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Brand & Ofen

Brand & Ofen - wie und wo Porzellan gebrannt wird

 

 

 

Porzellan ist ein Endprodukt, dass erst durch die Verschmelzung von Rohstoffen unter großer Hitze zu einem Festkörper gedeiht. Diesen Prozess der Porzellanherstellung nennt man Porzellanbrand, der in unterschiedlichen Öfen und Herstellungsstufen erfolgen kann. Je nach Herstellungskompetenz, Land und Fertigungsanspruch können bis zu 5 Trocknungs- bzw. Brennvorgänge angewendet werden, dass Endprodukt in die jeweils gewünschte Festigkeit zu bringen. Allen unterschiedlichen Brennmethoden, Ofenarten und Trocknungsvorstufen obliegen am Ende die grundsätzliche Einheit des Hartbrandes, der erst oberhalb einer Temperatur von 1.300 °C aus Keramik echtes Porzellan werden lässt.   

Wir erklären Ihnen hier, warum der Brand von Porzellan von hoher Bedeutung ist!

 


 

Trocknungsvorgänge der Porzellanherstellung

 

Vor dem Porzellanbrand - nach der Formgebung - muss die weiche Porzellanmasse trocknen, um den Artikel in die nächste Produktionsphase zu übergeben. Fälschlicher Weise wird dieser Prozess gerne als "Austrocknung" bezeichnet, was jedoch anlässlich des danach noch vorhandenen Feuchtigkeitsanteils - zumindest rein physikalisch - nicht ganz korrekt ist. Fakt ist, dass das Porzellan zur Weiterverarbeitung in der II. Fertigungsstufe "lederhart" sein muss, damit man es in die nächste Herstellungsphase überführen kann. Klimatisch haben Europäische Fabriken, besonders die Deutschen und Osteuropäische Porzellanindustrie einen Standortnachteil, denn die Umgebungswärme reicht nicht aus, das Porzellan in den gewünschten lederharten Zustand zu bringen. Trockenkammern, Bestrahlungsöfen oder Wärmestrassen werden hier eingesetzt, die Ersttrocknung vorzunehmen. In Asien bei Temperaturen von 40 °C und mehr kann die Sonne als natürliche Trocknungsquelle genutzt werden: Schon nach wenigen Stunden ist das Porzellan bis zum Stadium der Weiterverarbeitung ausgehärtet.

 


 

Vorbrandprüfung

 

Besonders stolz sind wir über ein Verfahren aus dem Bereich der Qualitätskontrolle, welches wir zusammen mit unseren Produktionspartnern mit entwickelt haben: Die Vorbrandprüfung mittels Kerosin! Dieser zusätzliche Schritt lohnt sich vor allem bei Artikeln, die viel Brennplatz im Ofen einnehmen oder sehr aufwendig in ihrer Fertigung sind. Man bestreicht den Porzellanartikel im vorgeglühten oder im lederharten Zustand vollständig mit Kerosin und erkennt mit diesem Verfahren, ob sich Haarrisse oder Oberflächenschäden auf der Ware befinden. Diese Beschädigungen auf der Scherbe erkennt man üblicherweise erst nach dem Hartbrand in der Qualitätskontrolle, hat aber unnötig einen von vornherein mangelhaften Artikel "durch den Ofen geschoben" und damit teuren Brennplatz verschenkt. Der Kerosinanstrich macht diese Schäden schon vor dem Brand gut sichtbar und verfliegt rückstandslos beim Hartbrand im Ofen, ohne jegliche Rückstände zu hinterlassen.

 

 

Der Vorbrand - Bisquitbrand

 

Neben dem Monobrand (Einmalbrand) unterhalten viele Fabriken einen sog. Bisquitbrand als Vorstufe des Glattbrandes (Hauptbrand). Der Name bezeichnet den Zustand des Porzellans nach dem ersten Brennvorgang, dass sich dann in einem bisquitharten Zustand befindet. Im Dualbrandverfahren ist der Bisquitbrand der Erstbrand. Verwendung finden auch Namen wie Schrühbrand, Glühbrand oder Raubrand. 

 

Die Anordnung der Artikel im Ofen ist in dieser Brennphase noch unkritisch, die Teile können sogar auf- oder ineinander gestellt werden, während die Masse in den bisquitähnlichen Zustand hochgebrannt wird. Der empfohlene Temperaturauftrieb sollte bei einer hochwertigen Fabrik etwa 50° C pro Stunde betragen. Die Spitzentemperatur bei Hartporzellan beträgt circa 800-1000 °C. Sie verleiht dem Scherben Festigkeit und macht ihn zugleich porös und somit aufnahmefähig für die Glasur, deren Zusammensetzung der des Porzellans ähnelt und die je nach Saugfähigkeit des Scherbens in dünn- oder dickflüssiger Form durch Besprühen oder einfaches Eintauchen aufgetragen wird. Nach dem Schrühbrand kann das Porzellan von unerwünschten Reststoffen, Nähten, Hauben etc. befreit werden. Dieser Bisquitzustand des Porzellans stellt die Vorstufe zur Glasur dar.

 


 

Der Monobrand

 

Viele Fabriken beherrschen dieses Herstellungsverfahren, in dem die Scherbe in einem (einmaligen) Brand durchsintert und ihr Endstadium erreicht. Der Monobrand erspart den Bisquitbrand. Angesichts hoher Energie- und Brennstoffkosten bedeutet dies eine erhebliche Kostenersparnis in der Fertigung. Nebenbei schont die Einsparung eines kompletten Brennvorganges die Ressourcen und die Umwelt.

 


 

Bisquitbrand vs. Monobrand

 

Über den Einsatz des Einmalbrandes sind die Gelehrten sehr unterschiedlicher Meinung! Verfechter des Bisquitbrandes schimpfen den Einmalbrand eine "Billigproduktion" mit einer geringwertigen Porzellanqualität. Schon rein physikalisch betrachtet ist diese Behauptung jedoch grober Unsinn, denn am Ende muss Porzellan genormte, einheitliche Eigenschaften aufzeigen (Porosität/Dichte und Härte). Das Endprodukt unterscheidet sich im Hinblick auf seine physikalischen Werte nicht, egal ob es im Monobrand oder Doppelbrandhergestellt wurde.  

Richtig ist aber, dass eine exakte Formgebung der Artikel im Einmalbrand schwieriger ist, weil die Deformation der Porzellanmasse im Einmalbrand höheren Toleranzen ausgesetzt ist. Angesichts der ökologischen Situation und aufgrund der Weltklimaerwärmung sollten aber auch gerade die Deutschen Fabriken an einer Energieoptimierung nachdenken, anstatt ihre Brennmethode als das Zentrum aller Weisheiten zu vertreten.

 


 

Kostenfaktor Porzellanbrand 

 

 

Die deutsche Porzellanbibel des Hans Friedl aus dem Jahr 1987 bezeichnet die Brennkosten als mehrheitlichen Kostenfaktor der Porzellanindustrie. Sicherlich stammt diese Feststellung aus der Zeit, als die Öfen im Fichtelgebirge noch mit Kohle befeuert wurden, andererseits haben sich seither die Energiekosten mehr als verfünffacht. Moderne Produktionsmechanismen und Wärmerückgewinnungsanlagen tragen sicher dazu bei, die Energiekosten einer Fabrik nachhaltig zu senken. Dennoch sind am Ende werksunabhängig mindestens 1.300 ° C zu erreichen, um Porzellan in den gewünschten Sinternungsprozess zu bringen. Auch die Rohstoffe sind in den vergangenen Jahrzehnten teurer geworden, vor allem, weil viele Fabriken auf Fertiggemische (Readymix) umgestiegen sind. Die Beimischung hochwertiger Additive wie Alumina, Knochenasche u.ä. sind ebenfalls verteuernde Elemente. Dennoch und schlussendlich nehmen die Energiekosten nach wie vor einen erheblichen Kostenfaktor ein. Es sollte nicht falsch sein, wenn wir behaupten, zwischen 30% und 60%, je nach Standort, Standard und Ausstattung der Fabriken.

 


 

Qualitätsmarkmal Energiequelle 

 

 

Verdeutlichen Sie sich bitte den Unterschied zwischen einem gekochten Lachs und einem geräucherten Lachs. Genauso maßgeblich nimmt die Art der Befeuerung des Porzellans einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endproduktes. Unser Bild (oben) zeigt einen traditionellen Kohleofen, wie er heute noch in Teilen Chinas, Vietnam und Thailand verwendet wird. Der Anblick erinnert an den Film Titanic, in dem im Schiffsbauch ein Trupp starker Männer unentwegt Kohle ins Feuer schaufelt; genauso ist es tatsächlich bei einem mit Kohle betriebenen Tunnelofen.

So ähnlich wie sich Buchenholzrauch auf einen Schinken legt, schlagen Brennrückstände auf das weiße Porzellan. Zum Teil sind diese sichtbar. schlimmer aber sind die unsichtbaren Rückstände wie z.B. Blei oder Cadmium, die im Flammennebel in die Glasur eindringen könnten. Deshalb ist die Annahme falsch, dass weißes Porzellan - ohne Dekor - grundsätzlich immer frei von gefährlichen Stoffen ist, die eine Verwendung als Lebensmittelgebrauchsgegenstand verbieten. Während des Glattbrandes sind Glasuren durchlässig für Gase und damit anfällig. 

Moderne Ofenanlagen werden heute mit Gas betrieben, dass zwar wesentlich weniger Kohlendioxyd (Co2) ausstößt, aber keinesfalls garantiert, dass es nicht doch zu Belastung durch gefährliche Stoffe führen kann.   

 


 

Die Brenntechniken

 

In der Porzellanherstellung, bzw. in der Porzellanveredlung gibt es zwei verschiedene Arten Brennmethoden, die sich erheblich voneinander unterscheiden und zu sehr unterschiedlichen Brennergebnissen führen können.  

  •         Der Reduktionsbrand
  •         Der Oxydationsbrand

 

Der Reduktionsbrand

 

Das Wort Reduktion bedeutet Verringerung und bezeichnet in der Porzellanherstellung den räumlichen (im Kreis- bzw. Tunnelofen) bzw. zeitlichen (im Kammerofen) Entzug von Sauerstoff. Feuer kann sich nur in Zusammenhang mit Sauerstoff entwickeln und ähnlich wie bei einem Gasbrenner, kann man mit der Zufuhr, bzw. Verringerung von Sauerstoff (O2) die Intensität einer Flamme vergrößern oder verringern. Die Reduktion im Porzellanbrand erfolgt in Phasen (Blockofen) oder Zonen (Tunnelofen) und muss ich mit Sauerstoff zugeführten Brennphasen abwechseln. Beim Reduktionsbrand keramischer Erden entsteht ein Kohlenstoffüberschuss (C6) in Form von Kohlenmonoxid (CO) der zu einem Entzug von Sauerstoff in der Ofenatmosphäre und dem Brenngut selbst führt. Ein Reduktionsbrand führt immer zu einer Rauchentwicklung im Ofen, die sich als Nebelschlag auf die Scherbe setzt. Je nach Intensität und Dauer eines Reduktionsbrandes kann die Scherbe ihre Farbe bis in tiefes gelb-grau verändern. Das ist ein erheblicher Nachteil des Reduktionsbrand und erfordert zusätzliche Brennmittel, soweit man am Ende weißes Porzellan erhalten möchte.

 

Daher empfiehlt sich in der Reduktionstechnik grundsätzlich das Kapselbrandverfahren, also dem Einsatz von Brennkapseln, was wiederum die mengenmäßige Ausbeute und Effektivität des Porzellanbrandes einschränkt. 

 

Die Schwindung der Porzellanmasse verhält sich im Reduktionsbrand jedoch weitaus formstabiler als im Oxydationsbrand. Feine Erden, Bone China und Feldspat Porzellan können im Reduktionsbrand höher gebrannt werden, als im Oxydationsbrand. Der Deformationsgrad ist geringer, die formgebende Struktur exakter. 

Der Reduktionsbrand wird vor allem in der nachträglichen Veredlung mit Dekoren verwendet. Dekorfarben die auf metallischer Basis hergestellt werden, sog. Metalloxydfarben, zeigen je nach Brenntechnik sehr unterschiedliche Reaktionen.  I.d.R. erreicht man im Reduktionsbrand bessere Farbergebnisse mit mehr Möglichkeiten. 

 

 

Der Oxidationsbrand

 

Eines vorweg: man kann ihn mit "i" als Oxidationsbrand oder auch mit "y" Oxydationsbrand schreiben, beides ist richtig. Dieses Brennverfahren beruht quasi auf dem Gegenteil des Reduktionsverfahrens, indem der Ofen mit Sauerstoff angereichert wird. Dabei entsteht eine chemische Reaktion, bei dem der Sauerstoff Elektronen abgibt und dadurch seine Oxidationszahl erhöht, während die keramische Masse diese Elektronen aufnimmt und dadurch reduziert wird. Elektroöfen in der keramischen Industrie arbeiten grundsätzlich im Oxidationsverfahren, weil ein Reduktionsbrand die elektronischen Heizschlagen zerstört.

 

 

Im Oxydationsbrand kann das Porzellan "offen" - also ohne Kapseln gebrannt werden, was eine höhere Ausnutzung der mengenmäßigen Ausbeute erzielt. Zeit- bzw. raumgleich können im Oxydationsverfahren weitaus größere Mengen hergestellt werden, als im Reduktionsbrand. Das Bild oben zeigt einen der größten Kammeröfen, in denen jemals Holst Porzellan hergestellt wurde. Dieser 56 qbm Größe Block-Kiln schafft bis zu 50.000 Stapeltassen in einem Brennvorgang. Unter Volllast und durch den Einsatz einer eigens dafür entwickelten Brennkurve kann ein Brennvorgang in knapp 10 Stunden abgeschlossen werden.  

 


 

Der Kapselbrand 

 

 

In der Porzellanherstellung unterscheidet man im Grundsatz zwei verschiedene Arten bzw. Funktionen des Kapselbrandes. 

 

  •     reaktiver Kapselbrand
  •     produktiver Kapselbrand 

     

Um diese Warenkunde nicht endlos in die Tiefe zu treiben hier eine Erklärung in Kürze. Der reaktive Kapselbrand soll eine bestimmte Reaktion hervorrufen, z.B. den gezielten Anstieg (z.B. im Dekorbrand) oder das Absenken (im Glattbrand) einer reduktiven Steigerung. So kann z.B. die Beigabe von Bor einen durch Kohlenmonoxid drohenden Grau- bzw. Schwarzschlag auf der Glasur unterbinden. Reaktiver Kapselbrand erfolgt grundsätzlich in geschlossenen Brennkapseln. Der produktive Kapselbrand dient vor allem dazu, den Brennplatz im Ofen besser, also höher auszulasten und wird meist in offenen Brennkapseln durchgeführt.   

 


 

Porzellanöfen

 

 

Grundsätzlich stehen für die Porzellanherstellung - neben diversen Trocknungskammern und Trocknungsmethoden - 2 Arten von Porzellanöfen für Verfügung, die den Glattbrand oberhalb von 1.300 ° C erreichen. 

  •        Der Blockofen (auch Kammerofen) engl. Block Kiln
  •        Der Tunnelofen engl. Tunnel Kiln

Beide Arten werden heute in modernen Anlagen Gas betrieben und mit Wärmerückgewinnungssystemen ausgerüstet. Der Porzellanbrand mit Kohle ist so gut wie ausgestorben und weicht modernen Ofenanlagen. Für den Glattbrand werden folgende Ofenformen eingesetzt.

 

Die Verwendung Tunnel- oder Blockofen obliegt im Wesentlichen der beabsichtigten Produktionsmengen, die sich wiederum aus den Herstellungskapazitäten der unterschiedlichen Herstellungsmethoden (Rollen/Drehen/Gießen/Pressen/Druckpressen) ergeben. Als Faustformel gilt: Je größer eine Fabrik oder je höher das Produktionsaufkommen gleichartiger Artikel unterschiedlicher Körperformen, desto eher ist der Einsatz eines Tunnelofens rentabel.

 

 

In der asiatischen Porzellanindustrie trägt der Tunnelofen aber einen Spitznamen, der seine Nachteile in einem Wort beschreibt: The hungry Dragon (der hungrige Drache). Ein Tunnelofen lässt sich, je nach Bedarf, nicht einfach an- oder abschalten und muss permanent befeuert werden. Diese Notwendigkeit legt der Fabrik einen hohen Kosten- bzw. Produktionsdruck auf, jeden Tag und jede Stunde aufs Neue Porzellan für den Hartbrand dort einzuschieben.  

 

 

Während man die unterschiedlichen thermischen Phasen in einem Blockofen zeitlich steuern und sehr individuell justieren kann, muss der Tunnelofen in thermische Sektionen aufgeteilt und befeuert werden. Je nach Hersteller des Tunnelofens können hier erhebliche Toleranzen entstehen, die letztlich ebenfalls großen Einfluss auf die Qualität des Porzellans nehmen.

 

 

Der Einsatz eines, oder mehrerer Blocköfen hingegen kann zwar mit der Brenneffizienz eines Tunnelofens nicht konkurrieren, bietet aber dafür eine hohe Flexibilität bezüglich der herzustellenden Mengen. Ein Blockofen lässt sich analog der Auftragslage schnell und einfach an- und abschalten. Da sich ein Blockofen exakter regulieren lässt als ein Tunnelofen, ist in ihm die Herstellung von gelehrtem Porzellan genauer und mit erheblich weniger Schwund möglich.

 


 

Die Brennkurve

 

 

Als Brennkurve bezeichnet man die Zeitachse (X) im Verhältnis zur thermischen Befeuerung (Y), also eine Temperatur- Zeitachse. Diese kann je nach Ofenart, Fabrik und Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich ausfallen und stellt vielerorts auch ein kleines Betriebsgeheimnis dar. Die obige Grafik zeigt eine Brennkurve für Hartporzellan im Monobrand (Einmalbrand) in einem 78 Meter langen Gas-Tunnelofen mit aktiver Wärmerückgewinnung. Die Höchsttemperatur für den Hartbrand erreicht dieser Ofen nach 13 Stunden mit 1.370 ° C und "kühlt" dann die Ware bei 900 ° C langsam abfallend weitere 5 Stunden herunter. Den Prozess zwischen Stunde 9 (1.250 °) und 13 (1.370°) bezeichnet der Porzelliner als Glühbrand oder Durchsintern.

 

 

 

Der Glattbrand

 

Im bisquitähnlichem, oder lederharten Zustand wurde das Porzellan ausgeputzt, nachbearbeitet und glasiert. Nun erfolgt der Brennvorgang, der aus der noch feuchten, dunklen Masse das feine, helle, weiß scheinende Porzellan macht. Während dieses Brennvorganges, auch Scharf-, Glatt- oder Garbrand genannt, verdichtet sich der Scherben im Temperaturbereich zwischen 1230 bis 1.400 ° C bis zur völligen Sinterung (Verglasung). Abhängig von der Atmosphäre im Brennofen kann das Porzellan offen gebrannt, oder muss bei kohlenstoffhaltigem Gas oder sehr dünnen Scherbenarten in Brennkapseln eingesetzt werden, damit keine schleierigen Rückstände wie Schlieren und Verneblungen auf dem Porzellan entstehen. Rotglühend überstehen die irdenen Grundstoffe die Befeuerung und unterliegen während dem Brand unglaublichen physischen Einflüssen. Die Qualität des Brennmittels spielt bei der optischen Anmutung von Porzellan eine wesentliche Rolle. Der Garbrand dauert i.d.R. zwischen 18 und 40 Stunden, je nach eingebrachten Teilen und Art des Porzellanofens. Der Hauptanteil unserer Porzellankollektion wird in langen, zwischen 69 und 80 Meterlangen, modernen und energieeffizienten Ofenanlagen gebrannt. Hinter der Ofentür ist jedes Porzellan gleich! Egal ob mit - ohne, mit grüner oder blauer Bodenmarke, mit Wappen, Ornament, Schwertern oder Zepter, sie alle haben irdene Rohstoffe inne und einen Hartbrand von mehr als 1.250 ° C hinter sich.

 

 

Schwindung von Porzellan beim Brand

 

 

Die Schwindung von Porzellan ist eine zwangsläufige Folge aus dem Sinterungsprozess (feinkörnige keramische Stoffe werden erhitzt, wobei die Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten liegen, so dass die Form des Werkstückes erhalten bleibt). Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden. Man unterscheidet grundsätzlich das Festphasensintern und das Flüssigphasensintern, bei dem es auch zu einer Schmelze kommt. 

Sinterprozesse besitzen große Bedeutung bei der Keramikherstellung („Sinterglaskeramik“) und in der Metallurgie („Sintermetalle“ und „Pulvermetallurgie“). 

Durch die Temperaturbehandlung des Sinterns wird aus einem fein- oder grobkörnigen Grünkörper, der in einem vorangegangenen Prozessschritt – beispielsweise mittels Extrusion – geformt wurde, ein festes Werkstück. Das Sintererzeugnis erhält erst durch die Temperaturbehandlung seine endgültigen Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind.  Dimensionsverlust durch Schrumpfung bzw. Schwindung.

 

Am Beispiel unseres Pasta-Tellers 26 cm zeigen wir auf dem obigen Bild, wie enorm der Entzug von Feuchtigkeit die Proportionen des Porzellans verändert. 

Auf dem Bild ist ein und derselbe Teller abgebildet! Unten vor dem Brand, nach der Erst-Trocknung und auf ihm stehend das fertige Endprodukt. 

Rund 15% an Größe hat der Teller während der Fertigung verloren! Diese Schwindung genau zu berechnen, um am Ende eine Stapelschüssel oder einen rechteckigen Teller zu erhalten, bei dem einer so aussieht wie der andere, macht die Fertigung von Porzellan so anspruchsvoll. Der Modelleur einer Porzellanform ist in Wirklichkeit ein Kunsthandwerker mit ausgebildet mathematischen und physischen Fähigkeiten. 

 

Nun ist es fertig, das "weiße Gold"...

Egal ob "Schlicht & Stark" Made in Turkey, China, Austria, Egypt oder Germany. 

Auch wenn es unsere deutsche Porzellanindustrie nicht glauben mag, es besteht kaum ein Material- oder Fertigungsunterschied zwischen Tchibo und Manufakturware!

Mit dieser Erkenntnis erscheint plötzlich der Tchibo Preis von € 19,95 für ein Kaffeeservice 15 tlg. inkl. MwSt. unglaublich, wenn man im Fachgeschäft für ein Premiumgeschirr schnell € 150,-- hinlegen muss. 

Die Wertigkeit, die Qualität und die Kundenwahrnehmung wird erst durch den Bodenstempel und durch die Qualitätssortierung erzielt; hinter der Ofentüre in der Produktion sind sie alle noch gleich! 

Erst der Bodenstempel verleiht der Scherbe das wahre "königlich", "preußische", edle, teure, moderne…

Unser Bestreben ist es, ein Sortiment mit dem Prädikat "Schlicht & Stark" zu realisieren, dass den Lieferanten "leben" und unsere Handelspartner "verdienen" und vor allem den Endkunden "erfreuen" lässt. Je mehr Menschen, Arbeiter und Mitarbeiter von unserer Ware leben können, desto besser!