Difetti del vetro e usura del forno

I difetti del vetro possono creare problemi durante l’imbottigliamento e costituire un pericolo per il consumatore. Diversi studi stanno provando a correlare la loro incidenza con la composizione e l’usura dei refrattari che rivestono il forno

Bottiglie di vetroI difetti nei contenitori di vetro che causano inestetismi e pericolose rotture non sono azzerabili, ma la loro incidenza può e deve essere minimizzata a tutela degli operatori di linea e dei consumatori. Tra i difetti più comuni ci sono bolle, infusi, nodi, corde, graffi derivati da un insieme di concause: profilo di temperatura del forno, velocità di scorrimento della massa vetrosa, degradazione e usura del materiale che compone l’interno del forno e lo isola dall’ambiente. I materiali che rivestono la cavità del forno sono sollecitati da diversi fattori: elevato stress meccanico dovuto allo scorrimento della massa vetrosa, evaporazione degli alcali e alte temperature.

Tali condizioni provocano essudazione e corrosione del materiale refrattario, fenomeni che possono a loro volta causare difetti del vetro. I rivestimenti sono regolamentati da stringenti norme tecniche in merito alla realizzazione e alla messa in opera. I refrattari usati nell’industria vetraria di differenziano in base alle caratteristiche chimico-fisiche e a quelle del processo produttivo: possono essere silico-alluminosi (contengono fino al 45% di allumina), alluminosi (con un maggior contenuto di allumina), speciali (materiali più tecnologici con un alto grado di personalizzazione in funzione delle esigenze dell’utilizzatore). La vita di un forno è strettamente correlata alle caratteristiche di tali materiali.

I refrattari

In vetreria il materiale refrattario più diffuso è l’elettrofuso AZS (Allumina zirconio-silice) utilizzato sotto forma di mattoni, piastre, blocchi o con sagome create ad hoc, sia a contatto con la massa vetrosa, sia nella soprastruttura dove al problema della corrosione si somma l’effetto dei gas di combustione. In base alle diverse sezioni del forno si utilizzano refrattari in ossido di zirconio, allumina, zirconio-silice-cromo. Vista la loro maggior resistenza all’aggressione chimica e alle alte temperature, questi ultimi sono usati nella zona dei bruciatori. Zirconio, allumina, silice e ossido di sodio sono presenti in proporzioni variabili, altrettanto variabile è la fase amorfa che caratterizza la loro struttura.

Essudazione e corrosione

I difetti del vetro – nodi, corde, infusi – catalogati come AZS sono spesso attribuiti ad essudazione o corrosione del refrattario o a una concomitanza di entrambe. L’essudazione può avere diverse cause, tra queste spicca il grado di ossidazione dell’AZS (più il materiale è ossidato, più è omogeneo). A differenza dei refrattari tradizionali ottenuti per pressatura e cottura, i refrattari elettroformati possono presentare delle disomogeneità, imputabili alla considerevole differenza di peso specifi co degli ossidi che li compongono. Gli ossidi più pesanti precipitano e le fasi cristalline crescono irregolarmente. Un minor contenuto di zirconio e una estesa presenza della fase amorfa (vetrosa) conferiscono maggior compattezza alla struttura e riducono l’essudazione.

La corrosione si deve invece alla presenza di ossidi alto-fondenti, alla scarsa bagnabilità e alla eccessiva porosità del materiale che consente ai composti alcalini di diffondere nella fase amorfa. Tale diffusione facilita la dissoluzione della allumina cristallina, con conseguente aumento del volume della fase vetrosa e diminuzione della sua viscosità. A fi ne vita, le analisi dell’AZS della sovrastruttura del forno mostrano spesso alterazioni della fase vetrosa anche a una notevole profondità dello spessore del refrattario. L’iniziale essudazione della fase vetrosa dà poi adito a una vera e propria corrosione che si protrae per l’intera vita del forno.

L’analisi dei difetti

Per l’analizzare i difetti del vetro (forma, dimensioni, composizione chimica, distribuzione dei componenti) si utilizzano tecniche di microscopia a luce rifl essa, il microscopio a scansione (SEM) e il metodo EDS (raggi X con dispersione di energia). Nel microscopio elettronico a scansione, una sonda di elettroni con energia fi no a 30 keV è focalizzata sulla superfi cie del campione del quale compie una vera e propria scansione. Quando gli elettroni colpiscono il campione sono emessi elettroni secondari (SE) caratterizzati da bassa energia e sono riemessi o rifl essi elettroni ad alta energia derivati dal raggio primario. Gli elettroni SE rilevati erano legati ai livelli atomici più esterni; il fascio incidente ha dato loro una energia aggiuntiva che ne ha consentito l’allontanamento.

Questo fenomeno permette di rilevare la morfologia superfi ciale del difetto. Gli elettroni primari BSE premettono invece di individuare composti chimici diversi in un campione eterogeneo. Infatti l’intensità con cui emergono è funzione del numero atomico medio della sostanza investita dal raggio primario. L’analisi chimica è realizzata misurando l’energia e la distribuzione delle intensità dei raggi X generati dal fascio elettronico sul campione utilizzando un rivelatore a dispersione di energia EDS (spettrometria per dispersione di energia). L’analisi può essere sia dell’area che in quel momento è ingrandita sia di un punto di interesse sulla superfi cie del campione (microanalisi).

I tempi di esercizio del forno

Diversi studi hanno cercato di correlare la chimica e la frequenza dei difetti del vetro con i tempi di esercizio del forno e dei refrattari AZS. I meccanismi di corrosione nel breve e nel lungo periodo sembrerebbero simili. La corrosione derivante dal contatto tra vetro fuso e materiale refrattario tende a diminuire nel tempo in seguito alla formazione di uno strato limite, mentre la corrosione del refrattario della soprastruttura tende a persistere per l’intera vita del forno. Un refrattario AZS riutilizzato per più vite di un forno presenta in genere nuove fasi cristalline (nefelina, kalsilite, leucite, beta-allumina e zirconio) e un coeffi ciente di espansione termica fuori della norma che può causare scheggiature a loro volta causa di difetti.

La maggior parte dei nodi e delle corde riscontrati ha una composizione tale da far pensare ad una corrosione della fase vetrosa dell’AZS della sovrastruttura e mostra che tale corrosione continua per tutta la durata della vita del forno.A oggi non si è invece ancora riusciti a correlare la quantità di difetti del vetro con la singola fase della vita del forno perché, come accennato all’inizio, oltre alla degradazione del refrattario intervengono altri fattori come il profi lo di temperatura del forno, la quantità di vetro prodotto, i gas rilasciati. Per ottenere una correlazione tra la frequenza dei difetti del vetro e le condizioni del forno è necessaria una meticolosa registrazione dei parametri e delle condizioni di processo del forno e dei difetti riscontrati per il suo intero ciclo di vita. Solo in questo modo si possono adottare le necessarie contromisure per ridurre i difetti e migliorare la qualità del vetro.

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