PT85268B - Processo para o controlo de formacao de espuma quando da refinacao, sob vacuo, de materiais de vidro - Google Patents

Description

PROCESSO PARA 0 CONTROLO DE FORMAÇÃO DE ESPUMA ÇUANDO DA REFINAÇÃO, SOB VACUO, DE MATERIAIS DE VIDRO

No presente invento descreve-se um processo pa ra a refinação de vidro ou análogo sob vácuo, em que o desaparecimento de espuma é acelerado por meio do aquecimento do espaço superior no interior da câmara de vácuo.

Figura 1.

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Descrição do objecto

-6 JUL 1987 do invento cus

PPG INDUSTRIES, INC ., norte-americana, (Estado de PensiIvânia), in dustrial, com sede em One PPG Place, Pittsburgh 22, Estado de Pênsil vânia 15272, Estados Unidos da América, pretende obter em Portugal para PROCESSO PARA 0 CONTROLO DE FORMAÇÃO DE ESPUMA QUANDO DA RE FINAÇÃO, SOB VÁCUO, DE MATERIAIS

DE VIDRO

Mod. 7 f - 1U υυϋ οχ · 4-β/ presente invento reFere-se à utilização de pressão subatmosFérica para acelerar a reFinação de vidro Fundido ou semelhante. Mais particularmente, o invento reFere-se a um dispositivo prático para controlar a quantidade de Formação de espuma nessa tédnica de reFinação.

Na Fusão de vidro produzem-se substânciais quantidades de gás em consequência da decomposição de materiais de Fornada. Outros gases são Fisicamente arrastados pelos materiais de Fornada ou são introduzidos no vidro em Fusão a partir de Fontes de aquecimento de combustão. A maioria dos gases libertam-se durante a fase inicial de Fusão, mas alguns Ficam aprisionados no produto em Fusão. A parte dos cases aprisionados dissolvem-se no vidro, mas outras porções Formam inclusões gasosas diFerentes conhecidas ccmio bolhas cu grão?' que serão prejudiciais se se permitir que permaneçam no vidre ce produto a concentrações anormalmente elevadas. As inclusões gasosas elevar-se-ão para a superFície e libertar-se-ão dc produto em Fusão se se proporcionar tempo suFiciente no estágio de uma operação de Fusão conhecida como reFinação ou clariFicação. Convencionalmente proporcionam-se altas tempe raturas na zona de reFinação para acelerar a elevação e esca .340

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QQ-ν - ·Χ® 000 01 - u po/i pe das inclusões gasosas, através da redução da viscosidade do produto em fusão e através do aumento dos diâmetros de bolha. A energia necessária para as altas temperaturas empregues no estágio de refinação e o grande recipiente de refinação ne cessário para proporcionar suficiente tempo de permanência pa ra que as inclusões gasosas se libertem do produto em fusão são as despesas principais de uma operação de fabrico de vidio Consequentemente, será desejável auxiliar o processo de refinação para reduzir estes custos.

Ê sabido que a pressão reduzida pode auxiliar o processo de refinação através da pressão parcial das espécies ga sosas incluídas e através do aumento de volume das bolhas no interior do produto em fusão de modo a acelerar a sua elevação para a superfície. A impraticabilidade de se proporcionar um recipiebte impermeável ao gás à escala de uma câmara de re finação convencional de modo a retirar-se vácuo da mesma tem limitado a utilização de refinação por vácuo a operações de es cala de fornada relativamente pequenas, tal como se descreve nas patentes dos E .U .A. n°s . 1.564.235; 2.781.411; 2.877.280; 3.338 .694; e 3 .442 .622 .

Foi proposto um processo de refinação por vácuo em contínuo, mas não teve aceitação para f^brioação contínua em larga escala devido a vários inconvenientes . No dispositivo de refinação por vácuo em continuo, representado nas patentes dos E.U.A. n2s. 805.139; 1.598.308 e 3.519.412 a principal desvantagem é a necessidade de passagens verticais relativamente estreitas que conduzem para dentro e para fora da zona de vácuo que se torna necessária pela diferença de pressão. Estas passagens complicam a construção de um tal recipiente, particularmente tendo em vista a necessidade de paredes imper meáveis ao gás, o aumento de exposição de todo o fornecimento a contacto refractário de contaminação e impõem um significativo travamento viscoso ao fluxo de fornecimento total. Deve notar-se que é necessária uma substancial altura de vidro para compensar mesmo um grau moderado de vácuo. A variação da

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Mod. 71 - 10 000 ex. - 4-86 saída de um tal sistema é também um problema, particularmente tendo em vista o factor de travamento de viscosidade. A poss_i bilidade de variar é importante numa operação comercial cont_í nua devido a alterações no produto que está a ser fabricado e devido a factores económicos que efectam a taxa de produção desejada. Em cada uma das três patentes acima referidas, a força de accionamento para aumentar a taxa de fluxo através · da passagem da secção de vácuo pode ser proporcionada através do aumento da profundidade da corrente ascendente do produto em fusão da secção de vácuo relativamente á profundidade da corrente descendente de produto em fusão da secção de vácuo. A magnitude desta diferença de nivel é exacerbada pelo travamento viscoso inerente a estes sistemas . Uma vez que se verifica uma erosão acelerada nas paredes laterais na elevação da superfície do produto em fusão, a modificação significativa do nível agrava a erosão que, por sua vez, deteriora a qualidade do vidro de produto.

Uma estrutura mais simples é representada na patente dos E.U.A. n2 . 3.429.684, em que os materiais de fornada são fornecidos através de uma passagem de vácuo e fundidos no topo de uma câmara de vácuo verticalmente alongada. A variação do fornecimento total neste dispositivo parece cue requer a i modificação da quantidade de vácuo imposto à câmara, o que al teraria desvantajosamente o grau de refinação alcançado. A presença de materiais em bruto no interior da câmara de vácuo é outra desvantagem do dispositivo por três razões: Em primei ro lugar criar-se-iam grandes volumes de espuma ao efectuar-se a decomposição inicial dos materiais em bruto sob vácuo, o que necessitaria um recipiente suficientemente grande para conter a espuma. Em segundo lugar existe o perigo de que os materiais em bruto possam fluir num pequeno percurso de circu lação para a corrente de saída, obviando assim a uma fusão e refinação adequadas. Em terceiro lugar, efectuando-se os está gios iniciais de fusão e aquecimento do material fundido a uma temperatura de refinação no interior do recipiente de vá

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Mod. 71 - 10 000 ex. - 4-86 cuo requer que se forneçam grandes quantidades de calor ao {xo duto em fusão no interior do recipiente. Uma tal entrada de calor principal para o recipiente induz inerentemente correntes de convecção no interior do produto em fusão que aumenta a erosão das paredes, o que conduz a contaminação da corrente de produto refinado.

A patente dos E .U ,A. n° . 4.195.982 descreve inicialmente vidro de fusão sob elevada pressão e, em seguida, a refinação do vidro numa câmara separada a uma temperatura inferior. Ambas as câmaras são aquecidas.

A patente dos E .U .A. n2 . 4.110.098 descreve um procjs so em que . deliberadamente se provoca a espumaçaO do vidro para auxiliar a refinação. A formação de espuma é induzida atra vés de intenso calor e de agentes químicos de formação de espuma à pressão atmosférica.

Um problema encontrado com a refinação por vácuo a qualquer escala, em continuo ou em fornada, é o grande volume de espuma que algumas vezes se produz, particularmente a temperaturas mais baixas . Tem de se proporcionar um grande espaço por cima do contentor de líquido para se acomodar a espuma. Uma vez que este espaço principal tem também de ser mantido impermeáveJ ao gás, a sua construção pode ser um inconveniente económico significativo, particularmente num processo de larga escala. Como resultado a espuma actua como um factor de limitação ao grau de vácuo que pode ser utilizado. Seria dese jável aliviar esta restrição em processos de refinação por vá cuo sem se incorrer em grandes dispêndios de capital.

A patente dos E.U.A. n2 . 3.350.185 descreve uma técnica para provocar a queda de espuma num processo de fusão de vidro à pressão atmosférica, em que a brusca alteração nas condiçDes de oxidação ou de redução da combustão se verificou provocar a queda de espuma.

pedido de patente portuguesa n? . 84042, depositado em 31 de Dezembro de 1986 para Processo e aparelho para a fu são e refinação de material de vidro, em nome da requerente, δ _ .340

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Moí. 71 - 10 000 ex. - 4-86 descreve a passagem de material fundido numa zona superior de uma câmara verticalmente alongada sob vácuo. Um aspecto vanta joso é o de pela comunicação de toda ou da maior parte da ener gia térmica requerida para a refinação da corrente ascendente proveniente da câmara de vácuo, é necessário pouco ou nenhum calor é necessário na câmara de vácuo, sendo o teor de calor do material que está a entrar substancialmente suficiente pa-, ra manter as temperaturas desejadas na câmara de vácuo. Naque le pedido foi descrito um queimador para suster a combustão no espaço principal no topo da câmara de vácuo. De acordo com o presente invento, verificou-se ser vantajoso proporcionar aque cimento auxiliar no espaço principal no topo da câmara de vácuo para garantir o aceleramento do desaparecimento da espuma, Pensa-se que a camada de espuma que se amontoa no topo de câmara tem têndencia a isolar o espaço principal do calor da massa subjacente de material fundido. Do mesmo modo, o curto tempo de permanência no espaço principal da corrente de entra da de material parece que proporciona pouco aquecimento do es paço principal. Deste modo, pensa-se que o espaço principal tem tendência a ser relativamente frio e, em consequência, a_l aumas porções da camada de espuma têm também tendência a ser relativamente frias, pelo aue a viscosidade destas porções de espuma é maior e é retardado o desaparecimento daquelas porções . Em teoria admite-se que o desaparecimento acelerado da espuma provocado pelo aquecimento do espaço principal é devido à elevação de temperatura e, desse modo à diminuição da viscosidade da espuma. Quando se emprega uma fonte de aquecimento de combustão para aquecer o espaço principal, pode também verificar-se um aumento mecânico da taxa de desaparecimen to de espuma devido à existência de gases de combustão nas membranas de bolha da espuma.

Uma das partes do presente invento é a descoberta de que uma fonte de calor de combustão pode ser accionada na atmosfera reduzida da câmara de refinação por vácuo a uma taxa suficiente para completar os objectivos do presente invento

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Mod. 71 - 10 000 οχ. - 4-80 sem afectar significativamente a capacidade para manter as desejadas pressões subatmosféricas na câmara. Também se verificou que a chama é susceptivel de ser prontamente sustida no meio ambiente de pressão reduzida.

Num dos modos de operação, alcançam-se vantagens adicionais por se empregar uma fonte de calor que não produz um produto de combustão que é o mesmo que um aâs que está a ser removido do produto em fusão através do processo de refinação. Por outras palavras, é vantajcso manter tão baixa quanto possível a pressão parcial no espaço principal de quaisquer espé cies que estão a ser refinadas fora do produto em fusão. No caso de vidro, a remoção de azoto e dióxido de carbono é habi tualmente um objectivo principal do processo de refinação. Portanto, é vantajoso empregar combustão enriquecida com oxigénio (de preferência essencialmente oxigénio puro) para acen der um queimador que se destina a aquecer o espaço principal da câmara de vácuo de modo a reduzir ou a eliminar a introdução de azoto no interior da câmara. Adicionalmente, através da utilização de oxigénio como uma substituição total ou parcial de ar como suporte de combustão, o volume de gâs de escape é significativamente reduzido, reduzindo assim a carga no sistema de vácuo. Para se evitar a adição de óxidos de car bono à atmosfera do espaço principal,o queimador pode utilizar combustível possuindo um baixo teor de carbono ou mesmo nenhum carbono (por exemplo, hidrogénio). A combustão de hidrogénio com oxigénio é particularmente vantajosa porque o único produto de combustão é vapor de âgua. Em virtude da solubilidade relativamente elevada do vapor de âgua no vidro, a remoção de âgua nâo é habitualmente um requisito para um processo de refinação de vidro. Do mesmo modo a capacidade para condensar o vapor de âgua no sistema de vácuo elimina virtual mente qualquer adicional na bomba de vácuo provocada pelo queimador do espaço principal. Uma outra alternativa é a utilização de um archote de plasma para aquecer o espaço principal . Um archote de plasma pode produzir uma grande salda tér- 6 58.340

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Mod. 71 - 10 000 οχ. - 4-86 mica com um volume relativamente pequeno de gâs portador. Do mesmo modo, o gâs portador pode ser escolhido de entre uma va_s ta variedade de gases, incluindo vapor, hidrogénio, oxigénio ou gases inertes tais como hélio.

A Figura 1 é uma secção transversal vertical através de três estágios de uma operação de fusão que inclui um es tâgio de liquefacção, um estágio de dissolução e um estágio de refinação sob vácuo de acordo com uma forma de realização preferida do presente invento.

A Figura 2 é uma representação esquemática numa e_s cala reduzida de um sistema de vácuo com meios de condensação de vapor.

A descrição pormenorizada serâ feita em conjugação com um processo e aparelho especificamente adaptado para a fusão de vidro e materiais de vidro análogos, mas deverá compre ender-se que o invento é aplicável também ao processamento de outros materiais.

Embora não esteja a ele limitado, o presente invento é utilizado vantajosamente em conjungação com um sistema dê refinação sob vácuo descrito na patente dos EUA acima referidc n2 . 815.494, depositada em 2 de Janeiro de 1986. Nas formas de realização preferidas daquele sistema, o material fundido é admitido para um espaço sob pressão subatmosférica para criar uma espuma que é subsequentemente feita desaparecer. A ârea de superfície grandemente aumentada da espuma acelera a remoção de gases do material enquanto se encontra sob pressão reduzida Após voltar à pressão atmosférica a concentração de gases dissolvidos no produto em fusão estâ abaixo da saturação, de modc que é improvável a nucleação para bolhas ou grãos . Em virtude da formação de espuma activa envolvida naquele processo, a acs leração do desaparecimento de espuma é vantajosa para se aumentar o fornecimento total.

Em formas de realização preferidas, os materiais de fornada são primeiro liquefeitos num estágio especificamen te adaptado para aquela fase do processo e o material liquefei

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Mod. 71 - 10 000 ex. - 4-88 to é transferido para um segundo estágio onde a dissolução de partículas sólidas é essencialmente completada e a temperatura do material pode ser feita elevar-se até uma temperatura apropriada para refinação. Subsequentemente o material fundido é passado para uma câmara de vácuo. Em consequência, uma grande porção dos subprodutos gasosos de fusão é retirada antes que i material seja sujeito a vácuo e a região de maior evolução de gás é separada da zona de refinação, pelo que os materiais sujeitos aos anteriores estágios de fusão não podem ficar misturados com porções do produto em fusão sujeito a re finação. Visto que a maioria ou todos os requisitos para a fu são foram satisfeitos antes de o material entrar no estágio de refinação e porque o aquecimento do estágio de refinação pode, portanto, ser substancialmente evitado, pode evitar-se a excessiva convecção do produto em fusão na zona de refinação. Em consequência é reduzida a erosão do recipiente e é também reduzida a probabilidade de porções incompletamente re finadas do produto em fusão ficarem misturadas com porções mais refinadas. A entrada para o estágio de refinação ou forma de realiaação preferida é a uma temperatura adequada para a refinação e, portanto, é necessário proporcionar pouco ou nenhum calor ao recipiente de refinação. No entanto, os meios de aquecimento do espaço principal da câmara de vácuo do presente invento podem servir para compensar perdas de calor através das paredes do recipiente, particularmente na zona su perior, para manter substancialmente a temperatura do material pelo menos na zona de entrada do estágio de refinação .

Num dispositivo preferido de refinação sob vácuo, o material liquefeito é introduzido na extremidade superior da câmara de vácuo através de meios de válvula e o produto refinado é passado da extremidade inferior da câmara de vácuo atra vés de outro dispositivo de válvula. A altura do líquido mantido no interior da câmara de vácuo é , de preferência, pelo menos ligeiramente maior do que a altura necessária para contrabalançar o vácuo. Deste modo, a taxa de fornacimento total

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Mod. 71 - 10 000 ex. - 4-86 pode ser controlada por meios de válvula sem alterar a pressão de vácuo na camara e sem alterar o nível de líquido no interior da câmara. Inversamente pode empregar-se uma gama de pres sões de vácuo sem se alterara taxa de fornecimento total. Para além das válvulas, o sistema é dotado de resistência relativamente pequena para que o material fundido seja feito fluir através da mesma.

A configuração preferida para a câmara de refinação sob vácuo é a de um recipiente verticalmente alongado, mais convenientemente na forma de um cilindro direito. 0 material liquefeito é introduzido no espaço principal por cima do material fundido que está no recipiente. Ao encontrar a pressão reduzida no espaço principal pelo menos uma porção substancia', do material forma espuma devido à libertação de gases dissolvidos no material e devido ao aumento das bolhas e crãos presentes no material. A formação de espuma aumenta gradualmente a área de superfície exposta a pressão reduzida, auxiliando, desse modo, a remoção das espécies gasosas da fase líquida. A produção de espuma por cima da zona de material fundido mantida no recipiente em vez daquela que é proveniente da zt> na de material fundido é vantajosa para o desaparecimento da espuma e auxilio de gases de escape. Verificou-se também que o depósito de espuma recentemente formada numa camada de espuma acelera o desaparecimento da espuma. Outra vantagem da geometria verticalmente alongada é que, através da produção de espuma no topo e drenagem do produto do fundo, o transporte de massa total é afastado da região de espuma, tornando assim pouco provável que qualquer espuma seja incluída na cor rente de produto. 0 facto de se retirarem gases do produto em fusão reduz a concentração de gases dissolvidos no produto em fusão abaixo dos seus pontos de saturação a -uma pressão atmos férica. Quando o material fundido progride para baixo em dire ção a uma saída no fundo, a pressão que está a aumentar devido à profundidade do produto em fusão no recipiente induz os gases residuais a permanecerem em solução e diminui o volume

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Z*' ·

Mod. 71 - 10 000 ex. - 4-8β de quaisquer pequenos grãos que possam permanecer . A dissolução de gases pode também ser auxiliada por se permitir que a temperatura desça quando o material progride em direcção à saida.

Na fusão convencional de vidro, o sulfato de sódio ou o sulfato de cálcio ou outras fontes de enxofre são incluídas nos materiais de fornada para auxiliar o processo de refinação e de fusão. Verificou-se que a presença de compostos de enxofre no produto em fusão é um problema quando da refinação sob vácuo por causa dos grandes volumes de espuma induzidos e por causa do ataque nas paredes de cerâmica refractária de um recipiente de refinação sob vácuo. Mas até ao momento presente, a refinação e fusão eficazes do vidro têm sido dificeis de alcançar sem os compostos de enxofre. Ê ainda outro aspecto vantajoso do dispositivo preferido de clarificação por vácuo que o vidro possa ser fundido e refinado segundo um eleva do padrão de qualidade com a utilização de pouco ou nenhum enxofre. Isto é praticável segundo o presente invento porque as fases de fusão e refinação são efectuadas em estágios diferentes, pelo que cada estágio pode ser efectuado através de um processo adaptado para minimizar ou evitar a utilização de enxofre.

Fazendo referência à Figura 1, o processo completo de fusão de acordo com o presente invento, consiste de preferência em três estágios: um estágio de liquefação 10, um estágio de dissolução 11 e um estágio de refinação sob vácuo 12, Podiam empregar-se vários dispositivos para iniciar a fusão no estágio de liquefacção 10, mas um dispositivo altamente eficaz para isolar este estágio do processo e efectuá-lo economicamente é o que se descreveu na patente dos E .U .A . n2 . 4.381.934, cuja descrição é aqui incorporada por referência relativamente a pormenores da forma de realização preferida do estágio de liquefacção. A estrutura básica do recipiente de liquefacção é um cilindro 15 que pode ser fabricado em aço

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Mod. 71 - 10 000 βχ. - 4-86 e possui uma zona de parede lateral geralmente cilíndrica,um topo geralmente aberto e uma zona de fundo que é fechada excepto no que se refere a uma saída de drenagem. 0 cilindro 15 é montado de maneira rotativa em torno de um eixo substancialmente vertical, por exemplo, por meio de um anel de suporte envolvente 16 suportado de maneira rotativa numa pluralidade de rodas de suporte 17 e fixo no seu lugar por meio de uma pluralidade de rodas de alinhamento 18. Uma cavidade substancialmente fechada é formada no interior do cilindro 15 por meio de uma estrutura de tampa 20 que é dotada com um suporte fixo por meio de uma, estrutura periférica 21, por exemplo. A tampa 20 pode ser construída de material de cerâmica refrac tária e pode tomar uma variedade de formas como deve ser do conhecimento dos peritos na técnica de construção de fornos refractários. 0 dispositivo revelado na figura é uma construção em cúpula voltada para cima, do tipo de abóbada fabricada a partir de uma pluralidade de blocos refractários. Compreender-se-á que podem ser empregues para a tampa desenhos monolíticos ou planos.

aquecimento para a liquefacção do material de fornada pode ser proporcionado por um ou mais queimadores 22 que se prolongam através da tampa 20. De preferência, dispCe-se uma plural idade ce queimadores em torno do perímetro da tampa de maneira a dirigir as suas chamas em direcção a uma vasta área de material no interior do cilindro . Os queimadores são, de preferência, arrefecidos a água para protegê-los do meio ambiente agreste no interior do recipiente . Os gases de escape podem libertar-se do interior do recipiente de liquefacção através de uma abertura 23 na tampa. Vantajosamente o calor desperdiçado nos gases de escape pode ser utilizado para aque cer previamente o material de fornada num estágio de pré-aque cimento (não representado) tal como aquele que se descreve na patente dos E.U.A. n? . 4.519.814.

Os materiais de fornada, de preferência num estado pulverulento, podem ser fornecidos para o interior da cavida11 .340

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CfL·

Mod. 71 - 10 000 6x. - 4-88 de do recipiente de liquefacção por meio de uma rampa 24_r.que na forma de realização referida, se prolonga através da abertura de escape 23. Os pormenores do dispositivo da rampa de alimentação podem ser observados na patente dos E.U.A. n2 . 4.529 .428 .

A rampa de fornada 24 termina praticamente em contíguo às paredes laterais do cilindro 10, pelo que o material de forna da é depositado nas zonas de parede interiores laterais do ci lindro. Uma camada 25 do material de fornada é retida nas paredes interiores do cilindro 10 auxiliada pela rotação do cilindro e funciona como um revestimento isolador. Quando o material de fornada na superfície do revestimento 25 é exposto ao calor no interior da cavidade, forma uma camada liquefeita que flui para baixo no revestimento inclinado para uma abertura central de drenagem no fundo do recipiente . A saida pode ser feita ajustada com um manual de cerâmica refractâria . Uma corrente de material liquefeito 28 cai livremente do recipiente de liquefacção através de uma abertura 29 que conduz ao segundo estágio 11.

segundo estágio pode ser designado por recipiente de dissolução porque uma das suas funções é completar a dissolução de quaisquer grãos não fundidos de material de fornada remanescente na corrente liquefeita 28 que está a sair do recipiente de liquefacção 10. 0 material liquefeito naquele ponto é, tipicamente, apenas parcialmente fundido incluindo grãos de areia não fundidos e uma fase gasosa substancial. Num processo de fusão de soda-cal-silica tipicocom utilização de materiais de fornada carbonados e sulfatos como auxiliarei de refinação, a fase gasosa é principalmente compreendida por óxidos de carbono e óxidos de enxofre. 0 azoto pode também estar presente no ar aprisionado.

recipiente de dissolução 11 serve para a função de com pletar a dissolução de partículas não fundidas no material liquefeito que vem do primeiro estágio proporcionando-se um tempo de permanência num local isolado do estágio de refina12

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Mod. 71 - 10 000 ex. · 4-Θ6 ção de corrente descendente. A fornada de vidro de soda-cal-sílica, tipicamente liquefas-se a uma temperatura de cerca de 115O2C (21OO2F) a 12OO2C (22OO2F) e entra no recipiente de dissolução 11 a uma temperatura de cerca de 1 2002C (22002F) a cerca de 13202C (24002F), temperatura à qual as partículas residuais não fundidas se fornam habitualmente dissolvidas desde que se proporcione suficiente tempo de permanência. 0 recipiente de dissolução 11 representado na forma de uma bacãa refractária horizontalmente alongada 30 com uma parte de topo refractária 31 com a entrada e saida nas suas extremidades opostas de modo a assegurar um tempo de permanência adequado. A profundidade do material fundido no recipiente de dissolução pode ser relativamente pouco profunda de modo a não facilitar a recirculação de material .

Embora a adição de energia térmica substancial não seja necessária para levar a cabo a fase de dissolução, o aquecimento pode acelerar o processo e reduzir desse modo a dimen são do recipiente de dissolução 11. Mais sign if icativamente, contudo, é preferível aquecer o material no estágio de dissolução de modo a elevar a sua temperatura em preparação para prosseguir o estágio de refinação. A maximização da temperatura para a refinação é vantajosa para garantia de redução da viscosidace do vidro e aumento da pressão de vapor dos gases incluídos. Tipicamente, uma temperatura de cerca de 152O2C (28OO2F) considera-se desejável para refinar vidro de soda-cal-silica, mas quando se emprega vácuo para auxiliar a refinação, podem utilizar-se temperaturas com valores máximos inferiores sem se sacrificar a qualidade do produto. A quanti dade em que as temperaturas podem ser reduzidas depende do grau de vácuo. Consequentemente, quando a refinação se destina a ser efectuada sob vácuo de acordo com o presente invento, a temperatura de vidro tem de ser elevada para não mais de 1480 2C (27OO2F), por exemplo, de preferência não mais de 1430?C (26002F) e optimamente não mais de 137O2C (25OO2F) antes da refinação. As reduções nos valores máximos de temperatura des

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Mod. 71 - 10 000 βχ. · 4*86 ta ordem tem como consequência uma duração significativamente maior para recipientes refractários assim como poupança de energia. O material liquefeito que entra no recipiente de dis solução tem de ser aquecido apenas moderadamente para preparar o material fundido para refinação. Poderiam utilizar-se fonte de calor de combustão no estágio de dissolução 11, mas verificou-se que este estágio se adapta bem a aquecimento electrico, pelo que se pode proporcionar uma pluralidade de eléctrodos 32, tal como se representou na figura, que se prolongam horizontalmente através das paredes laterais. 0 calor é gerado pela resistência do próprio produto em fusão à corrente eléctrica que passa entre os eléctrodos, na técnica convencionalmente empregada para fundir vidro electricamente . Os eléctrodos 32 podem ser carbono ou molibdénio de um tipo bem conhecido para os peritos no ramo. Pode proporcionar-se um elemento de remoção de espuma 33 no recipiente de dissolução para evitar que qualquer material flutuante se aproxime da extremidade de salda.

Uma válvula que controla o fluxo de material do estágio de dissolução 11 para o estágio de refinação 12 compreende um êmbolo 35 alinhado axialmente com um tubo de drenagem 36. 0 veio 37 do êmbolo prolonga-se através da parte de topo 31, do recipiente de dissolução de modo a possibilitar contro lo no intervalo do êmbolo 35 e do tubo 36 para, desse modo, modular a taxa de fluxo de material para o estágio de refinação. 0 tubo de válvula 36 pode ser fabricado de metal refractário tal como platina e é ajustado de maneira estanque num orifício 44 na extremidade superior do recipiente de refinação. Embora se prefira o dispositivo de válvula, poderiam proporcionar-se outros meios para controlar a taxa de fluxo de material fundido para o estágio de refinação como é do domínio da técnica. Um exemplo seria a utilização de meios de aquecimento e/ou de arrefecimento associados ao tubo de drenagem de modo a modular a viscosidade, e deste modo a taxa de fluxo, do material fundido que passa através dos mesmos .

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Mod. 71 - 10 000 βχ. - 4-86 estágio de refinação 12 consiste, de preferência, num recipiente verticalmente direito que pode ser de configuração geralmente cilíndrica que possui um revestimento interior de cerâmica refractária 40 protegido num, invólucro impermeá vel ao gás e arrefecido a água. 0 material refractário pode ser do tipo de alumina-bióxido de zircómio-sílica, bem conhecido na técnica. 0 invólucro pode conter uma camisa 41 de parede lateral cilíndrica de dupla face que possui uma passagem de água anular e dispositivos de arrefecimento de extremidade cii cular 42 e 43.

Pode empregan-se qualquer dispositivo de arrefe cimento apropriado. Pode proporcionar-se uma camada de isolamento (nSc representada) entre o revestimento 40 e a camisa 41. Quando o material fundido passa através do tubo 36 e encontra a pressãc aduzida no interior do recipiente de refinação, os gases incluídos no produto em fusão expandem-se em volume, criando uma camada de espuma 50 que fica numa massa de líquido 51. Quando a espuma desaparece é incorporada na massa de líquido 51

Pode estabelecer-se pressão subatmosférica no interior do recipiente de refinação através de uma conduta de vácuo 52 que se prolonga através da zona superior do recipiente .

Uma conduta 54 pode prolongar-se para a zona superior da refinação com a finalidade de se introduzirem agentes de quebra de espuma no recipiente no caso desses agentes de quebra de spwna serem necessários. Um agente de quebra de espuma preferido * a água que pode ser aspergida na espuma tanto con tínua como intermitentemente .

material fundido refinado é drenado do fundo do recipiente de refinação 12 por meio de um tubo de drenagem 55 de um metal refractário tal como a platina. De preferência, o tubo de drenagem 55, prolonga-se por cima da superfície da secção de fundo refractário 56, no interior da qual está montado para evitar a entrada de quaisquer detritos na corrente de saída. A secção de fundo 56 pode ser dotada de espessura reduzida contiguamente ao tubo 55 de modo a reduzir o efeito iso15 58.340

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Λ / 's___—Mod. 71 - 10 000 ex - 4-87 lador no tubo, permitindo desse modo, que a temperatura do tu bo seja elevada para evitar o congelamento do material no interior do tubo. 0 derramamento em volta do tubo é evitado por um dispositivo de arrefecimento a égua 57 sob a secção de fun do 56. A taxa de fluxo de material fundido proveniente do tubo de drenagem 55 ê controlala por um dispositivo estranculador cónico 58 existente na extremidade de uma baste 59. A has. te 59 estâ associada a mais mecânicos (não representados) para ajustar a elevação do dispositivo estrar.guladcr 58 e, desse modo ajustar o espaço entre o dispositivo estrangulacor e

I o tubo 55 de modo a controlar a taxa de fluxo proveniente dos mesmos. Uma corrente de material fundido e refinado 60 cai li vremente do fundo do recipiente de refinação e pode ser pass_a da para uma estação de formação (não representada) onde pode ser configurada para o produto desejado. 0 vidro refinado, por exemplo, pode ser passado para uma câmara de formação de vidro flutuando onde o vidro fundido flutua numa superfície de material fundido para formar uma placa lisa de vidro.

Embora se possam empregar várias formas, o recipiente de refinação 12 é, de preferência, de configuração cilíndrica. A forma cilíndrica é vantajosa para a construção de um recipiente impermeável ao aàs. A proporção de ârea de contact? de superfície interior para volume é também minimizada com uma secção transversal circular. Comparado com um dispositivo de refinação convencional do tipo de forno aberto, apenas uma fracção da ârea de contacto refractâria é utilizada pelo dispositivo de refinação cilíndrico, sob vácuo de acordo com o presente invento.

A altura do material fundido 51 retida no dispositivo de refinação 12 é ditada pelo nível de vácuo imposto na câ mara. A pressão principal devido à altura do líquido deve ser suficiente para estabelecer uma pressão igual ou maior do que a pressão atmosférica na saída para permitir que o material seja livremente drenado do recipiente. A altura dependerá da gravidade específica do material fundido a qual, para vidro

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Mod. 71 - 10 000 ex - 4-87 de soda-cal-sílica às temperaturas envolvidas é de cerca de 2,3. A altura para além do mínimo requerido para deslocar o Vc cuo pode ser desejável para se ter em conta variações na pres são atmosférica, para permitir a variação do vácuo e para assegurar um fluxo estável através da saída . Nas formas de re_a lização preferidas do presente invento, proporciona-se um excesso substancial de altura de modo que a taxa de fluxo de saída não é determinada pela pressão de vácuo, mas antes por meios mecânicos de válvula. Um tal dispositivo permite que a taxa de fornecimento total e a pressão de vácuo sejam feitas variar independentemente uma da outra. Em alternativa, a pres são na saída poderia ser abaixo da pressão atmosférica se a saída fosse dotada de meios de bomba para superar o diferenci al de pressão. Um exemplo de uma bomba que se destina a ser utilizada com o vidro fundido é descrito na patente dos E .U ,A n2 . 4.063.711, descrição que é aqui incorporada a título de referência.

As vantagens do vácuo no processo de refinação são alcançados por graus: quanto menor for a pressão, maior é a vantagem. Pequenas reduções na pressão abaixo da pressão «

atmosférica podem render melhoramentos apreciáveis, mas para justificar, no aspecto económico, a câmara de vácuo, prefere-se a utilização de pressões substancialmente reduzidas. Assim uma pressão não superior a meia atmosfera é a preferida para os aperfeiçoamentos apreciáveis de refinação comunicados ao vidro plano de soda-cal-silica. São obtidos resultados ainda melhores a um terço de atmosfera ou menos. Uma composição lim sá padrão de vidro plano de soda-cal-sílica foi refinada a uma pressão absoluta de 100 tor e rendeu um produto que pos sui um grão por 100 centímetros cúbicos, o que é um nível de qualidade aceitável para muitos produtos de vidro . Uma pressão de refinação abaixo de 100 torr, por exemplo 20 a 50 torr , seria preferida para produzir uma qualidade comercial de vidro de flutuação de cerca de um grão por 1000 -10.000 centímetros cúbicos. Os grãos inferiores a 0,01 milímetro de

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Mod. 71 - 10 000 ex - 4-87 diâmetro são considerados imperceptíveis e não se incluem na contagem de grãos.

Os meios de aquecimento do espaço principal do presente invento podem tomar a forma de um queimador 53 que se prolonga através do dispositivo de arrefecimento de topo 42 para o recipiente de refinação 12, tal como se representou na figura 1. 0 queimador é, de preferência, dotado de uma camisa arrefecida a âgua para prolongar a sua duração . Embora o maca nismo preciso para a quebra de espuma não seja totalmente com preendido, a teoria afirma que o calor do queimador reduz a viscosidade da espuma e aumenta o volume das bolhas, tendo ambos os factos tendência a fazer com que as bolhas de espuma rebentem. Quando operado com uma velocidade de chama suficien temente elevada, o impacto da chama nas bolhas na espuma pode provocar o rebentamento das bolhas de espuma. Quando o tubo de drenagem é feito de platina, uma chama de oxidação é, de preferência, empregue para evitar a deterioração da platina.

Se a platina n~o estiver presente no espaço principal do reci piente de vácuo, prefere-se uma chama de redução pela maior tendência para o desaparecimento da espuma.

Para evitar à introdução de azoto no sistema de ar de combustão, é preferível que o queimador 53 seja alimentadc com oxigénio, o azoto que poderia ficar no vidro possui um pc tencial de defeito no vidro relativamente elevado em consequência da sua solubilidade relativamente baixa no vidro fundido. Se se desejar evitar o diôxido de carbono, outra fonte de bolhas no vidro, pode utilizar-se hidrogénio como combustível. A âgua , produto da combustão de hidrogénio com oxigénio, tem um grau de solubilidade no vidro fundido, relativamente elevado. Ê também desejável evitar o diôxido de carbono porque a diminuição da concentração de diôxido de carbono no produto em fusão é um dos objectivos habituais da fase de refinação e, portanto, é desejável manter a pressão parcial de diôxido de carbono no espaço principal do recipiente de e finação, tão baixa quanto possível.

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A remoção de água do produto em fusão, por outro 1c do, não é, em geral, problema. Do mesmo modo, poderia usar-se um archote de plasma no lugar do cueimador 53, com transporte de gás que é relativamente solúvel no vidro, tal como vapor ou hélio. Poderia também utilizar-se oxigénio e/ou hidrogénio como plasma de transporte de gases . Os archotes de plasma são conhecidos na técnica, sendo um exemplo o represer tado na patente dos E .U ,A. n2 . 4.545.798 cuja descrição é aqui incorporada a titulo de referência.

Os produtos condensáveis de combustão do queimador podem ser removidos do gás retirado da câmara de vácuo através da conduta 52 de modo a reduzir o volume de gás que tem de ser manuseado pela bomba de vácuo a qual, por sua vez, torna mais fácil alcançar pressões mais baixas. Quando uma porção substancial de escape consiste em vapor de água, tal como cuando o queimador 53 utiliza hidrogénio e oxigénio, a condensação do vapor de água é particularmente útil, visto que o volume de gás que permanece após a condensação pode ser muito pequeno. Pode empregar-se um dispositivo convencional de condensação, como por exemplo o que é esquemáticamente re presentado na Figura 2. Ai, a conduta de escape 52 é dotada de uma camisa arrefecida a água 67 para proteger a conduta de gás 61 dos gases quentes que possam através dela. Pode em pregar-se um invólucro e tubo convenciona is permutadores de calor 62 para arrefecer os gases de escape . No dispositivo referido, a água de arrefecimento é passada através do invólucro para arrefecer os gases que passam através dos tubos. Os gases são arrefecidos para a temperatura de orvalho de água à pressão presente no sistema de vácuo de maneira a con densar vapor de água dos gases. A água condensada e quaisquer gases residuais fluem para uma câmara de retenção de água 63 da qual os gases passam para uma bomba de vácuo 64 e a água é drenada para uma coluna de igualização de pressão 65 que se prolonga verticalmente para um recipiente de recolha ou dreno 66. Se ocorrer a deposição de sólidos numa quantidade .340

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Mod. 71 - 10 000 ex - 4-87 significativa nas superfícies de permuta de calor, pode ser vantajoso passar o gás para cima através do permutacor de calor de modo que a água condensada que está a fluir para baixe limpe os depósitos da extremidade de entrada do permutador de calor.

Os auxiliares de fusão e clarificação tais como compostos de enxofre ou de flúor são convencionalmente incluídos em fornadas de vidro, mas produzem uma porção substancial de emissões indesejáveis no gás de escape dos fornos de fusão de vidro. A sua eliminação seria desejável, mas para alcançai os mais elevados níveis de qualidade, particularmente para padrões de vidro plano, tem sido considerada necessária a uti lização de auxiliares. Além disso, verificou-se que as fontes de enxofre (por exemplo, sulfato de sódio, sulfato de cálcio) provocam excessiva formação de espuma sob vácuo . Tipicamente as fornadas de vidro plano incluem sulfato de sódio em quanti dades de cerca de 5 a 15 partes por peso por 1000 partes por peso do material fonte de sílica (areia), sendo cerca de 10 partes por peso consideradas desejáveis para assegurar uma refinação adequada. Quando se está a operar de acordo com o presente invento, no entanto, verificou-se ser preferível restringir o sulfato de sódio para duas partes por peso para se manter um nível de formação de espuma manuseável e verifi cou-se ainda que a refinação não é prejudicialmente afectada. Ainda preferencialmente o sulfato de sódio é utilizado em quantidade não superior a uma parte por 1000 partes de areia sendo meia parte o exemplo particularmente vantajoso. Estas proporções de peso foram dadas para o sulfato de sódio, mas deve ser evidente que poderia ser normalizada para outras fontes de enxofre por proporções de peso molecular. Também é praticável a omissão de qualquer adição deliberada de mate rial de fonte de enxofre, embora vestígios de compostos de enxofre muitas vezes presentes em materiais de fornada de for te mineral típica provoquem habitualmente que se introduza algum enxofre no produto em fusão.

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Ο depósito dos correspondentes pedidos para o invento acima descrito foram efectuados nos Estados Unidos da América em 7 de Julho de 1986 sob o ns. 882.6^7 e em 12 de Agosto de 1986 sob o ne . 895.647.

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Claims (10)

1. -REIVINDICAÇÕES1? . - Processo para a refinação de material de vi dro ou análogo caracterizado por se reter num recipiente fechado um volume do material no estado fundido, por estar presente uma camada de espuma por cima do material fundido e por se manter uma pressão subatmosférica no recipiente para auxiliar a refinação do material, o que inclui o aquecimento de uma zona no interior do recipiente por cima do material fundi do, de maneira a acelerar o desaparecimento da espuma.
2. 2δ . - Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aquecimento ser efectuado através de combustão no interior do recipiente.
3. 3?. - Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a combustão compreender uma chama que é dirigida par? a espuma.
4. 4? . - Processo , de acordo com as reivindicações 2 ou 3, caracterizado por a combustão ser sustentada por um gás oxidante cujo teor de oxigénio é enriquecido acima do teor de oxigénio do ar.
5. 5-. - Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o gás oxidante consistir essencialmente em oxigénio .
6. 6§ . - Processo, de acordo com qualquer das reivir dicações 2 a 5, caiacterizado por a combustão ser de um combus tível, pelo menos parcialmente livre de carbono.
7. 7^ . - Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o combustível consistir essencialmente em hidrogénio .

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8. 8? . - Processo, de acordo com qualquer das reivindicações 2 a 7, caracterizado por os produtos da combustão serem substancialmente livres de óxidos de carbono.
9. 9? . - Processo, de acordo com qualquer das reivindicações 2 a 8, caracterizado por os produtos da combustão serem substancialmente livres de azoto .
10. 10^ . - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 2 a 9, caracterizado por os produtos de combustão incluírem água e a água ser retirada do recipiente e condensada enquanto sob pressão subatmosférica.

    115. - Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aquecimento ser levado a efeito por um maçarico de plasma.

    125. - Processo, de acordo com a reivindicação 11, cê racterizado por o plama utilizar como corrente de gás condutor, hidrogénio, oxigénio, hélio ou uma sua mistura.

    135. - Processo, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a pressão subatmosférica não ser superior a metade da pressão atmosférica.

    145. - Processo, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se introduzir material fundido adicional acima do ní^el <·ο volume retido de material fundido no recipiente .

    155 . - Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o material fundido formar espuma quando é introduzido no recipiente.

    165. - Processo, de acordo com as reivindicações 14 ou 15, caracterizado por o material seguir um percurso substancialmente vertical no recipiente e ser removido deste por ma saída da zona de fundo do recipiente .

    17- . - Processo, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o material ser vidro de soda-cal-sílica.

    185 . - Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por o material ser vidro plano.

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    1 195. - Processo, de acordo com as reivindicaçOes 17 ou 18, caracterizado por o material compreender inicialmente um composto de enxofre como auxiliar de refinação numa quanti dade nSo superior a uma quantidade equivalente a 2 partes em

    5 peso de sulfato de sódio por 10C partes em peso de material de fonte de sílica.

    205 . - Processo, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por o material ser proporcionado sem se incluir deliberadamente um auxiliar de refinação contendo enxofre.