TEMPLADO DEL VIDRIO

HELENA GUZMÁN

ARLETTE MOLINA

Presentado al Ingeniero Carlos León en la asignatura de procesos de manufactura

CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE LA COSTA CUC

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

BARRANQUILLA

2011

RESUMEN

El proceso del templado para vidrios requiere como paso inicial el corte del material y las dimensiones requeridas, para lo que se quiere llevar a cabalidad; como segundo paso realizar los procesos de manufactura necesarios, ya que, posterior al templado no es posible debido a las tensiones que surgen por el proceso; en tercer punto está asegurarse de que no hayan agentes impuros que alteren su superficie; en cuarto lugar someter la lamina a un tratamiento térmico, calentándolo a unos 620ºC, por encima del punto de fusión; el quinto y último paso es un enfriado a una velocidad muy alta, proporcionando momentáneamente solo un enfriamiento superficial (núcleo aun caliente), luego de cierto tiempo este es global, la parte interna queda sometida a tracción mientras que la externa a compresión. Finalmente se logra conferir al material mayores resistencias mecánicas y térmicas. Mediante este proceso se pueden desarrollar defectos que deben ser sometidos a diferentes métodos de optimización para arreglarlo y mejorar la calidad del vidrio como lo es el Heak soak.

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CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 4

1. OBJETIVOS

1.1. General

1.2. Específicos

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2. TEMPLADO DEL VIDRIO

2.1. PROCESO DE TEMPLADO

2.1.1. Tipos de templado

2.1.2. Maquinas de templado

2.2. EL VIDRIO Y EL TEMPLADO

2.2.1. Proceso para realizar vidrio templado

2.2.2. Defectos en el proceso de templado de vidrio

2.2.3. Propiedades mecánicas y físicas del vidrio templado

2.2.4. Defectos del vidrio templado y métodos de optimización

2.2.5. Usos de vidrio templado

2.2.6. Nuevas tecnologías para la optimización del templado del vidrio

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3. CONCLUSIÓN 14

BIBLIOGRAFIA 15

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INTRODUCCIÓN

A medida que la sociedad ha ido avanzando el hombre ha necesitado mejorar los materiales que utilizan para la fabricación de productos para que así puedan resistir más a los diferentes agentes externos que los afectan. Para ello han ido investigado y perfeccionando técnicas y procesos que conlleven a su ideal; un ejemplo notable de ello es el templado. Este es un proceso de calentamiento constante y enfriamiento rápido para el mejoramiento de la resistencia de esfuerzos externos en un material. El vidrio es uno de los materiales que pasan por este proceso para mejorar su calidad y propiedades. A continuación se hablara acerca del arte del templado del vidrio, sus características, optimización, entre otras.

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1. OBJETIVOS

1.1. General

Conocer las diversas características del proceso de templado de vidrio.

1.2. Específicos

Analizar los procedimientos existentes para optimizar la operación de templado del vidrio.

Identificar las nuevas tecnologías para garantizar un buen templado de vidrio.

Reconocer los defectos que se generan en el templado de vidrio.

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2. TEMPLADO DEL VIDRIO

2.1. PROCESO DE TEMPLADO

El templado es un procedimiento por medio del cual se mejora las propiedades mecánicas de un material mediante el calentamiento del mismo de forma constante seguido por un enfriamiento rápido ya sea con ayuda del aire, agua u otro. Dicho proceso, se ve reflejado en los vidrios, para dicho material se toman vidrios normales y se le aplica el proceso ya mencionado para que así pueda soportar fuerzas de origen mecánico mayores a los normales; lo que evita que se hagan roturas en el material y en caso de que ocurra este se rompe por medio de fragmentaciones. Después del proceso de templado es sugerido no realizar cortes o perforaciones al vidrio debido a que este se puede dañar.

Este proceso nació debido a un accidente al caer gotas de vidrio fundido en agua lo que posteriormente produjo una mejora en dicho vidrio, dando así los primeros pasos a la utilización del mismo. No fue hasta 1949 que se encontraron las bases suficientes para mejorar el proceso luego de diversas ideas para con este, como lo fue: la primera patente de templado en líquido por Alfred Royer, la patente de F. Siemens que hablo acerca de la mejora en la calidad de productos por presión en un molde pero que luego se dio cuenta que era por un enfriamiento que se le hacia al mismo, entre otras.

2.1.1. Tipos de templado

Existen dos tipos de templado: Químico y térmico. El primero consiste en sumergir el vidrio en un medio salino con altas concentraciones de iones de potasio a altas temperaturas. Esto hace que los iones de potasio reaccionen con los iones de sodio del vidrio mejorando la resistencia. Los vidrios que resultan por este método se rompen igual que el convencional pero resiste mayores esfuerzos mecánicos y pueden ser cortados después del templado debido a que no se produce ningún tipo de tensión. La segunda consiste en someter a altas temperaturas el vidrio ya cortado y enfriarlos rápidamente, permitiendo que el exterior se contraiga y se creen tensiones e incremente las propiedades mecánicas.

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2.1.2. Maquinas de templado

Inicialmente el proceso de templado térmico se llevaba a cabo en una máquina conocida como horno vertical el cual consistía en dos pinzas que sostenían una lámina en el aire que la transportaba hacia el área de calentamiento y enfriamiento, pero al no garantizar un templado homogéneo fue sustituido por el horno horizontal. Este consiste en rodillos que deslizan el vidrio a través de varias secciones, empezando por su calentamiento por medio de gases. En esta máquina se obtiene vidrio completamente templado sin cambios volumétricos. Actualmente existen hornos que templan el material por presión y vacio controlados y se coloca en un techo plano cerámico.

Figura 1. Horno horizontal de templado de vidrio plano y curvo.

2.2. EL VIDRIO Y EL TEMPLADO

El vidrio es un compuesto inorgánico que se lleva al enfriamiento pero sin cristalización. Su componente más importante es la arena de sílice (SiO2). Al tener un punto de fusión elevado se hace necesario agregar le fundentes (carbonate y sulfato sódico)  para rebajar la temperatura de fusión; estabilizantes para que este sea menos atacable (barita, dolomía, etc.);  colorantes con el fin de disminuir la coloración generada por los óxidos de hierro, el férrico da coloración amarilla y el férrico azul, el vidrio es verde cuando tiene una combinación de estos.

En la actualidad el vidrio es un material necesario en diversos campos como es el campo de la construcción, para ello se necesita mejorar las propiedades naturales de vidrio para mejorarlo, razón por la cual se utiliza el templado para mejorarlas. El vidrio que se utiliza para efectuar el proceso de templado es el vidrio flotado, este es obtenido luego de exponer materia prima a fuego constante de 1500°C hasta fundirlo y bañarlo en estaño fundido para obtener un material liso sin necesidad de

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pulirlo y obtener la transparencia con que se le conoce normalmente. Luego se pasa a enfriar para liberarlo de las tensiones y así poder cortarlo.

2.2.1. Proceso para realizar vidrio templado

En el transcurso del proceso de templado, el vidrio flotado se le realizan los cortes necesarios, se limpia y es sometido a temperaturas entre 600 – 675 ºC (por encima del punto de fusión), siendo enfriada inmediatamente luego de alcanzar un temperatura uniforme por chorros de agua, salmuera, aceite en reposo o aire, lo que produce el enfriamiento del vidrio desde el exterior hasta el interior de este, mientras rueda de delante hacia atrás para minimizar los defectos de ondas provocado por los rodillos. La temperatura debe ser constante y dentro del margen establecido para que exista una total relajación de tensiones. Al culminar el proceso el material se solidifica y se detiene la relajación de tensiones. Se obtienen tensiones de compresión en la superficie y de tracción en el interior. Como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Proceso del templado del vidrio

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2.2.2. Defectos en el templado de vidrio y soluciones

A continuación se expondrán algunos defectos que se producen durante el proceso de templado de vidrio en un horno y las soluciones que se deben llevar a cabo para corregirlas: (Tabla 1-1)

Defectos Causas Método de manejo

Rayaduras y/o desgastes

Fricción en el vidrio y colisión

Reforzar el proceso operacional y establecer un espacio prudencial entre lámina y lámina.

Manejo de arrumes de vidrios

Manejar las láminas de vidrio de forma individual.

Picaduras

Calentamiento del vidrio por demasiado tiempo

Disminuir el tiempo de calentamiento.

Temperatura de los bordes del vidrio es demasiado alta intensificando los defectos de borde

Reducir el espacio, colocar cada carga de vidrio más cerca.

Vidrio que se dobla hacia abajo

La parte superior tiene mayor temperatura que la inferior cuando sale del horno

Reducir la temperatura en la parte superior del horno y aumentarla en la parte inferior.

Explosión en el horno

La lamina de vidrio no fue templada correctamente con mucha tensión residual o no es uniforme

Elegir estrictamente las láminas de vidrio.

Perforación excesiva de agujeros y orificios o volver a calentar el vidrio

Reforzar la calidad del proceso y verificar constantemente el calentamiento y descargar cuando la grieta se haya encontrado

Hubo inclusiones como piedras de refracción en

Reforzar la escogencia

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El vidrio estalla por si mismo

la lamina original del vidrio

de las laminas de vidrio

Durante el proceso de cristalización del sulfato de níquel en el que el vidrio transita de alta temperatura a baja, el cambio proporciona un cambio de volumen y daña el balance de tensiones.

Instalar un detonador y realizar un tratamiento térmico con condiciones constantes de 300°C durante de una hora

Tabla 1-1. Defectos durante el templado del vidrio, causas y soluciones.

2.2.3. Propiedades mecánicas y físicas del vidrio templado

Entre las propiedades mecánicas del vidrio templado se encuentran la resistencia al choque mecánico, choque térmico (cambios brusco de temperatura), resistencia a la presión, resistencia a la flexión, resistencia a la torsión, atenuación acústica y resistencia al alabeo (curvaturas); todo esto sin perder su color y transparencia. Algunas características físicas del vidrio templado consisten en que luego de que es calentado se deforma levemente en forma de ondas cambiando su planimetría y siendo solo percibido cuando se reflecta. De igual forma después del proceso y el vidrio es expuesto a la luz del sol son visibles las tensiones diferentes al resto en forma de colores. Este material es capaz de soportar temperaturas de hasta 200°C.

Figura 3. Algunas propiedades mecánicas del vidrio templado.

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2.2.4. Defectos del vidrio templado y métodos de optimización

El vidrio templado tiene como defecto que puede tener rotura espontanea que es originada por partículas de sulfuro de níquel que quedan concentradas por las altas temperaturas y no pueden ser completamente removidas, estas van evolucionando de manera diferente creando tensiones ocasionando la ruptura. Para minimizar de la mayor manera posible la rotura, se realiza un tratamiento llamado HEAK SOAK que no es más que introducir el vidrio en un horno HST que lo recalienta a unos 280ºc, no más, seguido de un enfriamiento progresivo con el fin de provocar que los vidrios defectuosos se quiebren para así disminuir el riego de una posible rotura ya instalado. Otras causas de rotura son el impacto de un objeto duro, fatiga por una carga constante, daños existentes, entre otras.

Figura 4. Horno HST (heak soak test).

Existen diversos métodos para observar si existe o no partículas de sulfuro de níquel dentro del vidrio como lo son por el análisis de MOLR y MEB-EDX. La primera indica el lugar donde se encuentran las partículas y por ende el lugar donde se romperá el vidrio y la segunda indica la naturaleza de la inclusión y la cantidad de níquel que posee. Generalmente las inclusiones tienen un aspecto rugoso. La calidad del vidrio templado depende de los fragmentos que existen después de la rotura, la cual debe ser inferior al espesor inicial del vidrio.

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Figura 5. Partícula de NiS dentro del vidrio templado.

2.2.5. Usos del vidrio templado

Entre los usos que se le da a este tipo de vidrio están las cubiertas de alta seguridad de los edificios, puertas, barandillas, fachadas, mesas, accesorios de baño, muebles de televisores, mamparas de ducha, paneles fotovoltaicos, mobiliario urbano, industria ferroviaria y naval, luminarias. En el ámbito industrial es utilizado para realizar líneas blancas, refrigeración, carrocerías, hornos, parillas, tostadores, lámparas, estanterías, etc. En la automotriz en ventanas laterales, quemacocos, ventanas traseras y medallones. En el área arquitectónica como decoraciones, domos, entre otras.

Figura 6. Vidrio templado utilizado en fachadas de edificios.

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2.2.6. Nuevas tecnologías para la optimización del templado del vidrio

En la actualidad los parámetros del vidrio se han vuelto más exigentes y totalmente difíciles de acaparar por un operario entre ellas se encuentra el grosor del vidrio, la emisividad, tiempo de exposición en cierta temperatura, velocidad, presión, enfriamiento, distancias entre laminas, entre otras. Para garantizar la calidad y la precisión en cada uno de los parámetros deseados han ideado un proceso de control automático que posee una cámara que mide la longitud del vidrio y sensores de grosor y emisividad. Este posee un software al que le indican las características del medio dentro del horno y de la pieza, conllevando que automáticamente se lleve acabo el proceso, almacenado toda la información de temperaturas y tiempo de exposición, evitando errores de fabricación. De igual forma se están utilizando tecnologías que utilicen la convección forzada y radiación como modo de calentamiento para asegurar un calentamiento uniforme y tener más control sobre la misma.

Figura 7. Horno de templado de alta convección y radiación.

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3. CONCLUSIÓN

La aparición del vidrio templado ha sido de vital importancia en la actualidad debido a que gracias a ella se ha reforzado la seguridad en muchas instalaciones ya que por sus características evita accidentes o daños a operarios, resaltando que es mucho mejor que el vidrio normal ya que resiste a mayores esfuerzos mecánicos como lo son la torsión, flexión, choques térmicos, alabeo, entre otras. Por esto hay que tener conocimientos del material para así saber donde y como puede ser utilizarlo.

Las inclusiones metálicas de NiS, son una de las principales causas de la fractura de los vidrios templados, generadas durante la fusión. A través de análisis como MOLR es posible notar dicha partícula en el centro del vidrio, zona sometida a tracción y el análisis MEB-EDX indica la existencia dentro de la partícula de NiS de zonas más enriquecidas en Ni. Los análisis experimentales realizados que se han ido ejecutando en la partícula de NiS muestran la presencia de hierro y níquel metálico inmersos en esta. Siendo entre estos algunos de los procesos para la optimización del vidrio templado para generar mejores resultados.

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BIBLIOGRAFIA

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Grupo unión vidriera. Vidrio curvado. Vidriovisión. España. 9 octubre 2010. n° 9. P 6 – 7.

Quinhuandao Tucheng. Horno templador de vidrio. China. 2006. 18. P 8 – 12.

Amevec. Vidrio templado. [En línea]. Disponible en: http://amevec.mx/publicaciones/AMEVEC-BoletinVidrioTemplado.pdf. [Consultado: 20/04/2011]

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