ES2224873B1 - Proceso y horno de fusion de fritas en dos etapas. - Google Patents
Proceso y horno de fusion de fritas en dos etapas.Info
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Abstract
Proceso y horno de fusión de fritas en dos etapas. Este proceso de fabricación de fritas está caracterizado por dos fases diferenciadas de fusión, donde la primera fase tiene lugar en un horno de cuba, conectado por una garganta a un canal de distribución, que conduce y distribuye el vidrio a los canales de segunda fusión donde tiene lugar la segunda etapa de fusión. El horno asociado a este proceso consta de las siguientes zonas: - cuba: en la que tiene lugar la primera etapa de fusión y donde se funde el vidrio base, cuya composición viene definida como el máximo común divisor de la familia de fritas a producir, eliminando los componentes más corrosivos. - Garganta, que conecta la cuba con el canal de distribución. - Canal de distribución. - Uno o varios canales, en los que se adiciona el resto de las materias primas necesarias para obtener cada una de las fritas, y donde tiene lugar la segunda etapa de fusión.
Description
Proceso y horno de fusión de fritas en dos
etapas.
La presente invención tiene por objeto una nueva
tecnología de fabricación de fritas, consistente en realizar la
fusión en dos etapas, lo cual lleva asociado un horno de fusión de
balsa con uno varios canales de segunda fusión. Con este proceso se
consigue una mayor versatilidad y flexibilidad en la producción de
fritas, reduce el tiempo y el material de desecho asociado a cada
cambio de composición, permite la producción simultánea de fritas
de diferente composición y aumenta la eficacia medioambiental y
energética del horno.
Una amplio sector de fábricas de esmaltes basan
su producción en hornos relativamente pequeños
(10-30 t/día), en los que el tiempo de residencia
de la mezcla vitrificable es muy corto (menor de 45 minutos) y la
velocidad de extracción muy elevada. La gran mayoría de las fritas
tiene una composición compleja, basada en silicatos con adiciones
de compuestos alcalinos y alcalinotérreos, óxidos de aluminio,
circonio, plomo, cinc, boro y otros elementos minoritarios. Las
características del proceso de fusión junto con la alta
agresividad de la mayoría de las composiciones de fritas generan
procesos de corrosión muy severos al revestimiento refractario de
los hornos, que reducen fuertemente la vida media de los
mismos.
Por otra parte, los cortos tiempos de residencia
del vidrio en el horno obligan a utilizar materias primas de
granulometría muy pequeña, de alto coste y que dan lugar a altos
volúmenes de emisión de partículas.
La gran diversidad de fritas que se producen
(transparentes, opacas, coloreadas, para substratos densos y
porosos en procesos de mono y bicoción, etc), así como la tendencia
creciente a reducir las existencias en almacén, implica fabricar
series muy cortas, originando cambios frecuentes de composición y
una elevada proporción de desechos en cada cambio.
El proceso reivindicado en esta Patente y el
diseño de horno alternativo asociado permiten solventar con grandes
ventajas la mayoría de los inconvenientes antes mencionados
inherentes a la actual tecnología de fusión de fritas. El proceso y
horno asociados se basan en la tecnología de hornos convencionales
de cuba para fusión de vidrio hueco, introduciendo la innovación de
la fusión en dos etapas, que se traduce en un cambio radical de la
tecnología vigente en la fabricación de fritas. Esta nueva
tecnología de fusión aporta mayor versatilidad y flexibilidad a la
producción, reduce el tiempo y el material de desecho asociado a
cada cambio de composición, permite la producción simultánea de
fritas de diferente composición y aumenta la eficiencia
medioambiental y energética del horno.
El proceso de fusión de fritas en dos etapas y el
horno de fusión de fritas en dos etapas asociado (en adelante
HFF2E) ofrecen la posibilidad de fundir en un único horno una
familia completa de fritas, pudiendo producirse de forma simultánea
tantas fritas diferentes como canales de segunda fusión tenga el
horno.
En la primera fase del proceso se funde un vidrio
base en un horno de cuba de características convencionales, pero
que representa ventajas tanto en versatilidad de tamaños, como en
sistemas de calefacción y tipos de combustible, sistemas de control
de temperatura, recuperación de calor y ahorro energético,
homogeneización de fundido, menor volumen de emisiones, etc;
respecto a los hornos actualmente utilizados en la fusión de
fritas. El vidrio base fundido en este horno de cuba se define como
la composición común a la familia de fritas a producir. La
composición de este vidrio base se obtiene como el máximo común
divisor del conjunto de composiciones, eliminando en lo posible los
componentes agresivos, en particular los óxidos que producen la
mayor corrosión en los revestimientos refractarios. La composición
de este vidrio base debe ser compatible con las condiciones de
fusión del horno, con temperaturas máximas similares a las
utilizadas en la fusión de vidrio hueco, con máximos en torno a
1550ºC.
La segunda fase del proceso tiene lugar en los
canales de segunda fusión, a los cuales llega el vidrio base
procedente de la cuba y donde se agrega el resto de materias primas
para completar la composición de la frita que se quiera fundir.
Cada canal tiene un sistema individual de adición de materias
primas de modo que puede fabricarse una frita diferente en cada uno
de ellos. La proporción de composición añadida depende de la
familia de fritas y de la frita particular que se esté fabricando,
pero en todo caso se sitúa entre el 0 y el 50% en peso de la
composición total. Esto significa que el vidrio base puede tener la
misma composición que una de las fritas a producir, que puede
modificarse con pequeñas adiciones de componentes en el caso de una
familia con composiciones muy similares, hasta ser un vidrio de
composición muy diferente al cual hay que agregarle cantidades muy
importantes de materias primas para llegar a las composiciones de
las fritas a fabricar. Este importante volumen añadido es la base
del concepto de fusión en dos fases e implica un aporte energético
en la segunda fase de fusión que puede alcanzar el 50% de la
energía total empleada en el proceso de fabricación de la
frita.
Las materias primas utilizadas en el HFF2E serán
preferentemente del mismo tipo que las utilizadas en la producción
de vidrio hueco, que tienen granulometrías superiores a las de las
materias primas usualmente utilizadas en la producción de fritas.
Esta innovación significa una reducción importante del precio de
las materias primas y una disminución notable del volumen de
emisión de partículas.
El horno de fusión de fritas en dos etapas HFF2E
asociado a este nuevo procedimiento, consta de las siguientes
zonas: cuba, garganta, canal de distribución y canales de segunda
fusión.
El horno de cuba, donde tiene lugar la primera
fase de fusión, puede tener geometría variable, con bóveda de medio
punto, rebajada o plana, con enformadora de bandeja oscilante o de
tolva, única o doble, ubicada lateral o frontalmente. El método de
calefacción es también variable, pudiendo utilizarse quemadores de
fuel, de gas, o mixtos, sistemas de oxi-fuel u
oxi-gas, en configuración de bucles o de quemadores
transversales. Otra opción es la fusión eléctrica o la fusión mixta
con fuel o gas con apoyo eléctrico.
El horno incluye recuperadores metálicos
convencionales o cámara de regeneración cerámica. Los gases
recuperados se utilizan para precalentar la mezcla vitrificable y
aumentar así la eficacia energética.
La cuba de la primera fase de fusión está
separada del canal de distribución por una garganta, de anchura
suficiente para que no dé lugar a estrangulamientos, que favorezca
el fluir del fundido y minimice las pérdidas de temperatura. Pueden
igualmente usarse gargantas de dimensiones variables, al mismo
nivel de la suela del horno o sumergidas.
En el canal de distribución el vidrio base
procedente de la cuba se distribuye a los distintos canales de
segunda fusión. A lo ancho del canal se colocan quemadores o
electrodos sumergidos que mantienen constante la temperatura de
vidrio.
Los canales de segunda fusión disponen de un
sistema de acceso del vidrio base regulable mediante un cierre de
refractario, de pantallas metálicas suspendidas, o de caja de agua
que permite regular el caudal de vidrio, disminuir o aumentar la
extracción de la frita, e incluso bloquearla totalmente para
eventuales reparaciones. El número de canales es variable, al igual
que las dimensiones de los mismos. La longitud puede variar entre
uno y cinco metros, dependiendo del tipo de frita y de la
extracción requerida. El ancho es también variable y la profundidad
puede modificarse mediante un talón refractario situado junto a la
piquera de colada de la frita.
El cambio de composición de fritas se realiza en
tiempos cortos, alrededor de 1 hora, lo cual implica una reducción
muy importante del volumen de desechos, o "colas" asociadas al
cambio.
El calentamiento de estos canales se realiza
mediante quemadores de fuel, de gas o mixtos, pueden incluir
sistemas oxi-fuel u oxi-gas, y puede
asimismo utilizarse energía eléctrica, total o parcial, y
calefacción de techo radiante. Dado que en estos canales se realiza
la segunda etapa de la fusión, los mismos están conectados a un
recuperador común a todos los canales por donde se eliminan los
gases provenientes de la fusión y combustión y que confluyen bien
en la chimenea principal, bien en una segunda chimenea localizada
al final de los canales.
Las materias primas se agregan a los canales de
segunda fusión a través de dispositivos de enforme de geometría
variable, de bandeja oscilante o tolva de boca rana, alimentados
desde la mezcladora a través de cintas transportadoras. La posición
de estos alimentadores puede modificarse situándose a lo largo del
canal para optimizar el tiempo de residencia de la frita fundida y
su calidad final.
Los canales pueden incluir agitadores, instalados
junto a la caída de las materias primas adicionadas en cada canal
para asegurar la homogeneidad del fundido y evitar la formación de
una capa superficial de menor viscosidad y mayor velocidad de
avance.
La frita fundida se cuela por una piquera situada
al final de cada canal, y se enfría bruscamente, se "frita",
sobre agua por el procedimiento habitual.
Los materiales utilizados como revestimiento de
las distintas zonas son los usuales en los hornos de fusión de
vidrio hueco y de fritas. Las caras de trabajo de la solera y los
pies derechos del horno cuba están constituidos preferentemente por
refractarios electrofundidos de alfabeta alúmina,
alúmina-circona-sílice (AZS) o
circona, materiales prensados isostáticamente de circón o de
cromita, o refractarios de sílice de alta calidad resistentes a la
corrosión. El revestimiento de seguridad está constituido por una
capa de refractarios de un material no conformado basado en AZS o
un material conformado sílico-aluminoso, seguida de
una capa de material aislante. La bóveda y las tapas de los canales
de segunda fusión pueden construirse con refractarios de sílice,
silimanita o mullita, y también se contempla la utilización de
refractarios de alfa-beta alúmina.
En los canales de segunda fusión, sometidos a un
mayor ataque corrosivo generado por la composición de las fritas y
la mayor velocidad del vidrio, se emplean refractarios
electrofundidos de alfa-beta alúmina, AZS o de
circona, y materiales de circón o de cromita obtenidos por prensado
isostático en la zona de contacto con la frita fundida.
Las piqueras de colada son preferentemente de cromita, aunque también puede utilizarse AZS fabricado por electrofusión.
Las piqueras de colada son preferentemente de cromita, aunque también puede utilizarse AZS fabricado por electrofusión.
El horno incluye sistemas de control de
temperatura en la bóveda y solera de la cuba, en la garganta, en el
canal de distribución a la entrada de los canales de segunda
fusión y en las cercanías de las piqueras de colada. Incluye
también un sistema de control de caudal a la entrada de los canales
de segunda fusión y un sistema de control de extracción en cada
canal.
Las características del horno HFF2E suponen un
avance significativo respecto a las de los hornos actuales de
fusión de fritas, ya que permiten:
- -
- Una producción más versátil y flexible que permite producir series cortas y evitar exceso de existencias en almacén.
- -
- Prolongar la vida media de los hornos, en especial la de los materiales refractarios de la cuba de la primera fase de fusión.
- -
- Un ahorro energético considerable.
- -
- Un ahorro tanto en el coste como en la cantidad de materias primas.
- -
- Disminuir las emisiones de partículas y de elementos contaminantes a través de la chimenea.
- -
- Reducir la generación de residuos sólidos, tanto las "colas" de material vítrio correspondiente a cada cambio de composición, como la cantidad de refractarios corroídos al aumentar la vida media del horno.
A continuación para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Muestra una vista en planta del horno
de la invención.
Figura 2.- Muestra una vista en alzado seccionado
del horno.
Figura 3.- Muestra una vista en sección
transversal de una cuba que forma parte del conjunto del horno de
la invención.
Considerando la numeración adoptada en las
figuras, el proceso de fabricación fritas tiene lugar de la
siguiente forma.
En una cuba 2 tiene lugar la primera etapa de
fusión que consiste en la fusión de las materias primas para
producir el vidrio base (ver ejemplo de fabricación de familia de
fritas descrito más adelante). Dichas materias primas se introducen
en la cuba a través de una enformadora 1. La energía necesaria para
la fusión se suministra a través de dos quemadores 3 y 4 que
funcionan de forma alternada en configuración de bucle, y la salida
de gases se produce a través de los recuperadores metálicos
situados encima de los quemadores 3 y 4. El vidrio base fundido en
la cuba pasa a un canal de distribución 6 a través de una garganta
5. En el canal de distribución se localizan unos quemadores 12 con
el fin de mantener constante la temperatura del vidrio, que pasa a
los diferentes canales de segunda fusión 13, por rebose. El acceso
a los canales de segunda fusión 13 está controlado mediante un
sistema de regulación con caja de agua 8 que controla unos pasos 7.
En el canal de segunda fusión se produce la adición de las
materias primas necesarias para completar la composición final de
la frita (ver ejemplo de fabricación de fritas que se describe a
continuación) a través de una tolva de boca rana 9 y la mezcla se
hunde y agita mediante el agitador 10. La energía necesaria para la
segunda etapa de fusión es suministrada por unos quemadores 11. La
frita fundida rebosa por un talón 14 y se cuela a través de una
piquera 15. El horno incluye termopares 16 en bóveda, en la suela
de la garganta y a la entrada de los canales de segunda fusión 13.
La evacuación de gases se produce mediante recuperadores metálicos
que confluyen en una segunda chimenea situada sobre los canales de
segunda fusión.
A continuación se describe un ejemplo particular
de fabricación de una familia de fritas donde se funde una familia
de tres fritas a partir de las siguientes materias primas: cuarzo,
feldespato potásico, carbonato sódico, dolomita, caliza, carbonato
cálcico, óxido de cobalto, ácido bórico, harina de circón y óxido
de cinc. La composición de las fritas y del vidrio base
correspondiente se detallan en la Tabla 1.
La fusión del vidrio base se realiza a una
temperatura máxima de 1550ºC.
En el primer canal de segunda fusión se adiciona
un 20% en peso de composición (óxido de cinc y dolomita) para
obtener la frita 1, transparente e incolora. En el segundo canal de
segunda fusión se agrega un 20% en peso de composición (óxido de
cinc, dolomita y CoO) para obtener la frita 2, transparente y de
color azul. En el tercer canal de segunda fusión se añade un 23% en
peso de composición (óxido de cinc, dolomita y harina de circón)
para obtener la frita 3, opaca, blanca y brillante. La temperatura
de fusión en los canales de segunda fase es de 1450ºC.
Claims (8)
1. Proceso de fabricación de fritas,
caracterizado porque comprende dos etapas diferenciadas de
fusión, donde la primera etapa tiene lugar en un horno de cuba,
conectado por una garganta a un canal de distribución, que conduce y
distribuye el vidrio a los canales de segunda fusión donde tiene
lugar la segunda etapa de fusión, y en el cual:
- -
- en la cuba de la primera fase se funde un vidrio base, definido como la composición común a una familia de fritas, calculado como el máximo común divisor de ese conjunto de fritas y eliminando en lo posible los elementos más corrosivos;
- -
- en los canales de segunda fusión se adiciona al vidrio base el resto de las materias primas hasta completar las composiciones finales de las fritas a producir, situándose la proporción de composición añadida entre el 0 y el 50% de la composición final, y pudiéndose fabricar simultáneamente tantas fritas de diferente composición como canales de segunda fusión tenga el horno.
2. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según el procedimiento de la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende:
- -
- una cuba en la que tiene lugar la primera etapa de fusión en la cual se funde el vidrio denominado vidrio base, cuya composición viene definida como el máximo común divisor de la familia de fritas a producir, eliminando en lo posible los componentes más corrosivos de las mismas;
- -
- una garganta, que conecta la cuba con el canal de distribución;
- -
- un canal de distribución;
- -
- uno o varios canales de segunda fusión, a los que llega el vidrio base procedente de la cuba, al cual se adiciona el resto de las materias primas necesarias para obtener cada una de las fritas a producir, y donde tiene lugar la segunda etapa de fusión, pudiéndose fabricar simultáneamente tantas fritas de diferente composición como canales de segunda fusión tenga el horno.
3. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según reivindicación 2, caracterizado porque el
horno de cuba tiene geometría variable, con configuración de bucle
o de quemadores transversales, y la fusión se realiza utilizando
quemadores de fuel, de gas, o mixtos, o sistemas
oxi-fuel u oxi-gas, o mediante
energía eléctrica, o con un sistema combinado de fuel o gas con
apoyo eléctrico.
4. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado
porque la fusión en los canales de segunda fusión se realiza
utilizando quemadores de fuel, de gas, o mixtos, o sistemas
oxi-fuel u oxi-gas, o mediante
energía eléctrica, o con un sistema combinado de fuel o gas con
apoyo eléctrico, o por calefacción por bóveda radiante.
5. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado
porque el número de canales de segunda fusión es variable al igual
que las dimensiones de los mismos, y estos canales disponen de un
sistema de acceso del vidrio base regulable mediante un cierre de
refractario, de pantallas metálicas suspendidas, o de caja de agua,
que permite regular el caudal de vidrio, disminuir o aumentar la
extracción de la frita, e incluso bloquearla totalmente para
eventuales reparaciones.
6. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado
porque las materias primas se agregan a los canales de segunda
fusión a través de dispositivos de enforme de geometría variable,
de bandeja oscilante o tolva de boca rana, y la posición de estos
alimentadores puede modificarse situándose a lo largo del canal para
optimizar el tiempo de residencia de la frita fundida y su calidad
final.
7. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado
porque incluye recuperadores metálicos convencionales o cámara de
regeneración cerámica y los gases recuperados se utilizan para
precalentar la mezcla vitrificable y aumentar la eficacia
energética.
8. Horno de fusión de fritas en dos etapas
(HFF2E) según las reivindicaciones 2 a 7, caracterizado
porque incluye sistemas de control de temperatura en la bóveda y
solera de la cuba, en la garganta, en el canal de distribución a la
entrada de los canales de segunda fusión y en las cercanías de las
piqueras de colada, sistemas de agitación en los canales de segunda
fusión, un sistema de control de caudal a la entrada de los canales
de segunda fusión y un sistema de control de extracción en cada
canal.
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