Das englische Wort kiln, abgeleitet vom altenglischen cyln, und der Begriff furnace werden häufig für einen Ofentyp verwendet, der in einem als Feuern oder Brennen bekannten Prozess auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wird.
Nach der strengen Definition besteht der Unterschied darin, dass ein Keramikofen kalt beschickt und anschließend aufgeheizt wird, während ein Industrieofen zuerst erhitzt und erst danach mit Material befüllt wird.
In der Industrie bedeutet dies, dass Keramiköfen vor allem mit Keramik und keramischen Prozessen verbunden sind, zum Beispiel mit der thermischen Behandlung von Rohstoffen, bevor diese in einem Endprodukt verwendet werden. Ein Beispiel ist das Brennen von Kalkstein, Feuerstein, Bauxit oder anderen Mineralien, um eine chemische Veränderung herbeizuführen; diese Veränderung wird als Kalzinieren bezeichnet. In der Keramik müssen die Bestandteile einer Glasur erhitzt werden, damit sie eine glasartige Masse bilden, die Fritte genannt wird. Die entstandenen Glasfritten werden anschließend zu einem feinen Pulver vermahlen und farbigen Oxiden zur Herstellung von Glasuren zugesetzt. Auch bei anderen verwandten Prozessen, etwa bei der Zementherstellung, wird die Anlage als Ofen bezeichnet. Einige Trocknungsprozesse bei niedrigeren Temperaturen werden ebenfalls gelegentlich als Ofenprozesse bezeichnet, zum Beispiel das Trocknen von Holz in einem beheizten, geschlossenen Raum.
Industrieöfen werden dagegen meist einem Bereich der Metallurgie zugeordnet. Bei der Verarbeitung von Eisen und Stahl spricht man häufig von einem Hochofen oder einem Siemens-Martin-Ofen; in Gießereien werden viele Induktionsöfen und Wärmebehandlungsöfen eingesetzt, zum Beispiel zum Glühen.
Keramik und Töpferwaren
Die Herstellung von Keramik und Töpferwaren umfasst eine große Produktvielfalt. Dazu gehören sogenannte grobkeramische Produkte wie gewöhnliche Mauerziegel, Sanitärkeramik, Dachziegel und Bodenfliesen, aber auch Feinkeramik wie Tischgeschirr und dekorative Figuren. Alle diese Produkte basieren auf Ton in einer bestimmten Form, der mit anderen Mineralien vermischt wird, und alle werden in einem Ofen gebrannt. Die meisten Öfen für Email- und Golddekor sind Elektroöfen.
Glas
Glas in seiner bekanntesten Form, Flachglas, wird hergestellt, indem geschmolzenes Glas in einem Ofen auf einem Bad aus flüssigem Zinn schwimmt. Mehr handwerkliches Können ist bei Kunsthandwerkern gefragt, die Vasen und andere Formen durch Glasblasen herstellen. In diesem Fall wird das geschmolzene Glas in einem speziellen Ofentyp warm gehalten, der als Glory Hole bezeichnet wird, und der Glasbläser taucht seine Glasmacherpfeife in die flüssige Glasmasse, bevor er mit dem Ausblasen der Form beginnt.
Arten von Keramiköfen
Die erste Einteilung, die wir vornehmen können, ist die Unterscheidung zwischen Chargenöfen und Durchlauföfen. In einem Chargenofen werden die Materialien oder Produkte in den Brennraum gestellt, anschließend durchläuft der Ofen einen Brennzyklus aus Aufheizen und Abkühlen, und die fertigen Stücke werden am Ende entnommen. Bei einem Durchlaufofen bleibt die Brennzone dauerhaft auf der gewünschten Temperatur, und die Produkte bewegen sich kontinuierlich hindurch.
Chargenöfen
Chargenöfen gibt es in vielen konstruktiven Ausführungen; einige davon betrachten wir hier. Im kleinen Maßstab werden einfache Öfen mit fester Setzfläche und einer Tür wie bei einem Ofen verwendet, wobei der Bediener den Ofen zu Beginn des Prozesses belädt und am Ende entleert. Im Ofen können Platten vorhanden sein, die Brennplatten genannt werden, und die gesamte Anordnung aus Platten und Stützen wird als Ofenbesatz oder Brennhilfsmittel bezeichnet. Die meisten dieser kleineren Öfen sind Aufwärtszugöfen. Viele Keramiker verwenden Toplader, die den Vorteil haben, dass sie weniger Platz benötigen als andere Bauarten.
Raku-Öfen
In der Atelierkeramik sind auch Raku-Öfen beliebt. Im Gegensatz zu traditionellen Öfen werden sie verwendet, um Beschichtungen oder Oberflächenveredelungen bei hohen Temperaturen auf Gefäße aufzubringen und diese anschließend sehr schnell abzukühlen.
In größerem Maßstab werden Herdwagenöfen mit einem oder mehreren Ofenwagen eingesetzt. Diese können außerhalb des Ofens beladen und anschließend in den Ofen gefahren werden, meist auf Schienen. Solche Herdwagenöfen waren über viele Jahre Standardausrüstung in der keramischen Industrie. Eine Alternative ist eine feste Setzfläche, bei der die Heizkammer des Herdwagenofens selbst seitlich oder nach oben verfahren wird. Diese Öfen werden entsprechend als Öfen mit verfahrbarer Haube und als Top-Hat-Öfen beziehungsweise Haubenöfen bezeichnet. Zum Kalzinieren von Rohstoffen wird häufig ein Schachtofen eingesetzt, bei dem das Material schichtweise aufgestapelt wird, abwechselnd mit Brennstoff, Kohle oder Koks. Der Ofen wird von oben beschickt, und das fertige Material wird an der Unterseite entnommen.
Brennstoffe für Öfen
Obwohl Öfen mit unterschiedlichen Brennstoffen beheizt werden können, von Strom, Erdgas, Stadtgas, schwerem Heizöl, Kohle, Koks bis hin zu Holz, erreichen moderne Öfen hohe Temperaturen vor allem elektrisch oder mit Gas. Die meisten heutigen Töpferöfen sind Gas- oder Elektroöfen, historisch gab es jedoch noch einen anderen Typ von Chargenofen, der mit Kohle und Holz befeuert wurde und Flaschenofen genannt wurde. Die Kohle wurde zusammen mit den Produkten im Brennraum verbrannt; diese mussten in Tonkapseln, sogenannten Saggars, platziert werden, um sie vor der verunreinigten Atmosphäre der brennenden Kohle zu schützen. Eine kleine Zahl dieser Öfen ist als Kulturerbe erhalten geblieben und wird gelegentlich zu Lehrzwecken befeuert. In der Vergangenheit gab es auch eine Methode zum Brennen von Ziegeln, bei der eine Reihe von Brennkammern kreisförmig angeordnet war. Diese ebenfalls mit Kohle befeuerten Kammern wurden nacheinander gebrannt, sodass ein Teil der Wärme einer Kammer zum Brennen der nächsten genutzt wurde. Dies waren Hoffmannsche Ringöfen.
Mit Kohle und Holz befeuerte Öfen verursachen ein nicht vertretbares Maß an Luftverschmutzung.
Durchlauföfen
In einem Durchlaufofen wird die Brennzone dauerhaft auf hoher Temperatur gehalten, und die Produkte bewegen sich hindurch. Eine verbreitete Methode ist der Einsatz eines beweglichen Förderbands, das die Produkte während einer vorher festgelegten Zeit durch den Ofen führt; bei sogenannten schnell gebrannten Wand- und Bodenfliesen läge eine typische Durchlaufzeit bei ein bis zwei Stunden. Eine traditionellere Lösung ist der Tunnelofen, bei dem Ofenwagen kontinuierlich durch den Tunnel gefahren werden. Die Durchlaufzeit kann 12 Stunden betragen oder sogar 24 Stunden für einen Wagen. Der Nachteil dieses Systems ist, wie man sich vorstellen kann, dass ständig Wagen zum Beladen verfügbar sein müssen. Gewöhnlich wird tagsüber ein Vorrat an Wagen vorbereitet und nachts genutzt. Ein weiterer Nachteil ist, dass Ofenpersonal kontinuierlich anwesend sein muss, 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche. Bei der Wärmebehandlung von Rohstoffen entspricht dies dem Einsatz eines Drehrohrofens, bei dem die Heizzone aus einer rotierenden Trommel mit Brennern in der Mitte besteht. Das Material kann sich durch die geneigte Trommel bewegen und wiederholt durch die Heizflamme fallen.
Einige übliche Temperaturen in der Keramik.
- Schrühbrand von Steinzeug – 1120 °C
- Glasurbrand von Steinzeug – 1060 °C
- Porzellan – 1200 °C
- Salzglasur – 1250 °C
- Knochenporzellan – 1300 °C
- Golddekor, auch Vergolden genannt – 800 °C
- Emailfarben auf Glasbasis – 500 °C
Konstruktionsmaterialien
Bevorzugt werden vor allem leichte Materialien (Isolierfeuersteine und Keramikfaser), um die Abkühlzeit des Ofens nach dem Brennen zu verkürzen. Isolierfeuerstein Klasse 26 wird am häufigsten in Kombination mit Vitset 45 feuerfestem Mörtel verwendet. Dies gilt selbstverständlich nicht für einen Tunnelofen, bei dem die Temperatur konstant gehalten wird und die Ofenwagen durch den Ofen fahren; diese Öfen sind in der Regel mit dichten Feuerfeststeinen ausgekleidet, zum Beispiel mit Feuerfeststeinen aus tonerdereicher Schamotte mit 42 % Al₂O₃.
Es ist wichtig, dass die in Keramiköfen verwendeten Materialien (Ofenauskleidungen) einen niedrigen Eisengehalt haben, da die Produkte sehr häufig weiß sind und Eisenverunreinigungen in Verbindung mit der gebrannten Keramik schwarze oder grüne Flecken verursachen können. Keramikfaser sollte außerdem mit einer feuerfesten Zirkonbeschichtung versehen werden, um zu verhindern, dass lose Fasern auf die Produkte fallen; dies ist besonders bei glasierten Produkten schädlich.
Bei einigen Anwendungen ist die Temperaturwechselbeständigkeit wichtig. Sie wird geprüft, indem Probekörper erhitzt und anschließend in kaltes Wasser getaucht werden. Dieser Vorgang wird bei immer höheren Temperaturen wiederholt, bis das Stück reißt oder auseinanderfällt. Glasierte Keramik ist in der Regel 40 % stärker als unglasierte Keramik und hat dadurch eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit.
Salzglasur und Sodaöfen
Beim Salzglasurverfahren werden Tonprodukte auf die übliche Weise gebrannt, doch wenn der Ofen die maximale Temperatur erreicht, wird durch eine Öffnung an der Oberseite Salz in den Ofen gestreut. Durch die Temperatur verdampft das Salz und bildet eine glänzende Schicht auf den Produkten. In diesem Prozess ist Salz sehr aggressiv, und feuerfeste Materialien sind anfällig für Chloridangriff. Peter Meanley in Irland hat Arbeiten durchgeführt, die zeigen, dass Steine geschützt werden können, wenn sie vor dem ersten Einsatz bei der Salzglasur mit Silcas -A behandelt werden. Der Prozess in einem Sodaofen ist sehr ähnlich, verwendet jedoch Natriumbicarbonat anstelle von Natriumchlorid.
Andere Öfen und Spezialöfen
Holztrockenkammer
Das Trocknen von Hartholz.
Wenn Schnittholz erstmals aus einem gefällten Baum gesägt wird, hat es einen hohen Feuchtigkeitsgehalt. Das Holz muss daher zunächst in Holztrockenkammern getrocknet werden.
Das Trocknen von Holz wird häufig beschleunigt, indem es in einer bestimmten Art von Trockenkammer erwärmt wird, sodass der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 25 % reduziert wird. Dies gilt für das Verbrennen von Brennstoff in einem Grill, in einem holzbefeuerten Pizzaofen oder sogar in einem haushaltsüblichen Kaminofen oder Kamin. Holz, das auf diese Weise behandelt wurde, wird kammergetrocknetes Brennholz genannt.
Möglichkeiten zur Steuerung und Überwachung der Ofentemperaturen
Elektroofen
Moderne Elektroöfen sind in der Regel mit einem digitalen programmierbaren Regler ausgestattet, der die Temperaturen mit einem Thermoelement überwacht und den Brennprozess nach einem voreingestellten Programm mit Vorwärmphase, Temperaturanstieg und Haltezeit bei maximaler Temperatur steuert.
In einem Elektroofen ähnelt eine einfachere Variante dieses Systems eher einem Thermostat und wird Kiln Sitter genannt. Dieser schaltet lediglich die Stromversorgung ein und aus, um den eingestellten Wert zu erreichen.
Gasöfen
Gasöfen verfügen über vergleichbare Ausrüstung, doch die elektrischen Instrumente müssen nun Gasventile steuern und sowohl Drücke als auch Temperaturen überwachen. Bei Gasöfen ist es wichtig, den Sauerstoffgehalt im Ofen zu messen. Ist der Wert zu niedrig, verbrennt das Gas nicht richtig; ist er zu hoch, kühlt der Ofen vorzeitig ab. Ein Gasofen wird meist mit einem leichten Überdruck im Ofen von 0,25–0,5 Pa gegenüber der Atmosphäre außerhalb des Ofens betrieben. So wird sichergestellt, dass Wärme aus dem Ofen nach außen strömt, statt dass kalte Luft in den Ofen eindringt.
Vor dem Aufkommen moderner Messtechnik wurde eine Methode verwendet, bei der ein Ring aus keramischer Masse mit bekannten Schwindungseigenschaften gepresst wurde. Während des Brandes wurden einige dieser Ringe nacheinander aus dem Ofen entnommen, bis festgestellt wurde, dass sie auf das richtige Maß geschrumpft waren.
