ES2683632T3 - Procedimiento de fusión de por lo menos una materia mineral en polvo - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de una frita de vidrio elaborada a partir de una mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo que comprende las etapas de fusión de dicha mezcla, de enfriamiento rápido de dicha mezcla fundida y de trituración de dicha mezcla enfriada y sólida, caracterizado por que consiste en utilizar por lo menos un haz láser para aportar la energía necesaria para la fusión de la mezcla de materias primas vitrificables y en alimentar de manera progresiva la zona en fusión impactada por el o los haces láser con mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo con el fin de obtener una superficie de interacción entre la materia y el o los haces láser lo más grande posible y en evacuar de manera progresiva la materia en fusión.
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento de fusion de por lo menos una materia mineral en polvo.
La presente invencion se refiere a un procedimiento de fusion de por lo menos una materia mineral en polvo asf como a un dispositivo para su realizacion. Segun una aplicacion no limitativa, la invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de una frita de vidrio.
El procedimiento de fabricacion del vidrio y el procedimiento de fabricacion de una frita de vidrio comprenden unas etapas comunes que consisten en mezclar materias primas vitrificables y en fusionar esta mezcla en un horno a alta temperatura del orden de 1400°C a 1500°C.
Tras esta fusion, en el caso de una frita de vidrio, se enfna la mezcla fundida muy rapidamente mediante un temple, generalmente en agua fna. Tras el secado, se tritura la mezcla solida y despues se tamiza con el fin de obtener un polvo que es una frita de vidrio.
En el caso de un vidrio, este ultimo es conformado en caliente y despues recocido antes de ser enfriado.
Previamente a la conformacion en el caso de un vidrio o al temple en el caso de una frita de vidrio, se somete la mezcla vitrificable sucesivamente a:
- una fase de fusion de 800°C a 1400°C durante la cual la materia solida se transforma en vidrio fundido provocando unos desprendimientos gaseosos y la formacion de burbujas gaseosas,
- una fase de refinado de 1450°C a 1530°C que preve eliminar las burbujas gaseosas gracias a un aumento de temperatura para fluidificar el vidrio y a la adicion de un agente de refinado como por ejemplo sulfato de sodio para aumentar el tamano de las burbujas gaseosas,
- una fase de acondicionamiento termico durante la cual se disminuye la temperatura del vidrio fundido a una temperatura del orden de 1000°C para adaptar la viscosidad de la mezcla fundida al conformado, subiendo las ultimas burbujas gaseosas a la superficie.
La mezcla de materias primas vitrificables comprende sflice asf como diferentes oxidos.
Para disminuir el punto de fusion de la mezcla y reducir asf las necesidades energeticas, la mezcla de materias primas vitrificables comprende unos fundentes (oxidos alcalinos) que permiten disminuir la temperatura de fusion a aproximadamente 1400°C. Como fundente, se puede citar el oxido de sodio (sosa), el oxido de potasio o el oxido de magnesio. Un mismo vidrio puede asociar varios fundentes, por ejemplo sosa y cal para obtener un vidrio denominado sodo-calcico o sosa y plomo para obtener cristal.
Para reducir las necesidades energeticas, el documento WO 2008/095204 describe una etapa previa a la fusion que consiste en triturar la materia prima vitrificable con el fin de reducir la granulometna de la mezcla antes de la fusion y en homogeneizar la mezcla con el fin de reducir el tiempo necesario para la homogeneizacion de la masa fundida.
Segun un modo de obtencion de tipo discontinuo, para la fusion de las fritas de vidrio, se utiliza un horno de pote para la fusion de la mezcla de materias primas en forma de polvo. En este caso, se coloca la mezcla en un crisol que se dispone en un horno que funciona con un combustible fosil, gas o combustible. Tras las diferentes fases de fusion, se enfna rapidamente la mezcla lfquida para obtener un temple vertiendola en agua.
Esta solucion no es satisfactoria ya que necesita una gran cantidad de energfa y cambiar regularmente los potes en materiales refractarios, al ser la mezcla lfquida muy corrosiva.
En el caso del vidrio, se puede recurrir a hornos de cubeta constituidos por materiales refractarios y que forman una cuba que puede contener hasta 2500 toneladas de vidrio sobre 1,50 m de grosor. Estas cubetas utilizan unos quemadores que funcionan con un combustible fosil para provocar el aumento de temperatura y su mantenimiento. Como variante, algunos hornos pueden ser de tipo electrico y la energfa se puede difundir directamente en el vidrio en fusion que es conductor del calor a partir de 250°C.
La mezcla de materias primas vitrificables se incorpora en un primer extremo del horno en una mezcla ya fundida y, al desplazarse esta mezcla hacia la evacuacion, se homogeniza y se refina de manera progresiva.
Al igual que anteriormente, esta solucion no es totalmente satisfactoria ya que necesita una cantidad de energfa importante y solo puede funcionar con una gran cantidad de materia fundida.
Segun la energfa utilizada, la fusion de un kilogramo de vidrio necesita 0,2 Kg de combustible o 1 KWh para los
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Tambien se conoce, a partir del documento WO 2008/057483, un procedimiento para realizar una forma densificada a partir de un polvo de silicio. Segun este documento, se deposita el polvo de silicio seco sobre un soporte con formas en hueco adaptadas a la forma densificada de silicio deseada. Esta solucion solo permite obtener unas formas densificadas con un pequeno volumen. En efecto, si se aumenta el volumen de las formas en hueco, la forma densificada no es homogenea y comprende numerosas inclusiones de gas.
Por tanto, la presente invencion tiene como objetivo remediar los inconvenientes de la tecnica anterior proponiendo un procedimiento de fusion de por lo menos una materia mineral en polvo que permita reducir el consumo energetico y obtener un producto homogeneo.
Para ello, la invencion tiene por objeto un procedimiento de fusion de por lo menos una materia mineral en polvo que consiste en utilizar por lo menos un haz laser para aportar la energfa necesaria para la fusion, caracterizado por que consiste en alimentar de manera progresiva con polvo mineral la zona impactada por el o los haces laser con el fin de obtener una superficie de interaccion entre la materia y el o los haces laser lo mas grande posible.
Segun una aplicacion particular, la invencion tiene por objeto un procedimiento de fabricacion de una frita de vidrio elaborada a partir de una mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo que comprende las etapas de fusion de dicha mezcla, de enfriamiento rapido de dicha mezcla fundida y de trituracion de dicha mezcla enfriada y solida, caracterizado por que consiste en utilizar por lo menos un haz laser para aportar la energfa necesaria para la fusion de la mezcla de materias primas vitrificables y en alimentar de manera progresiva la zona impactada por el o los haces laser con mezcla en forma de polvo.
Otras caractensticas y ventajas se desprenderan de la siguiente descripcion de la invencion, descripcion facilitada unicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
- la figura 1 es un esquema que ilustra una primera variante del procedimiento de fusion de por lo menos un polvo mineral, y
- la figura 2 es un esquema que ilustra otra variante del procedimiento de fusion de por lo menos un polvo mineral.
De manera conocida, se realiza una frita de vidrio a partir de una mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo.
Esta mezcla comprende esencialmente sflice y oxidos.
Se distinguen tres tipos de oxidos, a saber, los oxidos formadores de red, los oxidos modificadores de red y los oxidos intermedios.
Los oxidos formadores de red son indispensables para la formacion de la red vttrea. A modo de ejemplo, los oxidos formadores de red mas habituales son los siguientes: SiO2, B2O3, P2O5, GeO2, V2O5 y As2O3.
Los oxidos modificadores de red no pueden formar por sf solos la red vftrea y son esencialmente unos oxidos alcalinos o unos oxidos alcalinoterreos, por ejemplo Li2O, Na2O, K2O, CaO, MgO y BaO. Entre los oxidos modificadores de red se distinguen los fundentes que disminuyen la temperatura de fusion de los oxidos formadores y los estabilizadores que modifican las propiedades ffsicas del vidrio atenuadas por la adicion del o de los fundentes.
Los fundentes estan constituidos por los oxidos alcalinos. A modo de ejemplo, se pueden citar el oxido de sodio, el oxido de potasio, el oxido de magnesio.
Los estabilizadores estan constituidos por los oxidos alcalinoterreos y tienen como objetivo atenuar los efectos de los fundentes que tienden a fragilizar la red. A modo de ejemplo, se pueden citar el oxido de calcio, el oxido de cinc, el oxido de hierro, el oxido de plomo.
Los oxidos intermedios tienen diferentes comportamientos. Algunos pueden ser formadores o modificadores en funcion de la composicion de la mezcla vitrificable. Otros no tendran ni una ni otra de estas funciones sino un papel intermedio. A modo de ejemplo, se pueden citar como oxidos intermedios, A^O3, PbO, ZnO, CdO, TiO2.
El procedimiento de elaboracion de una frita de vidrio comprende las etapas que consisten en determinar la naturaleza de los componentes y sus cantidades, homogeneizar la mezcla de materias primas, provocar la fusion de dicha mezcla, enfriar muy rapidamente mediante temple la mezcla fundida y despues triturar la mezcla solidificada.
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Segun la invencion, para provocar la fusion de la mezcla se utiliza un haz laser que aporta la cantidad de ene^a suficiente para provocar el aumento de la temperatura y la fusion de la mezcla.
Segun una caractenstica importante de la invencion, la fusion de la mezcla se realiza de manera continua. Por tanto, se preve una alimentacion con mezcla que aporta de manera progresiva el polvo mineral o la mezcla de polvos minerales a nivel de la zona impactada por el haz laser.
Por tanto, la presencia de polvo a nivel de la zona impactada por el haz laser permite aumentar la superficie que sirve para la absorcion de la energfa aportada por dicho haz laser. Esta mejor absorcion de la energfa del haz laser permite obtener una temperatura mas importante que tiende a reducir la viscosidad de la mezcla y facilita la evacuacion de las burbujas de gas.
Gracias a esta solucion, se obtiene un procedimiento de fusion de por lo menos un polvo mineral que permite reducir el consumo energetico y obtener un producto homogeneo.
Segun una caractenstica de la invencion, el haz laser debe transmitir a la materia una cantidad de energfa superior o igual a 50 W/cm2
A modo de ejemplo, se puede utilizar un laser de tipo CO2 que funciona con una longitud de onda del orden de 10,6 pm.
Segun un modo de realizacion ilustrado en la figura 1, el dispositivo de fabricacion de una frita de vidrio comprende una zona en hueco 10 en direccion a la cual se dirige un haz laser 12. Segun los casos, el haz laser puede estar focalizado o no.
Aguas arriba de esta zona en hueco 10, el dispositivo comprende una zona de alimentacion con mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo. Esta zona de alimentacion esta constituida por un plano inclinado 14 sobre el cual fluye un lecho de mezcla de materias primas en forma de polvo preferentemente con un caudal sustancialmente constante. Se puede prever un tornillo sin fin para ayudar al flujo obtenido por gravedad o provocar el flujo de la mezcla de materias primas vitrificables con un caudal sustancialmente constante.
A nivel de la zona en hueco 10, el haz laser 12 genera la fusion de la parte de la mezcla de materias primas vitrificables presentes en este momento.
Segun esta variante, la zona impactada es alimentada en continuo con polvo por gravedad.
La mezcla fundida se evacua de manera progresiva a nivel de un rebosadero 16 situado en el lado opuesto al plano inclinado para caer en un deposito 18 en el que esta presente un lfquido, en particular agua, para provocar el enfriamiento rapido, por temple, de la mezcla fundida. La evacuacion de la mezcla fundida se realiza de manera natural en forma de gotas 20 que se solidifican al caer en el deposito 18.
A continuacion se secan las gotas solidificadas y despues se trituran para obtener una frita de vidrio que se utilizara a continuacion para la elaboracion de esmaltes.
El procedimiento segun la invencion permite obtener una fusion de la mezcla de materias vitrificables de manera continua y reducir sustancialmente el consumo de energfa necesaria.
Segun otra ventaja, esta solucion permite reducir la cantidad de burbujas en la mezcla fusionada. Ademas, se observa que las partes del dispositivo en contacto con la mezcla en fusion susceptibles de ser cambiadas son reducidas, a diferencia de los potes utilizados segun la tecnica anterior.
Segun otra caractenstica de la invencion, el dispositivo puede comprender unos medios de retroalimentacion de la potencia del laser. Para ello, se pueden prever unos medios de medicion de la temperatura de la mezcla a nivel de la zona en hueco 10 y controlar la potencia del haz laser 12. Segun un modo de realizacion, los medios de medicion de la temperatura se presentan en forma de una camara termica. Teniendo en cuenta el pequeno volumen de materia en fusion y por tanto su baja inercia, es posible regular con precision y con una gran reactividad la potencia del laser.
La invencion no esta limitada a esta aplicacion y puede resultar conveniente para todos los procedimientos que comprenden una etapa de fusion de por lo menos una materia mineral en polvo.
Segun las variantes, el haz laser puede ser fijo o movil, y en este caso barrer una zona.
Segun los casos, el dispositivo puede comprender unos medios para modular la geometna del punto del haz laser o la distribucion de energfa a nivel del punto. Asimismo, el dispositivo puede comprender varios haces de manera que se obtenga un punto resultante de la superposicion de varios puntos.
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Segun una primera variante, la zona en hueco 10 puede presentar una seccion en V segun un plano vertical tal como se ilustra en la figura 1.
Segun otra variante, el dispositivo puede comprender una zona en hueco 22 con una seccion sustancialmente circular segun un plano horizontal, como se ilustra en la figura 2. En este caso, el fondo 24 de la zona en hueco puede ser plano, como se ilustra en la figura 2. El dispositivo comprende unos medios 26 para alimentar de manera progresiva la zona en hueco 22. El polvo puede ser vertido en continuo sobre la zona impactada por el haz laser 12, por ejemplo con la ayuda de un plano inclinado o de un tornillo sin fin. Como variante, el polvo puede estar dispuesto a nivel de la zona impactada por el haz laser 12 capa por capa con la ayuda, por ejemplo, de un rascador.
Segun los casos, el fondo 24 de la zona en hueco puede ser movil y descender de manera progresiva para acumular las capas sucesivas de polvo fusionadas.
Segun otra posibilidad ilustrada en la figura 2, el fondo 24 puede comprender una evacuacion de la materia en fusion hacia otra parte de la cadena de produccion, por ejemplo, unos medios para conformar el vidrio.
Ventajosamente, el dispositivo comprende unos medios para generar unas turbulencias en la mezcla en fusion para homogeneizarla, por ejemplo mediante vibracion o movimiento de la zona en hueco, mediante una diferencia de presion o de temperatura de la mezcla.
Para ello, se pueden prever unos medios para emitir vibraciones en la materia en fusion con el fin de facilitar la evacuacion de las burbujas de gas y obtener un material homogeneo.
Segun un modo de realizacion, la zona en hueco 10 puede estar unida a un elemento vibratorio o aplicada sobre un soporte vibratorio.
Tambien se pueden asociar por lo menos dos haces laser con unos angulos de incidencia diferentes para homogeneizar el gradiente de temperatura.
Finalmente, es posible utilizar la mezcla a fusionar para formar una forma en hueco a modo de un autocrisol.
Claims (5)
- 510152025REIVINDICACIONES1. Procedimiento de fabricacion de una frita de vidrio elaborada a partir de una mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo que comprende las etapas de fusion de dicha mezcla, de enfriamiento rapido de dicha mezcla fundida y de trituracion de dicha mezcla enfriada y solida, caracterizado por que consiste en utilizar por lo menos un haz laser para aportar la energfa necesaria para la fusion de la mezcla de materias primas vitrificables y en alimentar de manera progresiva la zona en fusion impactada por el o los haces laser con mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo con el fin de obtener una superficie de interaccion entre la materia y el o los haces laser lo mas grande posible y en evacuar de manera progresiva la materia en fusion.
- 2. Procedimiento de fabricacion de una frita de vidrio segun la reivindicacion 1, caracterizado por que dicho por lo menos un haz laser debe transmitir a la materia una cantidad de energfa superior o igual a 50 W/cm2
- 3. Dispositivo para la fabricacion de una frita de vidrio elaborada a partir de una mezcla de materias primas vitrificables en forma de polvo, caracterizado por que comprende una zona en hueco (10) a nivel de la cual esta prevista una mezcla de materias primas vitrificables en fusion impactada por lo menos por un haz laser (12), un plano inclinado (14) que alimenta en continuo dicha zona en hueco con materias primas vitrificables en forma de polvo con el fin de obtener una superficie de interaccion entre la materia y el o los haces laser lo mas grande posible, un rebosadero (16) situado en el lado opuesto al plano inclinado a nivel del cual se evacua la mezcla en fusion y un deposito (18) en el que esta presente un lfquido, en particular agua, para provocar el enfriamiento rapido, por temple, de la mezcla fundida.
- 4. Dispositivo para la fabricacion de una frita de vidrio segun la reivindicacion 3, caracterizado por que los medios de alimentacion comprenden un tornillo sin fin para calibrar el caudal de la materia mineral en polvo.
- 5. Dispositivo para la fabricacion de una frita de vidrio segun la reivindicacion 3 o 4, caracterizado por que comprende unos medios para generar unas turbulencias en la mezcla en fusion para homogeneizarla.
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