WO2012093183A1 - Procedimiento e instalación para la fusión de vidrio a baja temperatura - Google Patents

Procedimiento e instalación para la fusión de vidrio a baja temperatura Download PDF

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WO2012093183A1
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Luis Grijalba Goicoechea
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Luis Grijalba Goicoechea
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Definitions

  • the present invention is part of the glass industry and has application in flat glass for construction, TFT-LCD screens, automobile, and solar collectors; in glass for packaging and molding; and in fiber glass.
  • the glass manufacturing process consists of the following stages: fusion of vitrifiable materials, refining of molten glass, temperature conditioning and chemical homogenization of molten glass, and shaping in the final article.
  • the current furnaces and glassmaking processes are the result of a continuous evolution in which their technical characteristics have been adapted to the products demanded by the market.
  • the design of a current furnace for the manufacture of a silico-sodo-calcium glass for a mass flow between 600 and 1000 tons per day, [L.] is shown in FIG. McCloskey and D. Burgoon, of TECO: "Optimizing the glass manufacturing process", Glass International March / Aprü 2006 ⁇ ; This oven consists of two main vessels, one for melting and refining, and another for thermal conditioning.
  • vitrifiable materials (12) are incorporated into the entrance area by means of an introduction machine (13), and the thermal energy is supplied in a controlled manner by means of burners (14).
  • a "hot zone" (15) of higher temperature, TITITRADICIONAL is established, from which two large convection loops start: a) the anterior or melting loop (16), in which the current of glass is directed on the surface from the hot zone to the entrance area of the composition, passing under the vitrifiable materials that are being incorporated, which it contributes to melting, and returns through the bottom of the container in the opposite direction, from the entrance zone towards the hot zone; and b) the back loop or tuning loop (17), in which the glass is directed in surface from the hot zone to the outlet of the fusion vessel and returns to the bottom; In this area, most of the tuning of molten glass is produced, a process that involves the elimination of residual bubbles caused by melting.
  • a composition layer (18) is formed that floats on the molten glass, leaving part of it above the level of the glass (19) and part below. Fusion occurs simultaneously on both upper and lower surfaces: on the upper face (20), through the convection of the flames and the radiation of the flames and the vault (21), and on the lower face (22 ) by radiation and convection of molten glass.
  • the convection of the glass below the composition layer causes the formation of the first liquid phases of the glass and carries with it infused (23) or solid grains of the vitrifiable materials.
  • the walls (24) of the fusion vessel also generate convection currents that mix with those of the longitudinal loops.
  • the length and the surface of the composition layer that floats on the molten glass are determined by the amount of heat absorbed, the mass flow of the furnace and the retention caused by the convection loop (16) in the melting zone.
  • the speed that each glass particle acquires depends on the geometry of the enclosure and on the physical parameters of the molten glass, such as viscosity, expansion coefficient and heat transfer coefficient, which cause ascending thrust forces in the glass mass and of viscosity.
  • the thermal conditioning of the molten glass is carried out, adjusting its viscosity before passing through a channel of exit (26) towards a forming system that will transform the molten glass into a final article.
  • the quality of a glass article is determined by the worst quality of any one of its elements, in the current processes of melting and refining the glass the paths in the oven with the minimum residence time and / or with the highest temperatures Low are decisive for obtaining the desired quality.
  • the ratio between the minimum time and the average residence time is of the order of one to six [R. Beerkens, TNO TPD Gtoss Group, "Modular Melting: Industrial Glassmelting Process Analysis", American Ceramic Society Bulletin, Vol 83, No. 4].
  • Beerkens suggests dividing the fusion process into four stages or functional modules: 1) fusion of vitrifiable materials; 2) dissolution of silica particles; 3) tuned, primary and secondary; and 4) conditioning and chemical homogenization.
  • the new designs should minimize large recirculation loops to reduce the average length of stay ["Modular Melting: Industrial Glassmelting Process Requirements", American Ceramic Society Bulletin, Vol. 83, No .7], and states that the main problem to be solved is that of effectively heating the composition layer to the melting temperature without requiring a large surface area and without producing an intense stream of molten glass from the "hot zone "from the oven, as in the traditional fusion.
  • the glass flow consists of three different components: a) a component due to the mass extraction or flow of glass, b) a component corresponding to the natural convection caused by the temperature and density gradients of the molten glass, and c) a component caused by using bubblers and / or stirrers. Bourbon stirring seems to be the most efficient feasible method to accelerate the fusion process, [J. Hlavác: "The Technology of Glass and Ceramics", Elsevier SP C, page 1 16 ⁇ .
  • STEIN HEURTEY proposes in its patent (FR 2787784 Al) the use of mechanical thrusters within the melting zone of a traditional single-bowl furnace to create currents perpendicular to the axis of the furnace and lengthen the residence time of molten glass in the oven.
  • GLAVERBEL (EP 1069080 Al), proposes the use of a traditional melting furnace connected to a conditioning zone by means of an intermediate zone with a special geometry, in which stirrers or stirrers are used.
  • GLASSTECH, INC. proposes a furnace for vitrification of materials for low mass flow rates, with energy input by means of electrodes and provided with various rotary stirrers such as those used, at a lower temperature, in other industries.
  • SORG GMBH (EP 1780180 Al), shows the use of blade stirrers in a channel for homogenization of already molten and refined glass.
  • PLANSEE (EP 1 151969 A2), proposes the use of a paddle stirrer made of molybdenum and platinum at the glass-atmosphere interface, without using internal cooling.
  • the velocity field and the temperature field are mutually coupled to each other, that is, the temperature distribution depends on the velocity distribution and vice versa; therefore, if the temperature is not high enough in the hot zone, the convection of the glass below the composition layer is not generated, and therefore sufficient temperature is not reached in the zone of introduction of the vitrifiable materials that It is the zone of lowest temperature in the traditional fusion.
  • the result is a heterogeneous mass of molten glass that must be homogenized before being formed into a final article with an industrially valid quality; the natural convection currents on the one hand homogenize the molten glass, but on the other hand they put in contact glass with different thermal histories affecting the joint chemical homogeneity of the glass, which can be quantified through the variation of the index of refraction in the strata of the final glass.
  • the performance of the tuning agents is not optimal, due to the different temperature at which the different particles of the vitrifiable mixture are melted.
  • One of the most commonly used tuning agents for silico-sodo-calcium glass is sodium sulfate, which begins to react at around 1200 ° C and has its most important dissociation between 1300 and 1350 ° C; in the current furnaces a part of the glass reaches this temperature in the first convection loop, before all the infused ones have dissolved, reducing the effectiveness of the tuning agents.
  • FIGURES To complement the description of the present invention, and in order to help a better understanding of its characteristics, a series of FIGURES are attached where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
  • FIGURE 1. Represents the current state of the art, with a plan view and a longitudinal section of a traditional silico-sodo-calcium glass melting furnace; At the bottom, a profile section shows the area where the vitrifiable materials are introduced.
  • FIGURE 2 Perspective view, according to the present invention, of an oven for the production of a silico-sodo-calcium glass with a mass flow rate of 1000 tons per day.
  • FIGURE 3 Cross-sectional view of a furnace designed according to the present invention, showing the cross section of a fusion vessel with an attached discharge enclosure and with a glass delivery device.
  • FIGURE 4 Plan view of a discharge enclosure attached to the fusion vessel, with a glass delivery device and with the paths it produces in the glass.
  • FIGURE 5 Profile and plan views of a propeller-type glass drive device with blades or blades, with the expression of its corresponding Reynolds number.
  • FIGURE 6 Example of a glass drive device with an arm and a drive bar, and an enlarged section of the drive bar moving inside the molten glass, indicating its corresponding Reynolds number.
  • FIGURE 7. Various forms of glass drive devices with arms and drive bars.
  • FIGURE 8. Various forms of the cross section of a drive bar.
  • FIGURE 9. Two different situations of the delivery devices with respect to the fusion vessel: located directly in the fusion vessel, or inserted in enclosures attached to the fusion vessel.
  • FIGURE 10 Two possible forms of connection between the fusion and refining vessels, one with a direct landfill and the other with a heating zone.
  • FIGURE 1 1.- Example 1, graphs. Plan view of the fusion vessel and graphs showing some parameters corresponding to Example 1 of the present invention for a mass flow rate of 700 tons per day.
  • FIGURE 12.- Example 2 graphs. Plan view of the fusion vessel and graphs showing some parameters corresponding to Example 2 of the present invention for a mass flow rate of 1,100 tons per day.
  • Examples 1 and 2 183 and 283 rate of introduction of raw materials in tons per day and per square meter; 184 and 284 radiation to the glass in kilowatts per square meter; 185 and 285 vault temperature in degrees Celsius; 186 and 286 glass temperature in degrees Celsius; 187 and 287 percentage of dissolved glass along the melting vessel; 188 and 288 speed gradient along the fusion vessel.
  • the shape and location of the glass drive devices and enclosures is an example, and that, in accordance with the present invention, other geometries can be used for the glass drive devices in addition to those shown in the figures: type of impeller, number and arrangement of the arms of each impeller, number and radius of rotation of the bars of each impeller arm, geometry of each impeller bar.
  • Example 1 700 tons per day (3.4 t / d ⁇ m 2 ); Melting temperature between 1 181 and 12 18 ° C.
  • Example 2 100 tons per day (3.5 t / d ⁇ m 2 ); Melting temperature between 1 149 and 1252 ° C.
  • the present invention provides a process for the production of glass using several clearly differentiated containers, see FIGURE 2, to perform each of the following steps: a) melting and complete dissolution of the vitrifiable materials, in a melting vessel (31) , until a molten glass is obtained; b) refining the molten glass in a tuning vessel (33); c) thermal conditioning of the glass (34); and d) forming molten glass in various articles.
  • the present invention uses a forced convection to simultaneously perform, in the same place and at the same time, the melting and dissolution of the vitrifiable materials until they are converted into a molten glass;
  • the velocity gradient produced by forced convection within the mass of molten liquid glass accelerates the dissolution of the vitrifiable materials and allows maintaining low temperatures during the melting stage.
  • the forced convection is carried out by means of glass driving devices whose operation is defined by its geometry and by the Reynolds number corresponding to its movement within the molten glass.
  • thermal energy necessary to maintain the temperature in the fusion vessel is obtained by combustion of fuel and / or gas, using burners located in the combustion chamber of the fusion vessel; the energy is supplied mostly through the radiation of the combustion flames and the radiation from the vault to the molten glass.
  • the molten glass passes to a tuning vessel, either directly through a landfill, or through an intermediate vessel called a heating zone, with a flow of piston-type glass, to move from the temperature of the melting vessel TF to the temperature of the tuning vessel TA; in this heating zone the agents used for the refining of molten glass begin to act.
  • a tuning vessel In the tuning vessel the gas inclusions are removed by decantation and by resorption; There is no forced convection in this area, and natural convection is noticeably smaller than in traditional fusion, since the temperature differences are smaller.
  • thermal conditioning is similar to that of traditional fusion.
  • forced convection currents transport the thermal energy necessary for the fusion reactions of the vitrifiable materials to take place and distribute this thermal energy towards the area where it is necessary, since the forced convection tends to reduce temperature differences between the different zones or points of the melting vessel.
  • the forced convection allows to increase and / or decrease the velocity gradients without changing the melting temperature; Therefore, this kind of convection advantageously replaces the natural convection currents that occur in traditional ovens.
  • the present invention uses glass impulse devices whose mission is to mix and bring the vitrifiable materials into contact with the molten glass and to transport the thermal energy from one zone to another within the fusion vessel;
  • forced convection used in the present invention, a velocity gradient is produced between the solid and liquid phases of the melting glass, increasing the concentration gradients of the infused into the molten glass and accelerating its dissolution.
  • Another purpose of the present invention is to increase the melt rate or mass flow rate of molten glass per unit area of the melting vessel; for this, the forced convection generated in the fusion zone favors and accelerates the dissolution of the infused grains in the mass of already molten glass.
  • the temperature and the velocity gradient generated on the molten glass favor the dissolution of the infused of the vitrifiable materials, but can reduce the mechanical resistance and the useful life of the glass drive devices, since they can be worn and / or attacked hydraulically and chemically, when working in a medium such as molten glass.
  • glass drive devices are an essential part of the present invention, their operation must be stable over time, even taking into account the temperature of the molten glass and the speed required to transport the thermal energy necessary for fusion and dissolution of vitrifiable materials. Therefore, the present invention takes into account the operating conditions of the drive devices, with the main purpose of ensuring that their useful life is of the same order as that of the entire fusion assembly.
  • the glass drive devices which act as drive pumps, can be implanted directly into the glass melting vessel, or be located in drive enclosures, FIGURE 9, attached to the melting vessel and in hydraulic communication with the same.
  • the driving devices may consist of materials without internal cooling with components in which elements such as platinum and its counterparts, molybdenum and its counterparts, chromium oxide, and refractory materials can intervene.
  • the drive bars may be formed by steel or other metal alloys containing iron, chromium, nickel, cobalt or some other metal. .
  • Each drive device can have different shapes.
  • the present invention is based on the natural protection of glass drive devices provided by the boundary layer surrounding its periphery; the existence of this protective boundary layer depends on the relationship between the inertia and viscosity forces existing at the periphery of the bars and / or impeller blades in their movement through the glass at a defined speed; This relationship between inertial and viscous forces is expressed by the dimensionless Reynolds number. It is an object of the invention that in the outer parts of the glass drive devices, which have a higher speed, the relationship between the forces of inertia and viscosity is less than a certain value, to ensure that around said devices There is a boundary layer that protects them from corrosion and / or chemical attack by molten glass. This protection is achieved by limiting the Reynolds number, which relates the density of the glass, the speed of the glass, the hydraulic diameter of the drive and the dynamic viscosity of the glass.
  • the term "glass melting” refers to the stage or part of the glass manufacturing process in which vitrifiable materials are transformed into molten glass by means of thermal energy input. It is considered that the fusion has ended when all the solid components of the aforementioned vitrifiable materials have already dissolved. After the melting stage, and depending on the industrial quality required for the final manufactured article, it is necessary for the molten glass to pass through a refining stage for the elimination of the bubbles resulting from the previous melting stage. The refining stage is followed by the conditioning stage, to specify and adjust the viscosity of the glass before moving on to the forming stage, which will transform the molten glass into a final article by means of the corresponding forming system.
  • the principle that differentiates the present invention from traditional fusion is the replacement of natural convection by forced convection generated by glass drive devices.
  • the speed acquired by molten glass in natural convection depends on the relationship between the ascensional force and the viscosity force in the molten glass:
  • FASCENSIONAL / FVISCOSITY H 2 ⁇ p ⁇ g ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ / ( ⁇ ⁇ V) (1)
  • TTC / TTR L ⁇ p ⁇ C P ⁇ V / R + C (2)
  • the scheme of operation of the present invention is represented, in which from the energy provided by the radiation of the flames and the vault of the fusion vessel, and with the help of forced convection, the melting and dissolution at low temperature of the vitrifiable materials introduced into the fusion vessel.
  • Forced convection is generated by glass drive devices, designed specifically for that mission, and whose operation is characterized by a Reynolds number less than 46, to maintain a protective boundary layer.
  • the Reynolds number defines the speed of the glass drive devices, producing a speed gradient that homogenizes the molten glass and accelerates the dissolution of the infused ones. In this way, it achieve the main objectives of the invention, which are: a) improve the quality of glass; b) decrease the emission of gases such as NOx; c) reduce the manufacturing cost of glass; and d) increase the melting rate.
  • FIGURE 2 shows the scheme of a glass manufacturing installation according to the present invention, and, in particular, the elaboration of a glass intended to be formed in a continuous flat sheet by means of the float process on a tin bath .
  • This installation can produce a mass flow of glass of the order of 1000 tons per day, in the case of a silico-sodo-calcium glass; the main areas are indicated in the figure: fusion (3 1), heating (32), tuning (33), conditioning (34), and an outlet channel (35).
  • the melting vessel (31) consists of a hearth, lower side walls to contain the molten glass and upper side walls that support the vault (36).
  • the energy is supplied by means of burners (37) located on the side walls and / or in the vault.
  • vitrifiable materials (38) is carried out by means of one or more introduction machines (39).
  • introduction machines 39
  • Various glass drive devices (40) have been included in the drawing, in this case, located inside drive enclosures (42) that are attached to the melting vessel (3 1).
  • the area (43) for the introduction of vitrifiable materials, and the area (44) in which the entry of vitrifiable materials into the melting vessel (31) is no longer indicated.
  • Tmi VENcióN The average temperature of the glass, in the zone of introduction of vitrifiable materials (43), belonging to the process of the present invention, Tmi VENcióN, is markedly lower than the temperature, TITITRADICIONAL, in the hot zone of a traditional melting furnace for the Same kind of glass.
  • the molten glass should be refined in another container (33), which passes through a landfill (45), FIGURE 10, (64), with direct passage between the fusion and refining vessels, or preferably by an intermediate heating vessel (32) (63); from the tuning vessel (33), the glass passes through a channel without return to the conditioning zone (34), and then to an outlet channel (35) that communicates the conditioning vessel with the corresponding forming device, in this case a molten tin bath, not shown here.
  • the melting and dissolution temperature of the process of the present invention is higher than the formation temperature of a liquid phase. obtained as a reaction from part of the vitrifiable materials; in an example of application for a silico-sodo-calcium glass, when the temperature rises, the vitrifiable materials become glass, showing three distinct phases [R.Conrad, "Thermodynamics of glass melts and thermo-chemistry of glass forming batches ", International Kreidl Symposium, Trecin 2004]: up to about 840 ° C, the vitrifiable materials remain essentially in solid state; then the fusion of its components begins until 1 100 ° C; at this temperature, the assembly is essentially a fluid with large amounts of solid and gaseous inclusions; finally, about 1200 ° C the chemical changes have been completed, and the dissolution of the residual silica is a matter of time and speed gradient; Once the vitrifiable materials have been converted to molten glass, only small bubbles remain in it, which will be removed in the refining area.
  • the energy necessary for the fusion of the glass is supplied by several combustion burners (37), FIGURE 3, installed on the side walls and / or in the vault of the fusion vessel.
  • the vitrifiable materials (38), FIGURE 2 are incorporated in the area (43) located upstream of the melting vessel (31) by means of one or more introduction machines (39); the aforementioned vitrifiable materials (38) are distributed in a predetermined manner, with a constant rate, FIGURE 12 (283), or with a variable rate, FIGURE 1 1 (183).
  • the surface of the area (43) for the introduction of materials is large enough to allow: a) that the burners can introduce all the necessary energy, (184 and 284) for the fusion and b) that their incorporation into the convection currents of the glass, always performed on a liquid phase. In Examples 1 and 2, this zone (43) occupies 50% of the total surface of the melting vessel (31).
  • Qv the heat necessary for the melting of the glass and raising the temperature of the glass to Tv
  • KF the heat of fusion of the glass
  • KE the enthalpy of glass and gases up to the temperature Tv
  • Tv the temperature of the glass
  • SF the surface of introduction of raw materials in the fusion vessel
  • Q R the energy per unit of surface radiated to the glass by the combustion flames and the vault
  • CM the mass flow rate of glass
  • Qp the sum of the external losses by the side and sole refractories, and the singular losses.
  • the radiated energy per surface unit, QR depends on the temperatures of flames, vault, and glass.
  • Molten glass behaves like a Newtonian fluid, and its viscosity can be related to temperature through the Fulcher equation, with the coefficients A, B and To:
  • Tv the temperature of the glass in degrees Celsius.
  • vitrifiable materials (38) are carried by the forced convection system currents and introduced into the molten glass mass.
  • the vitrifiable materials begin to melt, requiring a certain amount of radiant energy (184 and 284) distributed throughout the fusion vessel, and resulting from the distribution of the temperatures of the vault (185 and 285) and of the glass ( 186 and 286) in the longitudinal direction of the furnace, as well as in the predetermined way of introduction (183 and 283) of the vitrifiable materials in the zone (43) of the melting vessel, see FIGURES 1 1 and 12.
  • the molten glass continues its path in the forced convection of the zone (44), downstream of the fusion vessel, zone in which the introduction of new vitrifiable materials is no longer produced, and in which the dissolution of the solid particles of said materials ends.
  • the present invention uses a forced convection that transmits thermal energy from one part to another, both in horizontal planes and in the vertical direction of the fusion vessel.
  • This forced convection is generated by glass drive devices (40) that may be located in various positions relative to the fusion vessel, FIGURE 9: a) located (46) within the perimeter of the fusion vessel, a vault can be used suspended and burners on the side walls and / or in the vault; and b) preferably located (47) in enclosures (42) attached to the side walls of the fusion vessel and in hydraulic communication therewith.
  • the forced convection used by the present invention for the fusion of vitrifiable materials is generated by one or several glass delivery devices, which are also part and object of the invention;
  • the main purpose of the drive devices is to propel or propel the glass to transport and distribute the energy necessary for fusion.
  • mechanisms called stirrers or “stirrers” are sometimes used, outside the zone of introduction of vitrifiable materials in the melting furnace, one of the oldest designs being that of a cylinder that rotates around an axis vertical and moves between the mass of molten glass [W. Tri r, "Glass Furnaces, Design Construction and Operation", Society of Glass Technology, page 1 76 ⁇ .
  • stirrers or stirrers have the purpose of chemical homogenization of an already molten and dissolved glass, while in the present invention the driving devices have as main purpose to accelerate the fusion and dissolution of vitrifiable materials, at the same time they produce a shear on the glass cast, resulting in a better quality of the final glass article.
  • the glass drive devices (40) can be implanted directly into the melting vessel, FIGURE 9 (46), they are preferably located within a drive enclosures (42), FIGURE 9 (47).
  • FIGURES 3 and 4 an example of the position of the drive enclosures (42) with respect to the fusion vessel (3 1) and a design example for a glass drive device is set forth.
  • the side walls of the drive enclosure (42) in their function resemble the envelope in a drive pump, where the movable part is formed by the glass drive devices (40); each device rotates around an axis of rotation (48) at an angular velocity ⁇ ; one or more drive arms (49) in essentially horizontal position start from the axis of rotation, and one or more drive bars (50) in apparently vertical position start from each of the drive arms.
  • the rotational movement of the drive device (40) causes the displacement of the drive bars (50) within the molten glass, forcing it from a downstream position (52) of the fusion vessel to describe enveloping paths (51) inside the discharge enclosure, and pass again to the fusion vessel in an upstream position (53).
  • the inlet of the glass has the axial and radial components, from the inner zone and from the bottom (54) of the fusion vessel.
  • the driving device increases the speed of the glass by the action of the centrifugal force (55) caused by the movement of the glass impeller inside the enclosure.
  • the drive enclosure (42) has "input ⁇ " (52) and “output 6s" (53) angles, the value of which is defined as a function of the rest of the fusion parameters , such as mass flow, geometry, and thermal energy transportation needs.
  • Forced convection of molten glass has components in all directions, including in the direction (56) from downstream to upstream and contrary to the direction (57) of the mass flow rate of the glass.
  • the energy transported by forced convection can be expressed as:
  • Qx the energy transported by forced convection
  • ⁇ the mass flow rate of the forced convection current in the longitudinal direction, in the sense from downstream to upstream of the fusion vessel
  • ⁇ the temperature gradient in the longitudinal direction of the fusion vessel.
  • values of the thermal gradient ⁇ in the longitudinal direction of the melting vessel are set out: a) 37 ° C in 24 meters, in Example 1; and b) 103 ° C in 30 meters, in Example 2.
  • the number of drive devices used in the process of the invention may be one or, preferably, greater than one, depending on the number of the glass class, the mass flow rate, the rate of introduction of vitrifiable materials, the temperature, of the geometry, and of the dimensions of the fusion vessel.
  • FIGURE 5 the geometry of a propeller-type drive device with blades or blades has been shown; the characteristic diameter of these devices is DE; The tangential velocity transmitted to the molten glass is the peripheral velocity U, which is equal to the product of the angular velocity ⁇ by half the diameter DE.
  • the dimensionless Reynolds number that characterizes the propeller drive is given by the expression:
  • Re the dimensionless Reynolds number
  • p the density of the glass
  • U the characteristic speed of the impeller, which in this example corresponds to the peripheral speed
  • DE the diameter of the propeller impeller
  • ⁇ the dynamic viscosity of molten glass
  • FIGURE 6 depicts a glass drive device with a rotation axis (48), a single drive arm (49), and a single drive bar (50), characterized by the angular speed of rotation ⁇ , the radius of RE rotation and the diameter of the DH drive bar;
  • the drive arm (49) is located above the level of the glass (58).
  • the enlarged section of a moving bar inside the molten glass is shown, with its hydraulic diameter DH (59) and with its travel speed U (60), which is equal to the product of the angular velocity ⁇ by the turning radius RE of the drive bar.
  • Re the dimensionless Reynolds number
  • p the density of the glass
  • U the characteristic speed of the impeller, which in this example corresponds to the travel speed of the drive bar (50)
  • DH the hydraulic diameter of the outer impeller rod, which is equal to four times the area of the section divided by the wetted perimeter
  • ⁇ the dynamic viscosity of molten glass, as shown in the aforementioned FIGURE 6.
  • each glass drive device is formed by one or more drive arms that rotate about a vertical axis; each drive arm is formed by one or several drive bars, these turning radii having the same or different turning radii within each drive device; in the mentioned figure the devices formed by: a) an arm and a bar are exposed; b) two arms, each with a bar; c) one arm with two bars; d) an arm with a loop; and e) two arms with two bars.
  • the glass drive devices of Examples 1 and 2 of the present invention correspond to the type of two arms with two bars set forth in said FIGURE 7, scheme e).
  • Each drive bar can have a geometry and a cross section that is the same or different from the rest of the drive device bars, in FIGURE 8 some sections of the drive bars are shown as: SI) circular, S2) oval, S3) polygonal, S4) square, S5) and S6) rectangular.
  • Each drive device causes the movement of molten glass in all directions, generating a speed gradient in its area of influence equal to:
  • GM the average speed gradient
  • Gi the velocity gradient in the drive enclosure
  • My the mass of glass in the drive enclosure
  • MF the mass of glass in the fusion vessel, on which the drive device acts.
  • the behavior of the mixture of molten glass and the gas bubbles in the melting vessel with forced convection is similar to the behavior of several compressible spheres in a much denser environment, which undergo elongation and a change in shape depending on the pressure fields that go through, which causes the coalescence between them to achieve sufficient volume to ascend and break on the free surface of molten glass.
  • the velocity gradient has the following effects: a) it helps eliminate large bubbles from the first fusion reactions; and b) by favoring the dissolution of the silica and reducing the acidity at the infused-glass interface, the nucleation of small bubbles decreases, aiding in the subsequent stage of refining.
  • the velocity gradients generated by each drive device can be the same or different from each other, in order to keep the Reynolds number constant when the glass drive devices are located in areas / enclosures of the melting vessel with different glass temperatures molten.
  • the introduction of the vitrifiable materials (38) in different places of the introduction zone (43) of the melting vessel determines the different residence times of the glass for each section of the introduction zone, according to the relation:
  • ⁇ ME the average time of stay
  • L a longitudinal distance in the fusion vessel
  • A the width of the fusion vessel
  • HF the height of glass
  • E the mass flow of molten glass that passes through each cross section of the area (43).
  • the average residence time of the molten glass in the area (44) is constant for all its sections, since in this area the incorporation of vitrifiable materials does not take place.
  • the vitrifiable materials are incorporated into the melting vessel, their melting and dissolution begins at a rate that depends on the value of the average velocity gradient and the temperature of the glass; in the case of a Silico-sodo-calcium glass, silica is the last solid to melt, and the driving force of the dissolution process is the concentration gradient from the surface of the silica grain to the already molten glass (Jan HlaváS);
  • the dissolution time of a silica infusion depends essentially on its diffusion coefficient in the glass, the concentration gradient at the limit SiC ⁇ - molten glass, and the initial size of the infused.
  • the dissolution time of the infused can be estimated when they are dragged by a forced convection in the molten glass at a certain temperature; in the case of a silico-sodo-calcium glass, L. Némec, reference [0010] and R. Beerkens, reference [001 1], set out curves to relate these parameters:
  • ID the dissolution time in hours
  • fo is a function
  • Grad.V the speed gradient
  • Tv the temperature of the glass.
  • This dissolution time can be related to the residence time of the vitrifiable materials and the molten glass inside the forced convection, with its velocity gradient and its temperature, to quantify the dissolution of the infused and the moment in which it is reached the total dissolution of them.
  • the infused ones begin to dissolve from the moment they enter the zone (43) of the fusion vessel, and end their dissolution in the zone ( 44), in which the introduction of vitrifiable materials no longer occurs.
  • This final zone (44) of the melting vessel (31) comprises several subzones that behave as independent mixers with each other, the dissolution time ID of the infused must be several times less than the average residence time of the glass in the zone of fusion; that is, ⁇ D ⁇ ⁇ ME.
  • Forced convection generates a continuous and variable velocity gradient that performs two main functions, DIAGRAM 1,: a) accelerate the melting and dissolution process of the infused vitrifiable materials, and b) improve the homogeneity of molten glass. It is an object of the present invention to achieve a melting rate, CM, greater than 2 tons per day per square meter of surface of the fusion vessel, and preferably greater than 3 tons per day per square meter of surface area of the fusion vessel. Forced convection produces shear on the mass of molten glass that is proportional to its velocity gradient; This velocity gradient causes a continuous decrease in the scale of the heterogeneities existing in the molten glass as follows:
  • ⁇ the initial thickness of the heterogeneity
  • 5F the final thickness of the heterogeneity
  • t the operating time of the velocity gradient
  • ⁇ the viscosity of the glass
  • ⁇ the viscosity of the heterogeneity
  • the heterogeneities existing in molten glass become cold glass strata once the final article is formed; these strata can be detected and quantified by the index of refraction that they present against the passage of light; in this way, the heterogeneities existing in the molten glass mass can be defined and quantified by measuring the refractive index gradient in the strata of the final cold glass article.
  • Each heterogeneity can be quantified by the two parameters: 1) Intensity of heterogeneity, which translates or represents the differences in concentration from one point to another; and 2) the degree or scale of heterogeneity, which represents the distances between these points. Both parameters can be quantified by measuring the local variations of the refractive index.
  • the patent indicates the classification of the heterogeneity of the mass of a glass sheet as a function of the number of peaks greater than an increase in the index of refraction, ⁇ , of 3 ⁇ 10 5 between the strata which are in the thickness of said glass sheet.
  • J. BRETSCHNEIDER ["Interferometric determination of the homogeneity of float glass", XVI International Glass Congress, Madrid, Volume 6, page 109] points out various mean values of the refractive index, ⁇ , in a float flat glass for manufacturing cases : a) without any homogenization method; b) with stirring, stirring; and c) with bubblers.
  • the shear generated by forced convection in a mass of molten glass reduces the thickness of the heterogeneities, increasing the concentration gradient and accelerating the dissolution process of solid or infused particles; in this way, the homogeneity of the molten glass and the quality of the final article is improved. It is an object of the present invention to decrease the average variation of the refractive index, ⁇ , between the glass strata in the final article, up to values less than 3 ⁇ 10 5 and, preferably, up to values less than 1 ⁇ 10 5 .
  • the heterogeneous strings and striations of glass from The fusion are homogenized by vessels and stirrers constructed with platinum alloys, which can cause inclusions of said metal in molten glass.
  • the process of the present invention makes most or all of this kind of agitation unnecessary.
  • Nitrogen oxides, NOx have a special importance in the manufacture of glass since gas emissions are subject to increasingly restrictive environmental regulations; glass furnaces generate NOx in the following ways: a) by the reaction of the N and O2 of the combustion air, which mainly produces NO of "thermal" origin, and which depends on the temperature of the combustion flame; b) by the evolution of NO 2 from nitrates present in vitrifiable materials; and c) by the oxidation of the existing nitrogen in the fuel and / or gas.
  • the preheating of combustion air increases the formation of NOx, while oxy-combustion greatly reduces it; when the gases cool, the reverse reaction is kinetically limited by the high activation energy, and the NOx gases do not disappear.
  • CNO 5 ⁇ 10 17 ⁇ [exp (-72300 / TLL)] »yN 2 » yO 2 0 > 5 »t (14) being: CNO, the concentration of NO in ppm; and N, fraction of the gas N; yÜ2, fraction of the gas O2; t, how long the gases remain in the flame zone; and TLL, the temperature of combustion flames in degrees Kelvin.
  • TNO Combustion & Fuels for Glass Furnaces
  • the temperature of the flame depends on various factors such as fuel class, air temperature, oxygen content, and heat transferred from the flames by convection and radiation to the glass and to the vault of the vessel or fusion chamber.
  • the temperature of the vault decreases and therefore also the temperature of the TLL flames, whereby, according to (expression 14), the emission of gases ⁇ is reduced .
  • dome temperatures of the order of 1 604 ° C are reached, and glass temperatures of the order of 1520 ° C, [B. W. Webb and M.Q. McQuay: "Development, Experimental Validation, and Application of Advanced Combustion Space Models for Glass Melting Furnaces", Brigham Young Universiy, figure 44].
  • the average temperature of the glass in the melting vessel, Tmi VENcióN, of the process of the invention is of the order of 250 ° C below the temperature, TITITRADICIONAL, in the hot zone of a traditional oven according to the current technique procedure for the same kind of glass, which for a silico-sodo-calcium glass is of the order of 1520 ° C.
  • Tables 1 and 2 show the concentration values in NO, which correspond to a traditional fusion and to Examples 1 and 2 of the present invention; the reduction of the NOx emission depends on the surface of the zone (43) of introduction of the vitrifiable materials in the fusion vessel (3 1), since it influences the energy per QR surface unit contributed to the glass by means of the flames of combustion It is an object of the present invention to decrease the average temperature of the glass in the melting vessel, TITLINVENTION, with respect to temperature, TITITRADICIONAL, in the hot zone of a traditional oven with the current state of the art for the same kind of glass, in an amount greater than 125 ° C, (TITITRADICIONAL - TITIINVENCI ⁇ N) ⁇ 125 ° C, and, preferably in an amount greater than 250 ° C.
  • propeller devices of the type of propellers with blades, FIGURE 5, or of the type of arms and drive bars, FIGURE 6, could be used without refrigeration and made of materials such as refractories, platinum and their counterparts, chromium oxide, and molybdenum and their counterparts, the duration or lifetime of these devices would be very short in relation to the life of the oven; Therefore, it is preferable to use refrigerated delivery devices by means of a cooling fluid circulating inside.
  • drive devices that do not have internal cooling and whose temperature is equal to that of glass a speed limit layer is formed around said devices.
  • a temperature limit layer is also formed in the drive devices that have internal cooling; The temperature drop that comes from the refrigerated drive device only extends to a narrow area in contact with said drive device.
  • a laminar regime such as the movement of the driving device in the molten glass, the relationship between the thicknesses of these two layers, of temperature and speed, is determined by the square root of the dimensionless number of Prandtl according to the expressions:
  • ⁇ the thermal boundary layer
  • ⁇ the speed limit layer
  • Pr the dimensionless number of Prandtl
  • Cp the specific heat of molten glass
  • k the thermal conductivity of molten glass.
  • the present invention achieves the formation of a protective boundary layer around the entire submerged perimeter of the drive device, whether of the type of propeller, FIGURE 5, or bar, FIGURE 6; this boundary layer is a transition region between the surface of the drive device and the molten glass, and its thickness is determined by the distance between the surface of the drive device and the point where the velocity profile reaches one percent of the peripheral speed of the drive device.
  • the protective boundary layer of the drive device depends on the Reynolds number, which expresses the relationship between the inertia forces and the viscosity forces existing in the glass when the propeller or bar impellers are in motion. Therefore, in the process of the present invention, each drive element is defined for the purpose and the priority criterion of maintaining the formation of a permanent boundary layer around the entire periphery of the moving parts of the drive devices submerged in the molten glass All the operating parameters of the drive device are subordinated to this fundamental fact that characterizes the invention, see DIAGRAM 1.
  • the shape of the cross section of the drive bar influences the formation of a thermal layer on its periphery; if the section of the drive bar passes from a circular shape to a more elongated elliptical shape in the direction of movement, the Reynolds number and heat transfer between the molten glass and the drive bar decreases, [R.P. Bharti, P. Sivakumar, R.P. Chhabra: "Forced convection heat transfer from an elliptical cylinder to power-law fluids", International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 1838-1853], forming a larger thermal boundary layer around the aforementioned drive bar.
  • more than one drive bar can be used on each arm of the drive device, as in the example of a device with two arms (49) and two bars (50) per arm of FIGURES 3 and 4; in these cases, for the use of more than one bar for each arm of the drive device, and with an arrangement of one bar behind the other in the direction of movement, the Reynolds number and heat transmission values of the glass to the drive bar in front, in the direction of movement, are larger that the values corresponding to the bar positioned downstream, although both values are lower than those corresponding to an isolated bar [RC Patil, RP Bharti, and RP Chhabra: "Forced Convection Heat Transfer in Power Law Liquids from a Pair of Cylinders in Tandem Arrangement ", Ind. Eng. Chem. Res., (2008) ⁇ .
  • the drive bars (50) are preferably within the glass drive enclosures (42), and in their travel they keep a certain distance from Wall.
  • the distance between the drive bar and the enclosure wall influences the critical value of the Reynolds number for which the transition from a stationary to a non-stationary regime takes place, since when the distance between the drive bar and the distance decreases wall, the critical value of Reynolds increases [S. Mettu, N. Verma, R.P.
  • Chhabra "Momentum and heat transfer from an asymmetcally confined circular cylinder in a pla ⁇ e channel", Heat Mass Transfer, (2005)]; when the drive bar approaches the wall, the interaction between the boundary layer of the wall and the boundary layer of the drive bar modifies the stability of the flow. For cylindrical bars very far from the wall of the enclosure, when the Reynolds number increases to 46 the stability of the flow is lost and oscillating vortices are formed behind said cylindrical bar.
  • the Reynolds number corresponding to the operation of each glass drive device, FIGURES 5 and 6, be less than 46 and, preferably, less than 24; in this way, a permanent boundary layer is established around all impeller parts submerged in the molten glass.
  • This permanent protective boundary layer is always established for any kind of molten glass, independent of the temperature and viscosity of the glass; Therefore, the The present invention is valid both for a silico-sodo-calcium glass, and for a glass intended to manufacture TFT or LCD screens, or for other different kinds of glass.
  • the permanent cold glass bound layer fixed on the submerged surface also acts as a thermal insulator, and limits the amount of thermal energy from the molten glass that is absorbed by the drive device.
  • the definition of the number of devices, their geometry and their speed can be performed: a) by numerical calculation; and b) by means of a physical modeling with representation of the forces of inertia and gravity, since, unlike traditional furnaces with natural convection and with large temperature differences throughout the oven, in forced convection the representation is not necessary of heat transmission by conduction plus radiation, as there are no high temperature gradients.
  • the process of the present invention allows the melting and dissolution of the vitrifiable materials in the fusion vessel with great flexibility of the parameters already indicated, such as: a) the temperature of the glass; b) Reynolds number; c) the emission of NOx; d) mass flow; e) the number of drive devices; f) the surface of introduction of the vitrifiable materials; and g) the rate of introduction of vitrifiable materials.
  • vitrifiable materials that have been melted and dissolved entirely in the melting vessel must pass through a stage of elimination of the gases from the melting reactions, which are they are dissolved in molten glass or in the form of small bubbles; the removal of these gases is carried out by the tuning step, at a tuning temperature TA higher than the final temperature of the melting vessel TF; This stage takes place in the tuning vessel.
  • the hydraulic connection between the melting vessel and the tuning vessel can be carried out in various ways, taking into account that it is always necessary to avoid convection currents of glass between both vessels.
  • the fusion vessel is in hydraulic communication with the tuning vessel by means of a narrow passage without return, a landfill (45); in this case the molten glass passes to the tuning vessel at the melting temperature TF.
  • the heating vessel In the heating vessel the molten glass is heated from the melting and dissolution temperature to the tuning temperature;
  • the heating zone has a necessary surface, Se, to raise the temperature of the glass that is given by the ratio:
  • This convection loop is qualitatively defined by the dimensionless number of Rayleigh, Ra:
  • Ra p2 ⁇ g ⁇ ⁇ ⁇ (TA-TF) ⁇ H vc 2 ⁇ L c ⁇ C P / ( ⁇ ⁇ k) (19)
  • Hvc the height or depth of the glass in the heating vessel
  • Lc the length of the heating vessel
  • the realization of the melting and dissolution of the vitrifiable materials in the melting vessel at a temperature below the reaction temperature of the agents used for the refining of the glass presents an advantage over the traditional melting.
  • the reaction start temperature is around 1200 ° C, and its most important dissociation takes place between 1300 and 1350 ° C; this means that, in the process of the present invention, the reaction occurs once all the infused in the melting vessel have been dissolved and the tuning agents act in the heating zone, which has a piston-type flow .
  • the tuning agents have reacted and the molten glass has passed to the tuning vessel (33), dissolved gases and gases that are in the form of small bubbles are removed; the convection of the glass can be controlled in the tuning vessel as there are no large temperature differences in the longitudinal direction.
  • the molten glass passes through a narrowing to the conditioning vessel (34), similar to those existing in traditional fusion, with two main functions: a) adjust the viscosity of the molten glass before its conformation in a final article, and b) produce a reabsorption of the existing small bubbles by varying the solubility of the gases in the glass with the temperature drop.
  • the glass passes to an outlet channel (35) that communicates with the forming device.
  • the process of the present invention does not need this homogenization stage, since the glass has been melted under the influence of the velocity gradient generated in the fusion vessel.
  • the molten glass passes into a forming device or system, not shown here, to transform the molten glass into a final article.
  • the process of the invention which uses a forced convection fusion, is used to make various types of glass, such as silico-calcium-calcium, alumino-silicates, boro-silicates, and boro-alumino-silicates.
  • This first example of the invention corresponds to a process and an associated installation for the production of a silico-sodo-calcium glass with a mass flow of 700 tons / day for a float manufacturing, where the conformation is produced by stretching of a mass of glass that floats on a bath of molten tin in a protective atmosphere, to be converted into sheets of flat glass, being its preferred destination the construction and automobile industries.
  • the procedure begins with the introduction of the vitrifiable materials in the fusion zone by means of four introduction machines (39);
  • the melting vessel has a length of 24 m, a width of 8 m and an average glass depth of 0.8 m.
  • the angles of entry 56 (56) and exit 6s (57), FIGURE 4, of the walls of the drive enclosures relative to a transverse axis of the fusion vessel are 2 1 degrees.
  • the total mass of glass in the melting zone is 385 tons, with an average time of stay in this area of 13.2 hours.
  • the zone (43) for the introduction of vitrifiable materials is in the first 12 meters of the melting vessel, with a decreasing distribution (183) of: 9.5 - 8.0 - 6.6 - and, 5, 1 tons per day and square meter.
  • the temperature of the glass in the melting vessel (186) is between 1 181 ° C at the beginning, and 12 18 ° C at the end of the melting vessel, the average glass temperature of the entire melting vessel (3 1) being from 1205 ° C; the average temperature in the zone (43) for the introduction of vitrifiable materials is 1,194 ° C; These temperatures are much lower than 1520 ° C of the temperature of the hot zone of a conventional "float" oven with the current state of the art for the same silico-sodo-calcium glass.
  • the energy radiated to the glass (184) by the combustion flames and by the vault in the 12 meters of the zone of introduction of the composition is between 182 and 168 kw / m 2 .
  • the total useful energy supplied is 19530 kw, corresponding 1480 Kw to thermal losses and 18050 Kw to the melting of 700 t / day of glass.
  • the average temperature of the glass in the zone (43) of introduction of the vitrifiable materials is 1 194 ° C, which is the average of the values: 1 18 1, 1 188, 1 198, and 1208 ° C.
  • each drive enclosure there is a glass drive device, which is formed by two arms; each arm is formed by two cylindrical drive bars, 0.25 m apart; the drive bars are made of a metal alloy and are internally cooled with water and have a circular section of 100 mm outside diameter; Each arm is 180 ° offset from the other arm with which the glass drive device forms, FIGURE 4.
  • the average turning radius of the drive bar is 0.3 meters;
  • the six drive devices rotate with different and decreasing speeds of: 55, 52, 45, 41, 39, and 38 revolutions per minute. With these values, a Reynolds number equal to 4 is achieved in each of the six glass drive devices.
  • These Reynolds number values of the bars / drive devices guarantee the existence of a cold glass boundary layer around the parts of the drive bars submerged in the molten glass; This boundary layer protects the drive devices from corrosion by molten glass.
  • the longitudinal distribution of the temperature in the melting zone depends mainly on the rate of introduction of vitrifiable materials and the radiant energy coming from the vault; forced convection contributes with its effect to distribute the energy and decrease the temperature gradients in the fusion vessel.
  • the volume of forced convection produced and displaced by each drive in the fusion vessel in the longitudinal direction and in the back-forward direction, according to the direction (56) in FIGURE 4, is 14, 1 times greater than the corresponding to the mass flow of 700 tons / day of processed glass.
  • each glass drive device In its movement, each glass drive device generates in its area of operation of the fusion vessel an average velocity gradient (188) of between 0.26 s 1 for the first driving device and 0.19 s 1 for the sixth and last drive device; with these values and the temperatures already mentioned for each zone, the silica infused from the vitrifiable materials dissolve in a time equal to 2.3 hours for the zone of the first driving device and 2.1 hours for the zone of the sixth driving device .
  • the vitrifiable materials that take longer to dissolve are those introduced in the last position, that is, between 9 and 12 meters from the beginning of the fusion vessel;
  • the total solution, curve (187) takes place at 20.9 meters, that is, 3, 1 meters before reaching the total length of 24 meters of the fusion vessel.
  • the average time of stay in the last 12 meters of the fusion vessel which consists of four independent sections of three meters each, in which there is no introduction of vitrifiable materials, is 6, 19 hours; on the other hand, for the average speed gradient of the glass and for the temperature in the last 4 sections mentioned, the dissolution time of the materials Vitrifiable is 2.44 hours, that is, the average time of stay is 2.5 times longer than the dissolution time.
  • the heating zone has dimensions of 6 meters long, 8 meters wide and a glass depth of 0.2 meters at the beginning and 0.3 meters at the end; in this area the glass passes from 1216 ° C to 1520 ° C, with an energy contribution of 3260 kw and an average transmission of energy from the flames and from the vault to the glass of 68 kw / m 2 .
  • the elimination of bubbles is carried out in an area of refining that has dimensions of 14 meters long, 8 meters wide and 0.8 meters deep, with a temperature of 1520 ° C and an average time of stay of the glass of 7 ,2 hours.
  • the molten glass passes through a narrowing that has dimensions of 3 meters long, 4 meters wide and 0.4 meters deep, this narrowing prevents natural convection with the next stage of conditioning.
  • the conditioning zone has dimensions of 10 meters long, 7 meters wide and 0.5 meters deep, the glass passing from the tuning temperature to a temperature close to 1 180 ° C, with a cooling rate of the order of 40 kw / m 2 and a time of stay of 2.8 hours.
  • the glass is directed, by means of an exit channel 3 meters wide and 0.3 meters deep, towards a float forming equipment on a molten tin bath, not shown in the figures, to be become a flat sheet.
  • the average temperature of the vaults of the different containers is the average temperature of the vaults of the different containers.
  • the average time of stay of the glass in the entire installation is 24.4 hours, distributed as follows: 13.2 hours in the fusion vessel; 0.8 hours in the heating zone; 7.2 hours in the tuning vessel; and 3.2 hours in the conditioning zone.
  • the maximum temperature of the glass in the melting vessel is 1218 ° C, which is 302 ° C less than the maximum temperature of the glass in an oven according to the current state of the art. According to (expressions 14 and 15), a decrease in glass temperature of 302 ° C is followed by corresponding decreases in the temperatures of the vault and combustion flames, with a notable reduction in the formation and emission of NOx gases with respect to fusion according to the state of the art. This reduction in thermal NOx formation is independent of the type of fuel used and whether or not oxy-combustion is used.
  • Table 1 shows the values of NOx gas formation in the melting vessel (31), particularly in the area (43) for the introduction of vitrifiable materials, which is the area with the highest energy consumption, when used. GAS as fuel, for traditional fusion according to the current state of the art, and for the present Example 1 of the invention.
  • Table 2 shows the values of NOx gas formation in the melting vessel (31), particularly in the area (43) for the introduction of vitrifiable materials, which is the area with the highest energy consumption, when used.
  • FUEL as fuel; for traditional fusion according to the current state of the art, and for Examples 1 and 2 of the present invention.
  • Example 1 of the process of the invention 9 times less NOx gases are generated than in the traditional fusion when natural gas / air is used, and 70 times less gases NOx than in traditional fusion when fuel / air is used.
  • Table 2 Formation of NO x .
  • the procedure begins with the introduction of the vitrifiable materials in the fusion zone by means of five introduction machines (39);
  • the melting vessel has a length of 30 m, a width of 10 m, and an average glass depth of 0.8 m.
  • the melting vessel On the two sides of the melting vessel are arranged seven glass drive enclosures (42) in the positions shown in FIGURE 12, each with an area of 2.1 m 2 , the total surface of this vessel being melting 3 15 m 2 , and the melting rate 3, 5 tons per day and square meter.
  • the angles of entry 56 (56) and exit 6s (57), FIGURE 4, of the walls of the drive enclosures relative to a transverse axis of the fusion vessel are 2 1 degrees.
  • the total mass of glass in the melting zone is 592 tons, with an average time of stay in this area of 12.9 hours.
  • the area (43) for the introduction of vitrifiable materials is in the first 15 meters of the fusion vessel, with a constant distribution (283) of 7.3 tons per day and square meter.
  • the temperature of the glass in the melting vessel (286) is between 1,149 ° C at the beginning, and 1252 ° C at the end of the melting vessel, the average glass temperature of the entire melting vessel (31) being 1205 ° C; the average temperature in the zone (43) of introduction of vitrifiable materials is 1 164 ° C; These temperatures are well below 1520 ° C of the hot zone temperature of a conventional "float" oven.
  • the energy radiated to the glass (284) by the combustion flames and by the vault in the 15 meters of the zone of introduction of the composition is between 153 and 146 kw / m 2 .
  • the total useful energy supplied is 30250 kw, 1890 kw corresponding to thermal losses and 28360 kw to the melting of 1,100 t / day of glass.
  • Energy is supplied through burners located on the side walls of the oven, and is transmitted to the glass from the flames and from the vault of the fusion vessel;
  • the maximum temperature of the melting vault (285) is 1317 ° C.
  • the average temperature of the glass in the zone (43) of introduction of the vitrifiable materials is 1 164 ° C, which is the average of the values: 1 149, 1 152, 1 159, 1 171, and 1 191 ° C.
  • each drive enclosure there is a glass drive device, which is formed by two arms; each arm is formed by two cylindrical drive bars, 0.25 m apart; the drive bars are made of a metal alloy and are internally cooled with water and have a circular section of 100 mm outside diameter; Each arm is 180 ° offset from the other arm with which the glass drive device forms, FIGURE 4.
  • the average turning radius of the drive bar is 0.3 meters;
  • the seven drive devices rotate with different and decreasing speeds of: 80, 77, 71, 61, 49, 34, and 26 revolutions per minute. With these values, a Reynolds number equal to 4 is achieved in each of the seven glass drive devices.
  • the longitudinal distribution of the temperature in the melting zone depends mainly on the rate of introduction of vitrifiable materials and the radiant energy coming from the vault; forced convection contributes with its effect to distribute the energy and decrease the temperature gradients in the fusion vessel.
  • the volume of forced convection produced and displaced by each drive in the fusion vessel in the longitudinal direction and in the back-forward direction, according to the direction (56) in FIGURE 4, is 1, 4 times greater than the one corresponding to 1,100 tons / day of processed glass.
  • each glass drive device In its movement, each glass drive device generates in its area of operation of the fusion vessel a medium velocity gradient (288) of between 0.30 s 1 for the first impeller and 0, 1 1 s 1 for the seventh and last drive device; with these values and the temperatures already mentioned for each zone, the silica infused from the vitrifiable materials dissolve in a time equal to 2.8 hours for the zone of the first driving device and 2.0 hours for the zone of the seventh driving device .
  • the vitrifiable materials that take longer to dissolve are those introduced in the latter, that is, between 12 and 15 meters from the beginning of the fusion vessel;
  • the total curved solution (287) takes place at 26 meters, before reaching the total length of 30 meters of the fusion vessel.
  • the average time of stay in the last 15 meters of the fusion vessel which consists of five independent sections of three meters each, in which there is no introduction of vitrifiable materials, is 6, 15 hours; on the other hand, for the average glass velocity gradient and for the temperature in the last 5 sections mentioned, the dissolution time of the vitrifiable materials is 2.31 hours, that is, the average residence time is 2.7 times longer than the dissolution time.
  • the heating zone has dimensions of 6 meters long, 10 meters wide and a glass depth of 0.2 meters at the beginning and 0.3 meters at the end; in this area the glass passes from 1252 ° C to 1520 ° C, with a energy supply of 4200 kw. and an average transmission of energy from the flames and the glass vault of 70 kw / m 2 .
  • the tuning area has dimensions of 20 meters long, 8 meters wide and 0.8 meters deep, with a temperature of 1520 ° C and an average time of stay of the glass of 6.6 hours.
  • the conditioning zone has dimensions of 14 meters long, 8 meters wide and 0.5 meters deep, the glass passing from the tuning temperature to a temperature close to 1 180 ° C.
  • the glass is directed, by means of an exit channel 3 meters wide and 0.3 meters deep, towards a float forming equipment on a molten tin bath, not shown in the figures, to be become a flat sheet.
  • the average temperature of the vaults of the different vessels is 1289 ° C in the melting zone, 1446 ° C in the heating zone and 1530 ° C in the refining zone.
  • the average time of stay of the glass in the entire installation is 23.2 hours, distributed as follows: 12.9 hours in the fusion vessel; 0.6 hours in the heating zone; 6.6 hours in the tuning vessel; and 3, 1 hours in the conditioning zone.
  • the maximum temperature of the glass in the melting vessel is 1252 ° C, which is 270 ° C less than the maximum temperature of the glass in an oven according to the current state of the art.
  • a corresponding decrease in the temperatures of the vault and of the flames of the glass occurs at a decrease in the temperatures of 270 ° C combustion, with a notable reduction in the formation and emission of NOx gases with respect to the fusion with the state of the art. This reduction in thermal NOx formation is independent of the type of fuel used and whether or not the oxidation is used.
  • Table 1 shows the values of NOx gas formation in the melting vessel (31), particularly in the area (43) for the introduction of vitrifiable materials, when GAS is used as fuel, for traditional fusion according to the current state of the art, and for the present Example 2 of the invention; and in Table 2, when FUEL is used as fuel.
  • Table 1 shows the values of NOx gas formation in the melting vessel (31), particularly in the area (43) for the introduction of vitrifiable materials, when GAS is used as fuel, for traditional fusion according to the current state of the art, and for the present Example 2 of the invention; and in Table 2, when FUEL is used as fuel.
  • 34 times less NOx gases are generated than in traditional fusion when natural gas / air is used, and 263 times less NOx gases, than in traditional fusion when fuel / air is used.
  • the difference with Example 1 lies in the lower rate of introduction of the vitrifiable materials and in the lower temperature of the glass at the start of the melting vessel; these facts imply lower temperatures in the vault and in the combustion flames

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Abstract

La invención se refiere a un procedimiento y a su instalación correspondiente para la fusión de vidrio a baja temperatura que comprende las siguientes etapas: a) fusión y disolución de materias vitrificables (38), con una tasa de fusión mayor de 3 toneladas al día por metro cuadrado, en un recipiente (31) con bajas temperaturas del vidrio y de las llamas decombustión que implican una generación de gases menor de 0,5 kilogramos de NOX por tonelada de vidrio, y bajo un gradiente de velocidad producido por la convección forzada generada por unos dispositivos impulsores de vidrio (40) caracterizados por trabajar con un número de Reynolds menor de 46, y preferiblemente menor de 24, situados en unos recintos de impulsión (42); b) afinado (33) del vidrio fundido; c) acondicionamiento térmico (34); y d) conformado para obtener un artículo final de vidrio plano, envases, moldeados, o de fibra de vidrio.

Description

PROCEDIMIENTO E INSTALACIÓN PARA LA FUSIÓN DE VIDRIO A
BAJA TEMPERATURA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se encuadra dentro de la industria del vidrio y tiene aplicación en el vidrio plano para construcción, pantallas TFT-LCD, automóvil, y colectores solares; en el vidrio para envases y moldeados; y en el vidrio para fibras. ESTADO DE LA TECNICA ANTERIOR
En la actualidad, el proceso de fabricación del vidrio consta de las siguientes etapas: fusión de las materias vitrificables, afinado del vidrio fundido, acondicionamiento de la temperatura y homogeneización química del vidrio fundido, y conformación en el artículo final.
Los hornos y procesos actuales de elaboración de vidrio son el resultado de una evolución continua en la que las características técnicas de los mismos se han adaptado a los productos que demanda el mercado. A modo de ejemplo particular de la fusión tradicional, en la FIGURA 1 se muestra el diseño de un horno actual para la fabricación de un vidrio silico-sodo-cálcico para un caudal másico comprendido entre 600 y 1000 toneladas por día, [L. McCloskey y D. Burgoon, de TECO: "Optimising the glass manufacturing process", Glass International March/Aprü 2006\; este horno consta de dos recipientes principales, uno para la fusión y afinado, y otro para el acondicionamiento térmico.
En el recipiente para la fusión y el afinado ( 1 1 ) , se incorporan en la zona de entrada las materias vitrificables ( 12) por medio de una máquina de introducción ( 13), y la energía térmica se aporta de una forma controlada por medio de quemadores ( 14) . En el sentido longitudinal del horno se establece una "zona caliente" ( 15) de mayor temperatura, TITITRADICIONAL, de la que parten dos grandes bucles de convección: a) el bucle anterior o de fusión ( 16) , en el que la corriente de vidrio se dirige en superficie desde la zona caliente hacia la zona de entrada de la composición, pasando por debajo de las materias vitrificables que se están incorporando, a las que contribuye a fundir, y retorna por el fondo del recipiente en el sentido inverso, desde la zona de entrada hacia la zona caliente; y b) el bucle posterior o bucle de afinado ( 17) , en el que el vidrio se dirige en superficie desde la zona caliente hacia la salida del recipiente de fusión y retorna por el fondo; en esta zona se produce la mayor parte del afinado del vidrio fundido, proceso que consiste en la eliminación de las burbujas residuales originadas en la fusión.
Para ayudar a fijar la posición de la zona caliente y reforzar la convección del bucle de fusión, suelen utilizarse medios adicionales como borboteadores, electrodos, y un muro de separación. En la zona de entrada de las materias vitrificables se forma una capa de composición ( 18) que flota sobre el vidrio fundido, quedando parte de ella por encima del nivel del vidrio ( 19) y parte por debajo. La fusión se produce simultáneamente en ambas superficies, superior e inferior: en la cara superior (20), por medio de la convección de las llamas y de la radiación de las llamas y la bóveda (21), y en la cara inferior (22) por la radiación y convección del vidrio fundido. La convección del vidrio por debajo de la capa de composición provoca la formación de las primeras fases líquidas del vidrio y arrastra con ella infundidos (23) o granos sólidos de las materias vitrificables. Las paredes (24) del recipiente de fusión también generan corrientes de convección que se mezclan con las de los bucles longitudinales. La longitud y la superficie que alcanza la capa de composición que flota sobre el vidrio fundido están determinadas por la cantidad de calor absorbida, el caudal másico del horno y la retención causada por el bucle de convección (16) en la zona de fusión. La velocidad que adquiere cada partícula de vidrio depende de la geometría del recinto y de los parámetros físicos del vidrio fundido, como la viscosidad, el coeficiente de dilatación y el coeficiente de transmisión de calor, que provocan en la masa de vidrio fuerzas de empuje ascensional y de viscosidad.
En el segundo recipiente (25), que está separado del recipiente de fusión por medio de un canal estrecho que limita la convección natural del vidrio, se realiza el acondicionamiento térmico del vidrio fundido, ajustando su viscosidad antes de pasar a través de un canal de salida (26) hacia un sistema de conformación que transformará el vidrio fundido en un artículo final.
Algunos de los estudios realizados para intentar mejorar la fusión tradicional tienen como punto de partida la idea de que el uso de un único recipiente para efectuar la fusión y el afinado del vidrio exige utilizar las mismas temperaturas para llevar a cabo la fusión y el afinado del vidrio fundido; sin embargo, ambas etapas podrían realizarse en unas condiciones mejores si las dos operaciones se desarrollasen en dos compartimentos diferentes. Los inconvenientes de la fusión tradicional mencionados explican el hecho de que hayan sido numerosos los estudios y trabajos realizados para intentar remediar los defectos señalados.
En la década de 1970, Owens Illinois mediante el proceso RAMAR [Emilio
D. Spinosa; Owens-Illinois Inc. American Ceramic Society Bulletin, Vol. 83, N°. 7 ; July 2004], estudió y ensayó un procedimiento de elaboración de vidrio que utilizaba un primer módulo de fusión eléctrica con un agitador de alta velocidad, una temperatura de 1340 °C y un caudal másico de 12 toneladas por día; este módulo, tipo reactor perfecto, dejaba una pequeña cantidad de sílice no disuelta, cuya disolución se completaba en un segundo módulo que producía un fuerte cizallamiento sobre el vidrio fundido.
Posteriormente al procedimiento RAMAR, se han propuesto [GMIC, "Glass Melting Technology: A Technical and Economic Assessment"; Glass Manufactuñng Industry Council, October 2004] otros nuevos procesos estudiados para la fusión del vidrio, como el FARE de Saint Gobain que utiliza un módulo de fusión eléctrica agitada, y el PPG- 10, de PPG, que utiliza un primer módulo de fusión y un segundo módulo de disolución. Estos y otros procesos innovadores no han sido desarrollados en la actualidad (GMIC, página 84), debido a los materiales de construcción necesarios, la extrapolación a mayores caudales másicos y la fiabilidad. También se expresa (GMIC, páginas 96 y 97) que "el proceso de fusión de vidrio está maduro para cambios drásticos", y se proponen las direcciones más prometedoras para explorar a largo plazo. Asimismo (GMIC, página 185), señala que la fusión tradicional ha resuelto el problema de la disolución de las materias vitrificables más refractarias aplicando largos tiempos de residencia y altas temperaturas, y que, al encontrarse los materiales refractarios en sus límites respecto a las temperaturas de funcionamiento y los caudales másicos demandados, las fuerzas de cizallamiento pueden ser incrementadas mecánicamente por diversos medios, como el calentamiento por microondas o plasma, el uso de borboteadotes, agitadores de alta velocidad, y quemadores sumergidos en el vidrio fundido.
L. Némec, [ "Engineeñng and chemistry of the glass-melting process", Puré and Applied Chemistry, Vol. 74, 21 19-2129] señala que, para un vidrio silico- sodo-cálcico, la aplicación de una agitación en el vidrio mediante borboteo acelera la disolución de la sílice y al mismo tiempo mejora la homogeneización química del vidrio, y puede aumentar la tasa de fusión por unidad de superficie y disminuir el consumo específico de energía durante las etapas de fusión y de afinado. También señala [ "Analysis and modelling of glass melting", XVI Congreso Internacional del Vidrio, Madrid, Volumen 1, página 146] que la aplicación de una convección controlada está dificultada por: a) cómo lograr una convección intensiva y ordenada; b) cómo asegurar una buena dispersión de las materias vitrificables y con un tiempo de residencia suficiente; y c) cómo conservar el efecto beneficioso de la fusión de álcalis en las primeras fases.
Puesto que la calidad de un artículo de vidrio viene determinada por la peor calidad de uno cualquiera de sus elementos, en los procesos actuales de fusión y afinado del vidrio las trayectorias en el horno con el mínimo tiempo de residencia y/ o con las temperaturas más bajas son decisivas para la obtención de la calidad deseada. En los hornos actuales, la relación entre el tiempo mínimo y el tiempo medio de residencia es del orden de uno a seis [R.Beerkens, TNO TPD Gtoss Group, "Modular Melting: Industrial Glassmelting Process Analysis", American Ceramic Society Bulletin, Vol. 83, No. 4]. Para responder a los problemas de la fusión tradicional, R. Beerkens sugiere dividir el proceso de fusión en cuatro etapas o módulos funcionales: 1) fusión de las materias vitrificables; 2) disolución de las partículas de sílice; 3) afinado, primario y secundario; y 4) acondicionamiento y homogeneización química. Sobre los posibles nuevos métodos de fusión de vidrio, indica que los nuevos diseños deberían minimizar los grandes bucles de recirculación para reducir el tiempo medio de estancia [ "Modular Melting: Industrial Glassmelting Process Requirements", American Ceramic Society Bulletin, Vol. 83, No. 7], y expone que el principal problema a resolver es el de calentar eficazmente la capa de composición hasta la temperatura de fusión sin que se requiera una gran superficie y sin que se produzca una intensa corriente de vidrio fundido procedente de la "zona caliente" del horno, como ocurre en la fusión tradicional.
El flujo de vidrio está formado por tres componentes diferentes: a) un componente debido a la extracción o caudal másico de vidrio, b) un componente correspondiente a la convección natural causada por los gradientes de temperatura y densidad del vidrio fundido, y c) un componente causado al utilizar borboteadores y/o "stirrers". La agitación por borboteo parece ser el método factible más eficiente para acelerar el proceso de fusión, [J. Hlavác: "The Technology of Glass and Ceramics", Elsevier S. P. C, página 1 16\. STEIN HEURTEY propone en su patente (FR 2787784 Al) el uso de unos empuj adores mecánicos dentro de la zona de fusión de un horno tradicional de cuba única para crear corrientes perpendiculares al eje del horno y alargar el tiempo de permanencia del vidrio fundido en el horno.
BOC propone en su patente (WO 02/090271 Al) la fusión con una fuerte convección utilizando quemadores en la bóveda y borboteadores.
GLAVERBEL, (EP 1069080 Al), propone el uso de un horno tradicional de fusión comunicado con una zona de acondicionamiento mediante una zona intermedia con una geometría especial, en la que se utilizan unos agitadores o "stirrers".
GLASSTECH, INC. (WO 92/ 15532), propone un horno de vitrificación de materias para bajos caudales másicos, con aporte de energía mediante electrodos y provisto de diversos agitadores giratorios como los utilizados, a menor temperatura, en otras industrias.
Algunos fabricantes de artículos de vidrio que requieren una gran calidad óptica (Central Glass: JP 2005067960, JP 20051 19914, JP 2001072426; y Corning: WO 2006/026787 A2), utilizan unos "stirrers" sin refrigeración interior para la homogeneización del vidrio ya fundido y afinado, y para caudales másicos pequeños.
SORG GMBH, (EP 1780180 Al), muestra el uso de agitadores de palas en un canal para la homogenización del vidrio ya fundido y afinado.
PLANSEE, (EP 1 151969 A2), propone el uso de un agitador de palas hecho de molibdeno y con platino en la interfase vidrio-atmósfera, sin utilizar refrigeración interior.
J. L. Barton [ "Innovation in Glass Melting", XVI Congreso Internacional del
Vidrio, Madrid, Volumen 1, páginas 165 a 184], describe diversos métodos propuestos para obtener una rápida transferencia de calor hacia las materias vitrificables, citando el uso de agitadores y quemadores sumergidos dentro de la masa de vidrio fundido y señalando como una "obvia ventaja" el hecho de que la tasa de fusión sea proporcional al volumen del recinto en lugar de a la superficie.
Por ello, en el campo de la fusión del vidrio continúa existiendo la necesidad y/o la posibilidad de mejorar los métodos actuales de la fusión con la finalidad de: a) mejorar la homogeneidad química del vidrio y su calidad; b) reducir la emisión de gases no deseados, como los NOx; c) reducir el coste de las instalaciones y el coste de producción; y d) optimizar la tasa específica de fusión. Estos objetivos se alcanzan utilizando el procedimiento y la instalación de elaboración de vidrio propuesto por la presente invención. DESCRIPCION DE LA INVENCION
Problema técnico planteado
El procedimiento reivindicado en la presente invención y el diseño de la instalación de fabricación correspondiente resuelven o reducen los inconvenientes de los actuales hornos y procedimientos utilizados para la fusión de vidrio, entre estos inconvenientes se encuentran:
a) Las altas temperaturas del vidrio y del refractario en la zona caliente de la fusión, que son necesarias para que la corriente del bucle anterior de convección de vidrio transporte la energía térmica suficiente para la fusión de la cara inferior de la capa de composición que flota sobre el vidrio fundido. Las materias vitrificables flotan sobre el vidrio ya fundido, absorben la energía radiada desde las llamas y provocan el enfriamiento de la cara inferior de la capa de composición, cuya fusión depende de la corriente del bucle anterior de convección de vidrio. En la convección natural que corresponde a la fusión tradicional, el campo de la velocidad y el campo de la temperatura están acoplados mutuamente entre sí, es decir, la distribución de la temperatura depende de la distribución de la velocidad y viceversa; por ello, si la temperatura no es lo bastante elevada en la zona caliente, no se genera la convección del vidrio por debajo de la capa de composición, y por consiguiente no se alcanza la temperatura suficiente en la zona de introducción de las materias vitrificables que es la zona de menor temperatura en la fusión tradicional.
b) La fusión de la cara superior de la capa de composición que flota sobre el vidrio fundido es heterogénea, ya que primero funden los álcalis, produciendo un vidrio de baja viscosidad denominado "vidrio ligero" que puede fluir hacia delante por encima del vidrio fundido.
c) La disolución de la cara inferior de la capa de composición que flota sobre el vidrio fundido es lenta a causa de la baja temperatura y de la alta viscosidad del vidrio en esta zona. La energía térmica procede principalmente de la convección natural del vidrio fundido, y tiene lugar un arrastre de partículas de composición, infundidos, por las corrientes de vidrio; estos infundidos son transportados hacia otras partes de la cuba de fusión. La disolución de los sólidos residuales de las materias vitrificables [J. Hlavác: "The technology of glass and ceramics", Elsevier S.P.C. página 104] ocupa la mayor parte del tiempo de fusión del vidrio ya que el gradiente de concentración de las últimas substancias refractarias que se disuelven como el S1O2, AI2O3, y rÜ2, es pequeño en esta última etapa de la disolución.
d) La etapa de afinado del vidrio fundido no puede comenzar hasta que no se han disuelto completamente todas las partículas sólidas de las materias vitrificables.
e) Una vez fundidas y disueltas las materias vitrificables, el resultado es una masa heterogénea de vidrio fundido que debe ser homogeneizada antes de ser conformada en un artículo final con una calidad industrialmente válida; las corrientes de convección natural por una parte homogeneizan el vidrio fundido, pero por otra parte ponen en contacto vidrios con historias térmicas diferentes afectando a la homogeneidad química conjunta del vidrio, que puede ser cuantificada a través de la variación del índice de refracción en los estratos del vidrio final.
j La estructura y el comportamiento de las corrientes naturales de vidrio en el horno de fusión tradicional ocasionan una diferencia muy grande entre el tiempo medio de permanencia en el horno y el tiempo mínimo correspondiente a la vena fluida más rápida; en los hornos de vidrio plano flotado, esta relación es del orden de seis a uno.
g) La actuación de los agentes de afinado no es óptima, a causa de la distinta temperatura a la que son fundidas las diferentes partículas de la mezcla vitrificable. Uno de los agentes de afinado más utilizados para vidrio silico-sodo- cálcico es el sulfato sódico, que comienza a reaccionar en torno a los 1200 °C y tiene su disociación más importante entre los 1300 y los 1350 °C; en los hornos actuales una parte del vidrio alcanza esta temperatura en el primer bucle de convección, antes de que se hayan disuelto todos los infundidos, restando eficacia a los agentes de afinado.
h) Los hornos actuales requieren grandes superficies de fusión y un consumo de energía muy superior al consumo teórico, ya que las corrientes de convección de ida y de retorno en la cuba de fusión provocan que una parte del vidrio sea enfriada y calentada varias veces consecutivas, suponiendo un consumo innecesario de energía. i) La fusión tradicional requiere que las llamas de combustión en el horno de fusión tengan altas temperaturas; este hecho conlleva una alta emisión de gases procedentes de las reacciones de combustión y una elevada contaminación ambiental de gases como los ΝΟχ.
Breve descripción de las FIGURAS
Para complementar la descripción de la presente invención, y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, se acompañan una serie de FIGURAS donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
FIGURA 1.- Representa el estado actual de la técnica, con una vista en planta y una sección longitudinal de un horno tradicional de fusión de vidrio silico-sodo-cálcico; en la parte inferior, una sección de perfil muestra la zona de introducción de las materias vitrificables.
FIGURA 2.- Vista en perspectiva, según la presente invención, de un horno para la elaboración de un vidrio silico-sodo-cálcico con un caudal másico de 1000 toneladas por día.
FIGURA 3.- Vista en corte transversal de un horno diseñado según la presente invención, mostrando la sección transversal de un recipiente de fusión con un recinto de impulsión adosado y con un dispositivo de impulsión de vidrio.
FIGURA 4.- Vista en planta de un recinto de impulsión adosado al recipiente de fusión, con un dispositivo de impulsión de vidrio y con las trayectorias que produce en el vidrio.
FIGURA 5.- Vistas en perfil y en planta de un dispositivo de impulsión de vidrio de tipo hélice con álabes o palas, con la expresión de su correspondiente número de Reynolds.
FIGURA 6.- Ejemplo de un dispositivo de impulsión de vidrio con un brazo y una barra de impulsión, y sección ampliada de la barra de impulsión en movimiento dentro del vidrio fundido, señalando su correspondiente número de Reynolds.
FIGURA 7.- Diversas formas de dispositivos de impulsión de vidrio con brazos y barras de impulsión.
FIGURA 8.- Diversas formas de la sección trasversal de una barra de impulsión. FIGURA 9.- Dos diferentes situaciones de los dispositivos de impulsión respecto al recipiente de fusión: situados directamente en el recipiente de fusión, o insertados en recintos adosados al recipiente de fusión.
FIGURA 10.- Dos posibles formas de conexión entre los recipientes de fusión y de afinado, una con un vertedero directo y otra con una zona de calentamiento .
FIGURA 1 1.- Ejemplo 1 , gráficas. Vista en planta del recipiente de fusión y gráficas que muestran algunos parámetros correspondientes al Ejemplo 1 de la presente invención para un caudal másico de 700 toneladas por día.
FIGURA 12.- Ejemplo 2, gráficas. Vista en planta del recipiente de fusión y gráficos que muestran algunos parámetros correspondientes al Ejemplo 2 de la presente invención para un caudal másico de 1 100 toneladas por día.
NUMERACIÓN UTILIZADA EN LAS FIGURAS: 31 recipiente de fusión, 32 zona de calentamiento, 33 recipiente de afinado, 34 zona de acondicionamiento, 35 canal de salida, 36 bóveda de la zona de fusión, 37 quemadores, 38 materias vitrificables, 39 máquinas de introducción de materias vitrificables, 40 dispositivo de impulsión de vidrio, 42 recinto de impulsión, 43 zona de fusión con introducción de materias vitrificables, 44 zona de fusión sin introducción de materias vitrificables, 45 vertedero entre las zonas de fusión y de afinado, 46 dispositivos de impulsión instalados directamente en la zona de fusión, 47 dispositivos de impulsión instalados en recintos adosados, 48 eje de rotación de dispositivo de impulsión, 49 brazo de dispositivo de impulsión, 50 barra de dispositivo de impulsión, 51 trayectorias del vidrio, 52 posición aguas abajo, 53 posición aguas arriba, 54 zona inferior y fondo del recipiente de fusión, 55 fuerza centrífuga en el vidrio, 56 dirección desde aguas abajo hacia aguas arriba, 57 dirección desde aguas arriba hacia aguas abajo, 58 nivel del vidrio, 59 diámetro hidráulico, 60 velocidad de desplazamiento, 61 fuerzas de inercia, 62 fuerzas de viscosidad, 63 configuración con recipiente de calentamiento entre las zonas de fusión y afinado, 64 configuración con vertedero entre las zonas de fusión y afinado. Para los Ejemplos 1 y 2: 183 y 283 tasa de introducción de materias primas en toneladas por día y por metro cuadrado; 184 y 284 radiación hacia el vidrio en kilowatios por metro cuadrado; 185 y 285 temperatura de bóveda en grados centígrados; 186 y 286 temperatura de vidrio en grados centígrados; 187 y 287 porcentaje de vidrio disuelto a lo largo del recipiente de fusión; 188 y 288 gradiente de velocidad a lo largo del recipiente de fusión.
Debe apreciarse que la forma y situación de los dispositivos y recintos de impulsión de vidrio es un ejemplo, y que, de acuerdo con la presente invención, pueden utilizarse otras geometrías para los dispositivos de impulsión de vidrio además de las mostradas en las figuras: tipo de impulsor, número y disposición de los brazos de cada impulsor, número y radio de giro de las barras de cada brazo del impulsor, geometría de cada barra del impulsor. Para explicar el alcance y las características de la invención, se aportan los siguientes ejemplos, que no pretenden ser limitativos de la invención y que son incluidos a título explicativo de la misma:
Ejemplo 1.- 700 toneladas por día (3,4 t/d · m2); Temperatura de fusión entre 1 181 y 12 18 °C.
Ejemplo 2.- 1 100 toneladas por día (3,5 t/d · m2); Temperatura de fusión entre 1 149 y 1252 °C.
Explicación de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento para la elaboración de vidrio que utiliza varios recipientes claramente diferenciados, ver FIGURA 2, para realizar cada una de las siguientes etapas: a) fusión y completa disolución de las materias vitrificables, en un recipiente de fusión (31), hasta obtener un vidrio fundido; b) afinado del vidrio fundido en un recipiente de afinado (33); c) acondicionamiento térmico del vidrio (34); y d) conformado del vidrio fundido en artículos diversos.
En el recipiente de fusión, ver DIAGRAMA 1 , la presente invención utiliza una convección forzada para realizar simultáneamente, en el mismo lugar y al mismo tiempo, la fusión y la disolución de las materias vitrificables hasta quedar convertidas en un vidrio fundido; el gradiente de velocidad producido por la convección forzada dentro de la masa de vidrio líquido fundido acelera la disolución de las materias vitrificables y permite mantener unas temperaturas bajas durante la etapa de fusión. La convección forzada se realiza por medio de unos dispositivos impulsores de vidrio cuyo funcionamiento está definido por su geometría y por el número de Reynolds correspondiente a su movimiento dentro del vidrio fundido. La mayor parte de la energía térmica necesaria para mantener la temperatura en el recipiente de fusión se obtiene mediante la combustión de fuel y/o gas, utilizando quemadores situados en la cámara de combustión del recipiente de fusión; la energía es suministrada en su mayor parte por medio de la radiación de las llamas de la combustión y de la radiación de la bóveda hacia el vidrio fundido.
Una vez finalizada la fusión y disolución de las materias vitrificables en el recipiente de fusión, el vidrio fundido pasa a un recipiente de afinado, bien directamente por medio de un vertedero, o bien a través de un recipiente intermedio denominado zona de calentamiento, con un flujo de vidrio de tipo pistón, para pasar de la temperatura del recipiente de fusión TF a la temperatura del recipiente de afinado TA; en esta zona de calentamiento comienzan a actuar los agentes utilizados para el afinado del vidrio fundido. En el recipiente de afinado se eliminan las inclusiones gaseosas por decantación y por reabsorción; en esta zona no existe convección forzada, y la convección natural es notablemente menor que en la fusión tradicional, ya que las diferencias de temperatura son menores. La siguiente etapa, el acondicionamiento térmico, es similar a la de la fusión tradicional.
Es un objeto o hecho diferencial de la presente invención que las corrientes de convección forzada transportan la energía térmica necesaria para que tengan lugar las reacciones de fusión de las materias vitrificables y distribuyen esta energía térmica hacia la zona en la que es necesaria, ya que la convección forzada tiende a reducir las diferencias de temperatura entre las distintas zonas o puntos del recipiente de fusión. La convección forzada permite aumentar y/o disminuir los gradientes de velocidad sin necesidad de modificar la temperatura de fusión; por ello, esta clase de convección sustituye ventajosamente a las corrientes de convección natural que se producen en los hornos tradicionales.
Para la generación de la convección forzada, la presente invención utiliza unos dispositivos de impulsión de vidrio cuya misión es mezclar y poner en contacto las materias vitrificables con el vidrio ya fundido y transportar la energía térmica desde unas zonas a otras dentro del recipiente de fusión; con la convección forzada utilizada en la presente invención, se produce un gradiente de velocidad entre las fases sólidas y líquidas del vidrio en fusión, aumentando los gradientes de concentración de los infundidos dentro del vidrio fundido y acelerando su disolución.
Es también otra finalidad de la presente invención mejorar la calidad del artículo final de vidrio, ya que: a) no tiene lugar la segregación de parte de las materias vitrificables, como sucede en la fusión tradicional; b) la convección forzada produce un elevado cizallamiento de las partículas de vidrio, aumentando la homogeneidad de la masa de vidrio; y c) se produce una mejor actuación de los agentes de afinado, que reaccionan a una determinada temperatura, ya que el paso del vidrio por esta temperatura está más definido y controlado.
Es también otra finalidad de la presente invención disminuir la emisión de gases indeseados al medio ambiente, como los NOx; el efecto de la temperatura de las llamas de combustión y de la bóveda influye sobre los niveles de concentración de gases NOx. En la presente invención, existe una reducción de la temperatura del vidrio en la zona de introducción y fusión de las materias vitrificables del orden de 250 °C respecto a la fusión tradicional, resultando de ello una gran reducción en la emisión de gases NOx.
Otra finalidad de la presente invención es aumentar la tasa de fusión o caudal másico de vidrio fundido por unidad de superficie del recipiente de fusión; para ello, la convección forzada generada en la zona de fusión favorece y acelera la disolución de los granos de infundidos en la masa de vidrio ya fundido.
Es también una finalidad de la presente invención disminuir los costes de fabricación, como consecuencia de: a) una menor temperatura en los procesos de fusión y disolución de las materias vitrificables, aumentando la eficiencia energética de los combustibles; b) una mayor extracción o caudal másico por unidad de superficie, reduciendo el tamaño del horno; c) unas menores pérdidas térmicas al exterior; y d) una mayor flexibilidad y adaptación a la fabricación de algunos vidrios, como consecuencia de un menor tiempo de residencia en la instalación.
La temperatura y el gradiente de velocidad generado sobre el vidrio fundido, favorecen la disolución de los infundidos de las materias-vitrificables, pero pueden reducir la resistencia mecánica y la vida útil de los dispositivos de impulsión de vidrio, ya que pueden ser desgastados y/o atacados de forma hidráulica y química, al estar trabajando en un medio como el vidrio fundido. Puesto que los dispositivos de impulsión de vidrio constituyen una parte fundamental de la presente invención, su funcionamiento debe ser estable en el tiempo, incluso teniendo en cuenta la temperatura del vidrio fundido y la velocidad exigida para transportar la energía térmica necesaria para la fusión y disolución de las materias vitrificables. Por ello, la presente invención tiene en cuenta las condiciones de funcionamiento de los dispositivos de impulsión, con la finalidad principal de conseguir que su vida útil sea del mismo orden que la de todo el conjunto de fusión.
Los dispositivos de impulsión de vidrio, que actúan como unas bombas de impulsión, pueden estar implantados directamente dentro del recipiente de fusión de vidrio, o estar situados en unos recintos de impulsión, FIGURA 9, adosados al recipiente de fusión y en comunicación hidráulica con el mismo. Los dispositivos de impulsión pueden estar constituidos por materiales sin refrigeración interna con componentes en los que pueden intervenir elementos como el platino y sus homólogos, el molibdeno y sus homólogos, el óxido de cromo, y materiales refractarios. Sin embargo, para la presente invención es preferible la utilización de elementos metálicos refrigerados internamente mediante un líquido refrigerante, preferentemente agua, pudiendo estar formadas las barras de impulsión por acero u otras aleaciones metálicas que contengan hierro, cromo, níquel, cobalto o algún otro metal. Cada dispositivo de impulsión puede tener diversas formas.
Esencialmente, la presente invención se basa en la protección natural de los dispositivos de impulsión de vidrio proporcionada por la capa límite que rodea su periferia; la existencia de esta capa límite protectora depende de la relación entre las fuerzas de inercia y de viscosidad existentes en la periferia de las barras y/o palas de impulsión en su desplazamiento a través del vidrio a una velocidad definida; esta relación entre las fuerzas inerciales y viscosas viene expresada por el número adimensional de Reynolds. Es una finalidad de la invención que en las partes exteriores de los dispositivos de impulsión de vidrio, que tienen una velocidad mayor, la relación entre las fuerzas de inercia y de viscosidad sea menor de un valor determinado, para garantizar que alrededor de los citados dispositivos de impulsión exista una capa límite que los proteja de la corrosión y/o ataque químico por parte del vidrio fundido. Esta protección se consigue mediante la limitación del número de Reynolds, que relaciona la densidad del vidrio, la velocidad del vidrio, el diámetro hidráulico del dispositivo de impulsión y la viscosidad dinámica del vidrio. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La siguiente descripción detallada está realizada a modo de explicación y no de limitación; con ella se proporcionará un conocimiento completo de la invención, y será suficiente para que una persona experta en la técnica de la fusión del vidrio entienda que la presente invención puede ser aplicada en otras incorporaciones industriales, aunque no contemplen los detalles específicos expuestos aquí. Por otra parte, algunas descripciones de los bien conocidos dispositivos, métodos y materiales utilizados, pueden ser omitidas a fin de no extender en exceso la descripción de la presente invención.
Aunque los ejemplos expuestos se refieren a un vidrio silico-sodo-cálcico, del sistema S1O2 - Na CÜ3 - CaCC , que es uno de los más utilizados en la actualidad, el procedimiento de la presente invención es igualmente válido para otras clases de vidrio.
En la presente invención el término de fusión de vidrio se refiere a la etapa o parte del proceso de fabricación del vidrio en la cual unas materias vitrificables son trasformadas en vidrio fundido mediante el aporte de energía térmica. Se considera que la fusión ha finalizado cuando ya se han disuelto todos los componentes sólidos de las citadas materias vitrificables. Después de la etapa de fusión, y en función de la calidad industrial requerida para el artículo final fabricado, es necesario que el vidrio fundido pase por una etapa de afinado para la eliminación de las burbujas resultantes de la anterior etapa de fusión. A la etapa de afinado la sigue la etapa de acondicionamiento, para precisar y adecuar la viscosidad del vidrio antes de pasar a la etapa de conformación, que transformará el vidrio fundido en un artículo final mediante el sistema correspondiente de conformación.
El principio que diferencia la presente invención de la fusión tradicional es la sustitución de la convección natural por la convección forzada generada por unos dispositivos de impulsión de vidrio. La velocidad que adquiere el vidrio fundido en la convección natural depende de la relación entre la fuerza ascensional y la fuerza de viscosidad en el vidrio fundido:
FASCENSIONAL/ FVISCOSIDAD = H2 · p · g · β · ΔΤ / (μ · V) ( 1)
siendo: H, la altura de vidrio; p, la densidad; g, la aceleración de la gravedad; β, el coeficiente de dilatación volumétrico; μ, la viscosidad dinámica; y V, la velocidad. La citada velocidad también depende de la relación entre la transmisión térmica del calor por convección y por radiación+conducción: TTC/TTR = L · p · CP · V / R+C (2)
siendo: TTC, la transmisión térmica por convección; Τ½, la transmisión térmica por radiación+conducción; L, la distancia entre las zonas caliente y fría; Cp, el calor específico; y λρ+c, la conductividad térmica por radiación+conducción. De la (expresión 1) se deduce que, cuanto menor sea el coeficiente de dilatación volumétrico β del vidrio, más apropiado es el procedimiento de la presente invención, que sustituye la convección natural por una convección forzada.
DIAGRAMA 1.- Esquema de funcionamiento de la invención.
Materias Radiación
vitrificables Llamas
Disolución Fusión a Mayor: Calidad de vidrio infundidos baja temperatura
Menor: Emisión de NOx
Gradiente de Homogeneización Menor: Coste
velocidad química Mayor: Tasa de fusión
Dispositivo impulsor N° Reynolds
de vidrio p U D / μ < 46
Capa límite
En el DIAGRAMA 1 se representa el esquema de funcionamiento de la presente invención, en la que a partir de la energía proporcionada por la radiación de las llamas y la bóveda del recipiente de fusión, y con la ayuda de la convección forzada, se produce la fusión y disolución a baja temperatura de las materias vitrificables introducidas en el recipiente de fusión. La convección forzada está generada por unos dispositivos de impulsión de vidrio, diseñados específicamente para esa misión, y cuyo funcionamiento está caracterizado por un número de Reynolds menor de 46, para mantener una capa límite protectora. El número de Reynolds define la velocidad de los dispositivos de impulsión de vidrio, produciendo un gradiente de velocidad que homogeneiza el vidrio fundido y acelera la disolución de los infundidos. De esta forma, se alcanzan los objetivos principales de la invención, que son: a) mejorar la calidad del vidrio; b) disminuir la emisión de gases como los NOx; c) reducir el coste de fabricación del vidrio; y d) aumentar la tasa de fusión.
En la FIGURA 2 se representa el esquema de una instalación para la fabricación de vidrio según la presente invención, y, en particular, la elaboración de un vidrio destinado a ser conformado en una lámina plana continua mediante el proceso de flotado sobre un baño de estaño. Esta instalación puede elaborar un caudal másico de vidrio del orden de 1000 toneladas por día, para el caso de un vidrio silico-sodo-cálcico; en la figura se señalan las principales zonas: de fusión (3 1), de calentamiento (32), de afinado (33), de acondicionamiento (34), y un canal de salida (35). El recipiente de fusión (31) consta de una solera, unas paredes laterales inferiores para contener el vidrio fundido y unas paredes laterales superiores que soportan la bóveda (36). La energía se suministra por medio de unos quemadores (37) situados en las paredes laterales y/o en la bóveda. La incorporación de las materias vitrificables (38) se realiza mediante una o varias máquinas de introducción (39). En el dibujo se han incluido varios dispositivos de impulsión de vidrio (40), en este caso, situados dentro de unos recintos de impulsión (42) que están adosados al recipiente de fusión (3 1). También se ha señalado la zona (43) de introducción de materias vitrificables, y la zona (44) en la que ya no se produce la entrada de materias vitrificables en el recipiente de fusión (31).
La temperatura media del vidrio, en la zona de introducción de materias vitrificables (43), perteneciente al procedimiento de la presente invención, Tmi VENcióN, es notablemente inferior a la temperatura, TITITRADICIONAL, en la zona caliente de un horno tradicional de fusión para la misma clase de vidrio.
Una vez finalizada la fusión, el vidrio fundido debe ser afinado en otro recipiente (33), al cual pasa mediante un vertedero (45), FIGURA 10, (64), con paso directo entre los recipientes de fusión y de afinado, o preferiblemente mediante un recipiente intermedio (32) de calentamiento (63); desde el recipiente de afinado (33), el vidrio pasa por un canal sin retorno hasta la zona de acondicionamiento (34), y luego a un canal de salida (35) que comunica el recipiente de acondicionamiento con el correspondiente dispositivo de conformación, en este caso un baño de estaño fundido, no mostrado aquí.
La temperatura de fusión y disolución del procedimiento de la presente invención, es superior a la temperatura de formación de una fase líquida obtenida como reacción de parte de las materias vitrificables; en un ejemplo de aplicación para un vidrio silico-sodo-cálcico, al elevar la temperatura, las materias vitrificables se van convirtiendo en vidrio, mostrando tres fases bien diferenciadas [R.Conrad, "Thermodynamics of glass melts and thermo-chemistry of glass forming batches", International Kreidl Symposium, Trecin 2004]: hasta unos 840 °C, las materias vitrificables permanecen esencialmente en estado sólido; luego comienza la fusión de sus componentes hasta los 1 100 °C; a esta temperatura, el conjunto es esencialmente un fluido con grandes cantidades de inclusiones sólidas y gaseosas; por último, cerca de los 1200 °C ya han finalizado los cambios químicos, y la disolución de la sílice residual es una cuestión de tiempo y gradiente de velocidad; una vez convertidas las materias vitrificables en vidrio fundido, solamente quedan en éste pequeñas burbujas que se eliminarán en la zona de afinado.
La energía necesaria para la fusión del vidrio es suministrada mediante varios quemadores (37) de combustión, FIGURA 3, instalados en las paredes laterales y/ o en la bóveda del recipiente de fusión.
Las materias vitrificables (38), FIGURA 2, son incorporadas en la zona (43) situada aguas arriba del recipiente de fusión (31) por medio de una o varias máquinas de introducción (39); las citadas materias vitrificables (38) son distribuidas de una forma predeterminada, con una tasa constante, FIGURA 12 (283), o con una tasa variable, FIGURA 1 1 (183). La superficie de la zona (43) de introducción de materias es suficientemente extensa como para permitir: a) que los quemadores puedan introducir toda la energía necesaria, ( 184 y 284) para la fusión y b) que su incorporación a las corrientes de convección del vidrio, se realice siempre sobre una fase líquida. En los Ejemplos 1 y 2, esta zona (43) ocupa el 50% de la superficie total del recipiente de fusión (31).
Para que tengan lugar las reacciones de fusión de las materias vitrificables y la elevación de la temperatura del vidrio fundido hasta la temperatura de fusión, se necesita una determinada cantidad de calor, que, para un tipo de vidrio silico-sodo-cálcico, es de 2220 kJ/kg para la fusión del vidrio a la temperatura de 1200 °C. [C. Kroger, Glastesch. Ber. 26, 202; referencia de "Glass Furnaces", página 80]. La energía útil requerida para la fusión del vidrio fundido que se debe aportar desde las llamas de combustión y desde la bóveda de la zona de fusión es conocida [W. Trier; "Glass Furnaces, Design Construction and Operation", Society of Glass Technology, páginal 89] y [R. Beerkens, y A. Lankhorst, TNO : "Combustión & Fuelsfor Glass Furnaces"].
A la energía necesaria para la fusión del vidrio hay que añadir la energía correspondiente a las pérdidas térmicas que se producen a través de las paredes laterales y de la solera del recipiente de fusión, así como las pérdidas térmicas singulares, principalmente debidas a la refrigeración de los dispositivos de impulsión de vidrio; con estos parámetros pueden establecerse las relaciones generales para el recipiente de fusión:
Qv = KF + KE · Tv (3)
Figure imgf000020_0001
siendo: Qv, el calor necesario para la fusión del vidrio y elevar la temperatura del vidrio hasta Tv; KF, el calor de fusión del vidrio; KE, la entalpia del vidrio y de los gases hasta la temperatura Tv; Tv, la temperatura del vidrio; SF, la superficie de introducción de materias primas en el recipiente de fusión; QR, la energía por unidad de superficie radiada hacia el vidrio por las llamas de combustión y por la bóveda; CM, el caudal másico de vidrio; y Qp, la suma de las pérdidas exteriores por los refractarios laterales y de suela, y las pérdidas singulares. La energía radiada por unidad de superficie, QR, depende de las temperaturas de llamas, bóveda, y vidrio.
El vidrio fundido se comporta como un fluido newtoniano, y su viscosidad puede relacionarse con la temperatura por medio de la ecuación de Fulcher, con los coeficientes A, B y To:
Logio (μ poise) = A + B/ (TV - T0) (5)
siendo: Tv la temperatura del vidrio en grados centígrados.
Desde el momento de su incorporación al recipiente de fusión, las materias vitrificables (38) son arrastradas por las corrientes del sistema de convección forzada e introducidas dentro de la masa de vidrio fundido.
La materias vitrificables comienzan a fundirse, necesitando para ello una determinada cantidad de energía radiante ( 184 y 284) distribuida a lo largo del recipiente de fusión, y resultante de la distribución de las temperaturas de la bóveda (185 y 285) y del vidrio (186 y 286) en el sentido longitudinal del horno, así como de la forma predeterminada de introducción ( 183 y 283) de las materias vitrificables en la zona (43) del recipiente de fusión, ver FIGURAS 1 1 y 12. Una vez finalizada la introducción de las materias vitrificables en la zona (43) aguas arriba del recipiente de fusión (31), el vidrio fundido continúa su trayectoria en la convección forzada de la zona (44), aguas abajo del recipiente de fusión, zona en la cual ya no se produce la introducción de nuevas materias vitrificables, y en la que finaliza la disolución de las partículas sólidas de las citadas materias.
Para subsanar uno de los inconvenientes de la fusión tradicional, consistente en el hecho de que la energía necesaria para la fusión no puede ser suministrada en su totalidad en la misma zona en la que son introducidas las materias vitrificables (38), la presente invención utiliza una convección forzada que transmite la energía térmica de una parte a otra, tanto en planos horizontales como en el sentido vertical del recipiente de fusión. Esta convección forzada está generada por unos dispositivos de impulsión de vidrio (40) que pueden estar situados en diversas posiciones con relación al recipiente de fusión, FIGURA 9: a) situados (46) dentro del perímetro del recipiente de fusión, pudiéndose utilizar una bóveda suspendida y quemadores en las paredes laterales y/o en la bóveda; y b) situados, preferiblemente, (47) en recintos adosados (42) a las paredes laterales del recipiente de fusión y en comunicación hidráulica con el mismo.
La convección forzada que utiliza la presente invención para la fusión de las materias vitrificables está generada por uno o por varios dispositivos de impulsión de vidrio, que forman también parte y objeto de la invención; el objeto principal de los dispositivos de impulsión es el de propulsar o impulsar el vidrio para transportar y distribuir la energía necesaria para la fusión. En la fusión tradicional se utilizan algunas veces unos mecanismos denominados agitadores o "stirrers", fuera de la zona de introducción de las materias vitrificables en el horno de fusión, siendo uno de los diseños más antiguos el de un cilindro que gira alrededor de un eje vertical y se desplaza entre la masa de vidrio fundido [W. Tri r, "Glass Furnaces, Design Construction and Operation", Society of Glass Technology, página 1 76\. En la fusión tradicional, los agitadores o "stirrers" tienen como finalidad la homogeneización química de un vidrio ya fundido y disuelto, mientras que en la presente invención los dispositivos de impulsión tienen como finalidad principal acelerar la fusión y la disolución de las materias vitrificables, al mismo tiempo que producen un cizallamiento sobre el vidrio fundido, obteniendo como resultado una mejor calidad del artículo final de vidrio.
Aunque los dispositivos de impulsión de vidrio (40) pueden implantarse directamente en el recipiente de fusión, FIGURA 9 (46) , preferiblemente se sitúan dentro de unos recintos de impulsión (42), FIGURA 9 (47) . En las FIGURAS 3 y 4, se expone un ejemplo de la posición de los recintos de impulsión (42) respecto al recipiente de fusión (3 1 ) y un ejemplo de diseño para un dispositivo de impulsión de vidrio. Las paredes laterales del recinto de impulsión (42) se asemejan en su función a la envolvente en una bomba de impulsión, donde la parte móvil está formada por los dispositivos de impulsión de vidrio (40) ; cada dispositivo gira alrededor de un eje de rotación (48) a una velocidad angular ω; del eje de rotación parten uno o varios brazos (49) de impulsión en posición esencialmente horizontal, y de cada uno de los brazos de impulsión parten una o varias barras de impulsión (50) en posición aparentemente vertical. El movimiento de rotación del dispositivo de impulsión (40) produce el desplazamiento de las barras de impulsión (50) dentro del vidrio fundido, obligándolo a pasar desde una posición aguas abajo (52) del recipiente de fusión a describir unas trayectorias (51 ) envolventes dentro del recinto de impulsión, y a pasar otra vez al recipiente de fusión en una posición aguas arriba (53). La entrada del vidrio tiene las componentes axial y radial, desde la zona interior y desde el fondo (54) del recipiente de fusión. El dispositivo de impulsión aumenta la velocidad del vidrio por la acción de la fuerza centrífuga (55) provocada por el movimiento del impulsor de vidrio dentro del recinto.
En el esquema de la FIGURA 4, el recinto de impulsión (42) presenta unos ángulos "de entrada ΘΕ" (52) y "de salida 6s" (53), cuyo valor se define en función del resto de los parámetros de la fusión, como el caudal másico, la geometría, y las necesidades de transporte de energía térmica. La convección forzada de vidrio fundido tiene componentes en todas las direcciones, entre ellas, en la dirección (56) desde aguas abajo hacia aguas arriba y contraria a la dirección (57) del caudal másico del vidrio.
La energía transportada por la convección forzada puede expresarse de la forma:
Qx = Mx · CP · ΔΤΧ (6)
siendo: Qx, la energía transportada por la convección forzada; Μχ, el caudal másico de la corriente de convección forzada en la dirección longitudinal, en el sentido desde aguas abajo hacia aguas arriba del recipiente de fusión; y ΔΤχ, el gradiente de temperatura en la dirección longitudinal del recipiente de fusión.
En los Ejemplos 1 y 2, se exponen unos valores del gradiente térmico ΔΤχ en el sentido longitudinal del recipiente de fusión: a) 37 °C en 24 metros, en el Ejemplo 1 ; y b) 103 °C en 30 metros, en el Ejemplo 2.
El número de dispositivos de impulsión utilizados en el procedimiento de la invención puede ser uno o, preferiblemente, mayor de uno, dependiendo su número de la clase de vidrio, del caudal másico, de la tasa de introducción de materias vitrificables, de la temperatura, de la geometría, y de las dimensiones del recipiente de fusión.
En la FIGURA 5, se ha representado la geometría de un dispositivo de impulsión de tipo hélice con alabes o palas; el diámetro característico de estos dispositivos es DE; la velocidad tangencial que transmiten al vidrio fundido es la velocidad periférica U, que es igual al producto de la velocidad angular ω por la mitad del diámetro DE. El número adimensional de Reynolds que caracteriza el dispositivo de impulsión tipo hélice viene dado por la expresión:
Re = p · U · DE /μ (7)
siendo: Re, el número adimensional de Reynolds; p, la densidad del vidrio; U, la velocidad característica del impulsor, que en este ejemplo corresponde a la velocidad periférica; DE, el diámetro del impulsor de hélice; y, μ, la viscosidad dinámica del vidrio fundido, tal como se muestra en la citada FIGURA 5.
La FIGURA 6 representa un dispositivo de impulsión de vidrio con un eje de rotación (48), un solo brazo de impulsión (49), y una única barra de impulsión (50), caracterizándose por la velocidad angular de giro ω, el radio de giro RE y el diámetro de la barra de impulsión DH; en este ejemplo, el brazo de impulsión (49) está situado por encima del nivel del vidrio (58). En la parte inferior de la figura se representa la sección ampliada de una barra de impulsión en movimiento dentro del vidrio fundido, con su diámetro hidráulico DH (59) y con su velocidad de desplazamiento U (60), que es igual al producto de la velocidad angular ω por el radio de giro RE de la barra de impulsión. También se ha señalado la dirección o tendencia de las fuerzas de inercia (61) y de viscosidad (62) cuando la barra de impulsión (50) se mueve dentro de la masa de vidrio fundido; el número adimensional de Reynolds que caracteriza al dispositivo de impulsión tipo brazos y barras viene dado por la expresión: Re = p · U · DH /μ (8)
siendo: Re, el número adimensional de Reynolds; p, la densidad del vidrio; U, la velocidad característica del impulsor, que en este ejemplo corresponde a la velocidad de desplazamiento de la barra de impulsión (50); DH, el diámetro hidráulico de la barra exterior del impulsor, que es igual a cuatro veces el área de la sección dividido por el perímetro mojado; y μ, la viscosidad dinámica del vidrio fundido, tal como se muestra en la citada FIGURA 6.
En la FIGURA 7, se han representado algunos ejemplos de dispositivos de impulsión del tipo brazos y barras; cada dispositivo de impulsión de vidrio está formado por uno o varios brazos de impulsión que giran alrededor de un eje vertical; cada brazo de impulsión está formado por una o varias barras de impulsión, pudiendo tener éstas radios de giro iguales o diferentes entre sí dentro de cada dispositivo de impulsión; en la citada figura se exponen los dispositivos formados por: a) un brazo y una barra; b) dos brazos, cada uno de ellos con una barra; c) un brazo con dos barras; d) un brazo con un bucle; y e) dos brazos con dos barras. Los dispositivos de impulsión de vidrio de los Ejemplos 1 y 2 de la presente invención, corresponden al tipo de dos brazos con dos barras expuesto en la citada FIGURA 7, esquema e). Cada barra de impulsión puede tener una geometría y una sección trasversal iguales o diferentes al del resto de barras del dispositivo de impulsión, en la FIGURA 8 se muestran algunas secciones de las barras de impulsión como: SI) circular, S2) oval, S3) poligonal, S4) cuadrada, S5) y S6) rectangular.
Cada dispositivo de impulsión origina el movimiento del vidrio fundido en todas las direcciones, generando un gradiente de velocidad en su zona de influencia igual a:
Grad. V = dV/dn (9)
siendo: Grad.V, el gradiente de velocidad; dV, la variación de la velocidad en la dirección n; y, n, la dirección perpendicular a la dirección de la velocidad V de cada partícula de vidrio.
A partir del gradiente de velocidad generado por cada dispositivo de impulsión en su recinto de impulsión y en la parte del recipiente de fusión, hasta donde el gradiente de velocidad es del uno por ciento del gradiente en el recintote impulsión, puede obtenerse un gradiente medio para todo el conjunto que comprende al recinto de impulsión y a la parte que le corresponde del recipiente de fusión, según la forma proporcional: GM = Gi · (Mi + 0,01 · MF) / (Mi+MF) ( 10)
siendo: GM, el gradiente medio de velocidad; Gi, el gradiente de velocidad en el recinto de impulsión; Mi, la masa de vidrio en el recinto de impulsión; y MF, la masa de vidrio en el recipiente de fusión, sobre la que actúa el dispositivo de impulsión.
El comportamiento de la mezcla de vidrio fundido y de las burbujas de gas en el recipiente de fusión con convección forzada es similar al comportamiento de varias esferas compresibles en un medio mucho más denso, que experimentan un alargamiento y un cambio de forma en función de los campos de presión que vayan recorriendo, lo que ocasiona la coalescencia entre ellas hasta lograr el volumen suficiente para ascender y romper en la superficie libre del vidrio fundido. El gradiente de velocidad tiene los siguientes efectos: a) ayuda a la eliminación de las burbujas de gran tamaño procedentes de las primeras reacciones de fusión; y b) al favorecer la disolución de la sílice y disminuir la acidez en la interfase infundido-vidrio, disminuye la nucleación de pequeñas burbujas, ayudando en la posterior etapa de afinado.
Los gradientes de velocidad generados por cada dispositivo de impulsión pueden ser iguales o diferentes entre sí, con la finalidad de mantener constante el número de Reynolds cuando los dispositivos de impulsión de vidrio están situados en zonas/ recintos del recipiente de fusión con diferentes temperaturas del vidrio fundido.
La introducción de las materias vitrificables (38) en distintos lugares de la zona de introducción (43) del recipiente de fusión determina los diferentes tiempos de estancia del vidrio para cada sección de la zona de introducción, según la relación:
tME = L · A · HF · p / E ( 1 1 )
siendo: ÍME, el tiempo medio de estancia; L, una distancia longitudinal en el recipiente de fusión; A, la anchura del recipiente de fusión; HF, la altura de vidrio; y E, el caudal másico de vidrio fundido que pasa por cada sección transversal de la zona (43). El tiempo medio de estancia del vidrio fundido en la zona (44) es constante para todas sus secciones, ya que en esta zona no tiene lugar la incorporación de materias vitrificables.
A medida que las materias vitrificables se van incorporando al recipiente de fusión, comienza su fusión y su disolución a un ritmo que depende del valor del gradiente medio de velocidad y de la temperatura del vidrio; en el caso de un vidrio silico-sodo-cálcico, la sílice es el último sólido en fundir, y la fuerza conductora del proceso de disolución es el gradiente de concentración desde la superficie del grano de sílice hacia el vidrio ya fundido (Jan HlaváS); el tiempo de disolución de un infundido de sílice depende esencialmente de su coeficiente de difusión en el vidrio, del gradiente de concentración en el límite SiC^-vidrio fundido, y del tamaño inicial del infundido.
Puede estimarse el tiempo de disolución de los infundidos cuando son arrastrados por una convección forzada en el vidrio fundido a una determinada temperatura; para el caso de un vidrio silico-sodo-cálcico, L. Némec, referencia [0010] y R. Beerkens, referencia [001 1] , exponen unas curvas para relacionar estos parámetros:
Figure imgf000026_0001
siendo: ÍD, el tiempo de disolución en horas; fo, es una función; Grad.V, el gradiente de velocidad; y Tv, la temperatura del vidrio. Estos dos últimos parámetros son variables a lo largo de cada una de las trayectorias que sigue el vidrio fundido en el recipiente de fusión.
Este tiempo de disolución puede ser relacionado con el tiempo de estancia de las materias vitrificables y del vidrio fundido dentro de la convección forzada, con su gradiente de velocidad y con su temperatura, para cuantificar la disolución de los infundidos y el momento en que se alcanza la disolución total de los mismos. Tal como se expone en las FIGURAS 1 1 y 12, valores ( 187 y 287), los infundidos comienzan a disolverse desde el mismo momento de su entrada en la zona (43) del recipiente de fusión, y finalizan su disolución en la zona (44), en la que ya no se produce la introducción de materias vitrificables. Esta zona final (44) del recipiente de fusión (31) comprende varias subzonas que se comportan como mezcladores independientes entre sí, el tiempo de disolución ÍD de los infundidos debe ser varias veces inferior al tiempo medio de estancia ÍME del vidrio en la zona de fusión; es decir, ÍD << ÍME.
La convección forzada genera un gradiente de velocidad continuo y variable que realiza dos funciones principales, DIAGRAMA 1 ,: a) acelerar el proceso de fusión y de disolución de los infundidos de las materias vitrificables, y b) mejorar la homogeneidad del vidrio fundido. Es un objeto de la presente invención alcanzar una tasa de fusión, CM, mayor de 2 toneladas al día por metro cuadrado de superficie del recipiente de fusión, y preferiblemente mayor de 3 toneladas al día por metro cuadrado de superficie del recipiente de fusión. La convección forzada produce un cizallamiento sobre la masa de vidrio fundido que es proporcional a su gradiente de velocidad; este gradiente de velocidad ocasiona una disminución continua de la escala de las heterogeneidades existentes en el vidrio fundido de la forma siguiente:
5I/5F = t · Grad.V · (μ/ μΗ) ( 13)
siendo: δι, el espesor inicial de la heterogeneidad; 5F, el espesor final de la heterogeneidad; t, el tiempo de actuación del gradiente de velocidad; μ, la viscosidad del vidrio; y μΗ, la viscosidad de la heterogeneidad.
Las heterogeneidades existentes en el vidrio fundido se convierten en estratos de vidrio frío una vez conformado el artículo final; estos estratos pueden ser detectados y cuantificados mediante el índice de refracción que presentan frente al paso de la luz; de esta forma, las heterogeneidades existentes en la masa de vidrio fundido pueden ser definidas y cuantificadas mediante la medición del gradiente del índice de refracción en los estratos del artículo final de vidrio frío. Cada heterogeneidad puede cuantificarse mediante los dos parámetros: 1) la Intensidad de la heterogeneidad, que traduce o representa las diferencias de concentración de un punto a otro; y 2) el grado o Escala de la heterogeneidad, que representa las distancias entre estos puntos. Ambos parámetros pueden ser cuantificados mediante la medición de las variaciones locales del índice de refracción.
La patente (ES 384397, 10 OCT 1970), señala la clasificación de la heterogeneidad de la masa de una lámina de vidrio en función del número de picos superiores a un incremento del índice de refracción, Δη, de 3·10 5 entre los estratos que se encuentran en el espesor de la citada lámina de vidrio.
J. BRETSCHNEIDER [ "Interferometric determination of the homogeneity of float glass", XVI Congreso Internacional del Vidrio, Madrid, Volumen 6, página 109] señala diversos valores medios del índice de refracción, Δη, en un vidrio plano flotado para los casos de fabricación: a) sin ningún método de homogeneización; b) con agitación, "stirring"; y c) con borboteadores.
El cizallamiento generado por la convección forzada en una masa de vidrio fundido, reduce el espesor de las heterogeneidades, aumentando el gradiente de concentración y acelerando el proceso de disolución de las partículas sólidas o infundidos; de esta forma, se mejora la homogeneidad del vidrio fundido y la calidad del artículo final. Es un objeto de la presente invención disminuir la variación media del índice de refracción, Δη, entre los estratos de vidrio en el artículo final, hasta valores menores que 3·105 y, preferiblemente, hasta valores menores que 1·105.
En el actual estado de la técnica, y para artículos de vidrio que requieren una alta calidad óptica, tales como los substratos utilizados en la producción de AMLCDs (Corning Incorporated, US 2003/0101750 Al), las cuerdas y estrías heterogéneas de vidrio procedentes de la fusión son homogeneizadas mediante recipientes y agitadores construidos con aleaciones de platino, que pueden causar inclusiones del citado metal en el vidrio fundido. A diferencia con esta técnica actual de fabricación, el procedimiento de la presente invención hace innecesaria la mayor parte o la totalidad de esta clase de agitación.
Los óxidos de nitrógeno, NOx, tienen una especial importancia en la fabricación del vidrio ya que las emisiones de gases están sujetas a regulaciones medioambientales cada vez más restrictivas; los hornos de vidrio generan NOx de las siguientes formas: a) por la reacción del N y O2 del aire de combustión, que produce principalmente NO de origen "térmico", y que depende de la temperatura de la llama de combustión; b) por la evolución del NO2 procedente de los nitratos presentes en las materias vitrificables; y c) por la oxidación del nitrógeno existente en el fuel y/ o gas. El precalentamiento del aire de combustión incrementa la formación de NOx, mientras que la oxi-combustión la reduce en gran medida; cuando los gases se enfrían, la reacción inversa está limitada cinéticamente por la elevada energía de activación, y los gases NOx no desaparecen.
E. Lauwers y W. Reul-Heeren [ "Industrial experience ivith 100% οχί-fuel fired furnaces", XVI Congreso Internacional del Vidrio, Madrid, Volumen 6, página 305] señalan que un incremento de 45 °C en la temperatura de las llamas de combustión, en el rango de temperatura de 1650 °C, puede duplicar la
formación de gases NOx.
El efecto de la temperatura sobre los niveles de concentración de NOx en los gases de salida del proceso de combustión, viene dado [ "Alternative Control
Techniques Document - NOx Emissions from Glass Manufactuñng", U.S.
ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, June 1994", page 4-3] por la expresión:
CNO = 5 · 1017 · [exp (-72300/TLL)] »yN2» yO2 0>5»t ( 14) siendo: CNO, la concentración de NO en ppm; yN , fracción del gas N ; yÜ2, fracción del gas O2; t, el tiempo que permanecen los gases en la zona de la llama; y TLL, la temperatura de las llamas de combustión en grados Kelvin.
R.Beerkens, y A. Lankhorst [TNO: Combustión & Fuels for Glass Furnaces] señalan que la temperatura de la llama depende de diversos factores como la clase de combustible, la temperatura del aire, el contenido de oxígeno, y el calor transferido desde las llamas por convección y radiación hacia el vidrio y hacia la bóveda del recipiente o cámara de fusión. En el procedimiento de la presente invención, al disminuir la temperatura del vidrio, disminuye la temperatura de la bóveda y por tanto también la temperatura de las llamas TLL, por lo que, según la (expresión 14), se reduce la emisión de gases ΝΟχ.
En los hornos tradicionales, y en el caso de un vidrio silico-sodo-cálcico, en la fusión tradicional se alcanzan temperaturas de bóveda del orden de 1 604 °C, y temperaturas del vidrio del orden de 1520 °C, [B. W. Webb and M.Q. McQuay: "Development, Experimental Validation, and Application of Advanced Combustión Space Models for Glass Melting Furnaces", Brigham Young Universiy, figura 44] .
En el procedimiento de la presente invención, la convección forzada con su gradiente de velocidad permite realizar la fusión y la disolución de las materias vitrificables con una menor temperatura del vidrio en el recipiente de fusión, según se expone en las gráficas ( 186 y 286) , FIGURAS 1 1 y 12 ; a estas temperaturas les corresponden las temperaturas de bóveda que se exponen en las gráficas ( 185 y 285), y unas temperaturas de las llamas de combustión de los quemadores del recipiente de fusión notablemente menores que las de la fusión tradicional, teniendo como resultado una menor formación de gases ΝΟχ. En los Ejemplos 1 y 2 , la temperatura media del vidrio en el recipiente de fusión, Tmi VENcióN, del procedimiento de la invención, es del orden de 250 °C inferior a la temperatura, TITITRADICIONAL, en la zona caliente de un horno tradicional según el procedimiento actual de la técnica para la misma clase de vidrio, que para un vidrio silico-sodo-cálcico es del orden de 1520 °C. En las Tablas 1 y 2 se exponen los valores de concentración en NO, que corresponden a una fusión tradicional y a los Ejemplos 1 y 2 de la presente invención; la reducción de la emisión de NOx depende de la superficie de la zona (43) de introducción de las materias vitrificables en el recipiente de fusión (3 1 ), ya que influye sobre la energía por unidad de superficie QR aportada al vidrio mediante las llamas de combustión. Es una finalidad de la presente invención la disminución de la temperatura media del vidrio en el recipiente de fusión, TITLINVENCIÓN, respecto a la temperatura, TITITRADICIONAL, en la zona caliente de un horno tradicional con el estado actual de la técnica para la misma clase de vidrio, en una cantidad superior a 125 °C, (TITITRADICIONAL - TITIINVENCIÓN) ≥ 125 °C, y, preferiblemente en una cantidad superior a 250 °C. Estos valores implican para el procedimiento de la invención una reducción en la formación de gases NOx térmicos, tal como se expone en las Tablas 1 y 2. Por ello, es también una finalidad de la presente invención reducir la emisión de gases NOx al medio ambiente hasta valores inferiores a 1 kilogramo de NOx por tonelada de vidrio producido, y preferiblemente hasta valores inferiores a 0,5 kilogramos de NOx por tonelada de vidrio producido; contribuyendo, de esta forma, a unas regulaciones medioambientales más restrictivas.
Es también un objeto de la presente invención mejorar los costes de fabricación como consecuencia de: a) una menor temperatura en los procesos de fusión y afinado, aumentando la eficiencia energética de los combustibles; b) una mayor extracción o caudal másico por unidad de superficie, reduciendo el tamaño del horno; c) unas menores pérdidas térmicas al exterior; y d) una mayor flexibilidad y adaptación a las particularidades de la fabricación del vidrio, como consecuencia de la reducción del tiempo de estancia en la instalación.
Una vez definida y determinada la cantidad de energía a transportar y distribuir para la fusión del vidrio y la disolución de todos los infundidos mediante la utilización de los dispositivos de impulsión de vidrio que son objeto de la presente invención, es necesario resolver la causa principal de la falta de evolución de la fusión tradicional del vidrio, que es la corrosión y ataque químico que la masa de vidrio fundido produce a los materiales en movimiento que se encuentran en su interior.
Aunque podrían utilizarse dispositivos de impulsión del tipo de hélices con palas, FIGURA 5, o del tipo de brazos y barras de impulsión, FIGURA 6, sin refrigeración y hechos de materiales como refractarios, platino y sus homólogos, óxido de cromo, y molibdeno y sus homólogos, la duración o tiempo de vida de estos dispositivos sería muy corto en relación con la vida del horno; por ello, es preferible la utilización de dispositivos de impulsión refrigerados mediante un fluido refrigerante que circula por su interior. En los dispositivos de impulsión que no tienen refrigeración interior y cuya temperatura es igual a la del vidrio, se forma una capa límite de velocidad alrededor de dichos dispositivos. En los dispositivos de impulsión que tienen refrigeración interior se forma también una capa límite de temperatura; el descenso de temperatura que viene del dispositivo de impulsión refrigerado sólo se extiende hasta una estrecha zona en contacto con el citado dispositivo de impulsión. En un régimen laminar, como el del movimiento del dispositivo de impulsión en el vidrio fundido, la relación entre los espesores de estas dos capas, de temperatura y de velocidad, está determinada por la raíz cuadrada del número adimensional de Prandtl según las expresiones:
Figure imgf000031_0001
ΡΓ = μ · 0Ρ / /ς ( 16)
siendo: δτ, la capa límite térmica; δν, la capa límite de velocidad; Pr, el número adimensional de Prandtl; Cp, el calor específico del vidrio fundido; y k, la conductividad térmica del vidrio fundido. Para un vidrio silico-sodo-cálcico que se encuentra a la temperatura del recipiente de fusión, el espesor de la capa límite de temperatura alrededor de un dispositivo de impulsión en movimiento dentro del vidrio fundido es muy superior al espesor de la capa límite de velocidad.
Con el objeto de evitar la corrosión hidráulica y el ataque químico de los dispositivos de impulsión por parte del vidrio fundido, la presente invención consigue la formación de una capa límite protectora alrededor de todo el perímetro sumergido del dispositivo de impulsión, bien sea del tipo de hélice, FIGURA 5, o de barras, FIGURA 6; esta capa límite es una región de transición entre la superficie del dispositivo de impulsión y el vidrio fundido, y su espesor está determinado por la distancia existente entre la superficie del dispositivo de impulsión y el punto donde el perfil de velocidad alcanza el uno por ciento de la velocidad periférica del dispositivo de impulsión.
La capa límite protectora del dispositivo de impulsión depende del número de Reynolds, que expresa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de viscosidad existentes en el vidrio cuando los impulsores de hélice o de barras están en movimiento. Por ello, en el procedimiento de la presente invención, cada elemento de impulsión está definido con la finalidad y el criterio prioritario de mantener la formación de una capa límite permanente alrededor de toda la periferia de las partes móviles de los dispositivos de impulsión sumergidas en el vidrio fundido. Todos los parámetros de funcionamiento del dispositivo de impulsión están subordinados a este hecho fundamental que caracteriza la invención, ver DIAGRAMA 1.
En la periferia de las barras de impulsión que se mueven dentro del vidrio fundido a baja velocidad, el valor local de Nusselt varía poco en la periferia de la citada barra, ya que la transmisión de calor se realiza principalmente por conducción; cuando se aumenta la velocidad, la contribución de la convección aumenta y el número de Nusselt local varía en la periferia de la barra de impulsión, [R. P. Bharti, R.P. Chhabra, V. Eswaram : "Steady forced convection heat transfer from a heated circular cylinder to power-law fluids", International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 977-990]; la variación del número local de Nusselt, Nu(6), en la periferia de una sección circular es del orden de 6 a 1 , siendo mayor en el punto frontal (Θ = 0 grados) que en la zona trasera o de estancamiento (Θ = 120 a 180 grados) para un régimen de flujo de calor constante a través de la pared de las barras de impulsión; este número local de Nusselt, Nu (Θ), representa la relación entre el calor transferido por convección y el calor transferido en el caso de que sólo hubiera conducción.
La forma de la sección transversal de la barra de impulsión influye sobre la formación de una capa térmica en su periferia; si la sección de la barra de impulsión pasa de una forma circular a una forma elíptica más alargada en el sentido del movimiento, decrece el número de Reynolds y la transmisión de calor entre el vidrio fundido y la barra de impulsión, [R.P. Bharti , P. Sivakumar , R.P. Chhabra : "Forced convection heat transfer from an elliptical cylinder to power-law fluids", International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 1838-1853] , formándose una capa límite térmica mayor alrededor de la citada barra de impulsión.
Con el objeto de aumentar la impulsión de vidrio y el gradiente de velocidad, puede utilizarse más de una barra de impulsión en cada brazo del dispositivo de impulsión, como en el ejemplo de dispositivo con dos brazos (49) y dos barras (50) por brazo de las FIGURAS 3 y 4; en estos casos, para la utilización de más de una barra por cada brazo del dispositivo de impulsión, y con una disposición de una barra detrás de la otra en el sentido del movimiento, los valores del número de Reynolds y de la transmisión de calor del vidrio a la barra de impulsión situada delante, en el sentido del movimiento, son mayores que los valores correspondientes a la barra posicionada aguas abajo, aunque ambos valores son menores que los correspondientes a una barra aislada [R. C. Patil, R. P. Bharti, y R. P. Chhabra : "Forced Convection Heat Transfer in Power Law Liquids from a Pair of Cylinders in Tándem Arrangement", Ind. Eng. Chem. Res., (2008)}.
En la presente invención, y en el caso de dispositivos de impulsión de brazos y barras, las barras de impulsión (50) se encuentran preferiblemente dentro de los recintos de impulsión de vidrio (42), y en su recorrido guardan una cierta distancia respecto a la pared. La distancia entre la barra de impulsión y la pared del recinto influye sobre el valor crítico del número de Reynolds para el cual tiene lugar la transición de un régimen estacionario a otro no estacionario, ya que cuando disminuye la distancia entre la barra de impulsión y la pared, el valor crítico de Reynolds aumenta [S. Mettu, N. Verma, R.P. Chhabra: "Momentum and heat transfer from an asymmetñcally confined circular cylinder in a plañe channel", Heat Mass Transfer, (2005)]; cuando la barra de impulsión se aproxima a la pared, la interacción entre la capa límite de la pared y la capa límite de la barra de impulsión modifica la estabilidad del flujo. Para barras cilindricas muy alejadas de la pared del recinto, cuando el número de Reynolds aumenta a 46 se pierde la estabilidad del flujo y se forman vórtices oscilantes detrás de la citada barra cilindrica.
Considerando una barra de impulsión que se mueve en una zona de la masa de vidrio lo suficientemente grande y alejada de las paredes laterales, para números de Reynolds bajos, Re < 6, el flujo es laminar y estacionario, y no se separa de la barra de impulsión [M. Duyff: "A numerical bifurcation analysis of flow around a circular cylinder" , University of Groningen, October 2006, page 5]; a medida que se aumenta la velocidad de la barra de impulsión, el flujo sigue siendo laminar y estacionario, pero se va separando de la barra de impulsión. El valor crítico de Re < 46 marca la región en la que el flujo se mantiene estacionario. Es un objeto de la presente invención que el número de Reynolds que corresponde al funcionamiento de cada dispositivo de impulsión de vidrio, FIGURAS 5 y 6, sea menor de 46 y, preferiblemente, menor de 24; de esta forma, se establece una capa límite permanente alrededor de todas las partes del impulsor sumergidas en el vidrio fundido. Esta capa límite permanente protectora se establece siempre para cualquier clase de vidrio fundido, independiente de la temperatura y de la viscosidad del vidrio; por ello, la presente invención es válida tanto para un vidrio silico-sodo-cálcico, como para un vidrio destinado para fabricar pantallas TFT o LCD, o para otras diferentes clases de vidrios.
Cuando los dispositivos de impulsión tienen refrigeración interna, la capa límite permanente de vidrio frío fijado en la superficie sumergida ejerce también como aislante térmico, y limita la cantidad de energía térmica procedente del vidrio fundido que es absorbida por el dispositivo de impulsión.
Teniendo en cuenta el fundamento de la presente invención de limitar el número de Reynolds de los dispositivos de impulsión de vidrio, la definición del número de dispositivos, su geometría y su velocidad puede realizarse: a) mediante cálculo numérico; y b) mediante una modelización física con representación de las fuerzas de inercia y de gravedad, ya que, a diferencia de los hornos tradicionales con convección natural y con grandes diferencias de temperatura a lo largo del horno, en la convección forzada no es necesaria la representación de la transmisión de calor por conducción más radiación, al no existir elevados gradientes de temperatura.
Para unas condiciones fijas del recipiente de fusión (geometría, número de dispositivos de impulsión, zona de introducción de las materias vitrificables y tasa de introducción de materias vitrificables), la influencia de un incremento de la temperatura sobre el número de Reynolds y sobre el caudal másico de fabricación puede ser expresada de la forma:
KT · ΔΤ = KRE · ARe = KCM · ACM = Constante ( 17) siendo: Κτ, una constante relativa a la temperatura; KRE, una constante relativa al número de Reynolds; KCM, una constante relativa al caudal másico; ΔΤ, el incremento de temperatura en °C; ARe, el incremento del número de Reynolds; y ACM, el incremento del caudal másico de fabricación en toneladas por día. En el procedimiento de la presente invención, y partiendo de un recipiente de fusión como el del Ejemplo 1 (T = 1205 °C, Re = 4, y CM = 700 t/día), las constantes relativas de la (expresión 17) toman los valores : Κτ = 0,00242; KRE = 0,0361 ; y KCM = - 0,001 15. Es decir, al pasar la temperatura de 1205 a 1215 °C, el número de Reynolds pasa desde 4 hasta 4,7 y el caudal másico de fabricación debe pasar desde 700 hasta 679 t/d.
El procedimiento de la presente invención permite realizar la fusión y disolución de las materias vitrificables en el recipiente de fusión con gran flexibilidad de los parámetros ya señalados, como : a) la temperatura del vidrio; b) el número de Reynolds; c) la emisión de NOx; d) el caudal másico; e) el número de dispositivos de impulsión; f) la superficie de introducción de las materias vitrificables; y g) la tasa de introducción de las materias vitrificables.
De acuerdo con la presente invención y según se ha descrito anteriormente, las materias vitrificables que han sido fundidas y disueltas en su totalidad en el recipiente de fusión, deben pasar por una etapa de eliminación de los gases procedentes de las reacciones de fusión, que se encuentran disueltos en el vidrio fundido o en forma de pequeñas burbujas; la eliminación de estos gases se realiza mediante la etapa de afinado, a una temperatura de afinado TA más elevada que la temperatura final del recipiente de fusión TF; esta etapa tiene lugar en el recipiente de afinado.
Tal como se expone en los esquemas de la FIGURA 10, la conexión hidráulica entre el recipiente de fusión y el recipiente de afinado puede realizarse de diversas formas, teniendo en cuenta siempre que es preciso evitar que se produzcan corrientes de convección de vidrio entre ambos recipientes. Según la configuración (64) , el recipiente de fusión está en comunicación hidráulica con el recipiente de afinado por medio de un paso estrecho sin retorno, un vertedero (45) ; en este caso el vidrio fundido pasa al recipiente de afinado a la temperatura de fusión TF. Según otra configuración (63) , es preferible la utilización de un recipiente o zona de calentamiento (32) para elevar la temperatura del vidrio fundido desde la temperatura de fusión hasta la temperatura de afinado.
En el recipiente de calentamiento el vidrio fundido es calentado desde la temperatura de fusión y disolución hasta la temperatura de afinado; la zona de calentamiento tiene una superficie necesaria, Se, para elevar la temperatura del vidrio que viene dada por la relación:
QRC » SC = CM » CP » (TA - TF) ( 18)
siendo: QRC, la energía de radiación en la zona de calentamiento; Se, la superficie de la zona de calentamiento; CM, el caudal másico de vidrio; Cp, el calor específico del vidrio; y (TA - TF) , la diferencia de temperaturas entre las zonas de afinado y de fusión.
Una vez obtenida la superficie de la zona de calentamiento, y con ella su longitud y su anchura, se determina la profundidad del vidrio en esta zona Hvc, para evitar que se produzca una convección natural apreciable e impedir la existencia de un bucle de convección entre los recipientes de fusión y de afinado, que produciría una mezcla de vidrio no conveniente; este bucle de convección está cualitativamente definido por el número adimensional de Rayleigh, Ra:
Ra = p2 · g · β · (TA-TF) · Hvc 2 · Lc · CP/ (μ· k) ( 19)
siendo: Hvc, la altura o profundidad del vidrio en el recipiente de calentamiento; y Lc, la longitud del recipiente de calentamiento.
La realización de la fusión y la disolución de las materias vitrificables en el recipiente de fusión a una temperatura inferior a la temperatura de reacción de los agentes utilizados para el afinado del vidrio, presenta una ventaja sobre la fusión tradicional. Por ejemplo, en el caso de utilizar sulfato sódico para el afinado de un vidrio silico-sodo-cálcico, la temperatura de inicio de la reacción se produce en torno a los 1200 °C, y su disociación más importante tiene lugar entre 1300 y 1350 °C; esto significa que, en el procedimiento de la presente invención, la reacción se produce una vez que ya se han disuelto todos los infundidos en el recipiente de fusión y los agentes de afinado actúan en la zona de calentamiento, que tiene un flujo de tipo pistón.
Una vez que los agentes de afinado han reaccionado y el vidrio fundido ha pasado al recipiente de afinado (33), se eliminan los gases disueltos y los gases que se encuentran en forma de pequeñas burbujas; en el recipiente de afinado puede controlarse la convección del vidrio al no existir grandes diferencias de temperatura en el sentido longitudinal.
Una vez decantadas las burbujas en el recipiente de afinado, el vidrio fundido pasa mediante un estrechamiento al recipiente de acondicionamiento (34), similar a los existentes en la fusión tradicional, con dos funciones principales: a) adecuar la viscosidad del vidrio fundido antes de su conformación en un artículo final, y b) producir una reabsorción de las pequeñas burbujas existentes al variar la solubilidad de los gases en el vidrio con el descenso de la temperatura.
Después del recipiente de acondicionamiento, el vidrio pasa a un canal de salida (35) que comunica con el dispositivo de conformación.
A diferencia de la fusión tradicional, en la que puede ser necesaria una etapa de homogeneización del vidrio fundido para disminuir las heterogeneidades resultantes de la fusión, el procedimiento de la presente invención no necesita esta etapa de homogenización, ya que el vidrio ha sido fundido bajo la influencia del gradiente de velocidad generado en el recipiente de fusión.
A continuación, el vidrio fundido pasa a un dispositivo o sistema de conformación, no representado aquí, para transformar el vidrio fundido en un artículo final.
El procedimiento de la invención, que utiliza una fusión con convección forzada, sirve para la elaboración de diversos tipos de vidrios, como los silico- sodo-cálcicos, alumino-silicatos, boro-silicatos, y boro-alumino-silicatos. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UN PRIMER EJEMPLO DE LA
INVENCIÓN.
Con referencia a las figuras citadas anteriormente, y en especial a la FIGURA 1 1 , se describe a continuación un primer ejemplo de realización del procedimiento de fusión de vidrio a baja temperatura, que constituye el objeto de la presente invención.
Este primer ejemplo de la invención se corresponde con un procedimiento y con una instalación asociada para la elaboración de un vidrio silico-sodo-cálcico con un caudal másico de 700 toneladas/ día destinado a una fabricación float, donde la conformación se produce mediante el estirado de una masa de vidrio que flota sobre un baño de estaño fundido en atmósfera protectora, para ser convertida en láminas de vidrio plano, siendo su destino preferente las industrias de la construcción y del automóvil.
La relación (temperatura, viscosidad) está determinada por los siguientes valores: (Tv = 1600 °C, μ = 40 poises); (Tv = 1500 °C, μ = 75 poises); (Tv = 1400 °C, μ = 150 poises); (Tv = 1300 °C, μ = 350 poises); (Tv = 1200 °C, μ = 950 poises); (Tv = 1 100 °C, μ = 3300 poises); siendo, Tv, la temperatura del vidrio; y, μ, la viscosidad dinámica del vidrio.
El procedimiento comienza con la introducción de las materias vitrificables en la zona de fusión mediante cuatro máquinas de introducción (39); el recipiente de fusión tiene una longitud de 24 m, una anchura de 8 m y una profundidad media del vidrio de 0,8 m.
En los dos laterales del recipiente de fusión están dispuestos seis recintos de impulsión de vidrio (42), cada uno de ellos con una superficie de 2, 1 m2, siendo la superficie total de este recipiente de fusión 205 m2, y la tasa de fusión 3,4 toneladas por día y metro cuadrado. Los ángulos de entrada ΘΕ (56) y de salida 6s (57) , FIGURA 4, de las paredes de los recintos de impulsión respecto a un eje transversal del recipiente de fusión son de 2 1 grados.
Para una densidad del vidrio de 2,35 t/ m3, la masa total de vidrio en la zona de fusión es de 385 toneladas, con un tiempo medio de estancia en esta zona de 13 ,2 horas.
La zona (43) de introducción de las materias vitrificables se encuentra en los 12 primeros metros del recipiente de fusión, con una distribución decreciente ( 183) de: 9,5 - 8,0 - 6,6 - y, 5, 1 toneladas por día y metro cuadrado.
La temperatura del vidrio en el recipiente de fusión ( 186) está comprendida entre 1 181 °C al inicio, y 12 18 °C al final del recipiente de fusión, siendo la temperatura media del vidrio de todo el recipiente de fusión (3 1 ) de 1205 °C; la temperatura media en la zona (43) de introducción de materias vitrificables es de 1 194 °C; estas temperaturas son muy inferiores a los 1520 °C de la temperatura de la zona caliente de un horno "float" convencional con el estado actual de la técnica para el mismo vidrio silico-sodo-cálcico. Para ello, la energía radiada al vidrio ( 184) por las llamas de combustión y por la bóveda en los 12 metros de la zona de introducción de la composición está comprendida entre 182 y 168 kw/ m2. La energía útil total suministrada es de 19530 kw, correspondiendo 1480 Kw a las pérdidas térmicas y 18050 Kw a la fusión de las 700 t/ día de vidrio. La energía se suministra a través de quemadores situados en las paredes laterales del horno, y es transmitida al vidrio desde las llamas y desde la bóveda del recipiente de fusión; para una emisividad media del vidrio fundido ε = 0,6 la temperatura máxima de la bóveda de fusión ( 185) es de 1333 °C. La temperatura media del vidrio en la zona (43) de introducción de las materias vitrificables es de 1 194 °C, que es la media de los valores: 1 18 1 , 1 188, 1 198, y 1208 °C.
En cada recinto de impulsión se encuentra un dispositivo de impulsión de vidrio, que está formado por dos brazos; cada brazo está formado por dos barras cilindricas de impulsión, separadas entre sí 0,25 m; las barras de impulsión están hechas de una aleación metálica y están refrigeradas interiormente con agua y tienen una sección circular de 100 milímetros de diámetro exterior; cada brazo está desplazado 180° respecto al otro brazo con el que forma el dispositivo de impulsión de vidrio, FIGURA 4. El radio medio de giro de la barra de impulsión es de 0,3 metros; los seis dispositivos de impulsión giran con velocidades diferentes y decrecientes de: 55, 52, 45, 41 , 39, y 38 revoluciones por minuto. Con estos valores, se alcanza un número de Reynolds igual a 4 en cada uno de los seis dispositivos de impulsión de vidrio. Estos valores del número de Reynolds de las barras/ dispositivos de impulsión garantizan la existencia de una capa límite de vidrio frío alrededor de las partes de las barras de impulsión sumergidas en el vidrio fundido; esta citada capa límite protege a los dispositivos de impulsión de la corrosión por el vidrio fundido.
La distribución longitudinal de la temperatura en la zona de fusión depende principalmente de la tasa de introducción de materias vitrificables y de la energía radiante procedente de la bóveda; la convección forzada contribuye con su efecto a distribuir la energía y a disminuir los gradientes de temperatura en el recipiente de fusión.
El volumen de la convección forzada que produce y desplaza cada dispositivo de impulsión en el recipiente de fusión en el sentido longitudinal y en la dirección atrás-adelante, según el sentido (56) en la FIGURA 4, es 14, 1 veces mayor que el correspondiente al caudal másico de 700 toneladas/ día de vidrio elaborado.
En su movimiento, cada dispositivo de impulsión de vidrio genera en su zona de actuación del recipiente de fusión un gradiente de velocidad medio ( 188) de entre 0,26 s 1 para el primer dispositivo impulsor y 0, 19 s 1 para el sexto y último dispositivo impulsor; con estos valores y las temperaturas ya citadas para cada zona, los infundidos de sílice de las materias vitrificables se disuelven en un tiempo igual a 2,3 horas para la zona del primer dispositivo impulsor y 2 , 1 horas para la zona del sexto dispositivo impulsor. Las materias vitrificables que tardan más en disolverse son aquellas introducidas en la última posición, es decir, entre los 9 y los 12 metros desde el principio del recipiente de fusión; la disolución total, curva ( 187), tiene lugar a los 20,9 metros, es decir, 3, 1 metros antes de llegar a los 24 metros de longitud total que tiene el recipiente de fusión.
El tiempo medio de estancia en los 12 últimos metros del recipiente de fusión, que consta de cuatro tramos independientes de tres metros cada uno, en los que ya no hay introducción de materias vitrificables, es de 6, 19 horas; por otra parte, para el gradiente medio de velocidad del vidrio y para la temperatura en los 4 últimos tramos citados, el tiempo de disolución de las materias vitrificables es de 2,44 horas, es decir, el tiempo medio de estancia es 2,5 veces mayor que el tiempo de disolución.
La zona de calentamiento tiene unas dimensiones de 6 metros de largo, 8 metros de anchura y una profundidad de vidrio de 0,2 metros al inicio y 0,3 metros al final; en esta zona el vidrio pasa desde 1216 °C hasta 1520 °C, con un aporte de energía de 3260 kw y una transmisión media de energía de las llamas y de la bóveda al vidrio de 68 kw/ m2.
La eliminación de burbujas se realiza en una zona de afinado que tiene unas dimensiones de 14 metros de largo, 8 metros de anchura y 0,8 metros de profundidad, con una temperatura de 1520 °C y un tiempo medio de estancia del vidrio de 7,2 horas.
Desde la zona de afinado, el vidrio fundido pasa a través de un estrechamiento que tiene unas dimensiones de 3 metros de largo, 4 metros de anchura y 0,4 metros de profundidad, este estrechamiento evita la convección natural con la siguiente etapa de acondicionamiento.
La zona de acondicionamiento tiene unas dimensiones de 10 metros de largo, 7 metros de anchura y 0,5 metros de profundidad, pasando el vidrio desde la temperatura de afinado hasta una temperatura próxima a 1 180 °C, con una tasa de enfriamiento del orden de 40 kw/m2 y un tiempo de estancia de 2,8 horas.
Desde la zona de acondicionamiento el vidrio es dirigido, mediante un canal de salida de 3 metros de anchura y 0,3 metros de profundidad, hacia un equipo de conformación por flotado sobre un baño de estaño fundido, no representado en las figuras, para ser convertido en una lámina plana.
La temperatura media de las bóvedas de los distintos recipientes es de
1278 °C en la zona de fusión, 1432 °C en la zona de calentamiento y 1530 °C en la zona de afinado.
El tiempo medio de estancia del vidrio en toda la instalación es de 24,4 horas, repartidas de la manera siguiente: 13,2 horas en el recipiente de fusión; 0,8 horas en la zona de calentamiento; 7,2 horas en el recipiente de afinado; y 3,2 horas en la zona de acondicionamiento.
La temperatura máxima del vidrio en el recipiente de fusión es de 1218 °C, que son 302 °C menos que la temperatura máxima del vidrio en un horno según el estado actual de la técnica. De acuerdo con las (expresiones 14 y 15), a una disminución de la temperatura del vidrio de 302 °C le suceden las correspondientes disminuciones de las temperaturas de la bóveda y de las llamas de combustión, con una notable reducción en la formación y emisión de gases NOx con respecto a la fusión según el estado de la técnica actual. Esta reducción en la formación de NOx de origen térmico es independiente del tipo de combustible utilizado y de si se utiliza o no la oxi-combustión.
En la Tabla 1 , se exponen los valores de la formación de gases NOx en el recipiente de fusión (31), particularmente en la zona (43) de introducción de materias vitrificables, que es la zona de mayor consumo de energía, cuando se utiliza GAS como combustible, para la fusión tradicional según el actual estado de la técnica, y para el presente Ejemplo 1 de la invención.
Tabla 1 : Formación de NOx. Combustible GAS
Figure imgf000041_0001
CNO = 5·1017 · [EXP (-72300/TLL)] · yN2 · yO2 0 5 · t.
De la expresión 14, [0088], siendo: yN2 = 0, 79; y02 = 0,21; t = 0,5 segundos.
En la Tabla 2, se exponen los valores de la formación de gases NOx en el recipiente de fusión (31), particularmente en la zona (43) de introducción de materias vitrificables, que es la zona de mayor consumo de energía, cuando se utiliza FUEL como combustible; para la fusión tradicional según el actual estado de la técnica, y para los Ejemplos 1 y 2 de la presente invención.
Con respecto a la fusión tradicional del actual estado de la técnica, en este Ejemplo 1 del procedimiento de la invención, se generan 9 veces menos de gases NOx que en la fusión tradicional cuando se utiliza gas natural/aire, y 70 veces menos de gases NOx que en la fusión tradicional cuando se utiliza fuel/aire. Tabla 2: Formación de NOx . Combustible FUEL
Figure imgf000042_0001
CNO = 5·1017 · [EXP (-72300/TLL)] · yN2 · yO2 0 5 · t.
De la expresión 14, [0088], siendo: yN2 = 0, 79; y02 = 0,21; t = 0,5 segundos. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UN SEGUNDO EJEMPLO DE LA
INVENCIÓN.
Con referencia a las figuras citadas anteriormente, y en especial a la FIGURA 12 , se describe a continuación un segundo ejemplo de realización del procedimiento de fusión de vidrio a baja temperatura, que constituye el objeto de la invención. Este ejemplo se refiere a un procedimiento y a una instalación para la elaboración de un vidrio silico-sodo-cálcico con un caudal másico de 1 100 toneladas por día destinado a una fabricación float. La viscosidad del vidrio es similar a la del Ejemplo 1 citado anteriormente.
El procedimiento comienza con la introducción de las materias vitrificables en la zona de fusión mediante cinco máquinas de introducción (39) ; el recipiente de fusión tiene una longitud de 30 m, una anchura de 10 m, y una profundidad media del vidrio de 0,8 m.
En los dos laterales del recipiente de fusión están dispuestos siete recintos de impulsión de vidrio (42) en las posiciones mostradas en la FIGURA 12 , cada uno de ellos con una superficie de 2, 1 m2, siendo la superficie total de este recipiente de fusión 3 15 m2, y la tasa de fusión 3 ,5 toneladas por día y metro cuadrado. Los ángulos de entrada ΘΕ (56) y de salida 6s (57), FIGURA 4, de las paredes de los recintos de impulsión respecto a un eje transversal del recipiente de fusión son de 2 1 grados. Para una densidad del vidrio de 2,35 t/m3, la masa total de vidrio en la zona de fusión es de 592 toneladas, con un tiempo medio de estancia en esta zona de 12,9 horas.
La zona (43) de introducción de las materias vitrificables se encuentra en los 15 primeros metros del recipiente de fusión, con una distribución constante (283) de 7,3 toneladas por día y metro cuadrado.
La temperatura del vidrio en el recipiente de fusión (286) está comprendida entre 1 149 °C al inicio, y 1252 °C al final del recipiente de fusión, siendo la temperatura media del vidrio de todo el recipiente de fusión (31) de 1205 °C; la temperatura media en la zona (43) de introducción de materias vitrificables es de 1 164 °C; estas temperaturas son muy inferiores a los 1520 °C de la temperatura de la zona caliente de un horno "float" convencional. Para ello, la energía radiada al vidrio (284) por las llamas de combustión y por la bóveda en los 15 metros de la zona de introducción de la composición está comprendida entre 153 y 146 kw/m2. La energía útil total suministrada es de 30250 kw, correspondiendo 1890 kw a las pérdidas térmicas y 28360 kw a la fusión de las 1 100 t/día de vidrio. La energía se suministra a través de quemadores situados en las paredes laterales del horno, y es transmitida al vidrio desde las llamas y desde la bóveda del recipiente de fusión; para una emisividad media del vidrio fundido ε = 0,6 la temperatura máxima de la bóveda de fusión (285) es de 1317 °C. La temperatura media del vidrio en la zona (43) de introducción de las materias vitrificables es de 1 164 °C, que es la media de los valores: 1 149, 1 152, 1 159, 1 171 , y 1 191 °C.
En cada recinto de impulsión se encuentra un dispositivo de impulsión de vidrio, que está formado por dos brazos; cada brazo está formado por dos barras cilindricas de impulsión, separadas entre sí 0,25 m; las barras de impulsión están hechas de una aleación metálica y están refrigeradas interiormente con agua y tienen una sección circular de 100 milímetros de diámetro exterior; cada brazo está desplazado 180° respecto al otro brazo con el que forma el dispositivo de impulsión de vidrio, FIGURA 4.
El radio medio de giro de la barra de impulsión es de 0,3 metros; los siete dispositivos de impulsión giran con velocidades diferentes y decrecientes de: 80, 77, 71 , 61 , 49, 34, y 26 revoluciones por minuto. Con estos valores, se alcanza un número de Reynolds igual a 4 en cada uno de los siete dispositivos de impulsión de vidrio. La distribución longitudinal de la temperatura en la zona de fusión depende principalmente de la tasa de introducción de materias vitrificables y de la energía radiante procedente de la bóveda; la convección forzada contribuye con su efecto a distribuir la energía y a disminuir los gradientes de temperatura en el recipiente de fusión.
El volumen de la convección forzada que produce y desplaza cada dispositivo de impulsión en el recipiente de fusión en el sentido longitudinal y en la dirección atrás-adelante, según el sentido (56) en la FIGURA 4, es 1 1 ,4 veces mayor que el correspondiente a las 1 100 toneladas/ día de vidrio elaborado.
La corriente de convección natural en los últimos 15 metros, en los que ya no hay incorporación de materias vitrificables, es pequeña en el sentido longitudinal, ya que solamente hay una diferencia de temperatura de 28 °C en estos últimos 15 metros.
En su movimiento, cada dispositivo de impulsión de vidrio genera en su zona de actuación del recipiente de fusión un gradiente de velocidad medio (288) de entre 0,30 s 1 para el primer dispositivo impulsor y 0, 1 1 s 1 para el séptimo y último dispositivo impulsor; con estos valores y las temperaturas ya citadas para cada zona, los infundidos de sílice de las materias vitrificables se disuelven en un tiempo igual a 2,8 horas para la zona del primer dispositivo impulsor y 2,0 horas para la zona del séptimo dispositivo impulsor. Las materias vitrificables que tardan más en disolverse son aquellas introducidas en la última, es decir, entre los 12 y 15 metros desde el principio del recipiente de fusión; la disolución total curva (287), tiene lugar a los 26 metros, antes de llegar a los 30 metros de longitud total que tiene el recipiente de fusión.
El tiempo medio de estancia en los 15 últimos metros del recipiente de fusión, que consta de cinco tramos independientes de tres metros cada uno, en los que ya no hay introducción de materias vitrificables, es de 6, 15 horas; por otra parte, para el gradiente medio de velocidad del vidrio y para la temperatura en los últimos 5 tramos citados, el tiempo de disolución de las materias vitrificables es de 2,31 horas, es decir, el tiempo medio de estancia es 2,7 veces mayor que el tiempo de disolución.
La zona de calentamiento tiene unas dimensiones de 6 metros de largo, 10 metros de anchura y una profundidad de vidrio de 0,2 metros al inicio y 0,3 metros al final; en esta zona el vidrio pasa desde 1252 °C hasta 1520 °C, con un aporte de energía de 4200 kw. y una transmisión media de energía de las llamas y de la bóveda al vidrio de 70 kw/ m2.
La zona de afinado tiene unas dimensiones de 20 metros de largo, 8 metros de anchura y 0,8 metros de profundidad, con una temperatura de 1520 °C y un tiempo medio de estancia del vidrio de 6,6 horas.
La zona de acondicionamiento tiene unas dimensiones de 14 metros de largo, 8 metros de anchura y 0,5 metros de profundidad, pasando el vidrio desde la temperatura de afinado hasta una temperatura próxima a 1 180 °C.
Desde la zona de acondicionamiento el vidrio es dirigido, mediante un canal de salida de 3 metros de anchura y 0,3 metros de profundidad, hacia un equipo de conformación por flotado sobre un baño de estaño fundido, no representado en las figuras, para ser convertido en una lámina plana.
La temperatura media de las bóvedas de los distintos recipientes es de 1289 °C en la zona de fusión, 1446 °C en la zona de calentamiento y 1530 °C en la zona de afinado.
El tiempo medio de estancia del vidrio en toda la instalación es de 23,2 horas, repartidas de la manera siguiente: 12,9 horas en el recipiente de fusión; 0,6 horas en la zona de calentamiento; 6,6 horas en el recipiente de afinado; y 3, 1 horas en la zona de acondicionamiento.
La temperatura máxima del vidrio en el recipiente de fusión es de 1252 ° C, que son 270 °C menos que la temperatura máxima del vidrio en un horno según el estado actual de la técnica. De igual forma que en el Ejemplo 1 , y de acuerdo con las (expresiones 14 y 15), a una disminución de las temperaturas del vidrio de 270 °C, le suceden las correspondientes disminuciones de las temperaturas de la bóveda y de las llamas de combustión, con una notable reducción en la formación y emisión de gases NOx con respecto a la fusión con el estado de la técnica actual. Esta reducción en la formación de NOx de origen térmico, es independiente del tipo de combustible utilizado y de si se utiliza o no la oxi- combustión.
En la Tabla 1 , se exponen los valores de la formación de gases NOx en el recipiente de fusión (31), particularmente en la zona (43) de introducción de materias vitrificables, cuando se utiliza GAS como combustible, para la fusión tradicional según el actual estado de la técnica, y para el presente Ejemplo 2 de la invención; y en la Tabla 2, cuando se utiliza FUEL como combustible. Con respecto a la fusión tradicional del actual estado de la técnica, en este Ejemplo 2 del procedimiento de la invención, se generan 34 veces menos de gases NOx que en la fusión tradicional cuando se utiliza gas natural/aire, y 263 veces menos de gases NOx, que en la fusión tradicional cuando se utiliza fuel/aire. La diferencia con el Ejemplo 1 radica en la menor tasa de introducción de las materias vitrificables y en la menor temperatura del vidrio en el inicio del recipiente de fusión; estos hechos implican menores temperaturas en la bóveda y en las llamas de combustión, y por ello menor emisión de gases NOx.
En los apartados anteriores se ha descrito un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura. Estará presente para los expertos en la materia el hecho de que podrán realizarse otras incorporaciones, las cuales estarán consideradas dentro del ámbito determinado por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura caracterizado porque comprende:
(a) la fusión y la disolución a baja temperatura de materias vitrificables en un recipiente de fusión con una tasa de fusión de CM toneladas al día por metro cuadrado de superficie del recipiente de fusión, y con una emisión de gases NOx, definida por E(NOx) kilogramos de NOx por tonelada de vidrio;
(b) la generación en el citado recipiente de fusión de una convección forzada del vidrio fundido generada por unos dispositivos de impulsión de vidrio, de diámetro característico D, situados en el interior del recipiente de fusión y cuyo movimiento transmite una velocidad tangencial U al vidrio fundido, teniendo el citado vidrio fundido una densidad p, y una viscosidad dinámica μ, de forma que el funcionamiento de los citados dispositivos de impulsión determina el número adimensional de Reynolds, Re = (p · U · D /μ);
(c) el calentamiento, afinado y acondicionamiento térmico del vidrio fundido para obtener un vidrio fundido con la viscosidad adecuada para su conformación, y con una homogeneidad de la masa de vidrio determinada por la variación del índice de refracción Δη entre sus estratos;
(d) el conformado del vidrio para obtener un artículo final de vidrio;
en donde:
CM≥ 2 toneladas al día por metro cuadrado de superficie del recipiente de fusión,
Re = (p · U · D /μ) < 46, expresados p en kg/metro cúbico, U en metros/segundo, D en metros, y μ en kg/ (metro · segundo),
E(NOx) < 1 kilogramo de NOx por tonelada de vidrio producido, y
Δη < 1 · lo-5.
2. Un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura según la reivindicación 1 , caracterizado porque algunos de los dispositivos de impulsión de vidrio están situados dentro de unos recintos de impulsión de vidrio en comunicación hidráulica con el recipiente de fusión.
3. Un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la tasa de fusión de materias vitrificables, CM, es mayor de 3 toneladas al día por metro cuadrado de superficie del recipiente de fusión.
4. Un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque los dispositivos de impulsión de vidrio determinan un número adimensional de Reynolds:
Re = (p · U · D /μ) < 24.
5. Un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque disminuye la formación de NOx térmico durante la fusión de las materias vitrificables permitiendo, para una combustión aire-gas, cumplir la relación:
E(NOx) < 0,5 kilogramos de NOx por tonelada de vidrio producido.
6. Un dispositivo de impulsión de vidrio, utilizable en un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque tiene la forma de hélice axial y comprende un eje de rotación y varios álabes o palas constituidas por los materiales: hierro, carbono, cromo, níquel, cobalto, óxido de cromo, volframio, molibdeno, platino, o cualquier otro metal o combinación entre ellos.
7. Un dispositivo de impulsión de vidrio según la reivindicación 6, caracterizado por estar refrigerado en su interior por un fluido refrigerante, preferentemente agua.
8. Un dispositivo de impulsión de vidrio según las reivindicaciones 6 y 7, cuyo diámetro característico DE, velocidad tangencial U que genera en el vidrio fundido, densidad p del vidrio fundido, y viscosidad dinámica μ del vidrio fundido cumplen la expresión:
(p · U · DE /μ) < 46.
9. Un dispositivo de impulsión de vidrio, utilizable en un procedimiento de elaboración de vidrio con fusión a baja temperatura, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende un eje de rotación y al menos un brazo de impulsión destinado a soportar y unir mecánicamente el citado eje de rotación con al menos una barra de impulsión parcialmente sumergida en el vidrio fundido y constituida por los materiales: hierro, carbono, cromo, níquel, cobalto, óxido de cromo, volframio, molibdeno, platino, o cualquier otro metal o combinación entre ellos.
10. Un dispositivo de impulsión de vidrio según la reivindicación 9, caracterizado porque la sección transversal de cada barra de impulsión puede tener diversas formas: circular, elíptica, poligonal, o una combinación de ellas.
1 1. Un dispositivo de impulsión de vidrio según las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado por estar enfriado en su interior por un fluido refrigerante, preferentemente agua.
12. Un dispositivo de impulsión de vidrio según las reivindicaciones 9 a 1 1 , caracterizado porque las barras de impulsión son cilindricas y están constituidas por acero.
13. Un dispositivo de impulsión de vidrio según las reivindicaciones 9 a 12, cuyo diámetro característico DH, velocidad tangencial U que genera al vidrio fundido, densidad p del vidrio fundido, y viscosidad dinámica μ del vidrio fundido cumplen la expresión:
(p · U · DH /μ) < 46.
14. Una instalación para realizar el procedimiento de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque comprende:
(a) un recipiente de fusión para la fusión y la disolución a baja temperatura de materias vitrificables con una convección forzada del vidrio fundido generada por unos dispositivos de impulsión de vidrio de acuerdo con las reivindicaciones 6 a 13; (b) al menos un recipiente de calentamiento y/o un recipiente de afinado y/o un recipiente de acondicionamiento, para obtener un vidrio fundido, afinado y con la temperatura/ viscosidad adecuada para su conformación; y
(c) un sistema de conformación para obtener un artículo final de vidrio.
15. Un artículo de vidrio caracterizado porque se ha fabricado por el procedimiento descrito en las reivindicaciones 1 y 2, y utilizando la instalación descrita en la reivindicación 14.
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