Anglické slovo kiln, odvozené ze staroanglického cyln, a termín furnace se často používají zaměnitelně pro typ pece, která se zahřívá na velmi vysoké teploty v procesu známém jako výpal.
Podle přesné definice je rozdíl v tom, že keramická pec se zaváží za studena a poté se zahřívá, zatímco průmyslová pec se nejprve zahřeje a teprve potom se plní materiálem.
V průmyslu to znamená, že keramické pece jsou spojovány především s keramikou a keramickými procesy, například s tepelným zpracováním surovin před jejich použitím ve finálním výrobku. Příkladem je výpal vápence, pazourku, bauxitu nebo jiných minerálů za účelem vyvolání chemické změny; tato změna se nazývá kalcinace. V keramice je nutné zahřát složky glazury tak, aby vytvořily druh skla zvaný frita. Vzniklé skelné frity se následně melou na jemný prášek a přidávají se k barevným oxidům pro výrobu glazur. Také u dalších příbuzných procesů, například při výrobě cementu, se zařízení označuje jako pec. Některé sušicí procesy při nižších teplotách se někdy rovněž označují jako pecní procesy, například sušení dřeva ve vyhřívaném uzavřeném prostoru.
Průmyslové pece jsou naproti tomu obvykle spojeny s metalurgií. Při zpracování železa a oceli se často mluví o vysoké peci nebo Siemens-Martinově peci; ve slévárnách se hojně používají indukční pece a pece pro tepelné zpracování, například pro žíhání.
Keramika a hrnčířské výrobky
Výroba keramiky a hrnčířských výrobků zahrnuje širokou škálu produktů. Patří sem takzvaná hrubá keramika, například běžné stavební cihly, sanitární keramika, střešní tašky a podlahové dlaždice, ale také jemná keramika, jako je stolní nádobí a dekorativní figurky. Všechny tyto výrobky jsou založeny na jílu v určité podobě, smíchaném s dalšími minerály, a všechny se vypalují v peci. Většina pecí pro emailové a zlaté dekorace je elektrická.
Sklo
Sklo ve své nejznámější podobě, tedy ploché sklo, se vyrábí tak, že roztavené sklo plave v peci na lázni z tekutého cínu. Více řemeslné zručnosti je potřeba u sklářů, kteří vytvářejí vázy a jiné tvary foukáním skla. V takovém případě se roztavené sklo udržuje horké ve speciálním typu pece nazývaném glory hole a sklář ponoří sklářskou píšťalu do tekuté skloviny, než začne tvar vyfukovat.
Typy keramických pecí
První rozdělení, které můžeme provést, je na periodické pece a kontinuální pece. V periodické peci se materiály nebo výrobky vloží do vypalovací komory a pec následně projde vypalovacím cyklem zahřátí a ochlazení, po kterém se hotové kusy vyjmou. U kontinuální pece zůstává vypalovací zóna trvale na požadované teplotě a výrobky jí nepřetržitě procházejí.
Periodické pece
Periodické pece existují v mnoha konstrukčních provedeních; na některé z nich se zde podíváme. V menším měřítku se používají jednoduché pece s pevnou zakládací plochou a dvířky, kde obsluha pec na začátku procesu naplní a na konci vyprázdní. V peci mohou být desky, nazývané pecní pláty, a celá sestava plátů a podpěr se označuje jako pecní nábytek. Většina těchto menších pecí jsou pece se vzestupným tahem. Mnoho keramiků používá pece s horním plněním, jejichž výhodou je, že zabírají méně místa než jiné typy.
Raku pece
V ateliérové keramice jsou oblíbené také raku pece. Na rozdíl od tradičních pecí se používají k nanášení povlaků nebo povrchových úprav na nádoby při vysokých teplotách a k jejich následnému velmi rychlému ochlazení.
Ve větším měřítku se používají vozové pece s jedním nebo více pecními vozy. Ty lze naložit mimo pec a poté zajet dovnitř, obvykle po kolejích. Takové vozové pece byly po mnoho let standardním vybavením keramického průmyslu. Alternativou je pevná zakládací plocha, u níž se samotná topná komora vozové pece přesouvá do strany nebo nahoru. Tyto pece se označují jako pece s pohyblivým krytem a top-hat pece. Pro kalcinaci surovin se často používá šachtová pec, v níž se materiál vrství střídavě s palivem, uhlím nebo koksem. Pec se plní shora a hotový materiál se odebírá ve spodní části.
Paliva pro pece
Ačkoli lze pece vytápět různými palivy, od elektřiny, zemního plynu, svítiplynu, těžkého topného oleje, uhlí, koksu až po dřevo, moderní pece dosahují vysokých teplot především pomocí elektřiny nebo plynu. Většina dnešních keramických pecí je plynová nebo elektrická, ale historicky existoval ještě jiný typ periodické pece, který používal jako palivo uhlí a dřevo a nazýval se lahvová pec. Uhlí se spalovalo ve vypalovací komoře společně s výrobky; ty musely být umístěny do keramických pouzder zvaných saggary, aby byly chráněny před znečištěnou atmosférou hořícího uhlí. Malý počet těchto pecí se dochoval jako technické dědictví a příležitostně se vypaluje pro vzdělávací účely. V minulosti existovala také metoda výpalu cihel, při níž byla řada vypalovacích komor uspořádána do kruhu. Tyto komory, rovněž vytápěné uhlím, se vypalovaly postupně, takže část tepla z jedné komory se využila pro výpal další. Jednalo se o Hoffmannovy pece.
Pece vytápěné uhlím a dřevem způsobují nepřijatelnou míru znečištění ovzduší.
Kontinuální pece
V kontinuální peci se vypalovací zóna udržuje trvale na vysoké teplotě a výrobky jí procházejí. Oblíbenou metodou je použití pohyblivého pásu, který výrobky vede pecí po předem stanovenou dobu; u takzvaného rychlovýpalu obkladů a dlažby by typická doba průchodu činila jednu až dvě hodiny. Tradičnějším řešením je použití tunelové pece, kdy pecní vozy nepřetržitě projíždějí tunelem. Doba průchodu může být 12 hodin, nebo dokonce 24 hodin pro jeden vůz. Nevýhodou tohoto systému je, jak si lze představit, že musí být neustále k dispozici vozy k nakládání. Obvykle se přes den připraví zásoba vozů a v noci se používají. Další nevýhodou je, že obsluha pece musí být přítomna nepřetržitě, 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Při tepelném zpracování surovin tomu odpovídá použití rotační pece, kde topnou zónu tvoří rotující buben s hořáky uprostřed. Materiál se může pohybovat šikmým bubnem a opakovaně propadá topným plamenem.
Některé obvyklé teploty v keramice.
- Přežah kameniny – 1120 °C
- Glazovací výpal kameniny – 1060 °C
- Porcelán – 1200 °C
- Solná glazura – 1250 °C
- Kostní porcelán – 1300 °C
- Zlatá dekorace, označovaná také jako zlacení – 800 °C
- Emailové barvy na skleněné bázi – 500 °C
Konstrukční materiály
Přednost se dává především lehkým materiálům (izolačním žáruvzdorným cihlám a keramickému vláknu), aby se po výpalu zkrátila doba chladnutí pece. Izolační cihla třídy 26 se nejčastěji používá v kombinaci s Vitset 45 žáruvzdornou maltou. To samozřejmě neplatí pro tunelovou pec, kde se teplota udržuje konstantní a pecní vozy projíždějí pecí; tyto pece jsou obvykle vyloženy hutnými žáruvzdornými cihlami, například žáruvzdornými cihlami z hlinitého šamotu se 42 % Al₂O₃.
Je důležité, aby materiály používané v keramických pecích (vyzdívky pecí) měly nízký obsah železa, protože výrobky jsou velmi často bílé a znečištění železem v kombinaci s vypálenou keramikou může způsobit černé nebo zelené skvrny. Keramické vlákno je také nutné opatřit žáruvzdorným nátěrem Zircon Paint, aby se zabránilo padání uvolněných vláken na výrobky; to je zvlášť škodlivé u glazovaných výrobků.
U některých aplikací je důležitá odolnost proti tepelnému šoku. Testuje se zahřátím zkušebních těles a jejich následným ponořením do studené vody. Tento postup se opakuje při stále vyšších teplotách, dokud těleso nepraskne nebo se nerozpadne. Glazovaná keramika je obvykle o 40 % pevnější než neglazovaná keramika, a má proto vyšší odolnost proti tepelnému šoku.
Solná glazura a sodné pece
Při procesu solné glazury se keramické výrobky vypalují obvyklým způsobem, ale když pec dosáhne maximální teploty, nasype se do ní otvorem v horní části sůl. Teplota způsobí odpaření soli a na výrobcích se vytvoří lesklá vrstva. V tomto procesu je sůl velmi agresivní a žáruvzdorné materiály jsou náchylné k napadení chloridy. Peter Meanley v Irsku provedl práci, která ukazuje, že cihly lze chránit, pokud jsou před prvním použitím při solném glazování ošetřeny materiálem Silcas -A. Proces v sodné peci je velmi podobný, ale místo chloridu sodného používá hydrogenuhličitan sodný.
Jiné pece a speciální pece
Sušicí pec na dřevo
Sušení tvrdého dřeva.
Když se řezivo poprvé nařeže z pokáceného stromu, má vysoký obsah vlhkosti. Dřevo je proto nutné nejprve vysušit v sušárnách dřeva.
Sušení dřeva se často urychluje jeho zahříváním v určitém typu sušicí pece, aby se obsah vlhkosti snížil pod 25 %. To platí pro spalování paliva v grilu, v dřevem vytápěné pizza peci nebo dokonce v domácích krbových kamnech či krbu. Dřevo upravené tímto způsobem se nazývá komorově sušené palivové dřevo.
Způsoby řízení a sledování teplot v peci
Elektrická pec
Moderní elektrické pece jsou obvykle vybaveny digitálním programovatelným regulátorem, který sleduje teploty pomocí termočlánku a řídí výpal podle předem nastaveného programu s předehřevem, nárůstem teploty a výdrží na maximální teplotě.
V elektrické peci jednodušší verze tohoto systému připomíná spíše termostat a nazývá se kiln sitter. Pouze zapíná a vypíná napájení, aby bylo dosaženo nastavené hodnoty.
Plynové pece
Plynové pece mají podobné vybavení, elektrické přístroje však nyní musí ovládat plynové ventily a sledovat jak tlaky, tak teploty. U plynových pecí je důležité měřit hladinu kyslíku v peci. Pokud je příliš nízká, plyn nebude správně hořet; pokud je příliš vysoká, pec se předčasně ochlazuje. Plynová pec se obvykle vytápí s mírným přetlakem v peci 0,25–0,5 Pa vůči atmosféře mimo pec. Tím je zajištěno, že teplo proudí z pece ven, místo aby do pece pronikal studený vzduch.
Před nástupem moderní přístrojové techniky se používala metoda, při níž se z keramické hmoty se známými smršťovacími vlastnostmi vylisoval kroužek. Během výpalu se několik těchto kroužků postupně vyjímalo z pece, dokud se nezjistilo, že se smrskly na správnou velikost.
