ES2732490B2 - Metodo y dispositivo para la fabricacion de fritas de vidrio - Google Patents
Metodo y dispositivo para la fabricacion de fritas de vidrio Download PDFInfo
- Publication number
- ES2732490B2 ES2732490B2 ES201990069A ES201990069A ES2732490B2 ES 2732490 B2 ES2732490 B2 ES 2732490B2 ES 201990069 A ES201990069 A ES 201990069A ES 201990069 A ES201990069 A ES 201990069A ES 2732490 B2 ES2732490 B2 ES 2732490B2
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- solar
- raw materials
- crucible
- glass
- frits
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 59
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 27
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 67
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 63
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims description 12
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 11
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 44
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 27
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 15
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 15
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 12
- 229910011255 B2O3 Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 11
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 8
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 8
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N lead(II) oxide Inorganic materials [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 6
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 6
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 3
- 238000005262 decarbonization Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Inorganic materials [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 238000007499 fusion processing Methods 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 2
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MQWCQFCZUNBTCM-UHFFFAOYSA-N 2-tert-butyl-6-(3-tert-butyl-2-hydroxy-5-methylphenyl)sulfanyl-4-methylphenol Chemical compound CC(C)(C)C1=CC(C)=CC(SC=2C(=C(C=C(C)C=2)C(C)(C)C)O)=C1O MQWCQFCZUNBTCM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 1
- 229910002483 Cu Ka Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- 241000282376 Panthera tigris Species 0.000 description 1
- 244000178231 Rosmarinus officinalis Species 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052925 anhydrite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910001593 boehmite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002419 bulk glass Substances 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012777 commercial manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000004031 devitrification Methods 0.000 description 1
- 238000004455 differential thermal analysis Methods 0.000 description 1
- JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N dimagnesium dioxido-bis[(1-oxido-3-oxo-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3-disila-5,7-dialuminabicyclo[3.3.1]nonan-7-yl)oxy]silane Chemical compound [Mg++].[Mg++].[O-][Si]([O-])(O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2)O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2 JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002320 enamel (paints) Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000010433 feldspar Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 125000001475 halogen functional group Chemical group 0.000 description 1
- FAHBNUUHRFUEAI-UHFFFAOYSA-M hydroxidooxidoaluminium Chemical compound O[Al]=O FAHBNUUHRFUEAI-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N lead oxide Chemical compound [O-2].[Pb+2] HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000010310 metallurgical process Methods 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 238000004876 x-ray fluorescence Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
- C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
- C03B5/235—Heating the glass
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/04—Glass compositions containing silica
- C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
- C03C3/089—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/04—Glass compositions containing silica
- C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
- C03C3/089—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron
- C03C3/091—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron containing aluminium
- C03C3/093—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron containing aluminium containing zinc or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/04—Glass compositions containing silica
- C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
- C03C3/102—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing lead
- C03C3/108—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing lead containing boron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
- C03C8/02—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
- C03C8/02—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form
- C03C8/10—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form containing lead
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
- C03C8/02—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form
- C03C8/10—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form containing lead
- C03C8/12—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form containing lead containing titanium or zirconium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
- F24S40/10—Protective covers or shrouds; Closure members, e.g. lids
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
- F24S20/30—Solar heat collectors for heating objects, e.g. solar cookers or solar furnaces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Description
DESCRIPCIÓN
MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA LA FABRICACIÓN DE FRITAS DE VIDRIO
La presente invención cae dentro del campo de la fabricación de fritas de vidrio.
El primer objeto de la presente invención es un método para preparar fritas de vidrio suministrando la energía total requerida en el proceso por medio de radiación solar concentrada.
Otro objeto de la presente invención es un dispositivo para llevar a cabo dicho método que comprende elementos tales como un espejo solar plano, un obturador del haz de luz solar y un concentrador de radiación solar. El dispositivo incluye además medios para almacenar, alimentar y contener las materias primas, tales como
- una tolva para las materias primas
- un alimentador de materias primas
- un crisol provisto de un brazo basculante situado en el punto focal de la radiación solar concentrada
- un depósito de agua para verter las materias primas fundidas provisto de un soporte articulado.
ESTADO DEL ARTE
Las fritas de vidrio son materiales vitreos preparados por fusión a alta temperatura de una mezcla de materias primas. Las fritas son el componente principal de casi todos los esmaltes cerámicos. También están presentes en muchas de las composiciones de diferentes materiales en los que se necesita una fase vitrea como aglutinante. Actualmente, en el mercado existen muchas variedades de fritas, con diferentes características fisicoquímicas: composición, fases, punto de fusión, dureza, color, resistencia a la erosión, brillo, opacidad, matiz, etc.
Hoy en día, la producción de fritas se realiza en hornos de fusión en continuo y las temperaturas comunes en los hornos oscilan entre los 1350° y los 1550°C. Una vez fundidas las cargas de materias primas, el fundido se enfría rápidamente en agua; De esta forma, la masa fundida se solidifica en forma pequeños trozos de vidrio. Este
proceso de fusión implica un consumo de energía significativo y una baja eficiencia y productividad del proceso.
La fabricación de fritas es un proceso de energía intensivo, que requiere altas temperaturas por lo general suministradas por la combustión de combustibles fósiles. El mayor consumo de energía del proceso se produce dentro del horno de fusión; en general, la energía necesaria para la fusión representa más del 75% de la energía total consumida en el proceso de fabricación de la frita. La energía teórica requerida para convertir la mezcla de materias primas en vidrio es de alrededor de 2,7 GJ / 1 [(Trier, W., Glass Furnaces: Design Construction and Operation, Sheffield: Society of Glass Technology, 1987, pág. (Scalet, B.M., et al., 2013. Comisión Europea, Best Available Techniques (BAT), documento de referencia para la fabricación de vidrio).
Este valor teórico sólo tiene en cuenta el calor químico de reacción y los cambios de entalpia asociados con el calentamiento de la carga de materias primas desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión. Sin embargo, desde un punto de vista práctico es necesario superar las pérdidas de calor relacionadas con el mantenimiento de la temperatura de fusión del vidrio. El consumo real de energía para la fusión de vidrio en la industria moderna puede variar de 3,5 a 40 GJ / 1 dependiendo del diseño del horno y de la escala [véase la referencia anterior de Scalet B.M. Et al. (2013)].
Los principales inconvenientes del procedimiento actual son: alto coste de hornos, alto consumo de energía, baja productividad en Kg / h ■ KJ y alta producción de C02. Por lo tanto, es de gran importancia buscar nuevos procesos sostenibles para reducir los requerimientos energéticos y además eliminar el consumo de combustibles fósiles. Se han llevado a cabo importantes investigaciones orientadas a la utilización de la energía solar concentrada (ESC) en diferentes procesos industriales, tales como
- la producción de cal a partir de piedra caliza [A. Meier, N. Gremaud, A. Steinfeld. Energy conversión and management 46 (2005) 905],
- alúmina a partir de boehmita [I. Padilla, A. López-Delgado, S. López-Andrés, M. Álvarez, R. Galindo, A.J. Vázquez-Vaamonde. The Scientific World Journal (2014); http://dx.doi.org/10.1155/2014/825745] y
- anhidrita a partir de yeso [A. López-Delgado, S. López-Andrés, I.Padilla, M. Álvarez, R. Galindo, A.J. Vázquez. Geomaterials 4 (2014) 82],
La energía solar concentrada también se ha aplicado en los siguientes procesos:
- sinterizado de alúmina [R. Román, I. Cañadas, J. Rodríguez, M.T. Hernández, M. González. Solar sintering of alumina ceramics: Microstructural development. Solar Energy 82 (2008) 893-902] y
- cerámica basada en cordierita [F. Almeida, N. Shohoji, J. Cruz, L. Guerra. Solar sintering of cordierite-based ceramics at low temperatures. Solar Energy 78 (2005) 351 361]
así como en procesos metalúrgicos tales como:
- fundición de aluminio a partir de chatarra de aluminio [Funken, K.-H. et al., 2001. Aluminum remelting using directly solar heated rotary kilns. ASME J. Solar Energy Eng.
123, 117-124],
- producción de espumas de titanio [I. García, E. Gracia-Escosa, M. Bayoda, A. Conde, M.A. Arenas, J. Damborenea, A. Romer, G. Rodríguez. Sustainable production of titanium foams for biomedical applications by Concentrated Solar Energy sintering. Materials Letters 185 (2016) 420-423],
- recuperación de zinc a partir de materiales que contienen zinc [Tzouganatos, N. et al.
2013. Thermal recycling of Waelz oxide using concentrated solar energy J. Met. 65, 1733 -1743],
- templado de aceros [A. Vázquez, G. P. Rodríguez, J. de Damborenea.Solar EnergyMaterials24 (1991) 751],
- producción de nitruro de titanio [C. Sierra, A. J. Vázquez; Solar Energy Materials and Solar Cells 86 (2005) 86] y
- acero inoxidable [J. de Damborenea, A.J. Vázquez, B. Fernandez, Materials&Design15 (1994) 41]
- recubrimientos, soldadura de aceros y aleaciones de titanio [A. Romero. I. García, M. A. Arenas, V. López, A. Vázquez. Solar Energy 95 (2013) 131]y
- ensayos de choque térmico en materiales intermetálicos [D.G. Morris, A. López-Delgado, I. Padilla, M.A. Muñoz-Morris. Solar Energy 112 (2015) 246],
Sin embargo, no se ha realizado ninguna investigación previa con el objetivo de utilizar la ESC para producir vidrios o materiales vitreos tales como fritas de vidrio o esmaltes de vidrio. Recientemente, se ha investigado sobre la viabilidad de utilizar radiación solar
concentrada como fuente sostenible de energía en un proceso de producción de vidrio [S.Q.S. Ahmad, R.J. Hand, C. Wieckert. Use of concentrated radiation for solar powered glass melting experiments. Solar Energy 109 (2014) 174-182], Los experimentos iniciales de fusión de un vidrio dentro del sistema ternario sosa-cal-sílice, han demostrado que es posible la conversión rápida y completa de las materias primas cristalinas a un estado vitreo, amorfo según el análisis de rayos X.
Sin embargo, este documento divulga experimentos de una fusión estática o semicontinua en los que un baño de materia prima es fusionado, pero el proceso es detenido antes del paso de homogenización en estado fundido, sin verter. De esta manera se obtiene un vidrio a granel, no una frita de vidrio. Otra característica de la configuración experimental divulgada en este documento es la inclusión de un calentamiento secundario alrededor de la salida, provisto de un horno de tubo abierto ajustado a 1200°C.
También se ha explorado la posibilidad de aplicar ESC para crear una tecnología de haz de luz para obtener objetos de arte con un recubrimiento de esmalte de vidrio [V. I. Otmakhov. Firing of glass enamel by concentrated solar radiation. Glass and Ceramics, Vol. 72, Nos. 7 - 8 , 266-268, (2015)]. Sin embargo, es necesario señalar que las dos últimas referencias mencionadas no utilizan ESC real para lograr la energía de proceso necesaria, sino, que en ambos casos, se utilizó como fuente de calor un simulador solar de alto flujo constituido por lámparas de arco de xenón, cuyo espectro de radiación es cercano al espectro solar.
Adicionalmente, se han realizado más experimentos con energía solar de recocido o sinterizado de vidrio de sílice (partículas y/o piezas):
- Michael Ellestad “fundición solar de fusión de vidrio con lente fresnel”;
17- Enero-2015 XP002773415, URL: http://youtu ,be/xyCH2T5PWUc
- Greenpowescience: “"Colector solar de lentes Fresnel de vidrio fundido con energía solar”; 18-07-2007,XP002773416
URL: http://voutu.be/JG1GfKVoYE
Donde los artistas usan la energía solar para suavizar pequeños pedazos de vidrio:
En Aea Hx “Markus kayser - Solar Sinter Project”; 27-06-2011, XP002773417; URL: http://youtu.be/ptUj8JRAYu8, the artist sinters sand grains.
Según los párrafos anteriores existe la necesidad de desarrollar un proceso en el que se aplique la radiación solar concentrada real para conseguir la energía necesaria para fundir fritas de vidrio de diferente tipología.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION
A lo largo de esta descripción, los siguientes términos se definen como sigue:
- materias primas: cualquier material que pueda utilizarse para la fabricación de fritas de vidrio tales como, pero sin limitarse a, sílice, carbonatos alcalinos /alcalinotérreos, alúmina, óxido de boro, óxido de calcio, óxido de zirconio, óxido de titanio, óxido de plomo, óxido de zinc, feldespatos y combinaciones de los mismos.
- descarbonatación: proceso mediante el cual se descomponen las materias primas utilizadas en forma de carbonato, es decir carbonatos alcalinos / alcalinotérreos, para formar los correspondientes óxidos.
- fusión: proceso mediante el cual las materias primas sólidas se transforman en fases líquidas.
- homogeneización: proceso mediante el cual las diferentes fases líquidas se mezclan entre sí para obtener una única masa líquida con propiedades físico-químicas iguales en toda la masa fundida.
Un primer objeto de la presente invención es un método para fabricar fritas de vidrio que comprende descarbonatación, fusión y homogeneización de materias primas en las que la alta densidad de potencia requerida es proporcionada por energía solar concentrada. En una realización preferida, las materias primas están contenidas en un crisol, que se calienta directamente por medio de un haz de luz solar concentrada.
Las materias primas se someten simultáneamente a:
- descarbonatación
- fusión
- homogeneización
durante un período que oscila entre 15y45 min a una temperatura medida bajo el fondo del crisol superior a 1400°C.
La temperatura medida podría ser mayor, hasta 1800°C, dependiendo del haz de ESC.
La materia prima fundida se vierte a continuación sobre agua para enfriar, formando de este modo la frita de vidrio.
En una realización preferente, el periodo de tiempo tiene un rango desde 7 hasta 45 minutos, más preferentemente de 15 a 45 minutos. Un objeto adicional de la presente invención es un dispositivo para llevar a cabo el referido método para fabricar fritas de vidrio, comprendiendo dicho dispositivo:
- un espejo solar plano
- un obturador de haz solar
- un concentrador de radiación solar
- medios para almacenar, alimentar y contener las materias primas.
En una realización preferida, el concentrador de radiación solar es un concentrador parabólico (1). En una realización preferida adicional:
- los medios para almacenar las materias primas son una tolva (2)
- los medios para alimentar las materias primas son un alimentador (3)
- los medios para contener las materias primas es un crisol (4).
Particularmente, el crisol (4) es un crisol refractario.
El dispositivo comprende además un depósito de agua (6) para verter las materias primas fundidas.
A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos utilizados tienen el mismo significado que comúnmente entiende uno de los expertos en la materia de esta invención. Pueden utilizarse en la práctica de la presente invención métodos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la presente memoria.
A lo largo de la descripción y reivindicaciones, la palabra "comprende" y sus variaciones no pretenden excluir otras características, elementos o etapas. Los objetos adicionales, las ventajas y las características de la invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica que examinen la descripción o pueden ser aprendidos por la práctica de la invención. Los ejemplos y dibujos siguientes se proporcionan a modo de ilustraciones y no se pretende que sean limitantes de la presente invención.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Figura 1: Esquema de la instalación solar utilizada para llevar a cabo el proceso de fabricación de fritas con energía solar concentrada, en la que:
1. Concentrador parabólico
2. Tolva de materias primas
3. Alimentador de materias primas
4. Crisol
5. Brazo basculante del crisol
6. Depósito de agua con soporte articulado
7. Obturador de haz solar
8. Suelo deslizante de seguridad
9. Espejo plano
Figura 2: Registros temperatura-tiempo del experimento para producir fritas de vidrio en horno solar (termopar colocado en el fondo exterior del crisol) y en horno eléctrico.
Figura 3: Diagramas de difracción de rayos X (DRX) de las fritas de vidrio obtenidas en horno solar (gris) y horno eléctrico (negro).
Figura 4: Comportamiento térmico de las fritas de vidrio obtenidas en horno solar (gris) y horno eléctrico (negro).
Figura 5: Registros temperatura-tiempo del experimento para producir fritas de vidrio en horno solar (termopar colocado en el fondo exterior del crisol) y en horno eléctrico.
La representación de temperatura en el horno solar se extiende hasta el final del proceso.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un nuevo procedimiento para obtener fritas de vidrio que utilizan energía solar concentrada, lo que implican varias ventajas notables en comparación con los procesos tradicionales. Los procesos tradicionales llevan a cabo el calentamiento de materias primas en un reactor consistente en un crisol donde se calientan, descarbonatan, funden y homogenizan para producir el producto final (frita de vidrio). La mayoría de los hornos utilizados en la fabricación comercial son hornos eléctricos o hornos calentados por combustibles. En ambos casos hay un enorme consumo de energía y también una gran producción de CO2.
En el proceso convencional para producir fritas, las materias primas se colocan dentro de un crisol, que se calienta desde el exterior al interior. En la presente invención (véase la figura 1), usando un concentrador parabólico de radiación solar de eje vertical (1), el calentamiento se realiza dirigiendo el foco del haz concentrado directamente sobre la carga de materias primas, dentro del crisol (4). En consecuencia, se obtendrá un gran ahorro en el consumo de energía debido a la mayor densidad de energía de la radiación solar concentrada. Además, la duración del proceso se reduce drásticamente debido a que las materias primas están bajo la focalización de la radiación solar, tan pronto como el crisol (4) se encuentra en posición vertical y se abre el obturador (7). Así, comienzan a calentarse inmediatamente por el haz solar concentrado procedente del concentrador parabólico (1). Como la densidad de potencia de este haz solar concentrado es mucho mayor que en los hornos tradicionales, la velocidad de calentamiento es muy alta y, en consecuencia, el tiempo para alcanzar la temperatura de reacción deseada se reduce. Esta invención propone un nuevo procedimiento para la fabricación de fritas utilizando un sistema específico de energía solar térmica que consiste en una instalación solar de concentración de eje vertical construida a la medida según las características del proceso. Con este diseño es posible utilizar una densidad de potencia muy alta para calentar directamente y más rápidamente las materias primas hasta altas temperaturas. El proceso comprende el calentamiento directo de materias primas con energía solar concentrada para aumentar la eficiencia en tiempo y consumo de energía.
Básicamente, el nuevo proceso de producción de fritas es el siguiente:
1. - Se introduce la carga de materias primas en el reactor, a saber, un crisol (4) situado en el punto focal del concentrador solar parabólico (1), por medio de un alimentador de materias primas (3),el cuál una vez terminada la carga se desplaza a una posición fuera del concentrador parabólico.
2. - Se abre el obturador solar (7) para permitir que el haz solar sea redirigido desde el espejo plano (9) al concentrador parabólico (1).
3. - La alta densidad de energía solar existente en el punto focal produce un rápido calentamiento, que conduce a la descarbonatación y a la fusión simultánea de las materias primas y a l a homogeneización del fundido final.
3.- Una vez que la masa fundida alcanza la temperatura requerida, se enfría rápidamente vertiéndola en un tanque de agua (6) para producir una frita. El vertido se realiza por medio del brazo basculante (5) del crisol que hace girar el crisol (4) para permitir que se derrame la masa fundida.
Una vez que el crisol (4) se encuentra nuevamente en posición vertical, se vuelve a llenar con una nueva carga de la mezcla de materias primas y el proceso continúa con el paso "1", mientras que el depósito de agua (6) se desplaza, por medio del soporte articulado, a una posición fuera del concentrador parabólico.
Con este nuevo proceso, el tiempo requerido para el calentamiento de la materia prima, la fusión, la descarbonatación y la homogeneización es extremadamente corto. En consecuencia, la velocidad de transformación de las materias primas en el vidrio final es mucho mayor que en los procesos tradicionales. Como se muestra en las realizaciones preferidas, en la frita final no se detectan ninguna de las materias primas originales. A pesar de que el proceso tiene una duración menor, la calidad del producto final es similar a la de las fritas fundidas mediante un procedimiento convencional.
El procedimiento para preparar fritas de vidrio de acuerdo con la presente invención tiene varias ventajas en comparación con los que utilizan hornos convencionales:
1.- A causa del uso de la energía solar, no hay ninguna emisión directa o indirecta de CO2 debido a la generación de energía. Este es un claro beneficio desde el punto de vista del efecto invernadero. Este beneficio es muy importante ya que la industria de fabricación de fritas de vidrio es alta consumidora de combustibles fósiles, debido a que se requiere elevada temperatura de proceso. Incluso si los hornos son calentados eléctricamente hay un consumo de combustible fósil oculto porque aproximadamente el 35% de la electricidad se produce con combustibles fósiles y el rendimiento de
producción de esas plantas es de alrededor del 40%. Además, deben considerarse las pérdidas asociadas a la transformación y transporte de energía.
2. - El segundo beneficio es que el único coste de este nuevo proceso es la instalación y su mantenimiento.
3. - Las partículas de las materias primas tienen una superficie irregular que actúa como un sumidero perfecto de la radiación solar y que aumenta la transferencia de calor global porque no hay ninguna reflexión. Incluso si los haces solares concentrados calientan una superficie sólida, como ocurre con la pared del crisol en los hornos de gas o en los hornos eléctricos, las pérdidas de calor serían ligeramente menores. De este modo, se consigue una reducción de la energía total implicada en el proceso y hay una mejor transferencia global de calor a través de la superficie de las materias primas. Los procesos tradicionales requieren una temperatura más alta en la pared externa del crisol. El coeficiente de conducción del material del crisol controla el tiempo de calentamiento porque es siempre la etapa controlante. Sin embargo, se necesita una temperatura más alta en la pared externa del crisol para calentar la carga de materia prima dentro del crisol. Es bien sabido que un incremento de temperatura significa un incremento de coste en cualquier proceso.
4. - Cuando se funden los granos de materias primas en la parte superior del crisol, la fase líquida originada desciende a lo largo de los poros calentando los granos situados en capas inferiores. Este líquido fundido va cayendo verticalmente calentando todos los granos que encuentra. En consecuencia, las materias primas que no han reaccionado se calientan más rápidamente debido al mayor contacto superficial entre el material fundido y la superficie de los granos. La transferencia global de energía es mucho mayor que si el calentamiento se realizara a través de las paredes del crisol como en el proceso tradicional, donde este efecto se produce sólo cerca de la pared.
Además, la mayor densidad de potencia del haz solar concentrado aumenta la transferencia global de calor a la carga de materias primas, con una reducción en el tiempo de calentamiento y el consiguiente incremento en la productividad.
5. - Debido a que la carga de materia prima se calienta directamente, la temperatura exterior del crisol es menor que en los procesos tradicionales, supone menos pérdidas de calor y, en consecuencia, una reducción en el consumo de energía del proceso. 6. - En cuanto al coste del crisol, los procesos tradicionales utilizan materiales con alta resistencia térmica y simultáneamente con un alto coeficiente de conducción. Ambas características significan un precio más alto. En la presente invención, la carga de materia prima se calienta directamente y el crisol se puede fabricar con material refractario aislante de menor coste. Además, hay una reducción muy importante en la
erosión mecánica y la corrosión química de la pared interna del crisol, aumentando su vida útil.
7.- La consecuencia final de estas ventajas anteriores es que este nuevo proceso conduce a una reducción superior al 80% en el tiempo de reacción (calentamiento, descarbonatación y fusión) lo que significa un incremento en la productividad del proceso.
En comparación con las divulgaciones del estado de la técnica donde se utilizan simuladores solares, [ S.Q.S.Ahmad, R.J. Mano, C. Wieckert. Uso de radiación concentrada para experimentos de fusión con energía solar. Solar Energy 109 (2014) 174-182], las diferencias principales son la descarbonización simultánea, fusión y homogeneización de las materias primas vs. Las condiciones estáticas o semicontinuas y que no hay necesidad de una fuente de calentamiento secundario. El procedimiento de la invención permite la obtención de fritas de vidrio por medio de un proceso continuo de una etapa mientras el proceso que usa el simulador solar termina sin verter, por consiguiente, reproduciendo un vaso a granel.
Y en relación con los experimentos de los artistas, mencionados en el estado de la técnica, la energía requerida en este proceso es significativamente menor que la de un proceso de fusión de vidrio compleja a partir de lotes de materia prima como en la presente invención.
REALIZACIONES DE LA INVENCION
La composición química de las fritas de vidrio comerciales incluye la combinación de varios componentes:
-Formadores de Vidrio: SÍO2, B2O3
-Óxidos fundentes: Na20, K2O, PbO, B2O3, LÍ2O
-Estabilizantes: CaO, BaO, MgO, PbO, AI2O3, ZnO
-Opacificantes: Zr02, Sn02, TÍO2
- Óxidos devitrificantes: ZnO, CaO, BaO, MgO, TÍO2
De acuerdo con diferentes características físicas y químicas, las fritas comerciales se clasifican en los seis grupos siguientes:
1- Fritas cristalinas
2- Fritas blanco de zirconio
3 - Fritas de fusibilidad media, transparentes y brillantes
4- Fritas fundentes
5- Fritas fundentes reactivas
6- Fritas mate
La composición química de los diferentes grupos se indica en la Tabla 1.
Tabla 1. Intervalo de composición química (% en peso) de fritas de vidrio comerciales Blanco de Fusibilidad Fundente
Oxido Cristalina Fundente Mate Zirconio media reactiva
Alcalinos 3-6 3-7 3-7 0-15 — 0-10
CaO 4-8 4-8 3-6 0-10 — 0-20
BaO 0-2 0-2 0-2 — — —
ZnO 4-8 4-8 3-6 0-5 — 0-30
PbO 0-20 0-10 30-40 0-85 45-69 0-35
AI2O3 4-8 4-8 2-4 — — 0-5
B2O3 5-15 10-15 5-10 0-30 20 2-40
Si02 50-60 50-55 40-50 15-50 11-35 30-60
Zr02 — 7-12 — — — 0-5
T i02 — — — — — 0-10
Para las realizaciones de la presente invención, se formularon composiciones de vidrio pertenecientes a cinco grupos diferentes de fritas (Tabla 1), a saber, cristalina (C); blanco de zirconio (WZr); fusibilidad media (MF); fundente (F) y mate de titanio (MTi). Las composiciones de las fritas de partida se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Composición química inicial (% en peso) de los vidrios investigados.
Oxido C WZr MF F MTi
S i02 50 50 40 50 40
B203 15 15 10 20 20
a i2c>3 4 4 2 — 2
Na20 3 — 4 10 2
K20 — — — 10 —
L¡20 3 7 3 — 2
CaO 8 4 6 10 2
BaO 2 2 2 — 25
ZnO 5 8 3 — 7
PbO 10 — 30 — —
Zr02 — 10 — — —
Tfusión Teórica (0C) 993 1079 822 880 885
Las materias primas utilizadas para obtener las fritas de vidrio fueron arena de sílice de bajo contenido en hierro, AI2O3 grado de reactivo, B2O3, ZnO, PbO y Zr02. Los elementos alcalinos y alcalinotérreos se introdujeron como carbonatas de grado reactivo. Las mezclas se homogeneizaron en un molino de bolas planetario (TURBULA) durante 15 min. Para la comparación de las propiedades de las fritas finales, las cargas se fundieron en paralelo en un horno solar parabólico de eje vertical y en un horno eléctrico tradicional. En ambos casos, las composiciones se fundieron en crisoles de alúmina tabular. Una vez fundido a temperatura específica, el líquido fundido se vertió sobre aguafría.
Para llevar a cabo la preparación de fritas utilizando energía solar concentrada, se utilizó un horno solar parabólico de eje vertical.
Un esquema de la instalación solar utilizada para la fabricación de fritas con energía solar concentrada se muestra en la Fig. 1, en el que la energía solar concentrada se proporciona mediante un espejo plano (9), un obturador del haz solar (7) y un concentrador parabólico (1).
La materia prima se almacena en una tolva de materia prima (2) y se carga en el crisol (4), colocado en el punto focal del haz solar concentrado, por medio de un alimentador
de materias primas (3). Una vez terminada la carga, el alimentador de materias primas (3) se desplaza a una posición en la que no resulte dañado por el haz solar concentrado. Además, ninguna sombra debe ser originada por la posición de este alimentador (3).
Una vez concluida la reacción y la fusión y para llevar a cabo el enfriamiento rápido de la masa fundida final, un soporte articulado desplaza un depósito de agua (6) a la posición adecuada en la que se vierte la masa fundida.
El vertido de la masa fundida sobre el agua para el enfriamiento se realiza utilizando un brazo basculante de crisol (5) que soporta el crisol (4).
La instalación utilizada fue la “Médium Size Solar Furnaces (MSSFs)” del “CNRS-PROMESS Solar facilities” (Font Romeu-Odeillo, Francia).
El horno solar es una instalación de 0,9 kW equipada con un reflector parabólico de 1,5 m de diámetro que produce un punto focal 15 mm de diámetro, con una alta densidad de potencia aprox. 1000 W/m2. La radiación solar incidente tiene un obturador colocado entre el concentrador parabólico y el espejo plano (heliostato). El heliostato sigue la trayectoria del sol y refleja la radiación solar verticalmente al concentrador parabólico. Para medir la temperatura en el fondo exterior del crisol se colocó un termopar tipo K.
Una vez que las materias primas se fundieron dentro del crisol, la masa fundida se mantuvo unos pocos minutos bajo exposición a la radiación solar para permitir la homogeneización y luego se vertió sobre agua para producir la frita de vidrio.
Para la comparación de las propiedades de las fritas finales y de la eficacia del proceso, se fundieron en un horno eléctrico las mismas composiciones de frita de vidrio. En ambos casos, se emplearon el mismo tipo y dimensiones del crisol y el mismo peso de la carga.
La figura 2 muestra el ciclo térmico seguido para obtener las fritas tanto en el horno solar como en el eléctrico. Como puede verse, el uso de energía solar concentrada produce una reducción del tiempo del proceso superior al 80%, en comparación con el horno eléctrico convencional.
La figura 5 muestra el ciclo térmico seguido para obtener las fritas tanto en el horno solar como en el eléctrico. La diferencia con la figura 2 es que la representación de la temperatura en el horno solar ha sido completada hasta el final del proceso.
Caracterización de las fritas finales
Se muestran los resultados de la caracterización de diferentes fritas preparadas usando tanto el horno de concentración solar como el eléctrico convencional. El objetivo de esta caracterización es determinar si el tipo de energía, densidad de potencia y ciclo térmico utilizado en la preparación de las fritas conduce a materiales con las mismas características físico-químicas.
El análisis químico de las fritas de vidrio resultantes se determinó por fluorescencia de rayos X (FRX) usando un espectrómetro Bruker S8 Tiger sobre pastillas prensadas de muestras de vidrio en polvo (<63 pm). La determinación de B y Li se realizó mediante espectrometría de emisión con fuente de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES) en un espectrómetro Varian 725-ES. La evaluación de la naturaleza amorfa de las fritas después de la fusión se realizó por difracción de rayos X (DRX) utilizando un equipo Bruker D8 Advance con una radiación Cu Ka, filtrada con Ni, a 30 mA y 40 kV. Los datos se registraron en el intervalo 5-60 ° 20 (tamaño de paso 0,019732 ° y 0,5 s de tiempo de contaje para cada paso).La estabilidad térmica de las fritas de vidrio se analizó mediante análisis térmico diferencial (ATD) sobre muestras de frita en polvo (<63 pm). Los ensayos de ATD se llevaron a cabo desde temperatura ambiente a 1200°C, a una velocidad de calentamiento de 50oC ■ mirn1 en atmósfera de aire (100 mL-mirn1) en un equipo TA Instrument (mod SDT-Q600).
La Figura 3 muestra los diagramas de DRX correspondientes a fritas obtenidas tanto en el horno solar como en el eléctrico. Se puede observar que los perfiles de difracción de todas las fritas (excepto el correspondiente a la frita WZr preparada en horno eléctrico) sólo muestran el halo amorfo característico de materiales vitreos, en el que no se detectan picos de difracción debidos a fases cristalinas. Sin embargo, el difractograma de la frita con temperatura de fusión más alta (WZr) obtenida en el horno eléctrico muestra picos de difracción pequeños atribuibles a ZrÜ2, lo que indica que esta fase no reaccionó completamente durante el proceso de fusión en el horno eléctrico y permanece como material no reaccionado en la frita de vidrio final.
Esta es una ventaja adicional porque este nuevo proceso permitirá la fusión de composiciones de frita con alto contenido en óxido refractario, que son más difíciles de fundir en hornos convencionales.
Por otro lado, para cada tipo diferente de fritas, puede verse que los perfiles DRX son muy similares. Es digno de mención que, a pesar del menor tiempo empleado en el nuevo proceso de fusión con energía solar, la estructura de la red vitrea de las fritas resultantes es muy similar.
La composición química de las fritas finales preparadas tanto en horno solar como eléctrico y determinadas por FRX e ICP-OES se muestran en la Tabla 3. También se incluye la composición inicial teórica de las mezclas de materias primas.
Tabla 3. Composición química (% en peso) de las fritas preparadas tanto en horno solar como eléctrico.
Oxido Composición Horno Horno
(% peso) teórica eléctrico solar
Frita fundente
Si02 50 47.04 53.72
B2O3 20 11.80 13.4
AI2O3 0 15.00 2.24
Na20 10 9.07 11.1
K20 10 6.67 8.74
CaO 10 9.35 10.03
Frita blanco de Zirconio
S i02 50 43.47 50.52
B2O3 15 8.74 10.6
AI2O3 4 22.5 5.71
Li20 7 3.67 5.13
CaO 4 3.34 4.39 BaO 2 1.54 2.29 ZnO 8 6.40 8.10 Zr02 10 8.27 11.25 Frita Cristalina
Si02 50 50.30 52.60 B203 15 9.75 11.80 a i2o 3 4 11.50 5.83 Na20 3 3.60 3.97 Li20 3 1.83 2.59 CaO 8 4.33 4.43 BaO 2 1.91 2.33 ZnO 5 5.27 5.38 PbO 10 10.49 10.05 Frita de Fusibilidad Media
Si02 40 37.88 40.19 B203 10 5.84 7.12 a i2o 3 2 11.0 3.98 Na20 4 4.10 4.70 Li20 3 1.71 2.24 CaO 6 5.80 6.23 BaO 2 1.71 2.24 ZnO 3 3.00 3.16 PbO 30 28.18 29.52 Frita Mate de Titanio
S i02 40 41.09 41.81 B203 20 14.60 15.1
a i 2c >3 2 7.76 4.02
Na20 2 2.13 2.65
L¡20 2 1.28 1.63
ZnO 2 1.69 1.69
PbO 25 24.35 25.59
T i02 7 6.44 6.86
Puede verse que en el proceso de fusión en un horno eléctrico convencional, la masa fundida origina un alto nivel de corrosión de la pared del crisol, como se observa por el notable aumento del contenido de alúmina en la composición final de frita. De este modo, se detecta alúmina incluso en la composición de frita en la que la alúmina no se añadió a la composición inicial de materias primas. En general, la corrosión del crisol es mayor cuanto menor es la viscosidad de la masa fundida, como era de esperar.
También se observan pérdidas de B2O3 por volatilización de boro, que son mucho mayores cuando el proceso de fusión se realiza en el horno eléctrico que cuando las fritas de vidrio se obtienen con energía solar concentrada. Este resultado puede atribuirse al tiempo más largo que se requiere para la fusión en el horno eléctrico. Como se ha mencionado anteriormente, el uso de energía de alta densidad de potencia, proporcionada por un concentrador solar, para llevar a cabo la fabricación de fritas, permite reducir el tiempo de proceso en aproximadamente un 80%, en contraste con el largo tiempo requerido para obtener el mismo material en un horno eléctrico convencional. La variación del resto de componentes en la composición de las fritas corresponde al ajuste del balance de masa.
En consecuencia, se puede concluir que el uso de energía solar concentrada para fabricar fritas de vidrio presenta ventajas adicionales como: menor corrosión de la pared del crisol y menor volatilización del boro en el proceso de fusión.
El comportamiento térmico de las fritas de vidrio se evaluó mediante ATD. La Figura 4 muestra las curvas ATD de las fritas de vidrio producidas tanto en horno solar como eléctrico. En general, las curvas correspondientes a cada tipo de frita muestran un perfil similar, lo que denota nuevamente que a pesar del menor tiempo requerido para completar el proceso de fusión en el horno solar, la estructura de las fritas finales
obtenidas mediante energía solar concentrada debe ser análoga a la de las fritas procesadas en el horno eléctrico. Todos los termogramas muestran la caída endotérmica distintiva en la línea de base correspondiente a la temperatura de transición vitrea (Tg).
La Tabla 4 recoge los valores de Tg para las diferentes fritas de vidrio. Se puede ver que en todos los casos las fritas de vidrio preparadas mediante el uso de energía solar concentrada muestran valores de Tg inferiores a los correspondientes a las fritas producidas en el horno eléctrico. Este resultado es probablemente debido a las diferencias observadas en las composiciones de fritas de vidrio.
Tabla 4. Valores de Tg (0C) de las fritas de vidrio producidas tanto en horno solar como eléctrico
Horno MF F MTi C WZr
Solar 490 574 501 527 554
Eléctrico 552 606 512 553 604
Como se ha mencionado anteriormente, el ciclo térmico más corto cuando se utiliza el horno solar conduce a una menor corrosión de la masa fundida contra las paredes de los crisoles refractarios, incorporando así bajo contenido de alúmina a la composición final de frita de vidrio. Además, la volatilización del boro es también más baja durante la fusión en el horno solar. Como resultados, la composición final de las fritas de vidrio preparadas en el horno solar muestra un mayor contenido de óxidos fundentes y conducirán a líquidos de viscosidad más baja y por lo tanto, a valores de Tg más bajos. A temperaturas más altas, las curvas ATD muestran diferentes bandas exotérmicas indicando que los tratamientos térmicos subsiguientes de estas fritas de vidrio podrían conducir a la desvitrificación de diferentes fases cristalinas.
Claims (8)
1. - Instalación solar de concentración de eje vertical para fabricar fritas de vidrio, que comprende:
- un concentrador de radiación solar (1),
- un espejo solar plano (9), para reflejar la radiación solar verticalmente al concentrador de radiación solar (1),
- un obturador de haz de luz solar (7), posicionado entre el concentrador de radiación solar (1) y el espejo solar plano (9),
- medios para almacenar, alimentar y contener materias primas.
2. - Instalación solar de concentración de eje vertical según la reivindicación 1, en el que el concentrador de radiación solar es un concentrador parabólico (1).
3. - Instalación solar de concentración de eje vertical según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que:
- los medios para almacenar las materias primas son una tolva (2)
- los medios para alimentar las materias primas son un alimentador (3)
- los medios para contener las materias primas son un crisol (4).
4. - Instalación solar de concentración de eje vertical según la reivindicación 3, en el que el crisol (4) es un crisol refractario.
5. - Instalación solar de concentración de eje vertical según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que comprende además un depósito de agua (6) para verter las materias primas fundidas
6. - Método para la fabricación de fritas de vidrio que comprende descarbonatación, fusión y homogeneización de materias primas en las que la alta densidad de potencia requerida es proporcionada por una instalación solar de concentración de eje vertical de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde las materias primas contenidas en un crisol (4) se someten simultáneamente a:
- descarbonatación,
- fusión,
- homogeneización,
durante un período que oscila entre 5 y 45 min a una temperatura medida bajo el fondo del crisol superior a 1400°C y las materias primas fundidas son posteriormente vertidas sobre el agua para el enfriamiento, formando así la frita de vidrio.
7. - Método para la fabricación de fritas de vidrio según la reivindicación 6, donde el periodo de tiempo oscila de 7 hasta 45 min.
8. 
Método para la fabricación de fritas de vidrio según la reivindicación 7, donde el periodo de tiempo oscila de 15 hasta 45 min.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP17382111.7A EP3372561A1 (en) | 2017-03-06 | 2017-03-06 | Method and device for manufacturing glass frits |
| PCT/EP2018/055296 WO2018162383A1 (en) | 2017-03-06 | 2018-03-05 | Method and device for manufacturing glass frits |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2732490A2 ES2732490A2 (es) | 2019-11-22 |
| ES2732490R1 ES2732490R1 (es) | 2019-12-17 |
| ES2732490B2 true ES2732490B2 (es) | 2020-05-07 |
Family
ID=58277240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES201990069A Expired - Fee Related ES2732490B2 (es) | 2017-03-06 | 2018-03-05 | Metodo y dispositivo para la fabricacion de fritas de vidrio |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP3372561A1 (es) |
| ES (1) | ES2732490B2 (es) |
| WO (1) | WO2018162383A1 (es) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2808897Y (zh) * | 2005-06-30 | 2006-08-23 | 广州赛唯热工设备有限公司 | 玻璃窑太阳能预热与余热回收装置 |
| CN203187515U (zh) * | 2013-04-16 | 2013-09-11 | 中建材（镇江）光电应用技术研究院有限公司 | 一种高温加热装置 |
| US9441426B2 (en) * | 2013-05-24 | 2016-09-13 | Oil States Industries, Inc. | Elastomeric sleeve-enabled telescopic joint for a marine drilling riser |
-
2017
- 2017-03-06 EP EP17382111.7A patent/EP3372561A1/en not_active Withdrawn
-
2018
- 2018-03-05 ES ES201990069A patent/ES2732490B2/es not_active Expired - Fee Related
- 2018-03-05 WO PCT/EP2018/055296 patent/WO2018162383A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018162383A1 (en) | 2018-09-13 |
| ES2732490A2 (es) | 2019-11-22 |
| EP3372561A1 (en) | 2018-09-12 |
| ES2732490R1 (es) | 2019-12-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2378308T3 (es) | Procedimiento y horno de cubas en serie para la fusión del vidrio | |
| ES2227086T3 (es) | Productos de alumina-circona-silice fundidos y colados de coste reducido y sus utilizaciones. | |
| CN106116144B (zh) | 一种红色高硼硅玻璃的制备方法 | |
| JP6869482B2 (ja) | 光学ガラス及びその製造方法 | |
| ES2732490B2 (es) | Metodo y dispositivo para la fabricacion de fritas de vidrio | |
| CN105408054A (zh) | 埋弧焊用焊剂 | |
| JP6628021B2 (ja) | 光学ガラス及びその製造方法 | |
| Romero et al. | Eco-efficient melting of glass frits by concentrated solar energy | |
| Ahmad et al. | Use of concentrated radiation for solar powered glass melting experiments | |
| ES2792273T3 (es) | Composición silícea y procedimiento de obtención | |
| JP7116353B2 (ja) | 封止材料 | |
| CN111018351B (zh) | 热电池用钛与可伐合金封接玻璃材料及制备方法和应用 | |
| CN105502936A (zh) | 基于盐浴淬火方法制备大尺寸硫系红外玻璃的制备方法 | |
| SE520817C2 (sv) | Sätt och anordning för smältning av glasmaterial | |
| CN103449720B (zh) | 高折射、低色散光学玻璃及其制造方法 | |
| CN110194591B (zh) | 一种锗酸盐透红外玻璃及其制备方法 | |
| JP2021054701A (ja) | 光学ガラス | |
| CN110204176A (zh) | 玻璃配合料的微波预熔制进而全熔制工艺及其设备 | |
| Romero et al. | Method and device for manufacturing glass frits | |
| US9272943B2 (en) | Medium temperature solid fuel cell glass packaging material | |
| CN104125932B (zh) | 玻璃熔融炉、熔融玻璃的制造方法、玻璃制品的制造装置、及玻璃制品的制造方法 | |
| CN113305469B (zh) | 一种奥氏体焊丝埋弧焊用熔炼焊剂及其制备方法 | |
| JP7109746B2 (ja) | ガラス材及びその製造方法 | |
| CN109071321A (zh) | 金属玻璃大复合材料与组合物以及制造方法 | |
| CN112189000B (zh) | 光学玻璃、光学元件、光学设备、光学玻璃的制备方法和光学透镜的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2732490 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A2 Effective date: 20191122 |
|
| EC2A | Search report published |
Ref document number: 2732490 Country of ref document: ES Kind code of ref document: R1 Effective date: 20191210 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2732490 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20200507 |
|
| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20240402 |