Horno

Un horno es una cámara con aislamiento térmico, un tipo de estufa , que produce temperaturas suficientes para completar algún proceso, como el endurecimiento, el secado o las transformaciones químicas . Los hornos se han utilizado durante milenios para convertir objetos de arcilla en cerámica , tejas y ladrillos . Diversas industrias utilizan hornos rotatorios para el procesamiento pirometalúrgico (para calcinar minerales, como la piedra caliza para obtener cal para cemento ) y para transformar muchos otros materiales.

Según el Oxford English Dictionary , kiln deriva de las palabras cyline, cylene, cyln(e) en inglés antiguo , que a su vez derivan del latín culina ('cocina'). En inglés medio , la palabra está atestiguada como kulne, kyllne, kilne, kiln, kylle, kyll, kil, kill, keele, kiele. ^{[ 1 ] [ 2 ]} En griego, la palabra καίειν, kaiein , significa 'quemar'.

La palabra «kiln» se pronunciaba originalmente «kil», con la «n» muda, como se indica en el Diccionario Webster de 1828 ^{[ 3 ]} y en English Words as Spoken and Written for Upper Grades de James A. Bowen, 1900: «El dígrafo ln, n muda, aparece en kiln. Una caída en el horno puede matarte». ^{[ 4 ]} Bowen señalaba que «kill» y «kiln» son homófonos . ^{[ 5 ]}

La cerámica cocida en foso se produjo durante miles de años antes del horno más antiguo conocido, que data de alrededor del 6000 a. C. y fue encontrado en el sitio de Yarim Tepe en el actual Irak . ^{[ 6 ]} Los hornos neolíticos podían producir temperaturas superiores a 900  °C (1652  °F). ^{[ 7 ]} Entre sus usos se incluyen:

• Recocido , fusión y deformación del vidrio , o fusión de pinturas de óxido metálico a la superficie del vidrio.
• Tratamiento térmico para piezas metálicas
• Cerámica
• Fábrica de ladrillos
• Fundición de metal para fundición
• Calcinación del mineral en un horno rotatorio antes de la fundición.
• Pirólisis de materiales químicos
• Calentamiento de la piedra caliza con arcilla en la fabricación de cemento Portland , el horno de cemento
• Calentar la piedra caliza para hacer cal viva u óxido de calcio , el horno de cal
• Calentar el yeso para hacer yeso de París.
• Para cremación (a alta temperatura)
• Secado de hojas de tabaco
• Secado de cebada malteada para la elaboración de cerveza y otras fermentaciones.
• Secado del lúpulo para la elaboración de cerveza (conocido como horno de lúpulo o secadero ).
• Secado de maíz (grano) antes de molerlo o almacenarlo, a veces llamado horno de maíz, horno de secado de maíz ^{[ 8 ]}
• Secado de la madera verde para que pueda utilizarse inmediatamente.
• Secado de madera para usarla como leña.
• Calentar la madera hasta el punto de pirólisis para producir carbón vegetal.
• Extracción de alquitrán de pino de troncos o raíces de pino

Los hornos son esenciales para la fabricación de casi todos los tipos de cerámica . La cerámica requiere altas temperaturas para que se produzcan reacciones químicas y físicas que alteren permanentemente la masa sin cocer. En el caso de la alfarería, los materiales de arcilla se moldean, se secan y luego se cuecen en un horno. Las características finales están determinadas por la composición y la preparación de la arcilla y la temperatura de cocción. Tras una primera cocción, se pueden aplicar esmaltes y la pieza se cuece una segunda vez para fusionar el esmalte con la masa. Una tercera cocción a menor temperatura puede ser necesaria para fijar la decoración sobre el esmalte. Los hornos modernos suelen contar con sofisticados sistemas de control electrónico, aunque también se utilizan con frecuencia dispositivos pirométricos .

La arcilla se compone de partículas de grano fino, relativamente débiles y porosas. Se combina con otros minerales para crear una pasta maleable. El proceso de cocción incluye la sinterización , que calienta la arcilla hasta que las partículas se funden parcialmente y se fusionan, creando una masa compacta y resistente, compuesta por una fase vítrea con poros y material cristalino. Durante la cocción, los poros se reducen de tamaño, lo que provoca una ligera contracción del material.

En términos generales, existen dos tipos de hornos: intermitentes y continuos, ambos consistentes en una caja aislante con temperatura y atmósfera internas controladas.

Un horno continuo , a veces llamado horno túnel , es largo y solo la parte central se calienta directamente. Desde la entrada fría, las piezas se mueven lentamente a través del horno, y su temperatura aumenta progresivamente a medida que se acercan a la parte central, la más caliente. A medida que avanzan por el horno, la temperatura disminuye hasta que las piezas salen casi a temperatura ambiente. Un horno continuo es energéticamente eficiente, ya que el calor que se desprende durante el enfriamiento se recicla para precalentar las piezas que ingresan. En algunos diseños, las piezas permanecen en un lugar fijo mientras la zona de calentamiento se desplaza sobre ellas. Los hornos de este tipo incluyen:

• Horno Hoffmann
• Horno de trinchera de Bull
• Horno Habla (en zigzag)
• Horno de rodillos: Un tipo especial de horno, común en la fabricación de vajillas y azulejos, es el horno de solera de rodillos , en el que las piezas colocadas sobre bases se transportan a través del horno mediante rodillos.

En el horno intermitente , la pieza se coloca dentro del horno, este se cierra y la temperatura interna aumenta según un programa preestablecido. Una vez finalizada la cocción, tanto el horno como la pieza se enfrían. Se retira la pieza, se limpia el horno y comienza el siguiente ciclo. Los hornos de este tipo incluyen: ^{[ 9 ]}

• horno de abrazadera
• Horno de Skove
• horno escocés
• Horno de tiro descendente
• Hornos de lanzadera: se trata de un horno con fondo de carro y una puerta en uno o ambos extremos. Los quemadores se ubican en la parte superior e inferior de cada lado, creando un flujo de aire circular turbulento. Este tipo de horno suele tener un diseño de varios carros y se utiliza para procesar loza blanca, cerámica técnica y refractarios en lotes. Según el tamaño de las piezas, los hornos de lanzadera pueden equiparse con dispositivos de movimiento de carros para transferir piezas cocidas y sin cocer dentro y fuera del horno. Los hornos de lanzadera pueden ser de tiro ascendente o descendente. Su nombre proviene del hecho de que los carros pueden entrar en el horno por cualquiera de sus extremos, mientras que en un horno de túnel el flujo es en una sola dirección.

La tecnología de los hornos es muy antigua. Los hornos evolucionaron desde una simple zanja de tierra llena de vasijas y un foso para la cocción del combustible , hasta los métodos modernos. Una mejora consistió en construir una cámara de cocción alrededor de las vasijas con deflectores y un orificio de alimentación. Esto conservaba el calor. Una chimenea mejoraba el flujo de aire o tiro del horno, quemando así el combustible de forma más completa.

La tecnología de hornos china siempre ha sido un factor clave en el desarrollo de la cerámica china , y hasta hace pocos siglos era la más avanzada del mundo. Los chinos desarrollaron hornos capaces de alcanzar temperaturas de alrededor de 1000  °C antes del 2000 a. C. Se trataba de hornos de tiro ascendente, a menudo construidos bajo tierra. Hacia el año 200 d. C. se desarrollaron dos tipos principales de hornos que se mantuvieron en uso hasta la época moderna. Estos son el horno dragón del sur montañoso de China , generalmente alimentado con leña, largo y delgado, que se extendía ladera arriba, y el horno mantou en forma de herradura de las llanuras del norte de China, más pequeño y compacto. Ambos podían producir de forma fiable las temperaturas de hasta 1300  °C o más necesarias para la porcelana . A finales de la dinastía Ming, se desarrolló el horno en forma de huevo o zhenyao en Jingdezhen , donde se utilizó principalmente. Este horno representó una especie de compromiso entre los otros tipos y ofrecía ubicaciones en la cámara de cocción con diversas condiciones de cocción. ^{[ 10 ]}

Tanto la cerámica romana antigua como la cerámica china medieval podían cocerse en cantidades industriales, con decenas de miles de piezas en una sola cocción. ^{[ 11 ]} Entre los primeros ejemplos de hornos más sencillos hallados en Gran Bretaña se encuentran los que se utilizaban para fabricar tejas durante la ocupación romana . Estos hornos se construían en la ladera de una pendiente, de manera que se podía encender un fuego en la base y el calor ascendía hacia el interior del horno.

Los hornos tradicionales incluyen:

• Horno dragón del sur de China: delgado y largo, que asciende por una ladera. Este tipo se extendió al resto de Asia Oriental dando origen al horno anagama japonés, que llegó a través de Corea en el siglo V. Este horno generalmente consta de una cámara de cocción larga, perforada con orificios más pequeños para apilar piezas en un lado, con un hogar en un extremo y una chimenea en el otro. El tiempo de cocción puede variar de un día a varias semanas. Los hornos anagama tradicionales también se construyen en una pendiente para permitir una mejor circulación del aire. El horno noborigama japonés es una evolución del diseño anagama como un horno de múltiples cámaras donde la leña se apila primero desde el hogar frontal, luego solo a través de los orificios de alimentación laterales, con la ventaja de tener aire calentado hasta 600 °C (1100 °F) desde el hogar frontal, lo que permite cocciones más eficientes.  

• Horno jemer : bastante similar al horno anagama ; sin embargo, los hornos jemeres tradicionales tenían techo plano. Los hornos chinos, coreanos o japoneses tienen techo abovedado. Estos tipos de hornos varían en tamaño y pueden medir decenas de metros. El tiempo de cocción también varía y puede durar varios días.
• Horno de botella : un tipo de horno intermitente, generalmente alimentado con carbón, que antiguamente se utilizaba para la cocción de cerámica; dicho horno estaba rodeado por una alta choza o cono de ladrillo, con la típica forma de botella. La vajilla se colocaba dentro de recipientes sellados de arcilla refractaria; a medida que el calor y el humo de los fuegos pasaban por el horno, se cocía a temperaturas de hasta 1400 °C (2600 °F) .  
• Horno de bizcocho : La primera cocción tendría lugar en el horno de bizcocho.
• Horno de esmaltado : Las piezas de bizcocho fueron esmaltadas y sometidas a una segunda cocción de esmaltado en hornos de esmaltado.
• Horno de Mantou, en el norte de China, más pequeño y compacto que el horno dragón.
• Horno de mufla : Se utilizaba para cocer decoraciones sobre vidriado a una temperatura inferior a 800 °C (1500 °F) . En estos hornos fríos, el humo de la cocción salía por conductos situados fuera del horno.  
• Horno de arco catenario : Utilizados normalmente para la cocción de cerámica con sal , estos hornos, por su forma (un arco catenario ), tienden a conservar su forma tras repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento, mientras que otros tipos requieren extensos soportes metálicos.
• Horno de Sèvres : inventado en Sèvres, Francia, genera eficientemente altas temperaturas de 1240 °C (2260 °F) para producir pastas cerámicas impermeables y esmaltes fáciles de obtener. Su diseño de tiro descendente permite alcanzar altas temperaturas en menos tiempo, incluso con cocción en leña.  
• Horno de caja Bourry , similar al anterior.

hornos modernos

Con la llegada de la era industrial , los hornos se diseñaron para funcionar con electricidad y combustibles más refinados, como el gas natural y el propano . Muchos hornos industriales de cerámica de gran tamaño utilizan gas natural, ya que suele ser limpio, eficiente y fácil de controlar. Los hornos modernos pueden equiparse con controles computarizados que permiten realizar ajustes precisos durante la cocción. El usuario puede controlar la velocidad de aumento de temperatura , mantenerla constante o controlar la velocidad de enfriamiento. Tanto los hornos eléctricos como los de gas son comunes para la producción a pequeña escala en la industria, la artesanía y la escultura.

Los hornos modernos incluyen:

• Horno de retorta : un tipo de horno que puede alcanzar temperaturas de alrededor de 1500 °C (2700 °F) durante períodos prolongados. Por lo general, estos hornos se utilizan con fines industriales y cuentan con carros de carga móviles que conforman la base y la puerta del horno.  
• Hornos eléctricos : Los hornos eléctricos se desarrollaron en el siglo XX, principalmente para uso a pequeña escala, como en escuelas, universidades y centros de aficionados. La atmósfera en la mayoría de los hornos eléctricos es rica en oxígeno , ya que no hay llama abierta que consuma moléculas de oxígeno. Sin embargo, se pueden crear condiciones reductoras con el suministro adecuado de gas o utilizando difusores de forma específica.
• Cocción asistida por microondas : esta técnica combina la energía de microondas con fuentes de energía más convencionales, como el calentamiento radiante por gas o eléctrico, para procesar materiales cerámicos a las altas temperaturas requeridas. La cocción asistida por microondas ofrece importantes ventajas económicas.
• Horno de microondas : Estos pequeños hornos están diseñados para colocarse dentro de un horno microondas estándar . El cuerpo del horno está hecho de un material cerámico poroso recubierto con una capa que absorbe la energía de las microondas. El horno se coloca dentro del horno microondas y se calienta a la temperatura deseada. El proceso de calentamiento es mucho menos controlado que en la mayoría de los hornos eléctricos modernos, ya que no cuenta con un sistema de control de temperatura integrado. El usuario debe supervisar el proceso de cerca para obtener los resultados deseados, ajustando el tiempo y la potencia programados en el horno microondas. Un pequeño orificio en la tapa del horno permite estimar visualmente la temperatura interior, ya que los materiales calientes brillan. Los hornos de microondas están diseñados para alcanzar temperaturas internas superiores a 1400 °C (2600 °F) , lo suficientemente altas como para trabajar con algunos tipos de vidrio, metales y cerámica, mientras que el exterior del horno permanece lo suficientemente frío como para manipularlo con pinzas o guantes calientes. Después de la cocción, el horno debe retirarse del horno microondas y colocarse sobre una superficie resistente al calor para que se enfríe. Los hornos de microondas tienen un tamaño limitado, generalmente no superan los 20 centímetros (8 pulgadas) de diámetro. ^{[ 12 ]}   
• Horno de sombrero de copa : un tipo de horno intermitente que a veces se utiliza para cocer cerámica. Las piezas se colocan sobre un hogar o pedestal refractario, sobre el cual se baja una tapa en forma de caja.

La madera verde de árboles recién talados tiene un contenido de humedad demasiado alto para ser comercialmente útil y se pudre, deforma y agrieta. Tanto las maderas duras como las blandas deben dejarse secar hasta que su contenido de humedad se sitúe entre el 18 % y el 8 %. Este proceso puede ser largo a menos que se acelere mediante el uso de un horno. Actualmente existen diversas tecnologías de secado: convencionales, deshumidificadoras, solares, de vacío y de radiofrecuencia.

Los hornos de secado de madera convencionales ^{[ 13 ]} son ​​de tipo paquete (carga lateral) o de tipo vía (tranvía). ^{[ 14 ]} La mayoría de los hornos para madera dura son de carga lateral, en los que se utilizan carretillas elevadoras para cargar los paquetes de madera en el horno. La mayoría de los hornos para madera blanda son de tipo vía, en los que la madera se carga en vagones para horno/vía para cargar el horno. Los hornos convencionales modernos de alta temperatura y alta velocidad del aire pueden secar típicamente madera verde de 25 milímetros (1 pulgada) de espesor en 10 horas hasta un contenido de humedad del 18%. Sin embargo, el roble rojo verde de 25 mm de espesor requiere aproximadamente 28 días para secarse hasta un contenido de humedad del 8%.  

El calor se introduce normalmente mediante vapor que circula por intercambiadores de calor de aletas y tubos controlados por válvulas neumáticas de encendido/apagado. La humedad se elimina mediante un sistema de ventilación, cuya disposición específica suele ser particular de cada fabricante. En general, se introduce aire frío y seco por un extremo del horno, mientras que se expulsa aire caliente y húmedo por el otro. Los hornos convencionales para madera dura también requieren la introducción de humedad mediante sistemas de pulverización de vapor o nebulización de agua fría para evitar que la humedad relativa dentro del horno descienda demasiado durante el ciclo de secado. La dirección de los ventiladores se invierte periódicamente para garantizar un secado uniforme de las cargas de mayor tamaño. ^{[ 15 ]}

La mayoría de los hornos para madera blanda operan a temperaturas inferiores a 115 °C (240 °F) . Los programas de secado en hornos para madera dura generalmente mantienen la temperatura de bulbo seco por debajo de 80 °C (180 °F) . Las especies difíciles de secar podrían no superar los 60 °C (140 °F) . ^{[ 16 ]}      

Los hornos deshumidificadores son similares a otros hornos en su construcción básica y los tiempos de secado suelen ser comparables. El calor proviene principalmente de una unidad deshumidificadora integrada que también elimina la humedad. A menudo se proporciona calor auxiliar al inicio del proceso para complementar la función del deshumidificador.

Los hornos solares son hornos convencionales, generalmente construidos por aficionados para mantener bajos los costos de inversión inicial. El calor se obtiene mediante radiación solar, mientras que la circulación interna del aire suele ser pasiva.

Los hornos de vacío y de radiofrecuencia reducen la presión del aire para intentar acelerar el proceso de secado. Existen diversas tecnologías de vacío, que varían principalmente en el método de introducción del calor en la carga de madera. Los hornos de vacío con placas de agua caliente utilizan placas calefactoras de aluminio con agua circulando en su interior como fuente de calor, y suelen operar a una presión absoluta significativamente reducida. Los hornos discontinuos y de vapor sobrecalentado (SSV) utilizan la presión atmosférica para introducir calor en la carga del horno. Toda la carga del horno alcanza la presión atmosférica máxima, luego se calienta el aire en la cámara y, finalmente, se crea un vacío a medida que la carga se enfría. Los hornos SSV funcionan a presión atmosférica parcial, generalmente alrededor de un tercio de la presión atmosférica total, en una tecnología híbrida de vacío y horno convencional (los hornos SSV son significativamente más populares en Europa, donde la madera cosechada localmente es más fácil de secar que la madera norteamericana). Los hornos RF/V (radiofrecuencia + vacío) utilizan radiación de microondas para calentar la carga del horno y suelen tener el costo operativo más alto debido a que el calor de vaporización lo proporciona la electricidad en lugar de combustibles fósiles locales o fuentes de madera de desecho.

La viabilidad económica de las distintas tecnologías de secado de madera se basa en los costos totales de energía, capital, seguros/riesgos, impacto ambiental, mano de obra, mantenimiento y degradación del producto. Estos costos, que pueden representar una parte significativa de los costos de la planta, incluyen el impacto diferencial de la presencia de equipos de secado en una planta específica. Cada equipo, desde la recortadora de madera verde hasta el sistema de alimentación en la cepilladora, forma parte del "sistema de secado". Los costos reales del sistema de secado solo pueden determinarse comparando los costos y riesgos totales de la planta con y sin secado.

La leña secada en horno se introdujo por primera vez durante la década de 1980 y posteriormente se adoptó ampliamente en Europa debido a las ventajas económicas y prácticas de vender madera con un menor contenido de humedad (siendo mucho más fácil alcanzar niveles óptimos de humedad inferiores al 20%). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

Las emisiones atmosféricas totales (perjudiciales) producidas por los hornos de leña, incluyendo su fuente de calor, pueden ser significativas. Por lo general, cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento del horno, mayor será la cantidad de emisiones producidas (por unidad de masa de agua eliminada). Esto se observa especialmente en el secado de chapas finas y en el secado a alta temperatura de maderas blandas.

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  Hornos para la fabricación de ladrillos, delta del Mekong . El barco de carga en primer plano transporta la paja de arroz utilizada como combustible para la cocción.
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  Un horno de cerámica alimentado con leña en Hội An , Vietnam.
• La cáscara de arroz se introduce en un horno de fabricación de ladrillos en el delta del Mekong.
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  Un horno de arco catenario utilizado para la cocción de cerámica de óxido de aluminio de alta temperatura, apta para tubos electrónicos.
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  Un horno de porcelana de dos pisos con hornos en Sèvres , Francia, alrededor de 1880.
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  Representación CAD de un horno de colmena
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  Representación CAD de un horno túnel
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  Un patio de hornos con varios hornos
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  Taller tradicional de fabricación de cuentas de vidrio, vista frontal del horno vacío para calentar vidrio reciclado.

• Fragua : Hogar utilizado para calentar metales, o lugar de trabajo que contiene dicho hogar. 
• Horno industrial : dispositivo utilizado para proporcionar calor en aplicaciones industriales. 
• Limepit – Antiguo método de calcinación de piedra caliza 
• Lista de hornos
• Gasificador de tiro ascendente con iluminación superior
• Muebles para hornos

• Hamer, Frank y Janet. Diccionario de materiales y técnicas del alfarero. A & C Black Publishers, Limited, Londres, Inglaterra, tercera edición, 1991. ISBN 0-8122-3112-0.
• Smith, Ed. Manual de diseño de hornos de secado. JE Smith Engineering and Consulting, Blooming Grove, Texas. Disponible para su compra al autor JE Smith. Archivado el 29/08/2006 en Wayback Machine.
• M. Kornmann y CTTB, «Ladrillos y tejas de arcilla, fabricación y propiedades», Soc. industrie minérale, París, (2007) ISBN 2-9517765-6-X
• Rasmussen, EF (1988). Laboratorio de Productos Forestales, Departamento de Agricultura de los Estados Unidos. (ed.). Manual de operadores de hornos de secado . Consejo de Investigación de Madera Dura.

• Entrada sobre hornos y estructuras de cocción en la Enciclopedia de Egiptología de la UCLA.
• Información sobre la historia de los hornos de botella (hornos de cerámica) del Museo de Cerámica de Gladstone en Stoke-on-Trent, Reino Unido.
• Cómo funciona el horno de botella