BOLSOC.ESP.CERAM. VI DR. 25 (1986) 6, 415-422 HORNO TÚNEL PARA COCCIÓN RÁPIDA (

BOLSOC.ESP.CERAM. VI DR. 25 (1986) 6, 415-422 HORNO TÚNEL PARA COCCIÓN RÁPIDA (I) R. TOPOLEVSKY A. GASTON C. ECHEVERRÍA Laboratorio de Cerámica. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Rosario. RESUMEN En este trabajo se presentan de modo resumido las características fundamentales del horno de cocción rápida construido en el Laboratorio de Cerámica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Rosario. Se hace una descripción del problema de termotransferencia en hornos túneles y se comparan los resultados numéricos con los experimentales. Se describe una de las experiencias que actualmente se cursan y se señala la fundamental importancia de la ingeniería de hornos en el problema de cocción rápida. Quíckfire tunnel-kiln In the present paper we briefly describe the main characteristics of the fast firing kiln constructed at the Ceramic Laboratory of the Faculty of the National University of Rosario. A description of the problem of heat transmission in tunnel-kilns is presented and the numerical results are compared with the experimental curves. One among the experiments currently undertaken is described. The importance of kiln —engineering is emphasized as related to rapid firing. Four á tunnel pour cuisson rapide Ce travail présente brièvement les caractéristiques essentielles du four de cuisson rapide construit au laboratoire de céramique de la faculté d'ingénierie de l'Université Nationale de Rosario. 1 1 expose le problème du transfert thermique dans les fours à tunnel et compare les résultats numériques et expéri- mentaux, il décrit une des expériences actuellement en cours et souligne l'importance fondamentale de l'ingénierie des fours dans la solution du problème de la cuisson rapide. Schnellbrand- Tunnelofen Die grundlegende Charakteristik des in dem «Laboratorio de Cerámica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Rosario» (Keramik-Labor der Fakultät für Ingenieurwissenschaft der National-Universität Rosario) gebauten Schnellbrandofens wird kurzfassend geschildert. Das Problem der im Tunnelofen stattfindende Wärmeübertragung wird beschrieben und es werden numerische und experimentelle Ergebnisse vergUchen. Einer unter der zur Zeit verlaufenden Versuchen wird beschrieben und es wird auf die Bedeutung der Ofen-Ingenieurwissenschaft bei der Frage des Schnellbrands hingewiesen. 1. INTRODUCCIÓN La técnica de cocción rápida se ha extendido en un amplio espectro de la industria cerámica porque su empleo ha demostrado ser satisfactorio desde el punto de vista técnico y ventajoso desde el punto de vista econó- mico (1-3). La ingeniería de un horno túnel para cocción rápida presenta analogías y diferencias respecto de la corres- pondiente a cocción convencional. Básicamente, como todo horno túnel, consta de tres zonas: precalentamiento, fuego, enfriamiento. No obstante, se busca lograr una máxima transferencia de calor en el mínimo tiempo compatible con: » a) las reacciones de descomposición de la pasta cerámica, es decir, eliminación de agua física y químicamente ligada, b) combustión de elementos como carbonos, des- composición de sulfatos, sulfuros, etcétera, (1) Original recibido el 18 de septiembre de 1985. NOVIEMBRE-DICIEMBRE 1986 c) minimización de las tensiones termomecánicas producidas por diferencia de temperaturas en el cuerpo a cocer. La sinterización no debe comenzar hasta que no hayan concluido las etapas a) y b) mencionadas en el párrafo anterior, puesto que, si esto ocurre, una amplia gama de defectos se hacen evidentes (4)(5). Para lograr esta alta transferencia térmica se deben tener en cuenta: 1) régimen de escurrimiento de gases, 2) sección transversal del horno en relación a la sec- ción transversal de carga a cocer, 3) distribución de temperaturas en una sección transversal. La determinación de las funciones de correlación entre la velocidad de empuje y los items 1), 2), 3) es motivo de estudio por la complejidad de las variables involucradas. Por otro lado, las características del mate- rial a cocer que afectan las variables a), b) y c) y, por ende, la velocidad de empuje son (5): 415 R. TOPOLEVSKY, A. GASTON, C. ECHEVERRÍA Difusividad térmica a, siendo: K r cm2 -I Cp L s J K: conductividad térmica [cal cm"' 3 °C"' s'] C: calor específico [cal/g °C] p: densidad [g/cm^] De alguna manera la difusividad térmica puede inter- pretarse como la velocidad con que se eleva latempera- tura del cuerpo cuando se aplica calor a un punto del mismo. Difusividades altas favorecen la disminución de la diferencia de temperatura entre el interior y el centro del cuerpo a cocer y, por tanto, disminuyen las tensiones termomecánicas por dilatación volumétrica diferencial o por diferencias de dilatación-contracción al producirse transformaciones de fase en tiempos diferidos entre el material de la periferia y el del centro. Por tanto, difusi- vidades altas favorecen la cocción rápida. Deformación crítica es el cociente entre G (módulo de rotura) y E (módulo de elasticidad). Altos valores de deformación crítica implican una mayor disposición del material para acomodar deforma- ciones o una mayor tenacidad. Por tanto, deformación crítica alta implica también mayor resistencia a las ten- siones termomecánicas generadas por altas velocidades de empuje. Porosidad, granulometría y microestructura. Estas variables, íntimamente ligadas (6)(7), tienen una pro- funda influencia en b) y c), como se menciona en (5). Forma y espesores de ¡a muestra. Ambos factores geométricos afectan la distribución de temperatura inte- rior de una pieza, ya que, como se señala más adelante, el mecanismo de transferencia de calor desde la superficie del producto hacia su interior es conductivo. Las funcio- nes de correlación entre diferencia máxima de tempera- tura superficie-interior y forma son muy complejos salvo casos muy simplificados, como el de placas infinitas (5). En su mayoría estos casos deben ser tratados por formu- laciones analíticas aproximadas [ver apéndice 1 y (8)] o por elementos finitos. De todas formas, cuanto mayor es el espesor, mayor es el tiempo requerido para igualar la temperatura de la superficie a la interior, si es que aquélla se mantuviera constante. Por tanto, espesores grandes fuerzan menores velocidades de empuje. 1.1. Régimen de escurrimíento de gases La transferencia de calor en la zona de precalenta- miento es esencialmente de tipo convectivo, desde los gases calientes hacia la superficie de la carga, y de carác- ter conductivo a través de ella. No obstante, la radiación de las paredes no es despreciable. Si las velocidades de circulación de gases son bajas, las fuerzas viscoelásticas de contacto entre los gases calientes y la carga son considerables, dificultándose la transferencia a través de la capa límite. Por ello se trata de trabajar con un número de Reynolds superior al correspondiente al umbral turbulento. 1.2. Sección transversal del horno Debe ser lo más ajustada posible a la carga, elimi- nando espacios muertos y maximizando las superficies radiantes. 1.3. Distribución de temperatura La distribución de temperatura en un plano perpen- dicular al de avance de carga debe ser lo más constante posible para no sumar gradientes adicionales a los que se generan en la dirección de avance que pueden facilitar fuertemente la aparición de defectos por alguna de las razones anteriormente mencionadas. Para ello se prefiere trabajar en leve sobrepresión en la zona de fuego ( 1 a 3 milímetros en la columna de agua), presión atmosférica aproximadamente al comienzo de ella y depresión hacia la entrada y bocas de tiraje. 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL HORNO Para diseñar el horno que funciona actualmente en este laboratorio se consideró que era necesario: a) buen aislamiento y baja inercia térmica adecuada para el uso en un ambiente universitario de hora- rios diurnos limitados y espacios reducidos, b) flexibilidad para poder conformar curvas de coc- ción con relativa facilidad, c) bajo costo de construcción, d) ingeniería de concepción y de detalle simple. En base a estas pautas el horno construido presenta las siguientes características fundamentales: 1) Diseño modular: el horno está construido en base a seis módulos independientes de I m de longitud que permitirían, eventualmente, alargarlo con facilidad a longitudes que le darían mayor versatilidad. 2) Bóveda suspendida de sencilla construcción. 3) Ausencia de partes móviles en las zorras: éstas se desplazan sobre sistemas de patines fijos a la estructura. El costo de mantenimiento y la eficien- cia de este sistema han probado ser muy satisfac- torios. 4) Aislamiento de manta cerámica: el uso de manta cerámica como único revestimiento de las paredes refractarias y como único material constitutivo de la bóveda plana ha posibilitado un excelente ais- lamiento térmico aun a las máximas temperaturas de operación del orden de los l.350°C. Esta pro- piedad, sumada a su inercia térmica, han facili- tado ciclos de puesta en régimen sumamente velo- ces, ya que de temperatura ambiente puede llegarse a 1.300°C en régimen estable dentro de los noventa minutos con bajos consumos de combus- tible (9). 5) Construcción con material existente en el país. 6) Amplia posibilidad de recirculación de gases calientes. 7) Velocidad de avance variable: la velocidad de avance variable se ha logrado mediante la utiliza- ción de un sistema mecánico de empuje accionado 416 BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 25 - NUM. 6 Horno túnel para cocción rápida a S U vez por un sistema variador electrónico de velocidad. Las figuras 1 a 4 muestran diferentes vistas del horno y las figuras 5 a 9, permiten apreciar algunos de sus deta- lles constructivos. LINEA DE CARGA Y DESCARGA ZONA DE uploads/Litterature/ hornos-tunel.pdf

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