Producción de vidrio - Glass production

Botellas de vidrio (para rodajas de pepino) en palés de envío
Un tarro de mayonesa soviético
Un frasco moderno "French Kilner"

La producción de vidrio implica dos métodos principales: el proceso de vidrio flotado que produce vidrio laminado y el vidrio soplado que produce botellas y otros recipientes. Se ha realizado de diversas formas durante la historia del vidrio .

Producción de envases de vidrio

En términos generales, las fábricas modernas de envases de vidrio son operaciones de tres partes: la casa de lotes , el extremo caliente y el extremo frío . La casa de lotes maneja las materias primas; el extremo caliente se encarga de la fabricación propiamente dicha: la chimenea, las máquinas formadoras y los hornos de recocido ; y el extremo frío maneja el equipo de inspección y empaque de productos.

Sistema de procesamiento por lotes (casa de lotes)

El procesamiento por lotes es uno de los pasos iniciales del proceso de fabricación de vidrio. La casa de lotes simplemente aloja las materias primas en grandes silos (alimentados por camión o vagón) y almacena de 1 a 5 días de material. Algunos sistemas por lotes incluyen el procesamiento de materiales, como el tamizado / tamizado de materia prima, el secado o el precalentamiento (es decir, el vidrio de desecho ). Ya sea de forma automática o manual, la casa de lotes mide, ensambla, mezcla y entrega la receta de materia prima de vidrio (lote) a través de una serie de conductos, transportadores y básculas al horno. El lote ingresa al horno en la 'caseta del perro' o 'cargador de lotes'. Los diferentes tipos de vidrio, colores, calidad deseada, pureza / disponibilidad de la materia prima y diseño del horno afectarán la receta del lote.

Extremo caliente

El extremo caliente de una cristalería es donde el vidrio fundido se transforma en productos de vidrio. El lote ingresa al horno, luego pasa al proceso de conformado, tratamiento interno y recocido.

La siguiente tabla enumera los puntos fijos de viscosidad comunes, aplicables a la producción de vidrio a gran escala y la fusión de vidrio experimental en el laboratorio :

log 10 (η, Pa · s) log 10 (η, P) Descripción
1 2 Punto de fusión (homogeneización y clarificación del vidrio fundido)
3 4 Punto de trabajo (prensado, soplado, formación de gotas)
4 5 Punto de flujo
6.6 7,6 Punto de reblandecimiento Littleton (el vidrio se deforma visiblemente bajo su propio peso. Procedimientos estándar ASTM C338, ISO 7884-3)
8-10 9-11 Punto de ablandamiento dilatométrico, T d , según carga
10,5 11,5 Punto de deformación (el vidrio se deforma por su propio peso en la escala de μm en unas pocas horas).
11-12,3 12-13,3 Temperatura de transición vítrea, T g
12 13 Punto de recocido (el estrés se alivia en varios minutos).
13,5 14,5 Punto de tensión (el estrés se alivia en varias horas).

Horno

Caseta de perro de alimentación por lotes de un horno de vidrio

El lote se alimenta al horno a una velocidad lenta y controlada por el sistema de procesamiento por lotes. Los hornos funcionan con gas natural o fuel oil y funcionan a temperaturas de hasta 1.575 ° C (2.867 ° F). La temperatura está limitada únicamente por la calidad del material de la superestructura del horno y por la composición del vidrio. Los tipos de hornos que se utilizan en la fabricación de vidrio para envases incluyen el puerto final (encendido por el extremo), el puerto lateral y el oxicombustible . Normalmente, el tamaño del horno se clasifica según la capacidad de producción de toneladas métricas por día (MTPD).

Proceso de formación

Actualmente existen dos métodos principales para fabricar recipientes de vidrio: el método de soplado y soplado solo para recipientes de cuello estrecho, y el método de presión y soplado utilizado para frascos y recipientes de cuello estrecho ahusados.

En ambos métodos, una corriente de vidrio fundido a su temperatura plástica (1.050–1.200 ° C [1.920–2.190 ° F]) se corta con una cuchilla para formar un cilindro sólido de vidrio, llamado gota . La gota tiene un peso predeterminado suficiente para hacer una botella. Ambos procesos comienzan con la caída de la gota, por gravedad, y guiada, a través de canales y tolvas, hacia los moldes en blanco, dos mitades de los cuales se cierran con abrazaderas y luego se sellan con el deflector desde arriba.

Formación de envases de vidrio

En el proceso de soplado y soplado , el vidrio se sopla primero a través de una válvula en el deflector, forzándolo hacia abajo en el molde de anillo de tres piezas que se sostiene en el brazo del collar debajo de los espacios en blanco, para formar el acabado . El término "acabado" describe los detalles (tales como la superficie de sellado de la tapa, roscas de rosca, nervadura de retención para una tapa a prueba de manipulaciones, etc.) en el extremo abierto del recipiente. Luego, se sopla aire comprimido a través del vidrio, lo que da como resultado un recipiente hueco y parcialmente formado. A continuación, se vuelve a soplar aire comprimido en la segunda etapa para dar la forma final.

Los contenedores se fabrican en dos etapas principales. La primera etapa moldea todos los detalles ("acabado") alrededor de la abertura, pero el cuerpo del contenedor se hace inicialmente mucho más pequeño que su tamaño final. Estos contenedores fabricados en parte se denominan parisones y, con bastante rapidez, se moldean por soplado para darles la forma final.

Los "anillos" están sellados desde abajo mediante un émbolo corto. Una vez que finaliza el "asentamiento", el émbolo se retrae ligeramente para permitir que la piel que se forma se ablande. A continuación, el aire de "contrasoplado" sube a través del émbolo para crear el parisón. El deflector se eleva y los espacios en blanco se abren. El parisón se invierte en un arco hacia el "lado del molde" por el "brazo del collar", que sostiene el parisón por el "acabado".

Cuando el brazo del collar llega al final de su arco, dos mitades del molde se cierran alrededor del parisón. El brazo del collar se abre ligeramente para liberar su agarre en el "acabado", luego vuelve al lado en blanco. El golpe final , aplicado a través del "cabezal de soplado", sopla el vidrio y se expande en el molde para dar la forma final al recipiente.

Pasos durante el proceso de formación de envases por soplado y soplado

En el proceso de prensado y soplado , el parisón está formado por un largo émbolo metálico que se eleva y presiona el vidrio para llenar el anillo y los moldes en blanco. Luego, el proceso continúa como antes, con el parisón siendo transferido al molde de forma final y el vidrio soplado en el molde.

A continuación, el recipiente se recoge del molde mediante el mecanismo de "extracción" y se mantiene sobre la "placa muerta", donde el enfriamiento por aire ayuda a enfriar el vidrio aún blando. Finalmente, las botellas son arrastradas a un transportador por las "paletas de empuje" que tienen bolsas de aire para mantener las botellas en pie después de aterrizar en la "placa muerta"; ahora están listos para el recocido.

Máquinas formadoras

Máquina IS durante la producción de botellas.

Las máquinas formadoras sostienen y mueven las piezas que forman el contenedor. La máquina consta de 19 mecanismos básicos en funcionamiento para formar una botella y generalmente accionada por aire comprimido (alta presión - 3,2 bar y baja presión - 2,8 bar), los mecanismos están temporizados electrónicamente para coordinar todos los movimientos de los mecanismos. La disposición de la máquina formadora más utilizada es la máquina de sección individual (o máquina IS). Esta máquina tiene un banco de 5 a 20 secciones idénticas, cada una de las cuales contiene un conjunto completo de mecanismos para fabricar contenedores. Las secciones están en una fila y las gotas se alimentan en cada sección a través de un conducto móvil, llamado distribuidor de gotas . Las secciones hacen uno, dos, tres o cuatro contenedores simultáneamente (denominados gota simple , doble , triple y cuádruple ). En el caso de múltiples gotas, las cizallas cortan las gotas simultáneamente y caen en los moldes en blanco en paralelo.

Las máquinas formadoras funcionan en gran medida con aire comprimido y una fábrica de vidrio típica tendrá varios compresores grandes (por un total de 30k a 60k cfm) para proporcionar el aire comprimido necesario. Los hornos, compresores y máquinas formadoras generan grandes cantidades de calor residual que generalmente se enfría con agua. El vidrio caliente que no se usa en la máquina formadora se desvía y este vidrio desviado (llamado vidrio de desecho ) generalmente se enfría con agua y, a veces, incluso se procesa y tritura en un baño de agua. A menudo, los requisitos de refrigeración se comparten entre los bancos de torres de refrigeración dispuestas para permitir el respaldo durante el mantenimiento.

Tratamiento interno

Tras el proceso de conformado, algunos envases, especialmente los destinados a bebidas alcohólicas, se someten a un tratamiento para mejorar la resistencia química del interior, denominado tratamiento interno o desalcalinización . Esto generalmente se logra mediante la inyección de una mezcla de gas que contiene azufre o flúor en botellas a altas temperaturas. El gas se entrega típicamente al recipiente ya sea en el aire utilizado en el proceso de formación (es decir, durante el soplado final del recipiente), o a través de una boquilla que dirige una corriente de gas a la boca de la botella después de la formación. El tratamiento hace que el recipiente sea más resistente a la extracción con álcali, lo que puede provocar aumentos en el pH del producto y, en algunos casos, la degradación del recipiente.

Recocido

A medida que el vidrio se enfría, se contrae y solidifica. El enfriamiento desigual hace que el vidrio se debilite debido a la tensión. Incluso el enfriamiento se logra mediante el recocido . Un horno de recocido (conocido en la industria como lehr ) calienta el recipiente a aproximadamente 580 ° C (1,076 ° F) y luego lo enfría, según el grosor del vidrio, durante un período de 20 a 60 minutos.

Final frio

La función del extremo frío de la producción de envases de vidrio es completar las tareas finales en el proceso de fabricación: rociar un recubrimiento de polietileno para resistencia a la abrasión y mayor lubricidad, inspeccionar los envases en busca de defectos, etiquetar los envases y empaquetar los envases para su envío.

Revestimientos

Los recipientes de vidrio suelen recibir dos revestimientos superficiales, uno en el extremo caliente , justo antes del recocido y otro en el extremo frío, justo después del recocido. En el extremo caliente se aplica una capa muy fina de óxido de estaño (IV) utilizando un compuesto orgánico seguro o cloruro estánnico inorgánico . Los sistemas basados ​​en estaño no son los únicos que se utilizan, aunque son los más populares. También se pueden utilizar tetracloruro de titanio o titanatos orgánicos. En todos los casos, el revestimiento hace que la superficie del vidrio se adhiera más al revestimiento del extremo frío . En el extremo frío , se aplica una capa de cera de polietileno típica a través de una emulsión a base de agua . Esto hace que el vidrio sea resbaladizo, lo protege de rayones y evita que los contenedores se peguen cuando se mueven sobre un transportador . El revestimiento combinado invisible resultante le da al vidrio una superficie prácticamente irrompible. Debido a la reducción del daño de la superficie en servicio, los recubrimientos a menudo se describen como reforzadores, sin embargo, una definición más correcta podría ser recubrimientos que retienen la resistencia.

Equipo de inspección

Los envases de vidrio se inspeccionan al 100%; máquinas automáticas, o algunas veces personas, inspeccionan cada contenedor para detectar una variedad de fallas. Las fallas típicas incluyen pequeñas grietas en el vidrio llamadas cheques e inclusiones extrañas llamadas piedras que son piezas del revestimiento de ladrillos refractarios del horno de fusión que se desprenden y caen en el charco de vidrio fundido, o más comúnmente gránulos de sílice de gran tamaño (arena) que se han no se fundió y que posteriormente se incluyen en el producto final. Es especialmente importante seleccionarlos debido al hecho de que pueden impartir un elemento destructivo al producto de vidrio final. Por ejemplo, dado que estos materiales pueden soportar grandes cantidades de energía térmica, pueden hacer que el producto de vidrio sufra un choque térmico que resulte en una destrucción explosiva cuando se calienta. Otros defectos incluyen burbujas en el vidrio llamadas ampollas y paredes excesivamente delgadas. Otro defecto común en la fabricación de vidrio se conoce como rotura . En la prensa y el moldeado por soplado , si un émbolo y un molde están desalineados o se calientan a una temperatura incorrecta, el vidrio se pegará a cualquiera de los elementos y se romperá. Además de rechazar los contenedores defectuosos, el equipo de inspección recopila información estadística y la transmite a los operadores de la máquina formadora en el extremo caliente. Los sistemas informáticos recopilan información de fallas y la rastrean hasta el molde que produjo el contenedor. Esto se hace leyendo el número de molde en el recipiente, que está codificado (como un número o un código binario de puntos) en el recipiente por el molde que lo hizo. Los operadores llevan a cabo una serie de controles manualmente en muestras de contenedores, generalmente controles visuales y dimensionales.

Procesamiento secundario

A veces, las fábricas de contenedores ofrecen servicios como el etiquetado . Hay varias tecnologías de etiquetado disponibles. Único en el vidrio es el proceso de etiquetado de cerámica aplicada (ACL). Se trata de una serigrafía de la decoración sobre el recipiente con una pintura de esmalte vítreo , que luego se hornea. Un ejemplo de esto es la botella original de Coca-Cola .

embalaje

Los envases de vidrio se envasan de varias formas. En Europa son populares los palés a granel con entre 1000 y 4000 contenedores cada uno. Esto se lleva a cabo mediante máquinas automáticas (paletizadoras) que disponen y apilan los contenedores separados por láminas de capas. Otras posibilidades incluyen cajas e incluso sacos cosidos a mano. Una vez empaquetadas, las nuevas "unidades de stock" se etiquetan, almacenan y finalmente se envían.

Márketing

La fabricación de envases de vidrio en el mundo desarrollado es un negocio de mercado maduro. La demanda mundial de vidrio plano fue de aproximadamente 52 millones de toneladas en 2009. Estados Unidos, Europa y China representan el 75% de la demanda, y el consumo de China aumentó del 20% a principios de la década de 1990 al 50%. La fabricación de envases de vidrio también es un negocio geográfico; el producto es pesado y de gran volumen, y las principales materias primas (arena, carbonato de sodio y piedra caliza) están generalmente disponibles. Por lo tanto, las instalaciones de producción deben ubicarse cerca de sus mercados. Un horno de vidrio típico contiene cientos de toneladas de vidrio fundido, por lo que simplemente no es práctico apagarlo todas las noches o, de hecho, en cualquier período que no sea de un mes. Por lo tanto, las fábricas funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto significa que hay pocas oportunidades de aumentar o disminuir las tasas de producción en más de un pequeño porcentaje. Los nuevos hornos y máquinas formadoras cuestan decenas de millones de dólares y requieren al menos 18 meses de planificación. Dado este hecho, y el hecho de que suele haber más productos que líneas de máquinas, los productos se venden en stock. El desafío de marketing / producción es, por lo tanto, predecir la demanda tanto a corto plazo de 4 a 12 semanas como a largo plazo de 24 a 48 meses. Las fábricas generalmente tienen el tamaño adecuado para satisfacer las necesidades de una ciudad; en los países desarrollados suele haber una fábrica por cada 1 o 2 millones de habitantes. Una fábrica típica producirá entre 1 y 3 millones de envases al día. A pesar de su posicionamiento como un producto de mercado maduro, el vidrio goza de un alto nivel de aceptación por parte del consumidor y se percibe como un formato de envasado de calidad "premium".

Impacto del ciclo de vida

Los envases de vidrio son totalmente reciclables y las industrias del vidrio en muchos países tienen una política, a veces requerida por las regulaciones gubernamentales, de mantener un alto precio en el vidrio de desecho para garantizar altas tasas de devolución. Las tasas de retorno del 95% no son infrecuentes en los países nórdicos (Suecia, Noruega, Dinamarca y Finlandia). Las tasas de devolución inferiores al 50% son habituales en otros países. Por supuesto, los envases de vidrio también se pueden reutilizar , y en los países en desarrollo esto es común, sin embargo, el impacto medioambiental de lavar los envases frente a la refundición es incierto. Los factores a considerar aquí son los productos químicos y el agua dulce utilizados en el lavado, y el hecho de que un recipiente de un solo uso se puede hacer mucho más liviano, utilizando menos de la mitad del vaso (y por lo tanto el contenido de energía) de un recipiente de usos múltiples. Además, un factor importante en la consideración de la reutilización por parte del mundo desarrollado son las preocupaciones de los productores sobre el riesgo y la responsabilidad consecuente del producto al usar un componente (el contenedor reutilizado) de seguridad desconocida y no calificada. Es difícil decir cómo se comparan los envases de vidrio con otros tipos de envases ( plástico , cartón , aluminio ); Aún no se han realizado estudios concluyentes sobre el ciclo de vida.

Proceso de vidrio flotado

El vidrio flotado es una hoja de vidrio hecha flotando vidrio fundido sobre un lecho de metal fundido, generalmente estaño , aunque en el pasado se usaban plomo y varias aleaciones de bajo punto de fusión . Este método le da a la hoja un espesor uniforme y superficies muy planas. Las ventanas modernas están hechas de vidrio flotado. La mayoría del vidrio flotado es vidrio de cal sodada , pero también se producen cantidades relativamente menores de borosilicato especial y vidrio para pantallas planas utilizando el proceso de vidrio flotado. El proceso de vidrio flotado también se conoce como el proceso de Pilkington , que lleva el nombre del fabricante de vidrio británico Pilkington , que fue pionero en la técnica (inventada por Sir Alastair Pilkington ) en la década de 1950.

Impactos ambientales

Impactos locales

Como ocurre con todas las industrias altamente concentradas, las fábricas de vidrio sufren impactos ambientales locales moderadamente altos. Para agravar esto, debido a que son empresas de mercado maduro, a menudo han estado ubicadas en el mismo sitio durante mucho tiempo y esto ha resultado en una invasión residencial. Los principales impactos en la vivienda residencial y las ciudades son el ruido, el uso de agua dulce, la contaminación del agua, la contaminación del aire por NOx y SOx y el polvo.

El ruido es creado por las máquinas formadoras. Operados por aire comprimido, pueden producir niveles de ruido de hasta 106 dBA . La forma en que este ruido se transmite al vecindario local depende en gran medida del diseño de la fábrica. Otro factor en la producción de ruido son los movimientos de los camiones. Una fábrica típica procesará 600 T de material al día. Esto significa que unas 600 T de materia prima deben ingresar al sitio y la misma fuera del sitio nuevamente como producto terminado.

El agua se usa para enfriar el horno, el compresor y el vidrio fundido sin usar. El uso de agua en las fábricas varía ampliamente; puede ser tan poco como una tonelada de agua utilizada por tonelada de vidrio derretido. De una tonelada, aproximadamente la mitad se evapora para proporcionar enfriamiento, el resto forma una corriente de aguas residuales.

La mayoría de las fábricas utilizan agua que contiene un aceite emulsionado para enfriar y lubricar las hojas de las cizallas de corte . Esta agua cargada de aceite se mezcla con la corriente de salida del agua, contaminándola. Las fábricas suelen tener algún tipo de equipo de procesamiento de agua que elimina este aceite emulsionado con varios grados de eficacia.

Los óxidos de nitrógeno son un producto natural de la quema de gas en el aire y se producen en grandes cantidades en hornos de gas. Algunas fábricas en ciudades con problemas particulares de contaminación del aire mitigarán esto usando oxígeno líquido , sin embargo, la lógica de esto dado el costo en carbono de (1) no usar regeneradores y (2) tener que licuar y transportar oxígeno es altamente cuestionable. Los óxidos de azufre se producen como resultado del proceso de fusión del vidrio. La manipulación de la fórmula del lote puede lograr una mitigación limitada de esto; alternativamente, se puede utilizar el lavado de la pluma de escape.

Las materias primas para la fabricación de vidrio son todas materiales polvorientos y se entregan en forma de polvo o de material de grano fino. Los sistemas para controlar materiales polvorientos tienden a ser difíciles de mantener y, dada la gran cantidad de material que se mueve cada día, solo una pequeña cantidad tiene que escapar para que haya un problema de polvo. El cullet (vidrio roto o de desecho) también se mueve en una fábrica de vidrio y tiende a producir partículas finas de vidrio cuando se quita o se rompe.

Ver también

Referencias

enlaces externos