Sistemas de vagonetas de horno túnel energéticamente eficientes en la industria de la arcilla pesada

Dr. Volker Hesse, D-Melle/Buer

En la industria del ladrillo de arcilla, el desarrollo de los sistemas de vagonetas de horno túnel ha sido siempre un tema importante para los fabricantes de ladrillos de arcilla y tejas. Este artículo presenta algunas reflexiones sobre este tema de Burton-Werke, un proveedor de sistemas de vagonetas de horno túnel para la mayoría de las fábricas de ladrillos y tejas de Alemania.

Desde la perspectiva del desarrollo general de la tecnología de cocción, la tendencia es hacia equipos de cocción automatizados para satisfacer la creciente demanda de productos de arcilla, con una preparación de materias primas más precisa y cuerpos más uniformes. Esto incluye hornos de rodillos, hornos Monker, tecnología de alta frecuencia, etc.

Sin embargo, junto con estos desarrollos, el horno túnel tradicional ciertamente conservará su lugar, y ha evolucionado en muchos aspectos, no solo en los componentes de cocción.

Antes de decidir una tecnología de cocción específica, generalmente se realiza un análisis de coste-beneficio, teniendo en cuenta los productos necesarios y las materias primas a utilizar.

Con respecto al desarrollo de las vagonetas de horno túnel, se pueden destacar los siguientes aspectos que merecen especial atención.

Visión general de las vagonetas de horno túnel

Esto involucra no solo cálculos técnicos y económicos, sino también las expectativas del usuario. Para un proveedor de sistemas, la tarea no es seleccionar una solución estándar u otra, sino crear una solución para el usuario que cumpla con sus requisitos, se alinee con sus propias consideraciones y satisfaga sus necesidades finales.

Sin embargo, independientemente de lo anterior, los siguientes criterios generales para seleccionar un sistema de horno túnel se utilizan comúnmente, principalmente por razones de coste.

Factores de coste en la operación de vagonetas de horno túnel

• Desgaste (depreciación)

• Consumo de energía

• Esfuerzo de mantenimiento y limpieza

• Reparación

Al analizar los factores de consumo, es fácil ver que el consumo de energía de una vagoneta de horno túnel es un factor importante, pero está lejos de ser el único principio para decidir un sistema específico de vagonetas. La vagoneta es un componente estructural de todo el sistema de horno y está sometida a cargas significativas. Si este componente estructural se considera un sistema independiente, primero deben examinarse sus respectivas funciones.

Funciones objetivo de un sistema de vagonetas de horno túnel

• Buena calidad del producto

• Consumo mínimo de energía debido a la reducción de peso y al aislamiento térmico (almacenamiento y transferencia de calor)

• Resistencia química a la atmósfera del horno túnel y a los medios energéticos en condiciones de cocción

• Estabilidad térmica (bajo choque térmico y caídas bruscas de temperatura)

• Resistencia mecánica (influenciada por factores humanos)

• Estabilidad dimensional (intercambiabilidad de los componentes refractarios, afectada por la expansión reversible)

• Facilidad de mantenimiento y reparación (reemplazo de piezas de desgaste)

• Bajos costes de inversión y mantenimiento (tiempo de mantenimiento corto)

• Larga vida útil

De la tabla se desprende claramente que no se puede alcanzar la perfección, pero es fácil maximizar el cumplimiento de las funciones objetivo de la vagoneta descuidando funciones secundarias. Si se reduce drásticamente el peso de la vagoneta, la estabilidad mecánica del sistema disminuye inevitablemente, lo que puede mejorarse utilizando materiales de mayor calidad, pero esto aumenta los costes de depreciación y los riesgos de mantenimiento.

Aunque lo anterior no es fundamentalmente nuevo, debe tenerse firmemente en cuenta al tomar decisiones relevantes. Porque cuando se establece el factor prioritario “ahorro de energía” para la vagoneta de horno túnel, no deben pasarse por alto otras funciones igualmente importantes.

Figura 1 Bloques en U de esquina de dos capas, pilares huecos y varios métodos de aislamiento con columnas y paneles protectores (para cocción lateral, por ejemplo, cocción de tejas en una sola capa), paneles protectores delgados

Hoy en día, se utilizan hasta 15 materiales diferentes en los sistemas de vagonetas de horno túnel, que van desde diversos materiales especiales con resistencia al choque térmico hasta hormigones y morteros refractarios, diversos materiales fibrosos y cerámicas de alto rendimiento a base de mullita y carburo de silicio. Dado que ningún fabricante produce todos estos materiales por sí mismo, el usuario suele recibir una solución completa de una sola fuente, que puede proporcionar la misma garantía y servicio. En la etapa de diseño, la combinación de diferentes materiales juega un papel muy importante.

En el diseño de una vagoneta de horno túnel, los objetivos básicos son tres: el perímetro de la vagoneta, el revestimiento de la vagoneta y la estructura de soporte o los muebles de horno para la colocación de los ladrillos.

Por ejemplo, para una vagoneta de tamaño 7×6 m, el área del perímetro representa el 10%, el área de la estructura de soporte el 5% y el área del revestimiento el 85%. Esto es común en los diseños modernos de vagonetas.

En los últimos años, con el continuo desarrollo de la tecnología de cocción, especialmente en la selección de materiales, las proporciones de cada una de las partes anteriores han ido cambiando. Se observa una tendencia: los materiales que ya han tenido éxito en el sector de la cerámica fina se están aplicando cada vez más también en la industria del ladrillo de arcilla (como se muestra en la Figura 1).

Desarrollo de la estructura del perímetro de la vagoneta de horno túnel

El perímetro de una vagoneta de horno túnel cumple principalmente las siguientes funciones:

• Sellado laberíntico (¡dependiente de la estabilidad dimensional!)

• Protección mecánica del revestimiento de la vagoneta

• Protección del chasis de la vagoneta contra los efectos de la temperatura

Para ello, se requieren las siguientes propiedades:

• Estabilidad dimensional

• Resistencia en estado frío y caliente

• Resistencia al choque térmico o a los cambios de temperatura

Desde un punto de vista técnico, se requieren bloques de hormigón refractario ligero para lograr estas funciones. Bloques extruidos de gran formato a base de cordierita y bloques prensados en seco de gran formato también a base de cordierita – cada solución posible tiene sus ventajas e inconvenientes. Los bloques grandes prensados en seco para el perímetro de la vagoneta se analizan con más detalle a continuación.

Este tipo de bloque tiene una serie de ventajas importantes, como una alta estabilidad dimensional, que elimina la necesidad de un procesamiento secundario de los bloques. Con las tecnologías actuales de materias primas y producción, su composición mineral definida puede obtenerse más fácilmente.

En los hornos modernos, el ciclo de empuje de las vagonetas es cada vez más corto, lo que hace que la resistencia al choque térmico de los materiales sea cada vez más importante. Burcclight 12/25H, un material desarrollado recientemente, cumple plenamente con estos requisitos.

Los resultados de las pruebas para este material son los siguientes:

Es evidente que este material tiene una densidad aparente más alta que los bloques refractarios ligeros tradicionales, pero en comparación se puede utilizar para fabricar productos más grandes y bloques entrelazados más delgados con resistencia al choque térmico. Aunque el peso del perímetro de la vagoneta fabricado con material Burcclight difiere significativamente del que utiliza refractarios ligeros, su resistencia al choque térmico y su facilidad de montaje mejoran enormemente.

Incluso en una fábrica de ladrillos moderna y totalmente automatizada, el perímetro de la vagoneta de horno túnel está sometido a altas tensiones térmicas y mecánicas. Además de exigir una alta durabilidad del material, es aún más importante que cuando una pieza del perímetro se daña, pueda reemplazarse rápidamente. Por esta razón, los bloques del perímetro no se pegan ni se colocan con mortero, sino que se colocan en seco, con conexiones únicamente mediante enclavamiento mecánico dentado – lo que obviamente es un método muy bueno.

Naturalmente, esto requiere una cierta precisión dimensional de los bloques. Normalmente, solo el prensado en seco puede producir bloques dimensionalmente estables; de lo contrario, la precisión dimensional solo puede lograrse mediante un procesamiento secundario.

Progreso en los materiales de revestimiento de vagonetas de horno túnel

La función de un revestimiento moderno de vagoneta de horno túnel es el aislamiento térmico, mientras que la carga generalmente es soportada por el chasis metálico de la vagoneta. Esta función determina la elección de los materiales: casi exclusivamente materiales ligeros y altamente aislantes. Los primeros en mencionar aquí son las fibras cerámicas, ahora disponibles en calidades listas para usar. Por razones económicas, dependiendo de la temperatura de servicio, estas fibras pueden reemplazarse por hormigón ligero o varios áridos, como sílice, chamota ligera, pumita, etc. Cabe señalar que estos materiales aislantes no pueden exponerse directamente a la llama; deben estar protegidos por un recubrimiento superficial adecuado, por ejemplo, un panel delgado resistente al choque térmico. Aunque esto aumenta ligeramente el peso de la vagoneta, este método evita la corrosión del material aislante, especialmente en hornos de cocción lateral. Además, una capa superficial dura es necesaria para la limpieza eficaz de la plataforma de la vagoneta, que puede ser un factor significativo que cause desgaste severo, polvo, arena y accidentes. Hoy ya es posible producir paneles protectores de 10 cm de espesor y dimensiones de 500×600 mm.

A medida que aumenta el nivel de automatización en las fábricas de ladrillos modernas y disminuye el número de operadores, los problemas relacionados con los paneles protectores de los hornos túnel disminuyen. Sin embargo, en la práctica vemos a menudo que las capas de cobertura utilizadas en muchos casos se refuerzan posteriormente y se colocan sobre las columnas de la vagoneta para facilitar la carga y descarga. Este es también un ejemplo típico de la grave divergencia entre el ahorro de energía y el mantenimiento según los requisitos de producción.

Comparación de propiedades de diferentes materiales de revestimiento aislante para vagonetas:

Otro ejemplo es la colocación de protecciones delantera y trasera en el chasis de la vagoneta. Estas protecciones son innecesarias cuando el ciclo de empuje es de 10 horas o menos. Si, por razones de proceso, la vagoneta debe permanecer en el horno túnel (por ejemplo, después de un derrumbe o una velocidad de empuje reducida), la ventaja de esta protección es mantener más fría la parte inferior de la vagoneta. El uso de este método es, en última instancia, una decisión del usuario.

Progreso en las estructuras de soporte de las vagonetas

La función de la estructura de columnas es soportar todas las cargas de los productos y los muebles de horno durante la cocción y transferir las fuerzas al chasis metálico de la vagoneta. Esto requiere valores relativamente altos de resistencia en frío y en caliente, así como resistencia a la compresión y a la flexión, y cierto comportamiento de deformación a la temperatura de servicio. Además, el peso de los componentes refractarios debe minimizarse. Por esta razón, la mayoría de los componentes de la vagoneta están sometidos a las mayores tensiones. Naturalmente, la estructura de columnas debe diseñarse estrictamente de acuerdo con la carga y la temperatura de cocción. Sin embargo, el análisis de proyectos recientes de sistemas de vagonetas muestra un alejamiento creciente de los sistemas refractarios tradicionales, es decir, sistemas que consisten en conductos de humos especiales, soportes transversales altos, columnas especiales con paneles perforados (llamados “Bensen”), y muebles de horno colocados sobre losas especialmente moldeadas soportadas por columnas centrales. De hecho, en la producción de adoquines de clínker, ya se han adoptado sistemas más delgados y refinados, que utilizan columnas extruidas sobre las que se pueden colocar ladrillos o losas de gran formato que soportan carga, o estructuras de vigas. La Figura 2 muestra un ejemplo de dicho sistema.

Figura 2

Estos sistemas refinados ya no utilizan materiales refractarios de arcilla tradicionales. Por esta razón, la arcilla se tritura hasta un tamaño de grano de 0–0,2 mm, luego se moldea por colada, se prensa en gránulos o se extruye en formas, y dichos materiales todavía se utilizan. Esto también concierne a la tecnología de producción de componentes refractarios de alta calidad con requisitos especiales. En esta área, se están introduciendo continuamente materiales de alto rendimiento: materiales a base de carburo de silicio ligado con nitruro de mullita, carburo de silicio recristalizado y carburo de silicio infiltrado con silicio. Estos materiales tienen valores de resistencia muy altos, lo que permite una reducción significativa en el espesor de los componentes cerámicos y, por lo tanto, una marcada reducción en el peso de los componentes refractarios. Con la ayuda de hornos avanzados de cocción lateral que utilizan quemadores de alta velocidad, la altura de apilado puede reducirse continuamente hasta la cocción en una sola capa, y las estructuras de soporte correspondientes (muebles de horno) se desarrollarán aún más. Debido a la reducción de peso de los componentes refractarios, se puede lograr una estabilidad mecánica adecuada contra desplazamientos y vibraciones mediante uniones de cola de milano, enclavamientos o uniones atornilladas inteligentes, como listones de bloqueo, tapas, varillas y restricciones estrictas de tolerancias de los componentes.

Esto también ha estimulado en gran medida la demanda de niveles más altos de tecnología de producción por parte de los fabricantes de productos refractarios. Para tales productos, la tolerancia dimensional permitida es de 1 mm, lo que representa el estado del arte. Los requisitos previos para cumplir con los requisitos anteriores son la producción de productos dimensionalmente precisos utilizando materias primas de alta calidad; el desarrollo de herramientas de prensado avanzadas, como prensas hidráulicas programables con moldes de múltiples etapas; y el control preciso de las cámaras de secado y los hornos.

En algunos casos, al diseñar vagonetas con combinaciones de los diversos materiales mencionados anteriormente, se debe prestar atención a la gran variación en las propiedades físicas, lo cual es decisivo para el funcionamiento continuo y sin problemas del sistema de vagonetas de horno túnel. Por lo tanto, mientras que los diseños anteriores de vagonetas se basaban principalmente en valores numéricos, hoy en día los cálculos del rendimiento energético, mecánico y térmico durante la producción de cada componente juegan un papel cada vez más importante. La Figura 3 muestra un diseño de carga óptimo logrado mediante cálculos estructurales y térmicos.

Figura 3

Comparación de la expansión térmica reversible de materiales estructurales seleccionados

Esto muestra la importancia de las propiedades físicas de los materiales en el diseño de las vagonetas. Por ejemplo, al considerar la expansión térmica reversible de los materiales, el análisis del coeficiente de expansión térmica muestra que los valores varían mucho en algunos casos. Si esto se pasa por alto, inevitablemente conducirá a consecuencias perjudiciales para el sistema de vagonetas.

Conclusión

Un sistema de vagonetas de horno túnel está siempre vinculado al usuario y al producto. Conocer los futuros parámetros de proceso de la planta, como la temperatura de cocción, el ciclo de cocción y la atmósfera del horno, y tener en cuenta diversas condiciones de producción en la etapa de diseño, es esencial para hacer la elección correcta y prolongar la vida útil del sistema. Solo así se pueden evitar factores adversos y consumos innecesarios, y optimizar el sistema.

El Dr. Volker Hesse es Subdirector Técnico de Burton-Werke, Melle/Buer

Fuente del artículo

Este artículo fue escrito por el autor Dr. Volker Hesse y publicado originalmente en International Brick and Tile Industry (ZI-China Issue), 1996–1998, edición combinada en chino, Bauverlag GmbH. Se publica aquí solo con fines de aprendizaje y referencia. Los derechos de autor pertenecen al autor original y al editor original.

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