Η αγγλική λέξη kiln, η οποία προέρχεται από την παλαιοαγγλική λέξη cyln, και ο όρος furnace χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά για έναν τύπο κλιβάνου που θερμαίνεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, στο πλαίσιο μιας διαδικασίας γνωστής ως όπτηση ή ψήσιμο.
Σύμφωνα με τον αυστηρό ορισμό, η διαφορά είναι ότι ο κεραμικός κλίβανος φορτώνεται όσο είναι κρύος και στη συνέχεια θερμαίνεται, ενώ η βιομηχανική κάμινος θερμαίνεται πρώτα και κατόπιν τροφοδοτείται με υλικό.
Στη βιομηχανία αυτό σημαίνει ότι οι κεραμικοί κλίβανοι συνδέονται κυρίως με την κεραμική και τις κεραμικές διεργασίες, όπως η θερμική επεξεργασία πρώτων υλών πριν χρησιμοποιηθούν σε ένα τελικό προϊόν. Ένα παράδειγμα είναι η όπτηση ασβεστόλιθου, πυριτόλιθου, βωξίτη ή άλλων ορυκτών με σκοπό την πρόκληση χημικής μεταβολής· η διαδικασία αυτή ονομάζεται πύρωση. Στην κεραμική, τα συστατικά ενός υαλώματος πρέπει να θερμανθούν ώστε να σχηματίσουν ένα είδος γυαλιού, γνωστό ως φρίτα. Οι φρίτες που προκύπτουν αλέθονται στη συνέχεια σε λεπτή σκόνη και αναμειγνύονται με έγχρωμα οξείδια για την παραγωγή υαλωμάτων. Και σε άλλες συναφείς διεργασίες, όπως η παραγωγή τσιμέντου, η εγκατάσταση ονομάζεται κλίβανος. Ορισμένες διεργασίες ξήρανσης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες χαρακτηρίζονται επίσης μερικές φορές ως διεργασίες κλιβάνου, όπως η ξήρανση ξυλείας μέσα σε θερμαινόμενο, κλειστό χώρο.
Αντίθετα, οι βιομηχανικές κάμινοι συνδέονται συνήθως με κάποιον κλάδο της μεταλλουργίας. Στην επεξεργασία σιδήρου και χάλυβα χρησιμοποιούνται συχνά όροι όπως υψικάμινος ή κάμινος Siemens-Martin, ενώ στα χυτήρια χρησιμοποιούνται πολλές επαγωγικές κάμινοι και κάμινοι θερμικής κατεργασίας, για παράδειγμα για ανόπτηση.
Κεραμικά και αγγειοπλαστική
Η παραγωγή κεραμικών και ειδών αγγειοπλαστικής περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα προϊόντων. Σε αυτά συγκαταλέγονται τα λεγόμενα χονδροκεραμικά προϊόντα, όπως τα κοινά δομικά τούβλα, τα κεραμικά είδη υγιεινής, τα κεραμίδια και τα πλακίδια δαπέδου, αλλά και τα λεπτοκεραμικά προϊόντα, όπως τα επιτραπέζια σκεύη και τα διακοσμητικά αγαλματίδια. Όλα αυτά τα προϊόντα βασίζονται σε άργιλο κάποιας μορφής, αναμεμειγμένη με άλλα ορυκτά, και ψήνονται σε κλίβανο. Οι περισσότεροι κλίβανοι για διακόσμηση με σμάλτο και χρυσό είναι ηλεκτρικοί.
Γυαλί
Το γυαλί στην πιο γνωστή του μορφή, το επίπεδο γυαλί, παράγεται αφήνοντας το λιωμένο γυαλί να επιπλεύσει πάνω σε λουτρό υγρού κασσίτερου μέσα σε κλίβανο. Περισσότερη δεξιοτεχνία απαιτείται από τους τεχνίτες που κατασκευάζουν βάζα και άλλα αντικείμενα με εμφύσηση γυαλιού. Σε αυτή την περίπτωση, το λιωμένο γυαλί διατηρείται θερμό σε έναν ειδικό κλίβανο αναθέρμανσης, γνωστό ως glory hole, και ο υαλουργός βυθίζει τον σωλήνα εμφύσησης στη ρευστή μάζα γυαλιού πριν αρχίσει να διαμορφώνει το αντικείμενο φυσώντας.
Τύποι κεραμικών κλιβάνων
Η πρώτη διάκριση που μπορούμε να κάνουμε είναι ανάμεσα στους ασυνεχείς και τους συνεχείς κλιβάνους. Σε έναν ασυνεχή κλίβανο, τα υλικά ή τα προϊόντα τοποθετούνται στον θάλαμο όπτησης και ο κλίβανος ακολουθεί έναν κύκλο θέρμανσης και ψύξης. Στο τέλος, τα ολοκληρωμένα τεμάχια αφαιρούνται. Σε έναν συνεχή κλίβανο, η ζώνη όπτησης διατηρείται μόνιμα στην επιθυμητή θερμοκρασία και τα προϊόντα διέρχονται συνεχώς από αυτήν.
Ασυνεχείς κλίβανοι
Οι ασυνεχείς κλίβανοι κατασκευάζονται σε πολλές διαφορετικές διατάξεις· ορισμένες από αυτές παρουσιάζονται εδώ. Σε μικρή κλίμακα χρησιμοποιούνται απλοί κλίβανοι με σταθερό δάπεδο φόρτωσης και πόρτα, τους οποίους ο χειριστής γεμίζει στην αρχή της διαδικασίας και αδειάζει στο τέλος. Στο εσωτερικό μπορεί να υπάρχουν πλάκες κλιβάνου, ενώ το πλήρες σύστημα πλακών και στηριγμάτων ονομάζεται εξοπλισμός κλιβάνου. Οι περισσότεροι από αυτούς τους μικρότερους κλιβάνους είναι ανοδικού ελκυσμού. Πολλοί κεραμίστες χρησιμοποιούν κλιβάνους άνω φόρτωσης, οι οποίοι έχουν το πλεονέκτημα ότι καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο από άλλους τύπους.
Κλίβανοι Raku
Στην καλλιτεχνική κεραμική είναι επίσης δημοφιλείς οι κλίβανοι Raku. Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς κλιβάνους, χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή επιστρώσεων ή επιφανειακών φινιρισμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες και για την πολύ γρήγορη ψύξη των κεραμικών αμέσως μετά.
Σε μεγαλύτερη κλίμακα χρησιμοποιούνται κλίβανοι βαγονέτων, με ένα ή περισσότερα βαγονέτα. Τα βαγονέτα μπορούν να φορτωθούν έξω από τον κλίβανο και στη συνέχεια να μετακινηθούν στο εσωτερικό του, συνήθως πάνω σε ράγες. Αυτοί οι κλίβανοι αποτελούσαν για πολλά χρόνια βασικό εξοπλισμό της κεραμικής βιομηχανίας. Μια εναλλακτική λύση είναι το σταθερό δάπεδο φόρτωσης, όπου ο ίδιος ο θάλαμος θέρμανσης μετακινείται πλευρικά ή προς τα πάνω. Οι κλίβανοι αυτοί ονομάζονται αντίστοιχα κλίβανοι κινητής καλύπτρας και κλίβανοι ανυψούμενης καλύπτρας. Για την πύρωση πρώτων υλών χρησιμοποιείται συχνά κατακόρυφος κλίβανος, στον οποίο το υλικό στοιβάζεται σε στρώσεις που εναλλάσσονται με καύσιμο, άνθρακα ή κωκ. Ο κλίβανος φορτώνεται από επάνω και το επεξεργασμένο υλικό αφαιρείται από το κάτω μέρος.
Καύσιμα κλιβάνων
Παρότι οι κλίβανοι μπορούν να θερμανθούν με διάφορα καύσιμα, όπως ηλεκτρική ενέργεια, φυσικό αέριο, φωταέριο, βαρύ μαζούτ, άνθρακα, κωκ ή ξύλο, οι σύγχρονοι κλίβανοι επιτυγχάνουν υψηλές θερμοκρασίες κυρίως με ηλεκτρική ενέργεια ή αέριο. Οι περισσότεροι σύγχρονοι κλίβανοι αγγειοπλαστικής είναι αερίου ή ηλεκτρικοί. Ιστορικά, ωστόσο, υπήρχε ένας άλλος τύπος ασυνεχούς κλιβάνου που έκαιγε άνθρακα και ξύλο και ονομαζόταν φιαλόσχημος κλίβανος. Ο άνθρακας καιγόταν στον θάλαμο όπτησης μαζί με τα προϊόντα, τα οποία έπρεπε να τοποθετούνται σε προστατευτικά κεραμικά κιβώτια, γνωστά ως saggars, ώστε να προστατεύονται από τη μολυσμένη ατμόσφαιρα που δημιουργούσε η καύση του άνθρακα. Ένας μικρός αριθμός τέτοιων κλιβάνων έχει διατηρηθεί ως βιομηχανική κληρονομιά και τίθεται περιστασιακά σε λειτουργία για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Στο παρελθόν χρησιμοποιούνταν επίσης μια μέθοδος ψησίματος τούβλων, κατά την οποία μια σειρά θαλάμων όπτησης ήταν διατεταγμένη κυκλικά. Οι θάλαμοι αυτοί, οι οποίοι επίσης έκαιγαν άνθρακα, λειτουργούσαν διαδοχικά, έτσι ώστε μέρος της θερμότητας του ενός να χρησιμοποιείται για την όπτηση στον επόμενο. Αυτοί ήταν οι κλίβανοι Hoffmann.
Οι κλίβανοι που καίνε άνθρακα και ξύλο προκαλούν μη αποδεκτά επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης.
Συνεχείς κλίβανοι
Σε έναν συνεχή κλίβανο, η ζώνη όπτησης διατηρείται μόνιμα σε υψηλή θερμοκρασία και τα προϊόντα κινούνται μέσα από αυτήν. Μια δημοφιλής μέθοδος είναι η χρήση κινούμενου ιμάντα, ο οποίος μεταφέρει τα προϊόντα μέσα από τον κλίβανο για προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Για τα λεγόμενα πλακίδια τοίχου και δαπέδου ταχείας όπτησης, ο συνήθης χρόνος διέλευσης είναι μία έως δύο ώρες. Μια πιο παραδοσιακή λύση είναι ο κλίβανος σήραγγας, στον οποίο τα βαγονέτα κινούνται συνεχώς μέσα από τη σήραγγα. Ο χρόνος διέλευσης μπορεί να είναι 12 ώρες ή ακόμη και 24 ώρες για κάθε βαγονέτο. Το μειονέκτημα αυτού του συστήματος είναι, όπως μπορεί εύκολα να γίνει αντιληπτό, ότι πρέπει να υπάρχουν συνεχώς διαθέσιμα βαγονέτα προς φόρτωση. Συνήθως προετοιμάζεται ένα απόθεμα φορτωμένων βαγονέτων κατά τη διάρκεια της ημέρας, το οποίο χρησιμοποιείται τη νύχτα. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι απαιτείται συνεχής παρουσία προσωπικού, 24 ώρες το εικοσιτετράωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα. Στη θερμική επεξεργασία πρώτων υλών, το αντίστοιχο σύστημα είναι ο περιστροφικός κλίβανος, όπου η ζώνη θέρμανσης αποτελείται από ένα περιστρεφόμενο τύμπανο με καυστήρες στο κέντρο. Το υλικό κινείται μέσα στο κεκλιμένο τύμπανο και διέρχεται επανειλημμένα από τη φλόγα θέρμανσης.
Ορισμένες συνήθεις θερμοκρασίες στην κεραμική
- Πρώτη όπτηση λίθινων κεραμικών – 1120 °C
- Όπτηση υαλώματος λίθινων κεραμικών – 1060 °C
- Πορσελάνη – 1200 °C
- Εφυάλωση με άλατα – 1250 °C
- Οστέινη πορσελάνη – 1300 °C
- Διακόσμηση με χρυσό, γνωστή και ως επιχρύσωση – 800 °C
- Χρώματα σμάλτου με βάση το γυαλί – 500 °C
Υλικά κατασκευής
Προτιμώνται κυρίως τα ελαφριά υλικά (μονωτικά πυρότουβλα και κεραμικές ίνες), ώστε να μειώνεται ο χρόνος ψύξης του κλιβάνου μετά την όπτηση. Το μονωτικό πυρότουβλο κλάσης 26 χρησιμοποιείται συχνότερα σε συνδυασμό με το Vitset 45 πυρίμαχο κονίαμα. Αυτό φυσικά δεν ισχύει για έναν κλίβανο σήραγγας, όπου η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή και τα βαγονέτα διέρχονται μέσα από τον κλίβανο. Οι κλίβανοι αυτοί επενδύονται συνήθως με πυκνά πυρότουβλα, όπως πυρότουβλα αλουμινούχου σαμότ με 42 % Al₂O₃.
Είναι σημαντικό τα υλικά που χρησιμοποιούνται στους κεραμικούς κλιβάνους (επενδύσεις κλιβάνων) να έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο, επειδή τα προϊόντα είναι πολύ συχνά λευκά και η επιμόλυνση με σίδηρο μπορεί, σε συνδυασμό με το ψημένο κεραμικό, να προκαλέσει μαύρες ή πράσινες κηλίδες. Οι κεραμικές ίνες πρέπει επίσης να καλύπτονται με πυρίμαχη επίστρωση με βάση το ζιρκόν, ώστε να αποτρέπεται η πτώση χαλαρών ινών πάνω στα προϊόντα· αυτό είναι ιδιαίτερα επιβλαβές για τα εφυαλωμένα προϊόντα.
Σε ορισμένες εφαρμογές είναι σημαντική η αντοχή σε θερμικό σοκ. Η ιδιότητα αυτή ελέγχεται με θέρμανση δοκιμίων και κατόπιν εμβάπτισή τους σε κρύο νερό. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται σε ολοένα υψηλότερες θερμοκρασίες, έως ότου το δοκίμιο ραγίσει ή διαλυθεί. Τα εφυαλωμένα κεραμικά είναι συνήθως κατά 40 % ισχυρότερα από τα μη εφυαλωμένα και, ως εκ τούτου, παρουσιάζουν μεγαλύτερη αντοχή σε θερμικό σοκ.
Εφυάλωση με άλατα και κλίβανοι σόδας
Κατά τη διαδικασία εφυάλωσης με άλατα, τα πήλινα προϊόντα ψήνονται με τον συνηθισμένο τρόπο. Όταν όμως ο κλίβανος φτάσει στη μέγιστη θερμοκρασία, εισάγεται αλάτι από ένα άνοιγμα στο επάνω μέρος του. Λόγω της θερμοκρασίας, το αλάτι εξατμίζεται και σχηματίζει μια γυαλιστερή επίστρωση πάνω στα προϊόντα. Σε αυτή τη διαδικασία το αλάτι είναι πολύ διαβρωτικό και τα πυρίμαχα υλικά είναι ευάλωτα στην προσβολή από χλωριόντα. Ο Peter Meanley στην Ιρλανδία πραγματοποίησε εργασίες που έδειξαν ότι τα πυρότουβλα μπορούν να προστατευτούν εάν, πριν από την πρώτη χρήση τους σε εφυάλωση με άλατα, υποστούν επεξεργασία με Silcas -A. Η διαδικασία σε έναν κλίβανο σόδας είναι πολύ παρόμοια, αλλά χρησιμοποιεί διττανθρακικό νάτριο αντί για χλωριούχο νάτριο.
Άλλοι και ειδικοί κλίβανοι
Ξηραντήριο ξυλείας
Η ξήρανση σκληρής ξυλείας.
Όταν η ξυλεία κόβεται για πρώτη φορά από ένα υλοτομημένο δέντρο, έχει υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Για τον λόγο αυτό πρέπει πρώτα να ξηρανθεί σε θαλάμους ξήρανσης ξυλείας.
Η ξήρανση του ξύλου συχνά επιταχύνεται με τη θέρμανσή του σε ειδικό ξηραντήριο, ώστε η περιεκτικότητα σε υγρασία να μειωθεί κάτω από 25 %. Αυτό ισχύει για την καύση ξύλου σε μπάρμπεκιου, σε ξυλόφουρνο πίτσας ή ακόμη και σε οικιακή ξυλόσομπα ή τζάκι. Το ξύλο που έχει υποστεί αυτή την επεξεργασία ονομάζεται τεχνητά αποξηραμένο καυσόξυλο.
Τρόποι ρύθμισης και παρακολούθησης της θερμοκρασίας στον κλίβανο
Ηλεκτρικός κλίβανος
Οι σύγχρονοι ηλεκτρικοί κλίβανοι διαθέτουν συνήθως ψηφιακό προγραμματιζόμενο ελεγκτή, ο οποίος παρακολουθεί τη θερμοκρασία μέσω θερμοστοιχείου και ελέγχει τη διαδικασία όπτησης σύμφωνα με ένα προκαθορισμένο πρόγραμμα που περιλαμβάνει προθέρμανση, αύξηση της θερμοκρασίας και χρόνο παραμονής στη μέγιστη θερμοκρασία.
Σε έναν ηλεκτρικό κλίβανο, μια απλούστερη εκδοχή αυτού του συστήματος λειτουργεί περισσότερο σαν θερμοστάτης και είναι γνωστή ως αυτόματος διακόπτης κλιβάνου. Απλώς ενεργοποιεί και απενεργοποιεί την παροχή ρεύματος ώστε να επιτευχθεί η καθορισμένη τιμή.
Κλίβανοι αερίου
Οι κλίβανοι αερίου διαθέτουν παρόμοιο εξοπλισμό, αλλά τα ηλεκτρικά όργανα πρέπει να ελέγχουν τις βαλβίδες αερίου και να παρακολουθούν τόσο την πίεση όσο και τη θερμοκρασία. Στους κλιβάνους αερίου είναι σημαντικό να μετράται το επίπεδο οξυγόνου στο εσωτερικό. Εάν είναι πολύ χαμηλό, το αέριο δεν καίγεται σωστά· εάν είναι πολύ υψηλό, ο κλίβανος ψύχεται πρόωρα. Ένας κλίβανος αερίου θερμαίνεται συνήθως με ελαφρά υπερπίεση 0,25–0,5 Pa στο εσωτερικό του, σε σχέση με την ατμόσφαιρα έξω από τον κλίβανο. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζεται ότι η θερμότητα εξέρχεται από τον κλίβανο αντί να εισέρχεται κρύος αέρας.
Πριν από την εμφάνιση των σύγχρονων οργάνων μέτρησης, χρησιμοποιούνταν μια μέθοδος κατά την οποία σχηματιζόταν με πίεση ένας δακτύλιος από κεραμική μάζα με γνωστά χαρακτηριστικά συρρίκνωσης. Κατά τη διάρκεια της όπτησης αφαιρούνταν διαδοχικά από τον κλίβανο μερικοί από αυτούς τους δακτυλίους, έως ότου διαπιστωνόταν ότι είχαν συρρικνωθεί στο σωστό μέγεθος.
