Gốm sứ với vấn đề tiết kiệm năng lượng

Công nghệ gốm sứ

Sắp sửa bước vào WTO các doanh nghiệp gốm sứ cũng phải chuẩn bị cho mình cuộc cạnh tranh gay gắt trên thị trường trong nước và thế giới. Một vấn đề rất cơ bản là làm sao hạ được giá thành sản phẩm, nâng cao được chất lượng cũng như mẫu mã mà vẫn giữ được bản sắc Việt Nam. Đây là vấn đề hết sức khó khăn nhưng cũng có nhiều thuận lợi mà các doanh nghiệp đang phải nhìn nhận. Tuy nhiên với truyền thống vượt qua nhiều thử thách mà các doanh nghiệp đã trải qua chắc chắn rằng nghề gốm sứ Việt Nam không những chỉ đứng vững mà còn phát triển hơn nữa.

Để có thể hiểu biết hơn chúng ta hãy tìm hiểu sơ bộ công nghệ gốm sứ và từ đó rút ra được những biện pháp cần thiết nhằm hạ giá thành sản phẩm.

Phân biệt gốm và sứ

Gốm và sứ thường đi đôi với nhau vì công nghệ cơ bản giống nhau. Mặt khác chúng đều có phần lõi ở trong gọi là xương và được phủ lớp men bên ngoài. So với xương gốm, xương của sứ thường trắng hơn, đặc hơn, cường độ cơ học cao hơn và một số tính chất khác cũng cao hơn. Chính vì vậy sản phẩm sứ bền vững hơn so với gốm, khi gõ vào sứ sẽ cho tiếng thanh hơn. Vì vậy sứ thường được nung ở nhiệt độ cao hơn và thường ở khoảng 1250 – 13000°C, trong khi đó nhiệt độ nung của gốm thường dưới 12000°C và chỉ nằm trong khoảng 1150 –11800°C. Khu vực Miền bắc mà điển hình là vùng Bát Tràng sản xuất chủ yếu là sứ với nhiệt độ nung cao còn Miền nam chủ yếu là gốm với nhiệt độ nung thấp hơn.

Quy trình công nghệ

Nguyên liệu ban để sản xuất gốm và sứ là cao lanh, đất sét trắng, trường thạch ( cung cấp Na2O hay K2O), đá chứa thạch anh SiO2 và một số phụ gia khác. Tất cả được phối liệu theo một tỷ lệ nhất định tuỳ theo thành phần của nguyên liệu và yêu cầu của sản phẩm. Phối liệu này pha thêm nước và được nghiền mịn như sữa trong các máy nghiền bi sứ cứng. Như vậy ta có một phối liệu đồng nhất các thành phần nguyên liệu dưới dạng huyền phù hay thường gọi là hồ. Tiếp theo huyền phù được ép lọc qua túi vải để loại trừ nước và phối liệu còn lại là khối dẻo nhưng chưa đồng nhất hẳn. Phối liệu lại được trộn và ép qua máy đùn thành thỏi, cắt thành đoạn rồi đem ủ một thời gian dài. Cuối cùng phối liệu này được trộn đều, loại bỏ bọt không khí qua máy ép đùn chân không sau đó được tạo hình dẻo trong khuôn thạch cao.

Một số sản phẩm lớn có hình thù phức tạp người ta áp dụng phương pháp tạo hình đổ rót huyền phù trong khuôn thạch cao. Thạch cao hút mạnh nước trên bề mặt trong khoảng thời gian nhất định thì đổ hồ thừa ra ngoài. Sau một thời gian phối liệu khô dần và bong ra khỏi khuôn như phương pháp tạo hình dẻo. Lúc này có thể tháo khuôn, lấy sản phẩm mộc rồi sửa hình sau đó đem cả sản phẩm mộc và khuôn vào lò sấy khô.

Ra khỏi lò sấy mộc còn có nhiều khuyết tật nên phải chỉnh sửa lần nữa rồi tráng men. Có rất nhiều loại men nhưng nói chung chúng thuộc 3 loại đó là men trong, men đục và men mầu. Yêu cầu chung của men là chúng phải bám chặt vào xương, có hệ số giãn nở nhiệt phải tương đồng với xương để không bị bong rộp hay nứt men. Vì vậy nhà sản xuất phải tính toán sao cho men phải có thành phần thích ứng.

Sản phẩm cuối cùng sẽ được nung đến nhiệt độ chảy láng men và nhiệt độ này tuỳ theo từng loại sản phẩm như đã trình bày ở trên. Sau khi nung ta sẽ được sản phẩm trắng hay mầu nếu dùng men mầu.

Nếu cần trang trí trên men thì vẽ hoặc dán đề can đã có sẵn hình và nung lần nữa ở nhiệt độ khoảng 800 – 8500C. Trường hợp này ta có mầu trên men với hình trang trí đa dạng rất đẹp. Tuy nhiên ngày nay sản phẩm dân dụng ăn uống ít sử dụng loại sản phẩm này do trong nhiều chất mầu trang trí có chứa độc tố.

Nếu trang trí dưới men thì mộc đã sấy khô sẽ được vẽ bằng tay sau đó mới tráng men. Mầu sắc dưới men trên các hoa văn đa số là xanh lá cây với tông mầu khác nhau trên cơ sở Cr2O3 hoặc xanh lam của oxit cô ban. Các mầu sắc khác tương đối ít hơn và phải chịu được nhiệt độ cao mà không biến mầu cũng như không nhoè nét vẽ.

Men mầu rất đa dạng và sản phẩm có thể được trang trí bằng nhiều loại men mầu khác nhau để tạo nên những sản phẩm độc đáo riêng. Mỗi doanh nghiệp đều có những bí quyết riêng về mầu sắc của mình trên các hoa văn và làm phong phú thêm sản phẩm gốm sứ.

Lò nung và vấn đề tiết kiệm nhiệt

Từ quy trình công nghệ trên ta thấy rõ là công nghệ gốm sứ cần phải sấy và nung nghĩa là cần tiêu tốn nhiệt hay nhiên liệu để thực hiện quy trình trên. Trong số các lò nung được sử dụng thì lò nung tuy nen là loại lò tiết kiệm năng lượng nhất, năng suất cao nhất, tự động hoá cao nhất. Tuy nhiên lò này chỉ được sử dụng khi sản lượng lớn, chủng loại gốm sứ gần giống nhau, môi trường nung cũng như nhau. Chính vì vậy mà lò nung tuy nen chỉ thích hợp cho các doanh nghiệp lớn với sản lượng tương đối lớn. Nước ta có một số lò nung tuy nen nung gốm sứ đang hoạt động như công ty sứ Hải Dương, Cường Phát Bình Dương, công ty sứ vệ sinh Thanh Trì Hà Nội, Thiên Thanh TP HCM v.v..

Đa số các doanh nghiệp gốm sứ ở nước ta thuộc loại vừa và nhỏ sản xuất sản phẩm rất đa dạng nên chủ yếu là sử dụng lò nung gián đoạn dưới tên gọi thông dụng là lò ga nung gốm. Trên thế giới loại lò này gọi là lò con thoi (Shutle Kiln) đốt bằng nhiên liệu khí hay lỏng. Hiện nay chúng ta có khoảng 500 lò con thoi lớn bé đốt bằng ga hoá lỏng LPG (Liquified Petroleum Gas) trong các doanh nghiệp gốm sứ.

Qua hình này ta thấy rõ xe lò (wagon) chứa sản phẩm nung được đẩy vào trong lò, tại đó lửa từ vòi đốt đi lên sau đó quay xuống và thoát qua các khe dẫn lửa vào kênh khói chính để đi đến ống khói. Kiểu lò này được dùng phổ biến nhất tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ với dung tích dao động từ một vài m3 đến vài chục m3. Tuy nhiên phổ biến hơn cả là loại lò có dung tích 10-24m3 vì nó đem lại nhiều lợi ích hơn về mặt kinh tế và kỹ thuật.

Trong lò sản phẩm sẽ được nâng nhiệt dần dần lên đến nhiệt độ nung cho phép, men sẽ chảy bóng láng trên bề mặt gốm sứ. Sau đó sản phẩm dược làm nguội tự nhiên trong lò đến khoảng 100-2000C thì mở cửa, kéo xe lò ra ngoài và đẩy ngay xe lò khác đã xếp mộc vào lò nhằm tận dụng nhiệt để sản phẩm được khô hơn. Sản phẩm sứ thông thường nung đến nhiệt độ 1250-13000C trong môi trường khử (có nhiều khí CO) từ trên 10000C. Đối với gốm nhiệt độ nung thường dưới 12000C với môi trường oxi hoá ( có dư O2) nên nung dễ dàng hơn. Tuy nhiên nếu kết cấu cũng như điều khiển không tốt trong lò có thể nơi này có môi trường khử nới khác có môi trường oxi hoá. Do đó mầu sắc của men sẽ bị ảnh hưởng, biến mầu và không đồng nhất, điều đó dẫn đến giảm chất lượng hàng hoá và giảm thu nhập. Chính vì vậy vấn đề đồng nhất về môi trường hay nhiệt độ trong lò đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với lò nung gốm sứ và đây cũng là vấn đề nan giải đối với những nhà xây dựng lò. Mặt khác nếu nhiệt độ trong lò không đồng nhất thì phải kéo dài thời gian nung và điều đó dẫn đến tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn nghĩa là giá thành tăng lên, tỷ lệ tiêu tốn nhiên liệu trong giá thành cũng tăng lên.

Biện pháp giảm tiêu tốn nhiên liệu

Chính vì những nguyên nhân trên mà cần có biện pháp giảm tiêu tốn nhiên liệu trong các lò nung con thoi hay lò ga nung gốm hiện nay. Trong phạm vi này có thể tham khảo những biện pháp được trình bày dưới đây.

1. Sử dụng bông gốm để lót lò.

Một số lò sử dụng gạch chịu lửa đặc hoặc nhẹ để xây lò nên khối lượng vỏ lò tăng cao mặc dù giá thành có rẻ hơn một chút. Một số lò dùng gạch nhẹ nhưng bên trong có lót một lớp bông gốm mỏng. Cả hai kiểu trên đều tăng tiêu tốn nhiên liệu do phải nung nóng tường lò và đương nhiên phải kéo dài thời gian nâng nhiệt nghĩa là lại phải tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn. Hãy so sánh lò dùng bông gốm ép chặt có chiều dầy 0,25 m, khối lượng bông gốm tối đa 0,2 tấn/m3 trong khi dùng gạch nhẹ có khối lượng 0,8-1,0 tấn/ m3 và chiều dầy 0,35 m hoặc hơn. Rõ ràng là khối lượng gạch sẽ cao hơn nhiều so với bông gốm. Khi nung phải tiêu tốn nhiệt để nâng nhiệt độ vỏ lò cũng như kéo dài thời gian đốt nhiên liệu và khi làm nguội nhiệt tích luỹ bởi vỏ lò không được sử dụng. Kinh nghiệm của các lò sử dụng bông gốm đã cho thấy tốc độ nâng nhiệt trong lò tương đối nhanh và tiết kiệm được rất nhiều nhiên liệu.

2. Sử dụng vòi đốt tốt và phù hợp

Vòi đốt đóng vai trò rất quan trọng nhằm trộn đồng đều nhiên liệu với không khí trước khi cháy. Hiện nay chúng ta đang sử dụng các vòi đốt khác nhau tại nhiều doanh nghiệp khác nhau. Tuy nhiên cần phải cẩn thận vì không phải vòi đốt cho lò này có thể sử dụng cho bất kỳ lò nào vì mỗi lò có những yêu cầu khác nhau nên kết cấu của vòi đốt phải phù hợp. Vì vậy cần lựa chọn vòi đốt cho đúng với đặc điểm kỹ thuật lò của doanh nghiệp. Nếu chất lượng vòi đốt tốt có thể nâng nhiệt nhanh, cháy hoàn toàn, cho ngọn lửa cao hay thấp phù hợp với kết cấu của lò. Trong trường hợp này sẽ rút ngắn được thời gian nung và giảm tiêu tốn nhiên liệu.

3. Khí động học phải tốt

Để nhiệt độ trong lò đồng đều thì vấn đề khí động học trong lò phải giải quyết tốt thể hiện sự lưu thông khí trong lò phải đồng đều và do đó nhiệt độ trong lò sẽ đồng đều. Đây là vấn đề rất cơ bản của lò vì nó quyết định đến mức độ chín đồng đều của sản phẩm, độ đồng đều về mầu sắc cũng như độ láng của men, tỷ lệ cao sản phẩm loại I, giảm thời gian nung đốt, giảm tiêu tốn nhiên liệu và do đó nâng cao tổng giá trị của một mẻ lò. Để thực hiện vấn đề này cần chú ý mấy điểm sau:

 Ngọn lửa cần đủ dài để có thể với tới các điểm trong lò.

- Khe thoát khí xuống kênh khí chính cần bố trí hợp lý.

- Cần bố trí vòi đốt hai đầu lò, đặc biệt sát cửa lò.

- Kênh khí chính dưới xe lò cần bố trí phù hợp.

- Điều chỉnh van khói lò với sức hút vừa phải.

- Khống chế tốt lượng không khí lọt qua đầu vòi đốt vào lò.

- Xếp sản phẩm sao cho thông thoáng và không nên quá dầy.

- Đảm bảo kín lò đặc biệt cửa lò.

4. Tận dụng nhiệt của khói lò.

Do lò hoạt động gián đoạn nên lượng nhiệt theo khói lò ra ngoài trời chiếm khoảng 60 – 70%. Đây chính là nguyên nhân gây tiêu tốn nhiệt hay nhiên liệu của lò gián đoạn rất cao so với lò làm việc liên tục. Muốn giảm tiêu tốn nhiệt nói chung cho doanh nghiệp thì cần phải tận dụng nhiệt của khói lò. Để tận dụng lượng nhiệt này có nhiều biện pháp:

- Dùng hệ thống nung nóng không khí (recupperator) cấp cho vòi đốt nhiên liệu. Phương pháp này có thể nung nóng không khí đến 200 – 4000C. Nếu lò đốt bằng không khí nóng như vậy thì nhiệt độ trong lò được tăng nhanh và giảm tiêu tốn nhiên liệu của lò. Tuy nhiên phương pháp này tương đối đắt vì phải dùng đến hợp kim chịu nhiệt và phức tạp quá trình.

Sử dụng khói lò cung cấp cho hệ thống lò sấy như trong hình 4. Lò sấy có thể đạt 100 m3 ứng với lò 24m3, lò nhỏ ứng với lò sấy nhỏ hơn. Tận dụng nhiệt của khói lò tuy không giảm tiêu tốn nhiệt của lò nhưng giảm tiêu tốn nhiên liệu chung của doanh nghiệp và đương nhiên sẽ giảm giá thành của sản phẩm.