Los hornos industriales se refieren a equipos térmicos que utilizan el calor generado por la combustión de combustible o la conversión de energía eléctrica en la producción industrial para fundir, fundir, cocer (calcinar), calentar, retortar, gasificar, etc., materiales o piezas de trabajo. Existen muchos tipos de hornos industriales con diversos usos. En la metalurgia, la industria química, los metales no-ferrosos, los materiales de construcción, la maquinaria, la industria ligera, la cerámica avanzada y otras industrias, se utilizan diferentes hornos industriales para diferentes fines industriales. Generalmente, un horno específico tiene más de una característica. Por lo tanto, el mismo horno tiene diferentes puntos de clasificación y múltiples métodos de clasificación y métodos de denominación. Por ejemplo, un horno de sinterización continuo es a la vez un horno de sinterización y un horno continuo.
Ⅰ. Clasificación por fuente de calor
En los hornos industriales, las fuentes de calor comunes incluyen combustibles sólidos, combustibles líquidos, combustibles gaseosos y conversión de energía eléctrica. Estas fuentes de calor generalmente se dividen en dos categorías durante su formación: las que existen en forma de llama y las que existen en forma sin -llama. Por tanto, según la fuente de calor, los hornos se pueden clasificar en dos tipos: hornos de llama y hornos eléctricos.
1. Hornos de llama
Un horno que utiliza la llama de la combustión de combustible como fuente de calor se llama horno de llama. La llama dentro del horno puede entrar en contacto directo con el material para calentar, con temperaturas generalmente inferiores a 2000 grados. Durante la combustión, la pared del horno irradia calor y refleja parcialmente el calor proyectado, desempeñando un papel crucial en el intercambio de calor. Sin embargo, a veces, para evitar la oxidación del material (pieza de trabajo), es necesario separar la llama del material y transferir el calor de la llama indirectamente al material a través de una pared divisoria. Los hornos de llama se pueden utilizar tanto para calentar como para fundir materiales.
Un horno de tiro descendente de alta-temperatura es un tipo de horno de llama que consta de tres partes: el cuerpo del horno (redondo o rectangular), el equipo de combustión y el equipo de ventilación. Durante el funcionamiento, se añade combustible a la parrilla de la cámara de combustión, se introduce aire en el cenicero, pasa a través de la parrilla y se quema con el lecho de carbón. La llama y los productos de la combustión se expulsan desde las boquillas formadas por el deflector de fuego y las paredes del horno hacia la parte superior del horno, luego se reflejan hacia abajo hasta el fondo y se descargan en el conducto de humos a través de los orificios de succión, los conductos secundarios y el conducto principal. A medida que la llama fluye sobre los productos, su calor se transfiere a los productos mediante convección y radiación.
Los hornos de llama se caracterizan por una fusión rápida y un alto rendimiento, pero también adolecen de una baja eficiencia térmica y de la contaminación ambiental provocada por los gases de escape.
Por tanto, el uso de hornos de llama debe garantizar:
(1) combustión completa del combustible en condiciones de carga de calor específicas;
(2) proceso de combustión estable, capaz de suministrar calor continuamente al horno;
Actualmente, los hornos de llama se utilizan comúnmente en cerámica tradicional, cerámica industrial, productos de vidrio, materiales refractarios, sinterización de nuevos materiales y tratamiento térmico de metales.
2. Hornos eléctricos
Los hornos eléctricos generalmente convierten la energía eléctrica en energía térmica a través de elementos calefactores eléctricos. Según el método de generación actual, se pueden dividir en cinco categorías: hornos de resistencia, hornos de inducción, hornos de arco eléctrico, hornos de haz de electrones y hornos de iones. Dado que no se quema combustible, no hay necesidad de equipos de ventilación como sistemas de suministro y escape de aire. Su estructura es simple, ocupan un área pequeña y los productos dentro del horno no se ven afectados por los gases de combustión ni las cenizas. Los hornos eléctricos también pueden alcanzar temperaturas superiores a los 2000 grados, lo que es difícil de lograr con los hornos de llama. La temperatura y la atmósfera también son más fáciles de controlar y monitorear con precisión, lo que da como resultado productos cocidos de alta-calidad. A menudo se utilizan para la producción y el procesamiento de materiales especiales de alta-calidad, como materiales de ánodos de grafito artificial para baterías de iones de litio-.
Sin embargo, para garantizar una distribución uniforme de la temperatura en toda la sección transversal-del horno, el tamaño-de la sección transversal suele ser limitado. Por lo tanto, los hornos eléctricos no son adecuados para cocer productos grandes y de paredes gruesas-y su rendimiento es relativamente bajo. Además, el equipo eléctrico auxiliar de los hornos eléctricos es más complejo y el consumo de elementos calefactores eléctricos es mayor, lo que genera mayores costos de equipo y operación.
II. Clasificación por finalidad
Los hornos industriales son equipos térmicos esenciales en industrias como la metalúrgica, química, materiales de construcción, cerámica, vidrio, electrónica y alimentaria. Clasificados por proceso industrial, se pueden clasificar en hornos de sinterización, hornos de desaglutinación, hornos de calcinación, hornos de secado, hornos de grafitización y hornos de vulcanización. En la industria cerámica avanzada, los hornos de desaglomeración y los hornos de sinterización son equipos térmicos comúnmente utilizados en el proceso de producción.
1. Horno de desaglomeración
Las nuevas cerámicas suelen incorporar una cantidad significativa de aglutinantes orgánicos y plastificantes durante el moldeado, como cera de parafina en la fundición a presión en caliente-y alcohol polivinílico en la moldeado por rodillos y en la fundición en cinta, lo que da como resultado una alta porosidad interna. La sinterización directa hace que una gran cantidad de materia orgánica en el cuerpo cerámico se derrita, se descomponga y se volatilice, lo que provoca deformación, agrietamiento y adhesión del cuerpo, lo que afecta el rendimiento y la conductividad térmica del sustrato. Además, el alto contenido de carbono de estos materiales orgánicos, cuando no hay suficiente oxígeno presente para crear una atmósfera reductora, afecta negativamente a la calidad de la sinterización. Por lo tanto, antes de la cocción, el cuerpo cerámico normalmente se coloca en un horno de desaglomerado y se cuece a una temperatura inferior a la utilizada para la sinterización para eliminar la materia orgánica, asegurando que el producto cumpla con los requisitos de forma, tamaño y calidad.
2. Horno de sinterización
El cuerpo verde cerámico desvinculado se puede sinterizar en un horno de sinterización. En el horno de sinterización, debido a la alta temperatura, las partículas sólidas del cuerpo verde cerámico se unen entre sí. Los granos crecen, la porosidad y los límites de los granos disminuyen gradualmente y, mediante la transferencia de masa, el volumen total se contrae, la densidad aumenta y, finalmente, se forma un cuerpo sinterizado policristalino denso con excelentes propiedades mecánicas.
Durante el proceso de sinterización, la temperatura y el tiempo de sinterización son los factores más importantes que afectan la sinterización cerámica. Determinan en gran medida el tamaño y la distribución de los granos en la cerámica. La atmósfera de sinterización y la presión de sinterización en el horno pueden afectar el número de poros dentro de la cerámica, afectando así el grado de densificación. Por lo tanto, estos parámetros en el horno de sinterización deben controlarse y monitorearse con precisión durante la sinterización para garantizar que el producto sinterizado no se agriete ni se deforme.
Además de los hornos que realizan por separado procesos de desaglomerado y sinterización, a menudo se pueden utilizar hornos integrados con perfiles de temperatura preestablecidos para satisfacer las necesidades de producción integrada de múltiples procesos.
III. Clasificación por modo de funcionamiento
En el proceso de fabricación del producto, los hornos industriales funcionan principalmente en dos modos: continuo e intermitente (o periódico).
1. Hornos intermitentes
La característica de los hornos intermitentes es que la cámara del horno no está dividida en zonas de temperatura. Los materiales se cargan manualmente en el horno en lotes para calentarlos o fundirlos. Una vez completado el proceso de calentamiento o fusión dentro del horno, los materiales se descargan manualmente en lotes. La carga del horno no se mueve dentro del horno y la temperatura del horno cambia con el tiempo. Los tipos comunes incluyen hornos de pozo, hornos de caja, hornos de campana y hornos de lanzadera.
① Horno de campana
Un horno de campana generalmente consta de una campana de cristal, una base y una estructura de elevación. El elemento calefactor está instalado en la pared interior de la jarra del horno. Su característica es que cuando la pieza en bruto se cuece y se enfría a una determinada temperatura, la campana de cristal se puede transferir rápidamente a otra base para comenzar a cocer las piezas en bruto en otro horno. Por tanto, es muy adecuado para sinterizar componentes que se dañan fácilmente durante el movimiento. En términos generales, tiene un buen rendimiento de sellado, temperatura y atmósfera estables y uniformes dentro del horno, baja pérdida de calor y alta eficiencia térmica.
② Horno de caja
Como sugiere el nombre, un horno de caja tiene forma de caja, con elementos calefactores distribuidos a lo largo de la pared interior de la cámara del horno. Durante la producción, las piezas en bruto se colocan sobre una placa de soporte y luego se cuecen juntas en el centro de la cámara del horno. Después de que se cuece un lote de piezas en bruto, se retiran del horno para cargar y cocer el siguiente lote. Los hornos de caja son muy versátiles y adecuados para el tratamiento térmico de piezas individuales y pequeños lotes de diversas formas. Sin embargo, debido al mal sellado de la abertura y la puerta del horno, la pérdida de calor es significativa, lo que resulta en una distribución desigual de la temperatura. La temperatura cerca de la puerta del horno es más baja que la temperatura en el centro de la cámara del horno, por lo que normalmente no puede funcionar a plena capacidad, lo que lleva a una baja eficiencia de producción. Esto se puede solucionar agregando elementos calefactores a la puerta del horno o instalando un ventilador.
③ Horno de pozo
La mayoría de los hornos de pozo tienen una estructura circular y las piezas de trabajo se cargan verticalmente en el horno para calentarlas mediante grúas especializadas u otras herramientas. El cuerpo del horno está construido con fibra refractaria de alta-temperatura, lo que reduce la pérdida de calor y ahorra energía. Su eficiencia térmica y rendimiento de sellado son superiores a los de los hornos de caja, pero no son tan convenientes de operar y mantener.
④ Horno lanzadera
La estructura del horno lanzadera se asemeja a una caja de cerillas. Durante el funcionamiento, las piezas brutas a cocer son empujadas al horno mediante vagonetas. Después del disparo, se sacan en la dirección opuesta para descargar las balas de fogueo disparadas. Debido a que los vagones del horno se mueven hacia adelante y hacia atrás dentro del horno como una lanzadera, se le llama horno lanzadera. La estructura única del horno lanzadera lo hace muy-adecuado para producción de lotes pequeños-y de múltiples-variedades, ofreciendo una gran flexibilidad en los métodos de producción y la programación. Además, la carga, descarga y enfriamiento parcial de los productos terminados se pueden realizar fuera del horno, mejorando las condiciones de trabajo y acortando el tiempo de respuesta del horno. Sin embargo, debido a que las vagonetas del horno entran y salen constantemente del horno, las pérdidas por almacenamiento y disipación de calor son significativas, lo que da como resultado altas temperaturas de los gases de combustión y un alto consumo de calor. Este inconveniente suele mitigarse añadiendo un dispositivo de recuperación de calor residual.
2. Hornos continuos
En un horno continuo, la temperatura en varios puntos dentro del horno permanece relativamente constante a lo largo del tiempo. El cuerpo verde pasa secuencialmente a través de las secciones de precalentamiento, alta-temperatura y enfriamiento del horno a una velocidad controlada, completando el proceso de sinterización. Este tipo de horno de sinterización permite una sinterización continua e ininterrumpida, es muy sencillo de operar y tiene una alta eficiencia térmica, lo que da como resultado grandes volúmenes de producción y una calidad uniforme del producto. Sin embargo, requiere una inversión importante y su régimen térmico no se ajusta fácilmente, por lo que se utiliza principalmente para productos con alto rendimiento y una variedad de productos relativamente limitada. Los hornos continuos comunes en la industria del polvo incluyen los hornos de túnel y los hornos de rodillos.
① Horno Túnel
La estructura de un horno túnel se asemeja a un túnel largo y recto, con carros que circulan sobre vías colocadas en el fondo del túnel. El equipo de combustión está ubicado en el medio del horno túnel, formando la zona de cocción de alta-temperatura. Se instala un ventilador de tiro inducido o chimenea en la parte delantera del horno para guiar los gases de combustión de alta-temperatura desde la zona de cocción hasta el cabezal del horno, precalentando el cuerpo verde que se va a cocer y formando la zona de precalentamiento. En la cola del horno, normalmente se sopla aire frío para enfriar los productos cocidos, formando la zona de enfriamiento. Dado que la mayor parte del calor residual de los gases de combustión de alta-temperatura en la zona de combustión se puede utilizar, es más eficiente energéticamente-que los hornos intermitentes. Sin embargo, todavía se desperdicia algo de calor porque se requiere enfriamiento en la cola del horno.
② Horno de rodillos
Un horno de rodillos deposita el producto directa o indirectamente sobre rodillos muy próximos entre sí. Cada rodillo es impulsado por una cadena a través de una rueda dentada en su extremo, lo que hace que los rodillos giren continuamente. Esta rotación de los rodillos transfiere el producto desde la cabeza del horno a la cola del horno. Debido a que la diferencia de temperatura durante el precalentamiento, cocción y enfriamiento es extremadamente pequeña, el tiempo de producción es muy corto. Además, los hornos de rodillos tienen una hermeticidad mucho mejor que los hornos de túnel, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética. Sin embargo, también tiene un inconveniente: la cocción de productos de reducción de alta-temperatura requiere rodillos de alta-calidad. Generalmente se utilizan rodillos de carburo de silicio, que manejan eficazmente la cocción de productos cerámicos a alta-temperatura hasta 1350 grados.
③ Horno de empuje
El fondo de un horno de empuje está pavimentado con carriles de ladrillo refractario estables colocados con precisión. Un mecanismo de empuje empuja las placas refractarias que contienen las piezas cerámicas en bruto hacia el interior del horno, pasando sucesivamente por la zona de precalentamiento, la zona de cocción y la zona de enfriamiento. A veces, para reducir la fricción, se pueden colocar bolas de cerámica debajo de las placas refractarias. Debido a que los principios y ventajas de los hornos de empuje son similares a los de los hornos de rodillos, los hornos de empuje están limitados por la capacidad de carga de empuje-de las placas refractarias y, por lo general, no son muy largos, con una longitud que oscila entre unos pocos metros y veinte metros. Generalmente se utilizan para cocer polvo a alta-temperatura o cerámicas especiales, y su producción diaria no es grande.
Resumen
Con los avances tecnológicos y la implementación continua de políticas de protección ambiental, los hornos industriales están evolucionando desde modelos de gama baja-a modelos de gama alta-. Han pasado de caracterizarse por una baja producción y calidad, alto consumo de combustible, alta intensidad de mano de obra, bajas temperaturas de cocción e incapacidad para controlar la atmósfera, a una mayor producción y calidad, menor consumo de combustible, temperaturas de combustión más altas, atmósfera controlable y mecanización y automatización. Además de las clasificaciones mencionadas anteriormente, los hornos también se pueden clasificar por temperatura (alta-temperatura, media-temperatura y baja-temperatura) y por sistema de trabajo (sistemas de trabajo radial, de convección y por capas). Las empresas de producción pueden elegir hornos industriales apropiados en función de los requisitos específicos de su producto en cuanto a tecnología de procesamiento, atmósfera y producción para mejorar la eficiencia de la producción y la calidad del producto.