Cuvântul englezesc kiln, derivat din termenul vechi englezesc cyln, și termenul furnace sunt folosite adesea interschimbabil pentru un tip de cuptor încălzit la temperaturi foarte ridicate, într-un proces cunoscut drept ardere.
Conform definiției stricte, diferența este că un cuptor pentru ceramică se încarcă la rece și apoi se încălzește, în timp ce un cuptor industrial este mai întâi încălzit și abia apoi încărcat cu material.
În industrie, acest lucru înseamnă că cuptoarele pentru ceramică sunt asociate în principal cu ceramica și procesele ceramice, de exemplu cu tratamentul termic al materiilor prime înainte ca acestea să fie utilizate într-un produs finit. Un exemplu este arderea calcarului, silexului, bauxitei sau a altor minerale pentru a produce o transformare chimică; această transformare se numește calcinare. În ceramică, componentele unei glazuri trebuie încălzite astfel încât să formeze un tip de sticlă, numit frită. Fritele de sticlă rezultate sunt apoi măcinate până la obținerea unei pulberi fine și adăugate oxizilor colorați pentru producerea glazurilor. Și în alte procese înrudite, precum producția de ciment, instalația este numită cuptor. Unele procese de uscare la temperaturi mai joase sunt uneori descrise tot ca procese de cuptor, de exemplu uscarea lemnului într-un spațiu încălzit și închis.
Cuptoarele industriale, pe de altă parte, sunt de obicei asociate cu o ramură a metalurgiei. În prelucrarea fierului și a oțelului se vorbește adesea despre furnal sau cuptor Siemens-Martin; în turnătorii se folosesc numeroase cuptoare cu inducție și cuptoare pentru tratament termic, de exemplu pentru recoacere.
Ceramică și olărit
Producția de ceramică și olărit include o gamă largă de produse. Printre acestea se numără așa-numitele produse ceramice grosiere, precum cărămizile obișnuite pentru construcții, obiectele sanitare ceramice, țiglele și plăcile de pardoseală, dar și ceramica fină, cum ar fi vesela și figurinele decorative. Toate aceste produse au la bază argilă într-o anumită formă, amestecată cu alte minerale, și sunt arse într-un cuptor. Majoritatea cuptoarelor pentru decorarea cu email și aur sunt cuptoare electrice.
Sticlă
Sticla în forma sa cea mai cunoscută, sticla plană, se obține lăsând sticla topită să plutească pe o baie de cositor lichid într-un cuptor. Este nevoie de mai multă măiestrie în cazul meșterilor care realizează vaze și alte forme prin suflarea sticlei. În acest caz, sticla topită este menținută caldă într-un tip special de cuptor numit glory hole, iar sticlarul își introduce țeava de suflat în masa de sticlă lichidă înainte de a începe formarea piesei.
Tipuri de cuptoare pentru ceramică
Prima clasificare pe care o putem face este diferența dintre cuptoarele discontinue și cuptoarele continue. Într-un cuptor discontinuu, materialele sau produsele sunt așezate în camera de ardere, iar cuptorul parcurge apoi un ciclu de ardere cu încălzire și răcire, după care piesele finite sunt scoase la final. Într-un cuptor continuu, zona de ardere rămâne permanent la temperatura dorită, iar produsele trec continuu prin aceasta.
Cuptoare discontinue
Cuptoarele discontinue există în multe variante constructive; analizăm aici câteva dintre ele. La scară mică se folosesc cuptoare simple, cu vatră fixă și ușă ca la un cuptor obișnuit, pe care operatorul le încarcă la începutul procesului și le golește la final. În cuptor pot exista plăci, numite plăci de cuptor, iar întregul ansamblu de plăci și suporți este numit mobilier de cuptor. Cele mai multe dintre aceste cuptoare mai mici sunt cuptoare cu tiraj ascendent. Mulți ceramiști folosesc cuptoare cu încărcare pe sus, care au avantajul că ocupă mai puțin spațiu decât alte tipuri.
Cuptoare raku
În ceramica de atelier sunt populare și cuptoarele raku. Spre deosebire de cuptoarele tradiționale, acestea sunt folosite pentru aplicarea la temperaturi ridicate a unor acoperiri sau finisaje de suprafață pe vase, urmată de o răcire foarte rapidă.
La scară mai mare se folosesc cuptoare cu vagonet, cu unul sau mai multe vagonete de cuptor. Acestea pot fi încărcate în afara cuptorului și apoi împinse în interior, de obicei pe șine. Astfel de cuptoare cu vagonet au fost timp de mulți ani echipamente standard în industria ceramică. O alternativă este vatra fixă, la care camera de încălzire a cuptorului cu vagonet se deplasează lateral sau în sus. Aceste cuptoare sunt numite, respectiv, cuptoare cu hotă mobilă și cuptoare tip clopot. Pentru calcinarea materiilor prime se folosește adesea un cuptor vertical, în care materialul este stivuit în straturi alternând cu combustibil, cărbune sau cocs. Cuptorul este încărcat de sus, iar materialul finit este evacuat prin partea inferioară.
Combustibili pentru cuptoare
Deși cuptoarele pot fi încălzite cu o varietate de combustibili, de la electricitate, gaz natural, gaz de oraș, păcură grea, cărbune, cocs până la lemn, cuptoarele moderne ating temperaturi ridicate în principal cu electricitate sau gaz. Majoritatea cuptoarelor actuale pentru ceramică sunt cuptoare pe gaz sau electrice, însă istoric a existat un alt tip de cuptor discontinuu, alimentat cu cărbune și lemn, numit cuptor tip sticlă. Cărbunele era ars în camera de ardere împreună cu produsele; acestea trebuiau introduse în casete din argilă, numite saggars, pentru a fi protejate de atmosfera poluată produsă de arderea cărbunelui. Un număr mic dintre aceste cuptoare s-a păstrat ca patrimoniu și este aprins ocazional în scopuri educative. În trecut exista și o metodă de ardere a cărămizilor în care o serie de camere de ardere erau dispuse în cerc. Aceste camere, alimentate tot cu cărbune, erau arse succesiv, astfel încât o parte din căldura unei camere era utilizată pentru arderea următoarei. Acestea erau cuptoarele Hoffmann.
Cuptoarele alimentate cu cărbune și lemn provoacă un nivel inacceptabil de poluare a aerului.
Cuptoare continue
Într-un cuptor continuu, zona de ardere este menținută permanent la temperatură ridicată, iar produsele se deplasează prin ea. O metodă populară este utilizarea unei benzi mobile care transportă produsele prin cuptor pe durata unui interval prestabilit; pentru așa-numitele plăci de perete și pardoseală cu ardere rapidă, un timp tipic de trecere ar fi de una până la două ore. O soluție mai tradițională este utilizarea unui cuptor tunel, în care vagonetele de cuptor sunt deplasate continuu prin tunel. Timpul de trecere poate fi de 12 ore sau chiar 24 de ore pentru un singur vagonet. Dezavantajul acestui sistem este, după cum se poate imagina, că trebuie să existe permanent vagonete disponibile pentru încărcare. De obicei, ziua se pregătește un stoc de vagonete, care este folosit noaptea. Un alt dezavantaj este că personalul cuptorului trebuie să fie prezent continuu, 24 de ore pe zi, 7 zile pe săptămână. În tratamentul termic al materiilor prime, acest lucru corespunde utilizării unui cuptor rotativ, în care zona de încălzire este alcătuită dintr-un tambur rotativ cu arzătoare în centru. Materialul se poate deplasa prin tamburul înclinat și cade repetat prin flacăra de încălzire.
Câteva temperaturi uzuale în ceramică.
- Arderea de biscuit a gresiei ceramice – 1120 °C
- Arderea glazurii pentru gresie ceramică – 1060 °C
- Porțelan – 1200 °C
- Glazură cu sare – 1250 °C
- Porțelan de os – 1300 °C
- Decorare cu aur, numită și aurire – 800 °C
- Culori email pe bază de sticlă – 500 °C
Materiale de construcție
Sunt preferate în special materialele ușoare (cărămizi termoizolante și fibră ceramică), pentru a scurta timpul de răcire al cuptorului după ardere. Cărămida termoizolantă clasa 26 este cel mai des utilizată împreună cu mortarul refractar Vitset 45. Acest lucru nu se aplică, desigur, unui cuptor tunel, unde temperatura este menținută constantă, iar vagonetele trec prin cuptor; aceste cuptoare sunt de regulă căptușite cu cărămizi refractare dense, de exemplu cărămizi refractare din șamotă aluminoasă cu 42 % Al₂O₃.
Este important ca materialele utilizate în cuptoarele pentru ceramică (căptușeli de cuptor) să aibă un conținut redus de fier, deoarece produsele sunt foarte adesea albe, iar contaminarea cu fier în combinație cu ceramica arsă poate provoca pete negre sau verzi. Fibra ceramică trebuie, de asemenea, prevăzută cu o acoperire refractară pe bază de zircon, pentru a preveni căderea fibrelor libere pe produse; acest lucru este deosebit de dăunător în cazul produselor glazurate.
În unele aplicații este importantă rezistența la șoc termic. Aceasta se testează prin încălzirea probelor și apoi scufundarea lor în apă rece. Procedura se repetă la temperaturi tot mai ridicate până când piesa crapă sau se dezintegrează. Ceramica glazurată este, în general, cu 40 % mai rezistentă decât ceramica neglazurată și are astfel o rezistență mai mare la șoc termic.
Glazură cu sare și cuptoare cu sodă
În procesul de glazurare cu sare, produsele din argilă sunt arse în mod obișnuit, însă când cuptorul ajunge la temperatura maximă, sarea este presărată în cuptor printr-o deschidere din partea superioară. Temperatura vaporizează sarea, iar aceasta formează un strat lucios pe produse. În acest proces, sarea este foarte agresivă, iar materialele refractare sunt sensibile la atacul clorurilor. Peter Meanley din Irlanda a realizat lucrări care arată că pietrele pot fi protejate dacă sunt tratate înainte de prima utilizare la glazurarea cu sare cu Silcas -A. Procesul într-un cuptor cu sodă este foarte asemănător, dar folosește bicarbonat de sodiu în loc de clorură de sodiu.
Alte cuptoare și cuptoare speciale
Cuptor pentru uscarea lemnului
Uscarea lemnului de esență tare.
Atunci când cheresteaua este tăiată pentru prima dată dintr-un copac doborât, aceasta are un conținut ridicat de umiditate. Lemnul trebuie, prin urmare, uscat mai întâi în camere de uscare pentru lemn.
Uscarea lemnului este adesea accelerată prin încălzirea acestuia într-un anumit tip de cuptor de uscare, astfel încât conținutul de umiditate să fie redus la mai puțin de 25 %. Acest lucru se aplică arderii combustibilului într-un grătar, într-un cuptor de pizza pe lemne sau chiar într-o sobă ori într-un șemineu casnic pe lemne. Lemnul tratat astfel se numește lemn de foc uscat în cuptor.
Modalități de reglare și monitorizare a temperaturilor în cuptor
Cuptor electric
Cuptoarele electrice moderne sunt de obicei echipate cu un regulator digital programabil, care monitorizează temperaturile cu ajutorul unui termocuplu și controlează procesul de ardere conform unui program prestabilit, cu fază de preîncălzire, creștere a temperaturii și menținere la temperatura maximă.
Într-un cuptor electric, o versiune mai simplă a acestui sistem seamănă mai mult cu un termostat și este numită kiln sitter. Aceasta doar pornește și oprește alimentarea pentru a atinge valoarea setată.
Cuptoare pe gaz
Cuptoarele pe gaz au echipamente similare, însă instrumentele electrice trebuie acum să acționeze robinetele de gaz și să monitorizeze atât presiunile, cât și temperaturile. La cuptoarele pe gaz este important să se măsoare nivelul de oxigen din cuptor. Dacă nivelul este prea scăzut, gazul nu va arde corect; dacă este prea ridicat, cuptorul se răcește prematur. Un cuptor pe gaz este de obicei încălzit cu o ușoară suprapresiune în interior, de 0,25–0,5 Pa față de atmosfera din afara cuptorului. Astfel se asigură căldura curge din cuptor spre exterior, în loc ca aerul rece să pătrundă în cuptor.
Înainte de apariția instrumentației moderne se folosea o metodă în care se presa un inel din masă ceramică cu proprietăți de contracție cunoscute. În timpul arderii, câteva dintre aceste inele erau scoase succesiv din cuptor, până când se constata că s-au contractat la dimensiunea corectă.
