Vì sao phải kiểm soát tốc độ gia nhiệt và làm nguội tại mốc nhiệt độ 573°C khi nung gốm?

Tại nhiệt độ 573°C, khoáng thạch anh trong xương gốm trải qua quá trình biến đổi thù hình chuyển pha tức thời thuận nghịch giữa alpha-quartz và beta-quartz kèm theo sự thay đổi thể tích đột ngột khoảng 0,82%. Nếu tốc độ tăng nhiệt hoặc hạ nhiệt qua dải 550°C đến 600°C diễn ra quá nhanh, ứng suất nhiệt cục bộ sẽ vượt quá giới hạn độ bền kéo của vật liệu, dẫn đến hiện tượng nứt vỡ hoặc nứt vi mô nghiêm trọng trong sản phẩm gốm sứ.

Sự khác biệt giữa nung oxy hóa và nung khử trong sản xuất gốm sứ là gì?

Nung oxy hóa duy trì nồng độ oxy dư trên 2% trong buồng lò, giữ sắt ở trạng thái oxit sắt ba (Fe2O3) tạo nên các gam màu vàng, cam hoặc nâu đỏ cho xương và men gốm. Ngược lại, nung khử chủ động khống chế nồng độ khí cacbon monoxit (CO) từ 1% đến 4% ở nhiệt độ cao nhằm khử Fe2O3 thành FeO, giúp FeO hòa tan vào pha lỏng silicat để tạo sắc men ngọc (celadon) và đem lại độ trắng sáng quang học đặc trưng cho xương sứ Bát Tràng.

Khuyết tật rạn men (crazing) khi nung gốm xuất phát từ nguyên nhân nào và cách khắc phục?

Khuyết tật rạn men xuất hiện khi hệ số giãn nở nhiệt của lớp men lớn hơn hệ số giãn nở nhiệt của xương gốm, khiến lớp men chịu ứng suất kéo vượt quá giới hạn bền kéo (khoảng 20 MPa đến 40 MPa) trong quá trình làm nguội. Để khắc phục, nhà sản xuất cần điều chỉnh phối liệu men bằng cách bổ sung hàm lượng silic điôxit hoặc giảm bớt các oxit kiềm trợ dung nhằm hạ hệ số giãn nở nhiệt của men xuống thấp hơn xương gốm một cách hợp lý.

Tiêu chuẩn kỹ thuật độ hút nước đối với sứ vệ sinh và gạch porcelain tại Việt Nam được quy định như thế nào?

Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12650:2020 đối với sản phẩm sứ vệ sinh và TCVN 13113:2020 đối với gạch gốm ốp lát nhóm porcelain, độ hút nước sau khi nung kết khối bắt buộc không được vượt quá 0,5% khối lượng khô. Ngưỡng độ hút nước cực thấp này phản ánh cấu trúc vi mô đã đạt mức thủy tinh hóa cao, đảm bảo sản phẩm hoàn toàn chống thấm nước, ngăn ngừa vi khuẩn tích tụ và đạt độ bền uốn cơ học tối ưu.

Nung gốm là gì? Cơ chế nhiệt học và kỹ thuật thiêu kết

Nung gốm (ceramic firing) là quá trình nhiệt luyện ở nhiệt độ cao nhằm biến đổi cấu trúc khoáng và vi cấu trúc của phôi mộc gốm thông qua các phản ứng trạng thái rắn, sự hình thành pha lỏng và hiện tượng thiêu kết, tạo ra sản phẩm rắn chắc có độ bền cơ học cao, độ xốp thấp cùng khả năng kháng hóa chất bền vững. Quá trình xử lý nhiệt này chuyển hóa khối bột khoáng silicat hoặc bột oxit rời rạc có liên kết cơ học yếu ớt thành vật liệu đa tinh thể nhân tạo có liên kết ion và liên kết cộng hóa trị bền vững, quyết định trực tiếp tới toàn bộ tính chất cơ, lý, nhiệt và quang học của sản phẩm gốm thành phẩm.

Bản chất vật lý và động lực học nhiệt động của quá trình nung

Trong khoa học vật liệu gốm, giai đoạn nung là sự kết hợp phức tạp giữa các hiện tượng nhiệt động học và động học truyền khối. Phôi gốm sau khi tạo hình và sấy khô (được gọi là phôi mộc) thực chất là một hệ phân tán xốp gồm các hạt khoáng chất rắn tiếp xúc cơ học với nhau, xen kẽ bởi hệ thống lỗ xốp chứa không khí. Động lực học nhiệt động cơ bản nhất thúc đẩy toàn bộ quá trình đặc chắc hóa trong khi nung là xu hướng tự phát làm suy giảm năng lượng tự do bề mặt tổng cộng của hệ phân tán hạt:

\Delta G_s = \gamma \cdot \Delta A < 0

Trong đó, $\gamma$ đại diện cho năng lượng tự do bề mặt riêng trên một đơn vị diện tích, và $A$ là tổng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha khí. Đối với các loại bột gốm mịn có diện tích bề mặt riêng ban đầu rất lớn, thường dao động trong khoảng từ 5 m2/g đến 100 m2/g theo ghi nhận của Rahaman (2017), hệ sở hữu mức năng lượng bề mặt dư thừa đáng kể. Khi được cung cấp năng lượng nhiệt ở nhiệt độ cao, hệ sẽ giảm thiểu diện tích bề mặt thông qua việc hình thành và phát triển cổ hạt giữa các hạt lân cận, đồng thời thu hẹp và triệt tiêu thể tích các lỗ xốp.

Các cơ chế truyền khối trong quá trình thiêu kết

Sự dịch chuyển vật chất trong quá trình nung gốm được phân loại thành hai nhóm cơ chế nhiệt động riêng biệt dựa trên khả năng làm thay đổi thể tích của khối phôi:

Nhóm cơ chế không gây co ngót (non-densifying mechanisms): Bao gồm hiện tượng khuếch tán bề mặt (surface diffusion) và quá trình bay hơi ngưng tụ (evaporation - condensation). Trong các cơ chế này, vật chất chỉ dịch chuyển từ bề mặt lồi của hạt sang vùng hõm của cổ liên kết hạt mà không làm thay đổi khoảng cách giữa tâm các hạt liền kề. Kết quả là cổ hạt phát triển lớn lên giúp tăng độ bền cơ học sơ khởi, diện tích bề mặt riêng giảm đi nhưng thể tích tổng thể không đổi và mật độ phôi mộc không tăng.
Nhóm cơ chế gây co ngót và đặc chắc hóa (densifying mechanisms): Bao gồm khuếch tán ranh giới hạt (grain boundary diffusion), khuếch tán thể tích từ ranh giới hạt (lattice diffusion) và dòng chảy nhớt (viscous flow). Vật chất từ ranh giới hạt hoặc từ lòng khối tinh thể được vận chuyển đến lấp đầy khoảng không gian tại cổ liên kết, làm rút ngắn khoảng cách tâm giữa các hạt. Quá trình này dẫn đến sự co rút thể tích vĩ mô của phôi gốm, làm suy giảm độ xốp và nâng cao mật độ vật liệu.

Động học thiêu kết pha rắn và các mô hình hình thái học

Động học thiêu kết pha rắn ở giai đoạn tiếp xúc ban đầu được mô tả kinh điển thông qua mô hình tiếp xúc hai quả cầu (mô hình Kuczynski - Kingery, tổng kết bởi Rahaman, 2017), xác định tốc độ phát triển kích thước cổ liên kết giữa hai hạt tinh thể:

\left(\frac{x}{r}\right)^n = \frac{B \cdot t}{r^m}

Trong phương trình trên, $x$ là bán kính vùng cổ liên kết hình thành giữa hai hạt, $r$ là bán kính hình học ban đầu của hạt gốm giả định dạng hình cầu, $t$ là thời gian lưu nhiệt độ, $n$ và $m$ là các số mũ động học đặc trưng cho từng cơ chế khuếch tán chi phối, và $B$ là hệ số phụ thuộc hàm mũ vào nhiệt độ tuyệt đối theo định luật Arrhenius. Độ co ngót dài tương đối của phôi mộc ở giai đoạn đầu tuân theo quy luật:

\frac{\Delta L}{L_0} = \left(\frac{B' \cdot t}{r^m}\right)^{1/y}

Với $\Delta L / L_0$ là độ co ngót tuyến tính tương đối, $L_0$ là kích thước dài ban đầu của phôi mộc, và số mũ co ngót thường nằm trong khoảng từ 0,33 đến 0,5 tùy thuộc vào sự đóng góp của khuếch tán thể tích hay khuếch tán ranh giới hạt (Rahaman, 2017). Trong công trình kinh điển của mình, Coble (1961) đã phát triển mô hình giải tích định lượng cho sự tiêu biến độ xốp ở các giai đoạn tiếp theo:

Giai đoạn đầu (initial stage): Bắt đầu từ khi hình thành cổ hạt tiếp xúc đầu tiên cho đến khi tỷ số bán kính cổ hạt đạt ngưỡng $x/r \le 0{,}2$ . Độ co ngót dài ở giai đoạn này thường dưới 3%, trong khi cấu trúc mạng lỗ xốp vẫn hoàn toàn mở và nối liền liên tục với môi trường khí quyển lò.
Giai đoạn giữa (intermediate stage): Mạng lưới lỗ xốp bắt đầu co hẹp lại thành hệ thống các ống rỗng hình trụ liên tục chạy dọc theo các cạnh chung của ba hạt tinh thể tiếp xúc. Mật độ tương đối của phôi gốm tăng trưởng mạnh mẽ từ mức 70% lên đến khoảng 92%. Quá trình thu hẹp bán kính ống xốp hình trụ phụ thuộc trực tiếp vào dòng khuếch tán nút khuyết từ mặt trụ xốp ra ranh giới hạt lân cận.
Giai đoạn cuối (final stage): Khi mật độ tương đối vượt quá mốc 92% (độ xốp dư dưới 8%), mạng lưới lỗ xốp hình trụ bị mất ổn định Rayleigh và đứt gãy thành các lỗ xốp hình cầu độc lập bị cô lập tại các góc giao của bốn hạt. Việc loại bỏ các lỗ xốp cô lập này diễn ra rất chậm, đòi hỏi nhiệt độ cao và thời gian lưu nhiệt dài để các nút khuyết khuếch tán dọc theo ranh giới hạt ra bề mặt tự do.

Cơ chế thiêu kết pha lỏng và áp suất mao dẫn

Đối với gốm silicat truyền thống (như gốm sứ gia dụng, sành, sứ vệ sinh và gạch ốp lát), quá trình đặc chắc hóa chủ yếu diễn ra nhờ cơ chế thiêu kết pha lỏng (liquid phase sintering) hay còn gọi là quá trình thủy tinh hóa (vitrification). Khi nhiệt độ vượt quá điểm nóng chảy eutecti của các khoáng trợ dung (chủ yếu là tràng thạch feldspar), pha lỏng silicat nóng chảy xuất hiện và thấm ướt bề mặt các hạt khoáng chịu nhiệt còn ở trạng thái rắn. Lực căng bề mặt của pha lỏng sinh ra áp suất mao dẫn rất lớn kéo các hạt rắn lại gần nhau:

\Delta P = -\frac{2\gamma_{LV} \cos\theta}{r_p}

Trong công thức trên, $\Delta P$ là áp suất mao dẫn nén, $\gamma_{LV}$ là năng lượng bề mặt phân chia pha lỏng và khí, $\theta$ là góc thấm ướt tiếp xúc giữa pha lỏng và pha rắn, và $r_p$ là bán kính mao quản giữa các hạt. Theo phân tích của Rahaman (2017), đối với các mao quản kích thước dưới micromet trong phôi mộc gốm, áp suất mao dẫn có thể đạt giá trị khổng lồ từ 1 MPa đến 10 MPa, tương đương với việc nén phôi mộc dưới một áp lực cơ học đẳng tĩnh từ bên ngoài mà không cần tác động cơ học.

Các giai đoạn nhiệt độ và chuyển biến hóa lý trong chu trình nung

Trong quá trình nâng nhiệt từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ thiêu kết cực đại rồi làm nguội về nhiệt độ thường, phôi gốm trải qua hàng loạt phản ứng hóa học, biến đổi thù hình khoáng chất và chuyển pha trạng thái lỏng - rắn liên tiếp nhau. Sự hiểu biết chính xác về các mốc nhiệt độ này là cơ sở để thiết lập đường cong nung tối ưu cho từng chủng loại phối liệu.

Giai đoạn thoát nước cơ học và nước hấp phụ (100°C đến 200°C)

Phôi mộc dù đã qua công đoạn sấy công nghiệp vẫn giữ lại một lượng ẩm hấp phụ tự do trong các mao quản xốp. Trong dải nhiệt độ từ 100°C đến 200°C, lượng nước tự do và nước hấp phụ bề mặt này bốc hơi hoàn toàn vào khí quyển lò. Tốc độ nâng nhiệt ở dải này cần được kiểm soát thận trọng để tránh áp suất hơi nước cục bộ trong lòng phôi tăng quá nhanh, có thể dẫn đến hiện tượng nổ vỡ hoặc nứt tách phôi gốm (Carter và Norton, 2013).

Giai đoạn khử nước liên kết hóa học của khoáng sét (450°C đến 600°C)

Khoáng kaolinit có công thức hóa học $\mathrm{Al_2Si_2O_5(OH)_4}$ là thành phần tạo độ dẻo chính trong phối liệu gốm sứ. Khi nhiệt độ lò đạt dải từ 450°C đến 600°C, các nhóm hydroxyl liên kết trong mạng tinh thể kaolinit bị bẻ gãy và giải phóng ra ngoài dưới dạng hơi nước (phản ứng khử hydroxyl - dehydroxylation):

\mathrm{Al_2Si_2O_5(OH)_4 \xrightarrow{450 - 600^\circ C} Al_2O_3 \cdot 2SiO_2 + 2H_2O \uparrow}

Sau phản ứng, mạng tinh thể trật tự của kaolinit bị sụp đổ hoàn toàn và chuyển thành pha metakaolin vô định hình có hoạt tính hóa học cao. Quá trình này kèm theo mức tổn thất khối lượng lý thuyết xấp xỉ 13,9% tính theo khối lượng tinh thể kaolinit nguyên chất (Carter và Norton, 2013). Sự thoát nước hóa học làm tăng độ rỗng tế vi của phôi mộc, nhưng các hạt vẫn duy trì nguyên vẹn hình dáng ban đầu.

Giai đoạn cháy chất hữu cơ và phân hủy muối khoáng (500°C đến 900°C)

Các tạp chất hữu cơ tự nhiên có sẵn trong đất sét hoặc các chất phụ gia kết dính nhân tạo (như PVA, PEG) được thêm vào phôi mộc sẽ bị oxy hóa và cháy hoàn toàn thành khí cacbon điôxit và hơi nước ở nhiệt độ từ 500°C đến 800°C. Đồng thời, các khoáng cacbonat như canxit hoặc đolomit bị phân hủy nhiệt để giải phóng khí:

\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{800 - 900^\circ C} CaO + CO_2 \uparrow}

Theo Carter và Norton (2013), giai đoạn này bắt buộc phải duy trì bầu khí quyển oxy hóa dư dả (nồng độ oxy dư trong khói lò trên 2%) để toàn bộ lượng cacbon tự do cháy kiệt trước khi các phản ứng nóng chảy tạo pha thủy tinh diễn ra. Nếu pha lỏng hình thành sớm bọc kín bề mặt phôi trong khi cacbon bên trong chưa cháy hết, sản phẩm sẽ mắc khuyết tật lòng đen.

Điểm biến đổi thù hình của thạch anh tại 573°C

Thạch anh (quartz, khoáng chất có thành phần $\mathrm{SiO_2}$ ) đóng vai trò là khung xương chịu nhiệt trong phối liệu gốm. Tại nhiệt độ chính xác 573°C, thạch anh trải qua quá trình chuyển pha chuyển vị tức thời (displacive transformation) thuận nghịch giữa dạng alpha-quartz (cấu trúc tam phương bền ở nhiệt độ phòng) và dạng beta-quartz (cấu trúc lục phương bền ở nhiệt độ cao):

\alpha\text{-quartz} \underset{\text{làm nguội}}{\overset{573^\circ\text{C}}{\rightleftharpoons}} \beta\text{-quartz}

Quá trình chuyển pha này không đòi hỏi bẻ gãy các liên kết hóa học mà chỉ làm thay đổi góc liên kết giữa các tứ diện silic-oxy, diễn ra gần như tức thời và kèm theo sự biến đổi thể tích đột ngột khoảng 0,82% (hay độ giãn nở thể tích tới 2,0%). Do đó, tốc độ nâng nhiệt và đặc biệt là tốc độ hạ nhiệt khi làm nguội trong khoảng từ 550°C đến 600°C phải được thực hiện hết sức chậm rãi và đồng đều nhằm hạn chế ứng suất nhiệt cục bộ, ngăn ngừa hiện tượng nứt xé xương gốm.

Giai đoạn hình thành mullit và thiêu kết pha lỏng (900°C đến 1400°C)

Đây là giai đoạn quyết định cấu trúc vi mô và cơ tính của sản phẩm gốm sứ. Khi nhiệt độ vượt mốc 900°C, các phản ứng pha rắn và phản ứng hòa tan bắt đầu diễn ra dồn dập:

Ở nhiệt độ khoảng 980°C: Metakaolin bị phân hủy nhiệt tạo thành pha spinel nhôm - silic và silic điôxit vô định hình giàu năng lượng.
Ở nhiệt độ từ 1050°C trở lên: Tràng thạch bắt đầu nóng chảy tạo thành pha lỏng silicat có độ nhớt cao, bắt đầu hòa tan các hạt thạch anh mịn và silic điôxit tự do.
Ở nhiệt độ từ 1150°C đến 1300°C: Tinh thể mullit hình kim ( $3\mathrm{Al_2O_3} \cdot 2\mathrm{SiO_2}$ ) kết tinh mạnh mẽ từ pha lỏng nóng chảy. Nghiên cứu thực nghiệm của Martín-Márquez, Rincón và Romero (2010) trên hệ phối liệu gốm sứ chứa 50% sét kaolin, 40% tràng thạch và 10% thạch anh nung nhanh từ 500°C đến 1400°C chỉ ra rằng, trong khi các tinh thể mullit sơ cấp dạng khối hạt có tỷ số kích thước dài rộng (aspect ratio) nhỏ không quá 3:1 ở 1400°C, các tinh thể mullit thứ cấp dạng sợi kim phát triển mạnh mẽ từ pha thủy tinh lỏng với tỷ số aspect ratio vượt trội từ 20:1 đến 50:1, tạo thành mạng lưới vi cấu trúc cốt thép đan xen nâng cao độ bền uốn và độ cứng cho xương gốm (Martín-Márquez, Rincón và Romero, 2010).

Khoảng nhiệt độ (°C)	Hiện tượng hóa lý chủ yếu	Biến đổi thể tích và khối lượng	Ý nghĩa công nghệ
100 - 200	Bay hơi nước tự do và nước hấp phụ mao quản	Khối lượng giảm nhẹ, thể tích không đổi	Tránh nứt nổ do áp suất hơi nước cục bộ
450 - 600	Khử hydroxyl của kaolinit thành metakaolin	Hao hụt khối lượng lý thuyết khoảng 13,9%	Hình thành pha vô định hình có hoạt tính cao
500 - 900	Cháy chất hữu cơ, phân hủy muối cacbonat	Thoát khí cacbon điôxit, tăng độ xốp hở	Cần khí quyển oxy hóa để triệt tiêu muội cacbon
573	Biển đổi thù hình tức thời alpha sang beta quartz	Biến đổi thể tích đột ngột khoảng 0,82%	Vùng nguy hiểm sốc nhiệt, cần gia nhiệt chậm
980 - 1050	Tạo pha spinel nhôm - silic, bắt đầu nóng chảy tràng thạch	Bắt đầu xuất hiện co ngót thể tích sơ khởi	Chuẩn bị điều kiện cho thiêu kết pha lỏng
1050 - 1400	Hòa tan thạch anh, kết tinh mullit hình kim, thủy tinh hóa	Co ngót thể tích mạnh, mật độ tăng vượt bậc	Hình thành vi cấu trúc chịu lực và độ sít đặc cao

Khí quyển nung: Cơ chế oxy hóa và khử

Khí quyển nung là môi trường chất khí bao quanh sản phẩm trong buồng lò nung, được tạo thành từ các sản phẩm cháy của nhiên liệu và không khí thừa. Thành phần khí quyển có tác động mang tính quyết định đến trạng thái hóa trị của các ion kim loại chuyển tiếp trong xương gốm và lớp men, đặc biệt là các oxit của sắt và titan.

Khí quyển oxy hóa (oxidizing atmosphere)

Khí quyển oxy hóa được duy trì khi hệ thống cấp gió cung cấp lượng không khí dư thừa so với mức cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, với nồng độ oxy tự do trong khí lò thường được khống chế trên 2%. Trong điều kiện này, sắt tồn tại chủ yếu ở trạng thái hóa trị ba bền vững dưới dạng oxit sắt ba ( $\mathrm{Fe_2O_3}$ ). Hợp chất này nhuộm màu xương gốm và men thành các gam màu vàng, cam, hồng phấn đến nâu đỏ sẫm. Khí quyển oxy hóa được ứng dụng phổ biến cho sản xuất gạch ngói đất nung, gốm xây dựng, gốm mỹ nghệ men màu và các loại gốm kỹ thuật đòi hỏi tính chất cách điện cao.

Khí quyển khử (reducing atmosphere)

Khí quyển khử được thiết lập bằng cách chủ động hạn chế lượng không khí cấp vào buồng đốt, khiến nhiên liệu cháy không hoàn toàn và sinh ra các khí khử mạnh như cacbon monoxit ( $\mathrm{CO}$ ) và hydro ( $\mathrm{H_2}$ ). Nồng độ khí cacbon monoxit thường được duy trì trong khoảng từ 1% đến 4% ở dải nhiệt độ cao từ 1150°C đến 1300°C. Phản ứng hóa học khử oxit sắt diễn ra như sau:

\mathrm{Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2FeO + CO_2 \uparrow}

Oxit sắt hai ( $\mathrm{FeO}$ ) sinh ra có hoạt tính nóng chảy cao, nhanh chóng hòa tan vào pha lỏng silicat để tạo thành các khoáng silicat sắt có màu lam xám nhạt hoặc xanh ngọc bích. Phản ứng này giúp loại bỏ ánh sắc vàng xỉn của sắt ba, tạo nên sắc men ngọc (celadon) truyền thống và giúp xương sứ đạt được độ trắng xanh quang học tinh khiết. Đây là kỹ thuật nung cốt lõi làm nên danh tiếng của các dòng sứ Bát Tràng và đồ sứ nghệ thuật truyền thống Á Đông.

Công nghệ lò nung gốm

Thiết bị nung đóng vai trò là phương tiện vật chất hiện thực hóa đường cong nhiệt độ và chế độ khí quyển nung. Lịch sử ngành gốm ghi nhận sự chuyển dịch công nghệ sâu sắc từ các loại lò thủ công gián đoạn sang các hệ thống lò công nghiệp liên tục tự động hóa cao.

Lò nung gián đoạn: Lò con thoi (shuttle kiln)

Lò con thoi là thiết bị nung theo mẻ chu kỳ gián đoạn. Sản phẩm mộc được xếp đặt cẩn thận trên các xe gòn chịu lửa bên ngoài, sau đó toàn bộ xe goòng được đẩy vào trong buồng lò cố định để thực hiện chu trình nung khép kín từ gia nhiệt, lưu nhiệt đến làm nguội. Ưu điểm nổi bật của lò con thoi là tính linh hoạt cao, cho phép dễ dàng điều chỉnh đường cong nhiệt độ và chế độ khí quyển nung cho từng lô sản phẩm có kích thước hoặc bài men khác nhau. Tuy nhiên, nhược điểm là hiệu suất nhiệt còn hạn chế do tổn thất nhiệt nung nóng vỏ lò sau mỗi mẻ nung.

Lò nung liên tục: Lò tuynel (tunnel kiln)

Lò tuynel là dạng lò nung hình đường hầm dài, trong đó sản phẩm đặt trên đoàn xe goòng di chuyển chậm chạp và liên tục ngược chiều với dòng khí nóng. Không gian lò được chia thành ba vùng chức năng cố định: vùng sấy nóng sơ bộ, vùng nung lưu nhiệt cực đại và vùng làm nguội. Khí nóng từ vùng làm nguội được tận dụng triệt để để sấy sơ bộ các sản phẩm mới vào lò, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng nhiên liệu. Chu kỳ nung của lò tuynel truyền thống thường kéo dài từ 18 giờ đến 36 giờ (Carter và Norton, 2013), rất thích hợp cho sản xuất quy mô lớn các mặt hàng gạch chịu lửa, gạch ốp lát dày và sứ vệ sinh.

Lò thanh lăn (roller hearth kiln) và bước đột phá nung nhanh

Lò thanh lăn đại diện cho đỉnh cao công nghệ nung liên tục hiện đại trong ngành sản xuất gốm ốp lát và sứ gia dụng phẳng. Sản phẩm mộc được đặt trực tiếp lên hệ thống các con lăn làm bằng vật liệu gốm chịu nhiệt quay đồng tốc, vận chuyển sản phẩm đi qua lò mà không cần đến các tấm kê xe goòng hay bao nung cồng kềnh. Việc loại bỏ khối lượng bao nung phụ trợ giúp giảm tải nhiệt dung chết của lò, kết hợp cùng hệ thống béc đốt phun khí gas trực tiếp cho phép truyền nhiệt đối lưu và bức xạ cực kỳ nhanh chóng. Theo Carter và Norton (2013), lò thanh lăn cho phép rút ngắn chu kỳ nung từ hàng chục giờ xuống chỉ còn từ 30 phút đến 60 phút (nung nhanh - fast firing), đồng thời giảm mạnh lượng tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị sản phẩm.

Loại lò nung	Nguyên lý nung	Chu kỳ nung điển hình	Hiệu suất năng lượng	Ứng dụng công nghiệp chính
Lò con thoi (shuttle kiln)	Gián đoạn theo mẻ, xe goòng đẩy vào buồng lò tĩnh	12 đến 48 giờ	Trung bình	Gốm mỹ nghệ, sứ cao cấp, sản phẩm đa dạng mẫu mã
Lò tuynel (tunnel kiln)	Liên tục, xe goòng di chuyển qua hầm nhiệt cố định	18 đến 36 giờ	Cao	Sứ vệ sinh, vật liệu chịu lửa, gạch ngói xây dựng
Lò thanh lăn (roller kiln)	Liên tục, sản phẩm đi trực tiếp trên con lăn gốm	30 đến 60 phút	Rất cao	Gạch ốp lát ceramic, gạch porcelain, đĩa sứ phẳng

Ứng dụng thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật

Các dòng sản phẩm gốm được phân định rõ ràng dựa trên nhiệt độ nung thiêu kết và mức độ kết khối của xương gốm. Mỗi nhóm sản phẩm đều phải tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nghiêm ngặt nhằm đáp ứng điều kiện làm việc thực tế.

Phân loại các dòng sản phẩm gốm theo nhiệt độ nung

Dựa trên nhiệt độ nung cực đại và cấu trúc vi mô thành phẩm, sản phẩm gốm được chia thành ba cấp độ chính:

Gốm đất nung (terracotta): Được nung ở nhiệt độ thấp từ 900°C đến 1050°C. Xương gốm xốp, độ hút nước cao, màu sắc phụ thuộc vào oxit sắt tự nhiên trong đất sét. Ứng dụng phổ biến làm chậu hoa, ngói lợp, gạch xây dựng và đồ trang trí sân vườn.
Đồ sành (stoneware): Được nung ở dải nhiệt độ trung bình từ 1100°C đến 1250°C. Ở nhiệt độ này, pha lỏng silicat đã bắt đầu hình thành giúp xương gốm kết khối tốt, độ hút nước giảm xuống thấp, gõ phát ra tiếng đanh trong trẻo. Thường dùng làm chum vại muối dưa, ống thoát nước, bình gốm nghệ thuật và gạch gốm kiến trúc.
Đồ sứ (porcelain): Được nung ở nhiệt độ cao từ 1250°C đến 1350°C. Sản phẩm đạt độ thủy tinh hóa gần như hoàn hảo, xương sứ màu trắng tinh khiết, có khả năng thấu quang khi được dát mỏng, không thấm nước và kháng axit ăn mòn tuyệt vời.
Gốm kỹ thuật (technical ceramics): Điển hình như gốm oxit nhôm alumina được thiêu kết ở nhiệt độ cao lên tới trên 1700°C (Rahaman, 2017), yêu cầu kiểm soát vi cấu trúc hạt sít đặc tối đa để đạt độ bền cơ lý và khả năng chịu nhiệt cao trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về độ hút nước của gốm sứ tại Việt Nam

Độ hút nước ( $E$ ) là chỉ số cơ lý phản ánh trực tiếp mức độ sít đặc và hiệu quả của quá trình thiêu kết nung gốm. Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia của Việt Nam quy định chỉ tiêu này rất khắt khe:

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12650:2020: Áp dụng cho các sản phẩm thiết bị sứ vệ sinh cao cấp (như bàn cầu, chậu rửa, bồn tiểu), yêu cầu độ hút nước của xương sứ sau nung không được lớn hơn 0,5% khối lượng khô. Yêu cầu này đảm bảo thiết bị sứ hoàn toàn ngăn ngừa sự thẩm thấu của nước thải và vi sinh vật vào bên trong cấu trúc vật liệu, duy trì độ bền sử dụng lâu dài và vệ sinh an toàn.
Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13113:2020: Tương đương với tiêu chuẩn quốc tế ISO 13006:2018 đối với gạch gốm ốp lát, quy định nhóm gạch porcelain (nhóm BIa ép bán khô) phải đạt độ hút nước trung bình không vượt quá 0,5%. Mức độ sít đặc này giúp gạch chịu được chu kỳ đóng băng - tan băng ngoài trời và tăng cường độ chịu lực uốn gãy.

Chuyển dịch công nghệ tại làng nghề gốm sứ truyền thống Bát Tràng

Làng gốm Bát Tràng (Hà Nội) là minh chứng sinh động cho quá trình đổi mới công nghệ nung gốm tại Việt Nam. Trong suốt nhiều thế kỷ, thợ gốm Bát Tràng sử dụng các lò nung thủ công đốt củi và đốt than (như lò cóc, lò bầu, lò hộp than). Các lò đốt than truyền thống có độ chênh lệch nhiệt độ trong buồng lò rất lớn, khó kiểm soát khí quyển nung, dẫn đến tỷ lệ sản phẩm hư hỏng, phế phẩm dao động từ mức 25% - 30% và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khói bụi.

Từ những năm sau 2000, cuộc cách mạng công nghệ diễn ra mạnh mẽ khi làng nghề đồng loạt chuyển đổi sang sử dụng lò con thoi đốt khí gas hóa lỏng (LPG). Việc kiểm soát đường cong gia nhiệt bằng đồng hồ đo nhiệt kỹ thuật số và điều chỉnh van phun khí gas - không khí chính xác đã giúp thợ gốm làm chủ hoàn toàn dải nhiệt độ nung khử từ 1150°C đến 1300°C với nồng độ CO duy trì 1% đến 4%. Bước chuyển này đã kéo giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi hỏng xuống dưới 5%, nâng cao độ trắng sáng của xương sứ và độ bóng mịn của lớp men, đồng thời triệt tiêu khói đen xả ra môi trường xung quanh làng nghề.

Các khuyết tật khi nung và biện pháp xử lý

Sự không hoàn hảo trong thiết lập đường cong nhiệt độ, sự chênh lệch khí quyển lò hoặc khuyết tật cấu trúc phôi mộc ban đầu có thể sinh ra nhiều dạng hư hỏng nghiêm trọng cho sản phẩm sau nung.

Nứt nẻ và nứt làm nguội (cracking and dunning)

Khuyết tật nứt nẻ xuất hiện do ứng suất kéo cục bộ vượt quá giới hạn độ bền của vật liệu gốm. Nếu vết nứt mở rộng và có lớp men chảy phủ lên miệng vết nứt, đó là nứt phát sinh ở giai đoạn gia nhiệt ban đầu (do phôi mộc bốc hơi nước quá nhanh dưới 200°C hoặc chênh lệch co ngót). Ngược lại, nếu mép vết nứt sắc nhọn và xé rách cả lớp men thành phẩm (gọi là nứt dunning), nguyên nhân bắt nguồn từ quá trình làm nguội quá nhanh qua điểm chuyển pha 573°C của thạch anh, khi thể tích xương gốm co rút đột ngột.

Biện pháp xử lý: Kéo dài thời gian sấy sơ bộ phôi mộc, hạ tốc độ gia nhiệt ở dải 100°C đến 200°C, và đặc biệt duy trì tốc độ làm nguội cực kỳ chậm trong khoảng từ 600°C xuống 550°C.

Biến dạng và cong vênh (warping and sagging)

Hiện tượng sản phẩm bị méo mó, cong vênh hình học xảy ra khi nhiệt độ nung vượt quá ngưỡng cho phép (overfiring) hoặc do lượng pha lỏng silicat sinh ra quá nhiều làm suy giảm độ nhớt nóng chảy của xương gốm, khiến sản phẩm bị lún sụp dưới tác dụng của trọng lực bản thân. Ngoài ra, việc kê xếp phôi mộc trên xe goòng không phẳng hoặc sự không đồng đều mật độ ép trong phôi mộc cũng gây nên cong vênh khi co ngót.

Biện pháp xử lý: Điều chỉnh giảm nhiệt độ lưu đỉnh của lò, tối ưu hóa tỷ lệ tràng thạch trong bài phối liệu, và đảm bảo mặt phẳng kê xếp sản phẩm đồng đều, ổn định.

Rạn men (crazing) và bong tróc men (shivering)

Đây là hai dạng khuyết tật bề mặt kinh điển sinh ra do sự mất tương thích về hệ số giãn nở nhiệt giữa lớp men và lớp xương gốm. Theo phân tích cơ học vật liệu của Carter và Norton (2013):

Khuyết tật rạn men (crazing): Xảy ra khi hệ số giãn nở nhiệt của men lớn hơn hệ số giãn nở nhiệt của xương gốm. Trong quá trình làm nguội, lớp men co lại nhiều hơn lớp xương nền, khiến men phải chịu ứng suất kéo (tensile stress). Khi ứng suất kéo này vượt quá giới hạn độ bền kéo của men thủy tinh (thường nằm trong khoảng từ 20 MPa đến 40 MPa), mạng lưới các vết rạn chân chim hình râu dế sẽ xuất hiện trên bề mặt men.
Khuyết tật bong men (shivering): Xảy ra khi hệ số giãn nở nhiệt của men nhỏ hơn rất nhiều so với xương gốm. Lớp men chịu ứng suất nén quá mức dẫn đến hiện tượng tróc vảy men hoặc mẻ vỡ từng mảng ở các góc cạnh sắc của sản phẩm.

Biện pháp xử lý: Để lớp men luôn ở trạng thái chịu nén nhẹ an toàn sau khi làm nguội, cần điều chỉnh công thức men sao cho hệ số giãn nở nhiệt của men nhỏ hơn một lượng vừa phải so với hệ số giãn nở nhiệt của xương gốm. Điều này thường đạt được bằng cách tăng hàm lượng silic điôxit hoặc giảm hàm lượng oxit kiềm trong bài men.

Khuyết tật lòng đen (black coring)

Khi bẻ đôi sản phẩm gốm sau nung, phần lõi xương bên trong có màu đen sẫm hoặc xám xịt, kèm theo độ xốp cao và giảm sút độ bền uốn. Nguyên nhân do các hợp chất hữu cơ và cacbonat chưa kịp oxy hóa hết ở dải nhiệt độ từ 500°C đến 900°C đã bị pha lỏng thủy tinh nóng chảy sớm bít kín các mao quản hở, giữ lại cacbon tự do và sắt ở trạng thái khử chưa hoàn toàn.

Biện pháp xử lý: Kéo dài thời gian lưu nhiệt ở dải nhiệt độ oxy hóa từ 800°C đến 950°C trước khi tăng nhiệt độ lên vùng chảy của tràng thạch, đồng thời tăng lưu lượng gió cấp để bảo đảm nồng độ oxy dư trong khói lò luôn trên 2%.

Giới hạn công nghệ và các hướng phát triển mới

Mặc dù công nghệ nung gốm truyền thống đã đạt đến độ hoàn thiện cao, ngành sản xuất gốm hiện đại đang đối mặt với những thách thức to lớn về mức độ thâm dụng năng lượng và phát thải khí nhà kính cacbon điôxit từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Do đó, các công nghệ nung thiêu kết tiên tiến đang được nghiên cứu và thương mại hóa mạnh mẽ.

Nung bằng năng lượng vi sóng (microwave sintering)

Trong lò nung truyền thống, nhiệt lượng truyền từ ngọn lửa hoặc điện trở vào bề mặt phôi rồi mới truyền dẫn từ từ vào lõi thông qua cơ chế dẫn nhiệt, dẫn đến gradient nhiệt độ lớn và tốc độ nâng nhiệt bị hạn chế. Ngược lại, công nghệ nung vi sóng sử dụng bức xạ điện từ (thường ở tần số công nghiệp chuẩn 2,45 GHz) tác động trực tiếp vào các lưỡng cực điện môi trong vật liệu gốm, tạo ra cơ chế gia nhiệt thể tích đồng đều từ trong ra ngoài (volumetric heating).

Tổng quan nghiên cứu của Oghbaei và Mirzaee (2010) cho thấy, nung vi sóng cho phép đạt tốc độ gia nhiệt cực kỳ cao lên tới 100°C/phút, rút ngắn đáng kể tổng thời gian nung và giảm nhiệt độ thiêu kết thực tế từ 100°C đến 200°C so với các phương pháp gia nhiệt thông thường. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm tới 70% tổng năng lượng điện tiêu thụ mà còn hạn chế tối đa sự phát triển thô đại của cỡ hạt tinh thể, mang lại vi cấu trúc mịn màng và nâng cao cơ tính của gốm kỹ thuật cao.

Công nghệ thiêu kết chớp nhoáng (flash sintering)

Kể từ khi được Cologna và cộng sự phát hiện vào năm 2010 và tổng kết bởi Biesuz và Sglavo (2019), thiêu kết chớp nhoáng là một phương thức nung thiêu kết đặc biệt cho phép làm đặc chắc vật liệu gốm trong khoảng thời gian rất ngắn. Các tác giả đã chỉ ra rằng khi đặt mẫu phôi gốm dưới tác dụng của một điện trường một chiều hoặc xoay chiều từ 50 V/cm đến 1000 V/cm ở nhiệt độ lò tương đối thấp, tại một thời điểm tới hạn, vật liệu sẽ trải qua hiện tượng bùng nổ dẫn điện phi tuyến (thermal runaway). Quá trình tỏa nhiệt Joule tăng vọt khiến độ sít đặc của phôi gốm hoàn tất chỉ trong khoảng thời gian từ vài giây đến dưới 60 giây.

Để ngăn chặn hiện tượng phá hủy mẫu do mật độ dòng điện tăng quá nhanh, hệ thống nguồn điện luôn được cài đặt giới hạn khống chế mật độ dòng điện trong khoảng từ 10 mA/mm2 đến 100 mA/mm2. Công nghệ thiêu kết chớp nhoáng mở ra tiềm năng to lớn trong việc sản xuất các loại gốm kỹ thuật chức năng, màng điện phân rắn cho pin thế hệ mới và vật liệu gốm cấu trúc chịu nhiệt cực cao với mức phát thải cacbon và chi phí năng lượng thấp chưa từng có.