Processi produttivi da fuso
Fasi fondamentali
- preparazione della carica e miscelazione
- fusione
- affinazione e omogeneizzazione
- formatura
- raffreddamento
Le fasi fondamentali per la produzione di vetro mediante fusione delle materie
prime e successivo raffreddamento sono le seguenti:
1) Preparazione della carica e miscelazione
2) Fusione
3) Affinazione (ovvero, rimozione delle bolle dal liquido) e omogeneizzazione
4) Formatura
5) Raffreddamento
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Preparazione della carica e miscelazione
materie prime macinate:
frazione elevata con grana 1-2 mm + frazione limitata con grana 5-7 mm
segregazione - miscelazione
miscela
distribuzione granulometrica
peso specifico
stato superficiale
resistenza all’agglomerazione
miscelazione a umido
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
In genere la carica è costituita dal 60-70% di materie prime macinate finemente
e dal 30-40% di materiale più grossolano (spesso rappresentato dal rottame).
La frazione grossolana permette una più agevole eliminazione del gas
(prodotto dalla decomposizione delle materie prime) durante il riscaldamento.
La frazione fine consente di ottenere fase liquida più agevolmente e a più basse
temperature.
Ci sono alcuni fattori importanti da tenere in considerazione per ottenere una
buona miscela.
1) La curva granulemetrica delle materie prime: una grana fine produce fase
liquida a bassa temperatura; una grana più grossa permette l’eliminazione dei
gas;
2) Il peso specifico dei vari componenti: sostanze con diverso peso specifico
tendono a smiscelarsi; il problema viene risolto con l’impiego di silos diversi,
uno per ciascuna delle sostanze fondamentali oppure con l’utilizzo di silos con
forme particolari;
3) Lo stato superficiale delle materie prime: un fattore importante per la
miscelazione è l’umidità presente per cui si lavora “ad umido”, ossia in
presenza di acqua la quale favorisce l’omogeneizzazione delle materie prime
ma deve poi essere eliminata nel riscaldamento con apporto di energia;
4) La resistenza all’agglomerazione.
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Fusione, affinazione e omogeneizzazione
Forni fusori:
- a crogiolo (processo discontinuo t ! 24 h )
- a bacino (processo continuo)
crogiolo
bruciatori
recuperatori
Vetri, G. Scarinci, T. Toninato e B. Locardi, Casa Editrice Ambrosiana, 1977
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
I forni a crogiolo, di limitate dimensioni, sono utilizzati per produzioni limitate
(10 – 100 Kg di vetro). Sono realizzati con mattoni refrattari e, se utilizzano
bruciatori (in alternativa alle resistenze elettriche) per il riscaldamento,
possono essere forniti di recuperatori. Questi sono sostanzialmente camere in
refrattario, spesso a struttura alveolare (con molti canalicoli ricavati tra un
refrattario e l’altro). Sono in genere due e funzionano alternativamente. L’aria
necessaria alla combustione entra in uno dei recuperatori già caldo, si riscalda
ed entra quindi nel forno per partecipare alla combustione. I fumi caldi escono
passando nell’altro recuperatore riscaldandolo. Ogni 10-20 min il ciclo si
inverte. In questo modo viene recuperato parte del calore dei fumi, altrimenti
disperso, con notevole risparmio di energia. La durata di una produzione è
dell’ordine delle 24 ore.
Nel forno a bacino il processo produttivo è in continuo. Le materie prime, dopo
aver subito la fase di fusione e affinazione, vengono convogliate attraverso una
“gola” alla zona di omogeneizzazione e raffreddamento. Tale passaggio viene
reso necessario perché il liquido proveniente dalla prima zona altrimenti
sarebbe ricco di bolle. Così facendo, invece, riesce a passare solo la fase
vetrosa più pesante (esente da bolle).
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Forno per vetro piano
Forno per vetro cavo
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riscaldamento mediante combustione ed elettrodi sommersi
Vetri, G. Scarinci, T. Toninato e B. Locardi, Casa Editrice Ambrosiana, 1977
A seconda del tipo di vetro che si vuole ottenere vengono utilizzati:
- forno per vetro piano
- forno per vetro cavo (differente dal precedente solo nella parte finale)
Note:
1) ingresso aria proveniente dai recuperatori
2) bruciatore (a metano o gasolio)
3) uscita fumi (ogni 10-20 min il ciclo si inverte!)
4) gola
5) uscita continua a”stramazzo” del vetro
6) punzone
7) canaletta
8) uscita discontinua a “goccia” del vetro; il punzone genera sul fondo della
canaletta una goccia per volta
Il riscaldamento è garantito dai bruciatori (per irraggiamento) e da elettrodi
sommersi (effetto Joule). Tali elettrodi sono in in genere grafite o in
molibdeno e sfruttano la conducibilità (ionica) del vetro liquido.
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riscaldamento con elettrodi
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
elettrodi di Pt
bagno fuso
carica
cupola
suola
punzone
goccia
vetro fuso
forno con elettrodi sommersi
Schott Guide to Glass, 2nd edition, Chapman & Hall, 1996
Vetri, G. Scarinci, T. Toninato e B. Locardi, Casa Editrice Ambrosiana, 1977
I forni che utilizzano solo elettrodi sono in genere più piccoli.
In questi gli elettrodi vengono infilati dall’alto, mentre nei forni più grandi
vengono introdotti lateralmente.
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Temperature nel bacino
elettrodi sommersi
Vetri, G. Scarinci, T. Toninato e B. Locardi, Casa Editrice Ambrosiana, 1977
La temperatura nel forno a bacino varia a seconda della posizione dei
bruciatori e degli elettrodi. Nei forni per vetro sodico-calcico la temperatura
massima è in genere attorno ai 1500°C in corrispondenza della zona dei
bruciatori e scende fino ai 900-1000°C nella zona dell’estrazione del vetro.
La presenza di elettrodi sommersi promuove il rimescolamento del fluido e
facilita l’affinazione.
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Rigeneratori e recuperatori
ciclo = 20-30 min
T = 200-400°C
bilancio energetico globale
recupero di energia dai fumi = 50 - 70%
Vetri, G. Scarinci, T. Toninato e B. Locardi, Casa Editrice Ambrosiana, 1977
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
I rigeneratori o recuperatori sono camere in refrattario a struttura alveolare.
Sono in genere due e funzionano in alternanza.
Il loro utilizzo consente di recuperare circa il 50% del calore immagazzinato
dai fumi ottenendo un risparmio globale anche del 20-30%.
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materie prime
Flussi energetici in un forno da vetro
reazioni
endotermiche
forno
combustione
fusione
aria
evaporazione
acqua
fumi
dissipazione
forno
vetro
Note:
Frecce azzurre = trasferimento di calore necesssario al processo
Frecce rosa = dissipazioni di calore
Freccia gialla = recupero di calore dai fumi
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Refrattari
tipo B
tipo A
tipo C
Catalogo SEPR
Il forno è costruito su una struttura in carpenteria metallica sovrapponendo “a
secco” i mattoni refrattari. La tenuta è garantita da cornici metalliche che
tengono premuti assieme i mattoni. Molta attenzione va posta nella fase di
accensione del forno (che poi resta sempre acceso per circa cinque-dieci anni
ad una temperatura compresa fra i 1300 e 1500°C) a causa delle relative
dilatazioni tra refrattari e struttura metallica.
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Refrattari più comuni
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Ossidi refrattari
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
I refrattari sono prodotti a partire da miscele di ossidi (con piccole frazioni di
impurezze) per pressatura e successiva sinterizzazione o mediante
elettrofusione (fusione in forno elettrico).
Gli ossidi refrattari sono prodotti con materie prime più pure solo mediante
pressatura e sinterizzazione. Il loro costo è circa dieci volte superiore a quello
dei refrattari comuni.
Note:
1) temperatura massima alla quale riescono a sopportare il proprio peso;
2) la conducibilità termica deve essere in genere bassa per non dover ricorrere
a pareti troppo spesse (Tint ! 1300°C, Test ! 80-100°C);
4) refrattarietà sotto carico = temperatura massima alla quale il materiale
sopporta il carico indicato.
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tipo A: refrattario AZS
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Catalogo SEPR
I refrattari AZS (allumina-zirconia-silice) sono i più comuni nei forni per
vetro. Sono prodotti per elettrofusione. Sono usati per la suola, le pareti e i
rigeneratori.
Note:
1) blocco di parete;
2) terminale della canaletta;
3) piastra della suola.
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tipo B: refrattario AZS
tipo C: refrattario AZS con Cr2 O3 (maggior resistenza meccanica e chimica)
Catalogo SEPR
I refrattari AZS più ricchi in zirconia (tipo B) sono in genere più resistenti
meccanicamente.
I refrattari contenenti ossido di cromo (tipo C) sono usati nella zona dei
bruciatori vista la loro maggior resistenza all’aggressione chimica e alle alte
temperature.
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tipo D: refrattario cromo-magnesiaco (per vetri basici - ricchi in alcali)
tipo E: refrattario alluminoso (maggior resistenza meccanica)
Catalogo SEPR
I refrattari cromo-magnesiaci (tipo D) vengono impiegati al posto degli AZS
per produrre vetri basici (ricchi in alcali, quali le fibre di vetro).
I refrattari alluminosi (tipo E) sono spesso usati per le canalette vista la loro
maggior resistenza all’usura.
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Problematiche nella fusione
- corrosione dei refrattari (solubilizzazione, fusione)
- corrosione degli elettrodi (ossidazione)
- volatilizzazione di materie prime basso-fondenti
- reazioni di ossido-riduzione
- devetrificazione
difetti nel fuso
- inclusioni (pietre di refrattario o di infusi)
- bolle
- disomogeneità chimiche
- colore
Vetri, G. Scarinci, T. Toninato e B. Locardi, Casa Editrice Ambrosiana, 1977
Nonostante la loro elevata resistenza, i refrattari vanno incontro a fenomeni di
degrado causati dalla solubilizzazione di loro frazioni nel vetro o dal
rammollimento o fusione di loro componenti. Gravoso è il degrado in
corrispondenza dei giunti e del pelo libero. Per questo si preferisce la
configurazione a palizzata rispetto a quella a blocchi per la realizzazione delle
pareti del forno.
Fenomeni ossidativi riguardano anche gli elettrodi (in grafite o molibdeno).
Alcune materie prime possono sublimare o evaporare, facendo variare la
composizione del vetro.
Altro problema riguarda la devetrificazione (=cristallizzazione); tale fenomeno
può avvenire nelle fasi di affinaggio o di trasporto nelle canalette a causa di
locali riscaldamenti del fuso.
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Reazioni di ossido-riduzione
! Pressione parziale dell’ossigeno
Fe2+ + q/4 O2 = Fe3+ + q/2 O2-
J. Am. Ceram. Soc., vol. 81[5], 1083-1094, 1998
Molti metalli possono essere presenti nella fase liquida in diversi stati di
ossidazione a seconda soprattutto della pressione parziale dell’ossigeno
nell’atmosfera del forno. Altro fattore importante (spesso legato più alla
pratica industriale che a specifiche teorie) è anche la presenza nel bagno di
agenti ossidanti o riducenti o di altri metalli con diverso stato di ossidazione.
Uno degli effetti fondamentali delle reazioni di ossidoriduzione nel bagno è il
colore finale del vetro.
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