Cone đo nhiệt (Pyrometric Cone) trong gốm sứ

1. Định nghĩa cone trong kỹ thuật gốm sứ

Cone đo nhiệt (thường gọi tắt là cone trong gốm sứ) là những thỏi nhỏ bằng gốm chế tạo hình nón thuôn, được thiết kế để nóng chảy và cong đi khi đạt đến một mức nhiệt lượng tích lũy nhất định trong lò nung. Mỗi cone được làm từ phối liệu khoáng chất xác định sao cho nó mềm dần và uốn cong trong một khoảng nhiệt độ hẹp tương ứng với một “số cone” nhất định. Khi lò nung đạt đến nhiệt độ và thời gian đủ để cung cấp lượng nhiệt tích lũy tương ứng, cone sẽ cong hoặc chảy gục – đây là tín hiệu cho biết sản phẩm gốm đã nhận đủ nhiệt. Nói cách khác, cone đo nhiệt không đơn thuần đo nhiệt độ tức thời, mà đo “heat-work” (nhiệt tác động) – tức tích lũy của nhiệt độ theo thời gian nung.

Cone đo nhiệt được phát minh từ cuối thế kỷ 19 bởi Hermann Seger (thường gọi là cone Seger), và sau đó được Edward Orton, Jr. phát triển thành hệ thống cone tiêu chuẩn dùng phổ biến đến ngày nay (gọi là cone Orton). Hiện nay, Edward Orton Jr. Ceramic Foundation (Mỹ) là nhà sản xuất cone lớn nhất; do đó trong ngành gốm sứ, cụm từ “cone Orton” thường đồng nghĩa với cone đo nhiệt. Mỗi cone Orton có một số hiệu (số cone) nhất định, ví dụ như cone 06, cone 6, cone 10…; số hiệu này liên quan đến nhiệt độ/nhiệt lượng mà cone sẽ biến dạng (các số có “0” đứng trước như 06, 04 đại diện cho nhiệt độ thấp hơn nhiều so với số nguyên 6, 4 tương ứng). Cone đo nhiệt truyền thống có dạng hình tháp tam giác thuôn nhọn, cao khoảng 5–6 cm, phải đặt nghiêng một góc ~8° khi nung. Ngày nay còn có loại cone tự chống (self-supporting cones) với đế vát sẵn, có thể tự đứng thẳng ở góc chuẩn mà không cần đế đỡ.

2. Công dụng và vai trò của cone khi nung gốm

Cone đo nhiệt là công cụ quan trọng để theo dõi và kiểm soát quá trình nung gốm sứ. Chúng đã được sử dụng hơn 100 năm qua để xác định: khi nào chu trình nung hoàn tất, liệu lò đã cung cấp đủ nhiệt lượng chưa, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí trong lò hay có trục trặc gì trong quá trình nung hay không. Trước khi có thiết bị điều khiển tự động, thợ gốm thường quan sát cone qua lỗ nhìn lò để biết khi nào côn mục tiêu cong đến mức cần thiết thì ngừng nung. Nhiều lò nung truyền thống còn tích hợp công tắc ngắt lò bằng cone (kiln sitter): khi côn chịu đủ nhiệt và mềm ra sẽ làm sập cần gạt, tự động ngắt điện lò. Ngày nay, dù hầu hết lò điện đã có bộ điều khiển nhiệt kỹ thuật số, cone vẫn được dùng như “nhân chứng” độc lập để kiểm tra chéo kết quả nung. Cone sẽ cho thấy thực tế sản phẩm nhận được bao nhiêu nhiệt (heat-work) – điều mà đồng hồ nhiệt chỉ đo được nhiệt độ tức thời không thể hiện đầy đủ. Nhờ đó, người nung có thể biết được sai lệch nếu lò nung chạy sai chương trình, phát hiện “điểm lạnh” trong lò (ví dụ cone trên các tầng cho thấy tầng nào chưa đạt nhiệt độ yêu cầu do mai so yếu) và hiệu chỉnh lại đồng hồ, bộ điều khiển hoặc cách xếp lò cho những lần sau. Tóm lại, vai trò chính của cone là đảm bảo sản phẩm gốm sứ được nung đủ nhiệt lượng cần thiết một cách chính xác và đồng đều.

Bên cạnh đó, việc lựa chọn số cone thích hợp cũng gắn liền với các dòng sản phẩm gốm sứ và men nhất định. Thông thường:

• Cone rất thấp (022 ÷ 011): dùng trong các lần nung men trang trí trên bề mặt sản phẩm đã nung chín (overglaze, hoa văn lustre, men màu trên đồ sứ), hoặc nung thủy tinh, tráng men pha lê do nhiệt độ thấp ~560–850 °C.

• Cone thấp (010 ÷ 03): dùng nung gốm mỹ thuật, gạch ngói đất sét nung, hoặc nung men màu, men lót, gốm đất đỏ nung (terra cotta). Trong dải này Orton có hai loại cone: loại thường (có chứa oxit sắt, màu nâu đỏ) và loại không chứa sắt (iron-free, màu nhạt) để dùng cho lò gas khử. Nhiệt độ tương đương khoảng 890–1170 °C.

• Cone trung bình (04 ÷ 7): đây là dải nhiệt độ nung bi (bisque) và nung gốm sành phổ biến. Chẳng hạn, gốm đất nung (earthenware) thường nung chín ở khoảng cone 04–06 (~1040–1060 °C); nhiều dòng gốm sành (stoneware) và sứ xương hiện đại nung ở cone 6 (~1220 °C) để tiết kiệm năng lượng thay vì cone 10.

• Cone cao (8 ÷ 12): dùng cho nung gốm sứ cao nhiệt truyền thống, sứ vệ sinh, gốm kỹ thuật và các sản phẩm chịu lửa. Ví dụ đồ sứ và gốm đá (stoneware) thường nung ở cone 9–10 (khoảng 1280–1300 °C). Dải này thường yêu cầu lò gas hoặc lò củi, với môi trường nung có thể khử (reduction) để đạt màu men đặc trưng.

• Cone rất cao (13 ÷ 42): chủ yếu dùng trong sản xuất công nghiệp đặc biệt, thí nghiệm vật liệu chịu lửa… (Cone 14 ~ 2530 °F ≈ 1390 °C, và cao nhất cone 42 ~ 3659 °F ≈ 2015 °C). Trong làm gốm nghệ thuật, hiếm khi nung quá cone 14 do giới hạn vật liệu lò và sản phẩm.

3. Phân loại các loại cone phổ biến

Hệ thống cone Orton hiện nay có các loại hình dạng/kích cỡ chính sau

• Cone lớn (Large Cone): cỡ ~5–6 cm, dùng làm cone quan sát đặt trong lò cạnh sản phẩm. Loại này cần gắn vào đế cone bằng sứ hoặc cắm vào một cục đất sét (gọi là cone pack) để giữ côn đứng nghiêng đúng góc.

• Cone tự chống (Large Self-Supporting Cone): thực chất là cone lớn được cải tiến đế vát sẵn, có thể tự đứng trên mặt phẳng ở góc 8° nên cho kết quả rất ổn định và dễ đọc. Đây là loại được khuyến nghị dùng để đo nhiệt trong lò hiện đại.

• Cone nhỏ (Small Cone): cỡ ~3 cm, thường dùng trong công tắc ngắt lò tự động (kiln-sitter) của các lò điện thủ công. Cone nhỏ được đặt nằm ngang trong cần gạt; khi đủ nhiệt côn sẽ mềm và bị cần gạt đè cong xuống làm ngắt mạch lò. Loại cone này cũng có thể dùng làm cone quan sát trong lò nhỏ hẹp, nhưng kết quả không chính xác bằng cone lớn.

• Thanh cone (Pyrometric Bar): dạng thanh dài ~5 cm, tiết diện tam giác, chuyên dùng cho công tắc ngắt lò kiểu thanh (như trong một số lò công nghiệp). Thanh cone ít được dùng trong gốm sứ thủ công và thường không bán lẻ.

Ngoài phân loại theo kích cỡ trên, cone Orton còn được phân biệt theo thành phần: nhóm cone thường (có chứa oxit sắt – nhìn màu nâu đỏ) và nhóm cone không chứa sắt (iron-free – màu trắng/xám). Hai nhóm này có nhiệt biến dạng tương đương nhau trong môi trường oxi hóa, nhưng trong môi trường nung khử (reduction) thì cone chứa sắt có xu hướng cong sớm hơn do tính khử làm hạ nhiệt độ chảy của các hợp chất sắt. Vì vậy Orton khuyến cáo dùng cone iron-free cho các lò gas, lò củi nung khử trong dải cone 010 đến trên cone 4, nhiệt độ cao đến mức ảnh hưởng của sự khử lên cone không lớn nên không cần loại đặc biệt).

Bảng mã cone và nhiệt độ tương ứng: Hệ thống Orton đánh số cone từ 022 (thấp nhất) tăng dần đến 01, sau đó là 1 trở lên đến ít nhất 14 trong gốm sứ (và cao hơn cho ứng dụng đặc biệt).

Lưu ý quy ước: các số côn có “0” đứng trước được hiểu như số âm – tức cone 022 < 021 < … < 01 < 1 < 2… (022 thấp hơn 021, 01 thấp hơn 1). Bảng sau liệt kê nhiệt độ xấp xỉ mà cone sẽ cong gục (điểm kết thúc 90°) trong điều kiện nung chuẩn của Orton (tốc độ tăng nhiệt chậm ~60 °C/giờ ở 100 °C cuối của chu trình)

Chú ý: Nhiệt độ thực tế cone biến dạng phụ thuộc vào tốc độ nung và điều kiện lò. Bảng trên lấy theo tốc độ nung chậm (lò điện phòng thí nghiệm); nếu nung nhanh hơn, cone sẽ cần nhiệt độ cao hơn mới cong tới cùng một mức. Ngược lại, nung chậm hơn (hoặc có thời gian ngâm nhiệt) thì cone có thể cong đủ ngay ở nhiệt độ thấp hơn một chút. Ví dụ, cùng là cone 6 nhưng nếu nung nhanh (270 °F/giờ), phải đạt ~2269 °F (1243 °C) cone mới cong, còn nung chậm 108 °F/giờ chỉ cần ~2232 °F (1222 °C). Do đó, số cone cho biết “độ chín” của sản phẩm đáng tin cậy hơn con số nhiệt độ tuyệt đối – nhất là khi so sánh giữa các lò nung hay chu trình nung khác nhau.

5. Cách sử dụng cone trong lò nung thực tế

Hình ảnh một “cone pack” sau khi nung: conesố 5 (trái) đã chảy gục hoàn toàn, cone số 6 (giữa, côn mục tiêu) cong đầu gần chạm đế, còn cone số 7 (phải, côn cao hơn) chỉ mới bắt đầu cong nhẹ. Kết quả này cho thấy lò đã nung đạt đến cone 6 như mong muốn.

Bố trí cone trong lò: Để giám sát quá trình nung, các cone thường được đặt theo bộ ba trên mỗi tầng lò hoặc gần khe nhìn lò (peep-hole) – gồm một cone dẫn (thấp hơn nhiệt độ mục tiêu ~2 bậc), một cone mục tiêu (đúng nhiệt độ cần đạt) và một cone canh (cao hơn mục tiêu ~2 bậc). Chẳng hạn, nếu cần nung lên cone 6, người thợ sẽ chuẩn bị một cục đất nhỏ và cắm lần lượt các cone 5-6-7 thành một hàng thẳng, sao cho chúng nghiêng cùng chiều và sẽ cong về cùng một hướng (tránh cone này nhỏ giọt lên cone kia). Cục đất này được đặt cạnh sản phẩm trên mâm lò (không quá sát vách lò để dễ quan sát). Đối với cone tự chống, có thể đứng chúng trực tiếp trên mặt phẳng mâm lò; vẫn nên dùng đủ bộ ba cone dẫn/mục tiêu/canh tương tự để quan sát chính xác hơn. Trong suốt quá trình nung, nếu lò có lỗ nhìn, thợ nung sẽ đeo kính bảo hộ và quan sát định kỳ độ cong của cone qua lỗ này. Khi côn mục tiêu bắt đầu cong nhiều (gần chạm đế), thường người ta sẽ ngừng tăng nhiệt và/hoặc ngắt lò tùy theo yêu cầu kỹ thuật.

Cách “đọc” kết quả cone : Sau khi lò nguội và mở ra, nhìn vào độ cong của các cone có thể đánh giá mẻ nung:

• Nếu cone mục tiêu đã cong đến mức đầu chạm vào đế (tương đương góc 90° so với ban đầu) thì coi như đã nung đạt nhiệt độ cone đó. Đây là độ cong tiêu chuẩn để các bảng nhiệt độ tương đương được hiệu chỉnh. Một chút sai khác: nếu cone chỉ mới cong được ~45–60° thì có thể coi là chưa đạt nhiệt hoàn toàn (khoảng dưới 1 bậc côn); ngược lại nếu cone đã cong bẹp sát mặt kệ (gần 180°) nghĩa là đã quá nhiệt hơn yêu cầu (thừa nhiệt khoảng hơn 1 bậc cone).

• Nếu cone dẫn (thấp hơn) cũng đã chảy gục hoàn toàn, trong khi cone mục tiêu chỉ vừa đủ cong 90° và cone cao hơn vẫn thẳng: chứng tỏ nung vừa đủ đạt yêu cầu (hình ảnh minh họa ở trên). Đây là kết quả lý tưởng.

• Nếu cả cone mục tiêu và cone canh (cao hơn) đều gục xuống sát đế: điều này báo hiệu lò đã nung quá lố so với mong muốn (vượt quá “tải nhiệt” lý tưởng mà nhà sản xuất men/chất liệu yêu cầu). Cần điều chỉnh giảm nhiệt độ hoặc thời gian giữ nhiệt ở lần nung sau.

• Ngược lại, nếu cone mục tiêu còn đứng khá thẳng (chỉ hơi cong nhẹ) hoặc cone dẫn chưa cong hết: mẻ nung đã bị non nhiệt (chưa đạt đến độ chín vật liệu cần thiết). Khi đó sản phẩm có thể chưa chín hoàn toàn (men chưa chảy đủ, màu men thiếu sáng hoặc đất còn xốp yếu). Cần tăng thời gian/ngưỡng nhiệt ở lần nung kế tiếp để bù lại.

Khi dùng lò điện có bộ điều khiển tự động, người vận hành vẫn nên đặt các cone “nhân chứng” trên mỗi tầng hoặc ít nhất tầng trên cùng và dưới cùng của lò. Sau mỗi mẻ nung, kiểm tra bộ cone: nếu cone mục tiêu trên mọi tầng đều cong chuẩn, chứng tỏ lò nung phân bố nhiệt đều và chương trình nung chính xác. Nếu có sự chênh lệch (ví dụ cone tầng trên cong nhiều hơn tầng dưới), ta biết lò có khuynh hướng nóng hơn ở trên – và có thể xếp hàng hóa cần nhiệt cao lên trên. Trường hợp cone toàn bộ đều cho thấy thừa hoặc thiếu nhiệt so với chương trình, ta cần hiệu chỉnh lại bộ điều khiển (hiệu chuẩn cặp nhiệt điện, bù trừ sai số bằng cách đặt lại nhiệt độ ngắt lò theo quan sát cone. Nhờ vậy, việc kết hợp dùng côn trong lò hiện đại sẽ đảm bảo chất lượng nung ổn định và tránh các sai hỏng do lò chạy sai lệch kéo dài.

6. Lưu ý kỹ thuật và các sai lầm thường gặp khi dùng cone

• Không nhầm lẫn số hiệu cone: Như đã nói, cần phân biệt rõ các số cone có tiền tố “0”. Ví dụ, cone 06 hoàn toàn khác với cone 6 (cone 06 ~ 998 °C trong khi cone 6 ~ 1222 °C) – sai lầm nhầm lẫn 0 rất thường gặp ở người mới học nung. Luôn ghi đầy đủ “0” khi ghi chữ số cone để tránh hiểu lầm tai hại.

• Đặt cone đúng hướng và độ nghiêng: Nếu dùng cone thường (loại lớn, không tự chống), phải đặt cone nghiêng ~8° về phía đối diện vị trí người quan sát (hoặc đối diện hướng thanh gạt trong lò có kiln-sitter). Điều này giúp cone cong xuống theo hướng nhìn thấy được, đồng thời tránh sập vào sản phẩm hoặc vào thanh gạt. cone phải được cố định chắc trên đế cone hoặc cục đất sét đã nung sơ. Nếu đặt không đúng góc (quá đứng hoặc nghiêng quá), cone sẽ cong sai cách hoặc đổ ngã trước khi đạt nhiệt độ chuẩn.

• Chọn đúng loại cone cho mục đích sử dụng: Không nên lấy cone sai cỡ để dùng thay thế nhau. Ví dụ: có người bẻ đầu cone lớn để bỏ vào công tắc lò thay cho cone nhỏ, hoặc dùng cone nhỏ làm cone quan sát đặt trên kệ thay cho cone lớn – những cách làm này đều không được khuyến nghị. Cone lớn và cone nhỏ được chế tạo với mục đích khác nhau (cone nhỏ có kích thước và thành phần cho phản ứng nhanh trong kiln-sitter, nhưng nếu đứng tự do thì “biên độ” nhiệt rất rộng, kém chính xác hơn cone lớn). Vì vậy hãy dùng đúng loại: côn lớn (hoặc tự chống) để đo nhiệt trong lò, côn nhỏ/thanh côn chỉ để dùng cho cơ cấu ngắt lò chuyên dụng.

• Tránh nung cone quá nhanh: Nếu chu trình nung quá nhanh (đốt lò quá mạnh ở cuối chặng), cone có thể chưa kịp truyền nhiệt đều và sẽ biến dạng bất thường. Orton lưu ý rằng nung quá tốc độ có thể làm bề mặt cone cháy sém, trương phồng do chất liên kết trong cone thoát khí, khiến cone không cong gập đúng cách. Do đó với các chu trình nung rút ngắn/thăng hoa (fast fire), nên làm phép nung “calcine” sơ cone lên ~455 °C trước (nung không tải hoặc trong một mẻ trước đó) rồi mới dùng những cone đã calcine này cho lần nung chính. Cách này giúp cone ổn định và cho kết quả chính xác ngay cả khi nung nhanh.

• Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt (soak): Khi lò ngắt đạt nhiệt độ mục tiêu nhưng vẫn còn giữ nhiệt (ngâm ở nhiệt độ đó), cone sẽ tiếp tục mềm dần và cong thêm. Thực nghiệm cho thấy ngâm ~1–2 giờ có thể làm cong cone cao hơn kế tiếp (tức tương đương tăng 1 bậc cone), còn nếu ngâm lâu 4–6 giờ thì thậm chí cone cao hơn 2 bậc cũng sẽ cong. Do đó, cần lưu ý điều này khi đặt chương trình nung có giữ nhiệt cuối: nếu ngâm quá lâu, sản phẩm sẽ nhận nhiều heat-work hơn dự kiến (nguy cơ bị cháy quá lửa, chảy men quá mức). Ngâm chỉ nên vừa đủ theo khuyến cáo của xương gốm/men (thường 15–30 phút để đồng nhất nhiệt, giải phóng khí hoàn toàn). Nếu phải ngâm lâu, nên giảm bớt nhiệt độ đỉnh tương ứng (hoặc chọn cone mục tiêu thấp hơn một bậc) để tránh quá nhiệt.

• Bảo quản cone và sử dụng an toàn: cone đo nhiệt phải được bảo quản nơi khô ráo; nếu bị ẩm, nên sấy nhẹ trước khi dùng để khỏi nứt vỡ khi nung. Khi xếp cone, tránh để cone tiếp xúc trực tiếp men chảy hoặc lửa khò mạnh. Sau khi nung, cone đã biến dạng không tái sử dụng được. Việc thu gom cone đã nung nên cẩn thận (đeo kính, găng) vì cone có thể giòn và mảnh vụn sắc nhọn. Luôn đeo kính bảo hộ khi nhìn cone trong lò đang đỏ để tránh tổn thương mắt bởi bức xạ nhiệt.

Nhìn chung, việc sử dụng cone đo nhiệt đúng cách giúp người làm gốm kiểm soát chặt chẽ chất lượng nung. cone cung cấp thông tin trực quan, tin cậy về hiệu quả nhiệt đạt được trong lò, từ đó đảm bảo sản phẩm gốm sứ được nung chín đồng đều, đúng nhiệt độ yêu cầu – hạn chế tối đa các sai hỏng như non lửa, già lửa mà chỉ nhìn vào đồng hồ nhiệt độ lò khó phát hiện.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, các lò nung điện hiện đại đều được thiết kế bộ điều khiển kỹ thuật số. Người thợ chỉ cần nhập chương trình nung theo số cone (hoặc theo °C/°F), lò sẽ tự động điều chỉnh tốc độ tăng nhiệt, giữ nhiệt, hạ nhiệt để đạt mức “heat-work” tương đương cone đó.

Các lò nung hiện đại này đều được thiết kế bao gồm

• Bộ điều khiển có các chương trình sẵn theo cone (ConeFire Mode: ví dụ chọn “Cone 04 – Bisque” hoặc “Cone 6 – Glaze”).

• Khi bạn chọn cone, lò sẽ nung theo đường cong nhiệt đã được chuẩn hóa để đảm bảo sản phẩm đạt độ chín chính xác theo cone đó.

• Nhiệt độ trong lò được kiểm soát bằng cảm biến (cặp nhiệt điện) và phần mềm, nên độ ổn định cao và bền bỉ, ít khi phải canh thủ công bằng cone.

Thế Giới Gốm nhận order các sản phẩm lò nung của các hãng hàng đầu trên thế giới như Skutt, L&L Kiln, Baitaohui… về Việt Nam. Bạn tham khảo tại link này nhé: https://thegioigom.com/danh-muc-san-pham/thiet-bi-lam-gom/lo-nung-gom/