A palavra inglesa kiln, derivada do inglês antigo cyln, e o termo furnace são frequentemente usados de forma indistinta para designar um tipo de forno aquecido a temperaturas muito elevadas num processo conhecido como cozedura ou queima.
Segundo a definição mais rigorosa, a diferença é que um forno cerâmico é carregado a frio e depois aquecido, enquanto um forno industrial é primeiro aquecido e só depois carregado com material.
Na indústria, isto significa que os fornos cerâmicos estão sobretudo associados à cerâmica e a processos cerâmicos, por exemplo ao tratamento térmico de matérias-primas antes de estas serem utilizadas num produto final. Um exemplo é a queima de calcário, sílex, bauxite ou outros minerais para provocar uma alteração química; esta alteração chama-se calcinação. Na cerâmica, os componentes de um vidrado têm de ser aquecidos para formarem uma espécie de vidro, chamado frita. As fritas de vidro resultantes são depois moídas até se obter um pó fino e adicionadas a óxidos coloridos para produzir vidrados. Também noutros processos relacionados, como a produção de cimento, a instalação é designada forno. Alguns processos de secagem a temperaturas mais baixas são por vezes também referidos como processos de forno, por exemplo a secagem de madeira num espaço fechado e aquecido.
Os fornos industriais, por outro lado, estão geralmente ligados a uma área da metalurgia. No processamento de ferro e aço fala-se frequentemente de alto-forno ou de forno Siemens-Martin; nas fundições são muito utilizados fornos de indução e fornos de tratamento térmico, por exemplo para recozimento.
Cerâmica e olaria
A produção de cerâmica e olaria abrange uma grande variedade de produtos. Inclui produtos de cerâmica estrutural, como tijolos comuns, loiça sanitária, telhas e ladrilhos, mas também cerâmica fina, como serviços de mesa e figuras decorativas. Todos estes produtos têm por base argila, numa determinada forma, misturada com outros minerais, e são todos cozidos num forno. A maioria dos fornos para decoração com esmalte e ouro são fornos elétricos.
Vidro
O vidro na sua forma mais conhecida, o vidro plano, é produzido fazendo flutuar vidro fundido sobre um banho de estanho líquido dentro de um forno. É necessário mais trabalho artesanal no caso dos artesãos que produzem vasos e outras formas por sopro de vidro. Nesse caso, o vidro fundido é mantido quente num tipo especial de forno chamado glory hole, e o vidreiro mergulha a cana de sopro na massa de vidro líquido antes de começar a soprar a forma.
Tipos de fornos cerâmicos
A primeira classificação que podemos fazer é a distinção entre fornos intermitentes e fornos contínuos. Num forno intermitente, os materiais ou produtos são colocados na câmara de cozedura e o forno passa depois por um ciclo de aquecimento e arrefecimento, sendo as peças acabadas retiradas no final. Num forno contínuo, a zona de queima mantém-se permanentemente à temperatura pretendida e os produtos deslocam-se continuamente através dela.
Fornos intermitentes
Os fornos intermitentes existem em muitas configurações construtivas; analisamos aqui algumas delas. Em pequena escala, utilizam-se fornos simples com base fixa de carga e uma porta, semelhantes a um forno, em que o operador carrega o forno no início do processo e o descarrega no final. No interior podem existir placas, chamadas placas de forno, e o conjunto completo de placas e suportes é conhecido como mobiliário refratário do forno. A maioria destes fornos mais pequenos são fornos de tiragem ascendente. Muitos ceramistas utilizam fornos de carga superior, que têm a vantagem de ocupar menos espaço do que outros tipos.
Fornos raku
Na cerâmica de estúdio, os fornos raku também são populares. Ao contrário dos fornos tradicionais, são utilizados para aplicar revestimentos ou acabamentos superficiais a alta temperatura em peças cerâmicas e arrefecê-las depois muito rapidamente.
Em maior escala, utilizam-se fornos de vagonetas, com uma ou mais vagonetas de forno. Estas podem ser carregadas fora do forno e depois introduzidas no seu interior, normalmente sobre carris. Durante muitos anos, estes fornos de vagonetas foram equipamento padrão na indústria cerâmica. Uma alternativa é uma base fixa de carga, em que a própria câmara de aquecimento do forno de vagoneta se desloca lateralmente ou para cima. Estes fornos são chamados, respetivamente, fornos de campânula móvel lateral e fornos de campânula elevatória. Para a calcinação de matérias-primas, utiliza-se frequentemente um forno de cuba, no qual o material é empilhado em camadas alternadas com combustível, carvão ou coque. O forno é carregado por cima e o material acabado é retirado pela parte inferior.
Combustíveis para fornos
Embora os fornos possam ser aquecidos com vários combustíveis, desde eletricidade, gás natural, gás de cidade, fuelóleo pesado, carvão, coque até madeira, os fornos modernos atingem temperaturas elevadas sobretudo com eletricidade ou gás. A maioria dos fornos de cerâmica atuais são fornos a gás ou elétricos, mas historicamente existiu outro tipo de forno intermitente, alimentado a carvão e madeira, chamado forno-garrafa. O carvão era queimado na câmara de combustão juntamente com os produtos; estes tinham de ser colocados em caixas refratárias de argila, chamadas saggars, para os proteger da atmosfera contaminada da combustão do carvão. Um pequeno número destes fornos foi preservado como património e é ocasionalmente aceso para fins educativos. No passado, existia também um método para cozer tijolos em que uma série de câmaras de combustão era disposta em círculo. Estas câmaras, também alimentadas a carvão, eram queimadas sucessivamente, de modo que parte do calor de uma câmara era utilizada para a queima da seguinte. Eram os fornos Hoffmann.
Os fornos alimentados a carvão e madeira provocam um nível inaceitável de poluição atmosférica.
Fornos contínuos
Num forno contínuo, a zona de queima é mantida permanentemente a alta temperatura e os produtos deslocam-se através dela. Um método popular é a utilização de uma esteira móvel que transporta os produtos através do forno durante um tempo pré-determinado; nas chamadas cozeduras rápidas de azulejos e ladrilhos, um tempo de passagem típico seria de uma a duas horas. Uma solução mais tradicional é o uso de um forno túnel, no qual as vagonetas de forno são continuamente conduzidas através do túnel. O tempo de passagem pode ser de 12 horas, ou mesmo 24 horas para uma vagoneta. A desvantagem deste sistema é, como se pode imaginar, a necessidade de haver sempre vagonetas disponíveis para carregar. Normalmente, prepara-se uma reserva de vagonetas durante o dia e utiliza-se essa reserva durante a noite. Outra desvantagem é a necessidade de pessoal do forno estar presente continuamente, 24 horas por dia, 7 dias por semana. No tratamento térmico de matérias-primas, isto corresponde à utilização de um forno rotativo, em que a zona de aquecimento consiste num tambor rotativo com queimadores ao centro. O material pode deslocar-se através do tambor inclinado e cair repetidamente através da chama de aquecimento.
Algumas temperaturas habituais na cerâmica.
- Cozedura de chacota de grés – 1120 °C
- Cozedura de vidrado de grés – 1060 °C
- Porcelana – 1200 °C
- Vidrado de sal – 1250 °C
- Porcelana de ossos – 1300 °C
- Decoração a ouro, também chamada douragem – 800 °C
- Cores de esmalte à base de vidro – 500 °C
Materiais de construção
A preferência recai sobretudo sobre materiais leves (tijolos isolantes refratários e fibra cerâmica), para reduzir o tempo de arrefecimento do forno após a cozedura. O tijolo isolante classe 26 é o mais utilizado em combinação com a Vitset 45 argamassa refratária. Naturalmente, isto não se aplica a um forno túnel, onde a temperatura se mantém constante e as vagonetas passam pelo forno; estes fornos são normalmente revestidos com tijolos refratários densos, por exemplo tijolos refratários de chamote aluminoso com 42 % Al₂O₃.
É importante que os materiais utilizados em fornos cerâmicos (revestimentos de forno) tenham baixo teor de ferro, porque os produtos são muitas vezes brancos e a contaminação por ferro, em combinação com a cerâmica cozida, pode causar manchas pretas ou verdes. A fibra cerâmica também deve receber um revestimento refratário à base de zircão, para evitar que fibras soltas caiam sobre os produtos; isto é particularmente prejudicial em produtos vidrados.
Em algumas aplicações, a resistência ao choque térmico é importante. Esta é testada aquecendo provetes e mergulhando-os depois em água fria. Este procedimento é repetido a temperaturas cada vez mais elevadas até a peça fissurar ou se desintegrar. A cerâmica vidrada é geralmente 40 % mais resistente do que a cerâmica não vidrada e, por isso, tem maior resistência ao choque térmico.
Vidrado de sal e fornos de soda
No processo de vidrado de sal, os produtos de argila são cozidos da forma habitual, mas quando o forno atinge a temperatura máxima, é introduzido sal no forno através de uma abertura na parte superior. Devido à temperatura, o sal evapora e forma uma camada brilhante sobre os produtos. Neste processo, o sal é muito agressivo e os materiais refratários são sensíveis ao ataque por cloretos. Peter Meanley, na Irlanda, realizou trabalhos que demonstram que os tijolos podem ser protegidos quando são tratados com Silcas -A antes da primeira utilização em vidrado de sal. O processo num forno de soda é muito semelhante, mas utiliza bicarbonato de sódio em vez de cloreto de sódio.
Outros fornos e fornos especiais
Forno de secagem de madeira
A secagem de madeiras duras.
Quando a madeira serrada é obtida pela primeira vez de uma árvore abatida, apresenta um teor de humidade elevado. Por isso, a madeira tem de ser primeiro seca em câmaras de secagem de madeira.
A secagem da madeira é frequentemente acelerada aquecendo-a num tipo específico de forno de secagem, de modo a reduzir o teor de humidade para menos de 25 %. Isto aplica-se à queima de combustível numa churrasqueira, num forno de pizza a lenha ou mesmo numa salamandra a lenha ou lareira doméstica. A lenha tratada desta forma é chamada lenha seca em forno.
Formas de controlar e monitorizar as temperaturas no forno
Forno elétrico
Os fornos elétricos modernos estão normalmente equipados com um controlador digital programável que monitoriza as temperaturas com um termopar e controla o processo de cozedura de acordo com um programa predefinido, com fase de pré-aquecimento, subida de temperatura e tempo de manutenção à temperatura máxima.
Num forno elétrico, uma versão mais simples deste sistema assemelha-se mais a um termóstato e é chamada kiln sitter. Este apenas liga e desliga a alimentação para atingir o valor definido.
Fornos a gás
Os fornos a gás têm equipamento semelhante, mas os instrumentos elétricos têm agora de acionar válvulas de gás e monitorizar tanto pressões como temperaturas. Nos fornos a gás, é importante medir o nível de oxigénio no forno. Se o nível for demasiado baixo, o gás não queimará corretamente; se for demasiado alto, o forno arrefecerá prematuramente. Um forno a gás é normalmente aquecido com uma ligeira sobrepressão no interior do forno, de 0,25–0,5 Pa em relação à atmosfera fora do forno. Assim, garante-se que o calor sai do forno, em vez de o ar frio entrar.
Antes do aparecimento da instrumentação moderna, utilizava-se um método em que se prensava um anel a partir de massa cerâmica com propriedades de retração conhecidas. Durante a cozedura, alguns destes anéis eram retirados sucessivamente do forno, até se verificar que tinham encolhido até à dimensão correta.
