日本高温炭烧制土窑以及工艺
传统土窑要烧好炭,窑体十分重要,因为窑体决定「流场」分布,能让热流均匀散布竹材,也才能烧出品质一致的竹炭来.基於此,武岫及瑞竹竹炭窑打窑〈建窑〉规划时,都经过学术单位的指导,甚至远聘日本烧炭职人来台指导打窑及烧窑.但两者传统土窑之结构大不相同,武岫竹炭窑应属倒焰(流)式窑体,热流由上往下,经窑底三处排气口排出,且窑体较高内径较小,分燃烧室及碳化室两入口;瑞竹竹炭窑则属横焰(流)式窑体,热流自燃烧室横向导入碳化窑内,经窑尾单一排气口排出,窑体较低内径似椭圆较大,单一窑口.传统土窑需要较厚的窑壁支撑窑顶圆形结构,所以当窑身直径愈大时,窑顶弧度与重量便会加大,对窑壁的压力亦会增加.因此传统土窑通常不会很大,也不会像陶瓷蛇窑般很长,但为了产能需要,武岫及瑞竹的炭窑都是多个连续搭建,有效共用窑壁结构.现代炭化窑台湾高田便是现代炭化窑,窑炉设计上应是借用陶瓷窑加以改造而成,燃料并非传统土窑使用的木,竹材,而是利用煤气或重油.在日本,有发展更适合大量生产的工业窑体的趋势.工业窑的优点是不占空间,省时,高温,适合大量生产等.但日本对竹炭烧成方式的区分与运用上十分讲究,一 般认为作为民生用途之竹炭应用传统土窑烧成的,因为土窑烧炭过程较为自然,较没有被污染的顾虑.而工业窑用在现代工业上较为合适,除较易量产外,相对高温竹碳所具备的释放效能较高.
【打窑】
「打窑」就是所谓的盖窑,建窑,因为建窑过程需要不断夯实拍打,所以就用「打」来称盖窑.打窑多取用红土,因红土黏性足,结构力强,而且在南投地区取材容易.打窑的场所须慎选避免水文经过,地下层不能为垃圾掩埋场等.以上材料及用地取得合宜,才能进行打窑.热熔铜螺母
打窑大致有以下步骤:
定桩,确定窑内径及排气口下桩界定.
夯边墙土,窑体侧壁利用红土夯实.
钉圆顶模,此模顶需相当坚固以承受夯实窑顶之拍打力量;顶模的弧度也决定窑顶的弧度,一般横流窑之窑顶弧度较小,倒流窑之窑顶弧度较大,以有效将热流均匀导入分布.
搭窑口,窑口应预留燃烧室及入窑口,多用耐火砖砌筑,特别是像武岫倒流窑,有两种开口,入窑口与燃烧口需预先留置搭建.
夯窑顶土.打窑是一件非常令人吃不消的工作,尤其在打窑顶阶段,一定要一气呵成不得间断.
为求最佳碳化水准,窑顶的密和度十分重要,所以制作窑顶时需大量人力不断对稍湿的红土拍打夯实,一层层续接打实在圆顶模板上.据说夯实一个窑顶需要持续进行,达半天以上才会完成,著实累人.【幻化黑钻石—炭化原理】炭化是在缺氧及高温的条件下,将原料热解形成多列孔性炭结构体的过程.并视实际需要取适当温度300-1300℃之间.在炭化燃烧过程中,物质保留炭结构,烧除其中所含的氢,氧等具挥发性成分,即可形成发达的微孔结构.【传统窑竹炭烧炭步骤】取竹竹的种类繁多,常见有桂竹,麻竹,绿竹,刺竹,长枝竹,孟宗竹等,另外较特殊的有人面竹,唐竹,四方竹等.ㄧ般烧竹炭职人多认为孟宗竹最适合烧炭,而且以四至六年生之孟宗竹材最佳.孟宗竹之粗细含水量适中,节低肉厚,质地较佳,且依工研院试验结果显示:孟宗竹成炭效果较其他种类的竹子好,所以目前坊间烧炭职人所选用之竹材亦以孟宗竹为主要对象.同时,以四至六年生为主也有其实质用意,孟宗竹四年生前,竹笋产量最大较具产能,足四年后竹材水分逐渐下降,质地转坚,产能下滑,ㄧ般竹农会依经验淘汰母竹,并改预留新母竹使竹笋 产能维持.这种做法产生良性循环,不但可将淘汰之竹材作其他经济用途,亦能使竹林保持活性循环,以达生生不息.
区分竹子的年龄需要很老道的经验,武岫炭窑林先生描述:竹子的年龄表现在三个地方:
泽:愈嫩青的竹子年龄愈小,相反竹深泽呈现深沈的褐绿,或有苔年龄较大.
竹节:竹节颜较深者竹龄较大.
声音:愈成熟之竹子敲打的音响愈结实,但过老的竹子声音会趋向沈哑.
除此之外,竹产地的位置亦是辨认竹材优劣的凭藉之ㄧ.多认为高山近水之成熟竹材又比低山远水者较佳.而超龄竹材品质较差,含糖成分会较高,所以较易柱蚀.
乾燥
取竹后,竹材应架离地面,避免地气潮湿,致使竹材腐化,并置於室内阴乾,避免日照与露水沾湿以保留竹内所含之微量元素,降低竹材产生发霉的现象.但也有书籍记载:将竹子堆置空旷地区,利用阳光来曝晒,以保留竹子中最多矿物质.两者说法颇为出入,比较ㄧ致的是竹材需要适当的乾燥层度,以减少入窑后过多水气影响烧窑,晾置时间通常需要两周左右.
整竹
非整枝竹材皆适合烧成为良炭,ㄧ般烧炭职人必须将整只竹材,分段切割,整竹成束.
成炭较佳的通常是中间部位,因为竹末梢部分直径较小,竹肉较薄,在炭化过程中容易燃烧引火,成炭后品质也较差,通常会将末端切除三至四尺左右,当作燃材或铺於炭窑上层作为引火入窑提高温度的燃材.竹头部份因肉质较厚含水量较高,要完全炭化不易,但是相对成炭后价值较高.
分段裁切成需要长度(视窑体需求而异)后,并依需要对剖或十字分剖开,有人认为整支圆竹入窑较占空间,成炭量较低,对剖后竹节内部利用特殊刀头剔除,使竹在捆绑时可以相互交叠,减少空间浪费.但亦有整束未剖之竹材入窑烧,但内部竹节仍必须利用刀具穿孔互通,以免空气热涨爆开,致使成炭不完整.
捆绑所用的材质也十分讲究,不得使用塑胶,尼龙绳及铅线等,避免在烧炭过程中污染竹材,ㄧ般多用麻,棉绳或不锈钢丝捆绑.捆绑后竹材之堆叠亦应至於室内架高,避免又受水气,日照影响.
入窑
竹材摆置需要相当经验的,应依窑的特性排窑.这是参考窑热流(流场)的不同而变换摆置方向.流场属於由上往下者(倒焰窑),於排窑时竹束应该竖放,且竹头朝上,以获得整体竹材炭化均匀.流场属於由前往后者(横焰窑),排窑时候竹束应该直放,竹头朝窑头,以利热流均匀通过竹卵黄磷蛋白
材,获得较佳的炭化效果.有部分职人会入窑两次,第ㄧ次入窑主要在求乾燥竹材,乾燥后取出再进炭化窑烧成.
封入窑口
窑体型式多有不同,有窑炭化窑口及入火口分开,有则单ㄧ窑口.单ㄧ窑口者封入窑口时,应预留燃烧室的空间.这需经验,因为窑口若封实不力,会造成漏气现象,可能会使窑内竹材付之ㄧ炬,而燃烧室与炭化室的挡火墙又需要斟酌高度及口洞大小.太矮所留之孔洞太大,火气与竹材接触机会变高;太高所留孔洞太小,烧窑速度较慢,较不易控温.因此,封入窑口时往往需要很多该窑实际烧窑经验,才能拿捏准确恰当.
烧窑
传统竹炭窑烧窑的经验比较难透过口述来解说
这是多数职人的答覆.以下是个人利用烧陶瓷柴窑的经验,对职人相关答覆中整理出的烧窑概要.并可概分为前火,中火,引火,闷火等四个部分.
「前火」,目的主要是去除竹材残留的水分,温度在100℃之内,速度很慢,避免因水分快速蒸
发使竹材产生裂缝,造成成炭后竹炭不完整.
「中火」,温度在100~300℃之间,温度依然缓慢增加,增添材火时需十分小心避免过早引火致使窑内竹材尽失.
「引火」,当温度逐渐上升至3,4百度,竹材便逐渐炭化,此时便将火引进窑体内上层品质较差之竹材,藉燃烧上层竹材提高整体窑室温度,最高可达800℃左右.
「闷火」祛腐生肌软膏,是将入柴口及排气口封死,主要目的为断绝氧气及保持窑内温度,此时是窑内竹材整体碳化阶段,因此此阶段需不断检视窑体,若一有烟体冒出便表示有孔隙需立即封补.
【烧窑时间】
烧窑时间多与窑体结构大小有显著差异,武岫竹炭窑烧窑时间比起瑞竹竹炭窑烧窑时间简短许多,武岫烧竹炭升温时间需要两天达至500℃左右持续延烧十四,十五个小时,封窑缓降温两日以上,前后所需时间共要五日.瑞竹竹炭窑则需要十至十四天升温,引火后封窑持续十至十四天,前后一窑必须个月完成.
【窑温辨认与控制】
传统窑温可由烧窑之变化特徵来辨认.例如:一百度以前会有大量水气排出;另外也可以观火变化来辨认,三百度时呈暗红,温度愈高愈偏橘.现代则采用电热偶来测定温度.温度控
制需要相当的经验才能做到,可从调节排气口,柴火控制及进气量来获得控制,往往因为变因复杂造成温度控制时需要临场判断.
【竹碳与备长炭烧成步骤差异】
备长炭与竹碳在成炭过程中多了二次引火及消火两个步骤.备长炭在闷火阶段完成后,会将窑门卸开让大量空气进入,引火一举提高窑内炭材精炼温度至1000~1200℃,并快速将炭材钩出洒上消火粉消火,因此备长炭常附著一层白消火粉,所以又称备长炭为「白炭」.
竹炭因本身质地较薄无法负荷二次引火的精鍊,所以以传统土窑所烧出的竹炭温度便无法超过一千度以上了.
【现代竹炭窑烧窑方式】
现代竹炭窑也称为工业竹炭窑.藉陶瓷窑体结构进行烧制,主要关键应在设法区隔竹材与火焰的接触及如何将碳化过程产生之气体排出及收集.常作为陶瓷烧成时区隔火焰的工具通常称为「匣钵」,利用此概念另制一耐高温容器於窑内,烧窑时将竹材放置其中,即可得达到此效果.该容器所预留的排汽口应对准窑之排气口,可同时达到排气与收集竹醋液的需要.工业窑烧竹炭的好处在容易控温,更易达到高温1000℃以上,可烧出较具导电功能之竹炭.但比较令人质疑的,工业窑在烧炭过程中会不会较具机会附著残物,造成民生使用之污染,因此多数建
议工业窑的高温优势应展现竹炭在工业用途上,而非民生日用品上.
【竹醋液】
竹炭烧窑过程会生成一种强酸液体称为竹醋液.烧窑时,当整体窑内温度达一百度以上,表示竹材水分散失完全,而后所产生之雾体经冷却导管后便可收集到竹醋液.但随温度持续增加至结晶水挥发阶段,该阶段之竹醋液品质较差且易含有焦油物质,多不收集.陶瓷接线柱
竹醋液经导管冷却后收集至黑塑钢桶内led发光棒,避免受日照并行自然沉淀约半年,取中间一段,所得最佳竹醋液应为澄清如琥珀一般油亮.依武岫竹炭窑职人解说该竹炭窑一次可收集8至10公斤竹醋原液,经沉淀可取约4公斤竹醋液,因此可知竹醋液之珍贵.
竹醋液比重约为1.01,其成分约有两百多种,其中大部分为水,其他主要有甲醇,醋酸,丙酮等.
【炭之功用】
随碳化温度不同,物质成炭后所具备之效能意有所差异.
三百~四百℃间属初等碳化作用,仍残有部分有机质,ㄧ般多用於具吸附水气或土质改良上.
四百~六百℃间为所具备之吸附能力最佳,且多数有机质硫化物,焦油等,已与成炭完全分离,固适合家用.
六百~一千℃时,导电性逐渐提高,且具有红外线功能,於阻隔电磁波及释放能量上机能较佳.
一千℃含以上者,通常适用於工业用途,因温度较高,物质原含有之微量元素挥发较多,且微孔结构因体积比下降而缩减,成炭所具有之吸附能力相对减低.但温度的提升,有助於导电性及远红外线机能提升,故在工业应用上较广泛.
【竹炭的运用】
竹炭的运用十分广阔,大致可依竹炭本身功能来区分其运用性.
一,为「吸附能力」,对水气,气味,硫化物,氮化物,甲醇,苯,酚等有害化学物质能发挥强大吸附能力.高温竹炭具导电性,能吸附电磁波,作为阻隔电磁波之功用.
二,为「分解能力」,吸附有毒物质后便对该物质行分解或中和作用.有人实验将大量炭投入已受污染之河川,经炭的吸附分解中和后,受污染的河川开始回覆生机,举出竹炭分解的能力.
三,为「释放功能」,炭本身含有微量元素,将炭与自来水加热煮沸后,不但将自来水中所含之氯吸附,更释放出诸多微量元素,使水质更为甘甜好喝.高温烧制之竹炭亦具备有远红外线能量释放的能力.
四,为「调节能力」,竹炭对自然水气有调节作用,当环境较为乾燥时吸附竹炭中的水气自然排出;相对地,对潮湿有除湿之功效.最具代表性的是一九七二年发现於长沙马王堆一号墓-軑侯夫人「辛追」之墓的周遭放置了大量的木炭,是其身躯不坏之最大原因,因为大量的炭扮演
调节棺木的湿度,而且长达两千年之久.
五,为「隔绝能力」,当竹炭超过八百度,具有较佳导电的功能,便对电磁波有吸附的能力,此时对电磁波即可产生隔绝的能力.莲子剥壳机
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