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 ) Fusione 3) Affinazione (ovvero, rimozione delle bolle dal liquido) e omogeneizzazione 4) Formatura 5) Raffreddamento 1
Preparazione della carica e miscelazione materie prime macinate: frazione elevata con grana 1- 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, 000 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; ) 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.
Fusione, affinazione e omogeneizzazione Forni fusori: - a crogiolo (processo discontinuo t 4 h ) - a bacino (processo continuo) crogiolo bruciatori recuperatori Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 000 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 10-0 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 4 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). 3
Forno per vetro piano 1 Forno per vetro cavo 6 8 3 7 4 5 riscaldamento mediante combustione ed elettrodi sommersi 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 ) bruciatore (a metano o gasolio) 3) uscita fumi (ogni 10-0 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. 4
riscaldamento con elettrodi a. elettrodi di Pt b. bagno fuso c. carica d. cupola e. suola f. punzone g. goccia h. vetro fuso forno con elettrodi sommersi Schott Guide to Glass, nd edition, Chapman & Hall, 1996 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. 5
Temperature nel bacino elettrodi sommersi 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. 6
Rigeneratori e recuperatori ciclo = 0-30 min T = 00-400 C bilancio energetico globale recupero di energia dai fumi = 50-70% Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 000 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 0-30%. 7
Flussi energetici in un forno da vetro materie prime combustione forno reazioni endotermiche 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 8