Il forno
Il forno è una struttura chiusa all’interno della quale mediante riscaldamento si può elevare la temperatura di un materiale per portarlo a fusione oppure per fargli subire modificazioni permanenti di carattere fisico, chimico o meccanico. I forni si distinguono per il tipo di alimentazione impiegato, che può essere a combustibile, elettrico, ecc.
Fin dal 3000 a. C. i sumeri della Mesopotamia usarono fornaci chiuse con aspirazione controllata per la cottura di vasellame fino a temperature di circa 1200°C.
I forni sono progettati sia per uso continuo sia per uso intermittente.
I forni continui sono progettati per funzionare virtualmente senza sosta, a volte sono costituiti da tre zone (una di preriscaldo, una di riscaldo ed una di raffreddamento), attraverso le quali il materiale da trattare viene fatto avanzare su carrelli spinti da un braccio idraulico azionato dall’entrata.
Nei processi discontinui il materiale è introdotto a freddo, riscaldato alla temperatura richiesta, che viene mantenuta per un certo lasso di tempo, e quindi raffreddato ed estratto.
Costruzione del forno
Il tipo di mattoni usato nella costruzione dei forni dipende da vari fattori, quali la massima temperatura raggiunta, il tipo di atmosfera e le reazioni del materiale fuso, delle scorie e del gas combusti col rivestimento refrattario del focolare, cioè della camera di combustione.
La struttura del forno deve rimanere stabile sia nelle condizioni di riscaldamento sia in quelle di raffreddamento e quindi occorre realizzarla con materiali refrattari in grado di resistere alle dilatazioni e alle contrazioni conseguenti ai rapidi cambiamenti di temperatura (shock termici); in fase di progettazione si prevede inoltre l’inserimento di giunti di espansione e vincoli strutturali in grado di garantire stabilità alla muratura.
Ottimi refrattari sono il caolino, le argille refrattarie (punto di fusione compreso tra 1600 e 1700°C) e materiali a base di silice, magnesite, dolomite e allumina.
Forni elettrici
Di forni elettrici, in cui la generazione di calore avviene convertendo l’energia elettrica della rete di distribuzione in energia termica, esistono tre tipi fondamentali:
a resistenza, ad arco e a induzione.
Il forno a resistenza è il tipo più comune e utilizza il calore prodotto per effetto Joule dalla corrente circolante in resistori metallici, di grafite o di carborundum alloggiati nei mattoni refrattari che rivestono internamente il forno.
La massima temperatura raggiungibile dipende dal tipo di materiale impiegato per i resistori.
I forni ad arco realizzano la fusione di materiali metallici sfruttando il calore sviluppato da un arco elettrico. Il rivestimento è costituito da materiale refrattario di alta qualità e gli elettrodi, di carbone o grafite, generalmente collocati sulla volta del forno e diretti all’interno verso la carica, cioè verso il metallo da fondere, vengono abbassati a mano a mano che si consumano, l’intenso calore dell’arco porta a fusione i metalli caricati.
Il forno a induzione è usato per la fusione o il trattamento termico dei metalli e funziona in base al principio dell’induzione elettromagnetica.
Fornaci continue e fornaci a tunnel
Tra i diversi tipi di fornaci continue il più interessante è quello progettato nel 1858 dall’ingegnere ferroviario tedesco Friedrich Hoffmann (1818-1900), che rappresentò un notevole progresso nel settore in quanto permetteva di conservare meglio il calore e di aumentare il rendimento complessivo.
La fornace di Hoffmann, tuttora usata con piccole modifiche per la cottura dei laterizi, è costituita da una galleria anulare, con un camino collettore dei gas caldi al centro, e divisa in camere separate, che vengono assoggettate al fuoco una alla volta secondo un senso di rotazione prestabilito.
Il materiale da cuocere è caricato in mucchio nella camera opposta a quella in cui è in atto la combustione; l’aria necessaria per la combustione entra fredda dalla porta o da uno sportello della camera di caricamento e attraverso fori ricavati nelle pareti passa in quelle successive nel senso di rotazione del fuoco, raffredda i mattoni ivi contenuti che hanno già subito la cottura e contemporaneamente viene preriscaldata. In tal modo l’aria giunge molto calda nella camera dove avviene la combustione, aumentandone così l’efficacia, e va quindi a preriscaldare le camere che saranno assoggettate al fuoco in tempi successivi. Finita la cottura in atto, si fa avanzare il fuoco di una posizione, si scarica la camera più fredda e si carica la camera accanto, lasciata in precedenza vuota, ritornando così, a parte lo spostamento nel senso di rotazione, a ripetere esattamente il ciclo descritto.
Poiché la fornace di Hoffmann richiede molta manodopera, attualmente si tende a sostituirla con fornaci a tunnel, apparse circa 50 anni più tardi.
I materiali che devono subire la cottura, solitamente caricati su carrelli spinti da un sistema idraulico, percorrono lentamente un lungo tunnel, diviso in varie zone e con bruciatori in quella centrale, sono preriscaldati dall’aria calda proveniente dalla zona di combustione, subiscono la cottura, sono raffreddati dall’aria fredda proveniente dall’estremità del tunnel opposta a quella di ingresso ed infine scaricati all’uscita del tunnel.
Forno a legna
Il forno ha legna è una costruzione in mattoni costituita da due parti:
la parte inferiore, la camera di combustione, dove viene messa la legna (combustibile), questa camera deve raggiungere temperature altissime per elevare la temperatura nella camera superiore (camera di cottura);
la parte superiore, la camera di cottura, dove i vasi già essiccati vengono messi su uno o più piani forati e quindi portati ad alte temperature per la cottura.
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