La producción de vidrio implica dos métodos principales: el proceso de vidrio flotado , que produce láminas de vidrio, y el vidrio soplado , que produce botellas y otros recipientes. Se ha hecho de diversas formas durante la historia del vidrio .
En términos generales, las fábricas modernas de envases de vidrio constan de operaciones de tres partes: la "casa de lotes", el "extremo caliente" y el "extremo frío". La casa de lotes maneja las materias primas; el extremo caliente se encarga de la fabricación propiamente dicha: el antecrisol, las máquinas formadoras y los hornos de recocido ; y la parte fría se encarga del equipo de inspección y embalaje del producto.
El procesamiento por lotes es uno de los pasos iniciales del proceso de fabricación de vidrio. La sala de lotes simplemente alberga las materias primas en grandes silos (alimentados por camión o vagón) y almacena material para entre 1 y 5 días. Algunos sistemas por lotes incluyen procesamiento de materiales, como cribado/tamiz de materia prima, secado o precalentamiento (es decir, vidrio desecho ). Ya sea automatizada o manual, la sala de procesamiento mide, ensambla, mezcla y entrega la receta (lote) de la materia prima de vidrio a través de una serie de conductos, transportadores y básculas al horno. El lote ingresa al horno en la "casa del perro" o "cargador de lotes". Los diferentes tipos de vidrio, colores, calidad deseada, pureza/disponibilidad de la materia prima y diseño del horno afectarán la receta del lote.
El extremo caliente de una fábrica de vidrio es donde el vidrio fundido se fabrica en productos de vidrio. El lote ingresa al horno, luego pasa al proceso de conformado, tratamiento interno y recocido.
La siguiente tabla enumera puntos de fijación de viscosidad comunes , aplicables a la producción de vidrio a gran escala y a la fusión experimental de vidrio en el laboratorio : [1]
El lote se introduce en el horno a un ritmo lento y controlado mediante el sistema de procesamiento por lotes. Los hornos funcionan con gas natural o fueloil y funcionan a temperaturas de hasta 1.575 °C (2.867 °F). [3] La temperatura está limitada únicamente por la calidad del material de la superestructura del horno y por la composición del vidrio. Los tipos de hornos utilizados en la fabricación de vidrio para envases incluyen "puerto final" (de encendido final), "puerto lateral" y "oxicombustible". Normalmente, el tamaño del horno se clasifica según la capacidad de producción de toneladas métricas por día (MTPD).
Actualmente existen dos métodos principales para fabricar recipientes de vidrio: el método de "soplar y soplar" sólo para recipientes de cuello estrecho y el método de "prensar y soplar" que se utiliza para frascos y recipientes cónicos de cuello estrecho.
En ambos métodos, una corriente de vidrio fundido a su temperatura plástica (1050-1200 °C [1920-2190 °F]) se corta con una cuchilla de corte para formar un cilindro sólido de vidrio, llamado "gob". El pegote tiene un peso predeterminado, justo el suficiente para hacer una botella. Ambos procesos comienzan con la gota cayendo, por gravedad, y guiada, a través de canales y rampas, hacia los moldes en blanco, dos mitades de los cuales se cierran con abrazaderas y luego se sellan mediante el "deflector" desde arriba.
En el proceso de "soplar y soplar", [4] primero se sopla el vidrio a través de una válvula en el deflector, forzándolo a descender hacia el "molde anular" de tres piezas que se sujeta en el "brazo del aro" debajo de los espacios en blanco, para formar el "final". El término "acabado" describe los detalles (tales como superficie de sellado de la tapa, roscas de tornillo, nervio de retención para una tapa a prueba de manipulaciones, etc.) en el extremo abierto del recipiente. Luego se sopla aire comprimido a través del vidrio, lo que da como resultado un recipiente hueco y parcialmente formado. Luego se vuelve a soplar aire comprimido en la segunda etapa para darle la forma final.
Los contenedores se fabrican en dos etapas principales. La primera etapa moldea todos los detalles ("acabado") alrededor de la abertura, pero el cuerpo del contenedor inicialmente se hace mucho más pequeño que su tamaño final. Estos contenedores parcialmente fabricados se denominan "parisones" y, con bastante rapidez, se moldean por soplado para darles la forma final.
Los "anillos" se cierran desde abajo mediante un émbolo corto. Una vez finalizado el "golpe de asentamiento", el émbolo se retrae ligeramente para permitir que la piel formada se ablande. Luego, el aire de "contragolpe" sube a través del émbolo para crear el parisón. El deflector se eleva y los espacios en blanco se abren. El parisón se invierte formando un arco hacia el "lado del molde" mediante el "brazo del collarín", que sujeta el parisón por el "acabado".
Cuando el brazo del cuello llega al final de su arco, dos mitades del molde se cierran alrededor del parisón. El brazo del cuello se abre ligeramente para soltar el "acabado" y luego vuelve al lado en blanco. El "golpe final", aplicado a través del "cabezal de soplado", sopla el vidrio, expandiéndose dentro del molde, para darle la forma final al recipiente.
En el proceso de prensado y soplado , [4] el parisón está formado por un largo émbolo de metal que se eleva y presiona el vidrio para llenar los moldes de anillo y en blanco. [5] Luego, el proceso continúa como antes, transfiriendo el parison al molde con la forma final y soplando el vidrio en el molde.
Luego, el mecanismo de "saque" retira el recipiente del molde y lo mantiene sobre la "placa muerta", donde el enfriamiento por aire ayuda a enfriar el vidrio aún blando. Finalmente, las botellas son arrastradas hacia un transportador mediante las "paletas de empuje" que tienen bolsas de aire para mantener las botellas en pie después de aterrizar en la "placa muerta"; ahora están listos para el recocido.
Las máquinas formadoras sujetan y mueven las piezas que forman el envase. La máquina consta de 19 mecanismos básicos en funcionamiento para formar una botella y generalmente accionados por aire comprimido (alta presión – 3,2 bar y baja presión – 2,8 bar), los mecanismos están sincronizados electrónicamente para coordinar todos los movimientos de los mecanismos. La disposición de máquina formadora más utilizada es la máquina de sección individual (o máquina IS). Esta máquina tiene un banco de 5 a 20 secciones idénticas, cada una de las cuales contiene un juego completo de mecanismos para fabricar contenedores. Las secciones están en una fila y las gotas se introducen en cada sección a través de un conducto móvil, llamado distribuidor de gotas . Las secciones forman uno, dos, tres o cuatro contenedores simultáneamente (denominados trozos "simples", "dobles", "triples" y "cuádruples"). En el caso de múltiples pegotes, las "cizallas" cortan los pegotes simultáneamente y caen en los moldes en blanco en paralelo.
Las máquinas formadoras funcionan en gran medida con aire comprimido y una fábrica de vidrio típica tendrá varios compresores grandes (con un total de 30.000 a 60.000 cfm) para proporcionar el aire comprimido necesario. Sin embargo, últimamente se han implementado servoaccionamientos en las máquinas que logran un mejor control digital del proceso de conformado. Es un paso para inicializar las industrias 2.0 en esta rama.
Los hornos, compresores y máquinas formadoras generan grandes cantidades de calor residual que generalmente se enfría con agua. El vidrio caliente que no se utiliza en la máquina formadora se desvía y este vidrio desviado (llamado "cullet") generalmente se enfría con agua y, a veces, incluso se procesa y tritura en un baño de agua. A menudo, los requisitos de refrigeración se comparten entre bancos de torres de refrigeración dispuestas para permitir el respaldo durante el mantenimiento.
Tras el proceso de conformado, algunos envases —particularmente los destinados a bebidas espirituosas— se someten a un tratamiento para mejorar la resistencia química del interior, denominado "tratamiento interno" o desalcalinización . Esto generalmente se logra mediante la inyección de una mezcla de gases que contienen azufre o flúor en botellas a altas temperaturas. Normalmente, el gas se suministra al recipiente mediante el aire utilizado en el proceso de formación (es decir, durante el golpe final del recipiente) o a través de una boquilla que dirige una corriente de gas hacia la boca de la botella después de la formación. El tratamiento hace que el recipiente sea más resistente a la extracción alcalina, lo que puede provocar aumentos en el pH del producto y, en algunos casos, degradación del recipiente.
A medida que el vidrio se enfría, se encoge y se solidifica. El enfriamiento desigual puede hacer que el vidrio sea más susceptible a fracturarse debido a tensiones internas: la superficie se enfría primero, luego, a medida que el interior se enfría y se contrae, crea tensión. [6] El enfriamiento uniforme se logra mediante el recocido . Un horno de recocido (conocido en la industria como lehr ) calienta el recipiente a aproximadamente 580 °C (1076 °F) y luego lo enfría, dependiendo del espesor del vidrio, durante un período de 20 a 60 minutos.
La función del extremo frío de la producción de envases de vidrio es completar las tareas finales del proceso de fabricación: rociar un recubrimiento de polietileno para resistir la abrasión y aumentar la lubricidad, inspeccionar los envases en busca de defectos, etiquetarlos y empaquetarlos para su envío.
Los envases de vidrio suelen recibir dos revestimientos superficiales, uno en el extremo caliente , justo antes del recocido y otro en el extremo frío justo después del recocido. En el extremo caliente se aplica una capa muy fina de óxido de estaño (IV), ya sea utilizando un compuesto orgánico seguro o cloruro estánnico inorgánico . Los sistemas basados en estaño no son los únicos utilizados, aunque sí los más populares. También se pueden utilizar tetracloruro de titanio u titanatos orgánicos. En todos los casos, el revestimiento hace que la superficie del vidrio sea más adhesiva al revestimiento del extremo frío. En el extremo frío se aplica una capa de cera de polietileno , típicamente, mediante una emulsión a base de agua . Esto hace que el vidrio sea resbaladizo, lo protege de rayones y evita que los contenedores se peguen cuando se mueven sobre un transportador . El revestimiento combinado invisible resultante proporciona al vidrio una superficie prácticamente irrayable. Debido a la reducción del daño superficial en servicio, los recubrimientos a menudo se describen como fortalecedores; sin embargo, una definición más correcta podría ser recubrimientos que retienen la resistencia.
Los envases de vidrio son 100% inspeccionados; máquinas automáticas, o a veces personas, inspeccionan cada contenedor en busca de una variedad de fallas. Las fallas típicas incluyen pequeñas grietas en el vidrio llamadas "cheques" e inclusiones extrañas llamadas "piedras", que son pedazos del revestimiento de ladrillo refractario del horno de fusión que se desprenden y caen en el charco de vidrio fundido, o más comúnmente gránulos de sílice de gran tamaño ( arena) que no han logrado fundirse y que posteriormente se incluyen en el producto final. Es especialmente importante seleccionarlos debido al hecho de que pueden impartir un elemento destructivo al producto de vidrio final. Por ejemplo, dado que estos materiales pueden soportar grandes cantidades de energía térmica, pueden hacer que el producto de vidrio sufra un choque térmico que produzca una destrucción explosiva cuando se calienta. Otros defectos incluyen burbujas en el vidrio llamadas "ampollas" y paredes excesivamente delgadas. Otro defecto común en la fabricación del vidrio se denomina "desgarro". En el formado de "prensar y soplar", si el émbolo y el molde están desalineados o se calientan a una temperatura incorrecta, el vidrio se pegará a cualquiera de los elementos y se romperá. Además de rechazar los contenedores defectuosos, el equipo de inspección recopila información estadística y la transmite a los operadores de la máquina formadora en el extremo caliente. Los sistemas informáticos recopilan información sobre fallas y la rastrean hasta el molde que produjo el contenedor. Esto se hace leyendo el número de molde en el contenedor, que está codificado (como un número o un código binario de puntos) en el contenedor por el molde que lo fabricó. Los operadores llevan a cabo una serie de controles manualmente en muestras de contenedores, generalmente controles visuales y dimensionales.
En ocasiones, las fábricas de contenedores ofrecen servicios como el de "etiquetado". Hay varias tecnologías de etiquetado disponibles. Exclusivo del vidrio es el proceso de etiquetado cerámico aplicado (ACL). Se trata de una serigrafía de la decoración sobre el recipiente con una pintura de esmalte vítreo , que luego se hornea. Un ejemplo de esto es la botella original de Coca-Cola .
Los envases de vidrio se envasan de diversas formas. En Europa son populares los palés a granel con entre 1.000 y 4.000 contenedores cada uno. Esto se realiza mediante máquinas automáticas (paletizadoras) que disponen y apilan los contenedores separados por láminas en capas. Otras posibilidades incluyen cajas e incluso sacos cosidos a mano. Una vez empaquetadas, las nuevas "unidades en stock" se etiquetan, almacenan y finalmente envían.
La fabricación de envases de vidrio en el mundo desarrollado es un negocio de mercado maduro. La demanda mundial de vidrio plano fue de aproximadamente 52 millones de toneladas en 2009. [7] Estados Unidos, Europa y China representan el 75% de la demanda, y el consumo de China aumentó del 20% a principios de los años 1990 al 50%. [7] La fabricación de envases de vidrio es también una actividad geográfica; el producto es pesado y de gran volumen, y las principales materias primas (arena, carbonato de sodio y piedra caliza) generalmente se encuentran fácilmente disponibles. Por lo tanto, las instalaciones de producción deben ubicarse cerca de sus mercados. Un horno de vidrio típico contiene cientos de toneladas de vidrio fundido, por lo que simplemente no es práctico apagarlo todas las noches, ni siquiera en un período inferior a un mes. Por lo tanto, las fábricas funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto significa que hay pocas oportunidades de aumentar o disminuir las tasas de producción en más de un pequeño porcentaje. Los nuevos hornos y máquinas formadoras cuestan decenas de millones de dólares y requieren al menos 18 meses de planificación. Teniendo en cuenta este hecho, y el hecho de que normalmente hay más productos que líneas de máquinas, los productos se venden en stock. Por lo tanto, el desafío de marketing/producción es predecir la demanda tanto en el corto plazo de 4 a 12 semanas como en el largo plazo de 24 a 48 meses. Las fábricas generalmente tienen el tamaño adecuado para satisfacer las necesidades de una ciudad; En los países desarrollados suele haber una fábrica por cada 1 a 2 millones de personas. Una fábrica típica producirá entre 1 y 3 millones de contenedores al día. A pesar de su posicionamiento como producto en el mercado maduro, el vidrio goza de un alto nivel de aceptación por parte de los consumidores y se percibe como un formato de envase de calidad "premium".
Los envases de vidrio son totalmente reciclables y las industrias del vidrio en muchos países tienen una política, a veces requerida por regulaciones gubernamentales, de mantener un precio alto del vidrio desecho para asegurar altas tasas de retorno. En los países nórdicos (Suecia, Noruega, Dinamarca y Finlandia) no son infrecuentes tasas de retorno del 95%. En otros países son habituales tasas de retorno inferiores al 50%. [ cita necesaria ]
Por supuesto, los recipientes de vidrio también se pueden reutilizar , y en los países en desarrollo esto es común; sin embargo, el impacto ambiental de lavar los recipientes en lugar de volverlos a fundir es incierto. Los factores a considerar aquí son los productos químicos y el agua dulce utilizados en el lavado, y el hecho de que un recipiente de un solo uso se puede hacer mucho más liviano, usando menos de la mitad del vidrio (y por lo tanto del contenido de energía) de un recipiente multiuso. Además, un factor importante en la consideración de la reutilización por parte del mundo desarrollado son las preocupaciones de los productores sobre el riesgo y la consiguiente responsabilidad del producto por el uso de un componente (el contenedor reutilizado) de seguridad desconocida y no calificada.
Es difícil decir cómo se comparan los envases de vidrio con otros tipos de envases ( plástico , cartón , aluminio ); Aún no se han realizado estudios concluyentes sobre el ciclo de vida.
El vidrio flotado es una lámina de vidrio hecha flotando vidrio fundido sobre un lecho de metal fundido, típicamente estaño , aunque en el pasado se usaba plomo y varias aleaciones de bajo punto de fusión . Este método proporciona a la lámina un espesor uniforme y superficies muy planas. Las ventanas modernas están hechas de vidrio flotado. La mayor parte del vidrio flotado es vidrio sodocálcico , pero también se producen cantidades relativamente menores de borosilicato especial [8] y vidrio para pantallas planas mediante el proceso de vidrio flotado. [9] El proceso de vidrio flotado también se conoce como proceso Pilkington , [10] llamado así en honor al fabricante de vidrio británico Pilkington , quien fue pionero en la técnica (inventada por Sir Alastair Pilkington ) en la década de 1950.
Como ocurre con todas las industrias altamente concentradas, las fábricas de vidrio sufren impactos ambientales locales moderadamente altos. Para agravar esto, debido a que son negocios de mercado maduro, a menudo han estado ubicados en el mismo sitio durante mucho tiempo y esto ha resultado en una invasión residencial. Los principales impactos en las viviendas residenciales y las ciudades son el ruido, el uso de agua dulce, la contaminación del agua, la contaminación del aire por NOx y SOx y el polvo.
El ruido lo crean las máquinas formadoras. Operados por aire comprimido, pueden producir niveles de ruido de hasta 106 dBA . La forma en que este ruido se transmite al vecindario local depende en gran medida del diseño de la fábrica. Otro factor que influye en la producción de ruido son los movimientos de los camiones. Una fábrica típica procesará 600 toneladas de material al día. Esto significa que unas 600 toneladas de materia prima deben llegar al sitio y la misma cantidad salir del sitio como producto terminado.
Se utiliza agua para enfriar el horno, el compresor y el vidrio fundido no utilizado. El uso del agua en las fábricas varía ampliamente; puede ser tan solo una tonelada de agua utilizada por cada tonelada de vidrio derretido. De una tonelada, aproximadamente la mitad se evapora para enfriar, el resto forma una corriente de aguas residuales.
La mayoría de las fábricas utilizan agua que contiene un aceite emulsionado para enfriar y lubricar las hojas de la cizalla de corte . Esta agua cargada de petróleo se mezcla con la corriente de salida de agua, contaminándola. Las fábricas suelen tener algún tipo de equipo de procesamiento de agua que elimina este aceite emulsionado con diversos grados de eficacia.
Los óxidos de nitrógeno son un producto natural de la quema de gas en el aire y se producen en grandes cantidades en hornos que funcionan con gas. Algunas fábricas en ciudades con problemas particulares de contaminación del aire mitigarán esto usando oxígeno líquido ; sin embargo, la lógica de esto, dado el costo en carbono de (1) no usar regeneradores y (2) tener que licuar y transportar oxígeno, es muy cuestionable. Los óxidos de azufre se producen como resultado del proceso de fusión del vidrio. La manipulación de la fórmula del lote puede mitigar un poco este problema; alternativamente se puede utilizar la depuración de las columnas de escape. [6]
Las materias primas para la fabricación de vidrio son todas materiales polvorientos y se suministran en forma de polvo o de grano fino. Los sistemas para controlar materiales polvorientos tienden a ser difíciles de mantener y, dadas las grandes cantidades de material que se mueven cada día, sólo tiene que escapar una pequeña cantidad para que haya un problema de polvo. El vidrio desecho (vidrio roto o de desecho) también se mueve en una fábrica de vidrio y tiende a producir partículas finas de vidrio cuando se palea o se rompe.
