1.1 Definició

Un forn industrial de gas és la instal·lació on es transforma l'energia química d'un combustible en calor que s'utilitza per augmentar la temperatura dels materials dipositats en el seu interior i, d’aquesta manera, fer-los passar a l'estat necessari per a procediments industrials posteriors.

Les parts fonamentals d'un forn de gas són:

Fogar o cambra de combustió: on s'allotgen els cremadors i es generen els gasos de combustió. Pot coincidir amb la cambra d'escalfament o ser una cambra independent.

Cambra d'escalfament: n’existeixen de diferents tipus, segons la forma d'operació del forn i la seva funció.

Revestiment aïllant: recobreix totes les cambres i els equips del forn.

Xemeneia i tubs d'escapament de gasos de combustió: solen anar acoblats a intercanviadors per a l’aprofitament de l'energia calorífica que posseeixen, abans de l'emissió a l'atmosfera.

1.2 Classificació de forns de gas segons la seva funció

1. Forns de fusió

La seva funció és la de fondre els materials. Existeixen diversos subtipus:

a. Forns de gresol

• El material es fon en un gresol metàl·lic o ceràmic.
• Els gasos surten de la part inferior, llepen exteriorment el gresol i s’expulsen per la part superior o boca de càrrega.

b. Forns de reverber

• La càrrega està en contacte directe amb els fums però no amb el combustible.
• La seva forma és de cup rectangular amb cambra de combustió separada o cremadors laterals. Els fums es desplacen cap a l'altre extrem escalfant la càrrega per convecció i per radiació de les flames i de la volta refractària.

c. Cubilots per a fosa

• Forn vertical cilíndric, similar al forn alt.
• La seva funció també és semblant a aquesta, però només es busca la fusió eficaç i no la reducció del mineral de ferro.
• El combustible utilitzat és coc o gas natural.

2) Forns de reescalfar

El seu objectiu és l'escalfament de peces per a processos com són ara la laminació, l’extrusió, la forja, l’estampació i el conformat. En tot moment es manté l'estat sòlid de les peces i únicament se’n busca l’ablaniment.

El tipus de forn adequat depèn de factors com la forma de les peces a escalfar i la temperatura final, fonamentalment. No obstant això, hi ha molts més paràmetres que influeixen en l'elecció del tipus de forn, com por ser si el forn ha d'operar en continu o discontínuament.

Els tipus més importants són:

• Forns pit o de fosa. Cambra rectangular on es col·loquen les peces a escalfar verticalment i per la part superior.
• Forns de mufla. És una caixa amb porta a l'interior de la qual s'allotgen els cremadors. La solera pot ser ceràmica o metàl·lica.
• Forns de campana. El material es carrega i el forn s'eleva amb grues i es col·loca de manera que cobreixi la càrrega.
• Forns d’empenyedora. S'empren per escalfar peces d'acer de forma contínua. Les peces són empeses per una màquina des de la part frontal.
• Forns de biga galopant. Són molt semblats als d’empenyedora, però amb avantatges respecte a aquests.
• Forns de vagonetes. Túnel la solera del qual es compon de carros units entre si que avancen de forma semicontínua.
• Forn de solera giratòria. La cambra forma un túnel circular al qual accedeixen els productes de combustió.
• Forns especials. Responen a necessitats puntuals i específiques i el seu preu és molt elevat. Per exemple, els equips d'escalfament per plasma, que poden arribar a temperatures de 50.000º C o fins i tot de diversos milions de graus, en equips de fusió nuclear.

3) Forns de tractament tèrmic

La seva funció és la d'inferir una propietat al material. Alguns dels tractaments existents són:

• Recuita, normalitzat, tremp, reveniment, homogeneïtzació, solubilització, maduració o envelliment, etc.
• Cimentació, carbonitruració, nitruració, cianuració, descarburació, etc.
• Cimentació, carbonitruració, nitruració, cianuració, descarburació, etc.

2.1 Combustió

La combustió és el procés mitjançant el qual un combustible orgànic s’oxida per generar CO2 (quan la combustió és completa) i aigua, i s‘alliberen grans quantitats d'energia. Aquesta energia se cedeix al material que cal escalfar als forns de gas, i en produeix l’escalfament.

Els combustibles utilitzats en forns solen ser combustibles fòssils o gasos generats com a subproducte d'altres processos (gas d'aigua).

2.2 Combustibles gasosos

Els combustibles gasosos emprats en els cremadors són els que s’enumeren a la taula següent, i els més emprats són el gas natural i el propà comercial.

El gas natural es compon principalment de metà amb petites quantitats d’età i altres hidrocarburs. Pràcticament no conté gas incombustible ni residus sòlids. El seu poder calorífic oscil·la entre 8.000 kcal/Nm3 i 10.500 kcal/Nm3.

El propà comercial està compost en gran part per propà amb petites quantitats d’età i de butà. S'obté de les primeres fraccions de destil·lació del petroli i és fàcilment liquable per emmagatzemar-lo en ampolles a pressió.

3.1 Cremadors i equips de combustió al fogar

Els cremadors s'allotgen al fogar aïllat tèrmicament.

Les funcions bàsiques que duen a terme són:

• Introduir o projectar el combustible i l'aire a la cambra de combustió.
• Dirigir el desenvolupament de la flama en el procés de combustió.
• Facilitar la ignició contínua.

La forma de la flama depèn principalment del combustible i de la potència del cremador i resulta determinant tant per a la bona marxa operativa d'un forn, com per a la consecució d'un rendiment energètic òptim. Es pot modificar amb:

• El grau de turbulència. A major turbulència, flames més curtes i intenses.
• La velocitat de mescla. A major velocitat, flama més curta.
• L'excés d'aire, que tendeix a escurçar la flama.
• La pressió de l'aire de combustió, que escurça la flama i la fa més tensa.
• El grau de polvorització o d’atomització, en el cas dels combustibles líquids. A major atomització, flama més curta.

En funció de l'estat del combustible que es vulgui cremar i del tipus de flama que es vulgui aconseguir, tenim diferents tipus de cremadors.

La utilització eficient dels cremadors i dels equips de combustió en els forns industrials ha de ser un objectiu prioritari per tal de:

• Obtenir la màxima eficiència de la combustió.
• Operar amb consums específics mínims.
• Escalfar les càrregues en el grau i en el temps adequats.
• Millorar les condicions ambientals i laborals.

Els cremadors més interessants a causa de les seves millores d'operació i de rendiment energètic són:

• Cremadors d'alta velocitat. Augmenten la transferència de calor per convecció a la càrrega aconseguint una major uniformitat de la temperatura.
• Cremadors de flama plana. Desenvolupen la flama en forma de disc per escalfar per radiació des de la volta. Redueixen els temps d'escalfament per a laminació de l'acer d’un 20% a 25%.
• Cremadors recuperatius: duen incorporat un recuperador per preescalfar l'aire de combustió a partir de la calor dels fums.
• Cremadors regeneratius: funcionen per parells que treballen alternativament, preescalfant boles de material ceràmic en un d'ells amb els fums de l'altre.
• Tubs radiants d'alt rendiment.
• Cremadors d’oxigàs: utilitzen oxigen pur com a comburent.

  

  3.2 Cambra d'escalfament

  Tenen formes molt diferents depenent de la funció que dugui a terme el forn. (Vegeu punt 1.2, Forns de reescalfar.)

  3.3 Materials refractaris i aïllants

  El seu objectiu és aïllar l'interior dels forns amb un doble propòsit:

  • Reduir les pèrdues de calor.
  • Aconseguir unes condicions ambientals a l'exterior prou acceptables.

  La capa interior de l'aïllant tèrmic ha de ser capaç de:

  • Suportar l'ambient interior (fums, aire en circulació, gasos reductors, etc.). Resistència tèrmica.
  • Contenir sense reacció química, en termes generals, metalls i no metalls fosos, a alta temperatura, etc. Resistència química

  Segons la temperatura màxima que hagin de suportar, tenim:

  • Productes calorífugs (fins a 150º C). La humitat afecta molt les seves propietats aïllants.
  • Productes aïllants (fins a 1.000º C). N’hi ha de molts tipus, com la diatomita, el carbonat de magnesi, les llanes minerals, la versiculita, l'argila i la perlita expandides i el silicat càlcic.
  • Productes refractaris (fins a 1.500º C). No tenen un punt de fusió determinat, sinó que es fonen en un rang de temperatures (fusió pastosa). Entre ells es troben els silicats d'alumini, les argiles refractàries, els hidrats i els òxids d'alumini i el carbur de silici.
  • Fibres ceràmiques (fins a 1.500º C). Poden suportar l'acció directa de la flama.

  3.4 Xemeneia i tubs d'escapament

  Són els conductes que porten els gasos de combustió des del fogar i la cambra d'escalfament fins a l'exterior.

  Com que els gasos de combustió segueixen calents després de cedir calor a la peça, se solen instal·lar intercanviadors de calor per aprofitar aquesta energia residual per preescalfar els gasos alimentats als cremadors.

4.1 Avantatges dels combustibles gasosos enfront dels líquids

a. Aspectes relacionats amb l'estat físic i la composició química:

Menors costos de preparació del combustible per:

• Eliminació de costos d'escalfament, de bombament i de polvorització.

Millor rendiment energètic derivat de:

• Possibilitat de reduir l'excés d'aire al mínim.
• Absència d’incremats.
• Escalfaments directes amb flama o amb gasos de combustió.
• Facilitat d'implantació de sistemes de recuperació de calor i de regulació automàtica.
• Possibilitat de reduir en gran mesura la temperatura dels gasos de combustió (per sota dels 100º C) per la manca de generació de rosada àcida (condensació d'aigua amb àcid sulfúric dissolt).

Menors costos de manteniment per:

• Absència de sistemes de preparació del combustible i d’emmagatzematge en alguns casos.
• Major durada dels equips consumidors.

Menor inversió en les instal·lacions de combustió.

b. Aspectes relacionats amb el medi ambient:

Inherents a la naturalesa del combustible:

• Eliminació d'emissions de SO2 i de SO3 (pluja àcida).
• Absència d’incremats sòlids i/o cendres.
• Menors emissions de CO i de CO2 (efecte hivernacle).
• Menors emissions de NOX (pluja àcida i efecte hivernacle).

4.2 Avantatges de la utilització de gas enfront de combustibles líquids i electricitat

Menors emissions per unitat de producte fabricat:

Forns de reverber. Permeten utilitzar tecnologies com els cremadors regeneratius i les unitats de fusió ràpida que fan que competeixin amb els forns de gresol; presenten estalvis de combustible de més del 50% respecte a aquests.

Forns continus de reescalfament. Produeixen l’augment de la productivitat i de l’estalvi energètic per:

• Reducció de les pèrdues per oxidació i per descarburació (d'un 1,5%-2% a un 1%).
• Disminució de pèrdues per escata: augmenta la producció entre un 1% i un 2%.
• Les pèrdues de calor sensible són menors que en el cas del fuel per ser menor la quantitat de gasos.
• Major durada dels refractaris.
• Menor necessitat de neteja del forn.

Indústria del maó i de la ceràmica artística. El seu ús reverteix en:

• Augment de la producció.
• Disminució en el consum específic de la planta (entre un 4% i un 15%).
• Augment de la qualitat del producte acabat.
• Menor volum d'emissions.
• Reducció dels costos d'explotació enfront de l'energia elèctrica.

Forns de recuita de gas. La substitució per forns de gas dels forns elèctrics suposa un estalvi energètic de prop del 50%. No obstant això, els forns de gas tenen un menor rendiment energètic que els elèctrics.

Forns discontinus de petita forja: El seu principal avantatge és la flexibilitat per adaptar-se a tot tipus de format de les peces que proporciona, a més d'un bon rendiment tèrmic.

4.2.1 Desavantatges

• Les combustions són perilloses perquè existeix risc d'explosió i, per tant, els dipòsits de gas han d'estar allunyats del forn, amb el consegüent cost de bombament.
• Els forns de gas només poden escalfar peces senceres, al contrari dels elèctrics, que poden escalfar parts independents de la peça.
• Les emissions, encara que són menors que en el cas de combustibles líquids, segueixen sent un desavantatge enfront dels forns elèctrics.
• Operacions de neteja més freqüents que en els forns elèctrics.
• Menor rendiment energètic que els forns elèctrics.

Els forns de gas s'apliquen en un gran nombre de processos en diferents camps de la indústria, encara que en molts d'ells l’aplicació és compartida amb forns elèctrics, que és fins i tot l'opció minoritària. Els principals camps d'aplicació són:

• Indústria siderúrgica, des de forns alts de reducció de mineral de ferro fins a forns de tractaments tèrmics de barres, xapes, perfils, etc.
• Indústria siderúrgica, des de forns alts de reducció de mineral de ferro fins a forns de tractaments tèrmics de barres, xapes, perfils, etc.
• Indústria del coure i dels seus aliatges (bronzes, llautons, cuproníquels, alpaques, etc.).
• Indústria del coure i dels seus aliatges (bronzes, llautons, cuproníquels, alpaques, etc.).
• Fosa tant de metalls fèrrics com de no fèrrics.
• Indústria de productes manufacturats. Aquí s’inclouen els materials elèctrics, la indústria dels electrodomèstics, els tallers de caldereria, la fabricació de peces metàl·liques, la indústria de la màquina eina, la indústria electrònica, etc.
• Indústria química, incloent-hi la farmacèutica i la petroquímica.
• Indústria auxiliar. En aquest camp entra la fabricació de rodaments, bugies, accessoris de canonada, frens, etc.
• Indústria de la ceràmica i del vidre, que són grans consumidores d'energia.

Davant de la necessitat d'aconseguir la màxima eficàcia tèrmica és fonamental el desenvolupament de noves tècniques encaminades a millorar l'eficiència energètica a cada una de les etapes de la vida del forn. Algunes d'aquestes tècniques es descriuen a continuació.

6.1 Disseny i utilització del forn

• L'elecció del tipus de forn, la seva capacitat, del tipus de calefacció i de la manera d'operar, s’ha de fer sempre mitjançant un estudi tècnic i econòmic, amb l’optimització del disseny per adequar-lo a l'objectiu.
• S’ha de procurar que el forn s'utilitzi exclusivament per realitzar les seves operacions intrínseques.
• Sempre que sigui possible s’ha de passar del treball discontinu al continu.
• En els processos discontinus s’han d'utilitzar forns de baixa inèrcia tèrmica per arribar més ràpidament a la temperatura d'operació i tenir menys pèrdues energètiques a les aturades.
• Una bona estanquitat del forn evitarà entrades d'aire incontrolades.
• La utilització de materials altament refractaris permet assolir temperatures més altes de flama, amb la consegüent millora de l'eficàcia.

6.2 Procés

• S’ha de treballar, sempre que sigui possible, a plena capacitat de la instal·lació.
• Als forns de funcionament intermitent s’ha de programar el treball de manera que els temps d'espera siguin mínims.
• S’ha d'automatitzar al màxim el control del procés i també les operacions de càrrega i de descàrrega, i cal evitar operacions errònies.
• Estudieu la possibilitat de canviar el procés, en si mateix, per un altre de menor consum energètic.
• Aprofiteu l'energia despresa en els processos exotèrmics.
• No opereu mai a temperatures més altes del que és necessari.
• Empreu aire enriquit i preescalfat per millorar la cinètica del procés i el balanç tèrmic.
• Empreu oxigen pur com a comburent per minimitzar el volum dels gasos de combustió.
• Recupereu els efluents valuosos i aprofiteu tèrmicament el carboni i el monòxid de carboni per produir, mitjançant la seva combustió, vapor.
• Mantingueu una bona qualitat dels productes, amb la qual cosa s’aconsegueix una major eficàcia en l'ús del combustible.
• Acobleu el forn amb la resta del procés, utilitzant la seva energia residual en etapes que consumeixen energies de qualitat decreixent.
• Utilitzeu cremadors recuperatius o regeneratius.

6.3 Alimentación

• Eviteu una excessiva humitat en el producte que cal tractar assecant-lo abans d’introduir-lo al forn mitjançant gasos residuals o altres energies semidegradades.
• Estudieu l'emmagatzematge de matèries primeres, i eviteu, per a les que captin fàcilment la humitat, temps perllongats a la intempèrie.
• Milloreu el procés químic i l'intercanvi tèrmic amb la utilització de matèries primeres amb granulometries adequades.
• Utilitzeu materials semielaborats procedents de processos en què s'obtenen amb una eficàcia tèrmica més gran de la que s'aconsegueix en el procés principal.
• Utilitzeu fundents amb la finalitat de rebaixar la temperatura d'operació.

6.4 Combustión

• Optimitzeu la combustió amb equips d'anàlisis de gasos i regulant-la automàticament.
• Utilitzeu combustibles preescalfats.
• Treballeu a una temperatura de flama tan pròxima a la teòrica com sigui possible.

6.5 Efluents

• No refrigereu, o no deixeu refredar, els productes intermedis que posteriorment s’hagin d’escalfar.
• La temperatura de sortida de gasos i de productes més adequada és la necessària per a l'etapa següent.
• Si la temperatura dels efluents és superior a la requerida, es poden utilitzar per preescalfar la càrrega, l'aire de combustió, el combustible, utilitzant-los en una altra part del mateix procés o bé instal·lant una caldera de recuperació.
• Si la temperatura dels gasos d'escalfament és més alta de la requerida, recirculeu part dels gasos efluents per disminuir l'excés d'aire, tot limitant la temperatura a la cambra de combustió i augmentant la velocitat del gas a les zones de precalefacció i de calefacció.

6.6 Manteniment i pèrdues

• Programeu el manteniment preventiu per evitar aturades imprevistes.
• Calculeu la utilització òptima dels aïllants per evitar temperatures de paret excessives.
• Elimineu la visió des de l'exterior de les zones vermelles del forn amb la finalitat de tallar les pèrdues per radiació.
• Utilitzeu la calor de les refrigeracions per a usos diversos, com ara calefacció, vaporització al buit, etc.
• Escurceu el temps de les aturades, per evitar perdre tota la calor acumulada en els forns.

Informació complementària: vegeu Catàlegs combustió, forns, forns elèctrics, recuperació de la calor residual, assecadors i Fitxes forns elèctrics i assecadors industrials.