LECCION 14.- VIDRIO / PROCEDIMIENTOS DE CONFORMACIÓN DEL VIDRIO. PROCESO FLOTADO.
1.- Consideraciones previas. El comportamiento plástico - viscoso que presentan todos los vidrios a alta temperatura permite moldearlos, a lo largo de un intervalo térmico más o menos amplio, por diversos procedimientos, tales como colado, soplado, estirado, laminado y prensado. En cada caso, el vidrio debe acondicionarse térmicamente en la zona de trabajo con objeto de estabilizar su viscosidad, ya que el valor de ésta condiciona no sólo la utilización de los distintos procedimientos de moldeado, sino también la cadencia y el rendimiento de fabricación en los sistemas automáticos. Como puede verse en la tabla 1.1, donde se indican los valores de viscosidad requeridos en algunas operaciones, el intervalo de moldeabilidad del vidrio está comprendido entre 103 y 107 dPa.s aproximadamente. TABLA 1.1.- INTERVALOS DE VISCOSIDAD PARA DIFERENTES PROCESOS DE CONFORMACIÓN
Además de un valor determinado de la viscosidad, cada procedimiento requiere que el vidrio presente una cierta variación de esta magnitud en función de la temperatura. Así, por ejemplo, en un proceso de fabricación manual es deseable, en general, que el vidrio mantenga su moldeabilidad a lo largo de un intervalo de temperatura relativamente amplio. Por el contrario, en un proceso de fabricación automática, el vidrio sólo debe permanecer en estado plástico durante los pocos segundos que dura su conformación. Una vez que aquél haya tomado su forma final, debe alcanzar el estado rígido con toda la rapidez que exija su cadencia de fabricación. De acuerdo con la amplitud del intervalo térmico de moldeabilidad delimitado entre las temperaturas correspondientes a 103 y 106 dPa.s, se acostumbra según la jerga vidriera, a clasificar a los vidrios en largos y cortos. Si este intervalo es superior a unos 400 ºC, el vidrio se considera largo y, si es menor, se considera corto ( Figura 1.1). Otra propiedad del vidrio, que desempeña un papel fundamental durante su conformación en estado plástico, es la tensión superficial. Los valores que adopta esta magnitud dentro del intervalo de moldeabilidad son relativamente elevados en comparación con los que presentan otros líquidos y fundidos y dan lugar a una fuerte retracción superficial. Este comportamiento resulta favorable para algunos procesos de fabricación y para determinados tratamientos del vidrio, como son la obtención de fibra, el estirado en forma de tubo y de varilla, el trabajo al soplete, el pulido al fuego, el redondeado de cantos y aristas, etc. Por el contrario, en otros procesos, como el de estirado de vidrio plano, las fuerzas originadas por la tensión superficial se manifiestan de forma adversa, tendiendo a producir una contracción transversal de la hoja, para evitar lo cual se requiere que ésta sea rápidamente enfriada por sus bordes al emerger del vidrio fundido.
En la fabricación manual del vidrio, el dominio de la tensión superficial resulta especialmente importante. Si bien unas veces ésta juega a favor de la forma de la pieza, otras, se opone a ella, y el operario debe entonces contrarrestar sus efectos, bien centrífugamente imprimiéndola un movimiento rotatorio, bien mediante sucesivos golpes de soplado o bien mediante otras manipulaciones adecuadas. La transferencia térmica del vidrio durante su conformación requiere asimismo la mayor atención, particularmente en la fabricación automática de vidrio hueco, donde puede llegar incluso a constituir un factor limitativo en máquinas de elevada cadencia de producción, ya que, en los escasos segundos en que el vidrio se halla en contacto con el molde, su temperatura debe descender desde unos 1100 ºC hasta unos J , resulta 500 ºC. Tomando como calor específico del vidrio en este intervalo un valor medio de 103 kg .K que la cantidad de calor que debe disipar una pieza de unos 0.65 Kg de masa, a través de las paredes del molde, es aproximadamente de 400 kJ.
Figura 1.1.- Curvas de viscosidad-temperatura de un vidrio corto (1) y de un vidrio largo (2). La variación de la viscosidad de un vidrio en función de la temperatura discurre según una curva en forma de S como la que se representa en la figura 1.2.
Figura 1.2.-Curva característica de viscosidad-temperatura con indicación de los principales puntos fijos e intervalos de viscosidad. 2.- Fabricación de vidrio hueco. Si se exceptúa el primitivo procedimiento empleado por los egipcios para la obtención de pequeños recipientes, por recubrimiento de un núcleo de arena o de arcilla con vidrio en estado plástico, puede decirse que la fabricación de cualquier objeto de vidrio hueco se efectúa por soplado, bien sea a boca, bien sea mecánicamente, por prensado por una combinación de ambos procedimientos, según se resume en la tabla 2.1.
TABLA 2.1.- PROCEDIMIENTOS DE FABRICACION DE VIDRIO HUECO.
Estos tipos de procedimiento no son los utilizados para la fabricación del vidrio plano, que es el que usa en la construcción. 2.1.- Procedimiento de soplado a boca. La invención de la caña de soplar vidrio, empleada por vez primera hace veinte siglos, supuso una de las innovaciones más revolucionarias de todos los sistemas de conformación del vidrio. Ni instrumentalmente ni operativamente puede decirse que el procedimiento de soplado a boca haya experimentado variación sensible a lo largo de su milenaria historia. La caña consiste en un tubo metálico de aproximadamente 1.50 m de longitud con una embocadura para soplar en un extremo y con un ensanchamiento en el otro. En su tercio superior lleva una parte recubierta por una protección de madera que le permite al operario empuñarla con comodidad y sin quemarse. En la fase inicial, que recibe el nombre de levantado del vidrio, la caña se introduce ligeramente por su extremo ensanchado, en el vidrio fundido y se toma una pequeña cantidad de éste, denominada posta, que se distribuye uniformemente alrededor de la caña haciéndola girar. A continuación se le da forma dentro de un premolde y se sopla en su interior una pequeña cantidad de aire para configurar el paresón o forma preliminar de la pieza. En caso de que se desee aumentar su espesor, se sumerge el paresón en el fundido cuantas veces sea necesario y se repiten otras tantas las operaciones anteriores. El paresón, que por efecto de la gravedad y de los calentamientos sucesivos va experimentando un alargamiento, se introduce en un molde de madera o de hierro fundido, en cuyo interior recibe el soplado que da al vidrio su forma definitiva. Cuando la pieza tiene una simetría de revolución, se hace girar la caña con el vidrio dentro del molde con el fin de conseguir un espesor lo más uniforme posible. El soplado a boca ha quedado reservado en la actualidad sólo para piezas de artesanía o para la fabricación de series cortas. La gran producción en serie se realiza por los distintos procedimientos automáticos que se describen a continuación.
2.2.- Procedimiento de succión -soplado . La primera máquina para la fabricación automática de botellas creada por Owens en 1899 supuso un importantísimo avance para la industria del vidrio hueco. Su funcionamiento parte de la idea fundamental de efectuar la toma del vidrio por succión directa de la masa fundida a través de la base del premolde. La máquina consta de una plataforma circular de unos 5 m de diámetro, alrededor de la cual van montados varios brazos móviles, provisto cada uno de ellos de un molde preliminar y de un molde de acabado. El proceso de fabricación ( Figura 2.2.1 ) se inicia con la succión del vidrio contenido en el antecuerpo de una cuba circular que se mantiene en movimiento giratorio a razón de 1 a 3 revoluciones por minuto y que cuenta con un sistema propio de calefacción para mantener el vidrio a la temperatura de trabajo. Esta cuba es alimentada a su vez por rebosamiento desde un horno balsa. Para efectuar la toma se sumerge el premolde ligeramente en el vidrio fundido y, al hacerse vacío en él, el vidrio asciende hasta llenarle por completo. A continuación se retira el premolde de la superficie del baño, al propio tiempo que una cuchilla deslizante le cierra por su parte inferior. En la etapa siguiente se inserta la cabeza de soplado, se inyecta un poco de aire a través de ella, el molde se abre, separándose sus dos mitades y la forma preliminar o paresón, que durante un instante queda suspendido libremente, experimenta bajo su propio peso un alargamiento antes de ser recogido por el molde de acabado donde recibe el soplado final. Por último, el molde se abre y la botella pasa a la cadena de recocido. Con una máquina de diez brazos, de estas características, se pueden fabricar, dependiendo del peso de la botella, de 8000 a 12000 piezas por hora.
Figura 2.2.1.- Etapas de trabajo de una máquina Owens. .
2.3.- Procedimiento de alimentación por gota. Los inconvenientes que presenta la alimentación por succión quedaron superados en el sistema de alimentación por gota, que se ha impuesto ampliamente en los últimos años. El vidrio es conducido desde el horno hasta la máquina de moldeado a través de un canal horizontal («feeder»), cuya longitud puede variar entre 3 y 10 m. A lo largo de su recorrido por él, se acondiciona térmicamente el vidrio mediante una serie de mecheros dispuestos transversalmente. La temperatura puede llegar a regularse con una precisión de ± 0.5 ºC. Esta constancia es esencial, ya que pequeñas diferencias de temperatura pueden hacer variar apreciablemente la viscosidad y con ella, el tamaño de la gota y el peso de la botella. El canal de alimentación desemboca en un orificio cuya abertura se puede regular adaptándole anillos calibrados de diferente diámetro. Encima de dicho orificio va colocado un tubo refractario y dentro de él un punzón o aguja que, dotada de un movimiento alternativo en la dirección de su eje, regula la velocidad de goteo del vidrio. El cierre del orificio se produce por una cizalla con un movimiento intermitente que va cortando las gotas (Figura 2.3.1 ). Este sistema de alimentación permite disponer, a partir de un mismo horno, de varios canales que alimenten simultáneamente a otras tantas máquinas colocadas debajo de cada uno de ellos. La alimentación por gota reúne además las ventajas de permitir una dosificación mucho más precisa, requerir menor peso de vidrio para un mismo tamaño y proporcionar una cadencia más rápida de fabricación. Una innovación de gran valor recientemente introducida en este sistema es la posibilidad de efectuar la coloración del vidrio directamente en el canal mediante el empleo de fritas concentradas de color y baja fusibilidad, que se incorporen homogéneamente al vidrio y con la rapidez que exige el relativamente breve recorrido de éste a través del canal. De este modo se dispone de una mayor autonomía de producción al poder obtener simultáneamente, a partir de un mismo vidrio base, vidrios de diferentes colores, sin tener que recurrir a la larga y costosa renovación del contenido total del horno balsa que antes exigía cada cambio de color.
Figura 2.3.1 .- Sistema de alimentación por gota.
2.4.- Procedimiento de soplado-soplado. Salvando las diferencias debidas a las características propias de construcción de cada uno de estos tipos de máquinas, todas ellas coinciden en la realización de un ciclo de trabajo muy semejante que, tal como ilustra la figura 2.4.1, correspondiente a una antigua máquina Hartford IS, puede dividirse en las etapas siguientes.
Figura 2.4.1.-Etapas de trabajo de una antigua máquina Hartford IS. Las gotas de vidrio que caen del canal de alimentación son recogidas por un canal móvil que siguiendo un orden determinado las conduce sucesivamente hacia cada uno de los moldes preliminares de la máquina. Estos, colocados en posición invertida, reciben la gota y, a continuación, son obturados por una cabeza sopladora que inyecta un breve golpe de aire para facilitar la penetración de la gota hasta el fondo del premolde, mismo tiempo que un punzón situado en la parte inferior forma la boca de la botella. En la fase siguiente se retira el punzón y se efectúa una segunda inyección de aire por la parte inferior del premolde para proyectar el vidrio contra sus paredes formando el preliminar. Un momento después se abre el premolde y un brazo mecánico toma al preliminar por su boca y le transfiere invirtiendo su posición al molde de acabado. En éste vuelve a calentarse el vidrio aprovechando su propio calor, recibe un nuevo soplado, que le da su forma definitiva, y experimenta un enfriamiento suficiente para evitar cualquier deformación de la pieza que pudiera producirse a su salida del molde. Finalmente la botella terminada es colocada sobre la cinta transportadora que la conduce al arca de recocido. En las primitivas máquinas Lynch y O’Neill (Figura 2.4.2) los premoldes se hallan situados sobre una plataforma circular que gira en un plano horizontal tangencialmente a otra plataforma que porta los moldes de acabado. Ambas plataformas giran sincronizadamente con un movimiento intermitente, avanzando en cada paso una fracción de vuelta igual al inverso del número de moldes que contenga (normalmente 6 u 8). Todos los moldes de cada plataforma van pasando sucesivamente por las distintas etapas del proceso hasta completar el ciclo.
Figura 2.4.2.-Etapas de trabajo de una antigua máquina Lynch 10. En su posición inicial cada premolde recibe la gota de vidrio y, tras detenerse brevemente, avanza otra fracción de vuelta y llega a su segunda posición, en la que mediante una inyección de aire se forma el paresón. A continuación el premolde comienza a abrirse al mismo tiempo que se calienta superficialmente el paresón. En la posición siguiente llega al punto de encuentro con la otra plataforma, se produce su apertura total y la cesión del paresón a uno de los moldes de acabado de la plataforma contigua. Mientras el molde preliminar, ya vacío, prosigue su recorrido enfriándose y recibiendo una lubricación interior antes de volver a tomar otra gota de vidrio para iniciar un nuevo ciclo, el paresón, recogido por el molde de acabado, continúa su avance por la segunda plataforma, en la que recibe el soplado final a lo largo de las tres etapas siguientes. En la última posición el molde se abre bruscamente y la botella es recogida por unas pinzas que la colocan sobre la cadena de recocido. No es necesario decir que todos los movimientos de apertura y cierre de los moldes han de guardar un perfecto sincronismo y que el balance térmico de los moldes debe estar cuidadosamente controlado. Otras máquinas de funcionamiento análogo a las anteriores son las del tipo Roirant, de nacionalidad belga. Se trata también de máquinas circulares rotatorias, pero, a diferencia de las anteriores, dotadas de movimiento continuo. Su característica principal es la de tener dos plataformas coaxiales situadas a distinta altura. En la superior se hallan los premoldes distribuidos periféricamente y en la inferior, debajo de éstos yen igual número, los moldes de acabado. El ciclo de fabricación es por lo demás semejante al de los otros tipos de máquinas descritas. Diferentes de las anteriores son las llamadas máquinas de secciones, caracterizadas porque los moldes, en vez de situarse guardando una disposición circular, se hallan colocados en línea. Cada sección cuenta con el correspondiente juego de moldes y con los dispositivos mecánicos precisos para transferir la pieza de uno a otro. Los modelos más frecuentes de este tipo de máquinas son el Lynch 44 de cuatro secciones y el Hartford I.S. de seis secciones.
2.5.- Procedimiento de prensado-soplado. Este procedimiento se emplea para la fabricación de envases de boca ancha y de paredes relativamente delgadas, tales como tarros, vasos, etc. Se diferencia de los otros procedimientos de soplado - soplado en que la primera fase de conformación de la pieza en el molde preliminar se realiza por prensado en lugar de por soplado. El paresón así formado recibe después su forma definitiva por soplado en un molde de acabado. En cuanto a la forma de efectuar la segunda etapa del proceso existen dos métodos diferentes, el de Arbogast, en el que el paresón es trasladado al segundo molde para ser soplado, y el de Windmill, en el que el paresón permanece fijo y es el molde de acabado el que se traslada hasta aquél. El segundo método ha sido el más empleado y el que ha servido de base de partida para el desarrollo de las máquinas automáticas de fabricación más modernas, tales como la Póting, Lynch JP y Hartford M 28. Las etapas sucesivas del funcionamiento de esta última se representan en la figura 2.5.1.
Figura 2.5.1.- Etapas de trabajo de una máquina Hartford 28. 2.6.- Procedimiento de laminado - soplado . Entre los variados tipos de máquinas empleadas para la fabricación de piezas de vidrio hueco de paredes delgadas destaca muy especialmente la máquina de banda continua desarrollada por Corning para la fabricación de bombillas ( Figura 2.6.1). La máquina recibe, a través de un pequeño orificio del canal de alimentación, un chorro continuo de vidrio de 25 mm de diámetro, cuyo caudal puede regularse variando la profundidad de inmersión de un punzón. Este chorro incide directamente entre dos pequeños rodillos laminadores que le transforman en una banda continua de vidrio.
El rodillo derecho lleva grabadas unas depresiones en su superficie, las cuales actúan como pequeños moldes que forman alternativamente sobre la banda de vidrio unas protuberancias. Esta banda cae sobre una cadena sin fin horizontal, de unos 10 m de longitud, constituida por una serie de placas que llevan en su centro un orificio de 25 mm de diámetro. Por encima de esta cadena y sincronizada con ella discurre paralelamente otra cinta sin fin con las cabezas sopladoras, y por debajo se desliza, manteniendo también su sincronismo y paralelismo con las otras dos, una tercera cinta sobre la que van colocados los correspondientes moldes. Cuando la banda premoldeada de vidrio es recogida por la cadena de placas perforadas, queda colocada de tal manera que sus abultamientos coincidan exactamente con tales perforaciones y queden dispuestos para ser soplados. Los paresones, formados tras un ligero soplado previo al aire, son recibidos inmediatamente después por los moldes abiertos que porta la banda inferior, y dentro de ellos toman su forma definitiva. Una vez cumplida su misión, los moldes vuelven a abrirse y las piezas formadas, todavía adheridas al vidrio ya rígido de la banda, continúan su avance suspendidas de ésta. Al final de su recorrido las piezas son arrancadas de la banda mediante un dispositivo colector y llevadas a la cadena de recocido. Durante su trayecto de retorno los moldes se refrigeran exteriormente con agua e interiormente se lubrican con una suspensión especial de grafito. El tiempo empleado por el vidrio en efectuar el recorrido de un extremo a otro le la cinta es de 8 a 12 segundos y la producción de la máquina alcanza de 50000 a 80000 piezas por hora.
Figura 2.6.1.- Procedimiento Corning de fabricación en cinta continúa de piezas de paredes delgadas.
2.7.- Procedimiento de centrifugado. De concepción elemental y de ejecución relativamente simple, la conformación por procedimiento se realiza recogiendo la gota del fundido procedente del canal de alimentación sobre un molde en movimiento giratorio. El vidrio fluido se proyecta por acción de la fuerza centrífuga contra las paredes del molde. Las principales ventajas, además de su sencillez, que ofrece este método, son el uniforme espesor de las piezas fabricadas, conseguido gracias a la regular distribución de materia y, sobre todo, la excelente textura de su superficie superior virgen de todo contacto mecánico. El empleo de esta técnica de fabricación resulta especialmente recomendable para la conformación de piezas de gran tamaño y de forma preferentemente cónica o cilíndrica, como son los cuellos de las pantallas de televisión y algunos tubos para conducciones químicas industriales, aunque también se aplica a la producción de platos, cuencos y otras piezas de vajilla y objetos artísticos. Como primer y más remoto antecedente de la conformación por centrifugado sin molde puede considerarse la fabricación manual de vidrio plano en forma de discos o coronas obtenidos por soplado y rotación. 3.- Fabricación de vidrio plano. Bajo la denominación de vidrio plano se incluye todo aquél que haya sido conformado en forma laminar. Las láminas no tienen que ser rigurosamente planas, sino que pueden estar curvadas o presentar un relieve impreso en su superficie. Con arreglo a su procedimiento de fabricación el vidrio plano puede clasificarse en la forma indicada en la tabla 3.1. TABLA 3.1.- PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN DE VIDRIO PLANO
De los procedimientos anteriores el más utilizado hoy en día es de flotado. 3.1.- Procedimiento de soplado a boca. La fabricación de vidrio plano soplado, que actualmente no posee más significación que la de su importante valor histórico, se mantuvo, sin embargo, hasta épocas recientes como el único sistema de producción de este tipo de vidrio, exceptuando la relativamente baja proporción de vidrio colado destinado en su mayoría a la obtención de espejos.
El procedimiento más primitivo de soplado de vidrio plano, el de soplado en discos o en coronas, cuya vacilante iniciación se produjo con toda probabilidad en los talleres de los vidrieros de Sidón a principios de la Era Cristiana, no alcanzó, sin embargo, su apogeo hasta la Edad Media en manos de los vidrieros normandos. En algunos países, como Gran Bretaña, este procedimiento ha continuado en vigor con el nombre de «crownglass» hasta finales del siglo pasado. La denominación de «crownglass» empleada para designar los discos de vidrio soplado no tiene ninguna relación con el tipo de vidrio óptico al que se acostumbra a dar el mismo nombre. El otro procedimiento de soplado de vidrio plano, que ha alcanzado mayor difusión que el anterior y que continúa empleándose incluso en nuestros días, si bien a escala reducida de producción artesanal especial, es el de soplado en cilindros o manchones, cuyos orígenes se remontan al siglo X . Mediante este procedimiento se han llegado a obtener hojas de vidrio de 2 por 0.75 m, lo que supone el soplado y el manejo de manchones de un peso superior a 40 kg que dan idea de las especiales facultades físicas y de la destreza que habían de lucir los sufridos y esforzados manchoneros. 3.2.- Procedimiento de soplado mecánico. El soplado a boca pudo ser reemplazado a principios de este siglo por el primer procedimiento de fabricación mecánica semicontinua, consistente en un sistema mixto de soplado y estirado, cuyos iniciadores fueron Lubber en Estados Unidos y Sievert en Alemania. Los grandes crisoles llenos de vidrio fundido se situaban debajo de la máquina de estirado constituida por una elevada torreta, a lo largo de la cual se deslizaba un tubo telescópico, en cuya parte inferior se hallaba situada una caña con su boca ensanchada en forma de copa invertida. Para iniciar la operación de estirado se sumergía el borde de la caña en el crisol y a continuación se extraía el vidrio elevando el tubo lentamente, al propio tiempo que se inyectaba por la caña aire a presión. De esta forma era posible 1 tirar cilindros de más de 10 m de altura y de 0.80 m de diámetro. Cuando el cilindro alcanzaba la longitud deseada, se cortaba por su parte inferior, se separaba de la caña se recomenzaba el estirado de un nuevo cilindro. Los cilindros obtenidos se seccionaban a la longitud deseada y a continuación se cortaban a lo largo de una generatriz, se extendían, lo mismo que los manchones soplas a boca, y se recocían las láminas. 3.3.- Procedimientos de estirado mecánico . La idea de fabricar una hoja de vidrio por un procedimiento de estirado mecánico fue desarrollada casi simultáneamente en Bélgica por Fourcault (1902) y en Estados Unidos por Colburn (1903). La finalidad perseguida en ambos casos era conseguir extraer verticalmente, a partir de un baño de vidrio fundido, contenido en un horno balsa, una lámina rectangular continua de vidrio que, inmediatamente después de emerger, fuese cuidadosamente enfriada para evitar su deformación. 3.3.1.- Sistema Colburn — Libbey-Owens . En el procedimiento ideado por Colburn y explotado industrialmente después de has vicisitudes por la firma Libbey-Owens, la hoja nace directamente de la superficie del vidrio fundido, según muestra la figura 3.3.1.1. Dos parejas de pequeños rodillos dentados, refrigerados por agua, sujetan la lámina por sus bordes y ejercen sobre ella una tracción ascendente. Tras un breve recorrido de unos 60 a 70 cm a lo largo cual la hoja recién formada disipa parte de su calor, pasando entre dos pantallas metálicas refrigeradas, es doblada en ángulo recto sobre un rodillo de acero pulido y, a partir de ese momento, prosigue su avance en dirección horizontal a través de un largo túnel o canal de enfriamiento de unos 60 m deslizándose bajo su propio peso sobre una serie de rodillos transportadores forrados de asbesto.
La velocidad de estirado se hace variar inversamente al espesor que se desee obtener de acuerdo con la expresión:
vd n = K siendo v la velocidad de estirado, d el espesor de la lámina y K una constante propia de cada instalación. Para un espesor de 3 mm la velocidad de estirado suele variar, por término medio, entre 90 y 120 m/h.
Figura 3.3.1.1.- Sistema ColburnLibbey-Owens de estirado de vidrio plano. El procedimiento Libbey-Owens permite fabricar una amplia gama de espesores, que pueden llegar a ser inferiores a 1 mm, con un rendimiento muy elevado. Sin embargo, las numerosas complicaciones mecánicas que encierra el sistema de estirado y el delicado mantenimiento de la instalación que exige, entre otras precauciones, una periódica y frecuente renovación del rodillo pulimentado de acero, han hecho caer en desuso este procedimiento y apenas se emplea ya en la actualidad. 3.3.2.- Sistema Fourcault. En este procedimiento la hoja de vidrio emerge de la masa fundida a través de la rendija de una pieza alargada de material refractario, llamada distribuidor, que se halla parcialmente sumergida en el vidrio ( Figura 3.3.2.1 ). Por efecto de la presión hidrostática que ejerce el vidrio fundido, éste penetra por la rendija formando una cresta o burlete que sirve de arranque a la hoja plástica de vidrio. El espesor de este burlete de vidrio depende del tamaño de la rendija, de la profundidad de inmersión del distribuidor y de la viscosidad del vidrio. El estirado de la hoja se inicia mediante un bastidor metálico especial que se sumerge en el vidrio fundido. A fin de evitar la retracción transversal de la lámina recién formada, que se produciría por efecto de su tensión superficial, y para mantener constante su espesor, se enfría lateralmente mediante dos cilindros refrigerantes. El avance de la lámina de vidrio, en este caso, transcurre verticalmente en todo su recorrido a largo de la cámara de estirado, donde es elevada por varios juegos de rodillos de ¡cero protegidos con asbesto (figura 3.3.2.1). En su camino ascendente se produce un recocido del vidrio por enfriamiento lento y gradual, desde una temperatura de unos 950 0C que tiene en el momento de su extracción, hasta la de unos 1000C que alcanza al final de la cámara. La velocidad de enfriamiento puede regularse variando la ventilación de cámara a través de las pequeñas ventanas situadas a ambos lados de la misma. Cuando el borde libre de la lámina alcanza una determinada altura, se efectúa el de la hoja, bien manualmente o mediante un sistema mecánico.
Lo mismo que en el procedimiento descrito anteriormente, el espesor de la lámina vidrio puede modificarse variando la velocidad de estirado. Esta depende, a su vez, en gran medida, de la viscosidad del vidrio fundido, que para mantenerse dentro de límites adecuados requiere temperaturas relativamente bajas (9000—9500C). Este intervalo resulta bastante crítico, dada su proximidad a la temperatura de cristalización este tipo de vidrios, por lo que no es rara la formación de importantes desvitrificaciones en los pozos de estirado, las cuales pueden perturbar gravemente el proceso de fabricación. Otro defecto relativamente frecuente del vidrio estirado por este procedimiento es el de la aparición de finas cuerdas o estrías en la dirección del estirado (peine) que alteran su calidad óptima y que son debidas al efecto contaminante que resulta de la lenta disolución del material refractario del distribuidor, favorecida por la continuada abrasión del vidrio fundido.
Figura 3.3.2.1.- Sistema Fourcault de estirado de vidrio plano. 3.3.3.- Sistema Pittsburg. Este procedimiento, que toma su nombre de la ciudad norteamericana donde se desarrolló y empezó a emplearse poco después de la primera guerra mundial, tiene en común con el procedimiento Fourcault el sistema de estirado, pero se diferencia fundamentalmente de él en que, asemejándose al procedimiento de Colburn, carece de distribuidor. En su lugar existe una pieza de material refractario, denominada barra de estirado, totalmente sumergida en el vidrio a unos 70 mm por debajo de su nivel y situada inmediatamente debajo de la línea de estirado ( figura 3.3.3.1). Esta pieza actúa como una pantalla térmica que protege a la hoja de vidrio en la línea de su iniciación, a la vez que permite el mantenimiento de una temperatura más elevada del vidrio en el pozo de estirado, reduciendo el riesgo de que se produzcan desvitrificaciones. Al salir del baño fundido, la hoja pasa entre unos refrigerantes metálicos enfriados por una intensa corriente de aire y alcanza su rigidez antes de que pueda iniciarse su retracción.
De los tres procedimientos de estirado descritos, es éste el que proporciona mejor calidad y más alto rendimiento. La mayor temperatura de trabajo, además de favorecer la homogeneidad del vidrio y de disminuir su tendencia a desvitrificar, permite rebajar apreciablemente la proporción de álcali en su composición y, por consiguiente, mejorar su estabilidad química y mecánica.
Figura 3.3.3.1 .- Sistema Pittsburgh de estirado de vidrio plano. 3.4.- Procedimiento de colado discontinuo. Otra concepción de la fabricación de vidrio plano, completamente diferente de las hasta aquí expuestas y que con el tiempo habría de marcar la más importante de sus directrices de producción, fue la de colar el vidrio fundido contenido en un crisol, sobre una superficie plana pulimentada y laminarle a continuación mediante un rodillo metálico. La gruesa lámina de vidrio bruto así obtenida requería posteriormente un desbaste y pulido por ambas caras, a fin de eliminar todas sus irregularidades superficiales. Este procedimiento fue implantado por la Manufactura Real de espejos establecida en 1693 en la localidad de Saint Gobain y ha continuado empleándose desde entonces, con más o menos variantes, casi hasta nuestros días. Al final de la primera guerra mundial introdujo Bicheroux en Alemania una importante innovación en este sistema, la cual consistía en colar el vidrio entre dos cilindros laminadores ( Figura 3.4.1 ). La colada de las tres toneladas de vidrio contenidas en un crisol basculante se realizaba sobre mesas deslizantes o sobre un tren de rodillos transportadores que conducían la hoja hasta el horno de recocido. La ventaja de este procedimiento, en comparación con el primitivo de un solo rodillo, estribaba en la posibilidad de obtener láminas de vidrio de menor espesor y más uniforme, lo que facilitaba la ulterior operación de desbaste y pulido y acortaba el tiempo la misma.
Figura 3.4.1.- Procedimiento Bicheroux de colado discontinuo. 3.5.- Procedimientos de laminado continuo. El desarrollo de los grandes hornos balsa en la década de los años veinte permitió la puesta en marcha de instalaciones de fabricación continua como las que ya venían funcionando en la industria de vidrio estirado. Así surgieron, casi al mismo tiempo los sistemas de Boudin en Francia y de la firma Ford en Estados Unidos. En tales instalaciones ( Figura 3.5.1) el vidrio fundido contenido en la balsa, una vez afinado, pasa a una zona de acondicionamiento térmico, llamada antecuerpo, sale al exterior rebosando por encima del labio de colada y continúa deslizándose sobre una pieza refractaria intercalada entre éste y la laminadora, que tiene por objeto repartir uniformemente la masa de vidrio entre los rodillos. La lámina de vidrio formada avanza horizontalmente a través de una larga extendería donde se produce su recocido y enfriamiento.
Figura 3.5.1.- Procedimiento Boudin de colado Continuo. 3.5.1.- Laminado impreso. La fabricación del vidrio laminado impreso es análoga a la anterior, de la que sólo se diferencia en que el rodillo inferior lleva grabado sobre su superficie el dibujo que se desea imprimir sobre la hoja de vidrio en estado plástico.
3.5.2.- Laminado armado. El proceso de fabricación del vidrio armado tiene por objeto embutir en la lámina, mientras ésta se halla todavía en estado viscoso, una malla metálica, cuya finalidad es la de mantener adheridos los fragmentos de vidrio en caso de que se produjera una rotura durante su uso. La embutición de la lámina puede realizarse por varios procedimientos. Uno de los más empleados es el debido a Pilkington ( Figura 3.5.2.1 ), en el que la máquina cuenta con dos parejas de rodillos laminadores y el vidrio sufre dos laminaciones sucesivas, entre las cuales recibe la tela metálica. En otro procedimiento se deja formar una pequeña acumulación de vidrio delante del rodillo superior a través de la cual se hace penetrar la malla metálica.
Figura 3.5.2.1.- Procedimiento Pilkington de fabricación de vidrio laminado armado. 3.5.3.- Laminado pulido. El vidrio plano fabricado por colada y laminación resulta translúcido y con numerosas irregularidades superficiales por ambas caras. Este producto intermedio de fabricación, denominado hoja bruta, requiere ser sometido por ambas caras a un proceso de desbaste y pulido para alcanzar la planicidad, el paralelismo y el grado de transparencia, exenta de cualquier distorsión óptica, que exigen los usos a los que va a ser destinado (espejos, acristalamiento de vehículos, etc.). Las operaciones de desbaste y pulido se efectuaron manualmente hasta mediados del siglo pasado, en que entraron en servicio los primeros sistemas mecánicos industriales. En un principio se emplearon unas plataformas o mesas circulares de gran diámetro, giratorias alrededor de un eje vertical, a las cuales se fijaba con yeso la hoja de vidrio. Sobre ésta se aplicaban unos pesados platos de fundición de hierro que se hacían girar suspendidos de un eje vertical excéntrico con respecto al de la mesa. Entre los platos y la hoja se interponían unos discos denominados ferrasas a los que se hacía llegar, como material abrasivo, una suspensión de arena en agua. El sistema era discontinuo y lento, y el desbaste se conseguía variando de un modo gradual la carga aplicada a los platos y el tamaño de grano de la arena empleada. En los años veinte estas etapas sucesivas consiguieron transformarse en un proceso ininterrumpido efectuándose en un tren de desbaste y pulido continuo (D.P.C.). Este tren estaba formado por una cadena de mesas rectangulares de avance horizontal. Al principio de la cadena las hojas de vidrio se fijaban con yeso a las mesas que, a lo largo de su recorrido, iban pasando bajo la serie de ferrasas sucesivas, cada una de las cuales estaba sometida a una determinada velocidad de giro, regulada a una presión y alimentada por una suspensión abrasiva la granulometría adecuada a cada etapa.
Una vez efectuado el desbaste y pulido por una cara, se volvía a repetir el proceso por la otra cara. El sistema D.P.C. fue desplazado después de la segunda guerra mundial por la importante innovación tecnológica que supuso el sistema conocido internacionalmente por nombre inglés de origen, «twin» (gemelos), que hace referencia a la simultaneidad que tiene lugar la operación de desbaste por ambas caras. La instalación consta de un conjunto de elementos dobles de desbaste, provistos de una cabeza superior y otra inferior, colocados en serie, y a través de los cuales se hace avanzar la hoja vidrio que, a lo largo de su recorrido, va encontrándose con un material abrasivo de tamaño de grano gradualmente menor. Finalizado su desbaste, el vidrio ofrece un aspecto mate, debido a la multitud de pequeñas fisuras y finos arañazos superficiales que deben ser eliminados mediante un subsiguiente tratamiento de pulido llevado a cabo con una suspensión acuosa de óxido férrico denominada potea. Los procesos de pulido y de desbaste han ido evolucionando y perfeccionándose técnicamente en el transcurso del tiempo. Sucesivamente el pulido manual fue desplazado por el realizado sobre mesas giratorias, y éstas no tardaron en ser sustituidas por un tren de pulido continuo. El doble pulido simultáneo de la hoja de vidrio por ambas caras encontró numerosas dificultades en sus primeras tentativas y ello determinó que el proceso de pulido continuo por una sola cara (sistema Delloye) siguiera empleándose aún varios años después de haberse impuesto el proceso de desbaste «twin». No obstante, las dificultades fueron superadas y en los últimos años se instalaron con éxito dos sistemas dobles de pulido continuo (sistema Duplex y sistema Jusant) de funcionamiento análogo al del «twin». Los trenes continuos, tanto de desbaste como de pulido, requieren una elevada inversión económica, unas rigurosas exigencias de funcionamiento, grandes costes de mantenimiento y un alto consumo energético que han determinado no hace muchos años su sustitución por el sistema de vidrio flotado. 3.6.- Procedimiento de flotado. 3.6.1.- Introducción (Figura 3.6.1.1). En el año 1959 y tras un gran esfuerzo tecnológico, la firma británica Pilkington Brothers dio a conocer un nuevo procedimiento de fabricación de vidrio plano por el método de flotado que había de constituir una auténtica revolución industrial de este sector, ya que en la actualidad prácticamente todos los vidrios usados en la construcción son fabricados por flotado. La importante y original aportación de este procedimiento radica en la posibilidad de obtener directamente una lámina de vidrio pulida por ambas caras, sin necesidad de ser sometida a ninguna operación posterior de desbaste y pulido. El vidrio adquiere por su cara superior un pulido al fuego y por la inferior, el pulido especular que le comunica la superficie libre del baño de estaño fundido sobre el que se desliza. Para proteger al estaño de su oxidación es preciso mantener en la cámara una atmósfera reductora que se consigue haciendo pasar una corriente de nitrógeno con un 0.5 % de hidrógeno. Después de afinado y acondicionado térmico el vidrio pasa del horno hasta el "spout” a través del canal. En este la solera, a un nivel superior a la del horno, está provista de una cámara de refrigeración por aire forzado con posibilidad de regulación, al objeto de poder modificar la temperatura del vidrio de fondo.
3.6.1.1.- Procedimiento de fabricación de vidrio plano flotado. Un grupo de quemadores SCAT, va montado sobre registros en las paredes laterales. Este grupo se manda en automático en función de las temperaturas leídas por una serie de lunetas de radiación instaladas en la bóveda, y su comparación con las de consigna. Todo este equipo permite realizar un perfecto acondicionamiento térmico del vidrio que llega al "spout". 3.6.2.- Proceso de fabricación. Después del canal el vidrio pasa al Spout, el cual va equipado con dos compuertas suspendidas de postes y de altura variable, encargadas de regular la cantidad de vidrio que se aporta al baño. Estas dos piezas se denominan utilizando la terminología inglesa Back Tweel y Front Tweel, la primera generalmente está levantada sin tocar el vidrio y actúa como reserva y para roturas de la segunda, que es la que normalmente efectúa la regulación. El spout termina en una pieza en forma de vertedero, denominada spout lip, por la que el vidrio se vierte en el baño Float propiamente dicho. En la figura 3.6.2.1 se muestra una vista lateral del conjunto.
Figura 3.6.2.1- Sección longitudinal del Spout. El baño float propiamente dicho cuya planta y secciones pueden verse en la figura 3.6.2.2, es de material refractario con un revestimiento metálico exterior. Pueden distinguirse dos partes bien diferenciadas: la cuba o "cassing"
y
el techo.
La cuba apoyada sobre pilares, contiene el metal fundido sobre el que flotará el vidrio dando nombre al procedimiento. El techo, totalmente independiente de la cuba, está colgado de una estructura metálica, el cierre entre las dos secciones se realiza por medio de unos cajetines metálicos simplemente encajados denominados "side sealing". Como referencia la longitud del baño está dividida en 18 hipotéticos tramos, denominados "bays". Para realizar el trabajo de soporte del vidrio, se necesitaba un metal que fuese líquido en el intervalo de temperaturas de 600 - 1000 ºC. y con una densidad mayor que la del vidrio, además la tensión de vapor del metal fundido a la temperatura de funcionamiento más elevada, debería ser lo más baja posible. Escogiendo entre los metales que se ajustaban a estas dos condiciones e incluyendo el precio, el estaño resultó ser el más idóneo. Además el estaño tiene la característica del débil (cercano a nulo) ángulo de mojado entre el vidrio y el. Pero incluso empleando estaño aparecen problemas químicos, cualquier escoria sólida que aparezca en la superficie del estaño en el extremo caliente del baño estropea la calidad de la lámina final obtenida. Afortunadamente no hay dificultad básica para conseguir una superficie de estaño - limpia a las temperaturas de funcionamiento más elevadas-, en las que el vidrio es blando y la superficie fácilmente dañable.
Figura 3.6.2.2.- Planta y secciones del baño.
Sin embargo cuanto el estaño se enfría, el contenido de oxígeno del mismo puede alcanzar fácilmente su valor de saturación, si la atmósfera del baño está contaminada con aire. Si el contenido de oxígeno del estaño está por encima de 5 p.p.m. cuando la temperatura baja a 600 ºC, el óxido de estaño sólido puede ser expulsado de la masa metálica fundida, ocasionando daños en la superficie inferior de la lámina en el extremo más frío del baño. Además del oxígeno, el estaño contiene azufre aportado por el vidrio. La presencia de pequeñas cantidades de oxígeno y azufre en el estaño, ocasionan la formación de sulfuros y óxidos en la atmósfera del baño que se condensa en el techo, y especialmente sobre las partes frías, refrigerantes, etc. La consiguiente reducción de estas condensaciones, produce microscópicas gotas de estaño que caen sobre la hoja, difundiéndose en el vidrio y originando el defecto denominado "top speck". De todo lo anteriormente expuesto se deduce que es necesario alimentar el baño con una atmósfera carente de oxígeno y mantener un cierre hermético para impedir la entrada del aire exterior. Se han escogido dos gases como componentes de la atmósfera a introducir en el baño, hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). El hidrógeno por ser un gas activo y reductor. Este gas en presencia de oxigeno (O2) reacciona con él si la temperatura es lo suficientemente alta. No obstante, el hidrógeno tiene la característica de ser explosivo en concentraciones superiores al 15% y a alta temperatura, se necesitaba pues mezclarlo con otro gas para mantener su concentración fuera de los límites peligrosos, para esta misión se utiliza en el nitrógeno. El nitrógeno, de fácil obtención y, por lo tanto, barato, no tiene ningún tipo de contraindicación con respecto al estaño fundido. Esto nos permite introducir en el bañó la cantidad necesaria para mantener en el interior una presión superior a la atmosférica, de forma que en los puntos de fuga la circulación se establezca del interior al exterior del baño impidiendo la entrada de aire. Los dos gases se emplean en proporciones distintas, oscilando la cantidad de hidrógeno entre el 5 y el 10 % del total. El baño está alimentado con esta atmósfera por una serie de tomas distribuidas en toda su longitud y que entran por el techo. Para conseguir el régimen térmico óptimo para la fabricación, a lo largo del baño en el techo del mismo, están instaladas una serie de resistencias eléctricas que aportan el calor suplementario necesario. Estas resistencias están agrupadas por zonas, cada una de las cuales tiene regulación independiente. En la figura 3.6.2.3 puede verse una planta del baño, con las 27 zonas de calefacción. Estas zonas a su vez se reúnen en cuatro tramos bien diferenciados entre sí por la misión a realizar. En sentido contrario a lo anteriormente expuesto, cuando se hace necesario reducir la temperatura en algún tramo, se introducen unos cajetines refrigerados por agua que atraviesan el baño y absorben el calor sobrante. El baño de estaño fundido es de unos 30 cm de profundidad y flotando sobre él se extiende y avanza el vidrio horizontalmente.
Figura 3.6.2.3.- Zonas de calefacción. La zona del baño, situada debajo del labio del spout, sobre la que cae el vidrio se denomina wet back área (w.b.a.). Esta zona constituye una de las claves de la fabricación float. Si su funcionamiento es correcto, el vidrio de fondo que ha viajado por el spout y el labio en contacto con el refractario y que, por lo tanto, está contaminado, es arrastrado por las corrientes creadas en esta zona hacia los laterales, de forma que aparecerá en el vidrio final sobre los 50 mm de cada borde, que en cualquier caso no son aprovechables. Si el funcionamiento no fuera correcto, el vidrio de fondo contaminado se repartiría por toda la hoja invalidando el total de la producción. El buen funcionamiento de la sección correspondiente a la wet back área, viene determinado por sus dimensiones. Estas y su funcionamiento esquemático, pueden verse en la figura 3.6.2.4. Dada la importancia de las dimensiones de esta sección, es imprescindible poder modificarlas en caliente para corregir desajustes por desgaste del refractario, etc. Para ello el labio está colgado por tensores y su altura se puede regular para corregir la cota. El alejamiento es asimismo regulable, sustituyendo la pieza w.b.t. por otra de la anchura precisa, operación que se realiza fácilmente en caliente. El vidrio fundido vertido por el labio sobre el estaño a unos 1000 ºC, y sometido exclusivamente a la acción de las fuerzas naturales, comienza a extenderse hasta que se alcanza el espesor de equilibrio a la vez que es suavemente conducido hacia la salida del baño, esta extensión cesa cuando el espesor alcanza los 7 mm por producirse en este punto el equilibrio de fuerzas. El espesor es función de las tensiones superficiales y densidades de los fluidos presentes. A partir de dicho momento la hoja mantiene este espesor y la correspondiente anchura, progresando a lo largo del baño en un régimen de temperatura descendente, hasta alcanzar los 900 ºC , zona en la cual por tener la viscosidad adecuada, el efecto de tracción de la extendería produce un estirado con la consiguiente pérdida de espesor y anchura, este estirado cesa cuando la temperatura de la hoja pasa a ser de 800 ºC. A partir de este punto el vidrio se acondiciona para que llegue a la salida del baño y entre en los rodillos a la temperatura de 600 ºC aproximadamente.
Figura 3.6.2.4.- Planta y sección de la wet back área. La salida de la hoja del baño es otro de los puntos claves de la fabricación Float. Es necesario hacer a la hoja despegar del estaño y pasar por encima del muro que cierra el baño impidiendo el derramamiento del mismo. Este muro final se denomina labio de salida. El problema se soluciona (Figura 3.6.2.5) colocando loa rodillos que arras tren la hoja a la salida del baño denominados L.O.R., a mayor altura que el nivel de estaño y que el labio. El nivel de los tres L.O.R. es ascendente desde el primero hasta el último, con objeto de que la curvatura que se obliga a tomar a la hoja seta lo más suave posible y no se rompa.
Figura 3.6.2.5.- Marquesina de salida y L. O. R.
La temperatura de salida es un factor importante, así si el vidrio está demasiado frío, se rompe al obligarlo a tomar la citada curvatura, rompiéndose con él la continuidad de la fabricación, pero si está demasiado caliente los L.O.R. producen marcas en la cara inferior invalidando la producción. El intervalo de temperatura en el que podemos movernos depende del espesor y la calidad requerida y oscila entre 585 y 620 ºC. En el grafico de la figura 3.6.2.6 se puede obtener la temperatura de salida normal y mínima en función del espesor.
Figura 3.6.2.6.- Temperatura de salida normal y mínima en función del espesor. Por el procedimiento anterior (Fabricación directa) , se pueden fabricar espesores próximos a los 6 mm, pero a partir de éstos hacia abajo se presenta un serio problema, pues al incrementar la velocidad de extendería, el aumento de estirado se traduce en una disminución de anchura, pero permaneciendo constante el espesor. El motivo de este comportamiento son precisamente las tensiones superficiales y las densidades que ahora obran en sentido contrario al anteriormente citado y tienden a llevar el espesor a los 7 mm, el efecto está favorecido por el hecho de que para estirar mucho la hoja hace falta calentar también mucho en la zona de estirado, con lo cual facilitamos la vuelta del vidrio al espesor de equilibrio. Por otra parte, si pretendiéramos obtener espesores por encima del de equilibrio, tampoco se tendría ninguna posibilidad de acción, puesto que por el procedimiento descrito, no se cuente con ningún elemento susceptible de oponerse a la flotación natural del vidrio en sentido lateral. Es por las limitaciones expuestas por lo que con la técnica de fabricación que nos ocupa, solo podemos fabricar espesores entre 5 y 6 mm, dependiendo el valor real obtenido dentro de estos límites de la velocidad de extendería que se utilice.
La necesidad de obtener espesores alejados del de equilibrio, en uno y otro sentido, ha conducido a introducir en el proceso elementos capaces de oponerse a la flotación natural del vidrio, esto se ha conseguido con las máquinas denominadas Top - Rolls (T. R.) Se trata en esencia de máquinas consistentes en una barra que gira accionada por un motor de velocidad variable, y cuyo extremo de trabajo va provisto de una rueda dentada que se "clava" en la cara superior del vidrio en los bordes de la hoja que flota. Su papel consiste en "sujetar" la lámina de vidrio impidiéndola flotar, es decir estrechar o ensanchar según el caso, obligándola a avanzar a la velocidad marcada por la máquina, consiguiendo de esta forma controlar a voluntad por medio de la regulación de velocidad de los Top Rolls, la tendencia del vidrio a volver al espesor de equilibrio. Los Top Rolls se utilizan siempre por parejas colocadas una sobre cada borde de la lamina de forma simétrica. El número de parejas a utilizar en cada uno, depende del espesor que se desee obtener, necesitándose mas pares de Top Rolls cuanto más nos alejemos del espesor de equilibrio en uno ú otro sentido. Con esta técnica se pueden obtener espesores entre 1.7 y 12 mm ambos inclusive, en condiciones industriales normales. Para obtener espesores superiores al de equilibrio, y fundamentalmente por encima de los 12 mm donde la técnica de Top Rolls está al límite de sus posibilidades, existe otro método de fabricación substancialmente distinto que es la técnica de barreras. El problema se nos plantea ahora en sentido contrario, se trata de conseguir espesores por encima de los 7 mm de equilibrio, por lo tanto no podemos permitir que el vidrio se extienda sobre el estaño a su libre albedrío. El procedimiento consiste en colocar desde la entrada del baño y a lo largo de éste, una serie de barreras refrigeradas de grafito, que forman una especie de canal en el centro por el que tiene que discurrir necesariamente el vidrio. Este canal tiene una anchura igual a la del vidrio final que queremos obtener, y es fácil comprender que con una anchura y un tonelaje definidos, el espesor obtenido será función de la velocidad con que la extendería arrastra la hoja dentro del baño. Las barreras de grafito se prolongan en el baño hasta el punto en que la temperatura sea 1o suficientemente baja (y por lo tanto la viscosidad alta), como para que la hoja de fuerte espesor formada, discurra a partir de aquel sin tender a esparcirse perdiendo espesor y ganando anchura. El número de barreras a utilizar es directamente proporcional al espesor y al tonelaje. Para mejor comprensión de todo lo expuesto, en la figura 3.6.2.7 esquemáticamente los tres tipos de fabricación.
pueden ver representados
Figura 3.6.2.7.- Esquemas de fabricación de luna flotada.
El control de la hoja en el baño, se realiza mediante la observación de la marcha en varios puntos claves por medio de cámaras de T.V. en circuito cerrado (Figura 3.6.2.8), que visualizan los puntos clave del interior del baño por medio de periscopios refrigerados introducidos en el mismo. Este control tiene tres aspectos distintos. El primero es cuidar que la hoja progrese en el baño sin que se produzcan desplazamientos laterales, etc, que podrían traer como consecuencia que el vidrio se pegara en las paredes, produciendo una avería. El segundo aspecto es corregir o compensar las posibles variaciones que se produzcan en velocidades de máquinas, extendería, temperatura de canal, etc. para mantener la estabilidad de la marcha. Por último vigilar la presencia de inclusiones sólidas en la hoja, infundidos, piedras, etc, que pueden originar problemas si no se toman las medidas oportunas.
Figura 3.6.2.8.- Control del nivel de la lámina de vidrio A la salida del baño float también se realiza el control de la anchura de la lámina de vidrio (Figura 3.6.2.9) Para el control térmico se realizan una serie de lecturas de temperaturas por medio de una serie de pares termoeléctricos (termopares), sumergidos en el estaño en varios puntos del baño y a ambos lados. Estas lecturas quedan registradas automáticamente en la sala de control del proceso. Estos controles tienen por objeto mantener la temperatura adecuada en cada punto a base de modificar cuando sea preciso la potencia de calefacción ó refrigeración.
Figura 3.6.2.9.- Control de la anchura de la lámina de vidrio
En la figura 3.6.2.10 está representada la curva en longitud de la temperatura de un baño de flotado.
Figura 3.6.2.10.- Temperatura del baño de flotado en función de la longitud. Reflecta float. Con esta técnica se produce un vidrio semireflectante, por depósito de una delgada película de silicio sobre la superficie superior de la lámina. El gas_silano (SiH4) en ausencia de oxígeno y agua y a temperaturas superiores a los 400 ºC, se descompone para formar -silicio elemental y producir hidrógeno como subproducto según la reacción pirolítica : SiH4
→ Si + 2H2
E1 método aprovecha las condiciones adecuadas que ofrece el baño Float en temperatura, atmósfera interior, etc., para provocar la reacción pirolítica y el consiguiente proceso de depósito. Básicamente el proceso consiste en distribuir uniformemente gas silano a un caudal y concentración adecuados sobre la lámina de vidrio, y permitir que el gas se descomponga formando un recubrimiento de silicio en la superficie superior. Se requiere un equipo adicional para control y regulación del gas silano, así como un aparato distribuidor para introducirlo en el baño y ponerlo en contacto con la hoja de vidrio (Figura 3.6.2.11).
Figura 3.6.2.11.- Esquema de fabricación de reflecta float. Posibilidades del proceso de flotado. Por el procedimiento Float puede fabricarse vidrio de variadas características en lo que se refiere a calidades, espesores, anchos y colores. El abanico de calidades abarca todas las existentes en luna, incluyendo por supuesto la más exigente que es la calidad para platear. Con las diversas técnicas Float se pueden fabricar espesores entre 1.7 y 19 mm.. Por el procedimiento de estirado directo, el más simple, se fabrica vidrio entre 5 y 6 mm de espesor. Este es fijo entre los límites indicados y depende del tonelaje, es decir de la velocidad de fabricación dada por la extendería. Introduciendo en la fabricación los Top Rolls se pueden obtener espesores entre 1.7 y 12 mm y con la variante de barreras la gama de espesores posibles se sitúa entre 8 y 19 mm. Con el equipo normal de fabricación el ancho útil puede variarse entre 2.70 y 3.30 m , en todos los casos. Con la utilización de medios especiales estos límites pueden ampliarse, sobrepasando los 4m. Por el procedimiento Float es factible fabricar cualquier tipo de color, por el sistema clásico de fundir en el horno unas materias primas que incluyan los correspondientes colorantes, y que consecuentemente darán lugar a un vidrio final con el color deseado. Obviamente las diferencias físico-químicas entre estos vidrios de diferentes colores, requieren ciertos retoques en las técnicas de flotado en uno u otro caso. Por medio de la técnica Reflecta Float se obtiene un vidrio semireflectante de tonalidad bronce. Tiene la ventaja de que el paso de incoloro a bronce y viceversa se realiza en pocas horas, en lugar de los 3 a 5 días que se tarda en realizar la coloración o decoloración por el procedimiento de incluir colorantes en las materias primas que se introducen en el horno.
3.6.3.- Técnica del estirado directo. La determinación de los parámetros de marcha en este tipo de fabricación, es la más simple y no ofrece, en principio, ninguna dificultad. El espesor en este tipo de fabricación y con un régimen térmico normal, depende exclusivamente de la velocidad. Se trata de fabricar un espesor E con una anchura A. Obtención de la velocidad. En el gráfico de la figura 3.6.3.1, están relacionados los parámetros espesor y velocidad en fabricación directa, por lo tanto, conocido el espesor E que deseamos obtener, se puede determinar el valor correspondiente a la velocidad de extenderia V.
Figura 3.6.3.1.- Espesor en la técnica de estirado directo en función de la velocidad . Calculo del tonelaje. La limitación del sistema de fabricación directa, consiste en que si espesor y ancho están prefijados por nuestras necesidades, y la velocidad es fija en función del espesor, no se puede fabricar a cualquier tonelaje, sino solo precisamente al que resulte de los valores reales de los tres parámetros citados, así pues siendo T el tonelaje y ρ el peso especifico del vidrio, se tiene:
T = EAV ρ t
(3.6.3.1)
siendo t el tiempo para el que se realice el calculo. Ajuste de la marcha. Supongamos que tenemos en marcha una fabricación basándose en los puntos enunciados, a un tonelaje medio, es decir con cierta cantidad de potencia. El ajuste a la potencia óptima tanto en preheat como en reheat se realiza a base de pequeñas modificaciones de tanteo basándonos en las consideraciones siguientes.
La calefacción de cabeza o preheat, tiene por objeto mejorar las condiciones de flotación del vidrio y como con secuencia la distorsión del producto final; el vidrio se flota mejor a medida que se calienta hasta llegar a una temperatura óptima a partir de la cual se estabiliza. Este es el punto que tenemos que encontrar observando los diferentes tipos de distorsión del producto final. Todo aumento de potencia a partir de este punto, no mejora la distorsión y solo se traduce en un gasto inútil de energía. La potencia óptima a colocar en reheat es aquella con la cual se obtiene a tonelaje y velocidad constante, la máxima anchura final, es decir el mínimo de espesor. En la figura 3.6.3.2 tenemos representado el sentido en el que evolucionan el espesor y la anchura al variar la potencia de reheat, manteniendo constates el resto de los parámetros.
Figura 3.6.3.2.- Evolución de la potencia en reheat. Considerando el punto B como el óptimo anteriormente citado, analicemos los otros dos casos: si reducimos la - potencia hasta llegar al punto A, el vidrio estará en la zona de reheat demasiado frio, estirará con dificultad - originando distorsión, y transmitirá el esfuerzo de tracción más hacia la cabeza lo que originará una pérdida extra de anchura. Analicemos ahora el punto C, al que llegamos aumentando la potencia, el vidrio pasará entonces a estar demasiado caliente en la zona de reheat, se estirará con facilidad pero el estirado se traducirá solamente en pérdida de anchura porque el vidrio a una temperatura excesiva, volverá hacia el espesor de equilibrio después de ser estirado. Esta doble operación de estirar y volver al espesor de equilibrio perjudicará naturalmente la distorsión final.
Refrigeración. A tonelajes elevados se utilizan refrigerantes en la cabeza del baño, para evitar el exceso de temperatura. De este control térmico se derivan la reducción del ancho - máximo de la hoja en el baño, demasiado grande si la temperatura era excesiva, y consecuentemente un aumento proporcional del espesor obtenido a costa por supuesto del ancho definitivo. Si después de un reglaje de refrigeración de cabeza estamos en el espesor preciso, pero no en el ancho, este debe de ajustarse a base de aumentar o disminuir el tonelaje según el caso, pero siempre que se trate de ajustes y no de modificaciones importantes, puesto que sensibles variaciones en el tonelaje modificarían las condiciones térmicas del baño, originando una deriva del espesor en uno u otro sentido dependiendo de que el tonelaje se aumente o se disminuya. En la salida del baño también es necesario utilizar refrigerantes, para acondicionar térmicamente la hoja antes de abandonar el estaño y montar sobre los rodillos, en esta zona la temperatura del vidrio es critica. En el grafico de la figura 3.6.3.3 podemos obtener el número aproximado de refrigerantes a utilizar dependiendo del espesor y tonelaje.
Figura 3.6.3.3.- Número de refrigerantes salida.
3.6.4.- Técnica de Top Rolls. Es necesario utilizar Top Rolls para fabricar espesores diferentes del de la fabricación directa, veamos ahora como se utilizan. Determinación del número de pares Como punto de partida tenemos que definir el espesor E que pretendemos fabricar. El grafico de la figura 3.6.4.1 nos da el número de pares a utilizar, que será mayor cuanto más nos alejemos en uno u otro sentido del espesor de estirado directo. S e representa el numero de pares normal para cada espesor, pero siempre es factible utilizar un número de máquinas superior al indicado.
Figura 3.6.4.1.- Número de pares Top Rolls por espesor.
Determinación de la posición. La situación de los sucesivos pares de Top Rolls, viene dada por la conjunción de una serie de puntos que son: (i).- La primera pareja debe de estar sobre loe 920 ºC y hacia la parte mas ancha de la hoja. (ii).- Los sucesivos pares a partir del anterior y hasta los 820 ºC. Si resultara que por requerirse un número elevado de Top Rolls o los últimos coincidieran en zona más fria, se dará calefacción suplementaria sobre los bordea, para evitar que los dientes de las moletas atanquen mal al vidrio demasiado frio. (iii).- Los pares de Top Rolls deben de estar situados a unos tres metros de distancia aproximada entre ellos, no mucho menos para no disminuir la eficacia, y no mucho más para evitar pérdidas importantes de ancho de hoja entre una pareja y otra. Todos los cálculos de velocidades a los que haremos referencia presuponen que la equidistancia entre parejas es fija. Con tiradas fuertes se hace necesario meter refrigerantes en cabeza del baño, antes de la primera pareja de máquinas, para evitar que se atrase demasiado el punto de los 920 ºC que, como decíamos es el máximo de temperatura a la que debe de colocarse el primer par de Top Rolls. Si se coloca este a temperatura más elevada, al estar el centro de la hoja demasiado caliente acusaria de forma diferencial los esfuerzos de estirado, en perjuicio del perfil final, obteniéndose diferencias fuertes de espesor entre centro y bordes, en menos o mas según se utilicen ángulos positivos o negativos en las primeras parejas de Top Rolls Cálculo de la velocidad de extendería. Habíamos definido el espesor E que queríamos fabricar, y fijaremos ahora la anchura bruta A y el tonetaje T a obtener. Siendo t el tiempo y ρ el peso específico del vidrio, tendremos que la velocidad necesaria en la extendería VE será:
VE =
T EAt ρ
(3.6.4.1)
A esta velocidad VE calculada, es necesario hacerle una corrección; teniendo en cuenta que como espesor E habre mos tomado el espesor medio deseado en el ancho útil, y que el espesor entre las marcas de los Top Rolls y las bandas será distinto, según figura 3.6.4.2. Es decir tendríamos que trabajar para los cálculos con el espesor medio en el ancho total, pero como la cifra más significativa será siempre el espesor comercial que corresponde solo al ancho útil, operamos con este y corregimos la velocidad :
VE ,REAL = fCVE ,TEORICA
(3.6.4.2)
fC = Factor corrección según la tabla 3.6.4.1. Tabla 3.6.4.1.- Valores del factor corrección según el espesor E
1.7
2.2
2.5
3
3.2
4
5
6
8
10
12
fC 0.9155 0.9771 0.9848 0.9879 0.9924 0.9976 1.0017 1.0040 1.0068 1.0166 1.0250
Espesor en bordes superior al del centro cuando este es < de 5 mm
Espesor en bordes inferior al del centro cuando este es > de 5 mm Figura 3.6.4.2.- Perfil del espesor en bordes Definición velocidades Determinada la velocidad de extendería VE, el segundo factor decisorio del espesor final que queramos obtener será la velocidad de los T o p R o l l s En el problema del cálculo de las velocidades adecuadas para estas máquinas, existen dos vertientes que es conveniente tratar por separado. El espesor final obtenido depende exclusivamente, salvo naturalmente pequeños matices, de las velocidades extremas del sistema, es decir de la velocidad de extendería que será la máxima o la minima, y de la velocidad del primer par de Top Rolls, V1 que a la inversa será la minima o la máxima según el caso. Las velocidades del resto de parejas de T o p R o l l s que se utilicen, V2, V3 , V4 , etc. serán siempre intermedias a las citadas V 1 , y V E , teniendo que cumplirse una de las dos condiciones siguiente:
V1 < V2 < V3 < ..................... < VE ó bien
V1 > V2 > V3 > ..................... > VE Por lo tanto las posibles modificaciones, de los valores V 2 , V 3 , etc, dentro de los limites que fija una de las dos condiciones establecidas, no hacen sino desplazar la cantidad parcial de esfuerzo de estirado o contraestirado de unas parejas a otras, pero nunca modificarían la cantidad de esfuerzo total definitoria del espesor final que dependerá de la relación:
V1 VE
(i).- Partiendo de una serie de datos prácticos, se han determinado matemáticamente los valores de la relación:
y = a0 + a1x1 + a2 x 2 + a3 x1x 2 + a4 x12 + a5 x 22 siendo:
y=
V1 VE
, x1 = Espesor (mm.) ,
x2
= Tonelaje (t/dia.)
para:
a0 = - 4.984959967 x 10-2
a1 = 6.796639383x 10-2
a2 = 2.794295828 x 10-4
a3 = - 8.180057755 x 10-5
a 4 = 1.146440638 x 10-2
a5 = - 1.009341822 x 10-7
Los valores obtenidos en función del espesor, están representados en la curva correspondiente en el gráfico de la figura 3.6.4.3.
Figura 3.6.4.3.- Relación velocidades espesores.
(ii).- Conocida la velocidad del primer par de Top Rolls veamos como se calcula la del último. La relación de velocidades entre el último par y la extenderia
Vn , está acotada por los criterios VE
siguientes: En fabricación de espesores inferiores a 6 mm. si trabajamos con una relación de velocidades entre Top Rolls muy alta para llegar al último par a velocidad cercana a la de extenderia, la hoja tiene demasiada tendencia a estrechar entre los Top Rolls inestabilizándose e incluso llegando a los últimos demasiado estrecha para la limitada posibilidad de entrada de las máquinas en el baño. En espesores superiores a 6 mm, con estirado negativo, la hoja serpentea entre el último par y la extenderia pudiendo llegar a las paredes y provocar retenciones en las espaldas. En sentido contrario si la relación de velocidades entre Top Rolls es muy baja, estaremos realizando practicamente todo el trabajo sobre el vidrio entre el último par y la extenderia, necesitando partir de anchos en cabeza de baño mayores para llegar al ancho final deseado, puesto que no estaremos utilizando practicamente la posibilidad de control de anchura al estirar que nos permiten los Top Rolls , la distorsión final será la perjudicada. Partiendo de los postulados anteriores, el calculo matemático de la relación
Vn es como sigue: VE
y ' = b0 + b1x1 + b2 x 2 + b3 x1x 2 + b4 x12 + b5 x 22 siendo:
y'=
Vn VE
, x1 = Espesor (mm.) ,
x2
= Tonelaje (t/dia.)
para:
b0 = 1.595267521 x 10-1
b1 = 1.205567114 x 10-1 b2 = 1.815797386 x 10-4 b3 = 3.383179516 x 10-5 b4 = 3.025180421 x 10-3 b5 = 2.41256028 x 10-7 Los valores numéricos obtenidos para cada espesor, están representados en la correspondiente curva de la figura 3.6.4.3. (iii).- Para determinar que tipo de relación tenemos que utilizar de un par de Top Rolls a otro, hay que analizar la evolución de la velocidad del propio vidrio al ser estirado de forma natural. En la figura 3.6.4.4 se ha representado la evolución de la velocidad de la hoja a lo largo del baño en estirado directo, es decir sin la intervención de Top Rolls.
Figura 3.6.4.4.- Evolución velocidad hoja en estirado directo. A la vista del grafico se puede observar, que la lamina cuando es estirada de forma "natural", sin la intervención de mas fuerza que la tracción de la extendería y la propia del vidrio a recuperar su espesor de equilibrio, en función de su viscosidad en cada punto adopta una curva que en el palier de trabajo de los Top Rolls (920-820 ºC) es creciente. Tomando una serie de puntos equidistantes en el sentido longitudinal del baño dentro del entorno fijado, y relacionando las velocidades de los mismos, se ve que se cumple con mucha aproximación que:
VP 2 VP 3 V = = ................... = Pn VP 1 VP 2 VP ( n −1) siendo
VP 1 = Velocidad en el punto 1 VP 2 = Velocidad en el punto 2
VP 3 = Velocidad en el punto 3 …………………………………
VPn = velocidad en el punto n Lo que nos define la relación de velocidades que deban llevar entre si los Top Rolls, para que fuercen el vidrio, pero siguiendo una curva velocidad - espacio similar a la natural definida por la relación viscosidad - espacio. Obteniéndose en estas condiciones un vidrio final que habrá sido trabajado en el punto y con la intensidad adecuada, lo que garantiza un deterioro mínimo de su distorsión. La relación entre velocidades de Top Rolls debe ser pues:
V2 V3 V4 V = = = ................... = n V1 V2 V3 V( n −1)
Y puesto que ya se ha determinado: - Número de pares de Top Rolls a utilizar - Velocidad del primero - Velocidad del último - Relación entre pares constante El cálculo de la relación entre pares será:
Z=
Vn V( n −1)
V1 = V1 V2 = ZV1
V3 = ZV2 = Z 2V1 V4 = ZV3 = Z 3V1 …………………………. n −1 n ( n −1) 1
V = ZV
=Z V
es decir:
Vn Z = n −1
Vn
V1
= n −1
V1
VE Vn
y como:
y=
V1 VE
y'=
Vn VE
resulta:
Z = n −1 y '
y
valores tabulados que están representados en la tercera curva de la figura 3.6.4.3. Cálculo velocidades. Conocido el valor
VE pasamos al grafico de la figura 3.6.4.3, y entrando por el espesor E se obtiene:
V1 ,siendo V1 la velocidad del primer par de Top Rolls y consecuentemente: VE V1 = yVE Vn - Valor y' de la relación siendo Vn la velocidad del último par de Top Rolls, por lo tanto: VE Vn = y 'VE
- Valor y de la relación
- Coeficiente
Vn , con cuyo valor pasaremos, dependiendo del caso, a una de las tablas de las figuras V1
3.6.4.5 o 3.6.4.6. y tomando la curva correspondiente al número de pares a utilizar, ya calculado, obtenemos el valor de
Z=
Vn , es decir la relación de velocidades entre cada pareja y su contigua, de V( n −1)
donde :
V1 = Ya calculada V2 = ZV1 V3 = ZV2 V4 = ZV3 ………………………….
Vn = ZV( n −1)
Figura 3.6.4.5.- Relaciones velocidades Top Rolls para
E ≤ 6mm
Figura 3.6.4.6.- Relaciones velocidades Top Rolls para
E > 6mm
Determinación de los ángulos. Deberán ser iguales para ambas máquinas de cada par. Excepcionalmente puede permitirse un desfase de ±2º , para corregir una asimetria de perfil, estabilidad de hoja, etc. El sentido y valor del ángulo total, viene definido por la necesidad de obtener perfiles transversales de espesor con diferencias máximas muy pequeñas, lo que obliga a compensar con los ángulos la diferencial incidencia del efecto de retención o aceleración de los Top Rolls sobre bordes y centro de la lámina de vidrio. En la figura 3.6.4.7 puede ver que se denomina ángulo positivo al que se opone a que la hoja estreche al ser estirada entre los Top Rolls y extendería, y negativo al opuesto. El efecto del ángulo se hace sentir preferentemente en el centro de la hoja, mas caliente, razón por la cual el positivo aumenta el ancho introduciendo tendencia al perfil en U y el negativo lo disminuye obligando hacia el perfil de U invertida.
Figura 3.6.4.7.- Sentido de los ángulos de Top Rolls. El grafico de la figura 3.6.4.8 nos da el valor y sentido del ángulo total a utilizar en función del espesor; refiriéndose al ángulo total a la suma algébrica de los ángulos de todas las parejas de Top Rolls en servicio, es decir siendo:
1 , 2 , 3 ,……………………., N , los ángulos de las sucesivas parejas de máquinas. El ángulo total será :
TOTAL = 1 + 2 + 3 + ................ + N
Figura 3.6.4.8.- Angulo total de los Top Rolls A l objeto de realizar un trabajo racional sobre el vidriO, debe de cumplirse una de las dos condiciones siguientes en valor absoluto:
1 ≥ 2 ≥ 3 ≥ ................ ≥ N o bien
1 ≤ 2 ≤ 3 ≤ ................ ≤ N Conocido el valor del ángulo total, el reparto de los valores a las sucesivas parejas de máquinas se realiza en función del siguiente criterio: el esfuerzo de estirado introducido por el ángulo de cada par de Top Rolls deberá de conseguir un efecto práctico sobre la hoja igual en todos los casos, es decir, habría que utilizar siempre ángulos cada vez más fuertes de cabeza a cola del baño, puesto que a medida que el vidrio se enfria es necesario ejercer un esfuerzo mayor para obtener el mismo resultado. De esta manera el efecto total de estirado obtenido con los ángulos, estaría perfectamente repartido entre todas las parejas de máquinas en beneficio de la distorsión final.
Este planteamiento teórico, es siempre viable cuando se utilizan ángulos negativos, por ejemplo:
1 = -2 º ,
2 = -3 º ,
3 = -4 º ,
4 = -5 º ,
5 = -6 º
Cuando se trata de ángulos positivos, en condiciones de fabricación normales, también es factible y aconsejable en beneficio de la distorsión final, el reparto según la teoría expuesta, es decir :
1 = 2 º ,
2 = 3 º ,
3 = 4 º ,
4 = 5 º ,
5 = 6 º
No obstante en ciertos casos en condiciones de fabricación extremas, grandes tiradas, espesores muy bajos, temperatura alta del vidrio en el canal, etc, del posicionamiento de ángulos según la teoría expuesta pueden derivarse anchos excesivos en la cabeza del baño. La solución partiendo del ángulo de los Top Rolls, es igualar estos o incluso invertirlos, utilizando repartos como:
1 = 4 º ,
2 = 4 º ,
3 = 4 º ,
4 = 4 º ,
5 = 4 º
1 = 6 º ,
2 = 5 º ,
3 = 4 º ,
4 = 3 º ,
5 = 2 º
o bien :
Veamos ahora porqué resultan anchos menores en la cabeza del baño, cuanto mayor es el valor absoluto del ángulo del primer par. Nos remitiremos a los esquemas de la figura 3.6.4.9, en los que en el caso 1 la hoja es atacada por un Top Rolls sin ángulo y en el caso 2 por un Top Rolls con ángulo positivo. Siendo F 1 y F2 las fuerzas totales ejercidas por los Top Rolls sobre la hoja, las componentes de estas fuerzas al y a2 son las que obligan al vidrio a avanzar hacia las máquinas en la dirección preferente, comprobándose que: Siendo 1
< 2
y
F1 = F2
resulta: a1
< a2
por lo tanto al ser la fuerza a2 mayor que la a l, extraeremos mayor cantidad de vidrio de la cabeza del baño en el caso 2, y consecuentemente el ancho resultante será menor, cumpliéndose que :
A1 > A2 Esta conclusión respecto a loa anchos en cabeza nos lleva a otra consideración importante, siempre refiriendonos a la figura 3.6.4.6, el vidrio en el caso 1 llega a la máquina menos solicitado por la misma, se le ha permitido flotar mejor y está más relajado, por lo tanto, sometiéndolo en ambos casos al mismo estirado entre los Top Rolls y la extenderla, la distorsión final en el primero será mejor puesto que se ha partido de un vidrio en condiciones más óptimas.
Figura 3.6.4.9.- Ancho máximo según el ángulo de los Top Rolls. Calefacción. Independientemente de las funciones de tipo general que ya han sido descritas, en la fabricación con Top Rolls la calefacción desempeña tres funciones especificas: (i).- Alargamiento de la zona de trabajo de las máquinas. Estando limitado el palier de trabajo de los Top Rolls entre los 920 ºC y 820 ºC, en determinadas fabricaciones y tanto más cuanto más nos alejemos del espesor de fabricación directa, necesitamos utilizar un elevado número de pares de Top Rolls, encontrándonos con el problema de que el espacio de que disponemos en el baño dentro del margen de temperaturas indicado, es excesivamente corto para ubicar los Top Rolls necesarios. Se recurre entonces a alargar la zona disminuyendo la pendiente de la curva de enfriamiento de la hoja por medio de calefacción en la reheat. En la figura 3.6.4.10 se da un ejemplo de una fabricación con tres pares de Top Rolls en linea de puntos, y otra con cinco pares en trazo continuo, habiendose ampliado en el segundo caso el espacio útil para Top Rolls en un 50 % con respecto al primero. En este tipo de utilización la calefacción se aplica preferentemente sobre los bordes.
Figura 3.6.4.10.- Alargamiento zona de trabajo Top Rolls utilizando la Reheat. Mejora de la distorsión. Se trata de una posible variante del caso anterior. Cuando utilizando varios pares de Top Rolls el vidrio del centro de la hoja llega al nivel de los ultimos demasiado frio, al forzarlo a estirar a una viscosidad inadecuada provocamos un excesivo deterioro de la distorsión. La solución consiste nuevamente en disminuir la curva de enfriamiento de la hoja en la zona de Top Rolls aplicándole calefacción en reheat, pero ahora preferentemente sobre el centro. Mejora del perfil. El caso planteado en el apartado anterior, supondrá en muchas ocesicnes que una mejora de perfil acompañe a la mejora de distorsión. Pero hay casos especificos en los que se trata fundamentalmente de obtener una mejora del perfil aplicando calefacción en reheat al centro de la hoja. El ejemplo más clásico lo tenemos en la fabricación de baldosa de 10 y 12 mm con Top Rolls. En este tipo de fabricaciones es necesario utilizar fuertes ángulos negativos en las máquinas, lo que origina perfiles con fuerte espesor en el centro, la aplicación de calefacción en reheat precisamente en el centro disminuye la viscosidad en esta zona, favoreciendo la tendencia al espesor de equilibrio y consecuentemente mejorando el perfil. Refrigeración. En la fabricación con Top Rolls, se utiliza refrigeración en cabeza y cola de baño, en principio, tal y como hemos enunciado para el caso de fabricación directa.
La refrigeración a la entrada tiene no obstante otra aplicación además de la ya citada de evitar temperaturas y anchos máximos sucesivos, que es obtener mejores perfiles transversales de espesor. Fundamentalmente se dan dos casos. En la fabricación de débiles espesores y sobre manera si se utilizan ángulos positivos importantes en las primeras parejas de Top Rolls, el centro de la hoja más caliente cede con mayor facilidad al esfuerzo transversal de las máquinas, perdiendo más espesor que el resto, pudiendo derivarse perfiles con demasiada tendencia a la U. La solución es colocar refrigerantes a la entrada del baño, antes de los Top Rolls, que robarán más calor al centro más caliente, e incluso calorifugarlos sobre los bordes o cruzarlos sobre el centro para acentuar el efecto refrigerante sobre la zona que nos interesa. Cuando se trata de fabricar espesores superiores al de equilibrio, al tratarse de impedir que el vidrio baje a su espesor de equilibrio, es necesario colocar refrigerantes en cabeza de baño, antes de los Top Rolls, para aumen tar la viscosidad del propio borde impidiendo que flote, permitiendonos dominarlo con las máquinas y haciendo de barrera lateral al centro más caliente. Estos refrigerantes se colocan específicamente sobre un metro, aproximadamente, de los bordes en sentido transversal, y nunca sobre el centro para evitar ir en sentido contrario a lo expuesto en el punto de calefacción de este apartado. En lo que se refiere a la refrigeración de salida, nos remitimos a los gráficos de las figuras 3.6.2.6 y 3.6.3.3 de la técnica de fabricación directa y a las explicaciones pertinentes que son igualmente validas para el caso de Top Rolls Ajuste de la marcha. Una vez tengamos en servicio una fabricación calculada por el metodo enunciado anteriormente, es necesario efectuar por lo menos pequeños ajustes, hasta encontrar las condiciones óptimas de espesor, ancho útil, perfil, distorsión, etc. Estas pequeñas correcciones y sus magnitudes, son en general, facilmente definibles a la vista de los resultados practicos. No obstante hay casos en los resultados obtenidos, se alejan lo suficientemente del óptimo, como para deducir que existe un problema de mayor magnitud en los parametros y condiciones calculados y establecidos. En este caso el arma más útil a la que se puede recurrir, es el trazado de curvas de velocidad de centro y bordes, así como la posición y velocidad de Top Rolls, llevando posteriormente a un grafico los resultados obtenidos. Las medidas de velocidad se realizan por medio de testigos colocados sobre centro y bordes de la hoja en el bay 1, y midiendo los tiempos de paso de esos testigos por una serie de puntos previamente acotados a lo largo de todo el baño. Estos datos nos permiten dibujar las curvas de velocidad de centro y bordes según gráficos, así como situar sobre dichos graficos la posición y velocidad de los Top Rolls La observación de los graficos anteriores, nos dará una información muy valiosa sobre las modificaciones prácticas que las condiciones de fabricacion requieren, para un perfecto acoplamiento entre Top Rolls y vidrio. Pasemos a analizar los ejemplos representados graficamente, en los que las curvas continuas representan la velocidad del centro y las de trazos la de los bordes. S u p o niéndose por principio que el espesor medio obtenido es correcto en todos los casos. En la figura 3.6.4.11 tenemos representado un caso ideal, en el que observamos que las diferencias de velocidad centro-bordes-Top Rolls son mínimas, y que las máquinas se mueven en todos los casos ligeramente más lentas que el borde, lo que constituye una situación de estirado muy correcta.
Figura 3.6.4.11.- Curvas velocidad bordes – centro El caso de la figura 3.6.4.12 corresponde a una marcha en la que la relación de velocidades entre Top Rolls es demasiado baja, es por esto que al moverse muy lentos los últimos pares con respecto a la tendencia de la hoja, obligan al borde a retrasarse con respecto al centro, y por lo tanto originan desplazamientos de estractos transversales que perjudicarán la distorsión del vidrio final. La solución a este caso consiste en aproximar la velocidad de los Top Rolls 4 y 5 a la de la hoja aumentándoles la velocidad y eventualmente si esta maniobra originara un pequeño aumento de espesor, retrasar ligeramente la velocidad del conjunto de máquinas.
Figura 3.6.4.12.- Curvas velocidad bordes – centro
La figura 3.6.4.13 corresponde a un caso contrario al anterior, es decir, relación de velocidades Top Rolls demasiado elevada, lo que origina una aceleración de los bordes en las últimas máquinas que incluso rebasan la velocidad del centro. Solución disminuir velocidad a los últimos pares de Top Rolls
Figura 3.6.4.13.- Curvas velocidad bordes – centro. Por último en la figura 3.6.4.14 tenemos un caso en el que la velocidad del borde se aleja demasiado de la del centro en todo el baño, forzada por los Top Rolls, siendo correcta - la relación de velocidades entre máquinas; si aumentamos la velocidad de todas las máquinas, para acercarla a la del vidrio, obtendremos automáticamente una subida de es pesor que por hipotesis era correcto en principio. El - problema ante el que estamos, es que se requiere en este caso la utilización, al menos, de otra pareja de Top Rolls
Figura 3.6.4.14.- Curvas velocidad bordes – centro.
En todos los ejemplos se ha tratado del acoplamiento de las velocidades de los Top Rolls a las de la hoja como solución. Naturalmente también pueden lograrse resultados, en algunos de los casos citados, modificando el régimen térmico del baño, pero esta solución presenta mayores dificultades de definición y es siempre más lenta y laboriosa, razones por las cuales no se tiene en cuenta, siempre que nos movamos por supuesto en un régimen de temperaturas normal. 3.6.5.- Técnica deBarreras.
Se trata de obtener un espesor E superior al de equilibrio, a un ancho A y un tonelaje T. en las figuras 3.6.5.1 a 3.6.5.3 pueden verse la instalación y planos de detalle.
Figura 3.6.5.1.- Montaje e instalación de barreras.
Figura 3.6.5.2.- Barreras de grafito.
Figura 3.6.5.3.-Posición de los motores lineales (M.L.) y barreras
Cálculo de la velocidad. Siendo t el tiempo y ρ el peso especifico del vidrio, obtenemos directamente el valor de la velocidad de extendería V:
T = EAV ρ t de donde:
V=
T EAρ t
Posición y número de barreras. La posición de las barreras nos viene dada automaticamente, la separación entre las mismas deberá de ser, en principio , igual al ancho bruto A que se ha prefijado (Figura 3.6.5.3). El número de barreras a colocar, no es una magnitud absolutamente fija en cada caso, su longitud total debe de ser tal que a la salida de las mismas la hoja de fuerte espesor esté lo suficientemente fria, como para no poder esparcirse tendiendo al espesor de equilibrio. No obstante un cierto defecto en la longitud total de las barreras, puede paliarse aumentando el número de refrigerantes colocados sobre la hoja a la salida de las mis mas. Si la zona de barreras es corta o la refrigeración a la salida de las mismas escasa, el vidrio demasiado caliente al quedar libre sobre el estaño, tiene una viscosidad lo suficientemente baja como para esparcirse ganando anchura y por lo tanto perdiendo espesor. Este problema se detecta inmediatamente, porque el ancho de la hoja final será mayor a la separación que hemos puesto entre barreras. Las curvas del gráfico de la figura 3.6.5.4, nos dan la longitud total de barreras a instalar, en función del espesor y la velocidad a utilizar.
Figura 3.6.5.4.- Longitud de barreras según velocidad y espesor.
Posicionamiento de los motores lineales (M.L.). En la sección transversal del balo de la figura 3.6.5.3, tenemos una vista de la posición de los motores lineales y la representación esquemática de las corrientes de estaño que originan. Estas corrientes del centro hacia los bordes, arrastran al vidrio por rozamiento empujandolo transversalmente contra las barreras de forma mecánica. La tendencia del vidrio a buscar el espesor de equilibrio, sumada al efecto citado en el párrafo anterior, originan un esfuerzo importante del vidrio contra la barrera, que se traduce en una fuerza de rozamiento que tiende a oponerse al deslizamiento de la hoja hacia la salida del baño. Esta fuerza de rozamiento que no suele ser demasiado importante en fabricaciones de espesores de hasta 10 mm, empieza a constituir un problema cuando se trata de espesores superiores al anterior. Al aumentar la magnitud de las dos componentes que la originan, por una parte la fuerza de flotación es mayor al estar más alejados del espesor de equilibrio, y por otra para conseguir el efecto térmico deseado se tienen que utilizar intensidades más importantes en los motores lineales, aumentando consecuentemente la fuerza con que las corrientes de estaño obligan al vidrio contra la barrera. En este estado de cosas, existe el peligro tanto mayor cuanto más elevado sea el espesor que se fabrica, de que la retención sea tal que la hoja llegue a pararse entre las barreras dando lugar en pocos segundos a una grave avería. El posicionamiento de los motores lineales, de forma especial, es de gran ayuda para evitar el problema. Tradicionalmente los motores se colocan hacia el final de la primera barrera, perpendicularmente al eje longitudinal del baño, aproximadamente en la zona donde el vidrio después de abandonar los Extensión Tiles, entra en contacto con las barreras. El posicionamiento especial, consiste en alejarlos ligeramente hacia la salida, y darles un cierto ángulo con respecto al eje mayor del baño. En la figura 3.6.5.5 tenemos un esquema de las dos posiciones de los motores lineales, y refiriéndonos a ella pasamos a analizar el conjunto de fuerzas que actúan en uno y otro caso. Estudiemos las fuerzas que obran sobre el vidrio obligándolo contra la barrera, en el punto de contacto P. Por una parte tenemos la fuerza de flotación FF , en el mismo sentido el esfuerzo del motor lineal que llamaremos FM , y por último la fuerza de arrastre introducida por la extendería FV . En el segundo caso con el motor lineal en ángulo, están representadas las mismas fuerzas sobre el punto P l. Remitiéndonos a los diagramas de fuerzas comparemos las de rozamiento FR y empuje en ambos casos:
N = FM + FF FR = µ N FM > a
N1 = a + FF FR 1 = µ N1 N > N1
siendo
µ = coeficiente de rozamiento cinetico N = Fuerza de reacción Luego:
FR > FR 1
por lo tanto la fuerza de rozamiento es menor en el segundo caso, en el que el esfuerzo introducido por el motor lineal FM se descompone en las fuerzas a y b. Comparemos ahora las fuerzas de empuje, en el primer caso es simplemente FV , mientras que en el segundo se le suma la componente de FM en su dirección, por lo tanto:
FV < FV + b lo que equivale a decir que la fuerza de arrastre es mayor en el caso dos, quedando demostrado que obtenemos un menor rozamiento y un mayor empuje cuando colocamos el motor lineal con un cierto ángulo, por lo que el punto de contacto del vidrio con la barrera se aleja hacia la salida como se ve en la figura 3.6.5.5 en la que : A < A1
Figura 3.6.5.5.- Posicionamiento de los motores lineales. Habida cuenta de que la fuerza FM es, en la práctica, importante, como lo demuestra el hecho de que en condiciones normales de marcha el punto de contacto vidrio - barrera, nos avanzaría en el sentido favorable del orden de los 30 cm si desconectaremos los motores lineales, calculemos el valor porcentual de sus componentes a y b cuando posicionamos los motores con un ángulo α :
a = FM cos α b = FM senα
y dando valores a α entre 0º y 30º que son las posibilidades de posicionamiento practico, se tiene:
α FM a b
0 5 100 100
10 100
15 100
20 100
25 100
30 100
100 99.61 98.48 96.59 93.96 90.63 86.60 0 8.71 17.36 25.88 34.20 42.26 50.00
El ancho final. De lo anteriormente expuesto se deduce, que una inadecuada configuración en lo que se refiere a longitud de barreras - refrigeración a la salida de las mismas, sea por defecto o por exceso, trae como consecuencia la obtención de un ancho final diferente de la separación entre barreras, diferencia que puede cifrarse en ± 10 % , aproximadamente, en las condiciones extremas. En el cuadro de la figura 3.6.5.6, podemos estudiar todos los casos posibles de evolución del ancho final A con relación a la separación entre barreras B, así como las acciones a emprender para poder pasar de uno a otro caso.
Figura 3.6.5.6.- El ancho en baldosa. El perfil. En baldosa el vidrio tiene una natural tendencia al perfil en U. Al salir la hoja de loe prolongadores de grafito que se colocan a continuación de los restrictor tiles, tiene naturalmente un espesor muy fuerte mayor al de equilibrio, y al quedar lateralmente libre tiende a esparcirse, la velocidad con la que el vidrio tiende al espesor de equilibrio aumenta con la temperatura, por lo tanto, la ganancia de anchura que la hoja realiza entre la salida de loe prolongadores y el punto de contacto con las barreras, se efectúa a base de perder más espesor en el centro más caliente. Si consideramos que el perfil debe de ser plano entre los prolongadores, de grafito, al llegar el vidrio a las barreras tenemos formado el definitivo perfil en U.
Para modificar el perfil tenemos varias opciones: la - primera es modificar el "splay" cambiando los prolongadores de grafito por otros de diferente anchura. Al disminuir el "splay" la diferencia de espesor centro bordes aumenta y viceversa. La segunda posibilidad consiste en calentar los bordes de la hoja en cabeza para tratar de igualar su temperatura - con la del centro, a base de dar potencia en las zonas laterales. La tercera posibilidad es inversa a la segunda. El sistema consiste en enfriar el centro en cabeza a base de colocar al final de las barreras,o sobre las mismas, refrigerantes calorifugados en los bordes, o dos medios refrigerantes solapados en la zona central, de forma que robemos más calor al centro que a los bordes. El cuarto procedimiento es el más racional porque combina los dos anteriores, es decir modifica la curva transversal de temperaturas de la hoja, a base de robar calor al centro más caliente, y cedérselo a los bordes más frios. Esta operación se realiza por medio de los motores lineales. Contamos ademán con la ventaja, que al tener la intensidad de los motores una regulación muy fina, podemos ajustar el aporte de calor del centro a los bordes exactamente en la cantidad precisa, y de forma independiente a uno u otro borde. Los motores se suelen regular de partida a la misma intensidad, y a la vista del perfil final obtenido se realiza su ajuste fino. Las modificaciones en la intensidad le los motores lineales repercuten de la forma siguiente: al aumentar la intensidad de uno de ellos, el espesor disminuye en ese borde y aumenta en el centro. Al disminuir la intensidad de ambos motores el espesor aumenta en los bordes disminuyendo en el centro y viceversa. Corrección del espesor. En la fabricación de baldosa, por ser el ancho fijo determinado por la separación que hayamos dado entre barreras, a tonelaje constante el espesor medio viene determinado por la posición del Front Tweel, o lo que es lo mismo, para una misma posición del Front las variaciones de temperatura del canal se traducirán en variaciones del espesor medio. En una fabricación en marcha es por lo tanto necesario compensar con el Front todas las variaciones de temperatura del canal, para mantener el espesor dentro de los límites de tolerancia admisible. . 4.- Fabricación de varilla y tubo de vidrio. Los distintos procedimientos de fabricación de tubo y varilla de vidrio pueden clasificarse como indica la tabla 5.5.6.4.1. TABLA 4.1.- PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN DE TUBO Y VARILLA DE VIDRIO.
4.1.- Procedimiento del mandril giratorio. De todos los procedimientos mecánicos el más antiguo es el sistema Danner ( Figura 4.1.1), que empezó a utilizarse en el año 1920. La pieza fundamental de este sistema consiste en un mandril troncocónico de doble pared, fabricado con aleación metálica especial y protegido por una cubierta de material refractario. Este mandril se halla colocado con una inclinación de 15 a 200 y se hace girar con un movimiento uniforme en torno a sí mismo y, al tiempo que se va recubriendo de una capa de vidrio fundido que desde un canal de alimentación cae sobre él en forma de chorro continuo, se inyecta aire a través de su eje. La capa de vidrio que envuelve al mandril y que va rebosando por su extremo inferior es estirada en forma de tubo. Este es conducido horizontalmente por dos rodillos laterales a lo largo de un recorrido de 30 a 50 m y pasa entre dos cadenas sin fin que le aprisionan y ejercen una tracción sobre él. Al final de su trayecto una cuchilla le va cortando de manera automática y a intervalos regulares, a la longitud deseada.
Figura 4.1.1.- Sistema Danner para la fabricación de tubo de vidrio Por este procedimiento se pueden fabricar tubos de hasta 5 cm de diámetro. El calibre de los tubos y el espesor de sus paredes depende de diferentes variables, tales como el caudal de alimentación de vidrio fundido, el diámetro del mandril, su velocidad de rotación, la temperatura del vidrio, la velocidad de estirado y la presión de inyección del aire. La fabricación de varilla se efectúa de la misma manera, pero suprimiendo la inyección de aire. El sistema Philips es análogo al Danner. Lo mismo que éste, emplea un mandril rotatorio, pero con la diferencia de que el chorro de vidrio, en vez de caer sobre él recubriéndole exteriormente, se hace colar por dentro. Al girar el mandril, el fluido viscoso se reparte sobre su superficie interior formando el tubo. Por otra parte, el aire, en vez de ser inyectado, es succionado. 4.2.-Procedimientos con boquilla. 4.2.1.- Estirado vertical ascendente. Básicamente diferente de los anteriores es el sistema Schuller (Figura 4.2.1.1 ), en el que el tubo es estirado verticalmente a partir del vidrio contenido en una cubeta rotativa alimentada de forma continua por un pequeño chorro de vidrio fundido. El nacimiento del tubo se produce alrededor de una boquilla de soplado, a través de cuyo interior se inyecta aire a presión. El tubo, que en su iniciación adquiere la forma de una trompeta alargada, pasa primero por el interior de un tubo refractario, que gira concéntrica y sincrónicamente con la cubeta, y a la salida de éste, a través de un anillo de refrigeración. Luego continúa su recorrido ascendente arrastrado por dos parejas de rodillos recubiertos de asbesto hasta llegar a una altura de unos 6 m en que es cortado por una cuchilla. El sistema Corning coincide esencialmente con el anterior, y el sistema Shapiro se diferencia de estos dos en que prescinde de la boquilla de estirado.
Figura 4.2.1.1.- Sistema Schuller para la fabricación de tubo de vidrio. 4.2.2.- Estirado vertical descendente . Al contrario que en los sistemas anteriores, en los de estirado descendente, cuyo principal representante es el sistema Vello, el vidrio fundido fluye por gravedad a través una pequeña tubuladura con una boquilla situada en el fondo del canal de alimenta-a. Al fluir el vidrio, lo hace recubriendo a un mandril hueco rotatorio de forma cónica, unido por su extremo superior a un tubo por el que se inyecta aire a presión. En la parte inferior se forma el tubo de vidrio que inicialmente es estirado en sentido vertical descendente y poco después, mientras todavía se halla en estado plástico, es dobla en ángulo recto y continúa su recorrido horizontalmente. En el sistema Corning el vidrio fluye de un modo continuo desde el canal de alimentación a una cubeta giratoria, dentro de la cual se halla sumergido un cilindro refractario cuya profundidad de inmersión limita el nivel de rebosamiento del vidrio, a ‘vés de una boquilla, por la cual se inyecta aire a presión. También en este caso el o se estira verticalmente hacia abajo e inmediatamente después se curva en ángulo recto y prosigue su avance horizontalmente. 5.- Fabricación de fibra de vidrio. Los antiguos vidrieros egipcios fueron también los primeros que descubrieron que el vidrio podía estirarse en forma de largos y delgados filamentos, si bien las aplicaciones decorativas que dieron a éstos, tanto como incrustaciones en forma de ondas y cenefas de color alrededor de sus vasijas, como para formar haces multicolores destinados a la fabricación de sus piezas de estilo «mille-fiori», eran bien diferentes de las que encuentran en la actualidad para la confección de tejidos especiales, para el reforzamiento de otros materiales o para el aislamiento térmico y acústico. Las fibras de vidrio pueden clasificarse con arreglo a dos criterios principales: el de sus aplicaciones y el de su longitud. De acuerdo con ésta, se dividen en fibras continuas o sin fin, fibras largas y fibras cortas. Y atendiendo a sus aplicaciones se acostumbran a encuadrar en dos grandes grupos, el de las fibras textiles, más amplio de lo que ese nombre pueda hacer pensar, y el de las fibras aislantes. Entre ambas clasificaciones existe una estrecha correspondencia, ya que las llamadas fibras textiles tienen que estar
constituidas por filamentos sin fin, o por fragmentos lo suficientemente largos como para poder ser tejidos o empleados como refuerzo de plásticos o de otros materiales. Las fibras cortas se emplean, bien directamente, o bien prensadas en forma de mantas o fieltros, para diferentes tipos de aislamientos. Las especificaciones de las fibras textiles son mucho más rigurosas, tanto desde el punto de vista dimensional, en lo que a su longitud mínima y uniformidad de diámetro se refiere, como a sus características mecánicas. Existen numerosos procedimientos de fabricación de fibra de vidrio, si bien básicamente se reducen a tres principios operativos diferentes: estirado, centrifugado y soplado ( Tabla 5.1 ). TABLA 5.1.- PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN DE FIBRA DE VIDRIO .
5.1.- Procedimientos de estirado. 5.1.1..- Estirado a partir de varilla . Este es un procedimiento de fabricación de fibras largas discontinuas que ofrece distintas modalidades. La más primitiva es el sistema Schuller, que consiste en calentar una varilla de vidrio por uno de sus extremos, hasta producir su goteo por reblandecimiento ( Figura 5.1.1.1). El hilo que deja tras de sí cada gota al caer se adhiere sobre un tambor giratorio que le estira convirtiéndole en una fibra, al tiempo que ésta es arrollada y transportada sobre él en un recorrido de casi tres cuartos de vuelta, al final del cual es cortada por una cuchilla y recogida por una cinta transportadora, formando una manta de espesor regulable. Antes de ser recogida por el tambor, la fibra recibe un recubrimiento plástico que cumple la triple función de protector, lubricante y aglomerante.
Figura 5.1.1.1. - Sistema de fabricación de fibra de vidrio discontinua, por estirado a partir de varilla. Las fibras así obtenidas suelen tener de 1 a 1.5 m de longitud, dependiendo del radio del tambor. Su diámetro es función de la velocidad de giro del tambor y por lo general varía entre 10 y 12 µ m o entre 15 y 30 µ m, según que se trate de fibras finas o gruesas. En un proceso industrial se estiran simultáneamente sobre un mismo tambor más le un centenar de fibras a partir de otras tantas varillas. 5.1.2.- Estirado a través de una hilera. Este sistema permite obtener filamentos continuos y es el más empleado para la fabricación de fibra de vidrio textil. El horno en que se lleva a cabo la fusión del vidrio está constituido por un bloque rectangular de platino-rodio con sección en forma de V ( Figura 5.1.2.1) que es calentado eléctricamente. En su parte inferior, alineadas en dos o más filas, lleva hasta un total de 100 a 300 boquillas con un diámetro comprendido entre 1 y 1.5 mm, cada una de las cuales da lugar a una fibra. El haz de fibras obtenidas por estirado a través de esa hilera se reúne por un canal guía en un hilo múltiple después de haberles sido aplicado un recubrimiento orgánico protector a modo de apresto (al que incorrectamente se suele aplicar el galicismo de «ensimaje») y a continuación se arrolla sobre una bobina. El diámetro de las fibras individuales fabricadas por este procedimiento varía entre 3 y 6 µ m. Es muy importante garantizar una elevada homogeneidad química y térmica de la masa vítrea fundida, ya que cualquier tipo de inclusión puede ocasionar la rotura de la fibra con la consiguiente interrupción del proceso. Para conseguir esta homogeneidad el horno se alimenta de forma continua con bolas de vidrio de unos 2 a 3 cm de diámetro, o bien por goteo de vidrio fundido.
Figura 5.1.2.1.- Sistema de fabricación de fibra de vidrio continua, por estirado a través de una hilera. 5.2.- Procedimientos de soplado . En los procedimientos de fabricación por soplado la fibra se obtiene sometiendo el vidrio que sale por los orificios de una hilera, a la acción de estiramiento provocada por un chorro de aire caliente o de vapor de agua. Partiendo de esta idea inicial se han desarrollado diferentes sistemas. 5.2.1.- Sistema de fabricación de fibra corta. La fusión del vidrio se realiza en un pequeño horno balsa ( Figura 5.2.1.1 ) que en la base de su extremo final va provisto de varios juegos de hileras de platino-rodio, cada una de ellas con un número aproximado de cincuenta perforaciones de 1 a 2 mm de diámetro. En la inmediata proximidad de estas hileras y por debajo de ellas se sitúan unas boquillas soplantes que lanzan un chorro de vapor a gran velocidad y elevada presión en la dirección de estirado. El vidrio fundido, al fluir a través de los orificios de la hilera, es estirado por la fuerte corriente de vapor en forma de fibras cortas que caen verticalmente en el interior de una cámara. En su caída se rocían con un aglomerante orgánico y un agente lubricante pulverizados a través de una boquilla. Las fibras se depositan estratificadas al azar formando una manta más o menos gruesa, que es llevada por una cinta transportadora hasta una estufa donde tiene lugar la polimerización del aglomerante orgánico. Las fibras así obtenidas tienen una longitud de unos 10 cm y un diámetro variable entre 7 y 15 µ m.
Figura 5.2.1.1.-Esquema de fabricación de fibra corta de vidrio por soplado.
5.2.2.- Sistema de fabricación de fibra larga. Para aplicaciones textiles en que se requieren fibras mucho más largas y de espesor más uniforme la firma Owens desarrolló un procedimiento consistente en una combinación del sistema de estirado de fibra continua y del de soplado. En la primera etapa del proceso se obtienen fibras continuas por estirado del vidrio, en la forma descrita, a través de una hilera de platino de múltiples perforaciones. Inmediatamente después estas fibras primarias pasan por una rendija en la que se insufla una corriente de vapor baja velocidad, por efecto de la cual experimentan un alargamiento y el consiguiente estrechamiento de su diámetro. Seguidamente se les aplica por pulverización el aglomerante orgánico y se bobinan formando un filamento múltiple continuo. El diámetro de libras oscila entre 8 y 10 µ rm. 5.2.3.- Sistema de fabricación de fibras superfinas. Para la fabricación de fibras superfinas se emplea el sistema Owens-Corning que onsiste en una variante del anterior. La primera etapa del proceso es análoga y la segunda se diferencia en que las fibras primarias formadas por estirado se introducen en una fuerte corriente gaseosa, de gran velocidad y alta temperatura, procedente de un quemador de gas de combustión interna. En tales condiciones, a la vez que reblandecen, sufren un estiramiento y un estrechamiento hasta un diámetro de sólo 0.5 a 5 µ tm. Igual que en los sistemas anteriormente descritos, las fibras se rocían con un aglomerante orgánico y se tratan después en una estufa para producir la polimerización de éste. 5.3.- Procedimientos de centrifugado. 5.3.1.- Sistema Hager. En este sistema un chorro de vidrio fundido, obtenido por rebosamiento de una pequeña cubeta (Figura 5.3.1.1), se deja caer verticalmente en el centro de un disco refractario perforado periféricamente, que gira a una velocidad de unas 4.000 rpm. Por efecto de la fuerza centrífuga el vidrio fundido se reparte formando una película uniforme en el interior del disco y es impulsado a través de sus perforaciones a salir en forma de gotas, cada una de las cuales da lugar a una fibra. Las pequeñas fibras proyectadas, una vez separadas de las gotitas de vidrio, caen verticalmente en forma de cascada y pasan a través de un colector a una cinta transportadora, sobre la que se van depositando hasta formar la manta o el fieltro con el espesor deseado. Mediante este sistema se obtienen fibras cortas con un diámetro de 15 a 30 µ m.
Figura 5.3.1.1.- Esquema de obtención de fibra corta de vidrio por centrifugado según el sistema Hager. 5.3.2.- Sistema TEL . Este procedimiento, desarrollado por la compañía Saint-Gobain, es un sistema mixto que combina el proceso de centrifugado y el de estirado por soplado con aire (Figura 5.3.2.1 ). Análogamente al sistema anterior, a través de un orificio fluye un chorro continuo de vidrio fundido, cuyo caudal se regula variando la temperatura de la cubeta de platino calentada eléctricamente, y cae en el interior del dispositivo de centrifugación, constituido por dos cuerpos concéntricos, que gira a una velocidad de 2.000 a 6.000 rpm. El vidrio fundido es recogido por el primer cuerpo que hace el papel de distribuidor y es proyectado a través de los orificios de éste hacia la superficie interior de la cabeza fibradora, la cual lleva en su periferia un gran número de perforaciones. Dispuesta concéntricamente alrededor de esta cabeza existe una cámara de combustión anular, cuyos n.a gran velocidad perpendicularmente al plano de centrifugación. Las fibras experimentan al encontrarse con la fuerte corriente gaseosa un cambio dirección de 900 y al mismo tiempo sufren un estiramiento. Las fibras se someten al tratamiento protector de un recubrimiento orgánico y son apiladas en forma de mantas en la forma ya descrita.
Figura 5.3.2.1 .- Esquema de obtención de fibras superfinas por el sistema TEL. La acción combinada de los efectos de centrifugado y estirado permite la obtención de fibras muy delgadas, de diámetro variable entre 1 y 5 µ m y con una dispersión de espesores muy baja.
5.4.- Procedimientos de fabricación de fibras ópticas. Las fibras ópticas , constituidas por dos vidrios de diferente índice refracción, pueden fabricarse también por muy diversos procedimientos, de los que se van a exponer someramente a continuación algunas ideas generales. En los primeros sistemas de fabricación empleados se efectuaba el estirado simultáneo de los dos vidrios que constituyen la fibra central y su envoltura exterior. En uno de ellos, la fusión de ambos vidrios se realiza en un crisol de platino de paredes dobles (Figura 5.4.1 ). Este crisol lleva en su parte inferior una boquilla doble que por variación de su abertura permite regular el diámetro de la fibra y el espesor de su recubrimiento.
Figura 5.4.1.-Representación esquemática del procedimiento de fabricación de fibra óptica por estirado simultáneo de dos vidrios contenidos en un crisol de paredes dobles. El otro sistema parte también de dos vidrios diferentes, uno en forma de tubo y el otro en forma de varilla ajustada concéntricamente dentro del primero, correspondientes respectivamente al que ha de formar la envoltura exterior de la fibra y al de su núcleo central ( Figura 5.4.2 ). Ambos vidrios se calientan en un horno tubular y se estiran conjuntamente a la velocidad adecuada para obtener el diámetro de fibra deseado.
Figura 5.4.2 .- Representación esquemática del procedimiento de fabricación de fibra óptica a partir de varilla y tubo de vidrio. Estos dos sistemas han quedado superados por los procedimientos empleados en la actualidad, en los que la fibra de vidrio central, fabricada por un método convencional, se recubre, por deposición en fase de vapor, del vidrio que constituye su envoltura exterior. De este modo se pueden obtener recubrimientos de gran pureza química a temperaturas mucho menores que las que requieren los métodos de estirado.
