Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 089



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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 0890

2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.




UTILIZACIÓN DEL VIDIRO VOLCÁNICO EN LA INDUSTRIA DEL VIDRIO.
Lic. Natalia Vega Sánchez*, Ing. Rafael Jordán Hernández**, Dra. Patricia Zalba***, Lic. Angelina Borrero Guevara*.
Lab. Central de Minerales, José I. Del Corral, Virgen del Camino y Vía Blanca C. Habana, Cuba, E-mail cimtec@ceniai.inf.cu . ** Area de Investigación y Desarrollo, Vidrieras Caribe, calle 240 #6124 La Lisa C. Habana, Cuba. *** Comisión de Investigaciones Científicas Prov. Bs. As. – CETMIC. LAC – UNLP. Casilla de correo 49 (1897), M.B. Gonnet. Bs.As Argentina. e-mail: pezalba@netverk.com.ar
RESUMEN:
La sustitución de materias primas importadas por cubanas es en la actualidad una tarea prioritaria en Cuba. En el caso en cuestión las tobas vítreas, que constituyen una materia prima cercana a las fuentes productivas, cumplen dos propósitos: por un lado, el de suministrar óxidos vitales para la estabilidad química del vidrio como es el Al2O3, MgO, etc. y por el otro, acortar el intervalo térmico de fabricación por cuanto están compuestas principalmente por alúminosilicatos, lo que evidentemente trae ahorros energéticos y mejora la calidad de la masa vítrea. El trabajo expone el empleo de tobas vítreas previamente caracterizadas por difracción de rayos X y análisis químico de los yacimientos de Ají de la Caldera de la provincia de Guantánamo y de la Llanura Habana-Matanzas, Cuba, en la fabricación de vidrios para cubiletería y botellas. La calidad del vidrio elaborado con esas materias primas es evaluado desde el punto de vista de su resistencia química y su resistencia al intemperismo, lográndose resultados superiores a los obtenidos con materias primas tradicionales para esta industria.
Palabras clave: Vidrio, tobas vítreas, intemperismo, resistencia química.

INTRODUCCION


La utilización de materias primas no convencionales que sean capaces de proporcionar una serie de óxidos indispensables a la masa vítrea es una gran necesidad para las Empresas que conforman la Unión Vidrieras Caribe de Cuba. La selección de una materia prima no convencional no es tarea fácil ya que su aceptación en la fase de prueba debe reunir una serie de características tales como

  • Presentar una estabilidad química y mineralógica demostrada en los diferentes análisis de fase y químicos llevados a cabo al efecto.

  • Presentar valores de los óxidos de interés apreciables que determina volúmenes pequeños a procesar en las Casas de Mezclas.

  • Que tenga compatibilidad química- física- morfológica con el material a obtener.

  • Que las proporciones de óxido férrico y de otros elementos cromóforos indeseables sean muy pequeños ó que no estén presentes.

  • Que las potencialidades del yacimiento garanticen una utilización estable y duradera del material.

El material estudiado, es decir las tobas vítreas de los yacimientos “Ají de la Caldera” (A.C.) y Llanura Habana-Matanzas (H.M.) cumple con estas condiciones los cuales están debidamente caracterizados química y mineralógicamente (1).


Las condiciones climáticas de Cuba, clima marítimo, tropical, con una humedad relativa promedio superior al 70% y elevada salinidad del aire hacen que los artículos de vidrio sufran daños superficiales, encuadrado dentro de los fenómenos de intemperismo, meteorización o “weathering” (2,3) cuyo estudio reciente ha conducido a una correlación con la resistencia química del vidrio ; propiedad fácilmente medible en los vidrios y que está debidamente establecida, por ello en este trabajo se reportan los valores de resistencia química y sobre eso se basa nuestro análisis.
Para evitar el ataque atmosférico y de otros agentes químicos del vidrio es preciso aumentar la resistencia química del mismo y ello se logra con la introducción del aluminio en forma de óxido. El ión aluminio puede actuar como modificador de red en coordinación octaédrica o como formador de red en coordinación tetraédrica (AlO4) alternando con los iones silicio.
Las formaciones tetraédricas exigen mayor proporción de oxígeno que la que corresponde a la fórmula del óxido introducido (Al2O3). Para satisfacer estos requerimientos parte de los oxígenos no puente se unen al ión aluminio, convirtiéndose en oxígenos puente que hacen disminuir el número de iones y aumenta la cohesión del retículo vítreo. (4).
Las materias primas que más se utilizan habitualmente para aportar alúmina al vidrio son los feldespatos, cuyos representantes más típicos son la ortosa, sanidina y la serie de las plagioclasas, (serie isomorfa albita-anortita). Su uso es recomendable porque son compuestos que funden a temperaturas relativamente bajas y se incorporan fácilmente al vidrio. Aunque en este caso se usó Al (OH)3 para obtener contraste con el color de los vidrios elaborados con tobas vítreas.
En este caso las materias primas que pretenden sustituir al feldespato son las tobas vítreas de los yacimientos de “Ají de la Caldera” en Guantánamo y el de la Llanura Habana-Matanzas.En ambos yacimientos las condiciones hidrogeológicas y minero - geológicas son sencillas, lo cual hace posible la explotación a cielo abierto con desagüe gravitacional. La potencia individual sobrepasa las 200 000 ton de tobas vítreas (2).
MATERIALES Y METODOS


  • Materias primas: Arena blanca, carbonato de sodio, potasio y calcio, hidróxido de aluminio, carbonato doble de calcio y magnesio, sulfato de sodio y Vidrio volcánico o tobas vítreas de los yacimientos de Ají de la Caldera y la Habana-Matanzas.

  • Horno de planta piloto que trabaja con aire comprimido y gas manufacturado

  • Crisoles de chamota

  • Pinzas de acero

  • Baño de maría.

  • Difractómetro PHILIPS PW 1710 (sistema de focalización Bragg - Brentano ) con los siguientes parámetros de operación: radiación k  Cu, filtro de Ni, corriente anódica 30 mA, voltaje 40 Kv, velocidad del goniómetro 20 / min, sensibilidad 2000 imp / seg, cte de tiempo 1 seg, velocidad del papel 600 mm / h.

  • Equipo de absorción atómica SP-9, con los parámetros establecidos en LACEMI (5)

Las muestras de vidrio volcánico se sometieron a análisis químico y difracción de rayos X para conocer la composición mineralógica de las fases cristalinas presentes. Luego se prepararon seis mezclas, con cinco réplicas y se fundieron juntas (para garantizar igual historia térmica) en el horno durante 3 horas, a temperaturas que oscilaron entre 1370 y 1390 oC. Al cabo de este tiempo se vertieron en un molde de grafito y se llevaron al horno de recocido, para liberar las tensiones de formado y el resto del vidrio se sometió a un análisis de resistencia química.


RESULTADOS Y DISCUSION.
La composición química de ambos yacimientos, se muestra en la tabla I, ahí se puede observar que hay mayor contenido de CaO y el Na2O en la muestra de H.M que en A.C, mientras sucede lo contrario con el K2O.
TABLA I Composiciones químicas (% en peso)

Yaci-

Miento


Al2O3

SiO2

FeO

Fe2O3

Na2O

K2O

CaO

MgO

MnO2

TiO2

P2O5

PPI

Ají de la Caldera


11.78

69.7

0.07

2.20

1.84

3.11

1.03

1.36

0.04

0.45

0.064



7.60

Llanura Habana

Matanzas

12.89

48.6

4.96

-

2.03

1.11

13.93

1.71

0.10

0.65








La composición mineralógica de las ambas muestras es muy parecida, y se presenta por orden de contenido en la tabla II.

Tabla II. Composición Mineralógica de las muestras de tobas vítreas .
Muestra de A.C. Muestra de H.M.


1

Vidrio Volcánico

Vidrio Volcánico

2

Montmorillonita

Montmorillonita

3

Cuarzo

Cuarzo

4

Cristobalita

Cristobalita

5




Calcita

Para la realización del presente trabajo se hicieron seis fundiciones básicas, con cinco réplicas cada una, que contemplaron: Formulaciones básicas de los hornos A de un vidrio para botellas de las fábricas San José y del Horno B de Vidrios Lisa que produce vasos y la sustitución completa de las materias primas aluminosas utilizando tobas vítreas de “Ají de la Caldera” y de la Llanura Habana-Matanzas.


De esta distribución surgieron las siguientes recetas para 300 gr de vidrio fundido.
TABLA III. Receta de mezcla vitrificables. formulación vs. Materias primas





Arena


Calcita


Dolomita


Al(OH)3


K2CO3


Na2SO4


Soda


T.V. (AC)


T.V (HM)


1. S.J.


177.78


40


17.8


4.32


-


-


60.21


-


-

2. S.J.

163

33.82

15.2

-

-

-

59

-

29

3. S.J.

157.52

40.71

15.54

-

-

-

58.79

27.97

-

4. V.L.

181.45

46.62

-

5.94

2.68

1.80

61.9

-

-

5. V.L.

166.57

38.65

-

-

2.17

1.80

60.4

-

30.41

6. V.L.

157.46

4.6

-

-

1.02

1.81

60.1

33.51





S.J.:San José; V.L.: Vidrios Lisa; T.V. (AC): tobas vítreas de Ají de la Caldera; T.V (HM): tobas vítreas de Habana-Matanzas
Las recetas anteriores responden en las siguientes formulaciones en % en peso:
TABLA IV. Formulaciones de los vidrios (% peso).

Hornos


SiO2

AL2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

Fe2O3

SO3

Total


%

S.José

72.06

1.36

11.17

1.42

13.89

-

-

-

99.9


La Lisa

72.6

1.770

9.95

0.219

14.317

0.7

0.035

0.409

100

Se han podido observar diferentes características de las recetas fundidas a saber:




  • A pesar de que el tiempo y la temperatura no han sido suficientes para lograr la refinación efectiva, las formulaciones donde están presentes las tobas vítreas presentan comparativamente un nivel de burbujas menor que las formulaciones tradicionales.

  • La viscosidad de los vidrios confeccionados con tobas vítreas a las temperaturas del experimento es mucho menor que en el vidrio tradicional y eso se observa durante el vaciado de los crisoles.

  • Durante el proceso de fusión los vidrios en los que se introdujeron tobas vítreas reaccionan más rápidamente, lo que se observa por la eliminación de la espuma producto de la reacción de los silicatos que se crea en la superficie del crisol y que en estos casos desaparece más rápidamente.




  • La coloración de los vidrios confeccionados con tobas vítreas oscila entre amarillo verdoso a verde-azul lo que los hace apropiado para confeccionar vidrios coloreados principalmente para botellas.

Los valores de la resistencia química de las muestras son:


TABLA V.- Valores de la resistencia química.

Formulación

Resistencia química

Clase hidrolítica




(g Na2O/ g granos de vidrio)




1. S. J.

151.9

III

2. S. J.(HM)

148.8

III

3. S. J.(AC)

135

III

4. V.L.

235.6

III

5. V.L.(HM)

200

III

6. V.L.(AC)

199

III


S.J.: vidrios San José; S.J.(HM): vidrios San José elaborados con tobas vítreas de Habana-Matanzas; S.J.(AC): vidrios San José elaborados con tobas vítreas de Ají de la Caldera; V.L.(HM): vidrios La Lisa elaborados con tobas vítreas de Habana-Matanzas; V.L.(AC): vidrios La Lisa elaborados con tobas vítreas de Ají de la Caldera.
En la Tabla V puede observarse que la resistencia química de los vidrios elaborados a partir de las tobas vítreas es mayor que en aquellos fabricados con materias primas tradicionales. Lo mismo se produjo en las réplicas de los experimentos.
La causa de la menor cantidad de burbujas y semillas en los vidrios elaborados a partir de tobas vítreas radica principalmente en que las mismas contienen originalmente silicatos, por lo tanto muchas de las reacciones involucradas en la formación de mismos ya se efectuaron y los efectos sobre la viscosidad del fundido se hacen notar de forma determinante así como sobre los productos gaseosos de los mismos (CO2, H2O, SO2, etc.) lo que hace que a iguales temperaturas existan viscosidades menores en los vidrios elaborados con tobas vítreas, lo cual favorece los procesos difusionales y con ello el afinado del vidrio como en realidad ocurre.

CONCLUSIONES:




  1. Las tobas vítreas resultan adecuadas para producción de vidrio no decolorado.

  2. El uso de las tobas vítreas favorece el aumento de los procesos difusionales en la masa vítrea y por tanto acorta el período de fabricación del vidrio, esto a nivel industrial debe redundar en un ahorro energético y en mejoras de la calidad del vidrio.

  3. En todos los casos la resistencia química de los vidrios elaborados con tobas vítreas está dentro de la clase hidrolítica esperada, en ambos casos superior a los vidrios elaborados tradicionalmente. De los valores de resistencia química se espera mejor resistencia también al intemperismo debido a la relación directa entre ambas propiedades.

REFERENCIAS




  1. Vega N; Reyes. L. 1993. Estudio y usos del vidrio volcánico “Ají de la Caldera”. Archivo del LACEMI. (Inédito).

  1. Jordán R; Vega N. 1995. Utilización de la zeolita “San Ignacio” y la Dolomita del “Metro” en la lucha contra el intemperismo en vidrios sódico-cálcicos-magnésicos, IX Forúm Nacional de Ciencia y Técnica, La Habana, Cuba. Rev. Electrónica de Ciencia y Técnica N0. 3 1999

  2. Fernández Navarro, J. M. 1985 . El Vidrio. Madrid. Pag 140 -141 Editado por CSIC Instituto de Cerámica y Vidrio.

  3. Norma cubana: NCH 46’03, 1986. Determinación de la resistencia hidrolítica de granos de vidrio a 98 oC. Método de ensayo y Clasificación. Editado por La Habana, Cuba.

5. Rodríguez A. y Rivero C. 1990. Análisis químico Completo de Silicatos. Archivos LACEMI, La Habana, Cuba. (Inédito).

UTILIZATION OF CUBAN VITRIC TUFFS IN THE GLASS INDUSTRY
SUMMARY:
A permanent task of Cuban institutes of investigation is the utilization of Cuban raw materials which may replace imported materials used at present. In this case, vitric tuffs which are raw materials located close to productive sources performs a double purpose of supplying essential oxides for the chemical stability of glasses such as AL2O3, MgO, etc. and also decreases the thermal interval of manufacture because they are mainly composed of silicates, which evidently saves energy and improves glass quality. This work exposes the usage of vitric tuffs from Ají de la Caldera and Havana-Matanzas reservoirs for manufacturing bottles and hollow glass.

The quality of the glass manufactured with those raw materials is evaluated from the chemical point of view and weathering’s resistance.

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