Det engelska ordet kiln, som härstammar från fornengelskans cyln, och termen furnace används ofta omväxlande för en typ av ugn som värms upp till mycket höga temperaturer i en process som kallas bränning.
Enligt den strikta definitionen är skillnaden att en keramikugn fylls kall och därefter värms upp, medan en industriugn först värms upp och sedan fylls med material.
Inom industrin innebär detta att keramikugnar främst förknippas med keramik och keramiska processer, till exempel värmebehandling av råmaterial innan de används i en färdig produkt. Ett exempel är bränning av kalksten, flinta, bauxit eller andra mineraler för att orsaka en kemisk förändring; denna förändring kallas kalcinering. Inom keramiken måste beståndsdelarna i en glasyr värmas upp så att de bildar ett slags glas, så kallad fritta. De färdiga glasfrittornas mals sedan till ett fint pulver och tillsätts till färgade oxider vid framställning av glasyrer. Även vid andra närliggande processer, till exempel cementtillverkning, kallas anläggningen för ugn. Vissa torkprocesser vid lägre temperaturer räknas ibland också som ugnsprocesser, till exempel torkning av trä i ett uppvärmt, slutet utrymme.
Industriugnar kopplas däremot oftast till metallurgin. Vid bearbetning av järn och stål talar man ofta om masugn eller Siemens-Martin-ugn; i gjuterier används många induktionsugnar och värmebehandlingsugnar, till exempel för glödgning.
Keramik och lergods
Tillverkning av keramik och lergods omfattar ett brett urval produkter. Hit hör så kallade grovkeramiska produkter, som vanliga byggtegel, sanitetskeramik, takpannor och golvplattor, men även finkeramik som bordsservis och dekorativa figurer. Alla dessa produkter bygger på lera i någon form, blandad med andra mineraler, och bränns i ugn. De flesta ugnar för emalj- och gulddekor är elektriska ugnar.
Glas
Glas i sin mest kända form, planglas, tillverkas genom att smält glas får flyta på ett bad av flytande tenn i en ugn. Mer hantverksskicklighet krävs av de hantverkare som tillverkar vaser och andra former genom glasblåsning. Då hålls det smälta glaset varmt i en särskild typ av ugn som kallas glory hole, och glasblåsaren doppar sin pipa i den flytande glasmassan innan formen börjar blåsas upp.
Typer av keramikugnar
Den första indelningen vi kan göra är skillnaden mellan periodiska ugnar och kontinuerliga ugnar. I en periodisk ugn placeras material eller produkter i brännkammaren och ugnen genomgår sedan en bränncykel med uppvärmning och avsvalning, varefter de färdiga föremålen tas ut. I en kontinuerlig ugn hålls brännzonen hela tiden vid önskad temperatur och produkterna rör sig kontinuerligt genom den.
Periodiska ugnar
Periodiska ugnar finns i många konstruktionsutföranden; några av dem går vi igenom här. I liten skala används enkla ugnar med fast sättbotten och en ugnslucka, där operatören fyller ugnen i början av processen och tömmer den i slutet. I ugnen kan det finnas plattor, så kallade sättplattor, och hela uppsättningen av plattor och stöd kallas ugnsmöbler. De flesta av dessa mindre ugnar är ugnar med uppåtgående drag. Många keramiker använder toppmatade ugnar, som har fördelen att de tar mindre plats än andra typer.
Rakuugnar
Inom ateljékeramik är även rakuugnar populära. Till skillnad från traditionella ugnar används de för att applicera beläggningar eller ytbehandlingar på krukor vid höga temperaturer och därefter kyla ned dem mycket snabbt.
I större skala används vagnugnar, med en eller flera ugnsvagnar. Dessa kan lastas utanför ugnen och sedan köras in, oftast på räls. Sådana vagnugnar var under många år standardutrustning inom den keramiska industrin. Ett alternativ är en fast sättbotten där själva värmekammaren i vagnugnen flyttas i sidled eller uppåt. Dessa ugnar kallas ugnar med flyttbar kåpa respektive lyftkåpsugnar. För kalcinering av råmaterial används ofta en schaktugn, där materialet staplas i lager, omväxlande med bränsle, kol eller koks. Ugnen fylls ovanifrån och det färdiga materialet tas ut i botten.
Bränslen för ugnar
Även om ugnar kan värmas med många olika bränslen, från el, naturgas, stadsgas, tjockolja, kol, koks till ved, uppnår moderna ugnar höga temperaturer främst med el eller gas. De flesta dagens keramikugnar är gas- eller elugnar, men historiskt fanns även en annan typ av periodisk ugn som eldades med kol och ved och kallades flaskugn. Kolet brändes i brännkammaren tillsammans med produkterna; dessa behövde placeras i lerkapslar, så kallade saggars, för att skyddas mot den förorenade atmosfären från det brinnande kolet. Ett litet antal av dessa ugnar har bevarats som kulturarv och eldas då och då i utbildningssyfte. Förr fanns också en metod för tegeltillverkning där en serie brännkammare var placerade i en cirkel. Dessa kammare, som också eldades med kol, brändes i följd så att en del av värmen från en kammare användes för att bränna nästa. Detta var Hoffmannugnar.
Kol- och vedeldade ugnar orsakar en oacceptabel nivå av luftföroreningar.
Kontinuerliga ugnar
I en kontinuerlig ugn hålls brännzonen permanent vid hög temperatur och produkterna rör sig genom den. En vanlig metod är att använda ett rörligt band som transporterar produkterna genom ugnen under en förutbestämd tid; för så kallade snabbbrända vägg- och golvplattor kan en typisk genomloppstid vara en till två timmar. En mer traditionell lösning är att använda en tunnelugn, där ugnsvagnar kontinuerligt körs genom tunneln. Genomloppstiden kan vara 12 timmar, eller till och med 24 timmar för en vagn. Nackdelen med detta system är, som man kan föreställa sig, att det hela tiden måste finnas vagnar tillgängliga för lastning. Vanligtvis förbereds ett lager vagnar under dagen och används på natten. En annan nackdel är att ugnspersonal måste finnas på plats kontinuerligt, dygnet runt, sju dagar i veckan. Vid värmebehandling av råmaterial motsvaras detta av användning av en roterugn, där värmezonen består av en roterande trumma med brännare i mitten. Materialet kan röra sig genom den lutande trumman och upprepade gånger falla genom värmelågan.
Några vanliga temperaturer inom keramik.
- Skröjbränning av stengods – 1120 °C
- Glasyrbränning av stengods – 1060 °C
- Porslin – 1200 °C
- Saltglasyr – 1250 °C
- Benporslin – 1300 °C
- Gulddekor, även kallad förgyllning – 800 °C
- Glasbaserade emaljfärger – 500 °C
Konstruktionsmaterial
Företrädesvis används lätta material (isolersten och keramisk fiber) för att förkorta ugnens avsvalningstid efter bränning. Isolersten klass 26 används oftast tillsammans med Vitset 45 eldfast bruk. Detta gäller naturligtvis inte en tunnelugn, där temperaturen hålls konstant och ugnsvagnarna körs genom ugnen; dessa ugnar är normalt fodrade med täta eldfasta tegel, till exempel eldfasta tegel av chamotte med 42 % Al₂O₃.
Det är viktigt att materialen som används i keramikugnar (ugnsinfodringar) har låg järnhalt, eftersom produkterna mycket ofta är vita och järnföroreningar i kombination med den brända keramiken kan orsaka svarta eller gröna fläckar. Keramisk fiber bör också förses med en eldfast Zircon Paint-beläggning, för att förhindra att lösa fibrer faller ned på produkterna; detta är särskilt skadligt för glaserade produkter.
I vissa tillämpningar är motståndskraft mot termisk chock viktig. Detta testas genom att provkroppar värms upp och därefter sänks ned i kallt vatten. Proceduren upprepas vid allt högre temperaturer tills provkroppen spricker eller faller sönder. Glaserad keramik är normalt 40 % starkare än oglaserad keramik och har därför bättre motståndskraft mot termisk chock.
Saltglasyr och sodaugnar
Vid saltglasyrprocessen bränns lerprodukter på vanligt sätt, men när ugnen når maximal temperatur strös salt in i ugnen genom en öppning upptill. Temperaturen gör att saltet förångas och bildar ett glansigt skikt på produkterna. I denna process är salt mycket aggressivt och eldfasta material är känsliga för angrepp av klorider. Peter Meanley på Irland har utfört arbete som visar att tegel kan skyddas om de behandlas med Silcas -A före första användningen vid saltglasyr. Processen i en sodaugn liknar detta i hög grad, men använder natriumbikarbonat i stället för natriumklorid.
Andra ugnar och specialugnar
Trätorkugn
Torkning av lövträ.
När sågat virke först sågas ur ett fällt träd har det en hög fukthalt. Virket måste därför först torkas i virkestorkar.
Torkningen av trä påskyndas ofta genom uppvärmning i en särskild typ av torkugn, så att fukthalten sänks till mindre än 25 %. Detta gäller vid förbränning av bränsle i en grill, i en vedeldad pizzaugn eller till och med i en vedkamin eller öppen spis i hemmet. Ved som har behandlats på detta sätt kallas ugnstorkad ved.
Sätt att reglera och övervaka temperaturer i ugnen
Elektrisk ugn
Moderna elektriska ugnar är vanligtvis utrustade med en digital programmerbar regulator som övervakar temperaturerna med ett termoelement och styr brännprocessen enligt ett förinställt program med förvärmningsfas, temperaturstegring och hålltid vid maximal temperatur.
I en elektrisk ugn liknar en enklare version av detta system mer en termostat och kallas kiln sitter. Den slår endast på och av strömmen för att nå det inställda värdet.
Gasugnar
Gasugnar har liknande utrustning, men de elektriska instrumenten måste då styra gasventiler och övervaka både tryck och temperaturer. I gasugnar är det viktigt att mäta syrenivån i ugnen. Om nivån är för låg brinner gasen inte ordentligt; om den är för hög kyls ugnen ned för tidigt. En gasugn värms vanligtvis med ett lätt övertryck i ugnen på 0,25–0,5 Pa i förhållande till atmosfären utanför ugnen. På så sätt säkerställs att värme strömmar ut ur ugnen, i stället för att kall luft tränger in.
Innan modern instrumentering fanns användes en metod där en ring pressades av en keramisk massa med kända krympegenskaper. Under bränningen togs några av dessa ringar ut ur ugnen i tur och ordning, tills man kunde konstatera att de hade krympt till rätt storlek.
