Producción de vidrio

La producción de vidrio implica dos métodos principales: el proceso de vidrio flotado , que produce láminas de vidrio, y el soplado de vidrio , que produce botellas y otros recipientes. Se ha realizado de diversas formas a lo largo de la historia del vidrio .

En líneas generales, las fábricas modernas de envases de vidrio tienen tres partes operativas: la "sala de lotes", la "parte caliente" y la "parte fría". La sala de lotes maneja las materias primas; la parte caliente maneja la fabricación propiamente dicha (el antecrisol, las máquinas de formación y los hornos de recocido ); y la parte fría maneja el equipo de inspección y envasado del producto.

El procesamiento por lotes es uno de los pasos iniciales del proceso de fabricación de vidrio. La planta de procesamiento por lotes simplemente almacena las materias primas en grandes silos (alimentados por camión o vagón de ferrocarril) y tiene capacidad para entre 1 y 5 días de material. Algunos sistemas por lotes incluyen el procesamiento de materiales, como el tamizado/cribado de la materia prima, el secado o el precalentamiento (es decir, el vidrio molido ). Ya sea de forma automatizada o manual, la planta de procesamiento por lotes mide, ensambla, mezcla y entrega la receta de la materia prima de vidrio (lote) a través de una serie de conductos, transportadores y básculas hasta el horno. El lote ingresa al horno en la "casa del perro" o "cargador de lotes". Los diferentes tipos de vidrio, colores, calidad deseada, pureza/disponibilidad de la materia prima y diseño del horno afectarán la receta del lote.

La parte caliente de una fábrica de vidrio es donde el vidrio fundido se transforma en productos de vidrio. El lote ingresa al horno y luego pasa al proceso de formación, tratamiento interno y recocido.

La siguiente tabla enumera los puntos fijos de viscosidad comunes , aplicables a la producción de vidrio a gran escala y a la fusión experimental de vidrio en el laboratorio : ^[1]

El lote se introduce en el horno a un ritmo lento y controlado por el sistema de procesamiento por lotes. Los hornos funcionan con gas natural o fueloil y funcionan a temperaturas de hasta 1575 °C (2867 °F). ^[3] La temperatura está limitada únicamente por la calidad del material de la superestructura del horno y por la composición del vidrio. Los tipos de hornos utilizados en la fabricación de vidrio para envases incluyen "de puerto final" (encendido en el extremo), "de puerto lateral" y "oxi-combustible". Por lo general, el tamaño del horno se clasifica por la capacidad de producción de toneladas métricas por día (MTPD).

Los hornos modernos utilizan métodos de calentamiento eléctrico que mejoran la eficiencia energética en comparación con los sistemas tradicionales de combustibles fósiles, lo que contribuye a reducir la contaminación y las emisiones. ^[4] Los electrodos hechos de molibdeno , grafito o aleaciones se utilizan en hornos de vidrio para conducir electricidad y generar energía. ^[5]

Actualmente existen dos métodos principales para fabricar envases de vidrio: el método de "soplar y soplar" únicamente para envases de cuello estrecho, y el método de "prensar y soplar" utilizado para frascos y envases cónicos de cuello estrecho.

En ambos métodos, una corriente de vidrio fundido a su temperatura plástica (1.050–1.200 °C [1.920–2.190 °F]) se corta con una cuchilla de cizalla para formar un cilindro sólido de vidrio, llamado "gota". La gota tiene un peso predeterminado, justo el suficiente para hacer una botella. Ambos procesos comienzan con la gota que cae, por gravedad, y es guiada, a través de canales y conductos, hacia los moldes en blanco, dos mitades de las cuales se cierran con abrazaderas y luego se sellan con el "deflector" desde arriba.

En el proceso de "soplado y soplado", ^[6] el vidrio se sopla primero a través de una válvula en el deflector, forzándolo hacia abajo dentro del "molde de anillo" de tres piezas que se sostiene en el "brazo de anillo de cuello" debajo de las piezas en bruto, para formar el "acabado". El término "acabado" describe los detalles (como la superficie de sellado de la tapa, las roscas de los tornillos, la nervadura de retención para una tapa a prueba de manipulaciones, etc.) en el extremo abierto del recipiente. Luego se sopla aire comprimido a través del vidrio, lo que da como resultado un recipiente hueco y parcialmente formado. Luego se sopla aire comprimido nuevamente en la segunda etapa para darle la forma final.

Los envases se fabrican en dos etapas principales. En la primera etapa se moldean todos los detalles ("acabado") alrededor de la abertura, pero el cuerpo del envase se hace inicialmente mucho más pequeño que su tamaño final. Estos envases parcialmente fabricados se denominan "preformas" y, con bastante rapidez, se moldean por soplado hasta obtener la forma final.

Los "anillos" se sellan desde abajo mediante un émbolo corto. Una vez que termina el "soplado de asentamiento", el émbolo se retrae ligeramente para permitir que la piel que se forma se ablande. Luego, el aire de "contrasoplado" sube a través del émbolo para crear el parisón. El deflector se eleva y los espacios en blanco se abren. El parisón se invierte en un arco hacia el "lado del molde" mediante el "brazo del anillo de cuello", que sostiene el parisón por el "acabado".

Cuando el brazo del collarín llega al final de su arco, dos mitades del molde se cierran alrededor del parisón. El brazo del collarín se abre ligeramente para soltar el "acabado" y luego vuelve al lado en blanco. El "soplado final", aplicado a través del "cabezal de soplado", sopla el vidrio hacia afuera, expandiéndolo dentro del molde, para crear la forma final del recipiente.

En el proceso de prensado y soplado , ^[6] el parison se forma mediante un émbolo metálico largo que se eleva y presiona el vidrio hacia afuera, para llenar los moldes de anillo y de pieza en bruto. ^[7] Luego, el proceso continúa como antes, con el parison transfiriéndose al molde de forma final y el vidrio siendo soplado hacia el interior del molde.

A continuación, el recipiente se retira del molde mediante el mecanismo de "extracción" y se coloca sobre la "placa muerta", donde el aire frío ayuda a enfriar el vidrio, que aún está blando. Por último, las botellas son arrastradas hasta una cinta transportadora mediante las "paletas de extracción" que tienen bolsas de aire para mantener las botellas en pie después de caer sobre la "placa muerta"; ahora están listas para el recocido.

Las máquinas formadoras sostienen y mueven las partes que forman el envase. La máquina consta de 19 mecanismos básicos en funcionamiento para formar una botella y generalmente accionados por aire comprimido (alta presión - 3,2 bar y baja presión - 2,8 bar), los mecanismos están sincronizados electrónicamente para coordinar todos los movimientos de los mecanismos. La disposición de máquina formadora más utilizada es la máquina de sección individual (o máquina IS). Esta máquina tiene un banco de 5 a 20 secciones idénticas, cada una de las cuales contiene un conjunto completo de mecanismos para hacer envases. Las secciones están en fila y las gotas se introducen en cada sección a través de un conducto móvil, llamado distribuidor de gotas . Las secciones hacen uno, dos, tres o cuatro envases simultáneamente (denominados gota "simple", "doble", "triple" y "cuádruple"). En el caso de múltiples gotas, las "cizallas" cortan las gotas simultáneamente y caen en los moldes en blanco en paralelo.

Las máquinas de conformado funcionan en gran medida con aire comprimido y una fábrica de vidrio típica tendrá varios compresores grandes (que suman entre 30.000 y 60.000 cfm) para proporcionar el aire comprimido necesario. Sin embargo, en los últimos tiempos se han implementado servoaccionamientos en las máquinas que logran un mejor control digital del proceso de conformado. Es un paso hacia la inicialización de las industrias 2.0 en este sector.

Los hornos, compresores y máquinas de conformado generan grandes cantidades de calor residual que generalmente se enfrían con agua. El vidrio caliente que no se utiliza en la máquina de conformado se desvía y este vidrio desviado (llamado "cullet") generalmente se enfría con agua y, a veces, incluso se procesa y tritura en un baño de agua. A menudo, los requisitos de enfriamiento se comparten entre bancos de torres de enfriamiento dispuestos para permitir un respaldo durante el mantenimiento.

Después del proceso de formación, algunos envases, en particular los destinados a bebidas alcohólicas, se someten a un tratamiento para mejorar la resistencia química del interior, denominado "tratamiento interno" o desalcalinización . Esto se logra generalmente mediante la inyección de una mezcla de gases que contiene azufre o flúor en botellas a altas temperaturas. El gas se suministra normalmente al envase ya sea en el aire utilizado en el proceso de formación (es decir, durante el soplado final del envase), o a través de una boquilla que dirige una corriente de gas hacia la boca de la botella después de la formación. El tratamiento hace que el envase sea más resistente a la extracción alcalina, que puede provocar aumentos en el pH del producto y, en algunos casos, la degradación del envase.

A medida que el vidrio se enfría, se encoge y se solidifica. Un enfriamiento desigual puede hacer que el vidrio sea más susceptible a fracturarse debido a tensiones internas: la superficie se enfría primero, luego, a medida que el interior se enfría y se contrae, crea tensión. ^[8] El enfriamiento uniforme se logra mediante el recocido . Un horno de recocido (conocido en la industria como lehr ) calienta el recipiente a aproximadamente 580 °C (1076 °F), luego lo enfría, dependiendo del espesor del vidrio, durante un período de 20 a 60 minutos.

La función del extremo frío de la producción de envases de vidrio es completar las tareas finales del proceso de fabricación: rociar una capa de polietileno para lograr resistencia a la abrasión y mayor lubricidad, inspeccionar los envases para detectar defectos, etiquetarlos y empaquetarlos para su envío.

Los recipientes de vidrio suelen recibir dos capas de superficie, una en el extremo caliente , justo antes del recocido, y otra en el extremo frío justo después del recocido. En el extremo caliente se aplica una capa muy fina de óxido de estaño (IV), ya sea utilizando un compuesto orgánico seguro o cloruro estánnico inorgánico . Los sistemas basados ​​en estaño no son los únicos que se utilizan, aunque son los más populares. También se pueden utilizar tetracloruro de titanio o organo titanatos. En todos los casos, el recubrimiento hace que la superficie del vidrio sea más adhesiva al recubrimiento del extremo frío. En el extremo frío se aplica una capa de cera de polietileno , normalmente, mediante una emulsión a base de agua . Esto hace que el vidrio sea resbaladizo, lo protege de los arañazos y evita que los recipientes se peguen entre sí cuando se mueven en una cinta transportadora . El recubrimiento combinado invisible resultante proporciona una superficie prácticamente irracional al vidrio. Debido a la reducción del daño superficial en servicio, los recubrimientos a menudo se describen como fortalecedores, sin embargo, una definición más correcta podría ser recubrimientos que retienen la resistencia.

Los envases de vidrio se inspeccionan al 100 %; máquinas automáticas o, a veces, personas inspeccionan cada envase para detectar una variedad de fallas. Las fallas típicas incluyen pequeñas grietas en el vidrio llamadas "grietas" e inclusiones extrañas llamadas "piedras", que son piezas del revestimiento de ladrillo refractario del horno de fusión que se desprenden y caen en el baño de vidrio fundido, o más comúnmente gránulos de sílice de gran tamaño (arena) que no se han fundido y que posteriormente se incluyen en el producto final. Estos son especialmente importantes para seleccionar debido al hecho de que pueden impartir un elemento destructivo al producto de vidrio final. Por ejemplo, dado que estos materiales pueden soportar grandes cantidades de energía térmica, pueden hacer que el producto de vidrio sufra un choque térmico que resulte en una destrucción explosiva cuando se calienta. Otros defectos incluyen burbujas en el vidrio llamadas "ampollas" y paredes excesivamente delgadas. Otro defecto común en la fabricación de vidrio se conoce como "desgarro". En el moldeado por "prensa y soplado", si un émbolo y un molde están desalineados o se calientan a una temperatura incorrecta, el vidrio se pegará a cualquiera de los elementos y se romperá. Además de rechazar los envases defectuosos, el equipo de inspección recopila información estadística y la transmite a los operadores de la máquina de formado en el extremo caliente. Los sistemas informáticos recopilan información sobre los fallos y la rastrean hasta el molde que produjo el envase. Esto se hace leyendo el número de molde en el envase, que está codificado (como un número o un código binario de puntos) en el envase por el molde que lo fabricó. Los operadores realizan una serie de comprobaciones manuales en muestras de envases, normalmente comprobaciones visuales y dimensionales.

En ocasiones, las fábricas de envases ofrecen servicios como el de "etiquetado". Existen varias tecnologías de etiquetado disponibles. Una de las más exclusivas del vidrio es el proceso de etiquetado cerámico aplicado (ACL). Se trata de la serigrafía de la decoración sobre el envase con una pintura de esmalte vítreo que luego se hornea. Un ejemplo de ello es la botella original de Coca-Cola .

Los envases de vidrio se envasan de diversas formas. En Europa, lo más habitual son los palets de entre 1.000 y 4.000 envases cada uno. Esto se lleva a cabo mediante máquinas automáticas (paletizadoras) que colocan y apilan los envases separados por láminas. Otras posibilidades son las cajas e incluso los sacos cosidos a mano. Una vez embalados, las nuevas "unidades de stock" se etiquetan, se almacenan y, finalmente, se envían.

La fabricación de envases de vidrio en el mundo desarrollado es un negocio de mercado maduro. La demanda mundial de vidrio plano fue de aproximadamente 52 millones de toneladas en 2009. ^[9] Estados Unidos, Europa y China representan el 75% de la demanda, y el consumo de China ha aumentado del 20% a principios de los años 1990 al 50%. ^[9] La fabricación de envases de vidrio también es un negocio geográfico; el producto es pesado y de gran volumen, y las principales materias primas (arena, carbonato de sodio y piedra caliza) generalmente están disponibles. Por lo tanto, las instalaciones de producción deben ubicarse cerca de sus mercados. Un horno de vidrio típico contiene cientos de toneladas de vidrio fundido, por lo que simplemente no es práctico apagarlo todas las noches, o de hecho en un período inferior a un mes. Por lo tanto, las fábricas funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto significa que hay pocas oportunidades de aumentar o disminuir las tasas de producción en más de un pequeño porcentaje. Los nuevos hornos y máquinas de conformado cuestan decenas de millones de dólares y requieren al menos 18 meses de planificación. Teniendo en cuenta este hecho y el hecho de que normalmente hay más productos que líneas de máquinas, los productos se venden desde stock. El reto de marketing/producción es, por tanto, predecir la demanda tanto en el corto plazo de 4 a 12 semanas como en el plazo de 24 a 48 meses. Las fábricas suelen tener un tamaño que responde a las necesidades de una ciudad; en los países desarrollados suele haber una fábrica por cada 1 o 2 millones de habitantes. Una fábrica típica produce entre 1 y 3 millones de envases al día. A pesar de su posicionamiento como producto de mercado maduro, el vidrio goza de un alto nivel de aceptación por parte de los consumidores y se percibe como un formato de envasado de calidad "premium".

Los envases de vidrio son totalmente reciclables y las industrias del vidrio en muchos países tienen una política, a veces exigida por las regulaciones gubernamentales, de mantener un precio alto para el vidrio desechado para asegurar altas tasas de devolución. Las tasas de devolución del 95% no son raras en los países nórdicos (Suecia, Noruega, Dinamarca y Finlandia). Las tasas de devolución inferiores al 50% son habituales en otros países. ^{[ cita requerida ]}

Por supuesto, los envases de vidrio también pueden reutilizarse , y en los países en desarrollo esto es algo habitual, pero el impacto ambiental de lavar los envases en comparación con volver a fundirlos es incierto. Los factores que hay que tener en cuenta en este caso son los productos químicos y el agua dulce que se utilizan en el lavado, y el hecho de que un envase de un solo uso puede hacerse mucho más ligero, utilizando menos de la mitad del vidrio (y, por tanto, del contenido energético) que un envase multiuso. Además, un factor importante en la consideración de la reutilización por parte del mundo desarrollado son las preocupaciones de los productores por el riesgo y la consiguiente responsabilidad del producto que supone utilizar un componente (el envase reutilizado) de seguridad desconocida y no cualificada.

Es difícil decir cómo se comparan los envases de vidrio con otros tipos de envases ( plástico , cartón , aluminio ); todavía se deben realizar estudios concluyentes sobre el ciclo de vida.

El vidrio flotado es una lámina de vidrio hecha flotando vidrio fundido sobre un lecho de metal fundido, típicamente estaño , aunque en el pasado se usaban plomo y varias aleaciones de bajo punto de fusión . Este método le da a la lámina un espesor uniforme y superficies muy planas. Las ventanas modernas están hechas de vidrio flotado. La mayoría del vidrio flotado es vidrio sódico-cálcico , pero también se producen cantidades relativamente menores de borosilicato especial ^[10] y vidrio para pantallas planas utilizando el proceso de vidrio flotado. ^[11] El proceso de vidrio flotado también se conoce como proceso Pilkington , ^[12] llamado así por el fabricante de vidrio británico Pilkington , quien fue pionero en la técnica (inventada por Sir Alastair Pilkington ) en la década de 1950.

Como sucede con todas las industrias altamente concentradas, las fábricas de vidrio sufren impactos ambientales locales moderadamente altos. A esto se suma el hecho de que, como son empresas de mercado maduro, a menudo han estado ubicadas en el mismo sitio durante mucho tiempo, lo que ha provocado la invasión residencial. Los principales impactos en las viviendas residenciales y las ciudades son el ruido, el uso de agua dulce, la contaminación del agua, la contaminación del aire por NOx y SOx y el polvo.

El ruido es generado por las máquinas de conformado. Operadas por aire comprimido, pueden producir niveles de ruido de hasta 106 dBA . La forma en que este ruido se transmite al vecindario local depende en gran medida de la disposición de la fábrica. Otro factor en la producción de ruido es el movimiento de camiones. Una fábrica típica procesa 600 T de material al día. Esto significa que alrededor de 600 T de materia prima deben ingresar a la planta y la misma cantidad debe salir de la planta como producto terminado.

El agua se utiliza para enfriar el horno, el compresor y el vidrio fundido no utilizado. El uso de agua en las fábricas varía mucho: puede ser tan poco como una tonelada de agua utilizada por tonelada de vidrio fundido. De esa tonelada, aproximadamente la mitad se evapora para proporcionar refrigeración, y el resto forma una corriente de aguas residuales.

La mayoría de las fábricas utilizan agua que contiene un aceite emulsionado para enfriar y lubricar las cuchillas de corte de las cizallas . Esta agua cargada de aceite se mezcla con la corriente de salida de agua, contaminándola así. Las fábricas suelen tener algún tipo de equipo de procesamiento de agua que elimina este aceite emulsionado con distintos grados de eficacia.

Los óxidos de nitrógeno son un producto natural de la combustión de gas en el aire y se producen en grandes cantidades en hornos de gas. Algunas fábricas en ciudades con problemas particulares de contaminación del aire mitigarán este problema utilizando oxígeno líquido , sin embargo, la lógica de esto, dado el costo en carbono de (1) no usar regeneradores y (2) tener que licuar y transportar oxígeno, es altamente cuestionable. Los óxidos de azufre se producen como resultado del proceso de fusión del vidrio. La manipulación de la fórmula del lote puede lograr una mitigación limitada de este problema; alternativamente, se puede utilizar la depuración de la columna de escape. ^[8]

Las materias primas para la fabricación de vidrio son todas ellas materiales pulverulentos que se entregan en forma de polvo o de grano fino. Los sistemas para controlar los materiales pulverulentos suelen ser difíciles de mantener y, dada la gran cantidad de material que se mueve cada día, solo es necesario que se escape una pequeña cantidad para que se produzca un problema de polvo. El vidrio triturado o de desecho también se traslada en una fábrica de vidrio y tiende a producir partículas finas de vidrio cuando se lo recoge con pala o se lo rompe.

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