PT80819B

PT80819B - Processo para a fusao de material, especialmente vidro

Info

Publication number: PT80819B
Application number: PT80819A
Authority: PT
Original assignee: Ppg Industries Inc
Priority date: 1984-07-19
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1987-09-30
Also published as: EG17145A; FI852819L; AU558646B2; NZ212345A; IL75734A0; KR860001013A; FI78282B; KR930001962B1; IN164105B; FI78282C; TR22614A; MX165847B; DK327185D0; AU4318785A; DK327185A; BR8503434A; FI852819A0; PT80819A

Description

Descrição do objecto do invento que

PPG IRDUSTRI3S, IRC., norte-americana, (Estado de Pensilvânia), industrial, com sede em One PPG Place, Pittsburgh 22, Estado de Pensilvânia, Estados Unidos da ámé rica, pretende obter em Portugal para "PROCESSO PARA A FUSÃO DE MATERIAL,ESPECIALMBRTE VIDRO"

0 presente invento refere-se a um processo para a fusão de material especialmente vidro.

Este invento refere-se a fusão de vidro e análogos e, em particular, a aperfeiçoamentos no uso de combustão submersa no processo de fusão.

0 uso de combustão submersa para fundir vidro já foi proposto em várias patentes incluindo as Patentes dos EUA n®s. 3.170.781; 3.224.855; 3.237.929? 3.260.587;

3.606.825; 3.627.504; 3.738.792 e 3.764.287. Ra combustão submersa, os gases de combustão são injectados para baixo da superfície dos materiais em fusão e deixados subir através da matéria em fusão. A vantagem desta abordagem da fusão é a de o material, ao ser aquecido, ficar em contacto intimo com os gases de combustão e com a energia térmica que estes libertam, produzindo-se desta forma velocidades de permuta térmica mais favoráveis. Outra vantagem é a injecção dos gases para dentro da matéria em fusão produzir um elevado grau de agitação que pode ser benéfica em eertos processos de fusão.

Todavia, um inconveniente significativo da combustão submersa é 0 de a injecçâo de grandes volumes de gás para dentro da matéria em fusão ser em certos casos difícil de inverter. Por outras palavras 0 material em fusão, em particular o vidro pode por vezes tornar-se espumoso podendo

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depois ser dificil acabar com a espuma. Esta tendência da combustão submersa para aumentar o teor gasoso da matéria em fusão tem sido dissuasora da aceitação de combustão submersa na industria de fabricação do vidro, visto que uma dos objectivos do processo de fusão do vidro é o de eliminar o mais possivel as bolhas e outras inclusões gasosas do vidro fundido. As propostas para se empregar combustão sub mersa no vidro fundido têm sido limitadas, em geral, à sua aplicação às fases iniciais do processo de fusão para evitar o aumento de inclusões gasosas durante as fases posteteriores do processo de fusão e refinação.

No presente invento, a combustão submersa é usada num processo de fusão de vidro ou análogo de maneira a tirar partido das suas vantagens ao mesmo tempo que é evitado o inconveniente da espumação excessiva. A combustão submersa é utilizada numa segunda fase dum processo de fusão do vidro, a seguir a uma fase de liquefacção da fornada de vidro inicial. A maioria da entrada térmica requerida para converter os materiais de carga em bruto em vidro fundido refi nado é proporcionada na primeira fase por meios particularmente apropriados ao processo de liquefacção (por ex., o tipo de processo revelado na Patente dos EUA n®.4.381.934). 0 material liquefeito, mas só parcialmente fundido, ó então passado à segunda fase onde é aquecido por combustão submer sa. Nesta segunda fase, a necessidade de entrada térmica é só a necessária para fazer subir a temperatura do material desde a sua temperatura de liquefacção até uma temperatura apropriada para ser completado o processo de fusão e para refinar o vidro, isto é, expulsar as inclusões gasosas. Enquanto o aumento de temperatura na primeira fase é, tipicamente, da ordem de 107ó®C (2000®F), a segunda fase tipicamente acarreta um aumento de temperatura da ordem de apenas algumas centenas de graus. Graça às modestas necessidades térmicas da segunda fase, a combustão submersa acar reta um volume minimo de gases de combustão a serem injectados na matéria em fusão, com o que é minimizado o efeito

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de espuma enquanto são atingidos eficientemente os objectivo s do processo nesta fase, Ao mesmo tempo, a agitação da matéria em fusão pela combustão submersa beneficia o procej so geral, melhorando a homogeneidade do vidro e ajudando à dissolução dos grãos de areia.

Noutro aspecto do invento, a combustão submersa é utilizada para fundir vidro ou análogos sem ser criada uma fase gasosa excessiva na matéria em fusão, usando-se hidrogénio como combustível e oxigénio como oxidante. Bmpregando-se oxigénio em vez de ar, é evitada a injecção de azoto pa ra dentro da metéria em fusão, redunzindo-se assim substancialmente o volume de gás introduzido na fusão. 0 evitar da introdução do azoto na matéria em fusão também é vantajo so na medida em que o azoto é fracamente solúvel no vidro fundido. Usando-se hidrogénio em vez de hidrocarbonetos como combustível, a introdução de gás carbónico, que também é fracamente solúvel no vidro fundido, dentro da matéria em fusão também é evitada. Por outro lado, o produto da combustão de oxigénio-hidrogénio é vapor de água que é alta mente solúvel no vidro fundido. Assim, o presente invento reduz o volume da fase gasosa produzida por combustão submersa e o gás que é introduzido na fusão é um gás facilmen te assimilado na fase liquida. Outra vantagem é que a combustão de oxigénio-hidrogénio produz temperatura relativamente elevada o que melhora a velocidade de transferência de calor para a matéria em fusão.

Os desenhos

A Figura 1 é uma secção transversal, vertical, dum aparelho de fundir vidro com combustão submersa em associação com um primeiro recipiente da fase de liquéfacção.

A Figura 2 é uma vista de topo ampliada dum queimador com canais múltiplos do tipo que pode ser usado no presente invento.

A Figura 3 A uma vista em corte transversal, longitudinal, ampliada, do queimador representado na Figura 2, tira·

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da ao longo da linha 3-3 da Fig.2. ^s

A Figura 1 representa um exemplo da forma de execução preferida do invento, na qual uma camara de combustão submersa 10 está a jusante duma fase de liquefacção da carga 11. 0 tipo preferido da fase de liquefacção mostrada no de

senho é o tipo revelado na Patente dos EUA η®·4.3θ1»934 θ no Pedido de registo de patente dos BUA série η®.48ΐ.97θ» depositado em 4 de Abril de 1983» ambos de Kunkle et al., cujas revelações são aqui incorporadas como referência. Este tipo do processo de liquefacção é caracterizado pela transferência do calor radiante a uma camada, em plano incli nado, dos materiais de carga, proporcionando assim o escorrer rápido do material liquefeito. A forma de execução particular aqui mostrada inclue um tambor 12, montado para rotação à volta dum eixo vertical por meio dum aro de suporte 13 e rolos 14. Proporciona-se uma tampa estacionária 15 com aberturas para insercção de, pelo menos, um queimador de combustão 16 e para a passagem dos materiais de carga para dentro do recipiente e dos gases de escape para fora do recipiente por meio duma conduta 17. Os materiais de carga fornecidos ao tambor de rotação 12 assumem a configuração dum parabolóide que reveste as paredes interiores, inclinando-se em direcção a uma abertura de escoamento central (não mostrada) no fundo do tambor. Este tipo de arranjo de lique facção demonstrou ser vantajoso para liquefazer vidro de soda- cal- silica, mas deve entender-se que para os propósitos do presente invento podem ser usados outros arranjos para liquefacção conhecidos no ramo. Por exemplo, pode usar-se como fase inicial, um crisol para vidro do tipo lareira com abertura menor ou do tipo de resistência eléctrica. Ao serem trabalhados outros tipos de vidro ou outros materiais, tais como, ceramica, concretos ou minérios, pode ser utilizada uma fase de liquefacção adaptada particularmente àquele material.

A carga de vidro liquefeito escoada do recipiente da primeira fase de liquefacção está, tipicamente em estado de

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espuma, incluindo grãos não derretidos do material dá fornada. Ma forma de execução mostrada na Figura 1, o material liquefeito cai através duma gola cilindrica 20 para o interior de um recipiente de recolha 21 onde pode ser acumulado uma porção do material em espuma 22. 0 material liquefeito

pode ser fornecido directamente da fase de liquefacção 11 para dentro do recipiente de combustão submersa 10, mas é preferível providenciar a existência dura recipiente intermediário 21 por causa da capacidade de erupção e para melhorar a acessibilidade ao lado inferior do recipiente de liquefacção 11. 0 recipiente intermediário pode ser essencialmente uma rampa que leve à camara de combustão submersa, tal como é mostrado, ou pode ser dotado de um volume mais significativo para proporcionar tempo de permanência suplementar ao material e com meios para aquecer o material ou para proporcionar outros tratamentos.

A camara de combustão submersa 10 é essencialmente uma caixa de material refractário adaptada para manter uma massa de fusão concentrada 25 do material fundido com uma profundidade considerável. Mo exemplo mostrado na Fig. 1, o recipiente de combustão submersa está provido com dois queimadores de combustão submersa 26 mas o número de queimadores pode ser superior ou inferior de acordo com os requesitos de aquecimento duma aplicação particular. Os queimadores 26 prolongam-se através do fundo do recipiente mas também é possivel a sua instalação numa parede lateral. Também pode ser considerada a possibilidade de os queimadores estarem orientados obliquamento em relação às paredes do recipiente,

A construção especifica do queimador não é importante no presente invento mas podem ser vistos nas Figuras 2 e 3 pormenores dum exemplo duma construção dum queimador apropriado para uso com o presente invento. 0 lado superior do queimador compreende uma tampa 27 que, de preferência, é equipada com a instalação duma portinhola com um postigo cen_ trai 28 rodeado por uma pluralidade de portinhola 29· Tipi36496

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camente, o gás de oxidação é fornecido através do postigo central 28 e o gás combustivel através das portinholas circundantes 29, mas também é possivel a disposição contrária. Num processo preferido que emprega a combustão de oxigénio-hidrogénio, o oxigénio é fornecido através do postigo 28 e o hidrogénio através das portinholas 29. Agora, com particular referência à Fig 1 3 θ postigo central 28 é alimentado a partir duma conduta central 30·

Uma conduta mais larga 31 rodeia a conduta central 30 de forma a criar um espaço anular entre elas, através do qual são alimentadas as portinholas 29· À volta de ambas as condutas está uma camisa de refrigeração 32 que estabelece um espaço anular entre a conduta 31 θ a camisa 32, através da qual pode circular qualquer meio de refrigeração,tal como água, para preservar 0 queimador do ambiente de alta temperatura à sua volta. De preferencia, o espaço anular para o meio de arrefecimento está provido de divisões (não mostrado), para criar um percurso para o meio refrigerante, no qual circula o citado meio refrigerante, desde a entrada 33 até à proximidade da tampa da extremidade 27 e para trás, em direcção à saída 34. Em certas disposições para combustão submersa, a combustão é realizada dentro do queimador e os gases de escape são injectados para dentro da matéria em fusão, mas a técnica preferida aqui, usando o ti po de queimador mostrado, é a de injectar tanto o combustivel como o oxidante na massa em fusão e permitir que a combustão tenha lugar dentro da mesma. Desta forma, a energia liberta pela combustão passa directamente para 0 material fundido. Adicionalmente, promovendo-se a combustão fora do queimador, as condições a que 0 queimador é sujeito são menos rigorosas, diminuindo assim os requisitos de durabilidade.

Um canal de saída 40 leva da camara de combustão submersa 10 para uma operação de formação de vidro. De preferência, proporciona-se um estado geral quiescente no canal 40 para permitir que as bolhas se escapam da matéria em fu«6—

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são e para permitir que a fusão esfrie para uma temperatura apropriada ao processo de formação.

Para evitar que alguma espuma flutue à superfície da matéria em fusão 25 na camara de combustão submersa 10 entre no canal 40, é preferível provar uma barreira de superficie 41 à entrada do canal 40.

0 combustível e o oxidante fornecido aos queimadores de combustão submersa 26 devem evidentemente manter-se a uma pressão suficiente para vencerem a parte superior hidrostática da matéria em fusão 25 acima daqueles. A pressãc requerida em cada caso particular, depende da densidade da fusão, bem como da sua profundidade, mas por uma questão de ilustração achou-se que uma profundidade de 2 pés (0,6 metros) dum vidro de silica-cal-sódio fundido, em espuma, requer uma pressão gasosa da ordem de 5 libras por polegada quadrada (34.5θθ Pa). Á quantidade de combustivel fornecida aos queimadores depende dos requisitos térmicos da aplicação particular, do teor de calor do combustivel usado e da eficácia da transferência térmica ao material fundido, Para se aquecer vidro de silica-cal-sodio a uma temperatura de aproximadamente 2300²? (1260^0 a 2800²f (154O²C), verificou-se ter de ser atingida uma eficácia de transferência térmica de aproximadamente 70 por cento. 0 hidrogénio tem um teor térmico de cerca de 275 BTU por pé cubico (10,4 joules por centímetro cubico) ou 325 BTU por pé cubico (10,4 joules por centímetro cubico) ou 325 BTU por pá cubico (12,2 joules por centímetro cubico) incluindo calor de vaporização).

Para um material, tal como vidro plano, para o qual é vulgarmente desejável um estado um pouco oxidado, é fornecido, de preferência, aos queimadores, um excesso de oxigénio, para além do requerido para a combustão. Além disso,a agitação geral e o contacto intimo de gás/liquido atingidos pela camara de combustão submersa torna muito conveniente ajustar-se o estado de oxidação da fusão ou das outras propriedades químicas. Por exemplo, o estado de liquefacção

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pode ser proporcionado em condições de redução e o vadro fundido pode ser oxidado na camara de combustão submersa. Inversamente, também é possivel empregar uma quantidade menor de oxigénio na camara de combustão submersa para conver ter o material em fusão a um estado mais reduzido. A capacidade de ajustar o estado de oxidação do vidro fundido é util para o estabelecimento das propriedades de transmitância de luz e côr do vidro. 0 sistema presta-se também em si à adição de corantes ou outros ingredientes adicionais à camara de combustão submersa. A camara de conbustão submersa pode ser um recipiente apropriado de mistura e/ou de reacção no qual possam ser postos em conjunto uma pluralidade de constituintes liquefeitos separadamente. A este respeito, os recipientes de liquefacção 11 podem alimentar uma camara de combustão submersa.

Com o presente invento pode ser usado qualquer combustível de hidrocarboneto apropriado para uso com queimadores de combustão, sendo o gás natural um exemplo particularmente apropriado. Usando-se oxigénio em vez de ar, o volume de gás oxidante injectado dentro da massa em fusão pode ser reduzido para cerca de um-quinto.

A vantagem de ser usada combustão de hidrogénio com oxigénio, na qual o produto de combustão consiste essencialmente em vapor de água, pode deduzir-se da seguinte comparação de solubilidades de gases em vidro fundido saturado conforme indicado na literatura;

Gas Solubilidade (em 1400^fiC)

Ug 0,55 x 10“gm/cm3

C0₂ 80 x 10-6

HgO 2700 x 10“⁶

As solubilidades no vidro fundido do azoto, o principal constituinte do ar, e de dioxido de carbono o produto principal da combustão dum combustível de hidrocarboneto, sâo muito menores do que as da água. Assim, evitando-se ouso

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de ar e combustível de hidrocarboneto, algumas das espécies menos solúveis podem ser excluídas da fase gasosa na fusão, daixando essençialmente só 0 vapor de água altamente solúvel ser assimilado pela a massa em fusão. Também usando-se oxigénio em vez de ar, o volume de gás oxidante injectado na matéria em fusão é reduzido para cerca de um-quinto.

Deve entender-se que a combustão submersa de oxigénio-hidrogénio apresenta vantagens para além das diposições de duas fases preferidas. Por isso, aspectos mais alargados do invento incluem o fornecimento de materiais de carga, em bruto, directamente para a camara de combustão submersa 10 aquecida pela combustão de hidrogénio-oxigénio·

Outra fonte de calor de alta temperatura que pode ser usada com o presente invento é um maçarico de plasma. Um maçarico de plasma usa uma corrente de gás transportador para projectar plasma e alta temperatura produzido por um arco eléctrico, para além do orifício do maçarico. 0 gás transportador pode ser um gás combustível ou pode ser não-reactivõ ou mesmo inerte. Por exemplo, o gás transportador pode ser vapor de água o qual é vantajoso devido à solubilidade relativamente alta da água no vidro fundido. Oxigénio também seria apropriado como gás transportador graças à sua solubilidade no vidro fundido ser quase tão elevada como a da água. 0 hélio também pode ser apropriado apesar da sua solubilidade ser relativamente fraca porque tem uma difusão muito elevada no vidro fundido.

Em resumo, a fonte de calor para a combustão submersa pode ser o calor que se liberta da combustão dum gás que esteja sujeito a combustão na camara de combustão submersa ou tenha sofrido combustão imediatamente antes de ser injectado na camara, ou pode ser a energia térmica liberta dum gás que tenha sido excitado electricamente. Estes podem ser chamados genericamente gases radiantes.

Fontes de calor adicionais, tais como chamas de combus tão cu aquecimento por resistência eléctriea podem ser usa-9^6496

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das na camara de combustão submersa.

A camara de combustão submersa 10 é aquecida inicialmente enquanto está vazia por meio dos queimadores 26. A camara aquecida pode ser então gradualmente cheia com material fundido a partir da fase de liquefacção 11 ou com uma carga de vidro em bruto ou vidro de refugo, logo que esteja estabelecida a concentração dos materiais fundidos 25, os queimadores submersos podem ser parados ou re-arrancados, simplesmente ligando ou desligando o combustivel. Quando um queimador é desligado, é preferível impedir que a fusão entre no queimador e congele, continuando-se a purgar o queimador com um gás, por ex., pode continuar-se com um fluxo de gás oxidante.

A descrição aqui pormenorizada referiu-se a formas de execução especificas com a finalidade de revelar a forma preferida do invento, mas deve entender-se que outras modificações e variações, conhecidas dos peritos do ramo, podem utilizar-se sem afastamento do espirito e âmbito do invento conforme definido pelas reivindicações que se seguem.

0 depósito do primeiro pedido para o invento acima descrito foi efectuado em 19 de Julho de 1984 sob os n^as. 632.506 e 632.507 Estados Unidos da América

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Claims

REIVINDICAÇÕES 1®.- Processo para fundir material, caracterizado pelo facto de compreender:

Liquefazer-se os materiais de carga, num recipiente de fusão primário, até atingirem um estado fluido e drenar-se os materiais liquefeitos do recipiente de fusão primário para um recipiente de fusão secundário,

manter-se um corpo de material liquefeito no recipiente de fusão secundário e injectar-se gás radiante abaixo da superfície do corpo liquefeito a uma velocidade suficiente para aquecer o corpo liquefeito e fazer progredir o material

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liquefeito para um estado de fundido.

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2®. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o gás radiante compreender os produtos de combustão dum combustível e dum oxidante.
3«. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de o combustível ser um hidrocarboneto e o oxidante ser ar.
4®. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o combustível ser gás natural.
5». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 2-4, caracterizado pelo facto de o combustível e o oxidante serem injectados separadamente no corpo liquefeito.
6®. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 2-5, caracterizado pelo facto de os produtos de combustão serem injectados no corpo liquefeito a partir dum queimador no qual foi iniciada a combustão.
7». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 2-6, caracterizado pelo facto de o oxidante injectado no segundo recipiente de fusão ser em quantidade excedente à necessária para a combustão.
8®. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o gás radiante incluir uma corrente de plasma.
9®· - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de a corrente de plasma compreender um gás transportador de vapor de água.
10²-Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1,

8 e 9, caracterizado pelo facto de o gás radiante consistir essencialmente em vapor de água.
11®. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o gás radiante ser produzido por combustão dum combustível essencialmente livre de carbono.
12®. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 11,

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caracterizado pelo facto de o gás radiante ser produzido pela combustão dum combustível consistindo essencialmente de hidrogénio com oxigénio essencialmente puro.
13». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o gás radiante estar substancialmente livre de óxidos de carbono.
14». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o gás radiante estar substancialmente livre de azoto.
15». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o material que está a ser fundido ser uma substancia vítrea.

ló». - Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo facto de o material que está a ser fundido ser vidro.
17». Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo facto de os materiais de carga serem materiais de carga de vidro parcialmente fundidos.
18». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caraterizado pelo facto de os materiais de carga pulverulentos serem introduzidos de forma contínua no recipiente primário.
19». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o material fundido passar do recipiente secundário para uma câmara na qual são deixadas desprender inclusões gasosas do material fundido.
20». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de a fase de liquefacção no recipiente de fusão primário ser realizada deixando-se os materiais de carga sobre uma superfície inclinada enquanto são expostos a uma fonte de calor radiante.
21». - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de os materiais

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de carga que se encontram no recipiente de fusão primário girarem à volta da fonte de calor radiante.
22«. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o gás radiante ser injectado para cima para dentro do recipiente secundário a partir do seu fundo.
23«. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o gás radiante ser injectado para dentro do recipiente secundário numa pluralidade de localizações.
24», - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o recipiente secundário estar situado num plano abaixo do recipiente pri mário de forma que os materiais liquefeitos passam por gravidade do recipiente primário para o recipiente secundário.
25«· - Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de o aquecimento do material liquefeito no recipiente secundário ser suficiente para elevar a temperatura do material que penetra no recipiente secundário.