Métodos de dosificación selectiva de vidrio para mejorar la eficiencia de fusión y reducir la segregación total de los componentes de la masa de vidrio.

Un método para controlar los mecanismos de reacción de componentes de la masa de vidrio añadidos a una masa fundida de vidrio que reside en un dispositivo de fusión de vidrio,

teniendo dicha masa fundida de vidrio una viscosidad de fusión ηm a una temperatura de fusión Tm residente (K), que comprende las etapas de:

proporcionar una pluralidad de componentes de la masa de materias primas en cantidades de acuerdo con una fórmula de masa, comprendiendo dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas al menos un material de formación de vidrio y un primer material modificador y un segundo material modificador;

combinar selectivamente una primera parte de dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas para proporcionar un primer material de combinación que tiene una temperatura de fusión que está dentro del intervalo de un 60 a un 90 % de dicha temperatura de fusión Tm residente y una viscosidad a dicha temperatura de fusión que es mayor o igual que dicha viscosidad de fusión ηm/100;

combinar selectivamente una segunda parte de dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas para proporcionar un segundo material de combinación, que reacciona para formar un compuesto intermedio en un intervalo de un 60 a un 100 % de dicha temperatura de fusión residente;

mezclar dicho primer material de combinación, dicho segundo material de combinación y cualquier parte restante de dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas para formar una mezcla de masa; e

introducir dicha mezcla de masa en el interior del dispositivo de fusión de vidrio,

en el que dicha segunda combinación está libre de dicho primer material modificador.

Métodos de dosificación selectiva de vidrio para mejorar la eficiencia de fusión y reducir la segregación total de los componentes de la masa de vidrio Campo de la invención La presente invención se refiere a métodos de dosificación de vidrio en general, y más particularmente, a la combinación selectiva de componentes particulares de una composición de masa de vidrio antes de introducir la masa en la fusión con el fin de reducir la tendencia a la segregación total de los componentes de la masa en la masa fundida y mejorar la eficiencia de fusión, por medio del control de los mecanismos térmicos de reacción.

Antecedentes de la invención La Figura 1 ilustra un diagrama de flujo de procesos convencionales de dosificación de vidrio. Normalmente, la dosificación de vidrio típica implica transferir las materias primas directamente desde los silos de almacenamiento al interior de una tolva de pesaje, pesar las materias primas de acuerdo con una fórmula de masa en porcentaje en peso (% en peso) , añadir una cantidad especificada de residuos de vidrio roto y mezclar la masa de partida y los residuos de vidrio roto en un mezclador a escala grande. En algunos casos, el propio mezclador funciona como una escala de comprobación final para la fórmula de masa. A partir del mezclador, se transfieren los materiales de masa mezclados a una más tolvas, ubicadas en posición adyacente al final del horno de vidrio (dispositivo de fusión) , donde se introduce la masa mezclada en el interior del tanque de fusión. Se usan técnicas similares de formación de masas casi universalmente en diversas configuraciones industriales de producción de vidrio, incluyendo las instalaciones de vidrio para recipientes, fibra de vidrio y vidrio flotado.

Una vez que se ha añadido la masa mezclada al horno (dispositivo de fusión) , se permite que tengan lugar reacciones no controladas a diversas temperaturas, tanto entre los componentes de materia prima de la masa como entre los componentes de materia prima de la masa y la masa fundida residente, hasta que se logre una masa fundida sustancialmente homogénea. El tiempo necesario para la fusión, homogeneización y afinado suficientes está relacionado con el tiempo de residencia total o con el tiempo que la masa fundida permanece dentro del tanque del dispositivo de fusión, antes de que tenga lugar la formación del producto de vidrio deseado.

La Figura 2 es una ilustración esquemática que muestra los mecanismos de reacción, que normalmente siguen los componentes de la masa de materias primas cuando reaccionan unos con otros y con la masa fundida ya presente en el horno, y la Figura 3 es una ilustración esquemática que muestra etapas de fusión convencionalmente no controladas a medida que se produce la fusión de la masa añadida de nuevas. Véase también, por ejemplo, F. E. Woolley "Melting/Fining" Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, Vol. 4, ASM International, 1987, pp. 386-393, que se incorpora por referencia en su totalidad en la presente memoria.

Es decir, una vez que se ha introducido la masa en el horno, tienen lugar diversas reacciones que, casi de manera inmediata, segregan la masa. En la producción de vidrio flotado, por ejemplo, carbonato de sodio (Na2CO3) , carbonato de calcio (CaCO3) , sulfato de sodio (Na2SO4) y cuarzo (SiO2) son las materias primas principales usadas de manera más común. Cuando no se añade agua con idea de reducir la segregación de la masa en la tolva de almacenamiento, normalmente, la primera reacción es la formación de un líquido eutéctico por medio de la reacción de Na2CO3 y CaCO3 a una temperatura de alrededor de 785 º C.

Como se muestra en la Figura 2, Na2CO3 y CaCO3 reaccionan a través del Mecanismo de reacción 1, creando un líquido eutéctico de baja viscosidad con una cantidad de CaCO3 que queda sin reaccionar. Este líquido eutéctico de baja viscosidad reacciona con CaCO3 residual y cuarzo a través del Mecanismo de reacción 2 para lograr finalmente la composición global del vidrio que viene reflejada en la fórmula de la masa. Un ejemplo de composición típica de vidrio flotado es aproximadamente un 73, 5 % en peso de SiO2, un 12, 3 % en peso de CaO y un 12, 4 % en peso de Na2O.

Se observan reacciones similares entre Na2CO3, CaCO3 y Na2SO4. En este caso, el líquido eutéctico está formado por sales fundidas que tienen una viscosidad muy baja. Es decir, el líquido eutéctico fluye fácilmente, y exhibe propiedades de flujo similares a las del agua, que tiene una viscosidad dentro de un intervalo de 1 a 4 mPa·s, o de 1 a 4 centipoise. El líquido eutéctico reacciona con el cuarzo para proporcionar finalmente un vidrio homogéneo de composición deseada. No obstante, la formación de este líquido eutéctico puede aumentar la tendencia a la segregación de la masa e invertir eficazmente los esfuerzos de mezcla de la masa.

Tienen lugar reacciones similares en las composiciones de vidrio para recipientes, y en el caso de la producción de fibra de vidrio, los boratos exhiben problemas similares en las etapas iniciales de fusión. Este proceso de segregación conduce a la formación de dominios de gran escala, o conglomerados de sílice casi pura que posteriormente requieren tiempos de residencia excesivamente largos para disolverse en la masa fundida líquida circundante. A continuación, esta segregación inicial requiere una re-homogeneización en el interior del tanque de vidrio antes de la conformación.

Se pueden observar evidencias directas de "pérdida de mezcla" en el tanque de vidrio durante el proceso de fusión. Se pueden observar aglomeraciones (de escala en las ordenadas de cm de longitud) de las materias primas de la masa, comúnmente referidas en la industria como troncos de masa, en diversos estados de fusión, dentro del tanque de vidrio. Además, se puede apreciar comúnmente el fenómeno de segregación de la masa a gran escala en el interior del tanque del dispositivo de fusión, en el vidrio acabado en forma de defectos tales como inclusiones cristalinas, que están formadas en su mayoría por cuarzo no disuelto; burbujas, que son burbujas que no se liberan de la masa fundida durante el afinado; y estrías, que son distorsiones ópticas provocadas por las diferencias locales de composición. Estos defectos son evidencia directa de que el vidrio no tiene la composición adecuada debido a la pérdida de mezcla o a una re-mezcla incompleta que disminuye la eficiencia total del material y reduce la calidad del producto final. Las observaciones industriales vienen avaladas de manera adicional por publicaciones técnicas, que también reconocen la segregación de la masa que se observa comúnmente en la producción comercial. A pesar del hecho de que la segregación de la masa en el tanque de vidrio y los defectos potenciales que pueden resultar de la misma están reconocidos en la industria, y a pesar de la necesidad evidente para reducir este comportamiento no deseado y mejorar la eficiencia de fusión y la calidad total, la industrial del vidrio todavía no ha abordado de manera satisfactoria estas cuestiones con una solución comercial viable.

Como se ha comentado anteriormente, la eficiencia del material en la producción de vidrio está relacionada con la reducción de pérdidas debidas a defectos tales como inclusiones cristalinas, burbujas y estrías. Las inclusiones cristalinas son partículas o conglomerados de sílice que no han reaccionado de forma completa con la masa fundida. Se puede reducir este tipo de inclusiones cristalinas reduciendo la segregación de sílice refractaria, a partir de materiales de flujo. Las burbujas, que son burbujas que se forman como consecuencia de un afinado incompleto, se pueden reducir maximizando el desprendimiento de sustancias volátiles de manera temprana en el proceso de fusión y reduciendo el aire atrapado en los espacios de los poros. Aunque los residuos de vidrio roto procedentes de vidrio defectuoso se pueden reciclar a través del proceso (aunque el vidrio con inclusiones cristalinas no se puede reciclar) , resulta más eficaz reducir los residuos de vidrio roto de forma propia a partir del vidrio defectuoso.

En la producción comercial de vidrio a gran escala (por ejemplo vidrio flotado, vidrio para recipientes y fibra de vidrio) , en la que los volúmenes de los tanques de fusión son considerablemente más grandes (ajustándose a volúmenes del orden de toneladas de vidrio fundido) , la mezcla in situ de la masa fundida se logra por medio de corrientes de convección en el interior del tanque y por medio del movimiento de los gases desprendidos a partir de la descomposición de las materias primas. Aunque se requiere cierta mezcla y afinado para retirar las burbujas gaseosas, también se pueden atribuir los procesos costosos y de alto consumo... [Seguir leyendo]

1. Un método para controlar los mecanismos de reacción de componentes de la masa de vidrio añadidos a una masa fundida de vidrio que reside en un dispositivo de fusión de vidrio, teniendo dicha masa fundida de vidrio una viscosidad de fusión ï?m a una temperatura de fusión Tm residente (K) , que comprende las etapas de:

proporcionar una pluralidad de componentes de la masa de materias primas en cantidades de acuerdo con una fórmula de masa, comprendiendo dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas al menos un material de formación de vidrio y un primer material modificador y un segundo material modificador; combinar selectivamente una primera parte de dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas para proporcionar un primer material de combinación que tiene una temperatura de fusión que está dentro del intervalo de un 60 a un 90 % de dicha temperatura de fusión Tm residente y una viscosidad a dicha temperatura de fusión que es mayor o igual que dicha viscosidad de fusión ï?m/100; combinar selectivamente una segunda parte de dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas para proporcionar un segundo material de combinación, que reacciona para formar un compuesto intermedio en un intervalo de un 60 a un 100 % de dicha temperatura de fusión residente; mezclar dicho primer material de combinación, dicho segundo material de combinación y cualquier parte restante de dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas para formar una mezcla de masa; e introducir dicha mezcla de masa en el interior del dispositivo de fusión de vidrio, en el que dicha segunda combinación está libre de dicho primer material modificador.

2. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primero material de combinación comprende una pluralidad de miembros de reacción discretos formados sometiendo dicho primer material de combinación a formación de microgránulos para formar una pluralidad de miembros de reacción discretos antes de dicha etapa de mezcla, presentando cada uno de dichos miembros de reacción una composición basada en dicho primer material de combinación.

3. El método de la reivindicación 1, en el que dicho segundo material de combinación comprende una pluralidad de miembros de reacción discretos formados sometiendo dicho segundo material de combinación a formación de microgránulos para formar una pluralidad de miembros de reacción discretos antes de dicha etapa de mezcla, teniendo cada uno de los citados miembros de reacción una composición basada en dicho segundo material de combinación.

4. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primer material de combinación comprende un material sometido a pre-reacción formado haciendo pre-reaccionar dicho primer material de combinación, enfriando dicho primer material de combinación sometido a pre-reacción, y moliendo dicho primer material de combinación sometido a prereacción para formar una pluralidad de partículas sometidas a pre-reacción antes de dicha etapa de mezcla, teniendo dicha pluralidad de partículas sometidas a pre-reacción una composición basada en dicho primer material de combinación.

5. El método de la reivindicación 1, en el que dicho segundo material de combinación comprende un material sometido a pre-reacción formado haciendo pre-reaccionar dicho segundo material de combinación, enfriando dicho segundo material de combinación sometido a pre-reacción, y moliendo dicho segundo material de combinación sometido a pre-reacción para formar una pluralidad de partículas sometidas a pre-reacción antes de dicha etapa de mezcla, teniendo dicha pluralidad de partículas sometidas a pre-reacción una composición basada en dicho segundo material de combinación.

6. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primer material de combinación comprende una frita formada por calentamiento de dicho primer material de combinación a una temperatura próxima a la temperatura de fusión de dicho primer material de combinación, fundir dicho primer material de combinación e inactivar dicho primer material de combinación para formar dicha frita antes de dicha etapa de mezcla, teniendo dicha frita una composición de acuerdo con dicho primer material de combinación.

7. El método de la reivindicación 1, en el que dicho segundo material de combinación comprende una frita formada por calentamiento de dicho segundo material de combinación a una temperatura próxima a la temperatura de fusión de dicho segundo material de combinación, fundir dicho segundo material de combinación e inactivar dicho segundo material de combinación para formar dicha frita antes de dicha etapa de mezcla, teniendo dicha frita una composición de acuerdo con dicho segundo material de combinación.

8. El método de la reivindicación 1, en el que dicha pluralidad de componentes de la masa de materias primas además comprende un material intermedio.

9. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primer material de combinación comprende al menos una parte de al menos dicho material de formación de vidrio y al menos una parte de dicho al menos un material modificador.

10. El método de la reivindicación 1, en el que dicho segundo material de combinación comprende al menos una parte de al menos dicho material de formación de vidrio y al menos una parte de otro de dicho material modificador.

11. El método de la reivindicación 8, en el que dicho primer material de combinación comprende al menos una parte 5 de dicho material intermedio y al menos una parte de al menos uno de dicho material modificador.

12. El método de la reivindicación 11, en el que dicho segundo material de combinación comprende al menos una parte de al menos dicho material de formación de vidrio y al menos una parte de al menos uno de dicho material modificador.

13. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primer material de combinación comprende una pluralidad de miembros de reacción discretos y dicho segundo material de combinación comprende un material sometido a prereacción.

14. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primer material de combinación comprende una pluralidad de miembros de reacción discretos y dicho segundo material de combinación comprende una frita.

15. El método de la reivindicación 1, en el que dicho primer material de combinación comprende un material sometido a pre-reacción y dicho segundo material de combinación comprende un material sometido a pre-reacción. 20

16. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho primer modificador es carbonato de sodio.

17. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho segundo modificador es 25 carbonato de calcio.