Diseño de hornos

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LA CONSTRUCCIÓN PASO A PASO

La primera decisión que hay que tomar es donde va a ir, no es muy saudable que el horno vaya en el mismo espacio que donde trabajamos, si tenemos opción es mejor situarlo en un local anexo y bien ventilado. En las hornadas siempre se enrarece el aire del local y si cocemos en reducción no digamos, la ventilación es fundamental. Vamos a seguir los pasos propios de la construcción:
Cimentación.-
 Dependiendo del horno que vayamos a hacer hay que tener en cuenta su peso, la mayor parte de los hornos actuales son de chapa metálica por fuera y fibra por dentro, es la combinación que menos pesa pero aún asi si el horno es grande acabará cogiendo bastantes kilos, resulta conveniente que las patas que soportan el peso de la estructura metálica lleven soldadas unas chapas cuadradas de 10x10 ó 15x15 cm para que el apoyo en el suelo no sea únicamente por el perfil del tubo. Si el horno es de tiro invertido la chimenea deberá estar contemplada en esa estructura. Si el horno es de obra tendrá que llevar algo de cimentación, siempre acorde con el horno en cuestión; un horno grande puede pesar toneladas. En estas dos fotos podemos ver una idea de cimentación para un horno mediano (algo más de 500 litros), la base son viguetas colocadas a nivel y de momento nunca he tenido problemas.

Si el suelo es de tierra no podremos aplicar este ejemplo, es mejor hacer algo de cimentación. La teoria de la cimentación dice que hay tres tipos: periférica, armada y de grava. La periférica es hacer los cimientos en el perímetro del horno, si el horno es muy grande tenemos que recordar que aunque los muros pesan mucho también la carga pesa y una vez de hacer cimientos no es cuestión de racanear; la cimentación armada lleva una placa de cemento con hierro en su interior y la de grava lleva un lecho de este material. Mi recomendación es hacer un pequeño agujero donde va a ir el horno de unos 25 cm de profundidad, reforzar el perímetro con viguetas ( es un material barato y compacto con varilla metálica en su interior) o algo de hierro y llenar la parte central con cascotes, piedra, etc (puede ser una buena oportunidad para deshacernos de restos del taller, piezas defectuosas y ese tipo de cosas), después hechamos una pequeña placa a nivel, con unos pocos centímetros bastará. De esta forma tendremos cimientos de por vida.
Base.-
 Después de hacer la cimentación es cuando empezamos el horno propiamente dicho, para la base lo más recomendable es usar ladrillo compacto o bloques refractários. Una base que me ha dado buen resultado es la de una primera capa de ladrillo rojo macizo y encima dos de ladrillo refractário denso, puede parecer excesivo pero es que el cemento soporta muy mal el calor y debemos preservar la placa de los cimentos de las altas temperaturas que va a soportar la cámara. Siguiendo con el ejemplo de antes aqui podemos ver una combinación de bloques refractários con ladrillo denso asentado con mortero refractário; los bloques van simplemente puestos, no llevan ningún tipo de cemento, un pouco atrevido, tengo que reconocer, pero casi dos años después siguen perfectamente. Si este caso fuera sobre placa tendría que llevar una capa más de ladrillo.
Muros.-
 Si queremos levantar los muros de ladrillo deberemos saber algo de albañilería, parece fácil levantar una pared recta, e igual es, pero un horno lleva cuatro y para colmo con puerta, si contamos con un profesional mejor, pero le tendremos que advertir que la junta de mortero es más estrecha que en un tabique de obra normal (5-6 mm. como mucho). En algunos casos sobre esta base de ladrillo colocamos el "cajón" de metal que forraremos en su interior de fibra, si es asi, en ese cajón tendrán que ir ya los huecos para los quemadores y la salida del canal de evacuación. Con respecto a ese cajón de hierro yo recomiendo pedir más de un presupuesto, es sorprendente la diferencia que puede haber de un taller a otro, si el horno es de tiro invertido el cajón llevará la bóveda incorporada y eso a algunos talleres les rompe los esquemas, esa circunstancia es muy habitual que se taduzca en dinero.
Yo, en algunos casos levanto tres o cuatro filas en ladrillo y sobre eso coloco el cajón, en esas filas dejo los huecos necesarios para la entrada de los quemadores, el inconveniente de este sistema es que esta parte baja es menos aislante que el resto.
Si el interior va a ser de fibra tendremos que trabajar perfectamente pertrechados con mascarilla, gorro,  gafas y ropa vieja, la fibra tiene una justificada fama de nociva. ¿Que grosor?, yo siempre he hecho los hornos con paredes de 15 cm de fibra (6 capas), naturalmente no es necesario que sea toda  la fibra de la misma calidad, yo coloco 10 cm de fibra de hasta 1260ºC y los 5 cm de cara de fuego de una fibra de muy alta temperatura (1450 - 1500ºC) como se aprecia en la fotografia. La colocación acostada de esos 10 cm. iniciales es muy sencilla y aguanta perfectamente en pié sin necesidad de soportes, a medida que vayamos colocando las dos capas de cara al fuego iremos asegurando con cuplós, esta tarea es mejor hacerla entre dos, uno dentro del horno y otro tensando desde fuera, el interior del cupló deberemos rellenarlo con pedazos de fibra prensados en su interior si no queremos que el espigo de acero refractário quede hecho un desastre en la primera hornada, el espacio entre cuplós será sobre 40cm.
El hueco para los quemadores debe ser de unos dos cm. mayor en radio que el propio quemador, este espacio resultará muy útil para la entrada de aire secundario, igualmente útil resultará tener una forma de regularlo.
En hornos de leña la construcción del hogar es paralela a los primeros tramos de los muros y no conviene que sea de fibra, para lo hogares resulta casi que obligatorio hacerlos en ladrillo denso.
Bóvedas.- Hay que reconocer que la bóveda de un horno resulta muy sugerente, y hacerlas es un gustazo sobretodo cuando retiramos la cimbra (o encofrado del arco) y vemos, aliviados, que aquello no cae. En los libros hay  abundantes fórmulas que nos indican  cómo calcular diversas partes de ella pero hay algo que nadie dice ¿de que altura debe ser el arco en relación al ancho?, esa altura se llama flecha y según parece puede ser como nos de el pálpito, por si alguien quiere calcular el radio para hacer la cimbra  la fórmula es:

En la práctica trazaremos el arco por medios más mecánicos, un cordel por ejemplo, la altura de la flecha suele ser sobre 15-20 cm y algunos hornos tienen una bóveda de media circunferencia (los naborigama, por ejemplo) por lo que nosotros optaremos por la que más no convenga. Una bóveda con muy poca flecha da cierta sensación de inestabilidad.
En el tema de los arcos merece un apartado especial el arco catenario, yo reconozco ser un enamorado de esa forma. Los hornos de arco catenario llevan muros y bóveda en la misma construcción y no necesitan refuerzos ya que es autosoportable, para colmo permite una circulación de los gases óptima para tiro invertido y reparte muy bien el calor,  su construcción puede parecer más complicada que un horno de muros y arco pero en realidad y ya que tenemos que hacer obligatoriamente un soporte de madera con la forma, sólo tendremos que ceñirnos a ese encofrado, hay que tener la precaución de calzar con unos tacos de madera el encofrado, cuando acabemos el arco sólo tenemos que quitarlos y asi podremos quitar el encofrado sin problemas. Las proporciones de un arco catenario son una incógnita que los libros no ayudan a resolver, Olsen habla de unas proporciones de: alto =1 1/2 - 3 veces el ancho, mientras que Rhodes dice que un alto igual al ancho es la forma más estable. A mi tener un alto tres veces superior al ancho me parece demasiado alto, no sólo desde el punto de vista de la construcción en sí, sino mirando el buen funcionamento del horno, hasta ahora los catenarios que he hecho andan con unha relación de altura=1 - 1 1/2 veces el ancho, esta relación nos permíte un interior (de carga útil) equilibrado. La forma de trazar el arco es bien conocida, una vez que sabemos las medidas (ancho y alto), colocamos una cadena entre dos puntos que nos darán el ancho y la dejamos caer hasta la medida que nos de el alto marcado, la curva que describe es el arco invertido; para marcar ese arco es muy útil hacer esa maniobra sobre un tablero de fimapán, después la superficie del encofrado la podemos hacer con tablex o con listones, una advertencia, cuando marquemos las medidas tenemos que tener en cuenta en la medida definitiva los listones (si los lleva) y los tacos que usaremos para calzarlo. La secuencia la podemos ver en las siguientes fotografías:


Parafuegos - Muro deflector - Canal de evacuación.-
  Esta parte es mejor hacerla con ladrillo refractário denso (como mínimo) ya que va a soportar mucho fuedo y tiene que sustentar toda la carga, habitualmente tiene un alto de dos ladrillos de canto (23 cm.). El espacio entre el parafuegos y la pared de la cámara suele ser de unos 10 cm y con gas-oil es conveniente algo más de margen llegando hasta los 15 cm.. En la foto podemos apreciar la colocación de los ladrillos, se ve una hilera central para aguantar la base de la carga. En hornos de tiro superior no hay nada de esto, simplemente dejaremos sitio para que el combustible arda con holgura y suba por la cámara, esa holgura es de una altura muy parecida a esos 23 cm standard aunque en hornos medianos-pequeños esa altura es algo menor y rondará los 18cm. Una  pregunta que surge inevitablemente cuando construimos hornos de tiro superior sobre estructura metálica es la de cómo colocar los queimadores ya que vemos en el mercado hornos con las portillas del quemador laterales y otros con portillas en la parte inferior de la base. Como suele pasar siempre la respuesta es que depende. En cualquier caso el horno funcionará, pero si colocamos los quemadores en la base del horno, el fuego entra verticalmente  y si esa llama es larga sobrepasará la solera; esto hay que tenerlo en cuenta cuando carguemos las piezas si no queremos achicharrar alguna pieza que sobresalga. El sistema de quemadores en el suelo se usa en hornos pequeños, que a pesar de su escaso tamaño llevan cuatro, la idea es que esta disposición no resulta idónea para quemadores de gran potencia, si  vamos a emplear queimadores potentes es mejor la disposición lateral.
Chimenea.-
En los hornos de tiro invertido la chimenea es un aspecto muy importante y ya deberemos tenerla en cuenta en los cimientos, como ya hemos visto antes por la fórmula para calcular  su alto es muy fácil que una chimenea en estos hornos tenga 2,5 - 3 m. de altura, eso significa concentrar mucho peso  en muy poca superficie. A diferencia del  resto del horno, la chimenea no va a soportar toda ella la misma temperatura, como es fácil de suponer, la parte baja será la parte más caliente y la temperatura va decreciendo segun subimos en altura. El primer metro (o algo más si queremos curarnos en salud) suele ser de una construcción muy similar al resto del horno, pero en los siguientes tramos no tienen porqué llevar la misma construcción, incluso en la parte final es muy habitual ver que está hecha con tubo metálico. A que altura colocar el registro no es algo crucial, o eso parece si obsevamos diferentes planos de hornos, en algunos incluso lleva en el canal de evacuación. Naturalmente, cuanto más cerca esté de la cámara más temperatura tendrá que soportar la placa que hace de registro, esto supone un problema ya que algunos materiales soportan mal los contrastes de temperatura, tenemos que pensar que la parte interna de esa placa va a soportar toda la hornada mientras la parte externa estará a temperatura ambiente, eso es mucho choque térmico y lo peor que nos puede pasar es que parta la placa a mitad de una hornada. Yo uso deregistro una placa de cordierita (es fácil de cortar a medida y relativamente resistente) y la ranura del registro la coloco a 1,5 m. más o menos, justo donde acaba la bóveda, como se aprecia en esta fotografía.
Una de las ventajas de la cordierita es lo fácil que se mecaniza, asi podemos agujerear sin problemas para poder colocar un tirador que podamos accionar desde el frente. Por cierto,en caso de rotura lo máis normal es que ésta sea una grieta que parta la placa en dos, si es asi no tenemos porqué tirarla, la podemos coser con alambre de resistencia, curiosamente a partir de aqui es muy raro que vuelva a partir.  

Podemos apreciar en estas fotos como es el sistema de cosido, hacemos unos agujeros a los dos lados de la grieta y los unimos con resistencia, puede parecer una chapuza, y  la verdad que la pinta es desastrosa, pero en realidad esta placa de la foto lleva más de dos años con estas trazas y sigue cumpliendo su función.
Para tener un control efectivo del tiro deberemos colocar un sistema que nos marque la posición del registro, una regla graduada por ejemplo, esto nos será muy útil para tener una referencia y asi poder repetir una hornada.
Si el horno es de tiro superior la chimenea es un asunto bastante más sencillo, tengo probado con éxito piezas torneadas de refractario, de un diámetro aproximado de 12 cm. que funcionan muy bien. Como ya he dicho antes yo soy partidario de que este tipo de hornos lleven chimenea y un registro para regularlo. Una chimenea muy corta o una ausencia de ella hace que el horno tienda a reducir y que a partir de 1200º C le cueste subir, llegando incluso a ser un tormento concluir la hornada. Podemos hacer pruebas añadiendo a la chimenea un tubo metálico (de los usados en las estufas) y observar  su efecto, el resultado suele ser que el horno tolera mejor la presión de los quemadores sin reducir a la primera de cambio.
En cualquier caso e independentemente del tipo de tiro, si el horno está en el interior deberá llevar un sistema de evacuación de los gases que salen por la chimenea, ya no es una cuestión de mejor o peor funcionamento del horno sino un asunto de seguridad fundamental.

Puerta.-
La puerta es un tema complejo y que habitualmente supone un quebradero de cabeza. Afortunadamente con la fibra se soluciona una buena parte de esos problemas. El peso y un buen encaje, por ejemplo.
Puertas hay de muchos tipos y , como siempre, dependiendo del tamaño y forma del horno optaremos por el modelo que mejor nos convenga. En los hornos grandes (de los que uno entra de pié por la puerta, para entendernos) es muy habitual hacer una puerta cada vez con ladrillos numerados y después recebarlos con una arcila basta; tengo probado y a mi personalmente no me convence. La razón no es que sea una lata construir la puerta de cada vez ya que es una operación en la que tardamos unos pocos minutos (con ladrillos numerados) y pasan meses entre una hornada y la siguiente, la razón es que resulta incongruente tener una puerta tan poco aislada después de tomarnos el trabajo de aislar el resto del horno. Este tipo de puertas tenía su razón de ser cuando la construcción era de ladrillo refractario, aqui la puerta seguia el mismo modelo constructivo. La alternativa de usar ladrillo poroso para este tipo de puertas es buena pero no duradera, estos ladrillos destacan por su capacidad aislante pero no por su resistencia mecánica.
Hoy en dia casi todos los hornos tienen puerta de bisagra, excepto los de vagoneta en los que la puerta va incluida en el frontal de la propia vagoneta; ahora bien, aunque pueda parecer que todas las puertas son más o menos iguales, hay algunas diferencias importantes. Una primera diferencia es el perfil de la puerta, éste perfil determinará el tipo de anclaje con el horno.
Básicamente, hay dos tipos de perfíles como se muestra en las figuras a/ y b/:

   

El tipo de perfil b es el más usado, sobretodo en la industria, dado que es menos liante que el modelo a. Se supone que en el modelo b la puerta sella perfectamente apretando los tensores; pero para que esto suceda (y no sólo cuando esta nuevo el horno) deberemos de fabricarla con una estructura de hierro de cierta consistencia. Esta estructura suele ser un ángulo de hierro de una sección de unos 4 mm.,incluso en hornos pequeños (250 l.). Yo prefiero el perfil a, a pesar de que su contrucción implique mas complejidad, pero tiene mas margen de error, y con el tiempo podemos corregirla por mas que la estrucctura acabe doblada.
En la construcción de las puertas mantener la fibra firme es crucial, una puerta de 15 cm.de espesor y de cierto tamaño tiene una buena cantidad de kilos de peso y debemos preveer y evitar la tendencia natural de la fibra a desplomarse; no bastará con anclarla con cuplós sino que también deberemos soldar unos apoyos en la estructura metálica de la puerta. En las siguientes fotografías sepuede ver el sistema que uso:

Para lograr un ajuste lo mas perfecto posible resulta muy práctico hacer un molde de madera del hueco de la puerta, sin pasarnos de precisión ya que la fibra soporta muy mal el roce. Para unir la fibra a la estructura metálica usaremos cuplós y donde no nos sea posible usaremos el hilo Kantal de resistencias. Para abrir y cerrar la puerta lo mas común es soldar unas bisagras o unos pernios donde mejor se nos adapte; es preferible usar un sistema de doble bisagra que de una sóla bisagra. En las siguientes figuras podemos ver la diferencia entre una y otra. La doble bisagra tiene la ventaja de que nos permite enfocar mejor la puerta en su hueco.

A la hora de soldar la bisagra al horno hay que hacerlo en una parte reforzada del mismo, habitualmente en la estructura. Esto es sencillo en los hornos cuadrados, ya sean de obra o de chapa, pero en los de arco catenario no hay una estructura donde sujetar asi que deberemos idear un sistema para sujetarla. En mi caso. el combustible que uso es gas-oil, eso me obliga a tener una estructura en la que colocar la turbina del aire y es en ella donde sueldo la puerta, en las siguientes fotografías se puede apreciar esa solución

Para evitar que el peso de la puerta vaya soportado exclusivamente por las bisagras es recomendable soldar a la puerta un pié con una rueda.
Por último decir que aunque la forma más fácil de construir una puerta es la rectangular, esto no va a ser siempre posible. Si el horno tiene bóveda, y no digamos en los de arco catenario, y la puerta es rectangular tendremos problemas para cargar el último piso ya que no tenemos acceso a la parte frontal, es decir a la parte que queda entre la abertura superior de la puerta y la boveda. Construir una puerta con la parte superior en arco da mas trabajo pero lo agradeceremos cada vez que carguemos el horno.

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