Cálculo de los principales parámetros del horno de la empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas

Resumen

Este trabajo trata sobre el cálculo de los principales parámetros del horno de cocción de la Cerámica Blanca localizado en San Jose de las Lajas. En el presente se realizó una evaluación de los datos tecnológicos del horno y las características de los materiales para la producción de los elementos cerámicos. Se establecieron los cálculos basados en la productividad y el balance térmico del proceso.

Summary

This work deals with the calculation of the principal parameter of soaking furnace of the Ceramica Blanca factory located in San Jose de las Lajas. The present work, an evaluation of the technologic date of soaking furnace and the characteristics of the materials for the productions of the ceramic elements is made. The calculations based on the productivity and heat balance of process are established.

INTRODUCCIÓN

El horno tradicional era un recinto formado por una fábrica de tapial o adobes, que acababa convirtiéndose en un bloque de material de alfarería por la cocción por calor. Tenían forma de pequeña bóveda sobre una base plana y una sola abertura, la entrada. Se calentaba mediante un fuego de leña, que se dejaba consumir. El grosor, la inercia térmica de la envoltura, guarda el calor. La base donde se produce la combustión se limpia de cenizas y en ella se colocan los alimentos que deben asarse.

A partir de los años 70 se ha pasado del proceso de cocción lento al proceso rápido, para el cual todas las fases del proceso han sido revisadas a la luz de esta gran innovación que ha abierto perspectivas tecnológicas hasta entonces inexistentes.

Hoy en día el conocimiento de las materias primas, la naturaleza de las pastas, la composición de los engobes y de los esmaltes, además de la experiencia adquirida, han simplificado y normalizado también esta fase. Máquinas térmicas e instrumentaciones cada vez más complejas y sofisticadas permiten alcanzar una regulación y control de la temperatura, impensables hasta hace unos años.

Las secciones de los hornos se han aumentado y, al mismo tiempo, se han mejorado los sistemas de combustión apropiados para mantener la temperatura constante y uniforme a lo largo de toda la sección. Ciertamente, la disposición y el número de los quemadores serán diferentes en el caso de los hornos destinados a la producción de bicocción o monococción. Los quemadores y las relativas cámaras de combustión se dimensionan normalmente para obtener una alta velocidad de los productos de combustión y un bajo poder térmico unitario.

Además de los quemadores de alta velocidad, se encuentran hoy quemadores capaces de distribuir la llama de manera fluctuante en la sección transversal del horno, con la posibilidad de regular su potencia, ciclicidad del flujo y tiempo de la llama. Esto permite una distribución térmica óptima con relación a los materiales a cocer, especialmente en las zonas "críticas" de las curvas de cocción.

El bloque quemador que forma generalmente la cámara de combustión puede estar realizado tanto de material refractario como de carburo de silicio. El uso de este último material proporciona una mayor resistencia térmica del bloque a las temperaturas máximas de funcionamiento, además de una mayor resistencia al choque térmico. Estos pueden tener un ordenador para ejecutar la supervisión y la memorización de los datos de proceso y gestionar el funcionamiento del horno de modo autónomo.

Situación problémica:

Nuestro país; a pesar de los esfuerzos realizados en la confección de materiales cerámicos, dada la importancia de estos en la Industria, su creciente utilización y demanda por las industrias modernas, hacen que estos materiales tengan cada día una mayor utilidad por la economías mundiales, en el caso de Cuba, no puede cubrir todas las necesidades y utilidades en los servicios en el área, debido a factores externos como el alto costo de los materiales (Representan actualmente un considerable gasto en USD) y no contar con experiencias generalizadoras.

Para el caso de la Empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas donde se desea conocer el consumo de combustible del Horno que se utiliza para la cocción de piezas cerámicas sanitarias, para con este racionalizar los costos de la empresa.

Planteando como problema: Como diseñar un cálculo de combustible lo más exacto posible para con este tener conocimiento de los costos de la Empresa en materia de combustible.

Este problema se manifiesta en el objeto de trabajo que se define a continuación:

Ø Cálculos de los principales parámetros del horno situado en la Empresa

Cerámica Blanca de San José de las Lajas.

El cual establece como objetivo general evaluar los parámetros principales del horno intermitente de la Empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas y determinar los parámetros de operación del mismo.

Y como objetivos específicos se señalan los siguientes:

Ø Analizar los diferentes soportes teóricos que sustenta todo lo relacionado con el aprovechamiento, utilización de los materiales cerámicos en el mundo y Cuba.

Ø Investigar las formas de obtención de las piezas cerámicas sanitarias a partir de la evaluación de propiedades de estos y su aplicación en la economía.

Ø Horno de la Empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas.

Campo de acción: Balance energético en el horno intermitente HW 10.5/6.0/140. Con las siguientes tareas a realizar:

– Elaboración del marco teórico.

– Cálculo del balance energético.

– Análisis económico y medio ambiental.

– Criterios finales.

Utilizando los siguientes métodos:

Ø Métodos teóricos

Histórico y lógico: Fue asumido en función de conocer el horno de la Empresa

Cerámica Blanca situada en San José de las Lajas.

Análisis y síntesis: Permitió realizar un estudio de aspectos generales relacionados con el balance energético en hornos y recoger los aspectos más significativos.

Ø Métodos empíricos:

Observación: Del proceso realizado en condiciones reales de trabajo.

Revisión documental: Fueron revisados documentos propios de la Empresa relativos a su instalación, principios de funcionamiento, reparaciones entre otros.

Métodos matemáticos: Fueron utilizados formulas matemáticas,así como el empleo de los porcientos.

CAPÍTULO I:

Aspectos generales de la teoría integral de los hornos

I.1 Clasificación de los hornos metalúrgicos

El termino horno, tal como se aplica a este trabajo, abarca sólo aquellos en los que se imparte el calor a la carga para elevar la temperatura de éstas. Entendemos por hornos los equipos o dispositivos utilizados en la industria, en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El objeto de este calentamiento puede ser muy variado, por ejemplo:

• Fundir.

• Ablandar para una operación de conformación posterior.

• Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades

• Recubrir las piezas con otros elementos, operación que se facilita frecuentemente operando a temperatura superior a la del ambiente.

• Arcas de recocer en la industria del vidrio.

• Incineradores, equipos destinados a la combustión y/o eliminación de

residuos.

La energía calorífica requerida para el calentamiento de los hornos puede proceder de:

• Gases calientes producidos en la combustión de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que calientan las piezas por contacto directo entre ambos o indirectamente a través de tubos radiantes o intercambiadores en general.

• Energía eléctrica en diversas formas:

Ø Arco voltaico de corriente alterna o continua.

Ø Inducción electromagnética.

Ø Alta frecuencia en forma de dielectricidad o microondas.

Ø Resistencia óhmica directa de las piezas.

Ø Resistencias eléctricas dispuestas en el horno que se calientan por efecto Joule y ceden calor a la carga por las diversas formas de transmisión de calor. A los hornos industriales que se calientan por este medio se denominan hornos de resistencia.

Los hornos de la metalurgia no ferrosa se pueden clasificar por los siguientes indicios:

1. Por su aplicación tecnológica: hornos de secado, tostación, fusión, refinación, colado, tratamiento térmico y calentamiento.

2. Por la fuente de energía: hornos de combustibles carbónicos, hornos que trabajan con la energía desprendida de las reacciones exotérmicas, hornos eléctricos.

3. Por el método de transferencia del calor: hornos en los cuales el calor se desprende directamente de la masa del material calentado, hornos en los cuales el desprendimiento de calor ocurre separadamente del material procesado y se transmite a este por intercambio de calor, hornos con desprendimiento de calor aislado.

4. Por la forma de la zona de trabajo: hornos con la zona de trabajo vertical (hornos de cubilote), hornos con la zona de trabajo horizontal (hornos de llama), hornos redondo, rectangulares y otros.

5. Por el método de trabajo: hornos de operaciones continuas y discontinuas.

6. Por la utilización del calor de los gases salientes: hornos recuperadores y regenadores, hornos con calderas, hornos con calentamiento de la carga.

El trabajo de los hornos de la Metalurgia no ferrosa consta de cinco procesos fundamentales estrechamente interrelacionados:

1. Proceso tecnológico.

2. Proceso energético.

3. Proceso aerodinámico.

4. Proceso mecánico.

5. Proceso de transferencia de calor.

El principal de los procesos citados, es el proceso tecnológico puesto que todos los demás se subordinan a este y el desarrollo de los mismos debe de ser tal que el proceso tecnológico ocurra con los mejores índices cualitativos y cuantitativos.

I.2 Materiales para la construcción y aplicación de los hornos

En la construcción de los hornos metalúrgicos se requieren los materiales principales siguientes:

· Refractarios (para la contracción de la cámara del horno).

· Metales y aleaciones (para construir el cuerpo exterior y la fijación del horno, así como los elementos de enfriamiento y otros).

· Materiales corrientes de construcción como son: ladrillos, cemento, piedra bruta, gravilla, arena y otros (para la contracción de la base recubierta exterior del horno, gasoductos, plazoletas de trabajo y soportes).

· Materiales termoaislantes.

De estos, los que están sometidos a una larga acción de fundidos, altas temperaturas, a los gases y cargas mecánicas y por tanto, los que en peores condiciones ejercen su función, son los refractarios. Debido a esto es muy necesario conocer las propiedades de los diferentes refractarios para poder seleccionar y explotar correctamente dichos materiales.

Los hornos metalúrgicos son comúnmente utilizados en laboratorios así como también en sitios de fabricación en una gran variedad de segmentos de la industria. Algunos usos incluyen:

Ø Recocido de envejecimiento.

Ø Vinculación.

Ø Marcar a fuego.

Ø Limpiar el curado de proceso que se seca de la producción.

Ø Cocimiento final.

Ø Pruebas de calor.

Ø Esterilización, deshidrogenación.

Ø Reducción.

I.3 Partes principales de los hornos

La base está sometida a dos tipos de carga:

· Carga estática (peso del mismo horno y del material procesado).

· Carga dinámica (surge durante la alimentación del horno, su rotación, etc.).

El cálculo de las bases de los hornos se realiza de la misma que la de los cimientos de otras construcciones. Las principales construcciones de cimientos de los hornos son:

1. Muros macizos.

2. Muros paralelos.

3. Postes o pilotes.

Si el horno requiere una solera caliente (por ejemplo, hornos de reverbero), entonces le construyen una base maciza, si por el contrario requiere una solera fría (por ejemplo hornos eléctricos) le construyen cimientos.

Los materiales para la construcción de los cimientos de los hornos son: piedra de cantera, concreto, ladrillos refractarios y de construcción, escorias de vertederos. Las medidas horizontales de la base, la determinan por las dimensiones del horno y por la carga específica permisible del terreno. La profundidad del cimiento depende de las características del terreno y de la magnitud de la carga.

Alrededor de cimiento se recomienda construir el drenaje circular de agua, pero se prohíbe la canalización y construcción de conductos de agua cerca de los cimientos, ya que esta puede ser causada de la explosión de la base.

CAPÍTULO II:

Hornos de cocción

II.1 Horno de la Empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas

Para el caso de este trabajo el cual se desarrolló en la Empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas, donde se pudo identificar el tipo de horno que se emplea en dicho proceso tecnológico y llegar a la conclusión de que era un horno donde se le aplica un tratamiento térmico a las piezas cerámicas mediante un proceso de cocción.

Por lo que nos es necesario definir cocción: como la operación fundamental de este proceso tecnológico, ya que da origen a los materiales cerámicos, transformando las materias primas de la pasta en nuevos compuestos cristalinos y vítreos que confieren al producto cocido unas propiedades concretas:

ü La insolubilidad y la solidez que garantizan el mantenimiento de la forma, la resistencia mecánica, la porosidad o la impermeabilidad, la resistencia química, etc.

ü Por lo que se refiere al revestimiento vítreo, la cocción provoca su fusión, la formación de una capa continua vidriada, bien anclada y compenetrada con el soporte, con particulares propiedades químicas y físicas y con determinadas características estéticas.

La cocción también consiste en el calentamiento, por lo tanto, en la transmisión de energía al producto seco hasta una temperatura establecida y durante un tiempo determinado, para que se puedan desarrollar las transformaciones químicas y físicas que llevan a la pasta y al esmalte a adquirir las propiedades requeridas del producto cerámico.

En el pasado, la temperatura a alcanzar, el tiempo y las modalidades de cocción se decidieron en función de la experiencia; actualmente, los mismos parámetros operativos se establecen en función de los conocimientos químicos y del comportamiento técnico de las materias primas empleadas, y a través de los análisis preliminares realizados sobre las mismas, especialmente mediante los análisis térmicos. Los equipos actualmente disponibles permiten reproducir, de modo cada vez más preciso, las condiciones de operación, realizando cocciones extremadamente controladas, la base indispensable de cualquiera producción normalizada y serial. La cocción se efectúa en un horno intermitente HW 10.5/6.0/140. La tabla 1 indica las características principales técnico-mecánicas del horno. Ver Anexos1 y2.

Tabla 1: Características principales técnico-mecánicas del horno

Como norma general podemos enunciar la siguiente: un incremento de la velocidad de calentamiento desplaza, hacia temperaturas más elevadas el inicio y el fin de una transformación que se produce por suministro de energía térmica.

II.2 Combustibles para la cocción

Normalmente, el calor necesario para la cocción se obtiene aprovechando la reacción de combustión de algunas sustancias sólidas, líquidas o gaseosas o empleando también la energía eléctrica. La combustión es una reacción de oxidación de notable velocidad y, por tanto, exotérmica, que puede utilizarse para generar calor.

A causa de esta reacción, el combustible, constituido de compuestos oxidables como el carbono, hidrógeno, azufre, óxido de carbono, hidrocarburos, se combinan, previo desencadenamiento (encendido), con el oxígeno del aire, el comburente, para formar determinados productos de reacción y calor.

El calor generado sirve para desencadenar y continuar la combustión. La principal característica de los combustibles, que los diferencia del punto de vista del valor comercial, es el poder calorífico; esto depende de la composición del combustible y expresa la cantidad de calor (kcal) desarrollada en la combustión de 1 kg de material, si se encuentra en el estado sólido o líquido, o de 1 m3 si se trata de combustible gaseoso.

II.3 Cálculos de producción

El personal que se ocupará de la gestión del horno trabajará 7 días a la semana, en tres turnos al día. Para producir, aproximadamente, 154.818 piezas vendibles al año, teniendo en cuenta un descarte medio de cocción y recocción del 10%, es necesario cocer 610 piezas al día, por un total de 6 días a la semana, durante 47 semanas al año (aproximadamente 282 ciclos de cocción al año). El séptimo día se empleará, en cambio, para efectuar un ciclo de recocción. En cuanto a la recocción de las piezas, la cantidad de artículos que se deben retocar y recocer no debería superar, como media, el 12% de todo lo que se cuece.

CAPÍTULO III:

Cálculos de los principales parámetros del Horno de la Empresa Cerámica Blanca de San José de las Lajas.

III.1 Datos Tecnológicos de la Empresa

El objetivo de la Empresa es la modernización de la actual fábrica para la producción de 154818 artículos sanitarios vendibles cada año con el proceso de la monococción. La Tabla 2 expone la subdivisión de la producción según las diversas tipologías de sanitarios que serán producidos.

Tabla 2: Objetivo de la producción.

El material cerámico que se fabricará está denominado como "vítreos china" y encuadrado por la norma UNI 4543 como producto con una porosidad inferior a 0.5% en peso y un módulo de ruptura superior a 400 kg/cm2 y teniendo como proceso tecnológico de fabricación el siguiente:

Para el caso de las materias primas, la Tabla 3 expone la lista de las materias primas que serán utilizadas para la preparación de la pasta de producción junto con el relativo código SACMI. La receta de la pasta de vítreos china que se producirá durante la puesta en marcha de la planta y los relativos parámetros tecnológicos que deben ser respetados en las diferentes fases de producción.

Tabla 3: Formulación de la pasta

Con esta formulación se ha decidido experimentar a nivel piloto una formulación parecida a la I 14768, pero con algunas modificaciones para mejorar, ulteriormente, la tendencia a gresificar. Para dicho propósito se ha decidido sustituir un punto de porcentaje de arcilla Club de Cazadores con medio punto porcentual de feldespato Pico Tuerto y medio punto porcentual de arcilla Esquistos.

La arcilla Esquistos es una arcilla con alto poder fundente, contiene menos cuarzo que la Club de Cazadores, no adecuada para la producción de sanitarios pero, visto que ya ha sido utilizada por el Cliente hasta un 3%, para aumentar la tendencia a gresificar de su pasta, se ha decidido añadir un 0,5%.

Como feldespato, en cambio, se ha decidido utilizar solo el feldespato Pico Tuerto para mejorar las características reológicas y porque los carbonatos presentes en el feldespato de Holguín favorecen la formación del defecto del corazón negro durante la cocción, si no se utiliza un adecuado ciclo de cocción. Además, la molienda se ha efectuado hasta obtener un residuo del 8,5% a 45 micrones. Los resultados obtenidos han sido buenos tanto antes como después de la cocción y también esta pasta podría tenerse en cuenta cuando se pone en marcha, por primera vez, una instalación.

Esta formulación permite producir una pasta menos plástica y más rápida a la hora de formar el espesor y debería ser más adecuada para una producción con máquinas de colado semiautomáticas mecanizadas, predispuestas para dos colados al día.

Sin embargo, es importante subrayar que el primer estadio de la preparación de la pasta, la molienda, puede influir y modificar las características de la pasta:

– Cuanto más presionada es la molienda, más agua y/o defloculante es necesario para llegar a la misma viscosidad y tixotropía;

– Cuanto más presionada es la molienda, más alta es la tendencia de la pasta a gresificar

– La distribución granulométrica de la entera pasta depende en parte del grado de molienda y de la distribución granulométrica depende el tipo de microestructura que se viene a formar sobre la pared del molde.

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