DE19843593C1

DE19843593C1 - Brennverfahren für glasierte keramische Erzeugnisse

Info

Publication number: DE19843593C1
Application number: DE1998143593
Authority: DE
Inventors: Peter Maier
Original assignee: STAATLICHE PORZELLANMANUFAKTUR
Current assignee: STAATLICHE PORZELLANMANUFAKTUR
Priority date: 1998-09-23
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2018-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren, bei dem Nadelstiche auf der Glasur oder der Schmelzfarbenschicht von Porzellan- oder anderen keramischen Erzeugnissen vermieden werden können. DOLLAR A Erfindungswesentlich ist die Erkenntnis, daß während des Brennens die Glasur oder Schmelzfarbe aufschmilzt und sich Gasbläschen bilden, die in der gesamten Glasurschicht verteilt sind. Die Glasbläschen in Oberflächennähe ziehen aufgrund der Kontraktion beim Abkühlen die dünne Glasurdeckhaut ein, wodurch sich beim Erkalten die Krater bilden. Erfindungsgemäß wird beim Abkühlen der Ofenraum evakuiert und so eingestellt, daß der Ofenraumdruck P¶a¶ dem Abfall des Innendruckes in den Glasbläschen P¶i¶ analog folgt. Die Regelung folgt dem Algorithmus: DOLLAR A P¶a¶ = P¶1¶ x (T/T¶1¶). DOLLAR A Dabei bedeutet P¶1¶ den Ofenraumdruck bei T¶1¶, T¶1¶ ist die Brenntemperatur und T die aktuelle Kühltemperatur. DOLLAR A Das Brennverfahren eignet sich auch zur Nachbesserung bereits gebrannter und fehlerhafter Glasuroberflächen von Porzellanerzeugnissen. Eine vorteilhafte Variante des Brennverfahrens sieht auch die Abkühlung bei zusätzlicher Wassereindüsung vor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren, bei dem Nadelstiche auf der Glasur oder der Schmelzfarbenschicht von Porzellan- oder anderen keramischen Erzeugnissen fast vollständig vermieden werden können.

Während des Brennens schmilzt die Glasur oder die Aufglasurschmelzfarbe und es bilden sich darin unvermeidbar zahlreiche Gasbläschen. Die oberflächennahen größeren Bläschen bilden während der Abkühlfase Krater, in der Fachsprache Nadelstiche genannt, die am fertigen Erzeugnis störend wirken und zu Qualitätsabstufungen führen. Bisherige Lösungen zur Vermeidung von Nadelstichen haben sich im wesentlichen auf Änderungen des Glasurversatzes, deren Kornzusammensetzung sowie Änderungen der Brennkurve gestützt und das Problem nicht zufriedenstellend lösen können. Aus DE 34 18 193 A1 ist eine Lösung bekannt, die durch Aufbringen einer polymerhaltigen, wasserundurchlässigen Hilfsschicht auf den Scherben eine hohe Oberflächengüte auf Fliesen errreicht. Das Aufbringen dieser Sperrschicht auf geometrisch komplizierte Formen ist schwierig und daher ist diese Lösung nur beschränkt anwendbar. Aus DE 33 02 010 A1 ist ein Verfahren zur Nachbehandlung einzelner extrem störender Nadelstiche bekannt, bei dem diese Defektstellen abgetragen, mit neuer Glasur bedeckt und anschließend durch Energiestrahlen ausschließlich die Fehlerstellen erneut gebrannt werden. Diese Lösung wird vorzugsweise in der Sanitärkeramik eingesetzt, d. h. für Haushaltporzellanerzeugnisse ist diese Lösung ebenfalls ungeeignet. Spezielle Untersuchungen haben gezeigt, daß Nadelstiche ausschließlich aus den oberflächennahen Bläschen entstehen, indem der sich beim Abkühlen bildende Unterdruck bewirkt, daß die dünne Deckhaut der weichen bzw. flüssigen Glasur eingesogen wird. Fig. 1 zeigt dieses Phänomen, dabei ist 0.1 der keramische Scherben, 0.2 die Glasurschicht und 0.3-0.5 zeigen Gasbläschen in ihrer unterschiedlichen Verteilung und Entwicklung während des Abkühlens. Das tiefliegende Bläschen 0.3 ist in die Glasur eingebettet und wird beim Abkühlen gleichmäßig mit nachfließender Glasur gefüllt. Bei dem oberflächennahen Bläschen 0.4 kommt es aufgrund der allmählichen Kontraktion zum Einziehen der dünnen Deckhaut, so daß mit zunehmender Abkühlung das Gasbläschen 0.4 die Gestalt, wie in 0.5 dargestellt, annimmt.

Vor diesem technologischen Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, das Brennverfahren in der Abkühlphase so zu gestalten, daß die Kontraktion der Gasbläschen verhindert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Es ist ein bekanntes Phänomen, daß glasierte keramische Erzeugnisse, die sich während des Brandes in einem abgeschlossenen Gefäß befinden, nach dem Brand nahezu vollständig frei von Nadelstichen sind. Das wurde bisher auf die spezielle Gasatmosphäre, die besonders während der Kühlung ih diesem Gefäß herrscht, zurückgeführt. Wie bereits ausgeführt, trifft das nicht zu, sondern der sich während der Abkühlung in den Gasbläschen ausbildende Unterdruck ist die Ursache für die Ausbildung von Nadelstichen an der Oberfläche glasierter keramischer Erzeugnisse. Auf dieser Erkenntnis beruht die Lösung der Erfindung. Erfindungswesentlich ist dabei, daß der Ofenraumdruck P_a, dem Abfall des Innendruckes in den Bläschen P_i analog folgen muß. P_i leitet sich aus der bekannten Gleichung von Avogadro ab:

P_i × V_Bläschen = R × T

Darin bedeuten R die Allgemeine Gaskonstante, T die jeweilige Temperatur und V_Bläschen das aktuelle Gasbläschenvolumen. Verringert sich T, sinkt zunächst proportional P_i, wodurch bei entsprechend geringer Zähigkeit der Glasurschmelze V_bläschen kleiner wird. Wenn nun P_a durch Evakuierung des Ofenraumes stets synchron mit P_i abfällt, kann also keine Gasbläschenkontraktion mehr stattfinden. Daraus leitet sich als Alghorithmus, der P_a regelt, ab:

P_a = P₁ × (T/T₁),

dabei bedeutet P₁ den Ofenraumdruck bei T₁, der meist annähernd gleich dem Barometerstand ist, T₁ die Brenntemperatur und T die während der Abkühlung gemessene aktuelle Temperatur. Die Evakuierung des Ofenraumes wird beendet und neutralisiert, wenn die Glasur soweit erstarrt ist, daß ein Nachfließen nicht mehr stattfinden kann. Das ist üblicherweise bei T ≈ 0,6 bis 0.7 T₁ der Fall. Nach der Erfindung ist es auch möglich, bereits gebrannte und nadelstichig ausgefallene Erzeugnisse nochmals zu brennen und anschließend erfindungsgemäß abzukühlen. Eine wesentliche Bedingung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß der Druck P_a, wobei der Auftrieb vernachlässigt werden kann, homogen im gesamten Ofenraum vorliegt. Folglich muß T ebenfalls jeweils ein homogenes Niveau besitzen. Das erfordert eine sehr langsame Abkühlung, die je nach Ofenkonstruktion auch eine Abheizung bedeuten kann. Eine Beschleunigung der Abkühlung kann erfindungsgemäß durch gezielte Eindüsung von Wassernebel erfolgen, wobei dieser durch die Verdampfungsenthalpie sowie die anschließende Enthalpieaufnahme des Dampfes das Brenngut kühlt. Der anfallende Dampf wird vor der Vakuumpumpe des Ofens durch einen externen Kondensator wieder ausgefällt, so daß die Vakuumpumpe durch das Kühlmittel in ihrer Leistung nicht nennenswert belastet wird.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 2 einen elektrisch beheizten Kammerofen

Fig. 3 einen elektrisch beheizten Kammerofen mit zusätzlicher Wassereindüsung

Ausführungsbeispiel 1

Ein elektrisch beheizter druckdichter Kammerofen 1, gemäß Fig. 2, wird in bekannter Weise mit glasiertem Porzellan 2 gefüllt und dieses bei einer Temperatur T₁ von ca. 1670 K (1400°C) gebrannt. Mit Erreichen der Brenntemperatur wird ein Druckausgleichventil 10 des Kammerofens 1 geschlossen und ein Ventil 11 geöffnet. Mit einer außerhalb des Ofenraumes angeordneten Vakuumpumpe 6 wird über einen Verbindungskanal 5 solange Gas aus dem Ofenraum abgezogen, bis der Ofenraumdruck den rechnerisch ermittelten Sollwert P_a erreicht hat. Die Kontrolle bzw. Messung erfolgt über einen Sensor 7, der den Druckistwert an einen Regler 8 meldet. Regler 8 wird gleichzeitig die während der Abkühlung aktuelle Temperatur T von einem Temperatursensor 9 übermittelt. Im Regler 8, in dem P₁ und T₁ hinterlegt sind, wird nun nach dem Algorithmus P_a = P₁ × (T/T₁) der, der jeweiligen aktuell gemessenen Temperatur T entsprechende, Sollwert für den Ofenraumdruck P_a errechnet und mit dem Druckistwert verglichen. Bei Erreichen einer Ofenraumtemperatur von ca. 1170 bis 1070 K (900 bis 800°C) ist die Glasur soweit erstarrt, daß ein Nachfließen der Glasur in die Bläschendellen, wie Gasbläschen 0.5 in Fig. 1 zeigt, nicht mehr stattfinden kann. Der Ofenraumdruck hat jetzt Werte von etwa 0,7 bis 0,65 bar erreicht. Nun werden Ventil 10 allmählich geöffnet und die Vakuumpumpe 6 abgeschaltet, um einen vorsichtigen Druckausgleich gegenüber dem Umgebungsdruck zu gewährleisten. Der Abkühlprozeß wird nun in gewohnter Weise bei Normaldruck fortgesetzt und es wird Porzellan mit einer nadelstichfreien Glasuroberfläche erhalten. Die nadelstichfreie Glasuroberfläche des Porzellans ist die Voraussetzung für eine hochwertige und feingliedrige Malerei und liefert außerdem eine Dekoration, die sich durch eine vorzügliche Brillanz auszeichnet.

Ausführungsbeispiel 2

Glasierte Porzellanerzeugnisse werden mit Schmelzfarben veredelt. Schmelzfarben, insbesondere in dicken Lagen, neigen beim Dekorbrand ihrerseits ebenfalls zur Nadelstichbildung. Das mit Schmelzfarben dekorierte glasierte Porzellan wird im elektrisch beheizten drucksicheren Kammerofen 1 bei einer Temperatur T₁ von etwa 1070 bis 1170 K (800 bis 900°C) gebrannt. Die Schmelzfarben werden in diesem Temperaturbereich aufgeschmolzen. Erfindungsgemäß wird unter Anwendung des Algorithmus P_a = P₁ × (T/T₁) und wie im Ausführungsbeispiel 1 bereits beschrieben abgekühlt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Wert für die bei der Abkühlung aktuell gemessene Temperatur T, bei der die Evakuierung des Ofenraumes abgebrochen werden kann, etwa 770 bis 870 K (500 bis 600°C). Der Temperaturbereich ergibt sich in Abhängigkeit vom Solidpunkt des Flußmittels der jeweiligen Farbe.

Ausführungsbeispiel 3

Im Ausführungsbeispiel 3 wird anhand von Fig. 3 die zusätzliche Wassereindüsung beim Abkühlen näher erläutert.

Dazu wird der Verbindungskanal 5 zunächst über einen Kondensator 13, mit der Frischwasserzu- 13.1 und -ableitung 13.2, geführt. Das im Kondensator 13 kondensierende Wasser 14 wird in einem Sammler 15 aufgefangen und mittels Einspritzpumpe 16 über ein Einspritzdüsensystem 17 in den Ofenraum eingedüst.

Für den Fall, daß der Wasserspiegel im Sammler 15 zu weit absinkt, wird über die Leitung 18 zusätzlich Wasser eingespeist. Die Einspritzpumpe 16 arbeitet vorzugsweise nach dem Dieseleinspritzpumpenprinzip. Das Einspritzdüsensystem 17 ist so angeordnet, daß eine während der Abkühlung gemessene homogene Temperatur T im Ofenraum gewährleistet wird. Als Regelgröße zur Steuerung des Temperaturverlaufes wird die einzublasende Wassermenge verwendet, die mit der Drehzahl der Einspritzpumpe 16 gesteuert wird. Dafür wird Einspritzpumpe 16 ein weiterer, nicht dargestellter, Regler zugeordnet. Die erforderliche Wassermenge für einen Ofenraum mit 100 kg Brenngut bei einer Abkühlung von 1670 K auf 1070 K beträgt etwa 30 kg Wasser. Bei einer Kühlgeschwindigkeit, die von der Brenngutgeometrie abhängig ist, von z. B. 200 K/h, beläuft sich der Wassermengenstrom auf ca. 10 kg/h. Das Kühlwasser 14 ist vorzugsweise entionisiert einzusetzen.

Claims

1. Brennverfahren für glasierte keramische Erzeugnisse in einem druckdichten Kammerofen dadurch gekennzeichnet, daß
der Ofenraumdruck bei der Abkühlung entsprechend dem Algorithmus P_a = P₁ × (T/T₁) geregelt wird, wobei T die während der Abkühlung gemessene aktuelle Temperatur, T₁ die Brenntemperatur, P_a den Sollwert für den Ofenraumdruck und P₁ den Ofenraumdruck bei der Brenntemperatur T₁ bedeuten, und wobei die Regelung mindestens bis zum Erreichen der Temperatur T ≈ 0,6 bis 0,7 T₁ erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühlens bis zum Erreichen von T ≈ 0,6 bis 0,7 T₁ über ein Einspritzpumpensystem (17) zusätzlich Wasser fein verteilt eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß glasierte, bereits fertig gebrannte nadelstichige keramische Erzeugnisse gebrannt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß glasierte und anschließend mit Schmelzfarben dekorierte keramische Erzeugnisse gebrannt werden.