Skip to main content.
VIDRIO Y REFRACTARIOS
Producción de vidrio, hornos de fundición y materiales refractarios


La producción de vidrio es un proceso que se debe realizar con mucho cuidado y que requiere que se cumpla con muchas especificaciones técnicas, de diseño, de producción y de almacenamiento.

A pesar de cumplir con todo ello, muchas veces se obtienen envases que son rechazados por las máquinas de inspección o por los operarios que trabajan en planta haciendo inspecciones finales o intermedias en la línea de producción. Los motivos por los que podría ser rechazado un envase son:

- Peso no adecuado para el envase

- Paredes muy delgadas o muy gruesas, o que no tienen un espesor constante.

- Color defectuoso o transparencia inadecua

- Presencia de elementos extraños en los envases (piedras, semillas, etc.)

- Algunos otros defectos más complejos

 

Algunos motivos por los cuales se producen estos defectos son: 

- Posible error en la receta al preparar la materia prima.

- Casco (vidrio roto en materia prima) con presencia de elementos extraños.

- Temperatura inadecuada del vidrio fundido, a la entrada en las máquinas de formación.

- Mal sistema de enfriamiento de las máquinas de formación.

- Materiales del horno (tanque de fusión, refinador,  alimentadores, etc.) muy viejos y desgastados.

- Mala manipulación de los envases producidos.

- Alguna falla en el molde o pre-molde

-  Etc.

 

Entonces, a continuación veremos graficamente algunos de los defectos en los envases de vidrio:

 

Cuello taponeado (chocked neck)

Cuello.taponeado_http.controldevinos.blogspot.com

 

Un horno de fundición de vidrio tiene un promedio de vida de entre 10 y 12 años, luego de ese tiempo se debe realizar una reparación mayor, que incluye casi el total del cambio de refractarios en la mayoría de zonas del horno. Durante ese tiempo el horno no se apaga y produce vidrio de manera contínua, pero para poder alcanzar este tiempo de vida se deben realizar algunas reparaciones en caliente que podrían afectar (disminuir) la producción durante unas horas o días, o no.

En el área del horno que no tiene contacto con el vidrio, los refractarios sufren desgaste básicamente debido al ataque de los gases de combustión y otras reacciones químicas que se generan al interior del horno, o que podrían estar afectando al material desde el exterior. Se detallarán algunos casos a continuación.

 TANQUE DE FUNDICIÓN (MELTER)

 Corona del Tanque de Fundición (Melter Crown)

 La corona es una estructura formada por miles de ladrillos de Sílica en forma de cuña, unidos entre sí por un mortero, y que están cubiertos por varias capas de material aislante y muchas veces una lámina de aluminio. Después de un tiempo prolongado de funcionamiento del horno ésta estructura sufre daños por el constante ataque químico de los gases de combustión, por ello estos ladrillos se desgastan (o la unión entre ellos) y permiten que formen agujeros por los que se escapa el fuego y se pierde presión en el tanque de fundición, y esto genera una operación menos eficiente en la operación del horno.

 Según sea el caso o la magnitud del desgaste se pueden realizar distintos tipos de reparación.

  •  Si solamente hay zonas rojas sobre la corona, se monitorea para verificar en que momento se debería hacer una reparación en caliente.
  •  Si ya hay un pequeño agujero se debe cubir con mortero de Sílica y luego ya retirar el material aislante en esa zona.
  •  Si se han formado agujeros muy grandes, también se pueden cubrir con mortero o dependdiendo de la magnitud se pueden poner ladrillos colgados (hanging bricks) para taponear ese defecto y a su vez rellenar con mortero los espacios que queden libres.
  •  Si ya existen demasiadas zonas con agujeros se debería hacer un vaciado con mortero de Sílica, para cubrir toda el área superficial de la corona.

Melter crown repair

[Reparación en caliente de la corona del horno, parcheo con mortero de Sílica e instalación de ladrillos colgantes]

Superestructura lateral del Tanque de Fundición (Melter Breastwall)

Esta zona del tanque de fundición está formada por grandes bloques pre-fabricados, y está aislada en su parte externa solamente por planchas de fibra cerámica.

Aquí normalmente no ocurre mayor problema durante toda la vida del horno; pero si se producuiría alguno, la recomendación nunca será enfriar con aire, ya que eso sería contraproducente, porque al contrario de ser beneficioso, aceleraría la reacción química y el desgaste del refractario; lo que se podría hacer es aislar con otroso materiales por la parte externa de la pared.

Un horno de fundición de vidrio tiene un promedio de vida de entre 10 y 12 años, luego de ese tiempo se debe realizar una reparación mayor, que incluye casi el total del cambio de refractarios en la mayoría de zonas del horno. Durante ese tiempo el horno no se apaga y produce vidrio de manera contínua, pero para poder alcanzar este tiempo de vida se deben realizar algunas reparaciones en caliente que podrían afectar (disminuir) la producción durante unas horas o días, o no. En el área del horno en contacto con el vidrio, los refractarios sufren desgaste básicamente debido a la abrasión del vidrio fundido que choca con las paredes o bloques en determinada zona y a una muy alta temperatura. Se detallaran algunos casos a continuación.

TANQUE DE FUNDICIÓN (MELTER) Paredes Laterales del Tanque de Fundición (Melter Sidewall blocks)

Las paredes laterales del horno, que se conforman de bloques de AZS (Alúmina-Zircon-Sílice) de entre 10 y 12pulg de espesor, sufren desgaste a la altura de la línea de vidrio, esto se puede observar a partir del segundo año de producción aproximadamente, se podrá ver por la cara externa del tanque que los bloques se ponen rojos y la temperatura sobre los bloques sobrepasa los 250°C.

Desgaste.paredes.laterales.jpg

[Esquema del desgaste de las paredes laterales conforme pasa el tiempo / Foto en el interior del tanque de fundición]

Si el desgaste que existe en los bloques laterales no es tan perjudicial se instala un sistema de tuberías con aire, para enfriar las paredes y así evitar un desgaste más rápido del refractario. Cuando ya, el desgaste sobrepasa las 5 o 6pulg se debe reparar el bloque, parchándolo de manera externa con ladrillos de Bonded AZS que resistan el choque térmico. Este parcheo se debe reemplazar una vez que estos bloques también hayan sufrido desgaste.

Paredes.laterales_Air.cooling_Overcoat.jpg

[Bloques laterales enfriados con aire / Bloques laterales con Doble Parcheo*] (*No se debe realizar un doble parcheo, desgasta más los bloques y la solera superior. Sólo se debe reemplazar el 1er parcheo que se realizó)

En hornos que tengan electrodos en las paredes laterales, para ayudar a la fundición de vidrio, se debe verificar periódicamente si en la zona de los bloques laterales que tienen los agujeros, hay rajaduras visibles, o en el peor de los casos, se ven líenas rojas por las que podría ocurrir en un caso extremo una fuga de vidrio. Si fuera este el caso, se debe instalar aire de enfriamiento y de ser necesario sellar las rajaduras con mortero de alta alúmina para evitar la rotura del bloque o fuga de vidrio.

Paredes.laterales_electrodos.jpg

[Bloque con agujero para electrodo que ya está rajado y se ven líneas rojas. Debe ser sellado]

Construir un horno nuevo o hacer una reparación mayor es un proyecto muy caro de realizar, para hornos de gran capacidad de producción; por ello, antes de llevar todos los materiales a la planta donde se construirá el horno y comenzar con el ensamble de los bloques refractarios, se debe visitar la planta donde se han fabricado los bloques refractarios. Una vez ahí, en la planta de fabricación de bloques refractarios, se inspecciona cada uno, para intentar encontrar defectos de los que nos podríamos arrepentir después. Se verifica, en cada bloque, lo siguiente: - Que cada bloque sea del material que se requiere - Que cada bloque tenga las medidas indicadas en los planos que se entregó al proveedor - Que no hayan rajaduras importantes en los bloques - Que las esquinas estén con el ángulo correcto - Que las caras que deben estar lisas, lo estén - Que las caras de cada bloque sean planas (sin relieves o curvas que no se aceptarían), o que tengan la inclinación que se pidió en cada plano - Si algunos bloques deben tener agujeros para facilitar su carga y ensamble, verificar que los tengan - Si se pidió que no tengan rechupe (originado por la fundición), verificar que realmente no lo haya Etc. Bloques refractarios                (Bloques individuales listos para ser inspeccionados)


También en la planta de fabricación de bloques refractarios, siempre se realizará un pre-ensamble de todos los bloques, así como quedará después en la planta donde estará el nuevo horno. En este caso, se debe verificar lo siguiente: - Que las medidas del ensamble sean las correspondientes a los planos de construcción - Que los bloques que están uno junto al otro tengan el borde de cada uno a la misma altura - Que el armado corresponda a como se planificó el ensamble de los bloques con relación a la dirección del flujo de vidrio - Si se pidió que cada bloque esté numerado, verificar que el armado corresponda a como está la numeración en los planos. Etc. Bloques ensamblados (Ensambles de bloques: Canales de la alcoba, Breastwall, Garganta)


Además de los bloques refractarios, hay otros materiales necesarios para la construcción del horno: En el caso de los ladrillos (de varias dimensiones), se debe verificar principalmente que sean del material que se ha pedido, que no estén húmedos por el tiempo que hayan pasado en los almacenes y que los tengamos en la cantidad que se pidió. En el caso de los morteros, se debe verificar que exista cada tipo que se requirió y en la cantidad (peso) que se pidió, además que estén aún utilizables y que no haya pasado su fecha de vencimiento, ya que podrían estar húmedos o en mal estado; y por ello, no podrán cumplir luego con su función de unir los bloques o ladrillos que se requiera. Ladrillos y Morteros (Ladrillos de Sílica, Bolsa de mortero A-621 y una prueba para comprobar la humedad)


Bueno, esto ha sido una rápida lista de aspectos importantes a considerar cuando se adquieren productos refractarios para la construcción de hornos. Esto nos ayudará a tener todo lo que necesitamos para nuestro proyecto y asegurará que cada material que hemos comprado nos va a servir según lo hemos planificado.

Primero... ¿Qué son los refractarios? Los refractarios son materiales cerámicos capaces de soportar elevadas temperaturas (mayores a 1500°C) sin modificar sus propiedades, corroerse o debilitarse por el entorno en el que se encuentran. Los refractarios se encuentran en forma de ladrillos; bloques con caras lisas, que se fabrican como electrofundidos o prensados; morteros, que sirven para unir ladrillos o bloques entre sí; o como cementos, para construir algunas formas especiales.

Tipos de refractarios

Se puede dividir a los refractarios, por sus propiedades químicas, en ácidos, básicos, neutros y anfóteros. Los refractarios ácidos incluyen las arcillas de sílice y de alúmina, éstos son relativamente débiles pero poco costosos. Los refractarios básicos se basan en Magnesia (MgO), Dolomita, Forsterita y Magnesia-Cromo; ésto hace que tengan alto punto de fusión, buena refractariedad y buena resistencia al ataque por el entorno en el que se encuentran inmersos; éstos refractarios son más caros que los ácidos. Los refractarios neutros son de carbono, Cromita, Zircón. Estos se utilizan para separar los refractarios ácidos de los básicos, y así evitar que se ataquen uno al otro. Los refractarios anfóteros son los que poseen una alta o muy alta concentración de Alúmina.

Ahora... ¿Cómo usamos éstos refractarios en los hornos de fundición de vidrio?

Los refractarios en la industria del vidrio se pueden dividir, según su aplicación, en: materiales en contacto con el vidrio, área en la superestructura sobre el vidrio y el área del sistema de regeneración. Los refractarios en el área de contacto con el vidrio influyen directamente en la calidad final del vidrio y son los más afectados con el desgaste que genera el vidrio; los de la zona de la superestructura no están tan afectados por el desgaste que genera el vidrio, pero deben ser muy estables ya que si algún material en esa zona falla o cae al vidrio fundido, será una gran fuente de defectos en el vidrio final; los refractarios en la zona de regeneradores se eligen principalmente por sus características de vida útil, ya que ellos raramente influyen en la calidad final del vidrio.

TANQUE DE FUNDICIÓN (MELTER)

En el tanque de fundición, las zonas de contacto con el vidrio, que son el piso y las paredes laterales, se construyen con refractario de Alúmina-Zircón-Sílice (AZS), tanto el piso como las paredes laterales se aislan también con otros refractarios de menor costo/calidad; en el caso de las paredes se aisla con Bonded AZS, ladrillos de arcilla Super Duty y paneles de fibra cerámica; en el piso se aisla con ladrillos de Zircon, mortero de Zircon, Super Duty y ladrillo de aislamiento IFB. Algunos hornos (según el color de vidrio a producir) tienen el piso en contacto con vidrio construído con bloques de Zircón. Las zonas que no están en contacto con el vidrio se construyen con bloques y ladrillos de AZS y Sílice (según el tipo de horno) y también son aisladas con otros refractarios de menor costo/calidad. Siempre se separa el AZS de la Sílica con ladrillos neutros de Zircón, para evitar el ataque químico entre ellos. La corona normalmente se construye con ladrillos tipo cuña de Sílica, y también se aisla con ladrillos de sílica aislante y ladrillos IFB. La garganta, que conecta el Tanque de fundición con el Refinador, también se construye con AZS, pero se cambian muchas veces unos bloques en las zonas de mayor desgaste del vidrio por bloques de Cromo, que son también más caros.

Melter.Inside_O-I.Lurin.C

[Horno tipo Endport, Interior del tanque de fundición]

Como ya hemos visto, para poder producir vidrio necesitamos de un elemento muy importante, el horno (furnace), donde se fundirá toda la materia prima y se dirigirá a las máquinas de formación (moldes) para producir envases, o a los rodillos de laminación para obtener vidrio plano. Para el proceso de fundir vidrio tenemos varios tipos de hornos, los principales en esta industria son los regenerativos, ya que son más eficientes, los hornos Endport y Sideport; pero también existen otros tipos de hornos que se usan en esta industria, como los Unit melter y Oxy fuel. Hablando de manera general, los hornos de fundición de vidrio son edificaciones de gran tamaño, construídos con materiales cerámicos refractarios de distinto tipo o calidad, según lo que se requiera en determinad a zona; estos ladrillos, bloques y paneles refractarios son autosoportados por la forma geométrica que están configurados o se unen con morteros (refractarios también), y en algunas zonas necesitan ser también soportados con estructuras metálicas. La materia prima se funde en el tanque (melter) a una temperatura de aprox. 1535°C. Esta temperatura se alcanza gracias a los quemadores, de gas o diesel, que tienen los hornos calentando su interior por medio de una gran llama por sobre la materia prima. Después que el vidrio fundido permanece un tiempo en el tanque, pasa a través de la garganta al refinador, donde sus propiedades son homologadas, y el vidrio está a una menor temperatura. Después este vidrio fundido pasa por los alimentadores donde se sigue enfriando y logra homogenizar toda su temperatura, gracias a unos pequeños quemadores instalados en todo el recorrdio del vidrio. Ahora que ya sabemos, en términos generales, como son los hornos de fundición, pasaremos a explicar cada tipo. Los hornos regenerativos son llamados así porque regeneran el aire de combustión para mantenerlo caliente siempre y de esa manera ahorrar energía, a través de los regeneradores que en su interior tienen ladrillos refratarios (checkers) que almacenan calor y lo transmiten al aire que se utilizará para prender la llama en el horno. Hablaremos ahora de los dos tipos de hornos regenerativos que hay:

ENDPORT

 20131223-endport_furnace.jpg

[Horno de fundición de vidrio tipo Endport (TECO)]

Este es un horno regenerativo que se llama así porque los puertos (o ports) por donde ingresa el aire y el combustible para la combustión, están en la pared trasera del horno, y detrás de ellos se encuentran los regeneradores que están separados por una pared común. Entre ambos regeneradores hay instalada una válvula de reversa, que cada 30min aprox. se mueve para permitir la entrada de aire por uno de los regeneradores, y la salida de los gases de combustión por el otro; digamos que, en este momento el aire frío de la atmósfera ingresa por el lado derecho y sale por el lado izquierdo (ya caliente por la combustión), entonces todos los checkers del lado izquierdo se están calentando durante los 30min, al pasar este tiempo el aire frío de la atmósfera ahora ingresa por el lado izquierdo, pero al pasar por los checkers, este aire se calienta y al llegar a la salida de los ports hace más fácil la combustión, y los gases calientes de combustión salen ahora por el lado derecho y calientan los checker de ese lado, luego de 30min más se revierte nuevamente la situación, y así sucesivamente. La llama en este caso llega hasta una distancia de aprox. 3/4 la longitud del melter y es paralela al flujo de vidrio. Los hornos Endport son pequeños o medianos.

SIDEPORT 

20131223-sideport_furnace.jpg  

[Horno de fundición de vidrio tipo Sideport (TECO)]

Este es un horno regenerativo que se llama así porque los puertos y regeneradores se encuentran a ambos lados del horno, el proceso de regeneración del aire es el mismo que se explicó líneas arriba. En este caso, hay varias llamas que salen por debajo de cada puerto, pueden ser 4, 5 o 6. Ahora, esta llama, es perpendicular al flujo de vidrio y ocupa una mayor área al interior del melter. Los hornos Sideport son medianos o grandes.

 

Las materias primas para producir vidrio se pueden clasificar como: - Vitrificantes: El componente principal del vidrio es la Arena Sílice. - Fundentes: El Carbonato de Sodio (Soda Ash), ayuda a bajar el punto de fusión de la Sílice. - Estabilizantes: La Caliza que incrementa la durabilidad, y el Feldespato que reduce la tendencia a devitrificar. - Componentes secundarios: Algunos afinantes como como el Sulfato de Sodio y el Carbón, o los decolorizadores para obtener vidrio de distintos colores. - Otra materia prima muy importante es el vidrio roto (casco) que se obtiene gracias la reciclaje, y su inclusión en el proceso productivo permite el ahorro de energía. Materia prima del Vidrio La materia prima llega a la planta y ésta se almacena en unos silos. Luego, según el vidrio que se vaya a producir se mezcla toda esta materia prima, que ha sido previamente pesada respetando la receta indicada, y se transporta hacia el horno. Silos de almacenamiento y transporte de la materia prima hacia el horno Ésta mezcla (batch) entra al horno de fundición por el cargador y se funde a una temperatura de aproximadamente 1535°C en su interior. Ingreso de materia prima por el cargador y fundición en el interior Después el vidrio fundido pasa por un Refinador, a una menor temperatura, donde el vidrio purifica sus propiedades. Al salir del refinador pasa por unos Alimentadores (Forehearths) donde la temperatura del vidrio disminuye y se homogeniza, para luego caer en forma de gota a las máquinas de formación, cuando se fabrican botellas o envases; pero si se fabrica vidrio plano esta última parte es distinta y el vidrio es flotado y laminado para formar planchas que se van cortando según se requiera.