Жаростойкие массы для открытого огня: петалит, сподумен, кордиерит

Красивый горшок из каменной массы, поставленный на газ, может лопнуть через минуту — с хлопком и кипятком на плите. Дело не в качестве работы: обычная керамика просто не рассчитана на такой перепад температур. Посуду для огня делают из особых масс, которые почти не расширяются при нагреве или имеют открытую пористую структуру. Разберём, почему лопается обычная масса, какие есть три пути к жаростойкости и как проверить результат, не рискуя кухней.

Почему обычная керамика лопается

Тони Хансен (Digitalfire) объясняет механизм так. Керамика хрупкая и не пружинит, поэтому трещине в ней легко расти. Если один участок нагревается или остывает быстрее соседнего, он расширяется или сжимается сильнее, и масса не может погасить это напряжение. Пламя конфорки бьёт в центр дна — значит, перепад температур огромный. Толстые стенки делают его ещё больше. Добавить напряжения может и глазурь, которая сжимается иначе, чем черепок.

Вторая причина — кварц. Около 573 °C кварц резко меняет объём (кварцевый переход). При нагреве это расширение обычно гасят поры, а при охлаждении — уже хуже, особенно если зёрна кварца крупные. Ещё опаснее кристобалит: он образуется из кварца при температурах каменной массы, а его переход лежит в интервале 100–270 °C, быстрее всего при 100–200 °C. Это ровно та температура, при которой работает кухонная посуда. Хансен прямо пишет, что каменная масса с кристобалитом — плохой выбор для жаростойкой посуды.

Насколько велика разница, видно по его тесту: плитку греют паяльной горелкой в центр и засекают время до трещины.

Каменную массу можно улучшить: ровное сечение, тонкие стенки, плавные контуры, меньше кварца, подогнанная глазурь. Но, по Хансену, прямое сосредоточенное пламя она всё равно не выдержит. Для огня нужен другой материал.

Путь первый: пористость

Старейший способ — не бороться с расширением, а дать черепку «дышать». Хансен объясняет, почему традиционная терракота живёт долго: у неё высокая пористость и открытая структура почти без стеклофазы. Прочность низкая, зато хрупкость меньше, в структуре возможны микросдвиги, и микротрещины не растут. Мексиканские касуэлы делают с толстыми стенками, ставят на маленький центральный огонь и обжигают при температурах утильного обжига. На некоторых есть мелкие трещинки, и они не вредят — снимают напряжение.

В опыте Хансена терракотовая чашка с глазурью, обожжённая на конус 03 (около 1086 °C), выдержала 30 секунд прямого пламени и разрушилась, только раскалившись докрасна. Неглазурованная треснула, но не развалилась. Минус пути понятен: такая посуда пористая и непрочная.

Путь второй: литиевые минералы

Самый распространённый путь в студийной керамике — ввести в массу минералы лития. Оксид лития, по Хансену, расширяется намного меньше соды и поташа, и его используют именно для малорасширяющихся масс и глазурей.

• Петалит — Li₂O 4,87 %, Al₂O₃ 16,65 %, SiO₂ 78,49 %. Выше 700 °C его расширение почти нулевое. По Хансену, массы с 60 % петалита и больше выдерживают прямое пламя и быстрое охлаждение водой. Пластичную массу составляют из петалита и такого количества пластичной глины, какое нужно для работы; бентонит позволяет поднять долю петалита.
• Сподумен — Li₂O 8,01 %, Al₂O₃ 27,41 %, SiO₂ 64,59 % в чистом минерале; у распространённого коммерческого сподумена, по Дэйву Финкельнбургу, около 7,7 % Li₂O. Сподумен тугоплавче петалита, поэтому масса на нём выходит пористее. Именно сподумен в огромных количествах шёл на стеклокерамическую посуду Corning Ware.

Пример: донабэ Ига

Самые наглядные цифры дали исследования промышленного центра префектуры Миэ, где делают знаменитую посуду для огня Ига. Традиционная масса Ига — местная глина гайромэ с обилием кварцевых зёрен крупнее 0,5 мм. В 2008 году исследователи добавляли к ней петалит и обжигали при 1150 °C:

Водопоглощение в этом ряду падало с 17,3 % без петалита до 12,6 % при 30 % петалита: такая посуда остаётся заметно пористой. В испытании пустой горшок на газовой горелке мощностью 3,5 кВт за 6 минут нагрелся почти до 600 °C и держался около 620 °C. С 900 мл воды — около 420 °C.

Более поздняя работа того же центра (2021) приводит промышленный состав: 45 % петалита, 45 % отмученной глины гайромэ, 3 % пирофиллита и 7 % кордиеритового шамота, обжиг 1180 °C. Авторы пишут, что в обычных термостойких массах 40–50 % петалита, а местный стандарт качества Ёккаити требует ТКЛР около 2,0·10⁻⁶ 1/K. Важная деталь: содержание Li₂O в партиях петалита колебалось от 4,09 до 4,70 %, и на расширение влияли также натрий и калий. Каждую новую партию сырья нужно проверять.

В той же серии работ (2013) к смеси 50 частей петалита и 50 частей глины добавляли по 2–6 частей разных минералов. Волластонит и фосфат кальция опустили ТКЛР почти до нуля, а оксид цинка дал слабо отрицательное расширение. И одна оговорка Хансена: петалит способствует превращению кварца в кристобалит. Поэтому лишний кварц в литиевой массе — не нейтральный наполнитель.

Высокотемпературные литиевые массы

Американский патент US3818087 на термостойкую каменную посуду приводит такой пример: петалит крупный (20 меш) 10 %, петалит тонкий (200 меш) 50 %, пластичная глина 20 %, огнеупорная глина 20 %. Обжиг 1236–1285 °C, конусы 8–10. Испытание — кислородно-ацетиленовое пламя около 1650 °C в центр диска примерно 5 минут без трещин при нагреве и остывании.

Готовую массу такого класса продаёт, например, Laguna — Flameware WC440 на конусы 5–10. Усадка 5 % на конусе 5 и 8 % на конусе 10, водопоглощение 13 и 2 % соответственно. Производитель советует ровную стенку 9,5–12,7 мм и оставлять нижние 2,5 см без глазури.

Американская мастерица Робби Лобелл работает на сподуменовой массе собственного состава на конусе 10. На этой температуре масса у неё сильно размягчается, поэтому изделия ставят без подставок, на подсыпку из воска с глинозёмом. Свои составы Лобелл и её коллеги не раскрывают полностью.

Путь третий: кордиерит

Кордиерит — 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ — минерал с очень малым расширением. Его ТКЛР по разным источникам около 1,5–2·10⁻⁶ 1/K, в несколько раз меньше, чем у типичной керамики (около 6,5·10⁻⁶, по Хансену). Плотный кордиерит выдерживает закалку в воде от красного каления. Синтезируют его из талька, каолина и глинозёма.

Проблема — температура. Хансен пишет, что кристаллам кордиерита нужно около 1300 °C, выше конуса 10. Российские исследователи из КузГТУ называют синтез выше 1350 °C основной технологической проблемой и указывают интервал спекания всего 15–30 °C. В студийной печи настоящий кордиерит получить трудно. Поэтому, по Хансену, жаростойкую посуду, которую редко обжигают выше конуса 10, спасают не кристаллы кордиерита, а шамот и открытая пористая структура.

Пример такой массы из архива Ceramics Monthly — «простая кордиеритовая масса для огня» на конус 11 (около 1293 °C): тальк 33,33, крупный шамот 33,33, пластичная глина 32,33, бентонит 1,01. Хансен проверял близкую смесь — тальк, глина и шамот поровну — и получил пористость 12,5 % и около 90 секунд под горелкой против 5 секунд у пластичной глины. Такую пористую поверхность, по его словам, нужно полировать или закрывать ангобом или толстой глазурью.

Промышленный пример — тайская кордиеритовая посуда на каолине, пластичной глине, тальке и глинозёме с обжигом 1300 °C. ТКЛР массы 3,09·10⁻⁶ 1/°C, глазури 2,61·10⁻⁶, водопоглощение массы 12 %. Горшки диаметром около 18 см выдержали больше 50 циклов на газу без трещин.

Глазурь: самое трудное

Подобрать глазурь к малорасширяющейся массе очень трудно. Если расширение глазури больше, чем у черепка, она цекует; если сильно меньше — отскакивает. Обычные глазури на петалитовой массе, по Хансену, цекуют. Логика малорасширяющейся глазури: минимум полевого шпата и щелочей, много кремнезёма и глинозёма, а плавни — литий и магний.

• Глазурь Вэла Кушинга на конусы 9–12: петалит 76,9, тальк 14,2, мел 3,4, каолин 5,5. Расширение 0,8·10⁻⁶.
• Совет Лобелл: внутреннюю глазурь нельзя наносить толсто — будут трещины при остывании. Внешнюю часть она часто оставляет без глазури. Острые кромки провоцируют отскок.

Отдельное предупреждение: внутренняя глазурь Энн Стэннард рассчитана только на полностью испытанные литиевые и кордиеритовые массы. На обычной массе, по описанию автора, она отскочит острыми осколками. Глазурь и масса подбираются только парой.

Донабэ: что пишет производитель

Мастерская Нагатани-эн в Ига работает с 1832 года. Регион когда-то был дном озера Бива, и в местной глине много окаменелых микроорганизмов. При обжиге они выгорают, и глина становится исключительно пористой. Хансен, кстати, относит японский донабэ скорее к посуде для духовки, чем к посуде для открытого огня, судя по правилам ухода за ним.

Правила Нагатани-эн показательны для всей пористой посуды:

• Первая обработка (медомэ). Промыть и полностью высушить, налить рис с водой примерно на 80 % объёма, томить на слабом огне до густой каши, остужать больше часа, затем промыть. Крахмал заполняет поры. Повторять после 2–3 месяцев простоя.
• Нельзя нагревать влажный горшок — он может треснуть.
• Цек глазури — норма, мелкие трещины затягиваются той же рисовой обработкой.

У корейской посуды для огня, ттукпэги, тоже два класса: термостойкие горшки обжигают около 1200 °C, а обычные — около 800 °C, и их термостойкость слабая.

Сайт Just One Cookbook добавляет: никогда не нагревать пустым, избегать резких перепадов и разогревать ступенчато — сначала на слабом огне, потом на среднем.

Как проверить свою массу

• Тест Лобелл. Кипяток в горшок, на ночь в морозилку, затем сразу в духовку на 232 °C.
• Тест Дэниела Родса (по описанию Лобелл). Блюдо около 18 см с бортом 2,5 см ставят на плитку с водой, держат до выкипания и ещё 5 минут, затем опускают в холодную воду. Несколько циклов.
• Горелка и ведро (из архива Ceramics Monthly). Раскалить точку пропановой горелкой докрасна и щипцами бросить в воду. Только со щитком и в маске.
• Тест Хансена TSFL. Плитка 76×76 мм толщиной около 5 мм, пламя паяльной горелки в центр. Засекают время до трещины и отмечают, как треснула: тихо, со звуком или разлетелась.

Хансен предупреждает о двух вещах. Один тест почти ничего не доказывает: обжиг на 10 градусов выше может уничтожить малое расширение массы. А успешный тест не гарантирует безопасности навсегда: вода в скрытых порах позже может дать давление пара. Поэтому испытывайте каждую партию массы и каждую новую программу обжига, и не отдавайте посуду в работу по одному удачному образцу.

О конкретном рецепте массы для донабэ и посуды на огонь — в отдельной статье библиотеки.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Flameware, Thermal Shock, Quartz Inversion, Cristobalite, Thermal Expansion in Ceramic Bodies and Glazes, Cordierite Ceramics, материалы Petalite, Spodumene, Cordierite, оксид Li₂O, тест TSFL; Dave Finkelnburg, «Techno File: Spodumene» (Ceramics Monthly, 2015); промышленный центр префектуры Миэ — отчёты Ito, Nishikawa, Sakakiya (2008), Okamoto и др. (2013), Taniguchi, Niijima (2021); патент US3818087; Laguna Clay, Flameware WC440; Robbie Lobell, Studio Potter vol. 36 и «Cooking with Clay…» (Ceramic Arts Network); «Simple Cordierite Flameware Body» и «Interior Glaze for Flameware (Ann's Kaki)» (архив рецептов Ceramic Arts Network); Kyocera, Thermal Expansion; Е.М. Дятлова и др. (БГТУ); Пантелеенко, Попов, Шиманская, Вестник КузГТУ, 2022, №6; Saengchantara и др., Suranaree J. Sci. Tech., 2014; Nagatani-en — сайт и FAQ; Just One Cookbook, «How to season your donabe»; Wikipedia, «Ttukbaegi».