Het Engelse woord kiln, afgeleid van het Oudengelse cyln, en de term furnace worden vaak door elkaar gebruikt voor een type oven dat tot zeer hoge temperaturen wordt verhit in een proces dat bekendstaat als stoken of branden.
Volgens de strikte definitie is het verschil dat een keramiekoven koud wordt beladen en daarna wordt opgewarmd, terwijl een industriële oven eerst wordt verhit en pas daarna met materiaal wordt gevuld.
In de industrie betekent dit dat keramiekovens vooral worden geassocieerd met keramiek en keramische processen, bijvoorbeeld met de thermische behandeling van grondstoffen voordat deze in een eindproduct worden gebruikt. Een voorbeeld is het branden van kalksteen, vuursteen, bauxiet of andere mineralen om een chemische verandering te veroorzaken; deze verandering wordt calcineren genoemd. In de keramiek moeten de bestanddelen van een glazuur worden verhit zodat ze een soort glas vormen, frit genoemd. De ontstane glasfritten worden vervolgens tot een fijn poeder vermalen en aan gekleurde oxiden toegevoegd voor de productie van glazuren. Ook bij andere verwante processen, zoals de productie van cement, wordt de installatie een oven genoemd. Sommige droogprocessen bij lagere temperaturen worden soms ook als ovenprocessen aangeduid, bijvoorbeeld het drogen van hout in een verwarmde, afgesloten ruimte.
Industriële ovens worden daarentegen meestal gekoppeld aan een tak van de metallurgie. Bij de verwerking van ijzer en staal spreekt men vaak van een hoogoven of een Siemens-Martinoven; in gieterijen worden veel inductieovens en warmtebehandelingsovens gebruikt, bijvoorbeeld voor gloeien.
Keramiek en aardewerk
De productie van keramiek en aardewerk omvat een breed scala aan producten. Daaronder vallen zogenoemde grofkeramische producten, zoals gewone bouwstenen, sanitair keramiek, dakpannen en vloertegels, maar ook fijnkeramiek, zoals tafelservies en decoratieve beeldjes. Al deze producten zijn gebaseerd op klei in een bepaalde vorm, vermengd met andere mineralen, en worden allemaal in een oven gebrand. De meeste ovens voor email- en gouddecoratie zijn elektrische ovens.
Glas
Glas in zijn bekendste vorm, vlakglas, wordt gemaakt door gesmolten glas op een bad van vloeibaar tin in een oven te laten drijven. Meer vakmanschap is nodig bij ambachtslieden die vazen en andere vormen maken door glas te blazen. In dat geval wordt het gesmolten glas warm gehouden in een speciaal type oven dat een glory hole wordt genoemd, en doopt de glasblazer zijn blaaspijp in de vloeibare glasmassa voordat hij de vorm begint uit te blazen.
Typen keramiekovens
De eerste indeling die we kunnen maken, is het onderscheid tussen periodieke ovens en continuovens. In een periodieke oven worden de materialen of producten in de brandkamer geplaatst en doorloopt de oven vervolgens een brandcyclus van opwarmen en afkoelen, waarna de afgewerkte stukken aan het einde worden uitgenomen. Bij een continuoven blijft de brandzone permanent op de gewenste temperatuur en bewegen de producten er continu doorheen.
Periodieke ovens
Periodieke ovens bestaan in veel constructieve uitvoeringen; enkele daarvan bekijken we hier. Op kleine schaal worden eenvoudige ovens met een vaste stapelvloer en een deur zoals bij een oven gebruikt, waarbij de operator de oven aan het begin van het proces vult en aan het einde leegt. In de oven kunnen platen aanwezig zijn, ovenplaten genoemd, en de volledige opstelling van platen en steunen wordt ovenmeubilair genoemd. De meeste van deze kleinere ovens zijn ovens met opwaartse trek. Veel keramisten gebruiken bovenladers, die als voordeel hebben dat ze minder ruimte innemen dan andere typen.
Raku-ovens
In atelierkeramiek zijn ook raku-ovens populair. In tegenstelling tot traditionele ovens worden deze gebruikt om coatings of oppervlakteafwerkingen bij hoge temperaturen op potten aan te brengen en ze daarna zeer snel af te koelen.
Op grotere schaal worden wagenovens gebruikt, met één of meer ovenwagens. Deze kunnen buiten de oven worden beladen en vervolgens naar binnen worden gereden, meestal over rails. Dergelijke wagenovens waren jarenlang standaardapparatuur in de keramische industrie. Een alternatief is een vaste stapelvloer waarbij de verwarmingskamer van de wagenoven zelf zijwaarts of omhoog wordt verplaatst. Deze ovens worden respectievelijk ovens met verplaatsbare kap en klokovens genoemd. Voor het calcineren van grondstoffen wordt vaak een schachtoven gebruikt, waarbij het materiaal in lagen wordt gestapeld, afgewisseld met brandstof, kolen of cokes. De oven wordt van bovenaf gevuld en het afgewerkte materiaal wordt aan de onderzijde uitgenomen.
Brandstoffen voor ovens
Hoewel ovens met uiteenlopende brandstoffen kunnen worden verwarmd, van elektriciteit, aardgas, stadsgas, zware stookolie, kolen, cokes tot hout, bereiken moderne ovens hoge temperaturen vooral met elektriciteit of gas. De meeste huidige aardewerkovens zijn gas- of elektrische ovens, maar historisch bestond er nog een ander type periodieke oven dat kolen en hout als brandstof gebruikte en flesoven werd genoemd. De kolen werden in de brandkamer samen met de producten verbrand; deze moesten in kleikokers, saggars genoemd, worden geplaatst om ze te beschermen tegen de vervuilde atmosfeer van de brandende kolen. Een klein aantal van deze ovens is als erfgoed bewaard gebleven en wordt af en toe voor educatieve doeleinden gestookt. In het verleden bestond er ook een methode voor het bakken van bakstenen waarbij een reeks brandkamers in een cirkel was opgesteld. Deze kamers, eveneens met kolen gestookt, werden achtereenvolgens gebrand, zodat een deel van de warmte van de ene kamer werd gebruikt voor het branden van de volgende. Dit waren Hoffmannovens.
Met kolen en hout gestookte ovens veroorzaken een onaanvaardbare mate van luchtverontreiniging.
Continuovens
In een continuoven wordt de brandzone permanent op hoge temperatuur gehouden en bewegen de producten erdoorheen. Een populaire methode is het gebruik van een bewegende band die de producten gedurende een vooraf bepaalde tijd door de oven voert; bij zogenoemde snelbrandende wand- en vloertegels zou een typische doorlooptijd één tot twee uur bedragen. Een traditionelere oplossing is het gebruik van een tunneloven, waarbij ovenwagens continu door de tunnel worden gereden. De doorlooptijd kan 12 uur zijn, of zelfs 24 uur voor één wagen. Het nadeel van dit systeem is, zoals men zich kan voorstellen, dat er voortdurend wagens beschikbaar moeten zijn om te beladen. Gewoonlijk wordt overdag een voorraad wagens voorbereid en ’s nachts gebruikt. Een ander nadeel is dat ovenpersoneel continu aanwezig moet zijn, 24 uur per dag, 7 dagen per week. Bij de warmtebehandeling van grondstoffen komt dit overeen met het gebruik van een draaioven, waarbij de verwarmingszone bestaat uit een roterende trommel met branders in het midden. Het materiaal kan door de hellende trommel bewegen en herhaaldelijk door de verwarmingsvlam vallen.
Enkele gebruikelijke temperaturen in de keramiek.
- Biscuitbrand van steengoed – 1120 °C
- Glazuurbrand van steengoed – 1060 °C
- Porselein – 1200 °C
- Zoutglazuur – 1250 °C
- Beenderporselein – 1300 °C
- Gouddecoratie, ook wel vergulden genoemd – 800 °C
- Emailkleuren op glasbasis – 500 °C
Constructiematerialen
De voorkeur gaat vooral uit naar lichte materialen (isolatiestenen en keramische vezel), om de afkoeltijd van de oven na het branden te verkorten. Isolatiesteen klasse 26 wordt het meest gebruikt in combinatie met Vitset 45 vuurvaste mortel. Dit geldt uiteraard niet voor een tunneloven, waar de temperatuur constant wordt gehouden en de ovenwagens door de oven rijden; deze ovens zijn doorgaans bekleed met dichte vuurvaste stenen, bijvoorbeeld vuurvaste stenen van aluminiumhoudende chamotte met 42 % Al₂O₃.
Het is belangrijk dat de materialen die in keramiekovens worden gebruikt (ovenbekledingen) een laag ijzergehalte hebben, omdat de producten zeer vaak wit zijn en ijzerverontreiniging in combinatie met het gebrande keramiek zwarte of groene vlekken kan veroorzaken. Keramische vezel moet ook worden voorzien van een vuurvaste zirkooncoating, om te voorkomen dat losse vezels op de producten vallen; dit is vooral schadelijk bij geglazuurde producten.
Bij sommige toepassingen is weerstand tegen thermische schok belangrijk. Dit wordt getest door proefstukken te verhitten en ze vervolgens in koud water onder te dompelen. Deze procedure wordt bij steeds hogere temperaturen herhaald totdat het stuk barst of uiteenvalt. Geglazuurd keramiek is doorgaans 40 % sterker dan ongeglazuurd keramiek en heeft daardoor een hogere weerstand tegen thermische schok.
Zoutglazuur en sodaovens
Bij het zoutglazuurproces worden kleiproducten op de gebruikelijke manier gebrand, maar wanneer de oven de maximale temperatuur bereikt, wordt via een opening aan de bovenzijde zout in de oven gestrooid. Door de temperatuur verdampt het zout en vormt het een glanzende laag op de producten. In dit proces is zout zeer agressief en zijn vuurvaste materialen gevoelig voor aantasting door chloriden. Peter Meanley in Ierland heeft werk verricht waaruit blijkt dat stenen beschermd kunnen worden wanneer ze vóór het eerste gebruik bij zoutglazuur worden behandeld met Silcas -A. Het proces in een sodaoven lijkt hier sterk op, maar gebruikt natriumbicarbonaat in plaats van natriumchloride.
Andere ovens en speciale ovens
Houtdroogoven
Het drogen van hardhout.
Wanneer zaaghout voor het eerst uit een gevelde boom wordt gezaagd, heeft het een hoog vochtgehalte. Het hout moet daarom eerst in houtdroogkamers worden gedroogd.
Het drogen van hout wordt vaak versneld door het te verwarmen in een bepaald type droogoven, zodat het vochtgehalte wordt teruggebracht tot minder dan 25 %. Dit geldt voor het verbranden van brandstof in een barbecue, in een houtgestookte pizzaoven of zelfs in een huishoudelijke houtkachel of haard. Hout dat op deze manier is behandeld, wordt ovengedroogd brandhout genoemd.
Manieren om temperaturen in de oven te regelen en te bewaken
Elektrische oven
Moderne elektrische ovens zijn doorgaans uitgerust met een digitale programmeerbare regelaar die de temperaturen met een thermokoppel bewaakt en het brandproces aanstuurt volgens een vooraf ingesteld programma met een voorverwarmingsfase, temperatuurstijging en houdtijd op maximale temperatuur.
In een elektrische oven lijkt een eenvoudigere versie van dit systeem meer op een thermostaat en wordt deze kiln sitter genoemd. Deze schakelt alleen de voeding in en uit om de ingestelde waarde te bereiken.
Gasovens
Gasovens hebben vergelijkbare apparatuur, maar de elektrische instrumenten moeten nu gaskleppen bedienen en zowel drukken als temperaturen bewaken. Bij gasovens is het belangrijk om het zuurstofniveau in de oven te meten. Als het niveau te laag is, zal het gas niet goed verbranden; als het te hoog is, koelt de oven voortijdig af. Een gasoven wordt meestal verwarmd met een lichte overdruk in de oven van 0,25–0,5 Pa ten opzichte van de atmosfeer buiten de oven. Zo wordt gewaarborgd dat warmte uit de oven naar buiten stroomt, in plaats van dat koude lucht de oven binnendringt.
Vóór de komst van moderne instrumentatie werd een methode gebruikt waarbij een ring werd geperst uit keramische massa met bekende krimpeigenschappen. Tijdens het branden werden enkele van deze ringen achtereenvolgens uit de oven gehaald, totdat werd vastgesteld dat ze tot de juiste maat waren gekrompen.
