INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · Este controlador tendrá la capacidad de realizar el procesamiento de las señales de control, y también tendrá la capacidad de conectividad con

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

“DISEÑO TÉRMICO Y CONTROL DE UN SISTEMA DE

ENFRIAMIENTO PARA ENVASES DE VIDRIO.”

TESIS INTERDISCIPLINARIA. QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL

PRESENTAN:

Cesar Vallejo Rivero.

Gerardo Vallejo Rivero.

ASESORES:

M. en C. Donís Sánchez Fredy.

Ing. Arjona Ramírez Gerardo Irving.

Ciudad de México, a 25 de noviembre de 2016



i

ÍNDICE.

Contenido. Pág.

Planteamiento del problema .............................................................................. vii

Objetivo general ................................................................................................. vii

Justificación ....................................................................................................... vii

Introducción ...................................................................................................... viii

Capítulo 1 Generalidades ............................................................................... 10

1.1 Antecedentes .............................................................................................. 10

1.2 Proceso de fabricación del vidrio ................................................................ 12

1.3 Producción de vidrio grabado...................................................................... 13

1.4 Procesos productivos .................................................................................. 13

1.4.1 Recepción de materias primas ................................................................ 13

1.4.2 Preparación de las mezclas .................................................................... 13

1.4.3 Fusión de la mezcla y refinación del vidrio .............................................. 14

1.4.4 Formación del envase ............................................................................. 15

1.4.5 Recocido del envase ............................................................................... 17

1.5 Inspección del envase formado ................................................................... 17

1.6 Tratamientos superficiales .......................................................................... 18

1.6.1 Tratamiento en caliente ........................................................................... 18

a) Razones para utilizar los tratamientos superficiales ................................ 18

b) tipos de tratamientos superficiales en caliente......................................... 19

c) como trabajan los tratamientos superficiales en caliente ......................... 19

1.6.2 El espesor del recubrimiento y su resistencia ......................................... 20

1.6.3 Sustancias peligrosas ............................................................................. 20

1.7 Tratamiento en frío ...................................................................................... 20



ii

ÍNDICE.

Contenido. Pág.

a) Papel de un tratamiento en frío ................................................................. 21

b) tipos de tratamiento en frío ....................................................................... 21

1.8 El proceso de reciclaje del vidrio ................................................................. 21

a) Envases utilizables y de un solo uso ........................................................ 21

b) El proceso del reciclaje ............................................................................. 22

c) Descripción técnica ................................................................................... 23

1.9 Características del reciclado ....................................................................... 25

Capítulo 2 Ingeniería básica .......................................................................... 26

2.1 Tipos de vidrios comunes............................................................................ 26

a) Sílice vítrea .............................................................................................. 26

b) Silicato sódico .......................................................................................... 28

2.2 Vidrios de silicato sódico ............................................................................. 29

2.3 Propiedades del vidrio ................................................................................. 31

2.4 Fundición del vidrio ..................................................................................... 35

2.4.1 Hornos de fundición ................................................................................ 35

Capítulo 3 Ingeniería del proyecto ................................................................. 41

3.1 Procesos del formado de envase de vidrio ................................................. 41

3.1.1 Proceso soplo-soplo ............................................................................... 41

3.1.2 Proceso prensa-soplo ............................................................................ 42

3.2 Descripción a detalle del formado de envases de vidrio ............................ 43

3.3 Descripción de las máquinas de sección individual ................................... 44

3.4 Memoria de cálculo ..................................................................................... 45



iii

ÍNDICE.

Contenido. Pág.

3.4.1 Presión hidrostática .............................................................................. 47

3.4.2 Ciclo cerámico ...................................................................................... 52

3.5 Mecanismos de transferencia de calor ........................................................ 63

3.5.1 Cálculo del flujo de calor transferido ................................................... 68

Capítulo 4 Elementos y estrategia de la automatización ............................. 71

4.1 Descripción de la automatización ................................................................ 71

4.2 Controladores lógico programables ............................................................ 71

4.3 Periferia descentralizada ............................................................................. 76

4.4 Panel de operación ..................................................................................... 77

4.5 Medición de temperatura............................................................................. 79

4.6 Actuadores eléctricos .................................................................................. 82

4.7 Tipos de actuadores eléctricos .................................................................... 84

4.8 Compresores de aire ................................................................................... 85

4.9 Señales discretas y analógicas de control .................................................. 90

4.10 Seguridad industrial .................................................................................. 93

Capítulo 5 Implementación de la automatización y costos ........................ 96

5.1 Selección de controlador ............................................................................. 96

5.2 Selección de panel de operación ................................................................ 98

5.3 Selección de actuador eléctrico .................................................................. 99

5.4 Selección de compresor de aire ................................................................ 101

5.5 Selección de equipo de medición de temperatura .................................... 103

5.6 Consideraciones de ensamble de tablero eléctrico .................................. 104

5.7 Consideraciones de cableado eléctrico .................................................... 112



iv

ÍNDICE.

Contenido. Pág.

5.8 Consideraciones de seguridad industrial .................................................. 117

5.9 Diseño Mecánico ....................................................................................... 120

5.10 Costos ..................................................................................................... 122

5.11 Estudio de costo/beneficio ...................................................................... 124

Conclusión. .................................................................................................... 125

Bibliografía. ..................................................................................................... 126

Anexo A Especificaciones de controlador Micrologix. .................................... 127

Anexo B Especificaciones de panel de operación. ......................................... 128

Anexo C Especificaciones de compresor de velocidad variable. ................... 129

Anexo D Especificaciones de pirómetros. ...................................................... 130

Anexo A Especificaciones actuador eléctrico. ................................................ 131



v

ÍNDICE DE FIGURAS.

Contenido. Pág.

Figura 1.1 envases de vidrio. ................................................................................ 10

Figura 1.2 máquina i.s. (individual sección). ................................................ ………12

Figura 1.3 procesos de reciclaje del vidrio.............................................................. 22

Figura 1.4 características del reciclaje de vidrio. ..................................................... 25

Figura 2.1 grafica viscosidad-temperatura del vidrio ................................................ 34

Figura 2.2 horno de calentamiento directo... .......................................................... 38

Figura 2.3 vista de la combustion en el interior del horno... ...................................... 39

Figura 3.1 bombillo de obturador soplando. ........................................................... 41

Figura 3.2 contra soplo ....................................................................................... 42

Figura 3.3 piston penetrando vidrio (preforma). ...................................................... 42

Figura 3.4 maquina sección individual completa .................................................... 45

Figura 3.5 análisis esquemático utilizado para la conservación de la energía ............ 52

Figura 3.6 modos de transferencia de calor............................................................ 64

Figura 3.7 transferencia de calor por conducción. ................................................... 65

Figura 3.8 desarrollo de la capa límite en la transferencia de calor por convección .... 66

Figura 3.9 procesos de transferencia de calor por convección, (a) convección forzada,

(b) convección natural, (c) ebullición, (d) condensación. .......................................... 67

Figura 4.1 controlador de montaje sencillo del simatic s7-400.. ................................ 72

Figura 4.2 tipos de control según su aplicación. ..................................................... 77

Figura 4.3 panel de operación para diferentes características específicos ............... 79

Figura 4.4 esquema para la medición e temperatura por medio de termopares... ...... 80

Figura 4.5 pirómetro infrarrojo para medición de temperatura .................................. 81

Figura 4.6 actuador eléctrico. ............................................................................... 83



vi

ÍNDICE DE FIGURAS.

Contenido. Pág.

Figura 4.7 compresor de pistón ............................................................................. 86

Figura 4.8 compresor de tornillo ........................................................................... 87

Figura 4.9 compresor centrifugo... ......................................................................... 88

Figura 4.10 cabeza del compresor variable... ......................................................... 89

Figura 4.11 causas de fallo .................................................................................. 94

Figura 4.12 estrategias para la seguridad funcional ................................................ 95

Figura 5.1 selección de los controladores para el sistema. ...................................... 98

Figura 5.2 dimensiones del panel de operación ...................................................... 99

Figura 5.3 despiece del actuador eléctrico .......................................................... 100

Figura 5.4 compresor de velocidad variable (ved) ................................................. 101

Figura 5.5 ahorro de energía del 35% del compresor de velocidad ......................... 101

Figura 5.6 presión constante del compresor de velocidad variable durante

operación .......................................................................................................... 102

Figura 5.7 Análisis de los picos de intensidad por arranque y paro del sistema. ...... 102

Figura 5.8 dispositivo de programación de aplicación manual dak 316 ................... 104

Figura 5.9 bus de entradas digitales .................................................................... 107

Figura 5.10 montaje de clemas ........................................................................... 108

Figura 5.11 bus de 120 vca ................................................................................ 109

Figura 12 bus de 24 vcd ..................................................................................... 110

Figura 5.13 corte de cable pelado por un extremo ................................................ 113

Figura 5.14 corte de cable con puntera ................................................................ 114

Figura 5.15 diagrama unifilar de cableado 120 vca. .............................................. 115



vii

ÍNDICE DE FIGURAS.

Contenido. Pág.

Figura 5.16 diagrama unifilar de cableado 24 vcd ................................................. 116

Figura 5.17 placa de estandarizada de tablero energizado .................................... 118

Figura 5.18 Identificación de datos técnicos en gabinetes ..................................... 119

Figura 5.19 Vista superior del diseño mecánico .................................................... 120

Figura 5.19 Vista frontal del diseño mecánico ...................................................... 121

Figura 5.19 Isométrico del diseño mecánico ......................................................... 121



viii

ÍNDICE DE TABLAS.

Contenido. Pág.

Tabla 2.1 intervalos de composición frecuente en los vidrios comunes ..................... 31

Tabla 2.2 composición de vidrio por silicato sódico. ................................................ 32

Tabla 2.3. Coeficiente para el cálculo de las propiedades de vidrio .......................... 33

Tabla 4.1 componentes de diseño del controlador lógico programable centralizado. .. 75

Tabla 4.2 entradas digitales... ............................................................................... 92

Tabla 4.3 salidas digitales... ................................................................................. 92

Tabla 4.4 entradas analógicas .............................................................................. 92

Tabla 4.5 salidas analógicas. ................................................................................ 92

Tabla 5.1 Tipos de pirómetros ópticos marca oks. ................................................ 103

Tabla 5.2 Tipos de calibre de conductor a colocar ............................................... 115

Tabla 5.3 Tipos de cable a colocar ...................................................................... 116

Tabla 5.4 Costo de materiales y trabajos eléctricos .............................................. 122

Tabla 5.4 Costo de materiales y trabajos mecánicos ............................................. 123



VII

PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA.

Como parte fundamental para la mejora continua, es requerimiento indispensable

contar con todas las condiciones necesarias para poder desarrollar productos de

calidad. En este trabajo se analizará las condiciones de trabajo en una planta

vidriera con la finalidad de reducir el número de pérdidas en la producción de los

envases de vidrio.

OBJETIVO GENERAL.

El desarrollo de este trabajo, tiene como objetivo entender cada uno de los

procesos para la elaboración de envases de vidrio, teniendo como fin mejorar el

sistema de enfriamiento de la moldura para el incremento de velocidades en el

proceso de fabricación.

Con esto se pretende comparar las eficiencias reales con las programadas, con

el fin de incrementar la productividad para cumplir con las metas establecidas por

logística.

JUSTIFICACIÓN.

Al realizar un análisis técnico se demostró que es necesario mejorar el sistema

de enfriamiento actual de la moldura debido a que la temperatura de la moldura

es superior a la establecida para la elaboración de los envases de vidrio.

Teniendo como propósito lograr que se incremente la producción de los envases

de vidrio e un sistema de producción automatizado.



VIII

INTRODUCCIÓN.

Esta tesis trata del diseño y realización de un control de un sistema de

enfriamiento para envases de vidrio, del cual se realizará un estudio de las

condiciones térmicas en el proceso de formación de un envase de vidrio, así

como la estrategia de un control de temperatura con el objetivo de uniformar la

variable de temperatura en el control de este proceso.

El proceso actual no cuenta con un control automático de temperatura para la

formación de envases de vidrio, la cual la variable de temperatura juega un papel

importante para el control del proceso de formación de envases de vidrio, por ello

nace la idea de realizar un diseño de enfriamiento.

Otro objetivo importante de esta tesis es por medio del control de la temperatura

es el aumentar la vida útil de un molde en el proceso de formación, con esto se

evitarían los tiempos muertos por cambio de molduras en la etapa final de

formación del envase de vidrio, y así poder aumentar la productividad en una

planta vidriera,

Para el control de la temperatura en el proceso de formación de los envases de

vidrio, se integrará un controlador lógico programable (PLC), que se será el

encargado de efectuar las tareas programadas con la retroalimentación de un

sensor inalámbrico (pirómetro) del cual genera un comando de apertura o cierre

de un actuador eléctrico, del cual controlará el flujo de aire suministrado al molde

provocando un manejo de la temperatura en los moldes.

Este controlador tendrá la capacidad de realizar el procesamiento de las señales

de control, y también tendrá la capacidad de conectividad con protocolos de

comunicación de la última generación a un sistema de monitoreo central, con el

objetivo de realizar el monitoreo de esta implementación desde un cuarto de

control.

“DISEÑO TÉRMICO Y CONTROL DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA

ENVASES DE VIDRIO.”

10

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES.

1.1 ANTECEDENTES

El vidrio se forma con diferentes tipos de sales. El componente más importante

es el dióxido de silicio en forma de arena. Para fabricar el vidrio común se añaden

carbonato sódico y piedra caliza (carbonato de calcio). El tono verdoso del vidrio

antiguo se debe a las impurezas de hierro de la arena. Los vidrios modernos

incorporan otros ingredientes para mejorar el color y algunas de sus

propiedades, por ejemplo, la resistencia al calor.

La industria del vidrio es una de las más antiguas creadas por el hombre.

Apareció hace varios milenios en el Mediterráneo, casi en el mismo momento

que otras dos grandes industrias que se hicieron posibles gracias al dominio de

altas temperaturas: las de la cerámica y el metal. El vidrio más antiguo es un ojo

de vidrio de color azuloso que imita a la turquesa y que data del reinado del

faraón egipcio Amenofis I, en los 1550 a. C. pero fue en Roma donde nació la

industria vidriera hacia el año 2000 a C, con el descubrimiento del vidrio soplado.

En el siglo II los romanos conocían el vidrio translucido y fabricaban objetos de

vidrio, espejos de cristal sobre metal y lupas (ampollas de vidrio rellenas de agua)

ver figura 1.1

Figura 1.1 Envases de vidrio.



11

Existen una gran variedad de vidrios y una gran diversidad de procedimientos

industriales o artesanales. Según los usos a los que están destinados, se pueden

distinguir seis tipos de productos de la industria vidriera: el cristal de vidrio

ordinario; el cristal para ventanas, puertas, mobiliario, espejería e industria del

automóvil; los “vidrios huecos” para la botellería y la cubiletería; los “vidrios

técnicos”, para la óptica, las ampollas, los tubos del televisor, etc.; la fibra de

vidrio, utilizada como textil, o utilizada en la forma de paneles que sirven para

el aislamiento térmico; y el vidrio trabajado a mano. Todos estos vidrios difieren

sensiblemente por su composición, y sobre todo por las técnicas utilizadas para

su fabricación.

El vidrio es el más universal de los envases, al no contar con contraindicación de

uso alguno. Está presente en la práctica totalidad de los sectores y en algunos

de ellos en exclusiva, aunque es la industria agroalimentaria a la que más

estrechamente ligado se encuentra. Dentro de esta industria, se fabrican de

forma absoluta algunos segmentos como vino, cavas o cervezas, conviviendo

con el resto de materiales en otros como refrescos, aguas, zumos o conservas.

Es un material de estructura amorfa, que se obtiene por enfriamiento rápido de

una masa fundida lo cual impide su cristalización. De aquí surge otra definición

que dice que el vidrio es un líquido sobre enfriado. Esto quiere decir, de altísima

viscosidad a temperatura ambiente, por lo que parece un sólido. Cuando se

encuentra a 1450ºC es un líquido de baja viscosidad. A esa temperatura su

temperatura su viscosidad es parecida a la de la miel. A temperatura ambiente

el vidrio se comporta estructuralmente como un líquido congelado, dicho de otra

forma, es un líquido que se enfría tan rápidamente que es imposible que se

formen cristales. Cuando el vidrio se enfría lentamente se forman cristales de

vidrio, fenómeno que se conoce como

Vitrificación. Los artículos hechos con vidrio vitrificado tienen poca resistencia

física. Para fabricar objetos de vidrio el hombre primitivo fundía bloques macizos,

los dejaba endurecer y luego los tallaba como piedra. Más tarde descubrió que

el vidrio se trabaja más fácilmente en estado líquido, mientras aun está caliente.



12

Los fenicios difundieron el vidrio por las costas del Atlántico y Mediterráneo, y en

tiempos del imperio romano existían grandes centros de producción en Fenicia

y Alejandría. Con las técnicas del vidrio soplado era posible fabricar piezas de

gran valor artístico. Antes del siglo X aparecieron los vitrales de color, y hacia el

siglo XIV se fabricaban en Venecia cristalerías y lentes de aumento. En las

fábricas modernas el vidrio se produce en hornos continuos.

1.2 PROCESO DE FABRICACIÓN DEL VIDRIO

El proceso de fabricación de los envases de vidrio comienza cuando las materias

primas (arena, sosa, caliza, componentes secundarios y, cada vez en mayor

medida, casco de vidrio procedente de los envases de vidrio reciclados) se

funden a 1500ºC. el vidrio obtenido, aún en estado fluido y a una temperatura de

unos 900ºC, es distribuido a los moldes donde obtienen su forma definitiva.

Posteriormente, se traslada a un área de recocido en la que, mediante un

tratamiento térmico, se eliminan tensiones internas y el envase de vidrio adquiere

su grado definitivo de resistencia. A continuación, se realizan exhaustivos

controles de calidad, donde se comprueban cada unidad electrónicamente. Tras

estos controles, los envases son embalados automáticamente en pallets

retractilados, hasta su distribución.

FIGURA 1.2 Máquina i.s. (individual sección)



13

1.3 PRODUCCION DE VIDRIO GRABADO

Según definición ASTM (American Standard Testing Materials), el vidrio es

un producto inorgánico de fusión, enfriado hasta llegar a la condición de rigidez

sin cristalización.

El vidrio carece de punto de fusión determinado, al contrario de lo que ocurre con

la mayor parte de los cuerpos. Desde su estado líquida elevada temperatura se

vuelve cada vez más pastoso a medida que se enfría y el estado sólido lo

adquiere entre límites de temperatura de varios cientos de grados.

La viscosidad del vidrio fundido permite elaborar objetos soplados, pero también

causa dificultades en la fabricación, retenidas en la masa fundida. Buena

fluidificación al oponerse al desprendimiento de las burbujas gaseosas se

necesitan temperaturas próximas a 1400ºC para lograr una

1.4 PROCESOS PRODUCTIVOS

El proceso para la elaboración del vidrio se puede dividir en las siguientes etapas:

1.4.1 RECEPCIÓN DE MATERIAS PRIMAS:

En esta etapa se garantiza un control operativo y técnico en las materias primas

para verificar su calidad físico - química, para la producción del vidrio. La

operación esencial en esta etapa es la realización de los análisis físicos y

químicos realizados a la materia prima, los cuales verifican el cumplimiento de

las especificaciones. Primero se debe cumplir con el requisito de la

granulometría, es decir, el tamaño de los granos de cada material, el cual, debe

estar entre ½ y ¾ de milímetro. Para el feldespato y la arena se debe cumplir

unos requisitos, tales como tener una composición química estable y

determinada. La arena no debe contener arcillas y su contenido de óxidos de

hierro debe ser lo más bajo posible. De acuerdo al resultado del análisis, si el

producto está conforme con las especificaciones se define su disposición para

ser utilizado posteriormente; si la materia prima no cumple con las

especificaciones se procede a darles el manejo preestablecido como productos

no - conformes.

1.4.2 PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS:

La preparación de la mezcla se puede dividir en cuatro partes:



14

Almacenamiento: consiste en ubicar las distintas materias primas en

diferentes sitios de almacenamiento en donde permanecerán hasta su

utilización.

Pesaje: siguiendo la formulación previamente establecida se pesa cada

uno de los componentes mediante mecanismos automáticos y en las

proporciones determinadas.

Mezclado: Luego de ser pesadas cada una de las materias primas, son

enviadas a las mezcladoras en donde, por un tiempo previamente

establecido y con una adición específica de agua, los componentes son

mezclados totalmente.

Transporte: Finalmente la mezcla es enviada por medio de elevadores y

transportadores hasta los silos donde queda finalmente lista para ser

cargada al horno.

1.4.3 FUSIÓN DE LA MEZCLA Y REFINACIÓN DEL VIDRIO:

El horno es el sitio donde se lleva a cabo la fusión de las materias primas.

Consiste en un recipiente rectangular construido con materiales refractarios

resistentes al desgaste producido por el vidrio líquido y las llamas. El horno utiliza

como combustible el Crudo de Castilla para producir el calor, por medio de dos

quemadores, los cuales funcionan alternadamente veinte veces cada uno. Por

uno de sus extremos se carga la mezcla, mientras que por el otro se extrae el

vidrio fundido. Posteriormente hay una entrada de aire de 1000ºC, con el fin de

enfriar el vidrio que se encuentra dentro del horno. Los gases producidos por el

horno son expulsados por lo regeneradores (1300ºC).

El primer proceso que se identifica claramente en el horno es el de fusión; aquí

todas las materias primas no son propiamente fundidas, sino que al

suministrarles calor primero se descomponen y después reaccionan; así pues

los componentes que poseen menor punto de fusión se vuelven líquidos más

rápido que los que tienen mayor punto de fusión (para la sílice es mayor de

1600ºC, y para el casco entre 1050 y 1100ºC); a medida que va aumentando la

1temperatura estos últimos también se funden y desaparecen como materiales

cristalinos.

A continuación, se realiza el proceso de refinación, en el cual se eliminan las

“semillas” (gran número de pequeñas burbujas que se originan a partir de las

reacciones de las materias primas); este proceso empieza casi simultáneamente

con el proceso de fusión y continúa hasta que la mezcla de materias primas esté

completamente líquida.



15

Luego el vidrio fundido pasa a un segundo tanque, llamado tanque de refinación,

donde se intenta igualar la temperatura del vidrio en toda su extensión, para

posteriormente repartirlo a las máquinas formadoras por medio de los canales.

Acondicionamiento del vidrio:

El canal es el encargado de enviar el vidrio desde el horno hasta el lugar donde

están las máquinas formadoras de envases. Durante este trayecto se disminuye

la temperatura del vidrio gradualmente (con lo cual aumenta su viscosidad), de

tal manera que al final del canal se obtenga el vidrio en un estado en el que se

pueda modelar, correspondiendo a una cierta temperatura para fabricar una

botella determinada. Se denomina acondicionar el vidrio al hecho de controlar la

temperatura en el flujo del vidrio que está dentro de la canal desde refinación

hasta el orificio refractario y se forme la gota.

La homogeneidad de la mezcla del vidrio se mide revisando las temperaturas

existentes desde el fondo hasta la superficie y de lado a lado a la entrada del

tazón (última sección del canal antes de las máquinas I.S.); estas temperaturas

afectan directamente la distribución del vidrio en la botella, la forma de la gota, y

su cargue en la máquina, por esto una falla en esta parte del proceso puede

resultar en la formación de botellas deformes, con una masa mal distribuida y,

por lo tanto más frágiles. Para obtener una temperatura uniforme en el vidrio se

deben tener en cuenta las pérdidas de calor existentes a través del techo, las

paredes y el piso del canal, así como el calor suministrado por los quemadores.

Igualmente, para acondicionar el vidrio, es necesario tener en cuenta el color del

vidrio, la cantidad de vidrio que extrae cada máquina, la forma de la botella, la

cantidad de aire disponible para enfriar el equipo de moldura de la máquina y la

velocidad de fabricación de la máquina.

1.4.4 FORMACIÓN DEL ENVASE:

Una vez se ha acondicionado el vidrio, en el alimentador se forma la gota de

vidrio con el peso correcto y la forma deseada por medio de un sistema de partes

refractarias compuesto por: un tubo que controla el flujo de vidrio hacia el orificio,

una aguja que impulsa intermitentemente el vidrio hacia el orificio, que determina

la cantidad de vidrio que tendrá la gota. Para formar la gota el flujo de vidrio se

corta por el sistema de tijera.

Posteriormente, la gota se hace llegar a la máquina I.S. mediante el equipo de

entrega, que consiste en de una cuchara, encargada de recibir la gota, una canal

por donde la gota resbala hacia cada sección y un deflector que la entrega al



16

equipo de moldura. La sigla I.S. significa máquinas de secciones independientes,

en estas una sección se puede parar sin afectar el funcionamiento de las otras o

de la máquina completa. Las empresas vidrieras utilizan en la actualidad

máquinas de 6, 8,10 y 12 secciones. Cada sección puede fabricar una botella

(gota sencilla) o dos botellas (doble gota). Las botellas se pueden fabricar en dos

procesos básicos: Soplo y Soplo (S.S.) y Prensa y Soplo (P.S.).

Para formar una botella se necesita de la moldura; que generalmente está hecha

de fundición o en aleaciones metálicas especiales (el valor de cada molde está

alrededor de los cien mil dólares). Las piezas usadas son: la camisa, la aguja y

la boquillera para formar el terminado; el pre molde, la tapa y el embudo para

formar el parison o preforma de la botella; y el molde, el fondo y la sopladora,

para formas la botella. Las pinzas se encargan de sacar la botella del lado del

molde hacia la plancha muerta en donde se traslada hacia el transportador,

mediante los barredores, el cual finalmente la llevará al archa de recocido.

Proceso soplo y soplo:

Después de lograr el cargue de la gota (1) en el pre-molde se utiliza aire

comprimido para empujar el vidrio y formar el terminado (2. Soplo inicial);

Después con aire comprimido se sopla el vidrio hacia arriba, formándose así

la burbuja y el parison, de una forma limitada por el pre-molde y la tapa (3 Contra

soplo). Luego el parison se transfiere al molde (4) y nuevamente con aire

comprimido a través de la sopladora se infla el parison hasta llenar la cavidad del

molde (5 Soplo final). Después de esto la botella es retirada del molde (6) y

puesta sobre el transportador de línea, mediante los barredores, quién se

encarga de llevarla al archa de recocido.

Proceso prensa y soplo:

El proceso de prensa y soplo se ha desarrollado para obtener botellas de boca

ancha (proceso tradicional) o de boca estrecha (proceso conocido como NNPB).

El mecanismo utilizado para el mecanismo de prensa y soplo es el mismo que se

utiliza para el mecanismo de soplo y soplo, cambiando algunos aditamentos que

lo hacen funcionar de manera diferente. La principal diferencia radica en que la

acción que realiza el contra soplo es efectuada por un macho, el cual se encarga

de dar la preforma a la gota para formar el parison; las demás etapas son

similares.



17

La gota de vidrio cae en el pre molde (1). Inmediatamente el vidrio entra al pre

molde, la tapa baja. El macho empieza a subir, a una presión controlada, forzando

al vidrio a llenar todos los vacíos, incluyendo la cavidad de la boquillera,

formándose así el parison (2). Luego, el macho baja, la tapa sube y el pre molde

abre. Enseguida, el parison es transferido al molde (3). El parison continúa su

recalentamiento y estiramiento en el lado del molde. A continuación, se aplica

aire comprimido para soplar el vidrio hasta llenar la cavidad del molde; también

se aplica vacío para reforzar el contacto del vidrio con el molde (4). Este contacto

con el molde más la circulación del aire del Soplo final enfrían el vidrio. Después

de abrir el molde, las pinzas trasladan el envase hasta la plancha muerta (5) y el

mecanismo barredor lo ubica sobre el transportador. Con el aire de enfriamiento

de los alrededores del envase continúa el proceso de remoción de calor hasta

que el vidrio alcanza una temperatura que asegura la estabilidad de su forma.

1.4.5 RECOCIDO DEL ENVASE

Cuando se forma la botella, el vidrio se enfría muy rápido, creándose una gran

cantidad de esfuerzos internos, que debilitan la botella. El archa de recocido es

la encargada de aliviar esas tensiones.

En el archa se calienta de nuevo la botella ya formada a una temperatura de

550°C durante unos diez minutos, disminuyendo luego lenta y controladamente

la temperatura teniendo como base una curva de temperatura que garantiza alivio

de tensiones y el surgimiento de nuevos esfuerzos en la botella.

1.5 INSPECCIÓN DEL ENVASE FORMADO

Después las botellas son conducidas por medio de bandas transportadoras hacia

una zona de revisión, compuesta por una gran cantidad de dispositivos

automáticos, dotados de sistemas capaces de detectar defectos provenientes de

la formación de la botella; ahí se retiran de la línea de producción todas aquellas

botellas que tengan defectos de forma y/o dimensionales, grietas, arrugas,

distribución irregular del vidrio en las paredes del envase y resistencia, entre

otros, garantizando así que la producción que se enviará al cliente sea de

excelente calidad.

EMPAQUE: En esta etapa, los envases son empacados al cliente por medio

de diferentes métodos como son: el termo encogido, el paletizado y el

encanastado en cajas plásticas (que hacen en la misma planta).



18

Luego de que el envase ha sido empacado, es transportado a las bodegas de

almacenamiento, en donde queda listo para ser despachado al cliente respectivo.

1.6 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

Los envases de vidrio requieren de un tratamiento superficial con la finalidad de

eliminar esfuerzos y garantizar su resistencia.

1.6.1 TRATAMIENTO EN CALIENTE

a) Razones para utilizar los Tratamientos Superficiales

El vidrio es el único material que se puede moldear para producir envases

higiénicos y transparentes, ideales para el empaque de productos alimenticios

para el consumo humano. Sin embargo, una de sus mayores desventajas es la

de romperse fácilmente (su fragilidad).

Aunque no es muy conocido, muy pocos materiales se aproximan a la resistencia

que alcanza el vidrio prístino (que tiene la gran pureza de su estado original). Una

fibra de vidrio prístino resiste una concentración de esfuerzos cercana a un millón

de psi, cifra que está muy por encima de la resistencia de muchos materiales.

Pero durante el proceso de formación de la botella, esta altísima resistencia se

pierde fácil y rápidamente. La pérdida de resistencia puede ser ocasionada por

un inadecuado diseño, por la manera en que se fabrica la botella, por un mal

recocido, etc., pero las mayores pérdidas de resistencia Son causadas por la

formación de micro grietas y/o ralladuras en la superficie del vidrio cuando las

botellas recién producidas se tocan entre sí o cuando hacen contacto con alguna

parte metálica. Estos daños superficiales producen una drástica reducción en la

resistencia del envase de vidrio.

Para reducir esas pérdidas de resistencia, hace muchos años se producían

botellas con paredes mucho más gruesas y por lo tanto más pesadas.

Con la aparición de otros materiales para empaque (cartón, metales y

principalmente plásticos), se hizo importante que la botella fuera más liviana pero

que se mantuviera la resistencia de las antiguas botellas. Como una retribución

a este cambio, se consiguen algunos ahorros en proceso de fusión del vidrio y

aumentos en la velocidad de producción de las botellas. De esta manera se hizo

necesario desarrollar algún tipo de proceso para mejorar, Superficiales.



19

En el caso del Tratamiento Superficial en Caliente, la botella es recubierta con

óxido de estaño, el cual desempeña dos funciones, ambas con miras a conservar

la resistencia:

1. Evitar que la superficie sea rayada

2. Intentar “tapar” las micro grietas

Además, se consigue el aumento de cerca del 20% en la presión interna, es decir,

que una botella liviana con recubrimiento tendrá una resistencia equivalente a la

de una botella pesada.

b) Tipos de Tratamientos Superficiales en Caliente

Se emplean diferentes tipos de recubrimientos en caliente como cloruro de

estaño anhidro (Sn Cl4), cloruro de estaño pentahídrico (Sn Cl4 5H2O) y el OZ

120, un producto orgánico de estaño. Todos llegan en forma de vapor a una cabina

por donde se hacen pasar las botellas en si camino desde la máquina hacia el

horno de recocido, en donde se atomiza.

c) Como Trabajan los Tratamientos Superficiales en caliente

Básicamente, el Tratamiento en Caliente se aplica como una deposición de vapor

químico sobre la botella (muy caliente). Las botellas, que deben estar a una

temperatura por encima de los 500ºC, entran en contacto con el TC – 100

vaporizado dentro de una cabina de diseño especial. La cabina se coloca sobre

la extensión del transportador de la máquina formadora. En cuestión de segundos

(entre 2 y 3), se forma sobre la superficie de la botella una delgada capa de óxido

de estaño. Esta es la capa que ayuda al vidrio a conservar su resistencia.

Después la capa de óxido de estaño es la base para lograr una buena adhesión

del

Tratamiento superficial en frío, el cual se aplica sobre esa primera capa. Este

recubrimiento hace que la superficie de la botella sea más resbalosa. El bajo

coeficiente de fricción resultante disminuye las fuerzas de contacto entre las

botellas.

La cantidad de gas utilizado para el recubrimiento es tal que debe alcanzar de 29

a 60 C.T.U. (Coating Thickness Units, unidades de espesor de recubrimiento).

Según A.G.R. un C.T.U. es aproximadamente un Aº (Amstrong, 10^-7 mm).



20

El nivel óptimo deseado es de 40 C.T.U., si se obtiene un espesor mayor, se

desperdicia un material muy costoso y si es menor, la resistencia de la botella no

será adecuada. Cuando se utiliza en demasía se obtiene botella de aspecto

nacarado o iridiscentes, que pueden ser rechazadas en el proceso de selección.

Para Tratamientos en Caliente también se utilizan óxidos de titanio, que son más

baratos que el estaño pero el efecto nacarado aparece con espesores de

recubrimiento menores que los obtenidos con el estaño, siendo un tratamiento

más difícil de mantener bajo control.

1.6.2 EL ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO Y SU RESISTENCIA

La medida del espesor del recubrimiento se hace en el área de Control de Calidad

con un aparato que dispara una luz infrarroja sobre la botella, la cual absorbe una

determinada cantidad de luz, la luz reflejada se relaciona con el espesor de la

capa, pues es proporcional a esta. Esta lectura se hace en menos de un minuto.

También se puede determinar el espesor de la capa por medios químicos pero

este proceso dura alrededor de dos días, donde se necesitan altos niveles de

precisión. La resistencia a la rayadura se puede determinar colocando dos

botellas una contra la otra en el punto de contacto y ejerciéndoles una fuerza

graduable conocida. Si la fuerza no es lo suficientemente alta, al mover

lentamente una contra la otra se producirá una rayadura. Esta resistencia a la

rayadura puede ir desde una fuerza ínfima, en el caso de las botellas que no

tienen recubrimiento, hasta una fuerza de 500 N para botellas con tratamiento

superficial. Generalmente se hacen solo hasta 450 N, pues la botella se quiebra

antes de rayarse.

1.6.3 SUSTANCIAS PELIGROSAS

El problema es básicamente causado por los vapores de HCl. El límite permitido

es de 5 ppm, esto es partes de ácido clorhídrico por un millón de partes de aire.

Este límite no debe sobrepasarse, excepto dentro de la cabina, por ningún

motivo. Se ha comprobado que 5 ppm es el máximo que puede soportar el ser

humano sin que le ocasione daños. Sin embargo, si alguien va a estar expuesto

por un largo periodo de tiempo a altos niveles, debe utilizar un respirador para

gas ácido

1.7 TRATAMIENTO EN FRIO

El vidrio al cambiar de fase líquida a solida requiere de un tratamiento térmico



21

a) Papel de un tratamiento en frío

Estos materiales son vaporizados sobre las botellas, a la salida del archa, con el

objetivo principal de mejorar su manejo en las líneas de empaque de las fabricas

de botellas y, más importante aún, en las líneas de llenado de los clientes, debido

a que las botellas sin tratamiento se "agarran” unas a otras, formándose

“trancones” en las líneas de llenado.

Además sin adecuado recubrimiento en frío el recubrimiento en caliente se cae

fácilmente. Los tratamientos superficiales en frío suministran mayor lubricidad y

duración cuando se aplican sobre un recubrimiento en caliente de alta calidad.

Se debe tener en cuenta que:

1. Para conseguir un buen tratamiento en frío se debe hacer sobre una superficie

tratada en caliente

2. Los tratamientos en frío ayudan a evitar la presencia de esfuerzos en la botella

b) Tipos de Tratamiento en Frío

Puesto que existe una gran cantidad de botellas para diferentes clientes y usos,

también se han desarrollado una gran variedad de materiales para hacer

tratamientos en frío, según las necesidades de recubrimiento requeridos pero

tratando siempre de cumplir las exigencias de cada cliente.

Se pueden mencionar, entre otros, el Carbowax, el ácido oleico, el R – 200 y el

RP – 40 y el RP– 40 LT.

El ácido oleico es de procedencia orgánica, aceitoso y de color amarillento a

temperatura ambiente, cuando se calienta sus vapores se conducen a una flauta

situada debajo de la malla del archa, en lugar tal que las botellas no hayan

pasado por debajo de los ventiladores de enfriamiento rápido, pues se necesita

que las botellas se encuentren un poco por encima de los 100ºC. Así, los vapores

se condensan sobre la superficie del envase produciéndose el recubrimiento.

Con el ácido oleico se consigue una menor lubricación que con otros materiales

siendo muy difícil de controlar el espesor de la capa.

1.8 EL PROCESO DE RECICLAJE DEL VIDRIO

a) ENVASES REUTILIZABLES Y DE UN SOLO USO



22

La utilización de envases reutilizables o de un solo uso, es una estricta decisión

de mercado. El envase de vidrio, dando muestras de una extraordinaria

sensibilidad y capacidad de sintonizar con los problemas de la sociedad actual,

ha desarrollado de manera óptima las dos opciones: la reutilizable y la de un solo

uso.

Ambas se complementan y, en todo caso, se soportan en un proceso eficaz de

reciclado.

Los envases de un solo uso son prácticos para aquellos productos con alto valor

añadido y en los que el precio del envase no tiene una gran importancia frente

al valor productos de alta calidad, destinados a la exportación, etc.

Por lo que se refiere a los reutilizables, se usan especialmente para productos de

consumo frecuente, en los que podría ponerse en marcha una logística de

distribución descentralizada. Desde ANFEVI siempre se ha defendido el principio

de tanto reutilizable como sea posible, tanto de un solo uso como sea necesario.

b) EL PROCESO DEL RECICLAJE

La iniciativa pionera del reciclado de envases de vidrio responde a una profunda

preocupación del sector vidriero por el medio ambiente. De esta forma, en 1982

la industria vidriera española

integrada en ANFEVI puso en marcha, al igual que varios países del

ámbito comunitario hicieran años antes, su Programa Nacional de Reciclado de

Envases de Vidrio en estrecha colaboración con las Administraciones.

Figura 1.3 Procesos de reciclaje del vidrio.



23

c) DESCRIPCIÓN TÉCNICA

El proceso se inicia en el exterior de la planta, con la recogida de los envases de

vidrio depositados por la población, en los contenedores situados a tal fin en las

calles y plazas de los núcleos urbanos. El vidrio procedente de dichos

contenedores es transportado en camiones basculantes con pluma hasta la

planta de reciclaje, donde es descargado en una playa de almacenamiento de

materia prima. Mediante una pala cargadora se trasvasa el vidrio recuperado

desde la playa de almacenamiento, hasta una tolva de alimentación, a partir de

la cual unas cintas transportadoras enlazan automáticamente las diferentes fases

del proceso.

La salida de la mencionada tolva es regulada por un vibrador de frecuencia

variable, dispuesto en el fondo de la misma. La frecuencia de vibración es

controlada por una báscula de pesaje continuo, instalada en la primera cinta

transportadora. La combinación de ambos elementos permite ajustar el ritmo de

producción de la planta hasta una capacidad máxima de 16 T/h.

Todo el material es sometido al campo magnético de un imán permanente, a fin

de retirar los materiales de carácter férrico, como son los tapones de botes y

botellas. Los objetos metálicos recuperados por este medio serán enviados a una

planta de recuperación de chatarras.

A continuación el material pasa por una cinta transportadora plana, donde de

forma manual se separa el vidrio verde a procesar, del vidrio blanco, bolsas de

plástico, papeles y otros objetos de gran tamaño cuyo componente fundamental

no sea vidrio.

Tras la primera purga manual descrita, el material obtenido se vierte sobre una

criba mecánica con tres granulometrías: vidrio de menos de 10 mm. de diámetro,

objetos comprendidos entre 10 y 60 mm. y objetos de más de 60 mm. de

diámetro. Una vez clasificado el vidrio en las tres granulometrías descritas, se

inician tres procesos diferentes en función del tamaño.

El producto menor de 10 mm. se da por terminado y pasa a la sección de

almacenamiento.

El producto mayor de 60 mm. es triturado en un molino de martillos y

posteriormente cribado, separando los objetos de menor densidad (corchos,

cápsulas, tapones,...) del resto. El producto obtenido se reenvía al inicio del

proceso repetidas veces hasta conseguir separar el vidrio de las impurezas.



24

El producto de tamaño comprendido entre 10 y 60 mm. es sometido a un proceso

de selección óptica según se detalla a continuación.

El vidrio es transportado mediante vibración a través de un canal distribuidor con

cuatro salidas, por las que cae en función de su tamaño. A continuación, pasa

por unos canales de alimentación, donde por medio de vibraciones se orientan

los trozos en la posición idónea para ser procesados por las unidades de

clasificación óptica. Las unidades de clasificación óptica distinguen el vidrio roto

destinado a ser reutilizado, de los trozos de cerámica, piedras, porcelana y metal

no férreo. Cada unidad dispone de unas boquillas de expulsión por aire

comprimido, gobernadas por un módulo electrónico capaz de diferenciar la

opacidad o transparencia de las partículas que pasan por su campo de acción.

Las partículas de transparencia prefijada se toman como vidrio recuperado y se

envían a la sección de almacenamiento. Las partículas rechazadas son

sometidas a un segundo escalón de clasificación, dando como resultado

materia rechazado que se envía al silo correspondiente, o material dudoso que

se reenvía al inicio del proceso para su reclasificación.

En los procesos de trituración y transporte por vibración, se desprenden trozos

de papel adherido al vidrio (etiquetas) que son aspiradas por medio de un ciclón

con exclusa, red de tuberías y toberas de aspiración.

El vidrio recuperado es conducido por medio de una cinta transportadora hasta

la zona de almacenamiento, para su posterior carga y transporte en camiones a

los hornos de fusión de vidrio.

El proceso de reciclado de envases de vidrio es sencillo. Las botellas y tarros que

se producen en la fábrica de envases de vidrio, son trasladados a la planta

envasadora donde se llenan y utilizan para contener alimentos y bebidas. Dichos

alimentos y bebidas, ya envasados, tienen como destino los canales de

distribución. Desde estos lugares, los productos envasados son adquiridos bien

directamente por el ciudadano, bien por el sector hostelero teniendo como

destino final, en ambos casos, el consumo humano Una actividad compartida por

las plantas envasadoras -a partir de envases reutilizados el número óptimo de

veces y posibles roturas, el sector hotelero y los consumidores es el depósito en

los iglúes de botellas y tarros que han concluido su ciclo de uso. Todos estos

envases de vidrio ponen en marcha el proceso conocido como reciclado, consiste

en la recogida de los envases, separación de objetos extraños y triturado del

vidrio, obteniendo el "casco de vidrio". Este material, como una materia prima, se

funde con el resto de la arena, sosa y caliza para la fabricación de idénticos



25

envases de vidrio, son cumplidas a la perfección por el envase de vidrio. De esta

forma, este material es el envase ecológico por naturaleza. Además, el reciclado

de envases de vidrio con lleva unos beneficios económicos y sociales de tal forma

que las botellas y tarros que incorporan casco de vidrio, siempre son nuevos.

1.9 CARACTERISTICAS DEL RECILCADO

El reciclado de productos es una de las vías que garantiza firmemente la

salvaguarda del medio ambiente. Reciclar significa volver al ciclo; así, para que

el reciclado de un material sea verdaderamente ecológico y garantice la

protección del entono, debe cumplir los siguientes requisitos.

Que el material obtenido pueda ser utilizado de nuevo íntegramente.

Que el nuevo material mantenga al 100% sus cualidades.

Que el material resultante se utilice para fabricar el mismo producto del

que proviene.

Figura 1.4 Características del reciclaje de vidrio.



26

CAPÍTULO 2 INGENIERÍA BÁSICA.

2.1 TIPOS DE LOS VIDRIOS COMUNES

a) Sílice vítrea

Se denomina sílice a un óxido de silicio de fórmula química SiO2. Se presenta en

estado sólido cristalino bajo diferentes formas enanciotrópicas. Las más

conocidas son el cuarzo (la más frecuente y estable a temperatura ambiente), la

cristobalita y las tridimitas. Además de estas formas, se han llegado a identificar

hasta veintidós fases diferentes, cada una de ellas estable a partir de una

temperatura perfectamente determinada. Cuando se calienta el cuarzo

lentamente, este va pasando por distintas formas en antrópicas hasta alcanzar

su punto de fusión a 1723° C A esta temperatura se obtiene un líquido incoloro y

muy viscoso que si se enfría con relativa rapidez, se convierte en una sustancia

de naturaleza vítrea a la que se suele denominar vidrio de cuarzo. Este vidrio de

cuarzo presenta un conjunto de propiedades de gran utilidad y de aplicación en

múltiples disciplinas: en la investigación científica, tecnológica, en la vida

doméstica y en general en todo tipo de industria. Se destacan Como mass

relevance’s las siguientes:

1. Gran resistencia al ataque por agentes químicos, por lo que es muy utilizado

como material de laboratorio. Sólo es atacado, de manera importante a

temperatura ambiente, por el ácido fluorhídrico en sus diferentes formas

(gaseosa o disolución). Si bien su densidad a temperatura ambiente es

relativamente alta (2,2 g/cm3) dilatación lineal medio a temperaturas

inferiores a los 1000 °C es su coeficiente de extremadamente pequeño: se

sitúa en 5,1•10-7 K lo que permite, por ejemplo, calentarlo al rojo y

sumergirlo bruscamente en agua, sin que se fracture. El número de aplicaciones

que esta propiedad suscita es elevado.

2. Su índice de refracción a la radiación electromagnética visible es 1,4589, lo

que le hace apto para instrumentos ópticos en general.

3. Su resistividad eléctrica es del orden de los 1020 ohm·cm en condiciones

normales lo que

le convierte en uno de los mejores aislantes eléctricos conocidos, con todas las

aplicaciones que de ello se derivan en la industria moderna.

4. La absorción de la radiación electromagnética del vidrio de cuarzo muestra una

gran transparencia a la luz visible, así como en las bandas correspondientes al



27

espectro ultravioleta, lo que le hace especialmente apto para la fabricación de

lámparas y otros instrumentos generadores de este tipo de radiación.

Otras propiedades, sin embargo, dificultan su elaboración y utilización. En

particular, las siguientes:

1. El punto de fusión de la sílice cristalizada depende de la variedad

enanciotrópica que se trate. Para la variedad estable a partir de los 1470 °C (la

α-cristobalita) este es de 1723 °C. Estas son temperaturas que no pueden

alcanzarse fácilmente, salvo en instalaciones muy especializadas. Por esta

razón, la fabricación del vidrio de cuarzo ha sido siempre rara y cara.

Industrialmente, su producción es bastante limitada si se la compara con otros

tipos de vidrio.

2. Su viscosidad en estado vítreo presenta una gran variación con la temperatura,

pasando de valores superiores a 107 poises (aspecto totalmente sólido) por

debajo de los 1800 °C, a 103,5 poises a 2758 °C (aspecto pastoso y moldeable).

3. Las viscosidades toman valores tan sumamente elevados que deben

expresarse como potencias de diez. En general, las viscosidades de los vidrios

suelen darse bajo la forma de su logaritmo decimal. Para obtener el vidrio de

cuarzo es necesario partir de un cuarzo cristalizado de gran pureza, finamente

molido, que se somete a altas temperaturas. El líquido que se obtiene presenta

gran cantidad de burbujas diminutas de aire ocluido entre los granos del cuarzo,

que le dan un aspecto lechoso, traslúcido, al que se suele denominar gres de

cuarzo y cuyas aplicaciones como recipiente resistente al ataque químico o

a los cambios bruscos de temperatura son frecuentes. Sin embargo, resulta

totalmente inútil para aplicaciones en las que se precise una gran transparencia

(lámparas de rayos UVA, lámparas de cuarzo y óptica en general). Para estas

últimas es necesario que durante el proceso de fusión se puedan desprender

esas burbujas gaseosas ocluidas. Para que ese desprendimiento fuera efectivo

bajo la presión atmosférica y a una velocidad aplicable industrialmente,

seprecisaría que el líquido presentara una viscosidad por debajo de los 200

poises, lo que en el caso de la sílice líquida implicaría temperaturas del orden de

los 3600 °C. En la práctica para poder desgasificar el vidrio de sílice se funde el

cuarzo a temperaturas próximas a los 2000 °C en recipientes donde se hace el

vacío, complicando mucho la tecnología de su producción y, por consiguiente,

encareciendo el producto.

4. La resistencia a la tracción en estado puro, en condiciones normales y con una

superficie perfectamente libre de toda fisura, es de unos 60 kbar. Esta gran



28

resistencia (superior a la del acero) se ve fuertemente disminuida por

imperfecciones en la superficie del objeto, por pequeñas que éstas sean.

5. Su módulo de Young a 25 °C es de 720 kbar y el de torsión 290 kbar. Cuando

se le somete a un esfuerzo de tracción mecánica a temperaturas próximas al

ambiente, se comporta como un cuerpo perfectamente elástico con una función

alargamiento/esfuerzo lineal, pero sin prácticamente zona plástica cercana a su

límite de rotura. Esta propiedad, unida a la resistencia mecánica a la tracción

anteriormente citada, lo convierten en un producto frágil. Al golpearlo, o se

deforma elásticamente y su forma no se altera o, si se sobrepasa su límite de

elasticidad, se fractura.

b) Silicato sódico

Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión por debajo de los 900

°C. Cuando se calienta una mezcla íntima de cuarzo finamente dividido con una

sal de estos metales alcalinos, por ejemplo Na2CO3, a una temperatura superior

a los 800 °C se obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido

rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de reacciones que

pueden englobarse en la resultante siguiente:

SiO2 (s) + Na2CO3 (s) Na2SiO3 (s) + CO2 (g) H = -5,12 kcal/mol

Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido carbónico gaseoso -

que burbujea entre la masa en fusión- y conduce a un primer silicato sódico, de

punto de fusión 1087 °C.

De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de

fusión diferentes presenta un “Punto de Liquidus”8 que se sitúa entre los de las

dos sustancias en contacto. De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato

sódico formado da lugar a un producto de SiO2 y silicatos, ya en estado líquido

a temperaturas que no sobrepasan los 1200 °C, lejos de los más de 2000 °C

necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.

Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre genérico de silicato

sódico, si bien con esta denominación se identifica a un conjunto de productos

derivados de la fusión del cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos)

en diferentes proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se

preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada componente

situadas entre: 3,90 moles de SiO2 / 1 mol de Na2O y 1,69 moles de SiO2 / 1

mol de Na2O



29

Nota:

La proporción estequiométrica de un metasilicato sódico puro sería de 1 mol de

SiO2 / 1 mol de Na2O

Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo, transparente y muy

quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1000 poises

(necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su

composición, oscilan entre los 1220 °C para el silicato más rico en SiO2, y los

900 °C para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35 % y un 50 %

en peso de silicato, según el contenido en SiO2. Su falta de rigidez mecánica y

su solubilidad en agua les hacen inútiles como sustitutos del vidrio de cuarzo en

ninguna de sus aplicaciones.

Raramente se presentan en la industria en forma sólida, sino bajo la forma de

disolución acuosa. Su solución en agua se utiliza como pegamento cerámico muy

eficaz o como materia prima para la producción mediante hidrólisis de gel de

sílice, sustancia usada como absorbente de la humedad (torres de secado de

gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como neumáticos

para vehículos y otras aplicaciones en la industria química.

Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados mediante la

combustión de derivados del petróleo y frecuentemente también con energía

eléctrica, a temperaturas lo más elevadas posibles (dentro de una cierta

rentabilidad) con el fin de aumentar la productividad del horno. Estas

temperaturas suelen situarse entre los 1400 °C y los 1500 °C.

2.2 VIDRIOS DE SILICATO SÓDICO

Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de

cuarzo a temperaturas alcanzables por medios técnicamente rentables, se

produce un vidrio de silicato sódico al que se le añaden otros componentes que

le hagan más resistente mecánicamente, inerte a los agentes químicos a

temperatura ambiente -muy particularmente al agua- y que guarden su

transparencia a la luz, al menos en el espectro visible. Estos componentes son

metales alcalinotérreos, en particular magnesio, calcio o bario, además de

aluminio y otros elementos en menores cantidades, algunos de los cuales

aparecen aportados como impurezas por las materias primas (caso del hierro, el

azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para la elaboración de vidrios

de este tipo se escogen entre aquellas que presenten un menor costo:



30

A) Para el cuarzo:

Arenas feldespáticas, de pureza en SiO2 superior al 95 % y con el menor

contenido en componentes férricos posible (entre un 0,15 % y 0,01 % en términos

de Fe2O3)

Cuarcitas molidas.

B) Para el sodio:

Carbonatos sódicos naturales (yacimientos de Estados Unidos y África).

Carbonato sódico sintético, el más utilizado en Europa.

Sulfato sódico sintético, subproducto de la industria química.

Nitrato sódico natural

Cloruro sódico o sal común.

Estos tres últimos, utilizados en pequeñas proporciones, debido al

desprendimiento de gases contaminantes durante la elaboración del vidrio: SOX,

NOX, Cl2.

c) Para el Calcio:

Calizas naturales.

d) Para el Magnesio:

Dolomitas naturales.

e) Para el Bario:

Sulfato bárico natural (baritina).

f) Para el Aluminio:

Feldespatos naturales (caolines).

La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al igual que en el caso

de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio, generalmente de balsa, calentados

mediante la combustión de derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos,

de energía eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1450 °C y los 1600 °C.

En estos hornos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida (5



31

% de agua) y previamente dosificada de las materias primas ya citadas. Esta

mezcla de materias minerales reacciona (a velocidades apreciables y,

evidentemente, cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de silicatos que,

combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina

vidrio común.

2.3 PROPIEDADES DEL VIDRIO

Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de la naturaleza como

de las materias primas como de la composición química del producto obtenido.

Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso

de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos

químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios silicato sódicos más

utilizados se sitúan dentro de los límites que se establecen en la siguiente tabla

Tabla 2.1 Intervalos de composición frecuente en los vidrios comunes

Intervalos de composición frecuentes en los

vidrios comunes Componente Desde ... % ... hasta %

SiO2 68,0 74,5

Al2O3 0,0 4,0

Fe2O3 0,0 0,45

CaO 9,0 14,0

MgO 0,0 4,0

Na2O 10,0 16,0

K2O 0,0 4,0

SO3 0,0 0,3

Muchos estudios –particularmente en la primera mitad del siglo XX– han

intentado establecer correlaciones entre lo que se denominó la estructura interna

del vidrio –generalmente basada en teorías atómicas– y las propiedades

observadas en los vidrios. Producto de estos estudios fueron un conjunto de

relaciones, de naturaleza absolutamente empírica, que representan de manera

sorprendentemente precisa muchas de esas propiedades mediante relaciones



32

lineales entre el contenido de los elementos químicos que forman un vidrio

determinado (expresado bajo la forma del contenido porcentual en peso de sus

óxidos más estables) y la magnitud representando dicha propiedad.

Curiosamente, las correlaciones con las expresadas en forma molar o atómica

son mucho menos fiables composiciones

Tabla 2.2 Composición de vidrio por Silicato Sódico

Los contenidos en MgO, Fe2O3 y SO3 son consecuencia de las impurezas de

caliza, arena y el sulfato sódico, respectivamente.

SILICATO SODICO

Composición "tipo" de vidrio de

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

SO3

73,20 1,51 0,10 10,62 0,03 13,22 1,12 0,20



33

Tabla 2.3. Coeficiente para el cálculo de las propiedades de vidrio

Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio

Propiedad Valor Unidades Fuente

Densidad a 25 °C(1)

2,49

g/cm³ Gilard & Dubrul

Coeficiente de dilatación lineal a 25 °C(2) 8,72•10−6 °C−1 Wilkelman &

Schott

Conductividad térmica a 25 °C

0,002 cal/cm.s.°C

Russ

Tensión superficial a 1200 °C

319

dinas/cm

Rubenstein

Índice de refracción (a 589,3 nm)(3)

1,52

- Gilard & Dubrul

Módulo de elasticidad a 25 °C

719

kbar

Appen

Módulo de Poisson a 25 °C 0,22 - Wilkelman &

Schott

Resistencia a la tracción a 25 °C(4)

-900

bar

Wilkelman &

Schott

Constante dieléctrica (4.5.188 Hz)

7,3

- Appen & Bresker

Resistencia eléctrica a 1100 °C

1,06

Ώ.cm

Resistencia eléctrica a 1500 °C

0,51

Ώ.cm

Calor específico a 25 °C

0,20

cal/g/°C Sharp & Ginter

Atacabilidad química DIN 12111(5)

13,52 ml de HCl

0,01N

R. Cuartas



34

La viscosidad se expresa en la siguiente gráfica:

Figura 2.1 grafica viscosidad-temperatura del vidrio

Nota; Logaritmo de la viscosidad según temperaturas (según R. Cuartas).La

absorción (o transparencia)(7) a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona

del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de su contenido en elementos de

transición (Ni y Fe en el ejemplo). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en

el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco,

independientemente de cualquiera de estos elementos.

Notas:

(1) La densidad es algo más elevada que en el cuarzo fundido 2,5 frente a 2,2

g/cm³).

(2) El coeficiente de dilatación térmica lineal a temperatura ambiente, es

notablemente más alto que el de la sílice fundida (unas 20 veces más), por lo que

los objetos de vidrios de silicato sódico son menos resistentes al "choque

térmico".

(3) Su índice de refracción es ligeramente mayor que el del vidrio de cuarzo y

puede aumentarse mediante el uso de aditivos.



35

(4) La resistencia a la tracción en cualquier tipo de vidrio es una magnitud que

depende extraordinariamente del estado de la superficie del objeto en cuestión,

por lo que su cuantificación es compleja y poco fiable.

(5) La resistencia al ataque químico o físico (disolución) de los vidrios comunes

es una función de su composición química fundamentalmente. No obstante, en

todos ellos esta resistencia es elevada. Se suele medir mediante una serie

de pruebas tipificadas internacionalmente. Entre las más usadas:

DIN 12116

DIN 52322

DIN 12111

La atacabilidad de los vidrios también se modifica mediante tratamientos

superficiales: con SO2, Sn, Ti, y otros.

(6) Para moldear un vidrio es necesaria una viscosidad que se sitúa entre 1000

poises y 5000 poises. En el caso de la sílice son necesarias temperaturas de más

de 2600 °C, en tanto que para los vidrios comunes basta con 1 200 °C,

aproximadamente.

(7) La absorción de la luz se ve influenciada por la estructura íntima de estas

materias transparentes. En el caso de una estructura Si-O la absorción de fotones

es baja, incluso para longitudes pequeñas de onda (transparencia a los rayos

UVA). No es así cuando a esta sencilla estructura se le añaden otros elementos

(Na, Mg, Ca, etc.) que inciden decisivamente en la absorción a las longitudes de

onda pequeñas (menores de 200 nm) y en las infrarrojas (superiores a 700 nm).

Por otra parte, la presencia en la red vítrea de elementos de transición produce

absorciones selectivas de radiación visible, lo que permite, entre otras cosas,

colorear los vidrios con una amplia gama de matices.

2.4 FUNDICION DEL VIDRIO

Para la fundición de vidrio se citan a continuación los hornos de fundición

2.4.1HORNOS DE FUNDICION

En la elaboración de envases de vidrio el primer proceso por el que se debe pasar

es la Fundición de las materias primas. Esto se hace mediante hornos. Los mas

empleados son los de fusión.



36

Los hornos de fusión empleados en la industria del vidrio pueden ser:

Hornos de fusión de llamas

Hornos de fusión calentados eléctricamente.

Siendo los mas empleados los hornos de fusión de llamas, cuya gama de

producción va desde los 5 a los 1000. El primero tendría una superficie de

8 metros cuadraros y una masa de revestimiento refractario de

aproximadamente 50 t y el segundo una superficie de 1100 metros cuadrados y

8000 t de refractario (incluyendo los regeneradores). Los hornos pueden ser

continuos o discontinuo.

En los hornos de llamas la solución más simple para el calentamiento consiste

en utilizar quemadores alimentados con aire frío. Sin embargo, con el fin de

aumentar la capacidad de fusión y el rendimiento térmico es deseable disponer

de una temperatura de llama lo más elevada que sea posible, para ello las dos

maneras más utilizadas son:

1.- Precalentamiento del aire de combustión utilizando el calor sensible que

contienen los gases que salen del horno a una temperatura entre 1300 y 1500

ºC. Esto se realiza mediante regeneradores construidos en material

refractario o mediante intercambiadores metálicos Aire/Gases, denominados

recuperadores en la industría del vidrio.

2.- Utilizando oxígeno o aire enriquecida en oxígeno como comburente.

De este modo los hornos de combustión llamas se clasifican tomando como

criterio su sistema de y así se tienen:

1.- Hornos de calentamiento directo con quemadores alimentados con aire frío

2.- Hornos recuperadores

3.- Hornos regeneradores

4.-Hornos con oxicombustión.

Los hornos regeneradores

Son los más comúnmente usados representando ,aproximadamente, el 42 %.

Las capacidades en estos hornos son altas (100-1000 toneladas por día) y ellos

son relativamente eficientes (eficacia termica hasta el 65 por ciento). Son hornos

de cuba cuyo origen es el horno Martin-Siemens de Siderurgia, - con la



37

particularidad de que los hornos para vidrio son de - colada continua, es decir: la

composición entra continuamente por la boca de entrada llamada enforne, y el

vidrio fluye sin interrupción por la boca de salida llamada canal.

En ellos el calor latente de los gases del horno es recuperado en un

regenerador y luego usado para precalentar el aire de combustión y así

lograr una mayor eficacia. El aire de combustión precalentada puede alcanzar

temperaturas tan altas como 1260 ºC.

Hornos regeneradores.

Características generales.

Los hornos de fusión de vidrio regeneradores constan fundamentalmente

de:

(i).- Una cuba rectangular (empalizada y solera) construida en refractario

electrofundido, y el laboratorio, que está limitado por los píes derechos (Muros

laterales) y piñones (Murosde los extremos) y recubierto también en material

refractario por la bóveda, que cierra el horno por su parte superior,

En el laboratorio es donde se desarrollan las llamas. El conjunto de

refractarios está

soportado por herrajes metálicos, que le sirven de sostén o para el control de las

dilataciones o contracciones.

La cuba contiene el vidrio en proceso de fusión y en ella pueden distinguirse

dos compartimentos:

(i).- La zona de fusión, por uno de cuyos extremos se realiza el enfornamiento,

y en la cual tiene lugar la fusión, el afinado y la homogeneizacion

(ii).-La zona de trabajo o distribuidor. Lleva dispositivos de calentamiento y

de enfriamiento y su función es:

Constituir un volumen tampón permitiendo la homogeneización del vidrio

proveniente de la zona de fusión.

Asegurar un preacondicionamiento del vidrio o su acondicionamiento final

en el caso del vidrio plano.



38

(ii).- Cámaras, conductos, conductos de humos y chimenea

Están equipados con dos series de orificios denominados “collares de los

quemadores”, localizados en los pies derechos (entre 3 y 8) o en el piñón trasero

del horno, que funcionan alternativamente: como salida de humos o como

entrada del aire de combustión. En el caso de que los collares de los quemadores

esten en el piñón en enfornamiento se hace lateralmente A cada uno de los lados

y por encima de la cuba están emplazados los quemadores , cuyos ejes, en el

caso de los hornos de conductos laterales, son perpendiculares al eje

longitudinal del horno.. A continuación de cada quemador y también a ambos

lados se encuentran las cámaras de regeneradores, una por cada collar de

quemador, que ponen en comunicación el laboratorio con la chimenea.

Principio de funcionamiento

El calentamiento del vidrio se realiza por medio de las llamas que se desarrollan

encima de la superficie del baño. Una parte de la energía térmica desprendida

durante la combustión se transmite directamente al baño por los mecanismos de

radiación y convección y otra parte se transmite a la bóveda que la restituye al

baño por radiación.

Figura 2.2 horno de calentamiento directo.



39

Figura 2.3 vista de la combustion en el interior del horno.

Descripción de la zona de fusión.

Al ser introducidas en el horno las materias primas flotan por su menor densidad

sobre el vidrio ya fundido.

A la distribución de estas materias primas que flotan en el vidrio se les denomina

cargas. La parte inferior de estas cargas en contacto directo con el vidrio caliente,

sufrirá un proceso de fusión parcial inicial.

Al ir avanzando y llegar a la altura de el primer quemador y siguientes, la parte

superior de las cargas que frotan sobre el vidrio recibirán un aporte de calor por

radiación y convección de las llamas provenientes de la combustión del

combustible, así como también la radiación de los materiales refractarios (bóveda

y pies derechos). Y de los gases incandescentes sobre el vidrio.

El resultado de dicho efecto sobre la parte superior e inferior de las cargas es la

transformación de estas en un vidrio líquido o parcialmente liquido.

Inmediatamente después de la desaparición de las cargas aparece la

denominada “zona de musa”, caracterizaada por una capa de color blanco que

flota sobre el vidrio y que contiene los últimos vestigios de composición

(normalmente la cantidad de sulfato presente en el vidrio tiene una gran influencia



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sobre el alargamiento o acortamiento de esta capa). El final de la capa se

denomina línea de masa o de sal y a partir de ella el vidrio ya esta fundido.

Resumiendo se puede decir de forma general que las cargas funden por la

acción de los siguientes aportes calóricos:

1.- el vidrio caliente procedente de la corriente punto caliente –enforme(corrientes

en el vidrio).

2.- La transmisión de calor por radiación y convección de las llamas originadas

por combustión del combustible.

3.- Radiación de bóvedas y pile derechos sobre el baño de vidrio.

4.- Radiación de los gases originados por la combustión del combustible y

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