La parola inglese kiln, derivata dall’antico inglese cyln, e il termine furnace vengono spesso usati in modo intercambiabile per indicare un tipo di forno portato a temperature molto elevate in un processo noto come cottura o firing.
Secondo la definizione più rigorosa, la differenza è che un forno per ceramica viene caricato a freddo e poi riscaldato, mentre un forno industriale viene prima portato in temperatura e solo successivamente caricato con il materiale.
Nell’industria questo significa che i forni per ceramica sono associati soprattutto alla ceramica e ai processi ceramici, ad esempio al trattamento termico delle materie prime prima del loro impiego in un prodotto finito. Un esempio è la cottura di calcare, selce, bauxite o altri minerali per provocare una trasformazione chimica; questa trasformazione è chiamata calcinazione. Nella ceramica, i componenti di uno smalto devono essere riscaldati fino a formare una sorta di vetro, chiamato fritta. Le fritte vetrose ottenute vengono poi macinate fino a diventare una polvere fine e aggiunte agli ossidi colorati per la produzione degli smalti. Anche in altri processi affini, come la produzione del cemento, l’impianto viene chiamato forno. Alcuni processi di essiccazione a temperature più basse vengono talvolta indicati come processi in forno, ad esempio l’essiccazione del legno in un ambiente riscaldato e chiuso.
I forni industriali, invece, sono generalmente legati a un ramo della metallurgia. Nella lavorazione del ferro e dell’acciaio si parla spesso di altoforno o di forno Martin-Siemens; nelle fonderie si utilizzano molti forni a induzione e forni per trattamenti termici, ad esempio per la ricottura.
Ceramica e terracotta
La produzione di ceramica e terracotta comprende un’ampia gamma di prodotti. Tra questi rientrano i prodotti ceramici cosiddetti grossolani, come i comuni mattoni da costruzione, i sanitari in ceramica, le tegole e le piastrelle per pavimenti, ma anche la ceramica fine, come i servizi da tavola e le statuette decorative. Tutti questi prodotti sono a base di argilla in una determinata forma, mescolata con altri minerali, e vengono tutti cotti in forno. La maggior parte dei forni per decorazioni a smalto e in oro è elettrica.
Vetro
Il vetro nella sua forma più nota, il vetro piano, viene prodotto facendo galleggiare il vetro fuso su un bagno di stagno liquido all’interno di un forno. È richiesta una maggiore abilità artigianale per realizzare vasi e altre forme mediante soffiatura del vetro. In questo caso il vetro fuso viene mantenuto caldo in uno speciale tipo di forno chiamato forno di riscaldo, o glory hole, e il soffiatore immerge la canna nella massa di vetro liquido prima di iniziare a soffiare la forma.
Tipi di forni per ceramica
La prima distinzione che possiamo fare è tra forni intermittenti e forni continui. In un forno intermittente, i materiali o i prodotti vengono inseriti nella camera di cottura e il forno esegue poi un ciclo di riscaldamento e raffreddamento, al termine del quale i pezzi finiti vengono estratti. In un forno continuo, la zona di cottura rimane stabilmente alla temperatura desiderata e i prodotti la attraversano in modo continuo.
Forni intermittenti
I forni intermittenti esistono in molte configurazioni costruttive; qui ne esaminiamo alcune. Su piccola scala si utilizzano forni semplici con piano di carico fisso e una porta simile a quella di un forno, nei quali l’operatore carica il forno all’inizio del processo e lo scarica alla fine. All’interno possono essere presenti ripiani, chiamati piastre da forno, e l’insieme di piastre e supporti è chiamato materiale refrattario di supporto del forno. La maggior parte di questi forni di dimensioni ridotte è a tiraggio ascendente. Molti ceramisti utilizzano forni a carica dall’alto, che hanno il vantaggio di occupare meno spazio rispetto ad altri tipi.
Forni raku
Nella ceramica da studio sono popolari anche i forni raku. A differenza dei forni tradizionali, vengono utilizzati per applicare rivestimenti o finiture superficiali ad alta temperatura sui pezzi e poi raffreddarli molto rapidamente.
Su scala più ampia si utilizzano forni a carrello, con uno o più carrelli. Questi possono essere caricati all’esterno del forno e poi introdotti all’interno, di solito su rotaie. Per molti anni questi forni a carrello sono stati un’attrezzatura standard nell’industria ceramica. Un’alternativa è un piano di carico fisso in cui la camera riscaldante del forno a carrello viene spostata lateralmente o verso l’alto. Questi forni sono chiamati rispettivamente forni a campana mobile laterale e forni a campana. Per la calcinazione delle materie prime si utilizza spesso un forno a tino, nel quale il materiale viene disposto a strati alternati con combustibile, carbone o coke. Il forno viene caricato dall’alto e il materiale finito viene estratto dal basso.
Combustibili per forni
Sebbene i forni possano essere riscaldati con diversi combustibili, dall’elettricità al gas naturale, gas di città, olio combustibile pesante, carbone, coke e legna, i forni moderni raggiungono temperature elevate soprattutto con elettricità o gas. La maggior parte degli attuali forni per ceramica è a gas o elettrica, ma storicamente esisteva anche un altro tipo di forno intermittente alimentato a carbone e legna, chiamato forno a bottiglia. Il carbone veniva bruciato nella camera di cottura insieme ai prodotti; questi dovevano essere inseriti in capsule refrattarie, chiamate saggars, per proteggerli dall’atmosfera inquinata del carbone in combustione. Un piccolo numero di questi forni è stato conservato come patrimonio storico e viene acceso occasionalmente a scopo didattico. In passato esisteva anche un metodo per la cottura dei mattoni in cui una serie di camere di cottura era disposta in cerchio. Queste camere, anch’esse alimentate a carbone, venivano cotte in successione, in modo che parte del calore di una camera fosse utilizzata per la cottura della successiva. Erano i forni Hoffmann.
I forni alimentati a carbone e legna causano un livello inaccettabile di inquinamento atmosferico.
Forni continui
In un forno continuo, la zona di cottura viene mantenuta costantemente ad alta temperatura e i prodotti la attraversano. Un metodo diffuso consiste nell’uso di un nastro mobile che trasporta i prodotti attraverso il forno per un tempo prestabilito; per le cosiddette piastrelle da rivestimento e pavimento a cottura rapida, un tempo di attraversamento tipico può essere di una o due ore. Una soluzione più tradizionale è l’uso di un forno a tunnel, nel quale i carrelli vengono fatti avanzare continuamente attraverso il tunnel. Il tempo di attraversamento può essere di 12 ore, o persino di 24 ore per un singolo carrello. Lo svantaggio di questo sistema è, come si può immaginare, che devono essere sempre disponibili carrelli da caricare. Di solito durante il giorno si prepara una scorta di carrelli, che viene poi utilizzata durante la notte. Un altro svantaggio è che il personale addetto al forno deve essere presente in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Nel trattamento termico delle materie prime, questo corrisponde all’uso di un forno rotativo, in cui la zona riscaldante è costituita da un tamburo rotante con bruciatori al centro. Il materiale può avanzare attraverso il tamburo inclinato e cadere ripetutamente attraverso la fiamma di riscaldamento.
Alcune temperature comuni nella ceramica.
- Prima cottura, o biscotto, del gres – 1120 °C
- Cottura dello smalto del gres – 1060 °C
- Porcellana – 1200 °C
- Smalto al sale – 1250 °C
- Porcellana bone china – 1300 °C
- Decorazione in oro, detta anche doratura – 800 °C
- Colori a smalto a base vetrosa – 500 °C
Materiali da costruzione
Si preferiscono soprattutto materiali leggeri (mattoni isolanti e fibra ceramica), per ridurre il tempo di raffreddamento del forno dopo la cottura. Il mattone isolante grado 26 è il più utilizzato in combinazione con la malta refrattaria Vitset 45. Questo naturalmente non vale per un forno a tunnel, dove la temperatura viene mantenuta costante e i carrelli attraversano il forno; questi forni sono generalmente rivestiti con mattoni refrattari densi, ad esempio mattoni refrattari in chamotte alluminosa con il 42 % di Al₂O₃.
È importante che i materiali utilizzati nei forni per ceramica (rivestimenti per forni) abbiano un basso contenuto di ferro, perché i prodotti sono molto spesso bianchi e la contaminazione da ferro, a contatto con la ceramica cotta, può provocare macchie nere o verdi. Anche la fibra ceramica deve essere protetta con un rivestimento refrattario a base di zirconio, per evitare che fibre libere cadano sui prodotti; questo è particolarmente dannoso per i prodotti smaltati.
In alcune applicazioni è importante la resistenza allo shock termico. Questa viene testata riscaldando i provini e immergendoli poi in acqua fredda. La procedura viene ripetuta a temperature via via più elevate finché il pezzo si incrina o si disgrega. La ceramica smaltata è in genere il 40 % più resistente della ceramica non smaltata e ha quindi una maggiore resistenza allo shock termico.
Smalto al sale e forni a soda
Nel processo di smaltatura al sale, i prodotti in argilla vengono cotti nel modo abituale, ma quando il forno raggiunge la temperatura massima, il sale viene introdotto nel forno attraverso un’apertura nella parte superiore. Per effetto della temperatura, il sale evapora e forma uno strato lucido sui prodotti. In questo processo il sale è molto aggressivo e i materiali refrattari sono soggetti all’attacco dei cloruri. Peter Meanley in Irlanda ha svolto lavori che dimostrano come i mattoni possano essere protetti se, prima del primo utilizzo per la smaltatura al sale, vengono trattati con Silcas -A. Il processo in un forno a soda è molto simile, ma utilizza bicarbonato di sodio al posto del cloruro di sodio.
Altri forni e forni speciali
Forno per essiccazione del legno
L’essiccazione del legno duro.
Quando il legname viene tagliato per la prima volta da un albero abbattuto, ha un elevato contenuto di umidità. Il legno deve quindi essere prima essiccato in camere di essiccazione.
L’essiccazione del legno viene spesso accelerata riscaldandolo in un tipo specifico di essiccatoio, in modo da ridurre il contenuto di umidità al di sotto del 25 %. Questo vale per la combustione del combustibile in un barbecue, in un forno per pizza a legna o persino in una stufa a legna domestica o in un caminetto. Il legno trattato in questo modo viene chiamato legna da ardere essiccata in forno.
Modalità di regolazione e controllo delle temperature nel forno
Forno elettrico
I moderni forni elettrici sono generalmente dotati di un regolatore digitale programmabile che controlla le temperature tramite una termocoppia e gestisce il processo di cottura secondo un programma preimpostato con fase di preriscaldamento, aumento della temperatura e tempo di mantenimento alla temperatura massima.
In un forno elettrico, una versione più semplice di questo sistema è più simile a un termostato ed è chiamata kiln sitter. Questo dispositivo inserisce e disinserisce semplicemente l’alimentazione per raggiungere il valore impostato.
Forni a gas
I forni a gas dispongono di apparecchiature simili, ma gli strumenti elettrici devono ora comandare le valvole del gas e monitorare sia le pressioni sia le temperature. Nei forni a gas è importante misurare il livello di ossigeno all’interno del forno. Se il livello è troppo basso, il gas non brucia correttamente; se è troppo alto, il forno si raffredda prima del previsto. Un forno a gas viene di solito riscaldato con una leggera sovrapressione interna di 0,25–0,5 Pa rispetto all’atmosfera esterna. In questo modo si assicura che il calore fluisca dal forno verso l’esterno, invece che far entrare aria fredda nel forno.
Prima dell’avvento della strumentazione moderna, si utilizzava un metodo in cui veniva pressato un anello di massa ceramica con caratteristiche di ritiro note. Durante la cottura, alcuni di questi anelli venivano estratti dal forno in successione, finché non si verificava che si erano ritirati fino alla dimensione corretta.
