Tarea 1 Producción del vidrio & Arcillas

Ingeniería de Materiales No Metálicos

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO

Alain Islas Montero

La fabricación de vidrio y de productos de vidrio consta básicamente de cuatro etapas: Mezclado de materias primas y vidrio reciclado, fusión, moldeo y por ultimo un tratamiento de alivio de tensiones. La materia prima utilizada consiste básicamente en: arena silícea, ceniza de soda, caliza, feldespato y bórax.

Tipos de vidrios. Atendiendo a su volumen de fabricación los vidrios pueden ser clasificados en:

Comerciales

Vidrio

Especiales

Los vidrios comerciales son producidos en gran escala, y se usan en la mayoría de las aplicaciones, mientras que los especiales son menos comunes.

Básicamente, el principio de fabricación del vidrio ha permanecido invariable desde sus comienzos, pues las principales materias primas y las temperaturas de fusión no han sido modificadas. Sin embargo, las técnicas se han transformado para conseguir un proceso de producción más acelerado, y los investigadores han elaborado diferentes compuestos para combinarlos con el material bruto y así variar las propiedades físicas y químicas, de manera que sea posible disponer de una amplia gama de vidrios para diversas aplicaciones.

El vidrio se hace en un reactor de fusión, en donde se calienta una mezcla que casi siempre consiste en arena silícea (arcillas) y óxidos metálicos secos pulverizados o granulados. En el proceso de la fusión (paso de sólido a líquido) se forma un líquido viscoso y la masa se hace transparente y homogénea a temperaturas mayores a 1 000ºC. Al sacarlo del reactor, el vidrio adquiere una rigidez que permite darle forma y manipularlo. Controlando la temperatura de enfriamiento se evita la desvitrificación o cristalización.

En la antigüedad la fusión se hacía en moldes de arena hechos en casa, pero para la industrialización de este proceso fue necesario construir grandes hornos donde además de las materias primas se podían añadir trozos de vidrio viejo de desecho.

PROCESO DE FABRICACIÓN

1. Materias primas principales.

Las materias primas principales son las que se utilizan en mayor porcentaje en la producción del vidrio, y la cantidad que se emplee de cada una de ellas depende en general del tipo de vidrio a producir. En la tabla se muestran las composiciones típicas de los vidrios más producidos, mostrándose los porcentajes en peso de los compuestos químicos que los constituyen.

a. Refinantes

Los refinantes son productos químicos que se añaden en menor cantidad con la finalidad de eliminar las burbujas contenidas en el vidrio fundido, mejorando así su calidad. En la tabla se muestran los tipos de refinantes comúnmente utilizados y su dosificación máxima.

Moldes hechos en casa Grandes hornos

b. Colorantes

Son sustancias empleadas para dar coloración al vidrio, o para volverlo incoloro anulando la tonalidad verde, que le es natural. En la tabla se muestran los distintos compuestos utilizados en la coloración del vidrio.

2. Fusión

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

Colored Drinking Jars

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 refinador, donde es acondicionada térmicamente para descargar al proceso de formado.

i. 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.

ii. 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 anteriormente para precalentar el aire de combustión.

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.

Hornos de Crisol Horno de tanque

Soplado por boca

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.

Formado automático de botellas

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 encuentran:

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 causa 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 túnel de recocido, que consiste básicamente en una serie de quemadores dispuestos en un horno largo, a través del cual son llevadas las piezas de vidrio.

b) Templado. Es un tratamiento térmico que permite fortalecer la pieza de vidrio.

c) Pintado. Además de su función decorativa, el pintado es utilizado para darle al vidrio nuevas propiedades físicas, químicas y ópticas.

d) Decorado La operación de decorado puede incluir un trabajo mecánico sobre la pieza de vidrio, lo que se hace sacando o añadiendo material de su superficie. También se puede deformar la pieza tras un calentamiento previo.

Durante los tiempos primitivos de la industria del vidrio, las únicas materias primas que se utilizaban en su fabricación eran las arcillas. Hoy en día se emplean distintas mezclas para obtener diferentes tipos. Por ejemplo, los bloques de vidrio se fabrican en moldes con una mezcla de arena de sílice, cal y sosa, y se les añade dolomita, arcilla de aluminio y productos para el refinado. En la actualidad muchos materiales desempeñan un papel importante, pero las arcillas siguen siendo fundamentales.

Aunque la palabra puede resultarnos conocida, es posible que no sepamos que la arcilla es el producto del envejecimiento geológico de la superficie de la Tierra, y que como esta degeneración es continua y se produce en todas partes, es un material terroso muy abundante en la naturaleza. De hecho, para el cultivador, el minero o el constructor de carreteras resulta un estorbo. En nuestro país tenemos numerosas arcillas. Los yacimientos en la República se encuentran distribuidos en el territorio correspondiente a 10 de los estados que forman la confederación política del país.

Arcillas

Las rocas ígneas primarias que dieron lugar a las arcillas fueron, entre otras, granitos, pegmatitas y feldespatos. El envejecimiento de estas rocas primarias fue producido por la acción mecánica del agua, el viento, los glaciares y los movimientos terrestres, combinados con la acción química del agua y del bióxido de carbono a altas temperaturas. Hoy en día las mismas fuerzas naturales siguen produciendo arcilla, formándose así más cantidad de la que el hombre puede utilizar.

La arcilla es un material engañosamente sencillo. No tiene la obstinada dureza de la piedra, ni la fibra temperamental de la madera, ni la solidez del metal, pero tiene una fragilidad y una inconstancia que parecen pedir un cuidado especial. Es blanda, dócil, plástica, maleable, sin veta ni dirección. Clasificarla es una tarea difícil y conduce a diferentes resultados, dependiendo de la característica del material que se tome como referencia. La podemos ordenar desde un punto de vista geológico, mineralógico o de acuerdo con su uso.

Las arcillas son silicoaluminatos complejos. Un silicoaluminato es un compuesto hecho con silicio y aluminio, que se forma cuando la sílice modifica su superficie por la interacción con iones aluminato, intercambiando iones Si(OH)-4 por iones Al(OH)-4, Se pueden intercambiar unos por otros porque son muy parecidos entre sí. El Al(OH) -4 tiene una carga negativa y cuatro grupos OH, igual que el Si(OH)-4. Además, el silicio y el aluminio son de un tamaño similar. Con el tiempo estos compuestos reaccionan y forman sales solubles con los iones alcalinos (Na, Li, y K) y alcalinotérreos (Be, Mg y Ca), cambiando así la estructura de los silicoaluminatos originales. El aluminio puede estar rodeado por 4 o 6 átomos de oxígeno, y puede tener carga +3 o +4. Imaginemos un silicato donde uno de los átomos de Si+4 está sustituido por un ion Al+3.

Como la carga global tiene que ser la misma y el silicio tiene cuatro mientras que el aluminio tiene tres, se une un K+1 o un Li+1 y resuelve el problema.

Estructura del Silicoaluminato en una arcilla

En la sílice, la unidad estructural fundamental es un tetraedro de SiO4, es decir, un átomo de silicio rodeado siempre por cuatro átomos de oxígeno. Las fuerzas que mantienen unidos a estos átomos comprenden enlaces iónicos y covalentes, lo cual provoca que la fuerza del enlace sea muy grande. Si pensamos en tetraedros de sílice juntos, unos rodeando a otros, tendríamos una combinación de tetraedros de sílice (con sus respectivos oxígenos) orientados al azar.

En un cristal como el de la figura los átomos siguen un patrón estricto de orientación que se repite n veces, siempre de la misma manera.

En un vidrio, los enlaces Si-O-Si no tienen una orientación determinada; la distancia de separación entre los átomos de Si y O no es homogénea, las unidades tetraédricas no se repiten con regularidad y el compuesto está desordenado. A esta última se le conoce como sílice amorfa, mientras que a la ordenada se le conoce como sílice cristalina, y ambas se utilizan en la fabricación del vidrio.

Estructura cristalina de arcillas. a) Sin metales alcalinos (montmorillonita). b) Con metales alcalinos y alcalinotérreos (illita).

Tetraedro de silicio rodeado de cuatro átomos de oxígeno.

El cuarzo, es un ejemplo de sílice cristalina muy empleada en esta manufactura.

Con las arcillas se hacen los vidrios, y como existe una gran variedad, el vidrio que obtengamos dependerá de la arcilla que escojamos, razón por la cual se necesita conocer muy bien las materias primas. Esto lo saben los señores vidrieros, y por eso han aprendido que la caolinita (figura 17) es el grupo de minerales de arcilla más sencillo, su estructura básica se compone de átomos de oxígeno ordenados de tal manera que dan lugar a capas alternadas de huecos tetraédricos, que se ocupan por átomos de silicio y aluminio, y huecos octaédricos, ocupados por átomos de aluminio, magnesio, hierro y cinc.

Representación gráfica de las diferencias estructurales entre un cristal (a) y un vidrio (b).

Estructura cristalina del cuarzo

Estructura de la caolinita

Referencias bibliográficas

Fabricación de vidrio y de productos de vidrio. Comision nacional del medio ambiente–region metropolitana. Chile. 2012. Recuperado el 20 de agosto de 2015 de: http://www.sinia.cl/1292/articles-37620_pdf_vidrio.pdf

¿Cómo y con qué se hace el vidrio?. Instituto Latinoamericano de la comunicación educativa. ILCE. 2009. Recuperado el 20 de agosto de 2015 de: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/137/html/sec_4.html