Een baksteen bakt vier volle dagen

Aan het produktieproces van de keramische industrie valt nog veel te verbeteren. Met zuiniger stoken en minder milieuvervuiling moeten dakpannen, bakstenen en vazen heelhuids uit de oven komen.

Bakstenen worden al duizenden jaren gemaakt volgens oude recepten. De klei wordt al of niet gemengd, in vorm geperst, gedroogd en gebakken. Zo ging het bij de Soemeriërs en zo gaat het nog steeds.

Tegenwoordig bestaan er machines om op efficiënte wijze 'handgevormde' bakstenen te maken. Soms worden de prachtigste stenen na het bakken in een trommel gegooid om er stukjes af te breken. Dat geeft het ambachtelijke effect dat de consument mooi vindt. Om het bak- en droogproces verder te moderniseren wordt een beroep gedaan op TNO. Zuinig stoken, minder warmteverlies, minder NOx, fluor en andere vieze emissies, maar wel goede eindprodukten, zo luidt het verlanglijstje.

'In de keramische industrie heeft het proces een grote invloed op het produkt en de produktiekosten,' zegt ir. Albert J. Dalhuijsen. Hij is afdelingshoofd Procesfysica van de Technisch Physische Dienst van TNO in Delft. 'Een baksteen gaat zo'n 40 tot 80 uur in de droger en daarna 40 tot 100 uur in de oven, twee tot vier volle dagen. Als je het niet goed doet, is de baksteen ook niet goed. Of de dakpan is al stuk voordat hij klaar is.'

In de fijnkeramiek blijkt soms tot 20 procent van een partij schalen en wasbakken na de eerste keer bakken niet goed te zijn. Deels wordt het aardewerk dan gerepareerd, maar het blijft een hoge uitval. En in de baksteenindustrie kan, als het weer omslaat en de luchtvochtigheid verandert, wel eens een hele partij bakstenen in de droger kapot gaan. Het proces heeft, kortom, een grote invloed op het produkt.

Daar komt nog bij, dat de energiekosten in de bouwkeramiek (dakpannen en bouwstenen) al gauw 20 tot 30 procent van de produktiekosten uitmaken, de prijs van klei zinkt daarbij in het niet. Ruwweg de helft van alle benodigde energie gaat op aan het drogen van de natte, nog ongebakken produkten. Zo worden bakstenen in droogkamers op planken gelegd waar dagenlang hete lucht overheen wordt geblazen. Efficiëntere drogers en moderne ovens sparen energie, en zorgen bovendien voor minder emissies. Door de branders te veranderen kan men de NOx emissies flink verlagen. Ook de fluoremissies uit de klei kunnen omlaag. In het keramisch onderzoek van TNO werken onderzoekers uit Delft en Eindhoven nauw samen. Eindhoven is gericht op vaste stof chemie en materiaalkennis, in Delft is men thuis in fysische zaken als droogprocessen, warmtestromingsmodellen en meet- en regeltechniek.

Dalhuijsen: 'Veel keramiekfabrikanten draaien al jaren en maken prima produkten, maar zijn niet goed op de hoogte van het proces. Ze waren min of meer overgeleverd aan wat ze van de toeleveranciers van bak- en droogsystemen konden krijgen. Deze trend is nu aan het veranderen. Volgens afspraken met de overheid moet de keramische industrie tot het jaar 2000 20 procent energie besparen ten opzichte van 1989. Dus vraagt men specificaties. Bedrijven hoeven zich niet meer door de fabrikant van de droger te laten vertellen dat je 'echt niet sneller kunt drogen dan in 48 uur' als ze weten dat het volgens TNO binnen 32 of 24 uur kan. Maar dan moeten die bedrijven wel weten wat er binnen het proces gebeurt, wat de rol van temperatuur en vochtigheid is.'

Simulatie

Bij de Technisch Physische Dienst in Delft staan computers met vrij ingewikkelde simulatiemodellen, die op allerlei gebied, ook in de chemische industrie, worden toegepast. Het model omvat gewone fysica, warmtehuishouding en stroming. De input maakt het specifiek voor de keramische industrie. Bij het simuleren van het droogproces in computermodellen is getracht zo min mogelijk aan de realiteit te veranderen. 'Een bedrijf heeft nu eenmaal die droogkamers,' zegt Dalhuijsen. 'Het produkt wordt erin gereden en er wordt een bepaald temperatuur- en vochtverloop gevolgd. 'Het is voor een bedrijf niet economisch als een onderzoeker dat wil veranderen.'

Daarom zoekt men het eerst in optimalisering van de aanwezige drogers. Het gaat aanvankelijk om eenvoudige ingrepen, zoals het vervangen van een brander, een verandering in de luchtstroomhoeveelheden, of een andere instelling van de luchtvochtigheid. Daarmee kan in de bestaande drogers al gauw 15 procent energie worden bespaard. Ga je iets revolutionairder te werk - sneller drogen bijvoorbeeld, of ingrijpender veranderingen in de procesvoering - dan valt tot 30 procent op de energiekosten te bezuinigen.

Fabrikanten drogen om te beginnen altijd voorzichtig. Gaat er iets mis, zoals het optreden van krimpscheuren in de stenen doordat de luchtvochtigheid in de buitenlucht ineens is gedaald, dan is men de volgende keer nog voorzichtiger. Men wil vooral in het beginstadium langzaam drogen. Het produkt bevat dan nog 20 tot 30 procent water en naarmate dat verdampt, krimpt het. Krimpt het ongelijkmatig, dan gaat het kapot. Pas aan het eind, als het produkt niet meer krimpt, wordt stevig doorgestookt met droge lucht bij een hoge temperatuur. Uit het laboratorium is bekend wat de kritische grens is. Die geldt echter voor een gemiddeld produkt - een dakpan die dichter bij de ventilator staat, droogt sneller. Daarom neemt men nog een extra veiligheidsmarge in acht en wordt er langzamer gedroogd dan mogelijk zou zijn.

Ook de overgang van langzaam naar sneller drogen is niet precies aan te geven en ook hier neemt de fabrikant dus een veiligheidsmarge in acht. Ga je te snel te hard drogen dan gaan de stenen alsnog kapot. 'Maar als de fabrikant uiteindelijk de deur van de droger opendoet, weet hij niet in welke fase van het droogproces de schade is ontstaan. Hij ziet alleen het eindresultaat.'Een andere aanpak, door TNO bepleit, is: gelijkmatig drogen, met minder lucht, voorzichtig, op minder dan de helft van de kritische snelheid, en daarmee stug doorgaan. Daarmee valt, met weinig risico's, al 14 procent energie te winnen.

Met een computermodel kan men allerlei stapsgewijze veranderingen doorrekenen, zoals het aanbieden van een hogere of lagere temperatuur, en daarbij aangeven wat dat op verschillende plaatsen in de droger voor gevolgen heeft.

Dalhuijsen: 'Heb je eenmaal een model waar geen onzin uitkomt, dan kun je nagaan hoe het proces zich gedraagt als je iets aan de condities verandert. Je kunt van alles en nog wat veranderen. Als je de temperatuur verhoogt gaat het sneller, maar het interessante is om dat te kwantificeren: hoeveel hoger, hoeveel sneller. Zo kun je trends ontdekken, of je kunt aangeven welke parameters al dan niet belangrijk zijn. Als een bedrijf wil weten of de grootte van een ventilator er toe doet, kun je aangeven in welk traject dat niet van belang is en in welk traject wel.'

Het drogen van één dakpan is snel te overzien, maar in de praktijk zijn de luchtstromingen in de droogkamer verdeeld over de produkten. Daarom is een gedetailleerd luchtstromingsmodel ontworpen als hulpmiddel om de omstandigheden in de droger zo uniform mogelijk te maken. Dat kan bijvoorbeeld door op uitgekiende plekken schotjes in de wand te plaatsen die de luchtstromen veranderen.

Op macroniveau werkt het drogermodel DRYSIM, waarin naast gegevens over temperatuur, vochtigheid en dergelijke ook ventilatoren, branders, luchtleidingen, kortom het hele droogsysteem, zijn ondergebracht.

Om het model aan de praktijk te toetsen en verder te verfijnen worden natte stenen of dakpannen bij de fabriek opgehaald, in plastic gewikkeld en naar de afdeling Klassieke Keramiek van TNO-TPD in Eindhoven gebracht. Daar gaan ze in een laboratoriumdroger, waarin men de luchtcondities helemaal beheerst. Vervolgens is voor allerlei produkten de ideale droogcurve, waarbij ze zo snel mogelijk drogen zonder stuk te gaan, vastgesteld. Snel drogen betekent niet alleen energiebesparing, maar ook een hogere produktiecapaciteit.

Inmiddels is een nieuwe versie van het simulatiemodel ontworpen, die op een Personal Computer te draaien is, compleet met energiekosten, zodat de fabrikant er zelf mee aan de slag kan. Dalhuijsen: 'Als de fabrikant met dit model gaat experimenteren, verwachten we dat daar allerlei vernieuwingen uit rollen.'

Heeft men het modelleren van kamerdrogers (batchprocessen) eenmaal in de vingers, dan kan men ook tunneldrogers gaan modelleren. Het gaat om grote tunnels, zo'n 100 tot 200 meter, waar de wagens met produkten langzaam doorheen worden getrokken, terwijl er van de andere kant hete lucht doorheen wordt geblazen. In het buitenland zijn zulke tunneldrogers gangbaarder dan hier omdat de circa 50 Nederlandse baksteenfabrikanten meer verschillende soorten stenen in verschillende kleuren bakken, die elk een eigen droogproces vragen. Tunneldrogers zijn minder flexibel dan kamerdrogers, maar wel energiezuiniger.

Fijnkeramiek

Weer een ander simulatiemodel is ontwikkeld voor de fijnkeramiek. Daar is niet de energierekening, maar de hoge uitval het meest zorgwekkend. Bedrijven als Tichelaar in Makkum of de Porceleyne Fles in Delft maken kostbare produkten, die niet mogen sneuvelen in de oven. Essentieel is een gelijkmatige verdeling van de temperatuur, die zo'n duizend graden wordt. De produkten worden aangestraald door elementjes in de wanden. Met het simulatiemodel van TNO valt precies uit te rekenen hoe de warmte in een bepaald model oven wordt overgedragen op de produkten. Aan de kleurtjes op het scherm is te zien hoe de produkten worden opgewarmd. Hoe gelijkmatiger dat gebeurt, hoe minder kans op scheuren. Zo blijven de vazen voortaan heel.