I rulli in silice fusa sono ampiamente utilizzati per trasportare il vetro in ambienti ad alta temperatura, dove il forno di tempra è una delle operazioni più impegnative.

Secondo Gilbert Rancoule, lo sviluppo dell'iniezione di SO2 sta creando condizioni di lavoro singolari che influenzano il funzionamento dei rulli e richiedono la comprensione delle reazioni chimiche create.

Nel processo di tempra termica, il vetro viene riscaldato ad una temperatura appena inferiore al punto di rammollimento e quindi raffreddato rapidamente all'aria.La parte esterna del vetro si raffredda rapidamente, mentre la parte interna si contrae e si raffredda più lentamente.Quando il vetro raggiunge infine una temperatura uniforme, si sarà instaurata una sollecitazione di compressione sulla superficie e si sarà sviluppata una sollecitazione di trazione interna compensativa.

I valori effettivi della sollecitazione di compressione superficiale dipendono da fattori quali lo spessore del vetro e il coefficiente di trasferimento termico, nonché dal programma di trattamento termico.Limitare i fattori esterni che potrebbero modificare la qualità della superficie del vetro è sempre stato l’obiettivo del settore, oltre a consentire la flessibilità del processo.

La reazione tra gli ioni Na e la SO2 iniettata crea una superficie di solfato sulla superficie del vetro che è stabile in normali condizioni di lavoro.Durante la manipolazione della lastra di vetro, la polvere di solfato di sodio viene trasferita nell'ambiente della lastra di vetro.

Degrado della superficie del rullo a seguito dell'accumulo di solfato metallico.

Si osserva un deposito di solfato sull'interfaccia tra vetro e rulli trasportatori, considerato di potenziale beneficio per la longevità della superficie di contatto.In effetti, il solfato di sodio evolve lentamente in un'interfaccia continua di reattività neutra nei confronti della chimica del vetro.La continua interazione gassosa sta portando alla creazione di un lubrificante solido Na2SO4, stabile alle temperature standard per i trattamenti termici del vetro;zone di rinvenimento o ricottura.

La resa nella formazione di Na2SO4 è direttamente legata al livello di umidità, concentrazione e temperatura;se l'azione del solfato di sodio è ben nota, alcuni prodotti della reazione potrebbero presentare aspetti negativi nella qualità del contatto vetroso, soprattutto nel dominio transitorio a bassa temperatura.Forme metastabili di solfato di sodio potrebbero essere generate in funzione delle condizioni ambientali e portare a reazioni complesse che possono indurre risultati inaspettati in funzione della temperatura.

Se non vengono intraprese azioni correttive per evitare condizioni operative indesiderate, specie instabili di solfato di sodio potrebbero formarsi e interagire con l'ambiente del forno e il vetro per catturare particelle e polvere che potrebbero creare difetti nel vetro.La qualità del vetro e l'efficienza dei rulli ZYAROCK® vengono migliorate osservando le regolazioni del forno.

MODALITÀ DIFETTI DEL VETRO

L'osservazione della superficie del vetro fornisce un elevato livello di informazioni sull'ambiente di lavoro del forno e sulle condizioni operative.Il degrado del forno nel tempo e nella temperatura porta a impatti sulla qualità che saranno visibili sia nel forno che nel vetro.La manutenzione del forno è fondamentale per la qualità del vetro, ma potremmo anche analizzare l'evoluzione del fabbisogno di vetro in funzione delle applicazioni più esigenti.

La relazione tra efficaci procedure di pulizia del vetro, pulizia del forno e dello stabilimento, condizioni di manutenzione e qualità della superficie del vetro è certamente un'indagine ricorrente che deve essere svolta quando si analizza l'operazione.

(1) Deposito di vetro;(2) Indentazione meccanica;(3) Deposito di vernice

Le buone superfici dei rulli in silice fusa vengono mantenute attraverso uno stretto controllo dell'ambiente di lavoro per evitare di danneggiare la superficie di contatto.È necessario osservare regole importanti per evitare la contaminazione da sodio legata non solo alla movimentazione, al trasferimento e alla pulizia dei rulli, ma anche alla preparazione del vetro prima della tempera.

Una volta ottenuta la pulizia dei rulli, il passo successivo dovrebbe essere quello di evitare l'introduzione di particelle all'interno del forno attraverso la generazione di polvere e il controllo del flusso d'aria prima di passare alla consistenza termica del forno.

Funzione di stabilità del solfato di sodio della temperatura e dell'umidità relativa dell'atmosfera.

Analisi termodinamica del sistema solfato di sodio – diagramma di stabilità di fase Na-OS a 300.000°C.

Equilibrio termodinamico per la chimica del vetro in ambiente di vapore SO2.

PROFILO TERMICO E INTERAZIONE VETRO

La qualità della consistenza termica nel forno determina non solo la velocità di trasferimento del calore dall'ambiente del forno al vetro ma anche la relativa stabilità fisica della lastra di vetro durante il trasferimento nel forno.Il tipo e la chimica del vetro, nonché lo spessore del vetro, dovrebbero essere presi in considerazione per definire le migliori condizioni operative all'ingresso del forno.

La temperatura dei rulli e il flusso termico all'ingresso del forno sono parametri di lavoro fondamentali definiti per garantire la migliore omogeneità sulle superfici vetrate superiori e inferiori.La deformazione minima della lastra di vetro deve essere considerata attraverso l'adattamento del flusso di calore nella fase iniziale del profilo di riscaldamento:

· Assorbimento del calore del vetro (spessore, chimica, rivestimento, struttura).

· Gradiente di temperatura inferiore/superiore (flusso di calore statico o turbolento, modalità convettiva, tipo a rullo).

· Trasferimento di calore per riflessione (refrattari).

· Progettazione del forno per la tempera del vetro (ingegneria e controllo del calore).

· Effetto bordo vetro.

La stabilità geometrica del vetro è collegata direttamente al profilo termico poiché l'espansione termica del vetro dipende dalla conduttività del vetro e dall'assorbimento IR.Un equilibrio difficile si raggiunge sul bordo della lastra di vetro, dove si ottiene un maggiore trasferimento di calore per convezione e conduzione del calore radiativo.

La qualità dell'isolamento è un obiettivo primario quando si considera l'ambiente di lavoro del forno, poiché è spesso legato alla generazione di fibre o particelle di polvere (quando non comporta cambiamenti chimici quando si cerca una potenziale reazione con l'atmosfera del forno).

Anche il degrado del rivestimento è una questione di tempo e temperatura.La consistenza delle guarnizioni dei rulli è un parametro importante per ottenere la massima stabilità termica e ridurre la polvere proveniente dall'usura meccanica e dalla perdita di calore.Il perfetto isolamento impedisce il surriscaldamento del cappuccio terminale del rullo, causando così problemi di spedizione e TIR caldo.

INTERAZIONE ATMOSFERA E GAS

I parametri che influenzano sono fondamentali per comprendere la stabilità del solfato di sodio.Se consideriamo che la formazione di solfato di sodio rappresenta un reale vantaggio per l'applicazione, è importante capire come la modifica dell'ambiente e della concentrazione inciderà sulla formazione di Na2SO4.

Diversi parametri per la formazione di Na2SO4 includono l'influenza collettiva dell'umidità, il trattamento a bassa temperatura, l'alta concentrazione di SO2, l'interazione chimica del vetro e il condizionamento dei rulli.

UMIDITÀ E BASSA TEMPERATURA

L'umidità avrà un impatto diretto sulla stabilità della SO2 all'interno del forno, mentre la doppia azione di temperatura e umidità avrà un impatto diretto sulla concentrazione di SO2.Quando l'umidità (umidità massima 10% di acqua nell'aria) viene miscelata con la SO2 all'interno del forno, nella zona a bassa temperatura si forma solfato di sodio idrossile.Ciò può portare alla creazione di una fase metastabile Na2S2O7 nell'intervallo di temperature medie prima della dissociazione in Na2SO4 a temperature più elevate.

Nella stessa reazione si può osservare la potenziale formazione di acido solforico nella zona a bassa temperatura, in coincidenza con il cambio di ossidrile.

CONCENTRAZIONE DI SO2

Sono necessarie basse concentrazioni di SO2 e operazioni ad alta temperatura per ridurre la conversione al solfato di sodio con uno stato di ossidazione più elevato.Stabile solo a temperature basse, il bisfato di sodio ha un comportamento viscoso che crea le condizioni per far aderire ossidi e metalli dall'ambiente di lavoro al vetro e ai rulli.

La presenza di umidità contemporaneamente ad un'elevata concentrazione di zolfo nell'atmosfera è la configurazione più indesiderabile per la stabilità della fase solfatata.La formazione di Na2SO4 dovrebbe avere la priorità rispetto alle altre fasi sodiche per garantire un'operazione pulita.

INTERAZIONE CHIMICA DEL VETRO

I vapori di sodio nel forno dipendono chiaramente dalla temperatura e dalla chimica del vetro.Si consiglia di controllare la distribuzione dell'atmosfera del forno e il flusso di gas attraverso la diffusione di SO2 e il gradiente termico generato nel forno per ottenere condizioni operative stabili per la formazione di Na2SO4.

Anche gli elementi del vetro hanno reattività con SO2 ma si può verificare che la stabilità dei diversi solfati è possibile ad alta temperatura.Questa reattività è però difficile da ottenere all'interno del vetro a causa della stabilità delle specie ioniche rispetto alla mobilità degli ioni sodio.

La reazione più prevalente dovrebbe considerare gli elementi metallici liberi presenti nel forno come polvere generata dalle pareti di contenimento del forno o da reazioni della zona di condensazione a bassa temperatura, che comportano scambi di zolfo e umidità.

Il rullo ceramico non crea condizioni per la formazione di accumuli e deve essere considerato una superficie neutra nella maggior parte delle condizioni.L'alta temperatura e le condizioni atmosferiche stabili sono solo situazioni parziali che spiegano un funzionamento pulito e non dovrebbero mai sostituire le routine di manutenzione del forno.

Considerando un rotolo metallico in ambiente SO2, sono possibili numerose reazioni che introducono instabilità del metallo ad alta temperatura e creazione di fasi solforate delle specie metalliche (Fe, Ni).Se è coinvolta l'umidità la reattività del rullo aumenta esponenzialmente a causa dell'attacco corrosivo del metallo.

La presenza di sodio sulla superficie di un rullo ceramico di silice fusa non ha effetti negativi sulla ceramica se viene realizzata la chimica del solfato di sodio.Quando però l’ambiente operativo crea le condizioni per la formazione di solfati di sodio metastabili, idrogeno solforato, bisolfato o ossido di sodio, abbiamo tutti gli elementi per una lenta reazione superficiale della ceramica che comporta un degrado fisico.

La trasformazione cristallina della silice fusa induce danni superficiali irreversibili sul rullo e dovrebbe essere prevenuto nella fase iniziale del servizio della linea attraverso una buona manutenzione dei rulli, atta a pulire la superficie ceramica dall'ossido di sodio.L'osservazione del rullo si ottiene rimuovendo accumuli imprevisti quando si notano depositi diversi dal solfato di sodio.

Gli accumuli di polvere e ossido sui rulli devono essere rimossi prima che si attacchino fortemente all'interno dell'ossido di sodio reattivo.Tali operazioni vengono eseguite mediante pulizia con acqua pulita all'esterno del forno, tante volte quanto necessario per stabilizzare la chimica della superficie ceramica e ritornare al condizionamento nominale del rullo.

CONCLUSIONE

La qualità del vetro è legata alla pulizia dell'ambiente del forno.Il controllo delle polveri è ottenuto attraverso buone caratteristiche di isolamento, con guarnizioni a rulli e flusso d'aria immesso nel forno.La consistenza termica dell'ambiente di tempra collega le proprietà del vetro alla capacità del forno e ai requisiti di flessibilità del prodotto.

Quando le condizioni operative sono ottimizzate, l'introduzione di SO2 nel forno dà il tocco finale caratteristico del contatto con la formazione di uno strato intermedio di solfato di sodio per evitare condizioni estreme dovute alla dimensione e al tipo di vetro.

È necessario effettuare un controllo rigoroso del confinamento dell'atmosfera e del flusso di gas nel forno per evitare la formazione di livelli elevati di ossidazione del solfato, che potrebbero portare a liquidi viscosi e creare problemi di servizio nella fase di transizione dell'operazione.

L'ambiente del forno è da considerare con reazioni secondarie che coinvolgono polvere e particelle del rivestimento, ossidoriduzione e corrosione che pregiudicano la qualità del vetro in normali condizioni di esercizio.
 

Autore: Gilbert Rancoule, Direttore della Divisione R&D della Silice Fusa del Vesuvio

L'articolo è stato pubblicato per la prima volta su GLASS WORLDWIDE MAGAZINE - LUGLIO/AGOSTO 2011