thumb thumb|Stożki Segera po użyciu Stożki Segera – stożki pirometryczne stosowane do oceny przebiegu wypału materiałów ceramicznych w piecu, w zakresie temperatur od około 600 do ponad 1600 °C. Należą do grupy urządzeń pirometrycznych i nie mierzą temperatury bezpośrednio, lecz tzw. pracę cieplną (połączenie czasu i temperatury), podając ją w postaci temperatury równoważnej.
Stożki są wytwarzane w seriach o ściśle zdefiniowanym składzie i kształcie, tak aby przy standardowych warunkach nagrzewania wyginały się przy znanej temperaturze zgięcia stożka (bending temperature). Pomysłodawcą systemu stożków był niemiecki chemik i technolog ceramiki Hermann August Seger, który opisał je w latach 80. XIX wieku i wprowadził do praktyki w Królewskiej Manufakturze Porcelany w Berlinie. Stożki Segera są nadal produkowane przez kilka firm i w literaturze bywa się nimi określa wszystkie stożki pirometryczne, szczególnie w Europie.
Zasada działania Stożek pirometryczny ma postać smukłego, trójściennego ostrosłupa o podstawie trójkąta, uformowanego z jednorodnej mieszanki surowców ceramicznych – glin, topników i dodatków kontrolujących temperaturę mięknięcia. Mieszankę dobiera się tak, aby w ściśle określonych warunkach nagrzewania stożek zmiękł i ugiął się pod własnym ciężarem, aż czubek znajdzie się na poziomie podstawy. Moment ten uznaje się za osiągnięcie zadanego poziomu pracy cieplnej, odpowiadającej danej temperaturze równoważnej.
O ugięciu stożka decydują zarówno temperatura, jak i czas jej oddziaływania, a także atmosfera w piecu (utleniająca, redukująca). Dlatego stożki nie są klasycznymi termometrami, lecz wskaźnikami stanu dojrzałości wypalanego czerepu lub szkliwa.W praktyce przyjmuje się, że stożek jest „wypalony”, gdy jego czubek opada do poziomu podstawy pod kątem około 8° względem pionu.
Skład stożków Segera Pierwotne stożki Segera wykonywano z mieszaniny typowych surowców porcelanowych: kaolinu (gliny ogniotrwałej), skalenia potasowego lub sodowego, kwarcu (krzemionki) oraz węglanu wapnia, często w postaci mielonego marmuru. Do mieszaniny dodawano niewielkie ilości tlenku żelaza, pełniącego rolę topnika i markera barwnego. W ujęciu tlenkowym skład stożków można opisać jako wieloskładnikowy układ K₂O–CaO–Al₂O₃–SiO₂–Fe₂O₃, w którym przy nagrzewaniu powstaje eutektyczny stop krzemianowy o kontrolowanej lepkości.
Seger opublikował tabelę wzorcowych składów stożków numerowanych początkowo od 1 do 36 (później rozszerzoną do numeru 42), dobierając proporcje surowców tak, aby kolejne mieszanki miękły i wyginały się przy coraz wyższych temperaturach przy zadanym reżimie nagrzewania. Zmiana numeru stożka wiąże się przede wszystkim ze zmianą stosunku tlenku glinu do krzemionki – wraz ze wzrostem zawartości Al\₂O\₃ rośnie temperatura zgięcia stożka. W praktyce oznacza to, że stożki o niższych numerach zawierają relatywnie więcej frakcji topliwych (krzemionki i topników alkalicznych), natomiast stożki wysokotemperaturowe są bogatsze w tlenek glinu i mniej podatne na uplastycznienie w niższych temperaturach.
W celu rozszerzenia zakresu temperatur opracowano dodatkowe serie stożków o obniżonej temperaturze zgięcia, m.in. serie Cramera, Hechta i Simonisa. Do ich wytwarzania stosuje się mieszaniny podobnych surowców, lecz z dodatkiem szkła borokrzemianowego lub ołowiowego w postaci fryt szklanych, co umożliwia uzyskanie wiarygodnej deformacji w temperaturach niższych niż dla podstawowej serii Segera. Współczesne stożki pirometryczne produkowane przez różnych wytwórców zachowują tę ogólną koncepcję składu, przy czym receptury mogą zawierać także niewielkie ilości pigmentów ceramicznych, spoiw organicznych i innych dodatków technologicznych poprawiających wytrzymałość na sucho i stabilność wymiarową przed wypałem.
Budowa i serie stożków Stożki Segera wykonuje się w seriach, w których kolejne numery odpowiadają coraz wyższym temperaturom równoważnym. Standardowo odstęp między sąsiednimi numerami wynosi około 20 °C przy zdefiniowanym reżimie nagrzewania. Najbardziej znane serie to: stożki Segera (Niemcy), stożki Ortona (Stany Zjednoczone), stożki Staffordshire (Wielka Brytania).
W handlu dostępne są różne typy stożków: stożki duże (large cones) – tradycyjne stożki montowane na płytkach (plaques) i umieszczane we wnętrzu pieca jako tzw. stożki świadkujące (witness cones); stożki samonośne (self-supporting cones) – z poszerzoną podstawą i wyprofilowanym kątem nachylenia, które można stawiać bez dodatkowych podstawek, co zmniejsza błędy montażu; stożki małe (small cones) – przeznaczone głównie do urządzeń automatycznie wyłączających piec (kiln sitter); pręty stożkowe (pyrometric bars) – stosowane w niektórych wyłącznikach i przyrządach kontrolnych.
System numeracji i zakres temperatur Współczesne stożki Segera i Ortona obejmują zakres od numerów 022–013 (niższe temperatury) po stożki powyżej 14 (wysokotemperaturowe). Niższe numery poprzedzone zerem (np. 06, 04, 022) odpowiadają wypałom w niższych temperaturach, typowym dla ceramiki niskotemperaturowej i niektórych szkliw, natomiast stożki o numerach od 8 do 14 i wyższych stosuje się przy wypałach wysokotemperaturowych i w przemyśle ogniotrwałym.
Przykładowo, dla standardowego tempa nagrzewania rzędu 60 °C/h stożek 06 osiąga temperaturę równoważną około 999 °C, stożek 6 – około 1220 °C, a stożek 10 – około 1300 °C. Szczegółowe tabele przeliczeniowe dla stożków Segera i Ortona publikowane są przez producentów i instytuty badawcze.
Zastosowania Ceramika artystyczna i rzemiosło
W warsztatach garncarskich i pracowniach ceramicznych stożki Segera stosuje się jako proste, wizualne wskaźniki zakończenia wypału oraz do kontroli równomierności temperatury wewnątrz pieca. Typową praktyką jest ustawianie zestawu trzech stożków o kolejnych numerach: stożek guide cone – o jeden numer chłodniejszy od docelowego, stożek firing cone – odpowiadający zalecanej temperaturze wypału, stożek guard cone – o jeden numer gorętszy od docelowego.
Po wypale ocenia się stopień ugięcia każdego stożka; pozwala to ocenić, czy wypał osiągnął właściwą pracę cieplną oraz czy piec nie przegrzał lub nie dogrzał wsadu. Aby wykryć różnice temperatury w piecu, zestawy stożków umieszcza się na dolnej, środkowej i górnej półce, a następnie porównuje stopień ich zgięcia.
Nawet w piecach wyposażonych w sterowniki elektroniczne i termopary stożki Segera są traktowane jako niezależny „świadek” wypału i narzędzie weryfikacji poprawności pracy sterownika. Prosty odczyt wizualny stopnia zgięcia stożków ułatwia ceramikom bieżące dokumentowanie przebiegu kolejnych wypałów (np. w postaci fotografii zestawów stożków po wypale).
Przemysł ceramiczny W przemyśle ceramicznym stożki pirometryczne stosuje się zarówno w piecach okresowych, jak i w nowoczesnych piecach tunelowych, jako uzupełnienie pomiarów termoparowych. Stosowane są do: doboru i kontroli reżimów wypału porcelany, płytek i ceramiki sanitarnej, ustawiania cykli wypału szkliw bezołowiowych, okresowej kontroli równomierności nagrzewania w dużych piecach przemysłowych
W piecach laboratoryjnych niewielkie stożki stosuje się także jako elementy czujnikowe w urządzeniach automatycznie wyłączających piec (kiln sitter) – deformacja stożka powoduje zwolnienie mechanizmu i przerwanie zasilania grzałek.
Badania ogniotrwałości i PCE Specjalne stożki klasyfikacyjne wykorzystuje się do oznaczania tzw. równoważnika stożka pirometrycznego (Pyrometric Cone Equivalent, PCE), który jest miarą mięknięcia materiałów ogniotrwałych. Metody badania PCE opisują normy ASTM i ISO, m.in. ASTM C24 oraz ISO 1146.
W badaniu PCE badany materiał kształtuje się w postaci stożka i wypala razem z szeregiem stożków wzorcowych; numer tego stożka, który ugina się w podobnym stopniu co próbka, przyjmuje się jako równoważnik PCE badanego materiału. Wynik służy m.in. do klasyfikacji materiałów ogniotrwałych i kontroli jakości surowców.
Historia W 1782 roku Josiah Wedgwood opracował pierwszy skalowany przyrząd pirometryczny, oparty na skurczu prętów z gliny, co uznaje się za jedno z pierwszych praktycznych zastosowań pirometrii w ceramice. Nowoczesną postać stożków pirometrycznych opracował jednak dopiero Hermann Seger w latach 80. XIX wieku, publikując szczegółowe składy i procedury dla „stożków normalnych” przeznaczonych do kontroli temperatur w piecach przemysłu ceramicznego.
Stożki Segera zostały szybko przyjęte w europejskim przemyśle i ceramice artystycznej, a w literaturze fachowej z przełomu XIX i XX wieku podkreślano ich znaczenie jako pierwszego powtarzalnego, łatwego w użyciu standardu kontroli wypału. W 1896 roku w Columbus (Ohio) Edward J. Orton Jr. założył Standard Pyrometric Cone Company (obecnie Edward Orton Jr. Ceramic Foundation), która rozpoczęła masową produkcję stożków na rynek amerykański.
W Stanach Zjednoczonych stożki pirometryczne bywają potocznie nazywane „stożkami Ortona”, choć sam Orton podkreślał, że system ten powinien pozostać kojarzony z nazwiskiem Segera. Współcześnie stożki Segera i pokrewne systemy pozostają podstawowym narzędziem kontroli wypału w wielu dziedzinach ceramiki, mimo upowszechnienia się pomiarów elektronicznych i komputerowych sterowników pieców.
Stożki Segera a inne urządzenia pirometryczne Stożki pirometryczne stanowią jedną z kilku grup urządzeń służących do oceny pracy cieplnej w piecach: pierścienie pirometryczne (np. pierścienie Bullersa, PTCR) – oznacza się stopień ich skurczu po wypale; pręty i dyski pirometryczne – mierzy się ugięcie lub zmianę wymiarów po wypale; stożki – wykorzystują deformację smukłego ostrosłupa.
W odróżnieniu od termopar i innych czujników temperatury, które mierzą chwilową temperaturę w punkcie pomiarowym, urządzenia pirometryczne – w tym stożki Segera – integrują w swoim zachowaniu zarówno temperaturę, jak i czas jej działania, a także warunki atmosferyczne w piecu, przez co są uważane za bardziej reprezentatywne dla „odczuwanej” przez materiał pracy cieplne.
Zobacz też Termopara
Przypisy
Bibliografia . . . . . .
Linki zewnętrzne Temperature Conversion Chart for Pyrometric Cones – tabela przeliczeniowa dla stożków (Nimra Cerglass Technics). Temperature Equivalents and Description of Orton Cones up to Cone 14 – tabela stożków Ortona (archiwum Orton Ceramic Foundation). Temperature equivalents table of Seger pyrometric cones – tabele temperatur stożków Segera (Börkey Keratech, archiwum). Pyrometric Cones – strona informacyjna Edward Orton Jr. Ceramic Foundation.
Kategoria:Przyrządy pomiarowe