HORNO TÚNEL VERTICAL PARA CERÁMICA ROJA G. Sánchez*, M. Sadres, A. Bologna Alles Departamento de Ingeniería de Materiales – Instituto de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería – Julio Herrera y Reissig 565, 11300 Montevideo, Uruguay Resumen La fabricación de ladrillo a mano en nuestro país se efectúa en hornos de campo. Ésta es una tecnología antigua, de fácil implementación, y con una baja inversión fija. Los resultados son variados para las bajas exigencias de un mercado local no regulado, en donde la resistencia mecánica de los productos ofrecidos a la venta no está normada. Los adobes apilados con el combustible incorporado son encendidos y el frente de cocción avanza en sentido vertical ascendente. El funcionamiento de este horno ha sido modelado arribando a sus fundamentos, habiéndose establecido sus limitaciones en alcanzar una temperatura máxima adecuada, la resistencia mecánica máxima desarrollada para los productos cocidos y el color de su cara vista. El proceso es controlado por la difusividad térmica del material y la velocidad de combustión del combustible incorporado. Para aumentar la calidad de las piezas cocidas, surge la necesidad de buscar alternativas tecnológicas con un costo moderado de inversión que permitan un mayor control sobre los parámetros de procesamiento. El objetivo principal es fabricar productos que cumplan las exigencias del mercado nacional e internacional sin descuidar la eficiencia energética y los aspectos ambientales. Como alternativa se propone diseñar un horno túnel vertical con un costo de inversión bajo, cuyo principio de funcionamiento tiene varias analogías con el horno de campo. El flujo de material descendente contrarresta el desplazamiento ascendente del perfil de cocción y permite lograr valores de temperaturas estacionarios, con una región central donde se alcanza un valor máximo de temperatura. La circulación de aire en contracorriente favorece la eficiencia energética al tiempo que proporciona el oxígeno necesario para la combustión. Se plantea un análisis comparativo entre ambas tecnologías en función del horno vertical prototipo en construcción operado con biomasa y del modelo desarrollado del horno de campo. Palabras clave: cerámica roja, horno vertical, combustión, biomasa. 1.0 Introducción El ladrillo artesanal constituye un elemento constructivo muy empleado en el mercado local e internacional por sus características mecánicas y estéticas mayoritariamente como elemento principal en fachadas. Para su fabricación se requiere un tratamiento térmico a efectos de consolidar la pieza final por sinterizado como cualquier material cerámico. El consumo energético de esa etapa es relevante para el proceso global debido a que las temperaturas necesarias para dicha consolidación se encuentran entre 900ºC a 1050ºC, dependiendo del componente arcilloso de la materia prima utilizada. El ladrillo artesanal producido a nivel nacional (ladrillo de campo) se consolida habitualmente mediante un tratamiento térmico en hornos clamp (hornos de campo). Este tipo de horno consiste en un apilamiento compacto de los ladrillos secos verdes a quemar (30.000 a 100.000 unidades según (*): [email protected]                                        1 

el caso) con el combustible incorporado en la formulación de la pasta dentro de la pieza cerámica. Se enciende inicialmente en la parte inferior del horno (boquillas), y una vez alcanzado un valor de temperatura superior a 600°C en la cara inferior de la primera hilada, el perfil de quema avanza verticalmente en forma homogénea en toda a sección del horno. El avance del proceso es controlado casi con exclusividad por la difusividad térmica del ladrillo, y la velocidad de combustión de la materia orgánica agregada (aserrín, paja, cáscara de arroz, etc.) o carbón mineral o vegetal. Una vez que la temperatura máxima es alcanzada en la fila superior, se agota el combustible agregado, y comienza la lenta etapa de enfriamiento de la masa de ladrillos, liberando el calor acumulado a los alrededores hasta que es posible descargar el producto terminado. A pesar de la simplicidad manifiesta del horno clamp, las características y homogeneidad del producto obtenido son consideradas aceptables para el mercado local cuando el proceso está debidamente ajustado. Sin embargo, para fabricar un producto artesanal competitivo a nivel internacional en calidad y en precio, se debe recurrir a un horno diferente, ya que el horno clamp presenta limitaciones insuperables por su diseño [1]. La resistencia mecánica de las piezas normalmente producidas mediante esta tecnología es de 12 MPa, valor marcadamente bajo para los estándares internacionales manejados para este tipo de productos en los cuales se pide una resistencia a la compresión mínima de 25 MPa [2]. Hay una relación estrecha entre la densidad final de la pieza cocida y su resistencia a la compresión, pero debe producirse una pieza de densidad bruta moderada con altos valores de resistencia mecánica, debido a las ventajas resultantes para un correcto acondicionamiento térmico y acústico, y a una importante disminución de los costos de transporte de la piezas a su destino final. Esta dos características antagónicas pueden lograrse en el ladrillo de campo si se alcanzan valores superiores de temperatura en la quema a los utilizados hoy en día en los hornos clamp. El horno clamp no permite lograr una temperatura máxima satisfactoria en piezas de densidad acotada ya que éstas se deforman por “bloating” [1]– e.g., cantos redondeados, piezas fuera de escuadra, etc.- por lo que tradicionalmente se opera a temperaturas menores a pesar de alcanzar resistencias mecánicas bajas. Una ventaja adicional marcadamente importante del uso de temperaturas de cocción más elevada radica en que la misma permite lograr los colores superficiales más buscados por el mercado en ladrillos de fachada. Como consecuencia se hace necesario la búsqueda de otra tecnología de horno para la producción del los productos buscados. Las tecnologías de hornos para fabricación de ladrillos abarcan un amplio espectro de posibilidades. Por un lado se identifican los hornos tipo batch o intermitentes [1], donde un lote de material se calienta hasta la temperatura necesaria y posteriormente se enfría, sin aprovechamiento del calor cedido por la carga a los alrededores. Por otro lado se encuentran los hornos continuos tipo túnel, donde la carga se mueve a través de un canal dividido en zonas con diferentes temperaturas, lográndose un correcto aprovechamiento del calor cedido por el material para precalentar el subsiguiente e incluso para ser empleado en otras etapas del proceso, como lo es el secado [3]. Otra opción la constituyen los hornos continuos de llama móvil, como es el caso del horno de cámaras Hoffmann o el horno de foso Bull (Bull´s Trench Kiln -BTK), donde los lotes del material permanecen estancos y van pasando por las diferentes etapas del tratamiento térmico en forma desfasada, aprovechándose el calor cedido por las 2   

cargas que están en las etapas de enfriamiento y quema para las que están en las etapas de calentamiento y secado [4]. Las eficiencias energéticas de estos sistemas mejoran sustancialmente cuando se pasa de hornos intermitentes a los continuos [5]. A pesar de esto, para nuestro reducido mercado, la inversión necesaria para instalar hornos continuos tradicionales no resulta particularmente adecuada para la mayoría de los ladrillares artesanales, ya que la misma requiere altos volúmenes de producción debido a las importantes estructuras, sistemas de transporte y control necesarios en este diseño. Asimismo, estos hornos pueden sólo operarse correctamente para la producción masiva de piezas, ya que poseen baja flexibilidad a la hora de variar la producción forzada por la demanda del mercado. Típicamente, este tipo de horno está representado por hornos túnel horizontales. En la década de los 70 se desarrolló en China un tipo de horno continuo para fabricación de ladrillos cuyo diseño y operación fue posteriormente optimizado y difundido en otros países de Asia: el horno túnel vertical (denominado Vertical Shaft Brick Kiln - VSBK) [5-10]. En los últimos años se ha comenzado a difundir esta tecnología en Latinoamérica, existiendo experiencias en Perú, Ecuador y Nicaragua [11-15]. Este tipo de horno compacto de fácil construcción basa su funcionamiento en una columna formada por el apilamiento de los ladrillos a consolidar que pasa a través de un canal vertical aislado térmicamente de los alrededores para mejorar sustancialmente su eficiencia energética (ver Fig.1). El combustible sólido necesario – generalmente carbón – es incorporado mayoritariamente en los intersticios entre las piezas. La sección del canal oscila normalmente entre 1 m2 y 2,5 m2 y su altura en el entrono de 5 m a 6 m. Una vez que el sistema está operando en régimen se desarrolla el perfil de calentamiento y enfriamiento en sentido vertical, alimentándose la pila en forma progresiva por la parte superior y retirándose el producto final por la parte inferior. Un sencillo sistema de descarga asociado a una pequeña vagoneta permite efectuar esta operación cada lapsos de aproximadamente 2 horas. El tiro vertical controlable asegura la circulación de aire en contracorriente respecto al material favoreciendo la transferencia de calor en sentido vertical para asegurar un alto aprovechamiento de la energía, tal que este diseño tiene un consumo de energía específico que es un tercio del consumo del horno clamp tradicionalmente utilizado en la producción local, incluso cuando es operado correctamente, alrededor de 2,5 MJ/kg de ladrillo procesado [1]. El VSBK constituye pues un horno continuo de carga móvil, con ausencia de masa móvil que acompañe a la carga procesada, y en el cual el combustible sólido va incorporado en la formulación y los intersticios de a carga. Sus características permiten lograr eficiencias energéticas elevadas, inclusive superiores a los demás tipos de horno continuos (túnel horizontal) con consumos específicos del orden de 0,7 a 1,0 MJ/kg de ladrillo terminado [5,6]. El horno túnel vertical presenta entonces varias ventajas: - Capacidad de un control relativamente preciso de la temperatura máxima de quema y del proceso de combustión para producir piezas cerámicas de densidad moderada y resistencia mecánica elevada sin deformación. - Homogeneidad en la sección de canal que asegura homogeneidad en las características del producto final y calidad. - Bajos costos de inversión debido a la simplicidad constructiva del sistema, basado en una columna directamente apilada del propio producto (y combustible) que se hace pasar a través de un canal aislado térmicamente. 3   

- Eficiencia energética muy superior, sobre los hornos intermitentes y en particular al horno de campo tradicional [5], e incluso superior a otros hornos continuos como los hornos túnel horizontales. - Sistema compacto y de fácil operación, adaptable a flujos de producción variables según la demanda del mercado al trabajar con unidades multicanal y tiempos de residencia bajos, inferiores a las 24 horas.

Figura 1: Esquema general de funcionamiento del horno túnel vertical El fundamento y la dinámica de funcionamiento de este tipo de horno tienen diversas analogías con los del tradicional horno de campo empleado en nuestro país el cual ha sido bien estudiado y modelado [1,16]. En el horno clamp, el proceso de quema de cada carga con el combustible incorporado en la pieza cerámica se efectúa a través de un perfil que avanza verticalmente desde la parte inferior donde se enciende hacia la parte superior. Siguiendo la misma concepción general en el horno vertical continuo el apilamiento de ladrillos se va bajando gradualmente de forma de contrarrestar el ascenso vertical del perfil de temperatura manteniendo así un perfil de temperaturas vertical estable en la coordenada z, al tiempo que se carga por encima con piezas verdes secas y se descarga por debajo el producto terminado. El objetivo del presente trabajo es efectuar un análisis comparativo entre ambas tecnologías a efectos de determinar las analogías y diferencias, con vistas a poner en evidencia las ventajas comparativas del horno vertical continuo y definir la estrategia experimental a seguir con el horno prototipo en construcción. 2.0 Materiales y métodos Se modeló el horno clamp industrial en forma tridimensional, fuera de régimen, con los fenómenos de transferencia de calor y transferencia de materia desacoplados con una difusividad térmica variable con la temperatura, una velocidad de 4   

generación de calor por combustión, pérdidas de calor al ambiente por radiación y convección natural [1]. Para caracterizar y modelar el proceso de combustión y los valores de la difusividad térmicas, se realizaron sobre muestras de tamaño comercial verdes con y sin combustible, corridas empleando la técnica de Análisis Térmico Diferencial (ATD) [1]. Se realizaron medidas de temperatura durante la quema en un horno clamp industrial de 30.000 ladrillos con 15 hiladas de altura insertando termopares en la quinta fila, y en la décima fila para verificarla concordancia con el modelo. Se aplicó el referido modelo a una columna de ladrillo de dimensiones similares al horno túnel vertical para estimar la respuesta del sistema en condiciones similares no estacionarias. Se comparó el comportamiento del horno clamp con el del horno túnel vertical en base a información disponible en la bibliografía, de forma de definir los parámetros a considerar en las experiencias durante la puesta en marcha del horno prototipo en construcción y en el modelado del mismo. 3.0 Resultados y discusión Cuando se analiza el funcionamiento de horno clamp mediante un modelo que emplea como parámetros la difusividad térmica, la velocidad de combustión [1] y la proporción de combustible, se obtienen resultados que describen con muy buena precisión el funcionamiento observado en la práctica para este tipo de hornos [1]. La Figura 2 muestra la evolución de los perfiles de temperatura modelados para un caso particular de horno clamp de 2 metros de altura. En el horno clamp se observó que el frente de temperatura avanza de abajo hacia arriba en forma ordenada hilada por hilada con una velocidad aproximada de alrededor de 6 h a 7 h por hilada (ver Fig. 3). Esta velocidad lleva a que en un horno de 15 hiladas (aproximadamente dos metros de altura) tome alrededor de 110 horas en quemarse para luego comenzar el lento proceso de enfriamiento. Adicionalmente puede apreciarse que el frente de combustión avanza en forma marcadamente plana ya que una hilada dada permanece a una temperatura ligeramente superior a la ambiente durante un tiempo relativamente prolongado para luego comenzar rápidamente un aumento de temperatura a una velocidad aproximada entre 50ºC y 90ºC/h para alcanzar un máximo entre 950ºC y 1050ºC. Los resultados del modelo planteado se aproximan de buena manera a los perfiles temperatura-tiempo reales medidos [1]. Se observa que la velocidad de avance del frente de temperatura es controlada primordialmente por el valor de la difusividad térmica del ladrillo aumentando con el valor de la misma.

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(a)

(b)

Figura 2: Perfiles de temperatura temporales (a) y espaciales (b) modelados para un horno clamp industrial de 15 hiladas.

15

10

10

10

altura(hiladas)

altura(hiladas)

15

altura(hiladas)

15

5

0

5

0

0.5

1

1.5 ancho(m)

2

2.5

3

0

 

5

0

0.5

1

1.5 ancho(m)

2

2.5

3

0

 

0

0.5

1

1.5 ancho(m)

2

2.5

3

Figura 3: Representación de la evolución temporal del perfil de temperaturas de un horno clamp de 2 metros de altura (15 hiladas) y 3 metros de ancho empleando el modelo desarrollado.

Cuando se observa el régimen de funcionamiento y el perfil vertical de temperatura informado en la bibliografía para hornos túnel verticales (ver Figura 4), en los cuales se emplea como combustible principalmente carbón, a pesar de las analogías previamente mencionadas se encuentran diferencias relevantes en relación al horno clamp. Normalmente el ciclo total de pasaje del material por el horno túnel vertical es de aproximadamente 24 horas, correspondiendo la extracción de una carga formada por 4 hiladas de ladrillos cada 2 horas. La figura 4 muestra el perfil de temperatura en función del tiempo para una carga a medida que va pasando por el túnel, y simultáneamente el perfil espacial estacionario del túnel, dado que por tratarse de un proceso continuo en estado estacionario los valores de temperatura permanecen constantes para cada distancia z.

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Figura 4: Ejemplo de perfil de temperatura de un horno túnel vertical [9] Cuando se compara el perfil temporal del horno clamp con el del horno túnel vertical, (Figuras 2a y 4) se puede observar que la velocidad de calentamiento de la carga en la etapa de combustión es del mismo orden que en ambos casos (50110ºC/h). A pesar de que los tipos de combustibles y su disposición respecto a la carga no son estrictamente comparables, esta observación indica que a priori no existiría una gran diferencia en la velocidad de combustión. Por otra parte cuando se analiza el perfil espacial se observa una importante diferencia entre ambos procesos. Mientras el perfil de calentamiento asociado a la combustión se extiende aproximadamente 30 cm en altura para el horno clamp, el mismo abarca aproximadamente 2 metros para el horno túnel vertical. Eso significa que para una dada sección de horno una masa sustancialmente mayor de material está en la etapa de combustión en el horno túnel vertical. Esto explica la productividad sustancialmente mayor del horno túnel vertical respecto al clamp. A efectos meramente comparativos, mientras el perfil de temperatura avanza en el horno clamp a razón de aproximadamente 2 cm/h, el régimen de funcionamiento del horno túnel es tal que equivale a que el perfil de temperatura avanzara a aproximadamente 20 cm/h. Por lo tanto, a pesar de que en ambos tipos de procesos, se observan velocidades globales de combustión relativamente similares, deben existir otros factores que habilitan esas importantes diferencias. Si tenemos en cuenta que el funcionamiento del horno clamp está determinado fundamentalmente por la velocidad de combustión y la difusividad térmica del material, en el caso del horno túnel vertical, el efecto de la difusividad térmica debe ser al menos complementado por otros factores a considerar. Si se aplica el modelo desarrollado para el horno clamp a una columna de material de dimensiones similares a la del horno túnel vertical se observa que la velocidad de avance del perfil de temperatura es similar al clamp, confirmando que existen otros parámetros controlando el proceso en el horno túnel vertical. En términos generales algunos aspectos adicionales que deberían ser considerados para el análisis del funcionamiento de horno túnel vertical en comparación con el horno clamp serían los siguientes: proceso en régimen vs. proceso batch, flujo de aire asociado al tiro del horno, densidad de apilamiento del 7   

material, energía almacenada y transferida desde y hacia las paredes internas y aislantes del canal del horno, combustible empleado: efecto del tipo de combustible sólido, tamaño de partícula y disposición respecto a la carga (dentro-fuera de la formulación). Existen en este sentido dos factores que parecen relevantes: el efecto del flujo de aire en contracorriente al flujo de material (tiro) el horno túnel vertical y la presencia de las paredes verticales que constituyen el túnel. El trabajo experimental a efectuar en el horno prototipo en construcción deberá evaluar la relevancia de estos aspectos en el funcionamiento del horno y con el consecuente desarrollo de un modelo que se ajuste a las observaciones experimentales. Si se considera que el flujo de aire es un factor determinante es posible plantear una primera aproximación al modelado del horno túnel vertical, unidimensional y en estado estacionario, que incluya exclusivamente el calor generado por la combustión de combustible y el efecto de transferencia de calor entre el material y el aire correspondiente al tiro en contracorriente. Esta conduce a un sistema de dos ecuaciones diferenciales acopladas de las cuales se puede derivar los perfiles de temperatura en el material y en el aire para cada distancia en el canal. Ese modelo deberá ser mejorado o replanteado con la incorporación de los efectos de la difusividad térmica del material, la transferencia de calor a las paredes, la resolución tridimensional, entre otros, en la medida que los datos experimentales obtenidos con el horno prototipo lo justifiquen.

4.0 Conclusiones La adaptación de la tecnología de horno túnel vertical a las condiciones locales, v.g., tipo de combustible y características de las materias primas, puede habilitar al logro de varios ventajas para la producción de cerámica roja en general, y ladrillo de campo en particular. El horno vertical continuo permite lograr una producción muy superior por m2 de sección de horno a la que sería de esperar en función de la velocidad de avance del perfil del horno clamp. Eso debe sumarse a una eficiencia energética superior para el horno túnel vertical (continuo sin carga muerta vs. batch), y a la posibilidad de permitir obtener una adecuada homogeneidad en la sección horizontal de la carga debido a las dimensiones y características del horno. No menos importante es la capacidad de maniobra que ofrece ya que a través de la regulación de parámetros como el tiro de aire o la velocidad de descarga pueden ajustar las condiciones de sinterizado en tiempo real. La mayor productividad del horno túnel vertical por unidad de sección respecto al horno clamp está asociada a un desarrollo más extendido en altura del perfil de cocción, que hace que al mismo tiempo se esté dando el proceso de combustión en una mayor altura de carga. Eso no implica en principio que la velocidad de combustión global deba ser mayor, aunque este puede ser otro factor a regular, sobre todo si se desea controlar la combustión en diferentes etapas de sinterizado de la pieza cerámica. La alta eficiencia energética del horno vertical está asociada a la posibilidad de emplear en forma continua el calor de enfriamiento y combustión de ciertas piezas del material en proceso para precalentar las siguientes, en donde el tiro de aire en 8   

contracorriente debe constituir un factor importante para el control del proceso. Otros factores como la presencia de las paredes estancas del canal pueden tener efectos significativos sobre el control del proceso. La construcción de un horno prototipo de estas características permitirá evaluar el efecto de los diferentes factores sobre su funcionamiento y buscar su adaptación a los tipos de combustible y demás condiciones locales. En base a ello se podrá efectuar un modelado que tenga en cuenta el efecto de los parámetros relevantes, de forma describir su funcionamiento y predecir su comportamiento en diferentes condiciones con vistas su control y optimización. Referencias [1] C. Rodríguez Emmenegger, G. Sánchez, A. Bologna Alles, “3-D Modelling of an Industrial Clamp Furnace for Handmade Bricks” - Z.I. Ziegelindustrie Internacional, 12, 2007, 14-23. [2] ASTM C216 – Standard Specification for Facing Brick (Solid Masonry Units Made from Clay or Shale). [3] J. C. Flores Pimentel, “Variables de diseño de hornos de ladrillo con geometría cilíndrica y cuadrada”- Tesis de Maestría – Departamento de Ingeniería Química – Celaya, México – Marzo, 2000. [4] E. Robusté, “El horno túnel al alcance del ceramista y del ladrillero” – Ediciones Ceac, Barcelona, España, 1969, 330p. [5] F. Singer, S. Singer, “Cerámica Industrial – Vol. II”, Urmo S.A. de Ediciones, Bilbao, 1976, 485 p. [6] “Brick by Brick: The Herculean Task of Cleaning up the Asian Brick Industry” – Swish Agency for Development and Cooperation – Natural Resources and Environment Division, Berne, 1st Edition, February 2008. [7] S. Maithel, N. Vasudevan, R. Johri, “Status Report on VSBK in India” – TERI – Indian Habitat Centre – New Delhi – India, February 2003. [8] “India - VSBK (Carbon Finance) Cluster Project” - Report N°35364 – The World Bank. [9] “Stack & Energy Monitoring of Pilot Demonstration Vertical Shaft Brick Kilns in Katmandu Valley – Nepal” – Final Report- Institute of Environmental Management – Kathmandu – Nepal – May, June 2003 – IEM Project Reference N° ES-1/47/003 and 004. [10] G. B. Bonjara, V. Prokosh, P. Shrestha, T. Penzom - “Economic Analysis of Brick Industry in Katmandu Valley submitted to Vertical Shaft Brick Kiln Technology Transfer Program in collaboration with Swiss Agency for Development and Cooperation” , March 2004. [11] “Vertical Shaft Brick Kiln Technology: Potentials and Limits” - International VSBK Conference – 2004 – Nepal – Conference Proceedings , April 2004. [12] “Evaluación de los modelos de hornos para ladrilleras artesanales” – Programa Regional de Aire Limpio – Boletín N°24 – Swisscontact – Perú, Diciembre 2006. [13] F. Paricahua Haunca, R. Guzmán, J. Bickel, G. Gálvez., E. Talavera, S. Tapia – “Horno Vertical Ecológico para la fabricación de ladrillos de arcilla cocida” – 9th CIASEM, Cuzco, Perú, September 2007 – Acta Microscopica , 16, 2007, 213. [14] F. Paricahua Huanca, “Informe Final Afinamiento Tecnológico del Horno Vertical 9   

Ecológico” – Socabaya – Arequipa, Perú – Setiembre, 2008. [15] http://ladrillo.wordpress.com/horno-ecologico-vertical/ [16] http://ladrillo.wordpress.com/category/technogia/ [17] V. Fernández, G. Sánchez, A. Bologna Alles, “Surface Color in Hand Manufactured Industrial Bricks” –- Z.I. Ziegelindustrie International, 1-2, 2005, 12-20. Gustavo Sánchez es Ingeniero Químico, Magister en Udelar y Doctor en cotutela Udelar – Universidad de Limoges (Francia) en materiales cerámicos. Sus áreas de interés son: cerámica tradicional y técnica, películas delgadas para aplicaciones biomédicas, electrónicas y sensores. Se ha desempeñado en la industria cerámica. Actualmente es profesor agregado del Departamento de Ingeniería de Materiales del Instituto de Ingeniería Química de Facultad de Ingeniería.

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