La palabra inglesa kiln, derivada del antiguo inglés cyln, y el término furnace se utilizan a menudo indistintamente para referirse a un tipo de horno que se calienta a temperaturas muy altas en un proceso conocido como cocción o calcinación.
Según la definición estricta, la diferencia es que un horno cerámico se carga en frío y después se calienta, mientras que un horno industrial se calienta primero y solo después se introduce el material.
En la industria, esto significa que los hornos cerámicos se asocian sobre todo con la cerámica y los procesos cerámicos, por ejemplo con el tratamiento térmico de materias primas antes de utilizarlas en un producto final. Un ejemplo es la cocción de piedra caliza, sílex, bauxita u otros minerales para provocar un cambio químico; este cambio se denomina calcinación. En cerámica, los componentes de un esmalte deben calentarse para que formen una especie de vidrio, llamado frita. Las fritas de vidrio resultantes se muelen después hasta obtener un polvo fino y se añaden a óxidos coloreados para producir esmaltes. También en otros procesos relacionados, como la fabricación de cemento, la instalación se denomina horno. Algunos procesos de secado a temperaturas más bajas también se consideran a veces procesos de horno, por ejemplo el secado de madera en un recinto cerrado y calefactado.
Los hornos industriales, en cambio, suelen vincularse a una rama de la metalurgia. En el procesamiento del hierro y el acero se habla a menudo de alto horno u horno Siemens-Martin; en las fundiciones se utilizan muchos hornos de inducción y hornos de tratamiento térmico, por ejemplo para el recocido.
Cerámica y alfarería
La producción de cerámica y alfarería abarca una amplia gama de productos. Entre ellos se incluyen los llamados productos cerámicos bastos, como ladrillos de construcción comunes, cerámica sanitaria, tejas y baldosas, así como cerámica fina, como vajillas y figuras decorativas. Todos estos productos se basan en arcilla en alguna forma, mezclada con otros minerales, y todos se cuecen en un horno. La mayoría de los hornos para decoración con esmalte y oro son hornos eléctricos.
Vidrio
El vidrio en su forma más conocida, el vidrio plano, se fabrica haciendo flotar vidrio fundido sobre un baño de estaño líquido dentro de un horno. Se requiere más destreza artesanal en el caso de los artesanos que elaboran jarrones y otras formas mediante soplado de vidrio. En este caso, el vidrio fundido se mantiene caliente en un tipo especial de horno denominado horno de recalentamiento o glory hole, y el soplador introduce la caña en la masa de vidrio líquida antes de empezar a soplar la forma.
Tipos de hornos cerámicos
La primera clasificación que podemos hacer es la distinción entre hornos intermitentes y hornos continuos. En un horno intermitente, los materiales o productos se colocan en la cámara de cocción y el horno recorre después un ciclo de cocción de calentamiento y enfriamiento, tras el cual se extraen las piezas acabadas. En un horno continuo, la zona de cocción se mantiene permanentemente a la temperatura deseada y los productos pasan por ella de forma continua.
Hornos intermitentes
Los hornos intermitentes existen en muchas configuraciones constructivas; aquí veremos algunas de ellas. A pequeña escala se utilizan hornos sencillos con solera fija y una puerta similar a la de un horno, en los que el operario carga el horno al inicio del proceso y lo descarga al final. Dentro del horno puede haber placas, llamadas placas de horno, y el conjunto completo de placas y soportes se denomina mobiliario refractario de horno. La mayoría de estos hornos pequeños son hornos de tiro ascendente. Muchos ceramistas utilizan hornos de carga superior, que tienen la ventaja de ocupar menos espacio que otros tipos.
Hornos raku
En la cerámica de estudio también son populares los hornos raku. A diferencia de los hornos tradicionales, se utilizan para aplicar recubrimientos o acabados superficiales a alta temperatura sobre las piezas y enfriarlas después muy rápidamente.
A mayor escala se utilizan hornos de vagonetas, con una o varias vagonetas de horno. Estas pueden cargarse fuera del horno y después introducirse, normalmente sobre raíles. Este tipo de hornos de vagonetas fue durante muchos años un equipo estándar en la industria cerámica. Una alternativa es una solera fija en la que la propia cámara de calentamiento del horno de vagonetas se desplaza lateralmente o hacia arriba. Estos hornos se denominan, respectivamente, hornos de campana móvil y hornos tipo top-hat. Para calcinar materias primas se utiliza a menudo un horno de cuba, en el que el material se apila por capas, alternado con combustible, carbón o coque. El horno se carga desde la parte superior y el material terminado se extrae por la parte inferior.
Combustibles para hornos
Aunque los hornos pueden calentarse con distintos combustibles, desde electricidad, gas natural, gas ciudad, fuelóleo pesado, carbón, coque hasta madera, los hornos modernos alcanzan temperaturas elevadas sobre todo con electricidad o gas. La mayoría de los hornos cerámicos actuales son de gas o eléctricos, pero históricamente existía otro tipo de horno intermitente que utilizaba carbón y madera como combustible y se denominaba horno botella. El carbón se quemaba en la cámara de combustión junto con los productos; estos debían colocarse en cajas de arcilla, llamadas saggars, para protegerlos de la atmósfera contaminada del carbón en combustión. Un pequeño número de estos hornos se ha conservado como patrimonio y se enciende ocasionalmente con fines educativos. En el pasado también existía un método para cocer ladrillos en el que una serie de cámaras de combustión se disponía en círculo. Estas cámaras, también alimentadas con carbón, se cocían sucesivamente, de modo que parte del calor de una cámara se utilizaba para cocer la siguiente. Eran los hornos Hoffmann.
Los hornos alimentados con carbón y madera provocan un nivel inaceptable de contaminación atmosférica.
Hornos continuos
En un horno continuo, la zona de cocción se mantiene permanentemente a alta temperatura y los productos pasan a través de ella. Un método habitual es utilizar una cinta transportadora que lleva los productos por el horno durante un tiempo predeterminado; en las llamadas baldosas y azulejos de cocción rápida, un tiempo de paso típico sería de una a dos horas. Una solución más tradicional es el uso de un horno túnel, en el que las vagonetas de horno se desplazan continuamente por el túnel. El tiempo de paso puede ser de 12 horas, o incluso de 24 horas para una sola vagoneta. La desventaja de este sistema, como cabe imaginar, es que debe haber vagonetas disponibles constantemente para su carga. Normalmente se prepara durante el día una reserva de vagonetas y se utiliza por la noche. Otra desventaja es que el personal del horno debe estar presente de forma continua, 24 horas al día, 7 días a la semana. En el tratamiento térmico de materias primas, esto equivale al uso de un horno rotativo, en el que la zona de calentamiento consiste en un tambor giratorio con quemadores en el centro. El material puede avanzar por el tambor inclinado y caer repetidamente a través de la llama de calentamiento.
Algunas temperaturas habituales en cerámica.
- Cocción de bizcocho de gres – 1120 °C
- Cocción de esmalte de gres – 1060 °C
- Porcelana – 1200 °C
- Esmalte a la sal – 1250 °C
- Porcelana de hueso – 1300 °C
- Decoración con oro, también llamada dorado – 800 °C
- Colores de esmalte con base vítrea – 500 °C
Materiales de construcción
Se prefieren sobre todo materiales ligeros (ladrillos aislantes y fibra cerámica), para reducir el tiempo de enfriamiento del horno después de la cocción. El ladrillo aislante clase 26 es el más utilizado en combinación con el mortero refractario Vitset 45. Esto no se aplica, por supuesto, a un horno túnel, donde la temperatura se mantiene constante y las vagonetas atraviesan el horno; estos hornos suelen estar revestidos con ladrillos refractarios densos, por ejemplo ladrillos refractarios de chamota aluminosa con 42 % de Al₂O₃.
Es importante que los materiales utilizados en hornos cerámicos (revestimientos de horno) tengan un bajo contenido en hierro, ya que los productos muy a menudo son blancos y la contaminación por hierro, en combinación con la cerámica cocida, puede provocar manchas negras o verdes. La fibra cerámica también debe protegerse con un recubrimiento refractario de zirconio, para evitar que fibras sueltas caigan sobre los productos; esto resulta especialmente perjudicial en productos esmaltados.
En algunas aplicaciones es importante la resistencia al choque térmico. Esta se ensaya calentando probetas y sumergiéndolas después en agua fría. El procedimiento se repite a temperaturas cada vez más altas hasta que la pieza se agrieta o se desintegra. La cerámica esmaltada suele ser un 40 % más resistente que la cerámica sin esmaltar y, por ello, presenta una mayor resistencia al choque térmico.
Esmalte a la sal y hornos de soda
En el proceso de esmaltado a la sal, los productos de arcilla se cuecen de la forma habitual, pero cuando el horno alcanza la temperatura máxima, se introduce sal en el horno a través de una abertura superior. La temperatura hace que la sal se evapore y forme una capa brillante sobre los productos. En este proceso, la sal es muy agresiva y los materiales refractarios son sensibles al ataque de los cloruros. Peter Meanley, en Irlanda, ha realizado trabajos que demuestran que los ladrillos pueden protegerse si se tratan con Silcas -A antes del primer uso en esmaltado a la sal. El proceso en un horno de soda es muy similar, pero utiliza bicarbonato sódico en lugar de cloruro sódico.
Otros hornos y hornos especiales
Horno de secado de madera
El secado de la madera dura.
Cuando la madera aserrada se obtiene por primera vez de un árbol talado, tiene un alto contenido de humedad. Por ello, la madera debe secarse primero en cámaras de secado.
El secado de la madera se acelera a menudo calentándola en un tipo determinado de horno de secado, de modo que el contenido de humedad se reduzca por debajo del 25 %. Esto es aplicable al uso de combustible en una barbacoa, en un horno de pizza de leña o incluso en una estufa de leña o chimenea doméstica. La madera tratada de esta manera se denomina leña secada en horno.
Formas de regular y controlar las temperaturas en el horno
Horno eléctrico
Los hornos eléctricos modernos suelen estar equipados con un controlador digital programable que supervisa las temperaturas mediante un termopar y controla el proceso de cocción según un programa preestablecido con una fase de precalentamiento, subida de temperatura y tiempo de mantenimiento a la temperatura máxima.
En un horno eléctrico, una versión más sencilla de este sistema se parece más a un termostato y se denomina kiln sitter. Solo conecta y desconecta la alimentación para alcanzar el valor ajustado.
Hornos de gas
Los hornos de gas cuentan con equipos similares, pero ahora los instrumentos eléctricos deben accionar válvulas de gas y controlar tanto presiones como temperaturas. En los hornos de gas es importante medir el nivel de oxígeno dentro del horno. Si el nivel es demasiado bajo, el gas no quemará correctamente; si es demasiado alto, el horno se enfriará antes de tiempo. Un horno de gas suele calentarse con una ligera sobrepresión interior de 0,25–0,5 Pa respecto a la atmósfera exterior. Así se garantiza que el calor salga del horno hacia el exterior, en lugar de que entre aire frío en el horno.
Antes de la llegada de la instrumentación moderna, se utilizaba un método en el que se prensaba un anillo a partir de una masa cerámica con propiedades de contracción conocidas. Durante la cocción se iban extrayendo algunos de estos anillos del horno de forma sucesiva, hasta comprobar que habían contraído hasta el tamaño correcto.
