|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ตำหนิที่เกิดจากการเผา | |
|
ตำหนิที่เกิดจากการเผา
ดร. คชินท์ สายอินทวงศ์
ในการผลิตเซรามิกนั้นการที่จะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ไม่มีตำหนิเลยนั้นถือว่าเป็นสุดยอดปรารถนาของผู้ผลิตทุกคน ซึ่งสาเหตุของการเกิดตำหนินั้นสามารถเกิดขึ้นได้ทุกจุดของกระบวนการตั้งแต่การตรวจรับวัตถุดิบ, การเตรียมเนื้อดิน, การเตรียมน้ำเคลือบ, การขึ้นรูปและตกแต่ง, การเคลือบ และการเผา
ตำหนิที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการเผานั้นถือว่าสร้างความเสียหายให้กับผู้ผลิตมากที่สุดเพราะเป็นขั้นที่ผลิตภัณฑ์มีต้นทุนสูงที่สุดแล้ว และอาจสร้างความเสียหายถึงขั้นส่งมอบของให้กับลูกค้าไม่ทันเวลาได้ ดังนั้นการควบคุมกระบวนการเผาที่ดีจะช่วยลดปัญหาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ลงไปได้มาก เราลองมาดูตำหนิที่จะเกิดขึ้นได้ในขั้นตอนนี้รวมทั้งแนวทางการแก้ไขและป้องกัน
Under firing
การเผาผลิตภัณฑ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่าที่กำหนดไว้ จะทำให้ขนาดของผลิตภัณฑ์ใหญ่กว่ามาตราฐานที่เราควบคุมไว้ สีของผลิตภัณฑ์จะเปลี่ยนไป มีความพรุนตัวสูงกว่ามาตราฐาน (High porosity) ความแข็งแรง (Strength) ต่ำ เนื่องจากยังไม่มีการ Form glassy phase หรือ อาจยังเกิดปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์
สำหรับในเคลือบการเผาต่ำกว่าอุณหภูมิของเคลือบที่กำหนดไว้นั้นจะเป็นผลให้เกิดตำหนิที่ผิวเคลือบได้หลายแบบ เช่น egg shell เป็นลักษณะที่ผิวเคลือบยังไม่หลอมดีพอ มีผิวไม่เรียบเหมือนเปลือกไข่หรือถ้าในกรณีที่เผาต่ำกว่าอุณหภูมิที่ต้องการมาก เคลือบก็จะยังไม่สุกตัว ผิวจะหยาบด้านและสีจะไม่สดใสตามที่เราต้องการ
การที่เกิดการเผาที่อุณหภูมิต่ำกว่าที่กำหนดไว้นั้น อาจจะเกิดเนื่องจากตัววัดอุณหภูมิของเตา (Thermocouple) เกิดความผิดพลาดในการอ่านหรือวัดอยู่ในจุดที่ไม่เหมาะสม หรือใช้ Thermocoupleชนิดที่ไม่เหมาะสมกับอุณหภูมิที่ใช้
ในกรณีที่เป็นเตาแบบshuttle ที่มีขนาดใหญ่ การวัดอุณหภูมิควรวัดในหลายๆตำแหน่ง ทั้งช่วงด้านบน,ด้านกลางและด้านล่างของเตา แต่ถ้ากรณีที่ไม่สามารถนำ Thermocouple เข้าไปวัดได้ ก็ควรใช้Pyrometric coneวัดเพื่อดูอุณหภูมิที่ใช้เผา และเก็บเป็นข้อมูลไว้สำหรับการปรับเตาในครั้งต่อไป เช่นเดียวกับเตาเผาที่ไม่ได้ใช้ Thermocouple เช่นเตาเผาโอ่งที่ราชบุรี เตาเผาที่ด่านเกวียน หรือเตาที่ใช้ฟืนเป็นเชื้อเพลิงซึ่งอาศัยความชำนาญของคนงานที่เดินไฟ ก็ควรนำCone เข้าไปตรวจเช็คอยู่เสมอๆและเก็บเป็นข้อมูลไว้ เพื่อกำหนดเป็นมาตรฐานในการเผาและสร้างพนักงานผู้เชี่ยวชาญในการเผาเตาฟืนได้มากขึ้น
บางครั้งอาจพบว่า จะมีเพียงบางตำแหน่งของเตาหรือบางด้านของผลิตภัณฑ์เท่านั้นที่เกิดการเผาไม่ถึงจุดสุกตัว การสังเกตผลิตภัณฑ์ที่เผาได้ และข้อมูลจากการล้มของ Cone จะช่วยวิเคราะห์และแก้ไขปัญหาดังกล่าวได้
สำหรับในกรณีการเผาแบบ Fast Firing นั้นเนื่องจาก Thermocouple ที่วัดอยู่ในเตานั้นจะเเช่อยู่ที่อุณหภูมินั้นๆตลอดเวลา แต่ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านเข้ามานั้น จะมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่อ่านได้จาก Thermocouple เพราะผลิตภัณฑ์มีการเคลื่อนตัวอย่างเร็ว (การเผากระเบื้องในปัจจุบันสามารถเผาได้ในเวลาไม่เกิน 35 นาที, กระเบื้องหลังคาเซรามิกสามารถใช้เวลาในการเผาเพียง 80-100 นาที) ดังนั้นจึงควรระวังตรงจุดนี้ ระหว่างอุณหภูมิที่อ่านได้จาก Thermocouple กับอุณหภูมิจริงที่เนื้อผลิตภัณฑ์
Over firing
การเผาผลิตภัณฑ์ที่อุณหภูมิสูงกว่าที่กำหนดไว้จะทำให้ขนาดของผลิตภัณฑ์ที่ได้เล็กกว่ามาตรฐาน การดูดซึมน้ำต่ำ อาจทำให้สีเพี้ยนไปไม่เป็นที่ต้องการ เกิดการยุบตัว (slump) บิดเบี้ยว(warping)หรือถ้าเผาสูงมากเกินไป อาจจะเกิดการบวมขึ้นมาของผลิตภัณฑ์
สำหรับในเคลือบนั้นการเผาจน Over firing จะส่งผลให้สีเปลี่ยนไป (off color) อาจสูญเสียความมันของผิวเคลือบ เกิดรูพรุน รูเข็มขึ้นเนื่องจากเคลือบเดือด (over fire)
สาเหตุเกิดเช่นเดียวกับการเกิด Under firing คือตัววัดอุณหภูมิของเตามีปัญหา หรือเกิดจากการที่ใช้เวลาในช่วง Soaking time นานเกินไป อุณหภูมิในเตาไม่สม่ำเสมอ มีบางส่วนของผลิตภัณฑ์โดนเปลวไฟโดยตรง แนวทางแก้ไขคือ ต้องตรวจเช็คตัววัดอุณหภูมิ ควรต้องมีช่วงเวลาของการสอบเทียบ (calibration ) ตัววัดอุณหภูมิ ใช้ cone ตรวจสอบอยู่เสมอ ปรับเตาให้อุณหภูมิมีการกระจายตัวได้เป็นอย่างดี ดูความเหมาะสมของช่วงเวลาที่ใช้ soak ที่ maximum temperature ใช้วัสดุทนไฟกั้นเปลวไฟไว้ไม่ให้โดนผลิตภัณฑ์โดยตรง
นอกจากนี้สาเหตุที่ทำให้เกิด Over firing นั้นอาจเกิดเนื่องมาจากในสูตรเนื้อดินหรือในเคลือบมีปริมาณของตัวช่วยหลอม (Flux) อยู่มากเกินไป หรือมีการบดละเอียดเกินไปจนทำให้เลยจุดสุกตัวของเนื้อดินหรือเคลือบ
Black core
การเกิดแกนดำขึ้นภายในเนื้อผลิตภัณฑ์ซึ่งจะทำให้ความแข็งแรงลดลง เกิดเนื่องจาก organic matter ภายในเนื้อ body ที่มาจากดิน หรือ binder ที่เราเติมลงไป มีมากเกินไปจนไม่สามารถกำจัดออกไปได้ทันในช่วง oxidation เมื่อ surface ของผลิตภัณฑ์เกิดการ form glassy phase แล้ว oxygen จึงไม่อาจ diffuse เข้าไปเพื่อเกิด oxidation reaction กับ organic matter ด้านในของผลิตภัณฑ์ จึงเกิดเป็นแกนสีดำอยู่ภายในเนื้อผลิตภัณฑ์
นอกจากนี้ถ้า oxygen ไม่เพียงพอสำหรับการ oxidation carbon ที่มาจากแก็สธรรมชาติ และจากในเนื้อ body จะ form เป็น กาซคาร์บอนมอนออกไซด์ ซึ่งกาซนี้จะเป็นตัว reduce ferric oxide ( Fe2O3 ) ไปเป็น Ferrous oxide ( FeO ) ซึ่งเป็น flux ที่รุนแรง และจะไปทำปฏิกิริยากับ SiO2 เพื่อ Form เป็น glass ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1,100 °C จะทำให้ organic matter ที่อยู่ภายในเนื้อ body ออกไปยากขึ้น และจะ form ตัวเป็น black glass form ภายในเนื้อ body
ตำหนินี้อาจเกิดจากเนื้อผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นมากเกินไปเนื่องจากการขึ้นรูปเช่นอาจใช้ Pressure ในการPress มากไปหรือมีความหนามาก ในเนื้อดินมี organic matter มาก แนวทางการแก้ไขนั้นสามารถทำได้โดยปรับอัตราส่วนของอากาศให้มี excess oxygen ในการเผา เผาให้ช้าลงโดยเฉพาะในช่วง oxidation ถ้าผลิตภัณฑ์จำเป็นต้องเผาแบบ reduction เพื่อความสวยงามของสีหลังเผา ก็ควรจะทำการ reduction หลังจากอุณหภูมิ 1000 °C ไปแล้ว นอกจากนี้ยังสามารถแก้ไขได้โดยศึกษาคุณสมบัติของวัตถุดิบแต่ละตัวที่นำมาทำเนื้อ body โดยเฉพาะพวกดินเหนียว ว่ามีค่า loss of ignition อยู่มากน้อยเพียงใด ซึ่งค่านี้ก็จะสามารถบอกได้ว่าในเนื้อดินนั้นมี organic matter สูงหรือต่ำและทำการปรับสัดส่วนให้เหมาะสมกับการใช้งาน
Crack(รอยร้าว)
รอยร้าวที่เกิดขึ้นหลังเผานั้นเป็นปัญหาที่สร้างความปวดหัวให้กับผู้ผลิตเสมอๆเพราะยากที่จะฟันธงได้ว่ามันมาจากสาเหตุใด เพราะในความเป็นจริงนั้นสาเหตุของการเกิดรอยร้าวนั้นมาได้ตั้งแต่จากการขึ้นรูปมาเลย ลองมาดูสาเหตุหลักๆกัน
1. Crack เนื่องจากการไล่น้ำในเนื้อ body ออกเร็วเกินไปในช่วงก่อนการอบแห้ง, ระหว่างการอบแห้ง และในช่วงต้นของการเผา
แนวทางการแก้ไข
ลดปริมาณน้ำในการขึ้นรูปลงให้อยู่ในปริมาณที่เพียงพอต่อการขึ้นรูป ในกรณีการขึ้นรูปแบบ
Slip casting ควรใช้ density ของน้ำ slip ให้สูงที่สุดโดยที่ rheology ของ slip ยังอยู่ในช่วงที่ใช้งานได้ และต้องคำนึงถึงค่า Thixotropyของน้ำดินด้วย
Pressing ควบคุม%ความชื้นให้อยู่ในช่วงแคบและเพียงพอต่อการขึ้นรูปโดย green body ยังมีความแข็งแรงเพียงพอ
Plastic forming เช่นThrowing, extruding, Jiggering นั้น %ความชื้นของเนื้อดิน ควรเหมาะสมกับความสามารถในการ form ตัวของ green body ได้ และควรคำนึงถึงความสม่ำเสมอของความชื้นในดินแท่งก่อนนำมาขึ้นรูปด้วย
ปรับปรุงช่วงการอบแห้งของผลิตภัณฑ์ให้มีความชื้นน้อยที่สุดก่อนการเผาสำหรับผลิตภัณฑ์ ที่มีความชื้นอยู่ภายในมาก และผลิตภัณฑ์มีขนาดใหญ่และหนาควรทำการ dry ธรรมชาติโดยตั้งผึ่งไว้ในบรรยากาศที่มีอากาศไหลผ่านตลอดเวลา เพื่อให้ความชื้นภายในลดลงไปบางส่วนก่อนนำเข้าอบในเตาอบ สำหรับในเรื่องการอบผลิตภัณฑ์นั้น ถือได้ว่าเป็นหัวใจที่สำคัญที่จะช่วยลดปัญหารอยร้าวของผลิตภัณฑ์ได้ ซึ่งผมจะขอยกยอดไปเขียนเป็นเรื่องตำหนิที่เกิดจากการอบแห้งในฉบับต่อไป
2. crack เนื่องจากการหดตัวของผลิตภัณฑ์
จากกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับ % การหดตัวหลังเผา จะเห็นว่าในช่วงต้น % การหดตัวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มจาก T1 ----->T2 และอัตราการเพิ่มของ % การหดตัวจะค่อยๆ ลดลงจนถึงจุดที่เป็น vitrification ถ้าในเตามีการกระจายตัวของความร้อนไม่เท่ากัน ด้านบนของผลิตภัณฑ์มีอุณหภูมิเป็น T2 ในขณะที่ด้านล่างของผลิตภัณฑ์ยังเป็นอุณหภูมิ T1 อยู่ ดังนั้นด้านบนจะมี% การหดตัวมากกว่าด้านล่างของผลิตภัณฑ์อยู่ S2-S2 % และเป็นสาเหตุของการแตกร้าวที่ด้านบนของผลิตภัณฑ์ได้
3. Preheating crack
มีสองสภาวะที่นำให้เกิด Preheating crack คือ
1. Temperature gradient ภายในเนื้อผลิตภัณฑ์ในช่วงการเผาไล่ความชื้นและสารอินทรีย์ซึ่งปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน (Endothermic reaction) ดังนั้นภายในของผลิตภัณฑ์จะยังคงเย็นกว่าด้านนอกถึงแม้ว่าเราจะเผาช้าเพียงใดก็ตาม
2. ความแตกต่างระหว่างการหดตัวและการขยายตัวภายในเนื้อผลิตภัณฑ์
ในระยะแรกของการเผานั้น ผลิตภัณฑ์จะขยายตัวเล็กน้อยแต่ในช่วง dehydroxylation นั้นจะเริ่มเกิดการหดตัวขึ้น ในสภาวะดังกล่าวนี้ภายนอกของผลิตภัณฑ์จะเริ่มเกิดการหดตัวแล้ว แต่ในขณะที่ภายในเนื้อผลิตภัณฑ์ยังคงขยายตัวอยู่
ถ้าเรานำเอาเนื้อดินมาวิเคราะห์ด้วยเครื่อง DTA (Differential Thermal Analysis) จะเห็นว่าในช่วงตั้งแต่ 400-600oC จะมี peak ของ endothermic ชัดเจน นั่นคือช่วงของการเกิด dehydroxylation ขึ้น กราฟ TGA จะเห็นว่าเนื้อดินมีการสูญเสียน้ำหนักออกไปด้วย ในช่วงอุณหภูมินี้ ผลิตภัณฑ์จะเริ่มมีการหดตัวเกิดขึ้น
ในทางการป้องกันการเกิด preheating crack
1. ในระหว่างช่วงอุณหภูมิ 500-600oC นั้นควรใช้อัตราการเพิ่มอุณหภูมิอย่างช้าๆ และให้มี excess air เนื้อที่ให้เกิดความร้อนหมุนเวียนภายในเตาและภายในผลิตภัณฑ์ซึ่งจะช่วยลด temperature gradient (ความแตกต่างของอุณหภูมิ) ให้ต่ำลงได้ นอกจากนี้ excess air จะช่วยทำให้ไอน้ำที่เกิดจากช่วง dehydroxylation เคลื่อนตัวออกไปจากผิวผลิตภัณฑ์ซึ่งทำให้อัตราของการ dehydroxylation ดีขึ้นด้วย
2. ไม่ควรคำนึงถึงค่าอุณหภูมิที่อ่านได้จาก thermocouple เพียงอย่างเดียว เพราะตัว thermocouple นั้นจะวัดตรงจุดด้านหลังคาเตา ซึ่งไม่ได้เป็นตัวแทนของอุณหภูมิของทั้งเตา ดังนั้นในช่วงอุณหภูมิ 500-600 oC นี้จึงควรให้เวลาตรงจุดนี้พอสมควร โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดใหญ่หรือมีความหนามาก
Dunting
เป็นการแตกร้าวในช่วง cooling ของการเผาผลิตภัณฑ์ซึ่งในช่วง cooling นั้นที่อุณหภูมิ 700°C glassy phase จะยังคงมีคุณสมบัติไหลตัวที่ดีอยู่ ซึ่งเป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของ glass แต่เมื่อเริ่มถึงอุณหภูมิ 600-400°C Quartz ที่อยู่ภายในเนื้อผลิตภัณฑ์จะเริ่มมีการเปลี่ยน phase จาก β ไปเป็น ∝ ซึ่งจะมีการหดตัวลงอย่างมาก ถ้าผลิตภัณฑ์มีความแตกต่างของอุณหภูมิด้านนอกและด้านในสูง การหดตัวที่ด้านนอกจะเกิดมากกว่าด้านใน ซึ่งจะส่งผลให้เกิด tension ขึ้น และจะทำให้เกิดการแตกร้าว ดังนั้นในช่วง cooling เราจึงควรต้องระมัดระวังในช่วงอุณหภูมิ 600-400°C ไม่ให้มีการเย็นตัวลงไปอย่างรวดเร็วเกินไป เพราะจะเป็นสาเหตุของการเกิด dunting ขึ้น นอกจากนี้การปรับสูตรเนื้อดินให้มี %Free silica น้อยก็จะช่วยลดปัญหาการเกิด dunting ได้
Pinhole, Blister, Vocanic hole
ถ้าเพิ่มอุณหภูมิเร็วเกินไปในช่วงที่สีเคลือบเริ่มมีการหลอมตัวและเกิด glassy phase จะเป็นสาเหตุของการเกิด defect ที่เป็นรูเข็มหรือรุพรุนขึ้นที่ผิวเคลือบได้ เนื่องจาก gas ต่างๆที่อยู่ในเนื้อดินยังถูกแทรกออกมาไม่หมด แต่ที่ผิวนั้นถูกปิดกั้นด้วย glassy phase ของชั้นเคลือบ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ปริมาณของ gas หรือฟองอากาศเหล่านั้นจะเพิ่มขึ้นรวมทั้งความดันภายในด้วย เมื่อฟองอากาศพยายามที่จะหลุดออกไปจากชั้นของเคลือบ ถ้าสุดท้ายแล้วหลุดไปในช่วงที่อุณหภูมิของเคลือบเริ่มสุกตัวแล้ว ก็จะทำให้เกิดตำหนิที่เรียกว่า pinhole (รูเข็ม) หรือ Blister หรือถ้าฟองอากาศมีขนาดใหญ่มากอาจกลายเป็นรูขนาดใหญ่ที่เรียกว่า vocanic hole
ในทางการแก้ไขนั้นเราควรต้องศึกษาสมบัติของเนื้อดินและเคลือบที่ใช้งาน ในกรณีของเนื้อดินนั้นควรต้องรู้ค่า % LOI (Loss of ignition) ว่ามีค่ามากน้อยเพียงใด ส่วนของเคลือบนั้นต้องศึกษาเกี่ยวกับการหลอมตัวในแต่ละช่วงอุณหภูมิ โดยใช้ heating microscope เป็นตัวตรวจสอบเพื่อที่เราจะสามารถทราบจุดเริ่มหลอมตัวของเคลือบ (Softening point) และช่วยในการออกแบบตารางการเผาเคลือบหรือ body ในแต่ละชนิดได้อย่างเหมาะสมกัน และป้องกันการเกิด defect ที่จะเกิดบนชั้นผิวเคลือบได้
|
|
|
|
|
|
|
