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PROCESO DE FABRICACIÓN DEL VIDRIODoris Adriana Peña Muñoz María Paula García Yefri Roa TorresUniversidad ECCI Facultad de Ingeniería Programa: Tecnólogo. Gestión de procesos industriales Bogotá, Colombia 2016*Hernán Castillo LozanoTabla de contenido INTRODUCCION PROCESO DE FABRICACIÓN DEL VIDRIO 4- ...

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PROCESO DE FABRICACIÓN DEL VIDRIO

Doris Adriana Peña Muñoz María Paula García Yefri Roa Torres

Universidad ECCI Facultad de Ingeniería Programa: Tecnólogo. Gestión de procesos industriales Bogotá, Colombia 2016

*Hernán Castillo Lozano

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Tabla de contenido INTRODUCCION

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PROCESO DE FABRICACIÓN DEL VIDRIO

4-5

COMPONENTES SEGUNDARIOS6-7 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

8-10

EQUIPOS DE USO EN ELABORACIÓN DEL VIDRIO PROCESO DE FABRICACION

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11-15

PROCESOS SEGUNDARIOS Y DE FABRICACIÓN………………………………………………………………………………… 16-18 IMPACTO AMBIENTAL………………………………………………..……………………………………………………………………19-20 MITIGACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL……………………………………………………………………………………………21-22 ANÁLISIS…………………………………--…………………………………………………………………………………………………………23 CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………..……………………………….24 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………………………………………………25

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INTRODUCCIÓN

La industria del vidrio es una de las más antiguas creadas por el hombre, apareció hace varios milenios en el mediterráneo, casi en el mismo momento en que otras dos grandes industrias se hicieron posibles gracias al domino de altas temperaturas que fueron las de la cerámica y el metal. Fue en Roma donde nació la industria vidriera hacia el año 20, con el descubrimiento del vidrio soplado. En el siglo II los Romanos conocían el vidrio traslucido y fabricaban objetos de vidrio, espejos de cristal sobre metal y lupas. Existe una gran variedad de vidrios y una gran diversidad de procesos industriales según el uso de cada uno; según éste uso se puede distinguir 6 tipos de productos de ésta industria: 

El cristal de vidrio ordinario



El cristal para ventanas



Espejería e industria del automóvil



Los vidrios huecos que son utilizados en botellas y cubilitería



Los vidrios técnicos que son utilizados para la óptica, las ampollas, tubos de televisor y más



La fibra de vidrio utilizada como textil o en la forma de paneles que sirven para aislamiento térmico El vidrio se forma con diferentes tipos de sales, el componente más importante es el dióxido de silicio en forma de arena.

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PROCESO DE FABRICACIÓN DEL VIDRIO

Materias primas vitrificantes, fundentes y estabilizantes Vitrificantes Son aquellas materias primas que aportan óxidos formadores de red, es decir óxidos que en condiciones habituales de fusión y enfriamiento dan lugar a vidrios estables con aplicaciones industriales en usos generales. SÍLICE- El aporte de la sílice a la producción siempre se ha realizado por la adición de arenas de cuarzo en su formulación. En cualquier caso la arena es la materia prima básica para la obtención de la mayor parte de los vidrios. Es tal importancia del uso de la arena en la producción de vidrios que el mercado de arenas en el mundo comprende un 18% para la fabricación de vidrio plano y un 39% para la fabricación de vidrio hueco. OXÍDO DE BORO- Es el formador de “vidrios de boro silicato”. Este tipo de vidrios son muy usados en material de laboratorio, como vidrios termo resistentes, fibras de vidrio, vidriados, vidrios resistentes etc. El efecto sobre la viscosidad de la adición de boro es tal que con sólo sustituir un 1,5% de SiO2 se mejora la extracción del fundido en un 15,20$, además se produce un efecto denominado “anomalía bórica” de manera que hay cambios de coordinación de triangular a tetraédrica mejorando o empeorando ciertas propiedades.

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PENTOXÍDO DE FÓSFORO- Los grupos de fosfato así como otros grupos constituyen un tercer grupo de formadores de vidrio que se formulan básicamente por la introducción de materias primas o minerales de fosfato en la red. Fundentes Son los minerales que aportan óxidos fundentes que son básicamente óxidos puros o compuestos químicos que contiene óxido al introducirse a la red vidriera, facilitan la obtención de menores intervalos de fusión para el vidrio cómo: 

Óxidos alcalinos



Óxido de potasio



Óxidos alcalinotérreos



Óxido de calcio

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Óxido de magnesio

Estabilizantes 

Aluminio calcinada

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Hidróxido de aluminio

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Nitrato de aluminio



Diásporo

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Bauxita

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Hidrargírica

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Ortoclasa

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Plagioclasas

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Anórtica

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

Granito

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Traquita

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Nefelina



Caolín COMPONENTES SECUNDARIOS

Afinantes Son los que permiten durante el proceso de fusión favorecer la eliminación de burbujas. Opacificantes Permiten dispersar la luz por defecto tindall por dispersión de pequeños cristalitos dispersos en la matriz dando lugar a vidrios opales y opacos. Colorantes Su adición permite obtener todo tipo de vidrios colorados en masa. Suelen ser óxidos de elementos de transición, algunos pares con red-ox y elementos en estado coloidal. Decolorantes Son elementos que se añaden para neutralizar efectos de color producidos por impurezas de las materias primas. Solarizantes Son elementos u óxidos que se añaden, como es el caso del MnO2, para producir efectos de la irradiación solar sobre la coloración y transmisión óptica del vidrio. Activantes

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Son óxidos o elementos que se añaden para obtener respuestas activas del vidrio de todo tipo. La materia prima secundaria más común en la industria del vidrio es desde hace años el propio casco de vidrio que dispone de una red perfectamente establecida de la recogida, clasificación y molienda del mismo por lo que se utiliza en la fabricación de todo tipo de vidrios como el vidrio plano, hueco, gresite etc.

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DESCRIPCION DEL PROCESO

Recepción de materias primas En esta etapa se tiene que garantizar un control operativo y técnico en las materia primas para verificar su calidad tanto física como química. La operación principal de esta etapa es la realización de los análisis físicos y químicos realizados a la materia prima, los cuales verifican el cumplimiento de las especificaciones; primero que todo se debe cumplir con el requisito de la granulometría, esto quiere decir que el tamaño de los granos de cada material debe estar entre ½ y ¾ de milímetro. Para el feldespato y la arena se deben cumplir otros requisitos tales como tener una descomposición química estable y determinada, la arena no debe tener arcillas y su contenido de óxidos de hierro debe ser lo más bajo posible. Si el producto cumple con todas las especificaciones se define que ya está en disposición para ser utilizado posteriormente; pero si la materia no cumple las especificaciones se procesa a darles un manejo preestablecido como productos no-conformes.

Preparación de las mezclas Esta operación pasa por cuatro etapas que son Almacenamiento

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Consiste en ubicar las distintas materias primas en diferentes sitios en donde permanecerán hasta su utilización. Pesaje Siguiendo la formulación previamente establecida se pesa cada uno de los componentes mediante mecanismos automáticos y en las producciones determinadas. Mezclado Luego de ser pesado cada una de las materias primas, son enviadas a las mezcladoras en donde por un tiempo previamente establecido y con una condición especifica de agua, los componentes son mezclados totalmente. Transporte Finalmente la mezcla es enviada por medio de elevadores y transportadores hasta los sitios donde queda finalmente lista para ser cargada al horno. Fusión de la mezcla y refinación del vidrio El horno es el sitio donde se lleva a cabo la fusión de las materias primas, consiste en un recipiente rectangular construido con materiales refractarios resistentes al desgaste producido por el vidrio líquido y las llamas. El horno utiliza como combustibles el crudo de castilla para producir el calor por medio de dos quemadores los cuales funcionan alteradamente veinte veces cada uno. Por uno de sus extremos se carga la mezcla mientras que por el otro se extrae el vidrio fundido, posteriormente hay una entrada de aire de 1000°C con el fin de enfriar el vidrío que se encuentra dentro del horno; los gases producidos por el horno son expulsados por los regenadores a 1300°C. Aquí todas las materias

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primas no son propiamente fundidas, sino que al suministrarles calo, primero se descomponen y después reaccionan; así que los componentes que tienen menor punto de fusión se vuelven líquido más rápido que los que tienen mayor punto de fusión a medida que va aumentando la temperatura estos últimos también se funden y desaparecen como materiales cristalinos. Luego del vidrío fundido pasa a un segundo tanque llamado tanque de refinación, donde se intenta igualar la temperatura del vidrio en toda su extensión para posteriormente repartirlo a las máquinas formadoras por medio de las canales. Acondicionamiento del vidrio Este canal es el encargado de enviar el vidrio desde el tanque hasta el lugar donde están las máquinas formadoras de envases, durante este trayecto se disminuye la temperatura del vidrio gradualmente con lo cual también aumenta su viscosidad de tal manera que al final del canal se obtenga el vidrio en un estado en el que se puede moldear correspondiendo a una cierta temperatura. Posteriormente se traslada a un arca de recocido en la que mediante un tratamiento térmico se eliminan tensiones internas y el vidrío adquiere su grado definitivo de resistencia. Subproducto que se obtiene del proceso El subproducto que se obtiene del proceso la mayoría es el casquillo que suelta el vidrio que vuelve a ser reutilizado para la fabricación de vidrios de diferentes tipos, los otros residuos que deja el proceso los reciclan dando muestras de una extraordinaria sensibilidad y capacidad de sintonizar con los problemas de la sociedad actual.

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EQUIPOS DE USO EN LA ELABORACION DEL VIDRIO

Se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como sílice, fundentes, como los álcalis, y estabilizantes, como la cal. Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo. La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire de combustión se calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno se calienta por contacto con los gases ardientes mientras el otro proporciona el calor acumulado al aire de combustión. La mezcla se funde (zona de fusión) a unos 1.500 °C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800 °C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación. PROCESO DE FABRICACION A medida que la arena y la ceniza de soda son recibidas, se muelen y almacenan en depósitos en altura, en espera del momento en que serán transferidas a través de un sistema de alimentación por gravedad a los pesadores y mezcladores. En los mezcladores las materias primas son dosificadas y combinadas con vidrio reciclado para formar una mezcla homogénea, la cual es trasladada por medio de cintas transportadoras a un sistema de almacenamiento de cargas (batch) donde es contenida antes de ser depositada en el alimentador del horno de fundición. Al entrar la carga al horno a través de los alimentadores, ésta flota en la superficie de la masa de vidrio fundida. Una vez que se funde, pasa al frente del baño y eventualmente fluye a través de la garganta de carga al

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refinador, donde es acondicionada térmicamente para descargar al proceso de formado. En la figura 2.1 puede verse un esquema del proceso básico. En esta operación son utilizado tanto hornos de crisol como de tanque o continuos, dependiendo principalmente de la cantidad de vidrio a producir. En general para la producción en menor escala se utilizan hornos de crisol, mientras que en las de mayor se suelen utilizar hornos continuos a. Hornos de crisol. Los hornos de crisol son estructuras construidas de material refractario, resistente a los ataques del vidrio a cualquier temperatura. Durante el proceso de fundido en crisol, no hay contacto directo entre el horno y el vidrio y en general en el horno se pueden utilizar varios crisoles a la vez. Los hornos de crisol son utilizados donde los artículos de vidrio son formados manualmente o por soplado a boca. Un crisol tiene una vida útil de cerca de 30 ciclos pudiendo producir entre 18 y 21 toneladas de vidrio. b. Hornos de tanque o continuo. Este tipo de horno es utilizado donde es necesario un flujo continuo de vidrio para la alimentación de máquinas automáticas de formado, por su mayor eficiencia en el uso del combustible es empleado principalmente para la producción en gran escala. Un horno de tanque consiste de una tina (con una capacidad de hasta 2000 toneladas, construida de un material refractario) y de una estructura donde tiene lugar la combustión. Para alcanzar altas temperaturas de fusión con economía de combustible, son usados sistemas regenerativos y recuperativos, los cuales utilizan los gases de escape para calentar el aire de combustión que ingresa. Mientras que en el sistema recuperativo el intercambio de calor entre el aire y los gases de escape es continuo, en el sistema regenerativo los gases de escape son pasados a través de una gran cámara con bloques de refractarios dispuestos de forma tal que permitan el libre flujo de los gases, siendo la obra de ladrillos calentada por éstos. Después de aproximadamente 20 minutos, la dirección de los gases es invertida, pasando entonces el aire de combustión por la masa de ladrillos calientes; aprovechándose de ésta forma el calor recolectado

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anteriormente para precalentar el aire de combustión. Petróleos pesados y gas natural son los combustibles normalmente usados en este tipo de hornos. Sin embargo, ya que el vidrio es un conductor eléctrico a alta temperatura, éste puede ser fundido utilizando electricidad. Se muestran las tecnologías empleadas en la Región Metropolitana para la producción de vidrio y fritas. Se puede observar que aunque existe un número equivalente de hornos batch y continuos, el aporte en la producción de los primeros es notablemente mayor con aproximadamente un 93% de la producción total. Estos hornos en general están dedicados a la producción de envases y ampolletas. PROCESO DE FORMADO En general los procesos de formado más comunes, y los cuales están presentes en Chile son los utilizados en la fabricación de los siguientes tipos de productos: · Envases. · Vidrios planos. · Ampolletas. A. FABRICACION DE ENVASES. a. Soplado por boca. En la operación de soplado por boca, una varilla de hierro hueca o “caña” es sumergida en un crisol que contiene el vidrio fundido, para recoger una porción en la punta por rotación de la caña. El vidrio tomado, es enfriado a cerca de 1000°C y rotado contra una pieza de hierro para hacer una preforma. La preforma es entonces manipulada para permitir su estiramiento, nuevamente calentada y soplada para que tome una forma semejante a la del artículo que se quiere formar, siendo luego colocada en el interior de un molde de hierro o madera y soplada para darle su forma final.

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b. Fabricación semi-automática de botellas. Al igual que en el soplado a boca, la operación se inicia tomando una porción de vidrio en una varilla, la cual se hace fluir en un molde de preformado hasta que ha entrado una cantidad suficiente, en ese momento el vidrio es cortado con unas tijeras. En el fondo del molde de preforma se encuentra un vástago destinado a realizar una abertura en la pieza, por la cual será soplado aire que dará forma al producto. Una bocanada de aire a presión impulsa el vidrio hacia arriba contra las paredes del molde de preforma y una placa ubicada en la parte superior, hasta formar una preforma, siendo ésta una botella de paredes gruesas y forma vagamente semejante al producto final. La preforma es entonces removida y transferida al molde final, donde nuevamente será soplada hasta adquirir su forma final. El molde es entonces abierto, y la botella removida y colocada en el túnel de recocido. c. Producción automática de envases. El principio de la producción automática es exactamente el mismo que el descrito anteriormente. Dejándose caer el vidrio en el molde como una gota. Vidrio prensado. Un vástago es utilizado para dar forma a la superficie interior del artículo, al empujar el vidrio contra el molde exterior. El prensado puede ser hecho tanto con la ayuda de un operador, como en forma completamente automática. B. FABRICACIÓN DE VIDRIO PLANO. a. Procesos de flotación. En este proceso el vidrio es mantenido en una atmósfera químicamente controlada a una temperatura suficientemente alta (1000 ºC) y por un tiempo suficientemente largo como para que el vidrio fundido quede libre de irregularidades y su superficie llegue a ser plana y paralela. En esta condición, el vidrio es vertido sobre una superficie de estaño fundido, que al ser perfectamente plana permite obtener también un producto de estas características La lámina es enfriada mientras aún avanza a lo largo del estaño fundido, hasta que la superficie alcanza una consistencia suficientemente como para ser transportada sobre una cinta sin que el vidrio quede

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marcado (aproximadamente 600ºC). La lámina entonces pasa a través de un horno túnel de recocido, mientras es transportada camino a su almacenaje, donde computadoras determinarán el corte de la lámina para satisfacer las ordenes de los clientes. b. Proceso de rodillo. El proceso consiste básicamente en hacer pasar un flujo continuo de vidrio fundido a través de rodillos enfriados por agua. C. FABRICACIÓN DE AMPOLLETAS. En la fabricación de ampolletas, un flujo de vidrio fundido fluye desde el horno hacia abajo entre dos rodillos enfriados por agua y sobre la máquina para formado de preformas. Una vez que abandona los rodillos, la pieza es llevada a una plancha con una serie de orificios, formando una fila continua de piezas con agujeros. A medida que las preformas se mueven hacia delante, una cadena continua de sopladores va inyectando aire en las piezas a través del agujero, transformando la ampolla en ampolletas dentro de un molde giratorio, que se abre y cierra alrededor de ellas. Aun moviéndose hacia delante sobre la cinta, la ampolleta ya formada abandona el molde, siendo enfriada por un flujo de aire (enfriadores jets) y es entonces removida de la cinta para caer en el cucharón de una mesa giratoria. Este la deposita en una cinta transportadora, que las lleva a través del horno túnel de recocido y posteriormente a los enfriadores de aire, para luego ser inspeccionadas y empacadas. La parte no utilizadas de la preformas pasan directamente al sistema de reciclado siendo nuevamente fundidas .

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PROCESOS SECUNDARIOS Y DE ACABADO.

Una vez realizadas las operaciones de formado, los objetos de vidrio obtenidos, pueden pasar a través de una serie de procesos secundarios y de acabados, entre los cuales se cuenta. · Recocido · Templado · Pintado · Decorado El primero de ellos, el recocido, es prácticamente obligatorio pues libera al producto de vidrio de tensiones internas del material que causan una extrema fragilidad del producto. a. Recocido. El proceso de recocido es utilizado para liberar las tensiones internas, que se producen debido al rápido e irregular enfriamiento de la pieza de vidrio durante la operación de formado. Para ello la pieza es vuelta a calentar y luego enfriada lentamente. La operación se realiza utilizando para ello un horno tún...