Czym jest piec ceramiczny? Budowa i zastosowanie
Angielskie słowa kiln, wywodzące się ze staroangielskiego cyln, oraz furnace są często używane zamiennie na określenie pieca rozgrzewanego do bardzo wysokiej temperatury w procesie nazywanym wypalaniem.
Ściśle rzecz ujmując, różnica polega na tym, że piec typu kiln załadowuje się na zimno, a następnie nagrzewa, natomiast piec typu furnace najpierw się nagrzewa, a dopiero później załadowuje.
W przemyśle oznacza to, że określenie kiln wiąże się przede wszystkim z ceramiką i procesami ceramicznymi, takimi jak obróbka cieplna surowca przed wykorzystaniem go w gotowym wyrobie. Przykładem jest wypalanie wapienia, krzemienia, boksytu lub innych minerałów w celu wywołania przemiany chemicznej — proces ten nazywa się kalcynacją. W ceramice konieczne jest ogrzanie składników szkliwa, aby powstał rodzaj szkła zwany frytą. Otrzymane fryty szklane miele się następnie na drobny proszek i dodaje do tlenków barwiących w celu przygotowania szkliw. Określenie kiln stosuje się również do urządzeń wykorzystywanych w innych pokrewnych procesach, takich jak produkcja cementu. Niektóre urządzenia do suszenia w niższych temperaturach także określa się tym słowem, na przykład suszarnie do drewna, w których suszenie odbywa się w ogrzewanej komorze.
Z kolei określenie furnace zwykle wiąże się z metalurgią. W hutnictwie żelaza i stali mówi się zazwyczaj o wielkim piecu lub piecu martenowskim, natomiast w odlewniach często stosuje się piece indukcyjne oraz piece do obróbki cieplnej, między innymi do wyżarzania.
Ceramika i garncarstwo
Produkcja ceramiki i wyrobów garncarskich obejmuje szeroką gamę produktów. Należą do nich tak zwana ceramika ciężka, na przykład zwykłe cegły budowlane, ceramika sanitarna, dachówki i płytki podłogowe, a także ceramika szlachetna, taka jak zastawa stołowa i figurki dekoracyjne. Wszystkie te wyroby powstają z gliny w różnej postaci, zmieszanej z innymi minerałami, i wszystkie poddaje się wypalaniu w piecu. Większość pieców do wypalania dekoracji emaliowanych i złoceń to piece elektryczne.
Szkło
Szkło w swojej najbardziej znanej postaci, czyli szkło okienne, wytwarza się przez wylewanie masy szklanej na kąpiel ze stopionej cyny w piecu. Większych umiejętności wymaga praca rzemieślników, którzy tworzą wazony i inne formy metodą dmuchania szkła. W tym przypadku stopione szkło utrzymuje się w wysokiej temperaturze w rodzaju pieca zwanego Glory Hole, a operator zanurza piszczel szklarską w płynnej masie, zanim zacznie wydmuchiwać pożądany kształt.
Rodzaje pieców ceramicznych
Podstawowy podział obejmuje piece okresowe i piece ciągłe. W piecu okresowym materiały lub wyroby umieszcza się w komorze wypalania, a następnie piec przechodzi cykl obejmujący nagrzewanie i chłodzenie. Po jego zakończeniu wyroby są wyjmowane. W piecu ciągłym strefa wypalania jest stale utrzymywana w wymaganej temperaturze, a wyroby przemieszczają się przez nią.
Piece okresowe
Istnieje wiele konstrukcji pieców okresowych. Przyjrzyjmy się niektórym z nich. W małych pracowniach stosuje się proste piece ze stałą przestrzenią załadunkową i drzwiczkami przypominającymi drzwiczki piekarnika. Operator załadowuje taki piec na początku procesu i opróżnia go po jego zakończeniu. Wewnątrz mogą znajdować się półki, czyli płyty piecowe, a cały zestaw płyt i podpór określa się jako osprzęt piecowy. Większość takich małych pieców to piece z ciągiem wznoszącym. Wielu garncarzy korzysta z pieców ładowanych od góry, których zaletą jest mniejsze zapotrzebowanie na miejsce niż w przypadku innych typów.
Piece do wypału raku
W pracowniach ceramicznych popularne są również piece do wypału raku. W odróżnieniu od tradycyjnych pieców służą one do nanoszenia powłok lub wykończeń na naczynia w wysokiej temperaturze, po czym następuje ich bardzo szybkie chłodzenie.
Na większą skalę stosuje się piece wahadłowe wyposażone w jeden lub kilka wózków piecowych, które można załadować na zewnątrz, a następnie wsunąć do pieca, zwykle po szynach. Piece te od wielu lat stanowią podstawowe wyposażenie przemysłu ceramicznego. Innym rozwiązaniem jest stała przestrzeń załadunkowa i ruchoma komora grzewcza pieca, odsuwana na bok albo unoszona do góry. Są to odpowiednio piece z przesuwną komorą oraz piece kołpakowe. Do kalcynacji surowców powszechnie stosuje się piec szybowy, w którym materiał układa się warstwami naprzemiennie z paliwem — węglem lub koksem. Piec załadowuje się od góry, a gotowy materiał odbiera od dołu.
Paliwa i źródła energii do pieców
Piece mogą być zasilane energią elektryczną lub opalane gazem ziemnym, gazem miejskim, ciężkim olejem opałowym, węglem, koksem i drewnem. Współczesne piece osiągają jednak wysokie temperatury głównie dzięki energii elektrycznej lub gazowi. Obecnie większość pieców garncarskich to piece gazowe lub elektryczne, ale dawniej stosowano również inny rodzaj pieca okresowego, opalanego węglem i drewnem, zwanego piecem butelkowym. Węgiel spalano w komorze wypalania razem z wyrobami, które należało umieszczać w glinianych pojemnikach zwanych kapslami, aby chronić je przed zanieczyszczoną atmosferą powstającą podczas spalania węgla. Niewielka liczba takich pieców zachowała się jako element dziedzictwa przemysłowego i od czasu do czasu uruchamia się je w celach edukacyjnych. Dawniej stosowano również metodę wypalania cegieł w szeregu komór ustawionych w pierścień. Komory te, również opalane węglem, uruchamiano kolejno, dzięki czemu część ciepła z wypalania w jednej komorze wykorzystywano do wypalania w następnej. Były to piece kręgowe Hoffmanna.
Piece opalane węglem i drewnem powodują niedopuszczalnie wysoki poziom zanieczyszczenia powietrza.
Piece ciągłe
W piecu ciągłym strefa wypalania jest stale utrzymywana w wysokiej temperaturze, a wyroby przemieszczają się przez nią. Jednym z popularnych rozwiązań jest ruchoma taśma, która transportuje wyroby przez piec w określonym czasie — w przypadku tak zwanych płytek szybkiego wypału czas przejścia wynosi zwykle jedną lub dwie godziny. Inną, bardziej tradycyjną metodą jest zastosowanie pieca tunelowego, przez który w sposób ciągły przesuwają się wózki piecowe. Czas przejścia jednego wózka może wynosić 12, a nawet 24 godziny. Wadą tego systemu jest konieczność stałego dostarczania kolejnych wózków. Zwykle zapas załadowanych wózków przygotowuje się w ciągu dnia i wykorzystuje w nocy. Kolejną wadą jest konieczność stałej obecności palacza przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Do obróbki cieplnej surowców stosuje się natomiast piec obrotowy, w którym strefę grzewczą stanowi obracający się walczak z palnikami umieszczonymi pośrodku. Materiał przemieszcza się przez nachylony walczak, wielokrotnie przesypując się przez płomień grzewczy.
Typowe temperatury stosowane w ceramice
- Wypał biskwitowy ceramiki glinianej — 1120 °C
- Wypał szkliwa na ceramice glinianej — 1060 °C
- Porcelana — 1200 °C
- Szkliwienie solne — 1250 °C
- Porcelana kostna — 1300 °C
- Złocenie — 800 °C
- Barwniki emaliowe na bazie szkła — 500 °C
Materiały konstrukcyjne
Preferowane są przede wszystkim materiały lekkie (cegły izolacyjne i włókno ceramiczne), aby skrócić czas chłodzenia pieca po wypalaniu. Najczęściej stosuje się cegłę izolacyjną klasy 26 w połączeniu z zaprawą ogniotrwałą Vitset 45. Nie dotyczy to oczywiście pieców tunelowych, w których temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie, a wózki piecowe przemieszczają się przez piec. Piece te wykłada się zazwyczaj zwartymi cegłami ogniotrwałymi, takimi jak cegły szamotowe o zawartości 42% tlenku glinu.
Ważne jest, aby materiały stosowane wewnątrz pieców ceramicznych (wyłożenia pieców) miały niską zawartość żelaza. Wypalane wyroby są bowiem bardzo często białe, a zanieczyszczenie żelazem powoduje powstawanie czarnych lub zielonych plam w wyniku jego reakcji z wypalaną ceramiką. Konieczne jest również pokrycie włókna ceramicznego ogniotrwałą powłoką cyrkonową, aby zapobiec opadaniu luźnych włókien na wyroby — jest to szczególnie szkodliwe w przypadku wyrobów szkliwionych.
W niektórych zastosowaniach istotna jest odporność na szok termiczny. Bada się ją, nagrzewając próbki, a następnie zanurzając je w zimnej wodzie. Czynność tę powtarza się wielokrotnie przy coraz wyższej temperaturze, aż próbka pęknie lub się rozpadnie. Ceramika szkliwiona jest zwykle o 40% wytrzymalsza od nieszkliwionej, dlatego wykazuje większą odporność na szok termiczny.
Szkliwienie solne i piece do wypału sodowego
W procesie szkliwienia solnego wyroby z gliny wypala się w zwykły sposób, lecz po osiągnięciu maksymalnej temperatury do pieca wsypuje się sól przez otwór w jego górnej części. Pod wpływem temperatury sól odparowuje i tworzy na wyrobach błyszczącą warstwę. W tym procesie sól działa bardzo agresywnie, a materiały ogniotrwałe są narażone na korozję chlorkową. Badania przeprowadzone przez Petera Meanleya w Irlandii wykazały, że cegły można zabezpieczyć, pokrywając je Silcas -A przed pierwszym użyciem do szkliwienia solnego. Proces w piecu do wypału sodowego jest bardzo podobny, jednak zamiast chlorku sodu stosuje się wodorowęglan sodu.
Inne piece i piece specjalistyczne
Suszarnia do drewna
Suszenie drewna twardego.
Tarcica uzyskana ze świeżo ściętego drzewa ma wysoką wilgotność. Dlatego drewno należy najpierw wysuszyć w suszarni.
Powszechnie przyspiesza się sezonowanie drewna przez ogrzewanie go w suszarni, aby obniżyć jego wilgotność poniżej 25%. Dotyczy to drewna przeznaczonego do spalania w grillu, piecu do pizzy opalanym drewnem, a także w domowym piecu grzewczym lub kominku. Drewno poddane takiej obróbce nazywa się drewnem opałowym suszonym komorowo.
Sposoby regulacji i monitorowania temperatury w piecach
Piec elektryczny
Nowoczesne piece elektryczne są zazwyczaj wyposażone w cyfrowy regulator programowalny, który monitoruje temperaturę mierzoną przez termoparę i steruje procesem wypalania zgodnie z ustalonym programem. Program obejmuje etap nagrzewania wstępnego, określone tempo wzrostu temperatury oraz okres wygrzewania w temperaturze maksymalnej.
W piecu elektrycznym prostszą wersją takiego urządzenia jest regulator typu kiln sitter, działający podobnie do termostatu. Włącza on i wyłącza zasilanie, aby osiągnąć zadaną temperaturę.
Piece gazowe
Piece gazowe mają podobne wyposażenie, jednak aparatura elektryczna musi dodatkowo sterować zaworami gazowymi oraz monitorować ciśnienie i temperaturę. Ważny jest pomiar poziomu tlenu wewnątrz pieca gazowego. Jeśli jest on zbyt niski, gaz nie będzie spalał się prawidłowo, a jeśli zbyt wysoki — piec będzie przedwcześnie się wychładzał. Zazwyczaj podczas nagrzewania pieca gazowego utrzymuje się w jego wnętrzu nadciśnienie 0,25–0,5 Pa względem atmosfery na zewnątrz. Dzięki temu ciepło wydostaje się z pieca, zamiast dopuścić do napływu zimnego powietrza do środka.
Przed wprowadzeniem nowoczesnej aparatury pomiarowej stosowano pierścienie prasowane z masy ceramicznej o znanej charakterystyce skurczu. W miarę postępu wypalania wyjmowano z pieca kolejne pierścienie, aż stwierdzono, że skurczyły się do właściwego rozmiaru.