MÉTODO Y APARATO PARA REFORZAR VIDRIO.

Un método, que comprende las etapas de: conformar un artículo de vidrio a partir de vidrio fundido,

teniendo el vidrio una temperatura del punto de recocido; sumergir el artículo de vidrio conformado en un baño de sales fundidas que comprende iones de potasio, siendo la temperatura de la superficie del artículo de vidrio al menos la temperatura del punto de recocido del vidrio durante la etapa de inmersión; y mantener el artículo de vidrio a una temperatura entre la temperatura del punto de deformación del vidrio y 150ºC por debajo del punto de deformación durante al menos cinco minutos; caracterizado porque la temperatura del baño de sales es superior a la temperatura de la superficie del artículo inmediatamente antes de la inmersión y porque el artículo de vidrio se sumerge durante 10 segundos o menos

Esta solicitud reivindica prioridad de la Solicitud Provisional de EE.UU. nº 60/464.356, presentada el 22 de abril del 2003, titulada “Methods and Apparatus for Strengthening Glass” y su solicitud no provisional correspondiente (número de serie pendiente), presentada el 31 de marzo de 2004, titulada “Method and Apparatus for Strengthening Glass”.

Esta invención se refiere a métodos y aparatos para reforzar vidrio (es decir, aumentar la resistencia del vidrio). Más específicamente, la invención se refiere a métodos de refuerzo químico en los que se aplican iones a artículos de vidrio, y a aparatos para utilizar estos métodos en la fabricación de botellas.

La fabricación de botellas de vidrio está automatizada desde hace muchos años y existen muchos equipos para la producción de botellas de vidrio, especialmente para las industrias de refrescos y bebidas alcohólicas. La fabricación automatizada tradicional de botellas de vidrio comienza en un horno de fundición de vidrio. Las materias primas que incluyen, por ejemplo, carbonato de calcio, arena (sílice), carbonato de sodio y residuos de vidrio que se alimentan a un horno de fusión de vidrio, en donde se funden a una temperatura de aproximadamente 1500ºC. La temperatura de fusión depende de los ingredientes usados en el vidrio. Una corriente de vidrio fundido sale continuamente del horno y un dispositivo de alimentación corta la corriente en trozos de una cantidad predeterminada de vidrio.

Los métodos de conformación de botellas de vidrio frecuentemente implican una etapa de conformación inicial y otra etapa de acabado. El proceso de conformación inicial deja caer trozos individuales de vidrio en un molde de pieza elemental, en donde toman una forma inicial, que llegan a ser las formas preliminares (en lo sucesivo denominadas en la técnica parisones). La etapa inicial del proceso de prensado y soplado usa un elemento empujador metálico para presionar un trozo en un molde de pieza elemental y la etapa inicial del proceso de soplado y soplado usa aire comprimido para presionar a un trozo a que entre en el molde de pieza elemental. Los parisones procedentes de las etapas iniciales se transfieren luego a un molde de acabado. Los parisones pueden ser recalentados, si es necesario, antes de que se aplique aire comprimido para expandir los parisones para llenar el molde de acabado de modo que el vidrio tome la forma del molde de acabado, adquiriendo de este modo la forma final de la botella.

Las botellas recién conformadas se transportan típicamente a través de un horno-túnel (denominado habitualmente en inglés por el término lehr) de recocido, en el cual se recalientan y enfrían gradualmente a través del punto de recocido del vidrio. El punto de recocido del vidrio depende de la composición del vidrio. Por ejemplo, el punto de recocido se puede definir como la temperatura a la cual un vidrio liberará el 95% de sus tensiones en 15 minutos. Sin embargo, esta definición puede variar dependiendo de la composición del vidrio y el módulo de cizallamiento asociado a la composición del vidrio. Para cualquier composición particular, el punto de recocido es la temperatura a la cual la viscosidad del vidrio es 1013 poises. En el punto de recocido la deformación del vidrio se elimina en 15 minutos. Con fines de ilustración, el punto de recocido de vidrio de sílex es aproximadamente 550ºC. Manteniendo las botellas a la temperatura de recocido o a una superior durante cierto tiempo, la temperatura cerca de la superficie del vidrio llega a ser casi la misma que la temperatura en el interior. Esto minimiza la diferencia de temperatura entre el interior y las superficies, y por tanto impide que las superficies exteriores se enfríen a una velocidad más rápida que el interior. Por tanto, el recocido reduce grandemente la deformación del vidrio que finalmente se produciría de otro modo. En ausencia del proceso de recocido, los artículos de vidrio acabados se podrían hacer añicos espontáneamente bajo sus propias tensiones internas. El vidrio recocido es por tanto mucho más fuerte que el vidrio que ha sido enfriado rápidamente a través de su temperatura de recocido de un modo no controlado.

La rotura del vidrio ocurre como resultado de la tensión, especialmente en las superficies, y las fracturas del vidrio se originan típicamente en las superficies. Para reforzar los artículos de vidrio, y reducir por tanto la posibilidad de rotura, un método alternativo al recocido es aumentar uniformemente la tensión de compresión en las superficies de los artículos de vidrio. El refuerzo químico del vidrio es un proceso mediante el cual los iones más pequeños de la superficie del vidrio son reemplazados por iones más grandes para aumentar la tensión de compresión de la superficie del vidrio y por tanto aumentar su resistencia. Más típicamente en los vidrios de sosa-sílice caliza, los iones de sodio de la superficie del vidrio son reemplazados por iones de potasio, aunque el sodio puede reemplazar al litio, y el potasio puede reemplazar a ambos sodio y litio.

En un método de refuerzo químico se trata un producto de vidrio con iones de cambio por inmersión en un baño de sales(es) fundida(s) durante cierto periodo de tiempo. Por ejemplo, la Tabla 1 de la patente de EE.UU. Nº 3.773.489 muestra diversos baños de sales de potasio para uso en el refuerzo químico del vidrio, incluyendo baños de KNO3 y K2Cr2O7/KCl, en donde las temperaturas de los baños de sales varían desde 525ºC hasta 625ºC, y los tiempos de inmersión del vidrio varían desde 8 horas hasta 7 días. Sin embargo, dichos procesos no son prácticos en el marco de fabricación de producción en masa porque requieren que sean sumergidos lotes de productos en el baño de sales fundidas durante periodos prolongados, interrumpiendo de este modo el flujo uniforme de una línea de fabricación de tipo cinta transportadora. La patente de EE.UU. Nº 3.571.238 se refiere a un método de dos etapas de refuerzo químico del vidrio por inmersión en un baño de sales de potasio. En la primera etapa el artículo de vidrio se sumerge en un baño de las sales KCl/K2SO4 durante 20 minutos a 750ºC (muy por encima del punto de deformación de 581ºC y el punto de recocido de 631ºC). En la segunda etapa, el artículo de vidrio se sumerge en un baño de KNO3 durante 4 horas a 525ºC (56ºC por debajo del punto de deformación).

Otros métodos de refuerzo químico del vidrio implican enfriar los artículos de vidrio muy por debajo del punto de deformación antes de que se aplique el material de cambio de iones, típicamente en la forma de soluciones salinas saturadas. El punto de deformación del vidrio es la temperatura del vidrio por debajo de la cual no puede introducirse una deformación permanente, que puede ser la temperatura a la cual la viscosidad es 1014,5 poises (1013,5 Pa.s). Por ejemplo, en los procesos descritos en la patente de EE.UU. Nº 4.206.253, después de que los productos de vidrio se han producido y enfriados por debajo de aproximadamente 60ºC, se aplican a las superficies de los productos soluciones acuosas de KCl, KNO3 y K2SO4 a aproximadamente 75ºC. Los productos se someten luego a tratamiento térmico a una temperatura justamente por debajo del punto de deformación (aproximadamente 510ºC).

La Figura 1 muestra un ejemplo de un proceso de refuerzo químico del vidrio de la técnica anterior que usa una solución de sal de potasio para reforzar artículos de vidrio. Las etapas de conformación de botellas, 110, y de recocido, 120, se realizan como se ha descrito anteriormente. El vidrio se transfiere luego, 130, a un proceso secundario en el cual las botellas se recalientan, 140, a una temperatura de aproximadamente 100ºC. A las botellas se aplica, 150, una solución de sales, calentándose luego las botellas a la temperatura de cambio de iones, es decir, 460-550ºC, en un horno-túnel de refuerzo. La temperatura de cambio de iones depende del tiempo disponible para la reacción de cambio de iones, el cual a su vez depende de consideraciones de producción prácticas. Cuanto más corto es el tiempo disponible para el cambio de iones mayor debe ser la temperatura del cambio de iones. Después del mantenimiento del calor en el horno a la temperatura de cambio de iones, 160, se permite que las botellas se enfríen, 170, hasta la temperatura ambiente en cuyo momento se elimina el revestimiento residual, es decir, la porción de sales que no ha contribuido al cambio de iones dentro de la superficie del vidrio, por ejemplo, con una pulverización de agua a la temperatura ambiente. En esta etapa, los artículos de vidrio habrán sido enfriados preferiblemente a aproximadamente 90ºC.... [Seguir leyendo]

1. Un método, que comprende las etapas de:

conformar un artículo de vidrio a partir de vidrio fundido, teniendo el vidrio una temperatura del punto de recocido;

sumergir el artículo de vidrio conformado en un baño de sales fundidas que comprende iones de potasio, siendo la temperatura de la superficie del artículo de vidrio al menos la temperatura del punto de recocido del vidrio durante la etapa de inmersión; y

mantener el artículo de vidrio a una temperatura entre la temperatura del punto de deformación del vidrio y 150ºC por debajo del punto de deformación durante al menos cinco minutos;

caracterizado porque la temperatura del baño de sales es superior a la temperatura de la superficie del artículo inmediatamente antes de la inmersión y porque el artículo de vidrio se sumerge durante 10 segundos o menos.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la temperatura de la superficie del artículo de vidrio es al menos 25ºC por encima de la temperatura del punto de recocido del vidrio.

3. El método de la reivindicación 1 ó 2, en el que el artículo de vidrio se sumerge en el baño de sales durante 3 a 5 segundos.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el baño de sales comprende una combinación de al menos dos de las sales nitrato de potasio, cloruro de potasio y sulfato de potasio.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el baño de sales comprende una combinación de al menos dos de las sales nitrato de potasio, cloruro de potasio y sulfato de potasio, teniendo la combinación un punto de fusión de al menos 550ºC.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el baño de sales tiene una temperatura entre 550ºC y 750ºC.

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el artículo de vidrio se mantiene a una temperatura entre la temperatura del punto de deformación y 130ºC por debajo de la temperatura del punto de deformación.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:

después de la etapa de mantenimiento, enfriar el artículo de vidrio, eliminar la sal residual del artículo de vidrio y aplicar a la superficie del artículo de vidrio un revestimiento protector resistente al rayado.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la temperatura del punto de deformación es aproximadamente 530ºC.

10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además:

después de la etapa de mantenimiento, aplicar a la superficie del artículo de vidrio un revestimiento protector resistente al rayado.

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de inmersión incluye la etapa de aplicar iones de potasio a la superficie del artículo de vidrio antes de que se enfríe dicho artículo por debajo del punto de recocido del vidrio después de la conformación del artículo de vidrio.

12. El método de la reivindicación 11, en el que el artículo de vidrio está a una temperatura de al menos 50ºC por encima del punto de recocido del vidrio durante la etapa de aplicación.

13. El método de la reivindicación 11, en el que la superficie del artículo de vidrio está a una temperatura de al menos 80ºC por encima del punto de recocido del vidrio durante la etapa de aplicación.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el artículo de vidrio se mantiene a una temperatura entre la temperatura del punto de deformación y 130ºC por debajo de la temperatura del punto de deformación.

15. El método de la reivindicación 1, en el que el baño de sales comprende nitrato de potasio en el intervalo de 40-60% en moles y cloruro de potasio en el intervalo de 60-40% en moles.

5 16. El método de la reivindicación 1, en el que el baño de sales comprende sulfato de potasio y cloruro de potasio.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende

además: 10 pulir a la llama el artículo de vidrio antes de sumergirlo en el baño de sales.