Funcionamiento y Componentes Clave de los Hornos Industriales

El Horno Industrial: Definición y Funciones

Un horno es un equipo utilizado en la industria donde se calientan materiales, piezas o elementos en su interior, elevando su temperatura por encima de la temperatura ambiente.

Funciones Principales de los Hornos

• Alcanzar la temperatura necesaria para producir reacciones químicas para la obtención de un producto.
• Provocar cambios de estado (ej. fusión de metales, vaporización).
• Ablandar materiales para su conformado posterior.
• Realizar tratamientos térmicos para impartir propiedades específicas a los materiales.
• Recubrir piezas con otros elementos.

Tipos Comunes de Hornos Industriales

• Horno de arco eléctrico
• Horno de inducción electromagnética
• Horno de alta frecuencia

Partes Fundamentales de un Horno

Zona Radiante

• Envolvente: Caja metálica que contiene los demás componentes.
• Refractario: Material aislante que envuelve el horno para minimizar pérdidas de calor.
• Tubos: Conductos por cuyo interior circula el fluido a calentar.
• Llama: Fuente de calor generada por la combustión, transfiere calor principalmente por radiación.
• Quemador: Dispositivo que mezcla el combustible con el aire (comburente) para la combustión.

Zona Convectiva

• Primeros tubos (Convectivos): Montados sobre el hogar y expuestos directamente a la llama.
• Tubos de convección (Zona de choque): Situados por encima de las primeras hileras, reciben calor principalmente por convección de los humos.
• Sopladores de hollín: Utilizados para realizar la limpieza periódica de los tubos y mantener la eficiencia de transferencia de calor.

Nota: Un parámetro importante a controlar es la temperatura del humo a la salida, que idealmente debería estar por debajo de 160°C para optimizar la eficiencia y evitar condensaciones ácidas (dependiendo del combustible).

Chimenea

La chimenea es crucial para producir el tiro (diferencia de presión) necesario para el funcionamiento del horno. También facilita que los humos de combustión se desplacen hacia arriba y se mezclen con el aire para su dispersión en la atmósfera.

Proceso de Combustión

La combustión es una reacción química exotérmica entre un combustible (ej. gas natural, fuel oil) y un comburente (generalmente el oxígeno del aire), que desprende una gran cantidad de calor.

Medición de Opacidad (Prueba Bacharach)

El índice Bacharach mide la opacidad de los humos. Se utiliza una bomba que aspira una muestra de los gases de combustión a través de un disco de papel de filtro. La cantidad de partículas sólidas (inquemados) presentes ensuciará el papel. Cuanto más oscuro sea el disco, mayor es la cantidad de inquemados, indicando una combustión incompleta.

Secciones Típicas de un Horno

• Sección Radiante: Donde la transferencia de calor predominante es por radiación de la llama.
• Sección Convectiva: Donde la transferencia de calor predominante es por convección de los gases calientes.
• Sección de Blindaje (Shield Section): Tubos ubicados entre la zona radiante y convectiva para proteger los tubos de convección de la radiación directa.

Tiro del Horno

El tiro es la diferencia de presión que existe entre el punto de medición (generalmente el interior del horno) y la presión atmosférica exterior. Puede ser natural (inducido por la chimenea), forzado (mediante ventiladores) o balanceado (combinación).

El Quemador

El quemador es un elemento esencial del horno encargado de mezclar íntimamente el combustible con el aire en las proporciones adecuadas para una combustión eficiente y estable.

Tipos de Quemadores

• Quemador de fuel oil
• Quemador de gas
• Quemadores mixtos (gas y fuel oil)
• Quemadores de combustibles sólidos (ej. carbón pulverizado)

Funciones del Quemador

• Aportar el combustible necesario para el encendido y la combustión continua.
• Suministrar el aire con el oxígeno necesario para la combustión.
• Mezclar adecuadamente el aire y el combustible (utilizando la energía cinética).
• Encender y mantener estable la llama.
• Desplazar los productos de la combustión hacia el interior del horno.

Eficiencia del Horno

La eficiencia térmica de un horno se define como el porcentaje del calor liberado en la llama (poder calorífico del combustible) que es efectivamente absorbido por el fluido que se está calentando. La llama libera calor, pero solo una parte de este es transferida útilmente al proceso.

Tareas de Mantenimiento en Hornos

• Cambio de válvulas y componentes desgastados.
• Calibración periódica de quemadores y ventiladores.
• Inspección y colocación adecuada de aislamientos y materiales refractarios.
• Pruebas de estanqueidad para evitar fugas de aire o gases.

Problemas Comunes en Hornos Industriales

• Pérdida de energía térmica (baja eficiencia).
• Corrosión a altas temperaturas.
• Formación de incrustaciones en los tubos (internas o externas).
• Niveles variables de inquemados (hollín, coque) que ensucian superficies y reducen la transferencia de calor.
• Alteración de la circulación de gases (problemas de tiro).

Procedimientos de Control y Operación

• Observación visual de la llama (color, forma, estabilidad).
• Análisis periódico de los gases de combustión (O2, CO, CO2, NOx, opacidad).

Aplicaciones Específicas y Tipos de Hornos Asociados

• Fabricación de arrabio: Alto horno
• Fabricación de acero: Horno de arco eléctrico, Convertidor LD (BOF)
• Fabricación de cemento: Horno rotativo
• Fabricación de cerámica: Horno túnel
• Fabricación de vidrio: Horno de balsa o de crisol
• Proceso Solvay (carbonato sódico): Horno de cal
• Tostación de concentrados de zinc: Horno flash o de lecho fluidizado

Porcentaje de Exceso de Aire

El porcentaje de exceso de aire se refiere a la cantidad de aire suministrada por encima de la cantidad estequiométrica (teóricamente necesaria) que fija la reacción química de combustión completa. Se utiliza un exceso para asegurar la combustión completa del combustible, minimizando la formación de inquemados como el CO, aunque un exceso muy elevado reduce la eficiencia al calentar aire innecesario.

Diferencia entre Quemadores de Combustible Líquido y Gas

Una diferencia fundamental es que el quemador para combustible líquido debe realizar la atomización del combustible, es decir, dividirlo en gotas muy finas para aumentar su superficie de contacto con el aire y así lograr una buena y rápida combustión. Los quemadores de gas no requieren atomización, ya que el combustible se mezcla directamente con el aire en estado gaseoso.