что и промежуточные выдержки. Как правило пиковые выдержки продолжительнее промежуточных.

Охлаждение

Охлаждение — участок снижения температуры.
Оно может происходить естественно или контролироваться на отдельных этапах (с заданной скоростью °C в минуту или °C в час).

Охлаждение — это не просто выключенный нагрев: на этом этапе в черепке и глазури продолжают происходить важные процессы.

Режим, график и схема обжига

Эти термины часто путают, принимая их за синонимы, что в принципе недалеко от истины, и всё же разница есть.

Режим обжига

— письменная запись параметров одного обжига:
  • деление на участки нагрева по температурным интервалам,
  • скорость нагрева по участкам,
  • расположение и длительность выдержек,
  • условия остывания.

График обжига

— графическое изображение режима обжига в виде кривой зависимости температуры от времени.

В разговоре о графике, керамисты часто называют выдержки полками или ступеньками из-за визуального сходства.

Схема обжига

— последовательность обжигов одного изделия, например:
  • низкий утиль → высокий политой → декоративный;
  • высокий утиль → низкий политой.

То есть схема показывает цепочку всех задействованных обжигов, а не параметры какого-то одного.

Например: режим, график и схема обжига для чашки из костяного фарфора с толщиной стенки 2,5−3 мм.

Литьё, надглазурная роспись, роспись золотом.

Режим политого обжига костяного фарфора для печи 60 литров со средней загрузкой

График политого обжига костяного фарфора для печи 60 литров со средней загрузкой

Схема обжига костяного фарфора

Утильный 1200 °C
↓
Политой 1180 °C
↓
Декоративный 850 °C
↓
Золотой 750 °C
Не будем сейчас разбирать виды обжига: вы, скорее всего, об этом читали. Поэтому вернёмся к этой теме позже — и уже на наглядных примерах.
Сейчас важнее понять, как режим формируется в реальных условиях.

режим и реальность

Настройка режима обжига в большей степени зависит от реальных условий, в которых идёт обжиг.

Рекомендованный производителем режим — это, конечно, ориентир, но не волшебная палочка: он рассчитан на вполне определённые обстоятельства, и любое отклонение от них требует корректировки.

В принципе, производители чаще ограничиваются технической информацией. Почему? Давайте разберёмся.

Для начала хочу заметить, что известные многим таблицы обжига, которые гуляют в русскоязычной керамической среде (см. иллюстрацию) — не инструкция производителя и не универсальный стандарт. Это — попытка систематизировать обжиг популярных масс, то есть - методическое пособие, составленное дилерами для работы с конкретными массами.
Методичка достойная и вполне рабочая. Одно важное «если» — информация в сноске:
«Данные в таблице приведены для полной загрузки печи 60 литров изделиями 10−15 см с нормальной толщиной стенок. (До 10 мм)».
И вот здесь полезно ещё раз перечитать сноску: печь 60 литров, полная загрузка, изделия 10−15 см со стенкой до 10 мм.
Три фактора влияния: изделие, загрузка и печь.
Меняются условия — меняются и правила игры.
По этой причине большинство производителей дают не прямые указания, а сообщают только сведения, которые помогут настроить режим в реальных условиях.
Методическое пособие — таблица режимов обжига некоторых испанских низкожгущихся масс с указанием условий: печь, загрузка, изделие — три фактора, от которых зависит результат.
факторы влияния
В керамике слишком много переменных, чтобы надеяться когда-нибудь однажды раз и навсегда отладить процесс и "спокойно работать".
  • изделие: форма и материалы
  • плотность загрузки
  • индивидуальные особенности вашей печи.

Что нужно учитывать при выборе режима обжига:

Фактор влияния: форма

Чем сложнее изделие, тем более ювелирным должен быть режим обжига.
Странно надеяться, что изящная чашечка и массивный артобъект (пусть даже из одной массы) одинаково хорошо обожгутся в одном и том же режиме. Одинаковая температура обжига ещё не означает одинаковый режим.

Пустотелая ваза или полнотелый пекарский камень, объемная скульптура или плоская плитка требуют отдельного подхода.
На практике это означает, что продиктованы условия обстоятельствами.
А они таковы:
  • чем толще стенка, тем дольше прогревается и остывает её глубина;
  • чем тоньше стенка, тем больше разница температуры между верхней и опорной частью изделия;
  • чем больше перепад толщины, тем выше напряжения в этих зонах.
Задача режима обжига свести к минимуму их влияние.
Нагрев: изделие, подставка, футеровка и весь огнеприпас холоднее окружающей среды.
Нагрев происходит постепенно — от наружных слоев к внутренним.
Нагрев: чем толще стенка, тем дольше прогревается её глубина.
Нагрев: чем тоньше стенка, тем больше разница температуры между верхней и опорной частью изделия.
Нагрев: чем больше перепад толщины, тем выше напряжения в этих зонах.
Единая формула хорошего обжига — это равномерный нагрев и равномерное охлаждение изделия.
Рассмотрим, как эта формула работает на конкретных примерах.

Фарфор
Качество: один вид массы — разные режимы.

Студийный фарфор: обычный обжиг

Фарфор (глина, каолин, кварц, полевой шпат, фритта) 1300 °C
Стакан, малая серия, AGM, Москва.
Толщина стенки: 2,5−3 мм

Цикл обжига — 24 часа:
  • нагрев — 14 часов
  • остывание — 10 часов

Режим: обычный нагрев + естественное остывание.
Классический фарфор — классический подход.
Обычный обжиг с промежуточными выдержками на этапах испарения влаги, газообразования и спекания черепка и естественное остывание позволяют получить качественный черепок.

Особенности — корректировка массы для снижения температуры спекания с 1360 °C до 1300 °C.
Фарфор Yanggu: медленное остывание

Фарфор Yanggu (глина, каолин) 1300 °C
Чашка, работа Ли Ин Хва, Южная Корея.
Толщина стенки: 1,5–2 мм

Цикл обжига — 3 суток:
  • нагрев 14 ч,
  • остывание 2–2,5 суток

Режим: обычный нагрев + контролируемое медленное остывание
У тончайших стенок чашки огромная разница температур между кромкой и дном, контактирующим с раскаленной лещадкой. Длительное остывание компенсирует тепловую инерцию плиты сглаживая контраст температур изделия.


Особенности — принцип: «печь должна остывать так долго, чтобы чашка не заметила, как стала холодной».
Полевошпатный фарфор (Revol, Франция): ускоренный обжиг

Полевошпатный фарфор (глина, каолин, кварц, полевой шпат, улучшающие добавки) 1320 °C
Кружка 300 мл, Revol, Франция.
Толщина стенки: 3−4 мм

Цикл обжига — 14−16 ч:
  • нагрев — 8 ч,
  • остывание — 6−8 ч (замедление 600−500 °C)

Режим: ускоренный нагрев + ускоренное остывание
Главная задача производства — снизить затраты.
На помощь приходят высокие технологии: согласованная настройка массы и режима обжига, компьютеризация производственной линии. За синхронизацией «дыхания» печи с физикой нагрева и остывания изделий следит электроника.

Особенности — чёткий контроль на всех этапах производства.
Электротехнический фарфор (ЮАИЗ, Россия): длительный обжиг

Электротехнический фарфор (глина, каолин, кварц, полевой шпат, фарфоровый бой) 1300−1320 °C
Опорный изолятор, ЮАИЗ.
Массив: 30×20 см

Цикл обжига — 7 суток:
  • нагрев — 4 суток,
  • остывание — 3 суток

Режим: медленный нагрев + контролируемое медленное остывание
Массив прогревается и остывает очень долго.
Этапы потери влаги и инверсии кварца здесь вдвойне рискованны. Нагрев и остывание идут с "черепашьей скоростью" — 5−20 °C в час.
Режим обеспечивает безопасный баланс температур и формирование прочной, стабильной структуры.

Особенности — дополнительное время на прогрев и остывание массива
В фарфоре задача одна — добиться качества, и режим подбирается под неё.
Но в керамике задачи могут быть разными — а значит, меняется и сам подход к обжигу.

Терракота
Режим обжига — не жёсткое правило, а ответ на задачу.

Гжельская гончарная глина: обычный обжиг

Кувшин и стаканы, 1050 °C, гончарка, молочение, МО. Толщина стенки: 4−5 мм

Цикл обжига — около суток:
  • нагрев — 8−10 ч,
  • остывание — естественное

Режим: обычный нагрев + естественное остывание.
Задача — неглазурованная посуда ручной работы с выраженной фактурой глины для повседневного использования.

Традиционная терракота с молочением — простой и проверенный подход.
Умеренный нагрев и естественное остывание обеспечивают равномерный прогрев и стабильный результат при сохранении пористости черепка.
Молочение частично снижает водопоглощение, но не делает изделие водонепроницаемым
Гжельская гончарная глина: повышение пиковой температуры + медленное остывание

Розетки, 1080 °C, гончарка, лощение, Москва. Толщина: стенки/ножки — 2 мм/ 5 мм

Цикл обжига — 2–2,5 суток:
  • нагрев 10 ч,
  • остывание 1−1,5 суток

Режим: обычный нагрев + контролируемое медленное остывание
Задача — посуда, как предмет прикладного искусства.

Сильное различие толщины стенки и ножки создаёт заметный температурный контраст, который сглаживается за счёт обычного неторопливого нагрева.
Для повышения прочности тонкого черепка обжиг ведётся выше границы спекания глины, поэтому выдержка сведена к минимуму, чтобы избежать огневых деформаций.
Основная работа по снятию напряжений приходится на остывание.
Красножгущаяся масса: короткий обжиг

Цветочный горшок, 800 °C, механическая раскатка, МО.
Толщина стенки: 5−7 мм

Цикл обжига — 11−13ч:
  • нагрев - 5-6 ч,
  • остывание - 6−7 ч (замедление 600−500 °C)

Режим: обычный нагрев до первичной прочности + ускоренное остывание.
Задача — максимальное снижение затрат на расходный материал для садоводов.

Рассадные горшки недорогие и простые — рассчитаны на короткий срок службы. Затраты снижены за счёт минимальных вложений в массоподготовку и упрощённого обжига.
Высокая пористость черепка гасит внутренние напряжения при обжиге, а толщина стенок даёт достаточную прочность для содержания растения на период роста.
Обжиг короткий: нагрев до температуры первичной прочности с ускоренным остыванием и замедлением только в интервале инверсии кварца (600−500°C).
Местная глина: длительный обжиг

Квери — традиционный сосуд для изготовления и хранения вина, 1000 °C,
мастер — Заза Кбилашвили, Грузия.
Толщина стенки: 3−5 см

Цикл обжига — 11-13 суток:
  • нагрев 7-8 суток,
  • остывание 4-5 суток

Режим: медленный нагрев + медленное остывание
Задача — равномерный прогрев и остывание массивного черепка.

Квери «строят» постепенно: раз в три дня наращивается около 10 см стенки. Изготовление 4000-литрового сосуда занимает около трёх месяцев, плюс несколько месяцев на сушку, а для переноса сосуда в печь требуется несколько крепких мужчин. Поэтому к обжигу относятся очень ответственно.

Печь — дровяная, без датчиков: температуру мастер определяет по свечению — «красное каление» (~1000 °C).
Длительный обжиг и медленное остывание позволяют провести обжиг массивного сосуда без разрушений.

Фактор влияния: керамическая масса

Температура обжига — это лишь верхушка айсберга.
Куда важнее то, из чего и как сделана масса.

Есть массы:
  • прошедшие промышленную подготовку или приготовленные кустарным способом;
  • рассчитанные на обычный режим обжига или на скоростной;
  • содержащие органику — как специальный наполнитель или как примесь;
  • включающие карбонатные, сульфатные и другие минеральные компоненты.
Всё это — разный химический состав. Разная чистота, разный вид и количество примесей.
А значит, в черепке во время обжига — не все процессы идут одинаково и с одной интенсивностью.
Именно это определяет, где и какие выдержки необходимы.

Игнорировать эти различия — значит закладывать проблемы ещё до обжига.

Давайте сравним две известные студийные каменные массы Goerg & Schneider и составим график, основываясь на данных технического паспорта.

G&S № 240 — классическая светлая без шамота
G&S № 371 — чёрная с шамотом 0−0,2 мм 25%
Химический состав масс различается по ключевым оксидам — кремнезёму (SiO2), железу (Fe2O3) и щелочам (K2O/Na2O).
Это определяет их поведение при обжиге.

Нагрев

Первое, на что стоит обратить внимание, — это железо (Fe2O3).
*Для справки: в керамические массы железо попадает с глиной и каолином в виде железистых примесей — в основном пирита (сульфида железа). Даже небольшое его количество придает массе кремовый оттенок вместо белого.
При нагревании железистые примеси разлагаются в интервале 600−900°C с выделением газов. Если проскочить этот интервал на высокой скорости, то можно заложить «сульфидную мину» — виновницу вспучивания черепка и кипения глазури.
В этом диапазоне может потребоваться выдержка, так как от газов нужно избавиться до закрытия пор.
В № 240 содержание железа составляет 0,9% — это немало и видно по кремовому цвету массы.
Выдержка при температуре около 850 °C здесь оправдана.

В № 371 общее содержание железа значительно выше.
Однако анализ не показывает, в какой форме оно присутствует, поэтому напрямую судить об интенсивности газообразования нельзя.
Но нельзя и исключать наличие примесей — интервал требует контроля.
У №371-го образца потемнение массы при повышении температуры (табл. «Цвет») может указывать на присутствие соединений марганца, как составную часть красителей. В зависимости от формы, в какой марганец введён производителем (что является коммерческой тайной), газование может происходить как до 900 °C, так и выше 1080 °C, а может не быть вовсе.

Тогда смотрим на результаты политого обжига: если глазурь закипит, то есть два пути:
  1. Выдержка при температуре 1100 °C. Возможно, она будет малоэффективна: в это время поры «каменок» сильно сужаются — это видно по резкому снижению пористости при 1140 °C (табл. «Водопоглощение») — и выход газов будет затруднён.
  2. Замедленный подъем температуры в диапазоне 1050−1150°C.

На практике можно попробовать оба варианта — и выдержку, и замедление.
1200°C
1100°C
1000°C

Остывание

Попробуем оценить стойкость масс к перепадам температуры по косвенным признакам: содержание кварца, пористость и структура черепка.

Кварц. У № 371 его больше (табл. «Химический состав»), а кварц напрямую связан с кварцевым скачком (~573 °C). Но мы не знаем, насколько он связан с плавнями в каждой массе. Поэтому главное правило остаётся: остывание — естественное, эксперименты с форсированием остывания оставим на потом.
Пористость. По водопоглощению (1070−1240 °C) массы ведут себя почти одинаково: разница около 1 % (табл. «Водопоглощение»). Это показывает, что уплотнение структуры сходно, а к моменту кварцевой инверсии состояние черепка близкое. Низкое водопоглощение (0,1−0,2 %) говорит о почти стекловидной структуре.
Структура. Отличие в шамоте. № 371 содержит около 25 % шамота, который снижает внутренние напряжения и повышает устойчивость к перепадам температуры.
У № 240 без шамота. Поведение при остывании может отличаться, точный эффект неизвестен.

В целом, обе массы подходят для обычного обжига, с одной небольшой особенностью: у № 371 желательно замедлить подъём температуры в интервале 1050−1150 °C.
Суммируем:

  • ~0−100°C — выход остаточной влаги (важно)
  • ~400°C — органика (не критично)
  • 500−600°C — инверсия кварца (осторожно)
  • 850°C — «сульфидная мина» (важно)
  • 1080°C — возможная вторая волна газов (важно для № 371)
  • 1240°C — спекание (важно)
  • Остывание — осторожно

Получаем обычный обжиг 100−120 °C в час с выдержкой на 850 °C для обеих.

Если заметим вспучивание черепка и (или) кипение глазури на 371, перейдем к плану Б: добавим в график замедление скорости нагрева в интервале 1050−1150 °C до 50−60°C в час.
График обжига
для G&S № 240 и № 371
(печь 60 л средняя загрузка)
График обжига (план-Б)
для G&S № 371
(печь 60 л средняя загрузка)
К сожалению не всегда можно получить полную информацию о составе и свойствах керамической массы.
В таких случаях обычно начинают с обычного обжига как базового варианта. При необходимости режим можно подстроить под свои условия работы.
Типовые графики собраны на странице «Графики обжига керамики».
Графики обжига керамики

Фактор влияния: глазури

Эта связь — не просто сцепление.
В процессе обжига между черепком и глазурью формируется контактный (промежуточный) слой, в котором они взаимодействуют и частично проникают друг в друга.

Чтобы этот слой сформировался правильно, глазури, как и черепку, требуется время: на плавление, выравнивание и завершение газования.

Черепок — основа, глазурь — защита.
Режим определяет их взаимосвязь: скорость и время важны не меньше, чем для формировании черепка.

Контактный слой между черепком и глазурью:
а — глазурь
б — контактный слой
в — черепок
в
б
а
Например, фриттованные глазури обычно можно обжигать быстрее, чем сырые.
Фритта — это заранее сплавленное и измельчённое стекло, поэтому при обжиге происходит в основном его плавление. Благодаря этому такие глазури допускают ускоренный нагрев (от 150 °C в час и выше) с короткой выдержкой.

Сырые глазури — это смесь тонкоизмельчённых минералов. Стекло в них формируется непосредственно во время обжига, поэтому им требуется более медленный и ровный режим.

И совершенно особый случай — кристаллические глазури.
У них почти нет пиковой выдержки, зато строго контролируется остывание: температуру резко понижают до зоны роста кристаллов и удерживают её там много часов.

Универсального режима обжига для глазурей не существует.

Гранулированные фритты:
  • боросиликатная прозрачная фритта 1000-1250 °С;
  • белая глянцевая фритта 950-1200°С;
  • титановая полупрозрачная эффектарная фритта 1080-1130 °С.
Сырая глазурь
Компоненты будущей глазури из серии Эко: минеральное сырье, оксиды и карбонаты.
Итак, форма изделия, состав массы и тип глазури уже задают основные требования к режиму обжига.
Но есть ещё один важный фактор — плотность загрузки печи.

Фактор влияния: загрузка печи

Плотность загрузки (сáдки, стáвки) — отношение суммы массы загружаемых изделий и огнеприпаса к полезному объему камеры.
Измеряется в кг/куб.м.

Равномерное распределение изделий и огнеприпаса по объему камеры способствует равномерному теплообмену.

Равномерный теплообмен — одно из условий качественного обжига. При загрузке стремитесь к созданию максимально схожих условий для всей садки:
  • При плотных загрузках оставляйте каналы для тепловых потоков. Большую помощь здесь оказывают перфорированные лещадки.
  • При неполной загрузке расставляйте изделия равноудаленно друг от друга.
Эти нехитрые приемы помогут выровнять доступ тепла к изделиям по всему объёму печи.
Но даже при аккуратной загрузке печь остаётся неравномерной по температуре.

Распределение температурных зон в печи

Сам характер движения тепла создаёт разбег температур — даже при прогреве пустой печи.
Естественно возникает вопрос: можно ли сделать прогрев полностью равномерным?

Технически такие решения существуют — например, печи с вынужденной конвекцией.
Однако в студийной практике они почти не используются. Иногда мастера экспериментируют с подобными системами, но это отдельная тема, поэтому дальше будем исходить из обычных условий.

А они таковы: в печи всегда есть разница температур между верхом и низом, центром и областями у стенок.
Условная схема распределения температуры в пустой печи с горизонтальной загрузкой: даже без загрузки тепло распределяется неравномерно.

Эту разницу можно измерить

Составление температурной карты с помощью колец (ККТ) или пироскопов позволяет оценить равномерность прогрева и выявить места утечки тепла
Температурные карты печи до и после ремонта створа печи
Объем печной камеры — 33 литра. Расположение спиралей — трехстороннее: по задней и боковым стенкам. Показания термопары (контроллера) — 1190 °С.
Показания температурных колец, расположенных в непосредственной близости от термопары — 1205 °С.
Показания температурных колец по зонам печи до ремонта (слева) и после (справа).
Температурные карты печи до и после ремонта створа печи
Если расхождение температуры между зонами составляет порядка 20 °С — это допустимо.

Если более 50 °С — проанализируйте режим: возможно, вы выставили слишком высокую скорость или недотянули выдержки.
Если с режимом все в порядке — осмотрите печь: нет ли щелей и нарушения кладки, не сместилась ли термопара, насколько плотно закрывается дверца. Часто причина кроется именно в таких мелочах.
Ну, а если такой разбег наблюдается у новой печи — стоит связаться с производителем.
С неравномерностью прогрева приходится считаться при любой загрузке и любом режиме обжига.
Поэтому ориентироваться только на заданную температуру недостаточно.
Показательный пример последствий «сквозняка» в печи: неравномерная усадка изделия с недожогом нижней части.

Печь 1,8 куба с выкатным подом. Режим — обычный с пиком 1200°С
Изделие стояло на самой нижней полке у створа, где после осмотра печи была обнаружена щель, образовавшаяся из-за износа кирпичей вагонетки. Перепад температуры в этом месте превышал 100 °С.

Количество полученного тепла — вот что важно!

Тепла, которое получает изделие по всей глубине черепка.
Именно это определяет результат обжига, а не просто температура, выставленная на контроллере.

Слагаемые полученного тепла — это:
  • скорость нагрева,
  • продолжительность выдержек,
  • конечная температура.

Температура в камере печи не означает, что всё изделие сразу имеет ту же температуру. Тепло сначала поступает к поверхности, а затем постепенно распространяется в глубину материала. Поэтому разные участки изделия могут прогреваться с разной скоростью, особенно если они отличаются по толщине, форме или условиям теплообмена.

На схеме показан один из таких случаев: крупное изделие получает тепло постепенно, а внутренний объём и отдельные зоны могут отставать от поверхности.
На схеме — один крупногабаритный объект с узким горлом.

Тепло в изделии появляется не сразу: оно проходит через стенки и постепенно заполняет внутренний объём.
Дно и зоны контакта с лещадкой прогреваются медленнее и обычно немного отстают.

Свечение у нагревателей условно показывает области более интенсивного нагрева.

Загрузка - влияние на прогрев

Даже в одной и той же печи при одном и том же режиме условия обжига могут заметно различаться.
Причина — в загрузке: распределении изделий и их количества.

При изменении загрузки меняется тепловая инерция системы «печь — садка»: чем плотнее загрузка, тем медленнее происходит выравнивание температуры внутри объёма изделий.

Поэтому при плотной загрузке основную роль в выравнивании прогрева начинают играть скорость нагрева и выдержки: они дают системе время для выравнивания температур по всей массе изделий.
При равномерной загрузке условия прогрева более стабильны.
Но на практике загрузка редко бывает идеальной: в одной садке изделия могут быть распределены с разной плотностью или существенно отличаться по размеру.
В этом случае формируются участки с разными условиями теплообмена, и скорость прогрева изделий становится неодинаковой.

Давайте посмотрим, как это происходит при разных вариантах загрузки.
Схемы загрузки (вид сверху).
Печь с горизонтальной загрузкой и трёхсторонним расположением нагревателей.

Схемы условные: контраст усилен для наглядной демонстрации разной интенсивности нагрева. Ближе к источникам тепла она выше, дальше — ниже.
Равномерно распределённые загрузки: частичная, средняя и плотная.

Обратите внимание, самая холодная зона — рядом с дверцей: здесь нет нагревателей, а стоящие рядом изделия частично перекрывают тепловое излучение.
Центр камеры тоже прогревается слабее: он удалён от источников тепла. Изделия в центре садки получают тепло не от источников тепла, а от стоящих рядом изделий.

Углы камеры — ещё одна зона «холода». Дело в расположении нагревателей и особенностях геометрии камеры.
Частичная загрузка → меньше препятствий для теплообмена
Средняя загрузка → более стабильные условия прогрева
Плотная загрузка → больше времени на выравнивание температуры
Неравномерные загрузки

При неравномерной загрузке условия прогрева начинают различаться сильнее.

Изделия, расположенные ближе к источникам тепла или в более свободной зоне, получают тепло быстрее. А изделия, находящиеся в окружении других работ, могут прогреваться медленнее из-за экранирования и меньшего доступа теплового излучения.
Разница особенно заметна, когда в одной садке сочетаются изделия разного размера: крупные имеют большую тепловую инерцию и требуют больше времени для прогрева всей массы, чем небольшие изделия.
Смещение загрузки → разные зоны прогрева
Неравномерные промежутки → разные условия теплообмена
Разный размер изделий → разная скорость прогрева
Но распределение тепла зависит не только от загрузки. Существенную роль играет и сама печь — её конструкция и, если хотите, её характер.
Вопрос не в том, «быть или быть» неравномерной загрузке — это нормальная рабочая ситуация.
Просто нужно принимать во внимание, как распределяется тепло и какие изделия нагреваются быстрее. Это позволяет выстроить садку так, чтобы свести к минимуму перегрев одних и недогрев других.
  • Конструкция и объём печи,
  • Расположение и качество термопары
  • Износ

Что влияет на характер печи? Её параметры!

Печь, как и человек имеет свой характер.

Фактор влияния: печь

Конструкция и объем печи

Конструкция печи во многом определяет характер распределения тепла внутри камеры.
Форма камеры и расположение спиралей

В круглой и квадратной печи при сходной схеме размещения спиралей форма камеры уже задаёт разный «рисунок» теплового поля. Это хорошо видно на схемах.
В квадратной печи углы формируют зоны, где тепловое поле ослабевает. В круглой — эту роль выполняет монтажная зона вывода спиралей.
Объём камеры

При увеличении объёма возрастает количество материала, который необходимо прогреть: футеровки, огнеприпаса и самой садки. Поэтому большим печам требуется больше времени для выхода на стабильный режим.
Расположение дверцы (створа) и герметичность

Зона у створа почти всегда отличается по условиям прогрева: здесь меньше прямого теплового воздействия, а любые неплотности дополнительно усиливают локальные потери тепла — даже небольшие сквознячки или нарушения герметичности создают «мостики холода» и влияют на равномерность прогрева.
Конвекция

Добавим сюда естественную конвекцию: горячий воздух стремится вверх, холодный опускается вниз — поэтому в нижней части камеры формируются более прохладные зоны. Подовый подогрев и дополнительные зоны нагрева помогают выравниванию температуры, но не устраняют этот эффект полностью.
Условная схема распределения тепла в камере печи
Как видно из схем, внутри камеры существуют зоны с разными условиями прогрева. Поэтому показания термопары — это не «средняя температура печи», а температура в точке её расположения.
Вид сверху — распределение по площади камеры
Квадратная печь с горизонтальной загрузкой
Круглая печь с вертикальной загрузкой
Вид сбоку — распределение по высоте камеры
Квадратная печь с горизонтальной загрузкой
Круглая печь с вертикальной загрузкой

Расположение и качество термопары

Строго говоря, показывает не термопара, а контроллер, который считывает её сигнал. Термопара лишь фиксирует температуру на кончике своего носа и не знает, что происходит в других зонах.
А что касается качества… Да — платиновая термопара лучше. И значительно дороже.
Но и бюджетные варианты достойны внимания. Просто нужно учитывать, что у них погрешность показаний чуть выше и требуется более частая замена.
Круглая печь 200 литров.
Отличное решение для контроля температуры — три термопары в разных зонах печи дают более полную картину распределения температуры.
Термопары бюджетные — хромель-никелиевые.

Погрешности показаний контроллера

Возвращаясь к контроллеру. Вы ему полностью доверяете? Как часто перепроверяете его показания?

Не углубляясь в сложные описания работы электроники, ситуацию можно обрисовать так.
Термопара с одним концом внутри камеры и с другим концом снаружи ощущает некий диссонанс, о котором сообщает Контроллеру.
Контроллер получает сигнал и путем своих каких-то электронных преобразований переводит его в цифры, которые мы видим на мониторе.
Но эти цифры — интерпретация, а не «абсолютная истина», и в ней уже заложена определённая погрешность.

Кроме того, температура вокруг наружного конца Термопары меняется в зависимости от микроклимата мастерской: температура, влажность, сквозняки - всё это дополнительно влияет на её исходный сигнал.
Пример корректировки программы после проверки ККТ.
Ранее при заданной пиковой температуре 1210 °C печь недобирала около 9−10 °С. После проверки это расхождение учли: пиковую температуру в программе контроллера увеличили до 1220 °C.

В откорректированном режиме контроллер показывает 1220 °C, а температурное кольцо, размещённое рядом с термопарой, фиксирует около 1211 °C — значение, соответствующее нужному режиму обжига.

Печь — 250 л.
Скорость нагрева — 100 °С в час.
Промежуточные выдержки — 15−20 минут.
Пиковая выдержка — 40 минут.

Из практики

Время от времени возникают ситуации, когда при неизменном режиме обжига результат начинает скакать: появляются недожоги или пережоги. В переходные сезоны — весной и осенью — такие ситуации встречаются чаще.

Прежде чем грешить на перегоревшую спираль или глюк прибора, разместите температурное кольцо (ККТ) в непосредственной близости от термопары. После обжига по результатам измерения кольца можно сравнить фактическую температуру с показаниями прибора. Например, в моей практике такое расхождение составляло 5−20 °C (см. температурную карту печи), но оно может быть как больше, так и меньше. Полученную разницу следует учесть при программировании контроллера.
Рабочая температурная карта печи.
В неё вносятся реальные показания температурных колец (ККТ), что позволяет отслеживать расхождение между зонами печи и показаниями контроллера.

Износ

Думаю не стоит напоминать о том, что сильный износ кладки, спиралей и термопары не только не в состоянии обеспечить равномерность нагрева, но и не гарантирует набора пиковой температуры обжига.

Понятно, что износ происходит не вдруг, не сразу, а постепенно. Также бесспорно, что должный уход с регулярным техосмотром и профилактикой продлевают срок службы печи.

Солидный возраст не мешает ей быть вполне себе Активным пенсионером. И если вы чувствуете, что печь не дотягивает по причине «старости», облегчите ей нагрузку небольшим снижением скорости и более протяженными выдержками.
Плановый ремонт печи: замена спиралей, ремонт кладки

Рекомендации по контролю:

  • После каждого обжига делайте осмотр футеровки на предмет ослабления кладки и появления щелей.
  • Регулярно осматривайте корпус, соединения, задвижки, петли — все металлические детали на предмет коррозии.
  • Следите за положением термопары — канал, в котором она лежит (или висит) тоже имеет тенденцию разнашиваться: слишком заглубленная или слишком выступающая термопара дает некорректные сигналы.
  • О неполадках контроллера обычно сообщает сам контроллер.
  • И, конечно, раз в год приглашайте печника на техосмотр и профилактику.

Производственная печь с выкатным подом перед капитальным ремонтом (замена кладки и спиралей). Объем камеры 2,5 куба.
Цикл печи: до капремонта — 36 часов, после капремонта — 30 часов.

Анализируйте связь между качеством обжига и его условиями (место в печи, режим, плотность загрузки, вид изделия).
Разгружая печь, осматривайте изделия сразу на месте и фиксируйте координаты.
Благодаря собранным данным вы получите статистику, которая поможет вам успешнее контролировать обжиг и отслеживать состояние печи!
И заключительный совет

Автор: Моисеева Марина 2023 год