jueves, 1 de enero de 2009

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO CERÁMICO PARA ALTA TEMPERATURA


Autores.-Ing. Julio Antonio Gutiérrez Samanez e Ing. Celso Suma Quispe.
TALLER ESCUELA INCA, CUSCO – PERU, 2007

ANTECEDENTES
En 1993, J. Gutiérrez S., uno de los expositores del presente proyecto fue becado por SENATI Y JICA, al Japón, al curso de Construcción de Hornos cerámicos de alta temperatura, y tecnología de de quema, dictado en Nagoya por la Empresa Mino Yogyo; el objeto del curso fue construir un horno Shuttle o de lanzadera (vagoneta de carga que entra y sale del horno) de un metro cúbico de volumen útil. Este horno por la calidad de los materiales usados y por la mano de obra especializad estaba avaluado en 500,000 Dólares americanos. Al retornar el becario trabajó para Senati en diferentes lugares del país, pero al no tener la oportunidad de construir un horno de alta temperatura, volvió a su ciudad natal y, a través de un curso de Construcción de hornos de alta temperatura, dado para un grupo de participantes del Senati Cusco, constituyó un equipo de trabajo junto con el Ing. Celso Suma, experto en construcción de hornos y en elaboración de materiales refractarios y los participantes y colaboradores señores: Tomás Gonzáles, Inocencio Guzmán y Wilfredo Pereira, para construir, en su propio taller, el horno de alta temperatura de 0.6 m3 de volumen útil, a un costo de 1800 Dólares, que es materia del presente proyecto, cumpliendo con transferir y adaptar tecnología moderna al país, generando investigación y desarrollo. El proyecto contó con participantes de SENATI, Escuela de Bellas Artes y la universidad (UNSAAC). Los productos se comercializaron mediante IDESI, Proyecto PRA., AID to Artisans, Prompex y Gerencia de desarrollo del Gobierno Regional, participando en ferias de Italia, USA, Alemania, España, Argentina y Brasil. El horno ha permitido investigar materiales, técnicas y procesos nuevos o desconocidos en nuestro medio (como el diseño de pastas con el triángulo axial y el uso de desfloculadores electrolíticos), para desarrollar productos innovados como: refractarios, morteros y vajilla de gres para laboratorio químico, accesorios para estiba de hornos, objetos artísticos de gres y porcelana y el trabajo de investigación: “Rescate de la alfarería cusqueña de tipo colonial” (que mereció el Premio Tenerife 2006, en España). Localización del horno. Taller Escuela Inca Cusco. Calle Inca 357 Santiago, Cusco, Perú.
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE HORNOS CERÁMICOS
Para diseñar y construir hornos cerámicos se precisa del conocimiento de una tecnología adecuada por lo que resumiremos sus fundamentos: Fundamentos Teóricos: Transferencia y retención de calor: Ciertos materiales tienen la propiedad de prestar resistencia a la transmisión de calor y soportar altas temperaturas sin llegar a fundirse al ser sometidos a trabajos continuos. Estos materiales son los refractarios. La propiedad se conoce como refractariedad y depende de la conductividad térmica y el punto de fusión del material que lo constituye. Matemáticamente el cálculo de la transmisión de calor a través de las paredes del horno se realiza usando la ley de Fourier. Con el aislamiento óptimo del horno se logra una rápida acumulación de calor y menor pérdida por transferencia de energía, lo que significa una reducción de los costos de operación por ahorro de energía. Tipos de Refractarios y Aislantes Térmicos: Refractarios.- Son materiales que soportan altas temperaturas sin fundirse, soportan también la acción destructiva de gases y escorias líquidas ácidas o alcalinas en el proceso de fundición de metales. En el mercado existen ladrillos refractarios básicos neutros y ácidos. Refractarios Aislantes.- Son materiales que además de soportar temperaturas altas, Ofrecen también resistencia al paso del calor, estos son: Ladrillos porosos o de baja densidad y el Kawool (manta cerámica). Los Aislantes no Refractarios.- Son materiales que resisten al paso del calor pero no soportan su acción fundente, dentro de estos materiales tenemos: Diatomita en polvo, asbesto, lana de vidrio, yeso, etc. Hornos Cerámicos: Los hornos son equipos de calor que sirven para realizar el proceso de la cocción cerámica y el esmaltado a altas temperaturas. Son espacios o recintos cerrados y aislados en los que se puede almacenar grandes cantidades de energía térmica. La acumulación del calor es posible gracias a la acción de retención del calor que ofrecen las paredes refractarias y aisladas del horno. El calor se genera por diferentes métodos tales como: La reacción de combustión de hidrocarburos gaseosos (gas natural), líquidos (petróleo, kerosene), sólidos (carbón, leña) y, el calor obtenido por resistencias eléctricas. Estos métodos condicionan las características de diseño de los hornos para lograr mejor circulación del calor y temperatura uniforme en la cámara de cocción. Partes del Horno:

Los hornos de combustión constan de las siguientes partes:
- 1. Cámara de combustión,
- 2. Cámara de cocción,
- 3. Chimenea.

Clasificación de hornos:

Se asume diferentes criterios para clasificar los hornos y estos son:

a) Por el tiempo de uso:

- Hornos intermitentes (horno Shuttle),
- Hornos semicontinúos,
- Hornos continuos (Hoffman y túnel).

b) Por las fuentes de energía:

- Hornos de combustible sólido: De leña o de carbón mineral,
- Hornos de combustible gaseoso: Biogas, gas natural, GLP, etc.
- Hornos de combustible líquido: Petróleo, kerosene.
- Hornos eléctricos.

c) Por el flujo de los gases de combustión:

- Horno de tiro ascendente,
- Horno de tiro cruzado,
- Horno de tiro descendente.

d) Por el tipo de contacto de gases de combustión con la carga:

- Horno de fuego directo,
- Horno semimuflado,
- Horno muflado.

Horno a Leña:

Puede ser de tiro natural o de tiro invertido, en estos últimos se obtiene mayor uniformidad de quema. El horno debe poseer cúpula, chimenea de más de 5 metros de altura con trampa de regulación de tiro.

Hornos de Combustible Líquido:

Se utiliza para alcanzar altas temperaturas (1200 ºC – 1300 ºC). Requiere de paredes de ladrillos refractarios aislantes.
- El diseño puede ser con cúpula catenaria o de paredes rectas y cúpula llana; la base puede ser removible (vagoneta o carro y rieles), para facilitar la carga y descarga.
- Los quemadores de combustible líquido (petróleo y/o kerosene), deben situarse a 70 u 80 centímetros de la carga si son directos y de 20 a 30 centímetros si son tangenciales.
- La altura aproximada de la chimenea para un horno de tiro invertido de un metro cúbico de capacidad debe ser de 5 a 8 metros de altura con trampa regulable. El área transversal de la chimenea debe ser de 0,35 x 0,35 metros cuadrados como mínimo para localidades situadas a 3500 m.s.n.m. Según los cálculos realizados por los métodos de autores como: Olson, Colson y Rhodes, citados en la bibliografía.
- Los hornos pueden realizar quemas en atmósferas oxidantes y reductoras.

HORNO SHUTTLE, CONSTRUIDO EN EL JAPON.

El horno que se construyó durante el curso “Kiln Construccion and Firing technology” en Nagoya, Japón (1993), tenía las características siguientes:
Carcaza chimenea puerta, rieles y vagoneta, construidas en acero inoxidable.
La estructura aislada, paredes, bóveda, puerta, chimenea, vagoneta, estaban hechas con ladrillos aislantes porosos de varias calidades, según la zona de exposición al fuego.
El sistema de quema era a gas, mediante 10 quemadores con sistemas de control del flujo y gasto de combustible.
El sistema de control de la quema estaba dotado de cuatro pirómetros y termocuplas dispuestos en zonas estratégicas del horno, con un sistema de graficación automática. Se tenía a la mano los pirómetros óptico y de radiación; además se contaba con un analizador de gases del horno para controlar los porcentajes de oxígeno o monóxido de carbono.
El Costo total del horno era de 500 000 Dólares USA.

(Las fotografías y planos del horno shutlle construido en el Japón no están en este blog).


TIPO DE HORNO ELEGIDO PARA EL PROYECTO:

Horno intermitente de tiro inverso, de cúpula catenaria, tipo Shuttle o de lanzadera, con carro o vagoneta de carga removible. Con tanque, soplador y dos quemadores. Volumen útil de 0,6 m3 para 1300 grados centígrados; control ecológico de que emisión de gases tóxicos (quema secundaria de gases de chimenea); con chimenea de 8 metros y diámetro ampliado de acuerdo con la cantidad de oxígeno contenido en el aire a 3400 metros de altitud.

OBJETIVOS DE CORTO Y MEDIANO PLAZO.
El objetivo principal es: Transferir la tecnología aprendida en el Japón, adaptándola a las condiciones de nuestro medio, reduciendo su costo al mínimo posible y optimizando su capacidad y calidad de operación. Es decir: Construir un horno de alta temperatura, gran operatividad o manejo fácil, bajo precio, quema ecológica. Con materiales disponibles en el mercado local o realizados íntegramente en el taller.
PROBLEMAS ABORDADOS Y RESUELTOS.
Adaptación de tecnología a condiciones de 3400 m.s.n.m. con oxígeno escaso.
Elaboración de ladrillos refractarios porosos tipo K 23, con productos nacionales, para trabajos a temperaturas de 1300 grados centígrados.
Diseño del cuerpo del horno en base a una curva catenaria natural. (Para abaratar costos evitando el uso de carcaza, ajustadores o templadores metálicos).
Realizar quemas ecológicas de reducción (con abundante humo negro) para mejorar la apariencia de la porcelana y el gres, sin afectar el medio ambiente.
Mejoramiento de los quemadores de petróleo y kerosene con la adición de un ventilador soplador con motor de 1 Hp. Y su acondicionamiento para usar Gas natural de Kamisea.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
HORNO CERÁMICO CATENARIO DE TIRO INVERSO

Para diseño y construcción de un horno cerámico tipo Shutle o de lanzadera, de cúpula catenaria y de tiro inverso, para alta temperatura, se ha requerido de fabricar una cantidad de ladrillos cerámicos aislantes porosos, con los que se construyó la bóveda del horno y las paredes frontal y posterior, así como la vagoneta y la puerta. El diseño de este horno está basado en el estudio de varios hornos catenarios; pues, las bóvedas de esta forma, tienden a sostenerse por sí mismas y no se producen rajaduras; además, la distribución del calor es uniforme en el espacio de quema.
Para la construcción de un horno cerámico tipo shuttle o de lanzadera, de cúpula catenaria y de tiro inverso de alta temperatura, se fabricó una cantidad de ladrillos cerámicos aislantes porosos, con los que se construyó la bóveda del horno y las paredes frontal y posterior, así como la vagoneta y la puerta.
Para construir se requirió de una cercha o cimbra hecha de listones de madera y madera terciada, sobre la que se colocó losayudó a colocar los ladrillos hasta formar la bóveda. La vagoneta y la puerta se construyeron con angulares y plancha de hierro revistiéndose con refractarios porosos las partes que se someterán a las quemas. La vagoneta va sobre dos rieles y posee ruedecillas metálicas.
El horno tiene una chimenea de 8 metros de altura con un diámetro de 40 cm., con dos placas regulables como registro del tiro. El tiraje del aire es invertido. El diámetro de la chimenea fue calculado para admitir un exceso de aire, pues a 3400 m. de altitud, en que se halla el Cusco, la cantidad de oxígeno es menor que a nivel del mar.
El sistema de quemadores tiene un tanque elevado para el combustible líquido, dos sopladores regulables y un ventilador con motor de 1 Hp.
Para su operación, el horno tiene orificios o visores para el control de la temperatura, por el comportamiento de los conos Orton, y orificios para colocar las termocuplas de Cromel-Alumel o Platino Rodio, con las que se mide las temperaturas en las partes alta, media y baja de la cámara de cocción.
Con la finalidad de reducir la contaminación y realizar una quema ecológica, este horno , tiene, además, un soplador pequeño adosado a la base de la chimenea para realizar quemas ecológicas, para quemar los gases de combustión que pudieran contaminar el medio ambiente.
Nuestro horno funcionaó satisfactoriamente alcanzando hasta los 1300 ºC, permitiendo la durante la quema de productos de gres y porcelana como: Ladrillos refractarios aislantes y compactos, morteros para laboratorio, bolas de molino, crisoles y objetos artísticos en estos materiales.

DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL HORNO CATENARIO:

Características Técnicas de Horno:

Modelo: Intermitente (Shuttle), con carro y rieles, de bóveda catenaria, tiro descendente o invertido y de quema ecológica.
Combustible: Doble alternativa
- Combustible sólido: Leña,
- Combustible líquido: Kerosene.
Temperatura máxima: 1 300 ºC.
Temperatura de trabajo: 1 250 ºC.
El horno utiliza 20 Gal de combustible que genera 664,400 Kcal por operación de 8 horas de trabajo, para alcanzar 1250 ºC.

Justificación del Modelo

El horno de bóveda catenaria presenta las siguientes ventajas:
1.- Optimiza el consumo de energía.
2.- La distribución de temperatura es relativamente uniforme en la cámara de cocción
3.- El costo de construcción es bajo, puesto que, no requiere refuerzos metálicos exteriores ni carcaza.
4.- La carga y descarga de productos son facilitadas por el carro o vagoneta tipo “shuttle” (lanzadera)
5.- El arco catenario es una estructura completa que abarca muros y coronamiento. Durante la quema el esfuerzo de dilatación se reparte en toda la bóveda creando una fuerza de empuje hacia la base.
6.- Está acondicionado para usar 8 quemadores, más un adicional dispuesto a la salida de los gases de chimenea para completar la combustión y realizar una quema ecológica.

Las desventajas del horno de bóveda catenaria del tipo “shuttle” o de lanzadera son:

1.- Por su forma, el volumen útil de la cámara de cocción tiende a reducirse con la altura.
2.- Para una buena combustión se requiere el tiraje de una chimenea bastante elevada
(Aproximadamente 8 metros), altura que varía según la altitud sobre el nivel del mar.
3.- Durante la cocción se debe atender simultáneamente dos cámaras de combustión.
NOTA. Los detalles de la ingeniería del proyecto, el diseño y planos del horno modelo evaluaciçon térmica, se muestran en los Anexos. (Solicitar información)


RESULTADO OBTENIDO A TRAVÉS DE LA INNOVACIÓN O QUÉ SE ESPERA OBTENER.
Se consiguieron: Quemas homogéneas con distribución de calor uniforme dentro del horno, por ser un diseño de tiro invertido.
Quemas de temperatura media (900 a 1100 ºC), para vajilla, alfarería, loza vidriada y mayólicas.
Quemas de temperatura alta (1100 a 1300 ºC), para gres cerámico, porcelana, porcelana química, ladrillos refractarios compactos, ladrillos aislantes y refractarios porosos. A 3400 m.s.n.m.
Quemas ecológicas, sin contaminar el aire al realizar reducciones intensas para el blanqueo de los materiales de loza y porcelana, así como para la reducción de metales trivalentes y divalentes a valencia cero.


PRESUPUESTO PARA EL DESARROLLO DE PROTOTIPOS
COSTOS (en Dólares americanos)
Plataforma de concreto o base del horno 200.00
Sobre cimientos de ladrillo y cemento 100.00
Cercha u horma de carpintería (madera y triplay) 40.00
Ladrillos refractarios para la bóveda 200.00
Ladrillos refractarios de las paredes 100.00
Ladrillos refractarios de la vagoneta 80.00
Capa de barro refractario poroso 50.00
Chimenea metálica 200.00
Estructura metálica del carro y la puerta 100.00
Ventilador y sopladores 250.00
Tanque de combustible y tubería 150.00
Mano de obra 300.00
Pirómetro y termocupla 200.00
Accesorios 30.00
Total 1800.00
NOTA: Este presupuesto resulta irrisorio en comparación del costo del horno construido en el Japón durante la beca del curso “Kiln Construccion and firing technology” en 1993. Nuestro horno tiene 60% del volumen del horno construido en el Japón.


USUARIOS DIRECTOS E INDIRECTOS DE LA INNOVACIÓN.
Ceramistas en ejercicio, comunidades alfareras, artesanos, pequeños empresarios, talleres piloto, universidades, centros educativos especializados en cerámica, tanto del Perú como de los países hermanos del área andina y latinoamericana, a los que se puede exportar esta novedosa tecnología.
Actualmente el horno presta servicios en la capacitación de estudiantes de cursos avanzados de cerámica, en la preparación de ladrillos refractarios y obras de arte en gres y porcelana, en convenio de nuestro taller con las entidades siguientes: Senati, Escuela de Bellas Artes, Facultad de Ingeniería Química de la UNSAAC, Convenio INC OEA, Corredor Puno Cusco y se prestó servicios a los artistas escultores y ceramistas: Hideko Iwakuni (Japón), Katrin Heinrich (Alemania), Carlos Olivera (Perú), etc.

ANEXOS
INGENIERÍA DEL PROYECTO

DISEÑO DEL HORNO:

Diseño del carro y puerta:

- Chasis de fierro angular,
- Longitud 1,33 m.
- Ancho 0,60 m

Puerta:

- Ancho 0,87 m.
- Altura 1.40 m.

Rieles

- Fierro angular 2 in x 2 in x ¼ in
- Separación, 30 cm.
- Rodamientos.

Ruedas metálicas:

- Diámetro. 10 cm
- Espesor 4 cm.

Características Técnicas del horno:

- Plataforma de concreto y piedra,
- Sobre cimiento de ladrillo común y cemento
- Bóveda de ladrillos refractarios porosos y una capa de barro refractario,
- Dos cámaras de combustión,
- Chimenea de dos partes: de ladrillo con revoque refractario y tubo metálico
- Volumen útil:
- Ancho: 0.68 cm.
Profundidad: 1m
Altura: 0.85 cm
Volumen: 0.578 ~ 0.6 m3

Diseño de la cúpula catenaria:

La curva catenaria se grafica usando una cadena suspendida de sus extremos sobre una plancha contra placada como se muestra en la fig. 2. Matemáticamente se puede expresar por la ecuación de la curva catenaria.


Para mayor información, datos complementarios, fotografías, costos de consultoría y pedidos para su construcción, escribir a:
Calle Inca 357 Santiago, Cusco / Peru
















































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