Was ist ein Brennofen? Konstruktion und Anwendung

Die aus dem altenglischen cyln abgeleiteten Wörter kiln und furnace werden häufig austauschbar verwendet, um eine Art von Ofen zu beschreiben, der auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt wird, die als Brennvorgang bezeichnet wird.

Nach der strengen Definition besteht der Unterschied darin, dass ein Ofen in kaltem Zustand beschickt und dann aufgeheizt wird, während ein Brennofen erst aufgeheizt wird, bevor er beschickt wird.

In der Industrie bedeutet dies, dass Brennöfen hauptsächlich mit Keramik und keramischen Prozessen wie der Wärmebehandlung eines Rohmaterials vor seiner Verwendung in einem Endprodukt in Verbindung gebracht werden. 

Beispiele sind das Brennen von Kalkstein, Feuerstein, Bauxit oder anderen Mineralien, um eine chemische Veränderung herbeizuführen - diese Veränderung wird Kalzinierung genannt. In der Keramik ist es notwendig, die Glasurbestandteile zu erhitzen, um eine Art von Glas, die Fritte, zu bilden. Die so entstandenen Glasfritten werden dann zu einem feinen Pulver gemahlen und anschließend farbigen Oxiden zugesetzt, um Glasuren herzustellen. Bei anderen verwandten Verfahren wie der Herstellung von Zement wird die Anlage ebenfalls als Ofen bezeichnet. Einige Trocknungsprozesse, die bei niedrigeren Temperaturen stattfinden, werden ebenfalls als Öfen bezeichnet, z. B. die Trocknung von Holz in einem beheizten Raum.

Andererseits werden Öfen in der Regel mit einem bestimmten Aspekt der Metallurgie in Verbindung gebracht. In der Eisen- und Stahlverarbeitung sprechen wir typischerweise von einem Hochofen oder einem Herdwagenofen, in Gießereien werden häufig Induktionsöfen und Wärmebehandlungsöfen zum Glühen usw. verwendet.

Keramiken und Töpferwaren

Die Herstellung von Keramik und Töpferwaren umfasst eine breite Palette von Produkten. Es gibt die so genannte Grobkeramik wie gewöhnliche Hausziegel, Sanitärkeramik, Dachziegel und Bodenfliesen sowie die Feinkeramik wie Geschirr und Zierfiguren. Sie alle bestehen aus Ton in irgendeiner Form, der mit anderen Mineralien vermischt wird und anschließend in einem Brennofen gebrannt wird. Die meisten Brennöfen für Emaille- und Golddekorationen sind Elektroöfen.

Glas

Glas in seiner bekanntesten Form als Fensterglas wird durch Aufbringen des geschmolzenen Glases auf ein Bad aus flüssigem Zinn in einem Ofen hergestellt. Mehr Geschick brauchen die Kunsthandwerker, die Vasen und andere Formen durch Glasblasen herstellen. In diesem Fall wird das geschmolzene Glas in einer Art Schmelzofen sehr heiß gemacht und der Glasbläser taucht seine Glasmacherpfeife durch die Entnahmeöffnung in die Flüssigkeit, bevor er beginnt, die Form auszublasen.

Arten von Keramikbrennöfen

Die erste Unterscheidung, die wir treffen können, ist die zwischen intermittierenden und kontinuierlichen Brennöfen. In einem intermittierenden Ofen werden die Materialien oder Gegenstände in die Brennkammer gegeben und dann durchläuft der Ofen einen Brennzyklus mit Aufheizen und Abkühlen, bevor das Werkstück am Ende entnommen wird. Bei einem Dauerbrandofen bleibt die Brennzone des Ofens ständig auf der gewünschten Temperatur und die Gegenstände werden durch sie hindurchgeführt.

Intermittierende Öfen

Es gibt sehr viele Arten von intermittierenden Öfen, von denen wir uns einige ansehen werden. In kleinem Maßstab gibt es einfache Öfen, die eine feste Aufstellfläche und eine Tür wie ein Ofen haben, in den der Bediener den Ofen zu Beginn des Prozesses füllt und am Ende leert. Im Inneren des Ofens können sich Regale befinden, die als Gestelle bezeichnet werden und die gesamte Anordnung von Gestellen und Stützen wird als Brennhilfsmittel bezeichnet. Die meisten dieser kleinen Brennöfen sind Aufwindöfen. Viele Töpfer verwenden von oben beladene Brenn-Öfen, die den Vorteil haben, dass sie nicht so viel Platz benötigen wie die anderen Typen.

 

Raku-Öfen

Ebenfalls beliebt bei den Studiotöpfern sind die Raku-Brennöfen, die im Gegensatz zu den traditionellen Brennöfen dazu dienen, die Töpfe bei hohen Temperaturen zu beschichten oder zu veredeln und dann sehr schnell abzukühlen.

In größerem Maßstab gibt es Pendelöfen, die über einen oder mehrere Ofenwagen verfügen, die im Freien beladen und dann, meist auf Schienen, eingeschoben werden können. Diese Herdwagenöfen sind seit vielen Jahren die Hauptstütze der Keramikindustrie. Alternativ kann der Aufsetzbereich fixiert werden und die Heizkammer des Herdwagenofens selbst fährt entweder zur Seite oder nach oben weg. Man spricht dann von einem Haubenofen. Für die Kalzinierung von Rohstoffen wird üblicherweise ein Schachtofen verwendet, bei dem das Material abwechselnd mit dem Brennstoff, Kohle oder Koks, schichtweise zugeführt und der Ofen von oben beschickt wird, während das fertige Material von unten entnommen wird.

Brennstoffe für Öfen

Brennöfen können mit verschiedenen Brennstoffen wie Strom, Erdgas, Stadtgas, schwerem Heizöl, Kohle, Koks und Holz betrieben werden. Moderne Brennöfen erziehlen ihre hohen Temperaturen durch Strom oder Gas. Die meisten Töpferöfen sind heutzutage Gas- oder Elektroöfen, aber historisch gesehen gab es auch eine andere Art von intermittierendem Ofen, der Kohle und Holz als Brennstoff verwendete. Die Kohle wurde in der Brennkammer zusammen mit der Ware verbrannt, die in Tonkisten, so genannten Saggars, untergebracht werden musste, um die Ware vor der schmutzigen Atmosphäre der brennenden Kohle zu schützen. Eine kleine Anzahl dieser Öfen ist als Kulturerbe erhalten geblieben und wird von Zeit zu Zeit aus pädagogischen Gründen gebrannt. In der Vergangenheit gab es auch eine Methode zum Brennen von Ziegeln, bei der eine Reihe von kreisförmig angeordneten Brennkammern verwendet wurde. Diese ebenfalls mit Kohle befeuerten Kammern wurden nacheinander befeuert, so dass ein Teil der Wärme aus der Befeuerung der einen Kammer für die Befeuerung der nächsten verwendet wurde. Diese Öfen wurden Hoffman-Öfen genannt.

Kohlebefeuerte Öfen und Holzöfen verursachen eine unannehmbare Luftverschmutzung.

Durchlauföfen

In einem Durchlaufofen wird die Brennzone permanent auf hoher Temperatur gehalten und das Werkstück wird durch sie hindurchgeführt. Eine gängige Methode hierfür ist die Verwendung eines beweglichen Bandes, das das Werkstück in einer bestimmten Zeit durch den Ofen befördert - bei so genannten Schnellbrandfliesen beträgt die Durchlaufzeit in der Regel ein bis zwei Stunden. Eine andere, traditionellere Methode ist die Verwendung eines Tunnelofens, bei dem die Ofenwagen kontinuierlich durch den Tunnel befördert werden. Die Durchlaufzeit kann 12 oder sogar 24 Stunden für einen Wagen betragen. Sie können sich vorstellen, dass der Nachteil dieses Systems darin besteht, dass immer Wagen zur Verfügung stehen müssen, um den Ofen zu beschicken. In der Regel wird tagsüber ein Vorrat an Fahrzeugen angelegt, der in der Nacht aufgebraucht wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass immer ein Heizer 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche anwesend sein muss. Für die Wärmebehandlung von Rohmaterial bedeutet dies den Einsatz eines Drehrohrofens, bei dem die Heizzone aus einem rotierenden Fass mit den Brennern in der Mitte besteht. Das Material kann durch die geneigte Trommel fließen und immer wieder durch die Heizflamme fallen.

Einige gängige Temperaturen in der Keramik

• Steingut - 1120^o C
• Steingut-Glasur - 1060^o C
• Porzellan - 1200^o C
• Salzglasur - 1250^o C
• Keramiktöpfe- 1300^o C
• Golddekoration - 800^o C
• Schmelzfarben auf Glasbasis - 500^o C

Baumaterialien

Hauptsächlich werden leichte Materialien (Isoliersteine und Keramikfasern) bevorzugt, um die Abkühlzeit des Ofens nach dem Brennen zu verkürzen. Am häufigsten werden Isoliersteine der Güteklasse 26 in Verbindung mit dem feuerfesten Mörtel Vitset 45 verwendet. Dies gilt natürlich nicht für Tunnelöfen, in denen die Temperatur konstant gehalten wird und die Ofenwagen durchfahren. Diese Öfen werden ausnahmslos mit dichten Schamottesteinen wie Schamottesteinen aus 42 % Silikat ausgekleidet.

Es ist wichtig, dass die in Keramikbrennöfen verwendeten Materialien (Ofenauskleidungen) nicht eisenhaltig sind, da die Arbeiten sehr oft weiß sind und die Aufnahme von Eisen in Verbindung mit der gebrannten Keramik schwarze oder grüne Flecken erzeugt. Außerdem müssen die Keramikfasern mit einer feuerfesten Beschichtung aus Zirkonfarbe überzogen werden, um zu verhindern, dass Fasern auf das Werkstück fallen - dies ist besonders bei glasierten Arbeiten nachteilig.

Für einige Anwendungen ist die Temperaturwechselbeständigkeit wichtig. Diese wird geprüft, indem die zu prüfenden Artikel erhitzt und dann in kaltes Wasser fallen gelassen werden. Dies wird bei steigender Temperatur so lange wiederholt, bis der Artikel entweder reißt oder zerbricht. Töpferwaren mit Glasur sind in der Regel 40 % stärker als Töpferwaren ohne Glasur und weisen daher eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit auf.

Salzglasur und Sodaöfen

Bei der Salzglasur werden die Tonstücke auf normale Weise gebrannt, aber wenn der Ofen die höchste Temperatur erreicht hat, wird Salz durch eine Öffnung an der Oberseite in den Ofen geschaufelt. Das Salz wird durch die Temperatur verdampft und bildet eine glänzende Schicht auf dem Werkstück. Bei diesem Verfahren ist das Salz sehr aggressiv und die feuerfesten Materialien sind anfällig für Chloridangriffe. Peter Meanley hat in Irland einige Arbeiten durchgeführt, die zeigen, dass die Ziegel geschützt werden können, wenn sie vor ihrer ersten Verwendung in der Salzglasur mit Silcas -A gestrichen werden. Das Verfahren in einem Soda-Ofen ist sehr ähnlich, allerdings wird Natriumbicarbonat statt Natriumchlorid verwendet.

Sonstige Öfen und Spezialöfen

Holztrockenkammer

Trocknung von Hartholz.

Wenn Holz aus einem gefällten Baum geschnitten wird, hat es einen hohen Feuchtigkeitsgehalt. Daher muss das Holz zunächst in Holzkammern getrocknet werden.

Es ist üblich, die Trocknung von Holz zu beschleunigen, indem man es in einer Art Ofen erhitzt, um seinen Feuchtigkeitsgehalt auf unter 25 % zu reduzieren. Dies gilt für die Verbrennung von Brennmaterial in einem Grill oder einem mit Holz befeuerten Pizzaofen oder sogar auf dem Hausofen oder im Kamin. Das auf diese Weise behandelte Holz wird als kammergetrocknetes Brennholz bezeichnet.

Möglichkeiten zur Kontrolle und Überwachung der Ofentemperaturen

Elektrischer Ofen

Moderne Elektroöfen sind in der Regel mit einem digitalen Programmregler ausgestattet, der die Temperaturen über ein Thermoelement überwacht und den Brennvorgang nach einem vorgegebenen Zeitplan steuert, der aus einem Vorheizprozess, einem Brenngradienten und einer Haltezeit bei Höchsttemperatur besteht.

Bei einem elektrischen Ofen ist eine einfachere Version davon eher ein Thermostat, der so genannte Ofenwächter. Dieser schaltet lediglich den Strom ein und aus, um einen bestimmten Sollwert zu erreichen.

Gasöfen

Gasöfen haben eine ähnliche Ausrüstung, aber jetzt müssen die elektrischen Instrumente die Gasventile steuern und die Drücke sowie die Temperaturen überwachen. Es ist wichtig, den Sauerstoffgehalt in Gasöfen zu messen. Ist der Wert zu niedrig, brennt das Gas nicht richtig und ist er zu hoch, kühlt der Ofen vorzeitig ab. Normalerweise läuft ein Gasofen mit einem Überdruck von 0,25 - 0,5 Pa gegenüber der Atmosphäre außerhalb des Ofens. Dadurch wird sichergestellt, dass Wärme aus dem Ofen entweicht und kalte Luft nicht eindringt.

Vor der Einführung moderner Messgeräte bestand die Methode darin, einen Ring aus einem Tonkörper mit bekannten Schrumpfungseigenschaften zu pressen. Während des Brennvorgangs wurde eine Reihe dieser Ringe aus dem Ofen genommen, bis festgestellt wurde, dass sich die Ringe auf die richtige Größe zusammengezogen hatten.

Die aus dem altenglischen cyln abgeleiteten Wörter kiln und furnace werden häufig austauschbar verwendet, um eine Art von Ofen zu beschreiben, der auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt wird, die als Brennvorgang bezeichnet wird.

Nach der strengen Definition besteht der Unterschied darin, dass ein Ofen in kaltem Zustand beschickt und dann aufgeheizt wird, während ein Brennofen erst aufgeheizt wird, bevor er beschickt wird.