ES2199178T3 - Crisol de calavera para la fundicion o el afinado de vidrios o ceramicas de vidrio. - Google Patents

Abstract

Crisol de calavera para la fusión o el afinado de vidrios o de cerámicas de vidrio; 1.1 con una pared del crisol (1); 1.2 con un suelo del crisol; 1.3 con una bobina de inducción (3) que rodea la pared del crisol (1) y a través de la cual la energía de alta frecuencia se puede acoplar en el contenido del crisol; 1.4 la pared del crisol (1), está conformada a partir de una corona de tubos de metal (1.1) que se puede conectar a un medio de refrigeración, con espacios intermedios en forma de ranuras entre los tubos de metal contiguos (1.1); 1.5 el suelo presenta por lo menos un sumidero para la masa fundida; 1.6 todos los tubos de metal (1.1) se ponen en cortocircuito entre ellos.

Description

Crisol de calavera para la fundición o el afinado de vidrios o cerámicas de vidrio.

La invención trata de un denominado crisol de calavera para la fundición o el afinado de vidrios o cerámicas de vidrios.

Estos tipos de crisol comprenden una pared del crisol. Ésta es generalmente cilíndrica. Está construida a partir de una corona de tubos de metal verticales. Entre los tubos contiguos quedan ranuras. También el suelo del crisol puede estar construido a partir de tubos de metal. Sin embargo, también puede estar hecho de material resistente al fuego.

El calentamiento se lleva a cabo a través de una bobina de inducción que rodea la pared del crisol, y a través de la cual se puede acoplar energía de alta frecuencia en el contenido del crisol.

Un crisol de calavera de este tipo, por ejemplo, se ha dado a conocer a partir del documento EP 0 528 025 B1.

LIFANOV F A Y COL.: "A CRUCIBLE-TYPE INDUCTION FURNACE FOR MELTING GLASS" GLASS AND CERAMICS; US; CONSULTANTS BUREAU, NUEVA YORK, Vol. 48, Nº 7/08, 1 de julio de 1991 (1991-07-01), páginas 288-290, XP000268262 ISSN: 0361-7610 muestra y describe un crisol de calavera con tubos para el agua de refrigeración, así como con un tubo distribuido. En este caso, sin embargo, no se dice nada sobre el material de dichos tubos. Lo mismo sucede en el crisol de calavera descrito en el documento FR 2 768 257 A.

Un crisol de calavera funciona de la siguiente manera: el crisol se llena con la mezcla o la pasta, o bien una mezcla de ellas. El vidrio o la masa fundida han de precalentarse, en primer lugar, para alcanzar una cierta conductividad mínima. El precalentamiento se produce habitualmente a través de un calentamiento por quemador. Cuando se alcanza la temperatura de acoplamiento, entonces se puede llevar a cabo el siguiente suministro de energía a través de la irradiación de energía de alta frecuencia. También durante el funcionamiento, se puede calentar la masa fundida, además del calentamiento por medio de energía de alta frecuencia, a través del quemador que actúa sobre la masa fundida desde arriba. El calentamiento adicional de la superficie de la masa fundida también se puede realizar a través de elementos calentadores eléctricos.

En la pared del crisol refrigerada compuesta por los tubos de metal se conforma durante el funcionamiento una capa marginal hecha de masa fundida solidificada. Ésta protege la pared del crisol contra la corrosión a través de masas fundidas agresivas o calientes. Esta capa marginal fina es vidriosa o cristalina dependiendo de la masa fundida de vidrio.

La capa del suelo también está fría, ya que el suelo también se refrigera, lo mismo que la pared del perímetro. Allí se conforma del mismo modo una capa del suelo fría vidriosa o cristalizada. Ésta representa una desventaja para el vertido de la masa fundida a través de un sumidero. En concreto, para dejar salir la masa fundida a través de un sumidero, la capa del suelo o bien ha de ser perforada o bien se ha de disolver térmicamente mediante calefacciones adicionales. En este caso, una capa cristalina actúa para la masa fundida que fluye como un germinador, lo que no se desea.

La energía de alta frecuencia se puede usar únicamente para el calentamiento del espacio interior del crisol de calavera. Sin embargo, no se puede usar para un calentamiento adecuado de la región del suelo refrigerada. En concreto, si se quisieran calentar con la calefacción por inducción también las capas cercanas al suelo, entonces estas capas extraerían a su vez calor a través de la refrigeración del suelo. Esto llevaría a un empeoramiento de la alimentación de energía, comparado con la zona media caliente, no refrigerada, de la masa fundida.

También se podría pensar en aumentar en su conjunto la potencia de alta frecuencia, de modo que la temperatura en la región del suelo superase la temperatura de desvitrificación superior. Con esto, ciertamente, se solucionaría el problema del vertido. Sin embargo, se sobrecalentaría la masa fundida en la región media del crisol de calavera. Esto podría llevar a que la síntesis se desplazara a través de la evaporación selectiva de algunos componentes individuales del vidrio, lo que iría acompañado de oscilaciones del poder refringente y estrías.

Con esto ha de quedar claro que, en los crisoles de fundido conocidos hasta el momento, las bajas temperaturas en la región del suelo representan una desventaja.

Sin embargo, representa una desventaja igualmente el hecho de que la región de la superficie de la masa fundida en los recipientes de afinar esté relativamente fría. Esto se debe a que las capas frías de la superficie de la masa fundida impiden el soplado en la subida y en el reventado.

Pero no sólo en el afinado, sino también en el fundido se desean altas temperaturas de la masa fundida en la región de la superficie. Esto se debe a que éstas favorecen la velocidad del fundido.

La invención tiene como objetivo adoptar medidas para conformar un crisol de calavera de tal manera que para un suministro de energía dado durante el funcionamiento, se pueda controlar la temperatura en la masa fundida en diferentes regiones situadas a diferentes alturas geodésicas. Según esto debería ser posible, por ejemplo, el dejar subir de un modo especialmente rápido la temperatura de la masa fundida en la región del crisol inferior o en una región del crisol media o superior. De modo alternativo a esto, también debería ser posible el ajustar una mayor homogeneidad de la temperatura por encima de toda la altura del crisol.

Este objetivo se alcanza a través de las características de la reivindicación 1.

Los inventores han reconocido lo siguiente:

La irradiación de alta frecuencia también se absorbe en menor medida por los dedos metálicos de refrigeración. A través de esto, se inducen tensiones entre los dedos de refrigeración aislados eléctricamente entre ellos. En este caso se llega a una conformación de arcos voltaicos entre cada uno de los dedos de refrigeración.

Esto se produce especialmente cuando la capa fría solidificada hecha del mismo material se hace muy delgada en la región de la pared a altas temperaturas de fundido.

En este caso, toda la tensión de inducción está en estas capas, ya que tanto la conductividad de la masa fundida caliente como la de los dedos de refrigeración es claramente mayor que la conductividad de la capa marginal refrigerada del mismo material. Los menores grosores de la capa marginal llevan a altas intensidades de campo, y con ello a la conformación de los denominados arcos voltaicos o descargas eléctricas. Las descargas eléctricas llevan a daños de los dedos de refrigeración metálicos, y a largo plazo a la destrucción del crisol.

A través de la invención, es decir, a través de prever un anillo de cortocircuito, se evitan las descargas eléctricas. Con ello, se incrementa la vida útil del crisol de calavera.

En crisoles de calavera muy grandes con largos dedos de refrigeración es necesario tener, tanto arriba como abajo, un anillo de cortocircuito. Un único cortocircuito no es suficiente para reducir las tensiones de inducción de alta frecuencia.

Esto es así, en particular, para masas fundidas que no conforman una capa estable, cristalina y aislante eléctricamente entre la masa fundida y la pared de la calavera. Al usar un doble cortocircuito se puede ajustar la distribución de campo, y con ello la distribución de temperatura de un modo adecuado a través del hecho de que la distancia de cortocircuito desde el centro de la masa fundida se elige a diferentes distancias.

Por ejemplo, se puede conformar el cortocircuito en la región del suelo del crisol de modo variable gracias al hecho de no conectar los dedos de refrigeración de la calavera de modo directo, sino prolongando los dedos de refrigeración hacia abajo a través de vástagos roscados, y montando en los vástagos roscados un anillo de cortocircuito regulable. Con un crisol de este tipo se puede escoger una posición de cortocircuito óptima dependiendo de la fase del fundido (fundición, afinado o colada). Una modificación del cortocircuito comparable, regulable en altura, también se puede posicionar, naturalmente, en el borde superior del crisol.

Para alturas muy grandes del crisol es cierto que, por un lado, bajo ciertas circunstancias es necesario un segundo cortocircuito, por otro lado, en caso de dos cortocircuitos es perfectamente posible que uno de los dos cortocircuitos pueda ser extraído en el exterior. Esto es así especialmente para la fase de fusión de la colada, cuando se ajustan temperaturas de fusión relativamente reducidas y también se conforma la capa marginal del vidrio normalmente en sistemas de vidrio críticos.

Los inventores, sin embargo, también han reconocido lo siguiente:

En caso de que los dedos de refrigeración metálicos se pongan en cortocircuito entre ellos, entonces el cortocircuito lleva, dependiendo de su longitud, a un desplazamiento del campo de alta frecuencia hacia arriba o hacia abajo. En caso de que el cortocircuito se encuentre en el suelo del crisol de calavera, entonces tiene lugar un desplazamiento hacia arriba. En caso de que el cortocircuito se encuentre en la región superior, entonces tiene lugar un desplazamiento hacia abajo. En caso de un desplazamiento del campo hacia arriba, la región de la superficie de la masa fundida se calienta. En caso de un desplazamiento hacia abajo, entonces se calienta la región del suelo de la masa fundida. Con esto se tiene la posibilidad de calentar, dependiendo de la disposición del cortocircuito, una determinada región de la masa fundida de una manera especial, o también el conseguir una distribución homogénea de temperatura.

Normalmente, para el afinado se pondrá el cortocircuito en la región del suelo. El campo de alta frecuencia se desplaza en este caso hacia arriba. Se calienta la región de la superficie de la masa fundida de un modo especialmente elevado. Las burbujas de gas contenidas en la masa fundida suben por sí solas hacia arriba, donde penetran fácilmente a través de las capas superiores de la masa fundida y revientan.

En la fusión también puede ser ventajoso el hecho de posicionar el cortocircuito en la región del suelo. En este caso tendrá lugar a su vez un calentamiento especial en la región de la superficie que se genera, de modo que se acelera la fusión.

Durante la fase de la colada, la salida debe estar libre de cristales. La masa fundida debe tener en la región de salida viscosidades del orden de 10^{4} dPas, sin que se tenga que calentar la región de la masa fundida en zonas altas del crisol a temperaturas de afinado, lo cual podría llevar a un recalentamiento térmico. Para mantener la salida libre de cristales en la fase de colada, se debería posicionar el cortocircuito en la región superior del crisol. En este caso, el campo de alta frecuencia se desplaza hacia abajo, de modo que la región de salida es calentada de un modo especialmente elevado.

El cortocircuito se realiza de un modo adecuado a través de un anillo metálico que une los dedos de refrigeración metálicos entre ellos en una unión conductora eléctricamente. El cortocircuito, independientemente de la forma en que se realice, ha de estar dispuesto en una posición de la longitud de los dedos de refrigeración, es decir, entre el suelo del crisol de calavera y el extremo superior de los dedos de refrigeración. En caso de que el cortocircuito esté fuera de esta región, entonces ya no es efectivo para tensiones de alta frecuencia, ya que la resistencia inductiva de un "bucle conductor" de este tipo es demasiado grande. El documento US 4 049 384 describe un crisol de calavera que está construido a partir de dos módulos. Cada módulo comprende una serie de dedos de refrigeración que están dispuestos en un semicírculo y que están unidos de modo fijo con una placa del suelo metálica, también en forma de semicírculo. Ambas placas del suelo están unidas añadiendo en medio un aislamiento eléctrico, de modo que no se realice ningún cortocircuito entre los módulos, circunstancia a la que se da valor en este escrito. Esto era acorde con la concepción tradicional, según la cual se ha de evitar un cortocircuito, en contra de la idea principal de la invención.

Se podría temer que con un cortocircuito se consumiera una gran cantidad de potencia de alta frecuencia en el mismo crisol de calavera, o que el campo de alta frecuencia no penetrara en la región interior del crisol. Estos temores no se han confirmado. El consumo adicional de potencia de alta frecuencia es mínimo. La invención tiene con ello ventajas considerables, si bien no tiene prácticamente ninguna desventaja.

Una ventaja adicional de la construcción conforme a la invención al usar un anillo de cortocircuito es la estabilización mecánica del crisol.

La invención se explica con más detalle a partir de los dibujos. En cada uno de ellos se representa lo siguiente:

Figura 1 muestra un crisol de calavera en una vista en alzado esquemática en una sección central vertical.

Figura 2 muestra un dispositivo de cortocircuito en estado abierto.

Figura 3 muestra el dispositivo de cortocircuito en estado cerrado.

Figura 4 muestra un crisol de calavera en una representación según la figura 1 con un dispositivo de cortocircuito situado abajo.

Figura 5 muestra un crisol de calavera en una representación similar a la de la figura 1 con un dispositivo de cortocircuito situado arriba.

Figura 6 muestra un diagrama del transcurso de la temperatura en la masa fundida.

El crisol de calavera representado en las figuras sirve para la fusión o para el afinado de vidrios o cerámicas de vidrio, especialmente de pasta de vidrio o de la denominada mezcla o de ambos.

El crisol de calavera presenta una pared 1. Ésta está construida a partir de una corona de tubos de metal verticales que están en una unión conductora entre ellos y que están conectados a un medio de refrigeración, por ejemplo a agua.

El suelo del crisol de calavera 1.1 está construido a partir de una placa de silicio fundido. También está refrigerado, en concreto a través de aire que sale de los tubos.

La pared está rodeada por una bobina de inducción. Ésta es parte constituyente de un dispositivo de alta frecuencia con el que se acopla energía de alta frecuencia en el contenido del crisol de calavera.

Las dos flechas A y B ilustran las posiciones A y B en las que puede estar dispuesto un dispositivo de cortocircuito.

Las figuras 2 y 3 muestran la construcción del dispositivo de cortocircuito. Éste comprende un anillo, formado por dos segmentos de medio anillo 2.1, 2.2, así como dos dispositivos de sujeción 2.3, 2.4. Tal y como se puede ver, los dos segmentos anulares de sujeción 2.1, 2.2 rodean a la pared 1, construida a partir de un gran número de tubos de metal 1.1 que llevan medio refrigerante, dispuestos en forma de corona.

En la representación según la figura 3, el dispositivo de cortocircuito está puesto en cortocircuito. Los dispositivos de sujeción 2.3, 2.4 están arriostrados. Los segmentos de medio anillo 2.1, 2.2 están dispuestos de modo que tocan, y con ello de modo que conducen eléctricamente, a los tubos de metal 1.1. Los segmentos de medio anillo 2.1, 2.2, así como los tubos de metal 1.1 están conformados y dispuestos de tal manera que los segmentos de medio anillo rodean en este estado a los tubos de metal 1.1 en una unión no positiva.

En las representaciones según las figuras 4 y 5 se reconoce a su vez un crisol de calavera con los tubos de metal 1.1. Los tubos de metal 1.1. están rodeados por las espiras 3 de una bobina de alta frecuencia. El dispositivo de cortocircuito 2 se encuentra en la forma de realización según la figura 4 en la región del suelo, y en concreto directamente por encima del suelo del crisol de calavera. En la forma de realización según la figura 5 se encuentra en los extremos superiores de los tubos de metal 1.1.

La forma de realización según la figura 4 es apropiada especialmente para el afinado de masas fundidas de vidrio. A través del dispositivo de cortocircuito 2 se presiona al campo de alta frecuencia de un modo más elevado en la región del espejo de las masas fundidas. Gracias a ello, la región del espejo de las masas fundidas recibe un mayor calentamiento. Las burbujas de gas pueden abrirse camino hacia arriba en esta región a través de la masa fundida y reventar.

En la forma de realización según la figura 5 se consigue una distribución homogénea de temperatura. El campo de alta frecuencia es presionado más fuertemente en la región del suelo. La masa fundida en la región del suelo es calentada a través de ello de un modo más fuerte que en la región de su espejo. Gracias a ello se genera una convección de la masa fundida, subiendo para ello la masa fundida desde la región del suelo, de manera que se llega a una mezcla de masa fundida relativamente caliente y masa fundida relativamente fría, y con ello a una homogeneización. Además se garantiza que se evite una cristalización en al región del suelo, de manera que se pueda dejar salir la masa fundida a través de la salida que se encuentra en la región del suelo sin ningún tipo de problemas.

La figura 6 ilustra el perfil de profundidad de una masa fundida óptica de vidrio en un crisol de calavera, y en concreto a través de dos curvas. En este caso, la ordenada muestra la temperatura en grados Celsius, y la abscisa la profundidad del baño en el que se ha medido la temperatura, en cm.

La curva I ilustra el transcurso de la temperatura respecto a la profundidad del baño disponiendo un anillo de cortocircuito en los extremos superiores libres de los dedos de refrigeración. La curva II ilustra el transcurso de la temperatura disponiendo el anillo de cortocircuito en la región del suelo.

Tal y como se puede ver, la disposición del anillo de cortocircuito en la región superior lleva a un resultado considerablemente más favorable al usar el crisol de calavera como crisol de fusión. La temperatura de la masa fundida en la región del suelo y la temperatura de la masa fundida en la región del espejo de las masas fundidas no presentan grandes diferencias.

El principio de la homogeneización de la temperatura a través del posicionamiento del cortocircuito eléctrico en el borde del crisol de calavera arriba ha sido probado por medio de un crisol de calavera modificado con un destilado de platino en un vidrio óptico compuesto fundamentalmente por los componentes óxido de silicio, óxido de zinc, óxido de potasio y óxido de sodio.

Para la fusión se usó un crisol de calavera con un diámetro de 20 cm y una altura de fusión de 22 cm. El vidrio fue precalentado por medio de un quemador y él mismo se acopló al campo de alta frecuencia a partir de aproximadamente 900ºC, de manera que se puede apagar el quemador. La frecuencia de alta frecuencia es de 1 MHz. La potencia necesaria, dependiendo de la temperatura de la masa fundida, está entre 20 y 40 kW. Para la colada del vidrio se ajusta una temperatura de fusión de 1100ºC, para ello es necesaria una potencia de 25 kW.

El crisol de calavera fue montado una vez con cortocircuito estándar hacia abajo, y una vez con cortocircuito arriba. En el suelo se encuentra una brida de salida de platino a través de la cual se vierte la masa fundida y se puede juzgar la calidad del vidrio.

A través de elementos térmicos se puede medir la distribución de temperatura en la masa fundida. Los elementos térmicos son hechos salir de la zona de alta frecuencia a través de condensadores de paso y optoacopladores. La señal térmica filtrada puede ser registrada con aparatos de medida estándar.

La medida de la distribución vertical de temperatura en el centro del crisol muestra la clara ventaja del posicionamiento del cortocircuito arriba. En comparación con la construcción estándar, la distribución de temperatura es claramente más homogénea. Esto tiene varias ventajas:

Por un lado, una distribución homogénea de temperatura es una condición para la fusión de un vidrio óptico homogéneo. Por otro lado, el vertido a través de un sumidero proporciona en el caso de una distribución homogénea de temperatura con cortocircuito arriba resultados claramente mejores, ya que ninguna capa de cristales actúa de modo interferente en el suelo y lleva a una impurificación del producto final a través de cristales. Para la colada no es necesario un sobrecalentamiento de la región superior del crisol para garantizar que la región inferior de la masa fundida es fluido. La colada se puede llevar a cabo a través de esta modificación del crisol a temperaturas considerablemente inferiores y moderadas.

Claims (6)

1. Crisol de calavera para la fusión o el afinado de vidrios o de cerámicas de vidrio;

1.1 con una pared del crisol (1);

1.2 con un suelo del crisol;

1.3 con una bobina de inducción (3) que rodea la pared del crisol (1) y a través de la cual la energía de alta frecuencia se puede acoplar en el contenido del crisol;

1.4 la pared del crisol (1), está conformada a partir de una corona de tubos de metal (1.1) que se puede conectar a un medio de refrigeración, con espacios intermedios en forma de ranuras entre los tubos de metal contiguos (1.1);

1.5 el suelo presenta por lo menos un sumidero para la masa fundida;

1.6 todos los tubos de metal (1.1) se ponen en cortocircuito entre ellos.

2. Crisol de calavera (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque se prevé el cortocircuito en la región de los extremos superiores de los tubos de metal (1.1).

3. Crisol de calavera según la reivindicación 1, caracterizado porque se prevé el cortocircuito en la región del suelo.

4. Crisol de calavera según la reivindicación 1, caracterizado porque se prevé el cortocircuito en la región de los extremos superiores de los tubos de metal y en la región del suelo.

5. Crisol de calavera según la reivindicación 4, caracterizado porque el cortocircuito es variable en altura, especialmente, al disponer de dos cortocircuitos.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cortocircuito está construido por medio de un tubo de metal (1.1) que se puede conectar a un medio de refrigeración.