Referat Consum De Energie La Producerea Sticlei

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Consum De Energie La Producerea Sticlei si de asemenea puteti face Download Referat Consum de energie la producerea sticlei

Citeste fragmente din Referat Consum De Energie La Producerea Sticlei

INTRODUCERE Sîntem obişnuiţi cu ideea, reiterată frecvent, că sticla este un material la a cărui producere se consumă o mare cantitate de energie. Specialiştii dispun de date concrete, sub formă de cifre, care într-adevăr nu sînt mici. Nespecialiştii, care vizitează o fabrică de sticla, sînt frapaţi de tabloul impresionant al cuptoarelor uriaşe, de care nu te poţi apropia din cauza radiaţiei termice intense şi în care se întrevede un mediu incandescent, imposibil de privit cu ochiul liber. Impresia unui consum fantastic de energie termică este inevitabilă. Puţini dintre cei interesaţi au curiozitatea, iar dintre cei care o au puţini au posibilitatea de a compara consumurile de energie implicate la producerea diferitelor materiale uzuale. Dificultăţile sînt legate în primul rînd de volumul mare şi de diversitatea informaţiilor necesare pentru o evaluare corectă. În principiu, aceste informaţii trebuie să includă, pe lîngă datele privind consumurile de energie înregistrate direct într-o întreprindere producătoare, şi date privind „costul energetic" al materiilor prime, al diferitelor materiale, utilaje etc. Mergînd pînă la capăt ar trebui luată în considerare chiar şi energia necesară pentru producerea energiei umane consumate pe unitatea de produs. Dacă nu se procedează aşa, atunci, în cazul sticlei, consumul de energie termică concentrat într-un singur agregat termotehnologic - cuptorul de topit sticla - apare într-adevăr foarte mare faţă de consumul de energie disipat pe mai multe utilaje şi agregate, aflate în secţii sau chiar întreprinderi diferite, specific altor materiale şi produse. Din aceste motive, evaluările corecte, cuprinzătoare, sînt rare, greu de depistat în literatura ,de specialitate foarte dispersă şi uneori dificil de comparat din cauza modalităţilor diferite şi insuficient explicate, în care au fost efectuate calculele. Cu atît mai interesante sînt datele furnizate de Oliver în anul 1977 pentru o serie de materiale utilizate în general în construcţii. El a prezentat, într-un mod intuitiv, costul în energie al unor materiale uzuale incluzînd şi sticla. S-a luat în considerare energia totală cheltuită pentru a pune materialul pe piaţă, respectiv pentru pregătirea, fabricarea şi transportul produsului dar şi a materiilor prime. Ca urmare, pentru sticlă se indică circa 30 MJ/kg fată de numai 9 - 15 MJ/kg cît se consuma în acea perioadă, în Anglia, pentru topirea propriu-zisă a sticlei . Se remarcă poziţia avantajoasă a sticlei, din acest punct de vedere, faţă de oţelurile aliate şi faţă de materialele plastice (care consumă circa 60 MJ kg-1) fără a mai aminti cuprul şi mai ales aluminiul care consumă respectiv 153 si 256 MJ/kg. Deoarece în construcţii sînt importante rezistenţa mecanică şi rigiditatea materialelor şi desigur greutatea materialului care asigură o anumită valoare a proprietăţii utile. Deşi rezultă nişte unităţi mai puţin uzuale, se obţine pe această cale o evaluare a eficienţei consumului de energie din punctul de vedere al proprietăţilor utile ale materialului produs. Se constată că, din punctul de vedere al rigidităţii, poziţia sticlei este practic aceeaşi. Din punctul de vedere al rezistenţei la încovoiere, situaţia este întrucîtva modificată, dar poziţia sticlei rămîne mai bună decît a multor materiale plastice, a cuprului, a aluminiului şi chiar a cimentului. Desigur, din aceste date nu rezultă că sticla este un material pentru a cărui obţinere nu se consumă multă energie. Rezultă însă că, printre materialele indispensabile la nivelul actual al tehnici sticla ocupă un loc rezonabil, fiind un material socialmente accepte bil din punctul de vedere al consumului de energie pentru producere proprietăţilor utile. Trecînd la alte domenii de utilizare a sticlei şi examinînd alt proprietăţi, situaţiile întîlnite sînt de cele mai multe ori mai favorabile. Date interesante au apărut în legătură cu ambalajele din sticlă. Astfel, în tabelul l prezent într-o formă mănătoare se compară ambalajele din sticlă cu cele din materiale plastice şi din metal, prin intermediul a 14 proprietăţi utile. Se acordă cu atît mai multe puncte cu cît pro- prietatea se manifestă mai puţin favorabil. Totalizînd, se obţin pentru ambalajele din sticlă 52 puncte, pentru cele din materiale plastice 71 iar pentru cele metalice 84 puncte. Luînd în considerare costul energetic, ambalajele din sticlă apar de asemenea avantajoase, aşa cum rezultă din tabelul 2, în care se prezintă consu-mul de energie pentru ambalarea unui litru de lichid. Datorită faptului că, printre alte avantaje, ambalajele din sticlă pot fi reutilizate de multe ori, energia consu-mată pentru producerea lor se repartizează la un număr mai mare de litri de Tabelul 1. Compararea ambalajelor prin aprecierea proprietăţilor Proprietatea Ambalajul din Sticlă Material plastice Metal Rezistenţa chimică 1 9 4 Vizibilitatea conţinutului 1 8 11 Rezistenţa la presiune 3* 6 1 Rezistenţa la şoc mecanic 10* 3 1 Posibilităţi de închidere 1 3 1 Posibilităţi de etanşare 1 6 10 Posibilitatea alegerii formei 1 1 9 Flexibilitatea 11 1 9 Posibilităţi de accidentare 10* 3 6 Greutatea 7* 1 4 Posibilităţi de recirculare 1 6 11 Reutilizarea materialului 1 9 4 Estetică 1 4 7 Costul 3 9 6 Punctaj total 52 71 84 * Aceste proprietăţi mai pot fi ameliorate. Tabelul 2. Costul in energie al unui litru de lichid ambalat Ambalajul MJ/1 de lichid ambalat Butelii de sticlă cu 20 recirculări Ambalaje din PVC Ambalaje din tablă galvanizată Aluminiu 0,8-1,5 6,5 7,5 12 lichid, rezultatul fiind deosebit de favorabil, chiar dacă se fac numai 10 recirculări (consumîndu-se 1,6 - 3 MJ/l), nu 20 cum se menţionează în tabelul 2. Amba-lajele din materiale plastice nu pot fi întotdeauna recirculate, iar cele metalice, numai în cazuri izolate, în unele cazuri proprietăţile utile avute în vedere sînt atît de deosebite sau chiar unice încît nu există termeni de comparaţie. Aşa sînt de exemplu sticlele optice sau sticlele utilizate în electrotehnică şi electronică sau fibrele din sticlă, precum şi unele sticle utilizate în domenii de vîrf cum sînt cele pentru înglobarea deşeurilor radioactive, sticlele pentru laseri, fibrele optice pentru telecomunicaţii etc. Datele comparative prezentate mai înainte, care arată că sticla nu este chiar cel mai mare consumator de energie, printre materialele de uz curent, nu estompează totuşi importanţa celor circa 30 MJ/kg ce se consumă la producerea ei. Din această cauză, în toată lumea şi la noi în ţară există o preocupare permanentă si susţinută pentru micşorarea continuă a acestei cifre. Există date care indică faptul că de la 9 - 15 MJ/kg consumaţi pentru topirea sticlei la începutul anilor 70 se tindea către 6,7 - 5,8 MJ/kgcătre sfîrşitul aceluiaşi deceniu. În S.U.A., consumul de căldură pentru topirea sticlei s-a redus în intervalul de timp dintre anii 1964—1979 cu circa 33%. CARACTERIZAREA ENERGETICA A STICLEI Este cunoscut faptul că, spre deosebire de cristale, sticla are o structură dezordo- nată, lipsind ordinea la distanţă. Dezordonarea reţelei cristaline se realizează cu aju-torul energiei, aşa încît, prin însăşi natura sa, starea vitroasă a materiei are un conţi-nut energetic mai ridicat decît starea cristalină. OBŢINEREA STRUCTURII VITROASE Pentru obţinerea solidelor necristaline se pot utiliza diferite forme de energie: termică, chimică, radiantă, mecanică etc. Cea mai obişnuită cale este cea bazată pe energia termică, prin intermediul căreia se realizează topirea substanţelor cristaline, obţinîndu-se dezordonarea specifică structurii vitroase, după care aceasta este stabilizată prin subrăcire. Fiind metoda prin care se produc, în toată lumea, milioane de tone de sticlă anual. Aici se menţionează însă, faptul că încălzirea poate fi continuată pînă la tempe-raturi mai ridicate cînd topitura se evaporă. Starea complet dezordonată a vapori-lor permite obţinerea unor solide necristaline prin punerea; lor în contact cu suprafeţe foarte reci, pe care se depun straturi subţiri. Unele variante ale metodei permit obţinerea unor piese masive cu aspectul şi proprietăţile sticlei obişnuite. Astfel, în cazul metodei hidrolizei în flacără se folosesc materii prime la care, prin încălzire moderată, tensiunea de vapori poate fi ridicată suficient de mult pentru a permite antrenarea lor cu ajutorul unui curent de gaz purtător, inert sau reactiv. Frecvent se folosesc halogenurile deoarece BC13 este în stare gazoasă la temperatura ambiantă, iar SiCl4 şi POC13 sînt lichide. Unele halogenuri solide se topesc sau se volatilizează la temperaturi nu prea înalte. Dacă vaporii de SiCl4, de exemplu, ajung odată cu gazul purtător, într-o flacără oxihidrică, are loc reacţia : SiO2 + 4HC1 Dacă temperatura flăcării este suficient de ridicată SiO2 format se topeşte iar picăturile de sticlă pot fi colectate pe un suport obţinîndu-se piese cu dimensiunile dorite, fiind necesare temperaturi peste 1300°C. Această cale de obţinere a sticlelor a devenit interesantă în legătură cu exigenţele deosebite privind puritatea sticlelor necesare în unele domenii de vîrf ale tehnicii actuale. Obţinerea structurii dezordonate cu ajutorul energiei chimice se bazează pe folosirea soluţiilor. În acest scop, materiile prime care aduc oxizii necesari trebuie sa fie lichide sau solide solubile. Drept sursă de SiO2 se poate utiliza SiCl4, dar mai comozi sînt ortosilicaţii de metil sau de etil (Si(OCH )4 sau Si(OC2H5)4). Anhidrida borică se dizolvă în alcool metilic sau etilic la cald, pentru Na2O se foloseşte alcoolatul de sodiu obţinut prin dizolvarea sodiului metalic în alcool, unii azotaţi sînt solubili în apă etc. După ce soluţiile se amestecă în proporţiile necesare pentru compoziţia dorită se provoacă coprecipitarea oxizilor, de multe ori prin hidroliza compuşilor organici respectivi cu ajutorul unei cantităţi bine deter-minate de apă. Precipitatul, avînd de obicei aspectul unui gel, se separă şi se usucă, obţinîndu-se un solid necristalin. Prin uscare îngrijită sau prin presare, urmate apoi de încălzire, se pot obţine piese avînd aspectul şi proprietăţile sticlei obişnuite, cu deosebirea că încălzirea se face la temperaturi ce nu depăşesc de regulă 2/3 din temperatura de topire. Acest rezultat se explică prin omogenitatea deosebit de bună, la scară atomică, ce se realizează în soluţie şi, în cazul sticlelor complexe, prin desfăşurarea, uneori pînă la capăt, a reacţiilor de formare a noilor compuşi. Datorită acestor avantaje, metoda gelurilor se utilizează uneori doar ca metodă de preparare a amestecului de materii prime pentru obţinerea unor sticle speciale prin topire. Un astfel de amestec se topeşte mai repede, sticla se elaborează la temperaturi mai joase şi este deosebit de omogenă. „Amorfizarea" cristalelor cu ajutorul energiei mecanice s-a experimentat în două moduri: strivind cristalele de SiO2 între nişte blocuri de aluminiu, cu ajutorul unei explozii care a provocat o presiune de ordinul a 600 kbar sau expunerea lor la o undă de şoc pură de circa 360 kbar. În ambele cazuri s-a degajat si căldură, temperatura ridicîndu-se la 1200 şi respectiv 600°C, valori la care con-centraţia defectelor în reţeaua de SiO2 nu poate determina dispariţia ordinii la distanţă. Au rezultat materiale roentgenamorfe, cu proprietăţi apropiate de cele ale sticlei de silice obţinute prin topire. Expunerea cristalelor la radiaţii neutronice intense conduce de asemenea la dez-ordonarea structurii. Neutronii pot transmite direc nucleelor cantităţi mari de ener-gie determinînd astfel atomii să părăsească nodurile reţelei cristaline, să-şi modifi-ce legăturile chimice unghiurile dintre legături etc. Doze de ordinul 1018-1020 neutron pe centimetru pătrat au determinat obţinerea din cristale de SiO a unor materiale necristaline cu proprietăţi practic identice cu cele ale sticlei obţinute prin topire. Dintre aceste moduri de utilizare a diferitelor forme de energie pentru obţine-rea structurii dezordonate specifice sticlei, doar ultimele două, bazate pe ener-gie mecanică şi pe radiaţiile neutronice sînt impracticabile la scară industrială. Dacă se ia în considerare energia consumată direct în procesul de obţinere a sticlei atunci este evident mai avantajoasă calea gelurilor. Ţinînd seama însă şi de consumul indirect de energie efectua la fabricarea materiilor prime speciale, de tipul compuşilor organici ai siliciului, a solvenţilor organici, a anhidridei borice, a sodiului metalic şi sărurilor solubile, calea gelurilor nu mai apare atît de avantajoasă energetic iar dacă ar fi posibilă o evaluare exactă a energiei indirecte, nu ar fi exclus să fie de fapt şi cea mai scumpă. La o asemenea evaluare mai exactă s-ar putea constata însă că unele materii prime pentru sticlă sînt subproduse ale unor proces de fabricaţie importante şi nu au alte utilizări eficiente. Aşa este cazul SiCl care rezultă ca subprodus la fabricarea siliciului de mare puritate pentru electronică. În prezent tetraclorura de siliciu nu are uti-lizări aşa încît valorificarea ei în industria sticlei ar fi bine veniţi. Este posibil ca într-o industrie chimică în continuă dezvoltare cum este cea din ţara noastră, să se constate şi în legătură cu alte materii prime situaţii la fel de favorabile şi atunci costul energetic al sticli obţinute pe calea gelurilor să fie într-adevăr avantajos. Cele arătate nu permit deci, cel puţin în prezent, să se întrezărească o schim-bare majoră a căii de obţinere a sticlei. În consecinţă, este necesară concentrarea atenţiei asupra posibilităţilor de reducere în cît mai mare măsură a consumului de energie termică în procesul tradiţional de obţinere a sticlei prin topire şi subrăcire. PROCESE FIZICE CONSUMATOARE DE ENERGIE LA ÎNCĂLZIREA MATERIALELOR CRISTALINE În timpul încălzirii amestecului de materii prime pînă la topire şi apoi a to-piturii pînă la obţinerea unei sticle de calitate corespunzătoare au loc numeroase procese fizice şi chimice consumatoare de energie termică. În condiţiile specifice ale unui cuptor industrial, în care amestecul se introduce în cuptorul încălzit la o temperatură de peste 1000°C, aproape toate aceste procese au loc cu mare viteză şi mai mult sau mai puţin simultan. Ele vor fi trecute în revistă totuşi aproximativ în ordinea creşterii temperaturii la care au loc, acordînduli-se o importanţă oarecum proporţională cu consumul de energie aferent. Dintre procesele fizice care au loc pînă la topire inclusiv se menţionează: încăl-zirea materialului solid, evaporarea apei, transformările polimorfe, dezordona-rea structurii cristaline şi topirea. Amestecul de materii prime obişnuit, pulverulent, conţine uzual circa 5% umiditate. Considerînd că pentru obţinerea unui kilogram de sticlă se utilizează 1,2983 kg amestec (conform exemplului de calcul al compoziţiei amestecului de materii prime pentru o sticlă de geam), rezultă că se evaporă 0,0649 kg apa pentru fiecare kilogram de sticlă, consumîndu-se în acest scop 160 kJ/kg sticlă. Pentru încălzirea materialului solid pînă la 1200°C cînd, conform echilibrelor termice, se consideră că tot amestecul este topit, admiţînd o valoare aproximativă a căldurii specifice de l,736 kJ/kg-grd la 1200°C şi că, după eliminarea gazelor legate chimic, rămîne l kg de material, rezultă un consum de l243 kJ/kg sticlă. Ţinînd seama că, de fapt, temperatura maximă este de ordinul a 1500°C, rezultă că numai pentru mărirea căldurii sensibile a materialului introdus în cuptor este necesară o cotă importantă din căldura consumată în cuptorul pentru topit sticla. în ceea ce priveşte transformările polimorfe, cele mai importante sînt cele suferite de SiO2. Pe baza căldurilor standard de formare se poate estima căldura globală de transformare a α-cuarţului în α-cristobalit la circa 28 kJ/kg SiO2. Atunci, pentru cantitatea de SiO2 conţinută în amestecul din care se obţin l kg sticlă se consumă circa 20 kJ/kg sticlă, cantitate mică faţă de cele anterioare. Este cunoscut faptul că în timpul încălzirii reţeaua cristalină se dezordonează treptat datorită creşterii continue a concentraţiei defectelor de diferite tipuri, în linii mari conform relaţiei: (1) în care : N este numărul total de atomi luaţi în considerare ; n — numărul de defecte de o anumită specie (vacanţe sau atomi interstitiali) ; Ed — energia de activare necesară formării defectului iar K - constanta lui Boltzmann. La temperatura de topire concentraţia defectelor poziţionale precum şi dezordonarea orientaţională şi configuraţională devin atît de mari încît ordinea la distanţă, specifică cristalului dispare. Relaţia (2) în care: Hf este entalpia de topire; S - entropia de topire iar T – temperatura de topire, împreună cu relaţia: Sf = Sp + S0 + Sc (3) o valoare medie de 8,4 u.e., se deduce că se manifestă atît defectele poziţionale cît si dezordonarea orientaţională. Ştiind că Tf este 1089°C rezultă Hf ≈ 392 kJ/kg din care aproximativ 187 kJ/kg se consumă pentru formarea defectelor poziţionale şi aproximativ 205 kJ/kg pentru dezordonarea orientaţională. Deşi calculul este orientativ, el scoate în evidenţă natura proceselor fundamentale care determină apariţia structurii dezordonate specifice sticlei cît şi faptul că acestea necesită o cotă relativ foarte mică din energia efectiv consumată pentru obţinerea sticlei. În timpul subrăcirii topiturii concentraţia defectelor scade sensibil, cel puţin pînă la Tg cînd, în principiu, structura topiturii „îngheaţă". Gradul de dezordonare al sticlei faţă de cristal reflectă măsura în care se mai păstrează în sticla rigidă efectul fenomenelor care au provocat dispariţia ordinii la distanţă la topire. Se poate considera ca această diferenţă în gradul de ordonare între sticlă si cristal este rezultatul final al întregului proces de obţinere a sticlei prin topire şi subrăcire, scopul pentru care se cheltuieşte energia implicată în proces. Diferenţa în gradul de ordonare dintre sticlă si cristal se apreciază, indirect, prin diferenţa de energie potenţială indicată calitativ. Cantitativ se determină efectul termic la cristalizarea sticlei, respectiv la devitrificare. Din datele privind căldura de cristalizare a unor sticle, diseminate în literatura de specialitate, au fost selectate cîteva. în tabelul.3. se prezintă datele deduse din lucrările, privind surplusul de energie din sticla de cuarţ faţă de diferitele forme de SiO2 cristalin. Căldura de devitrificare a disilicatului de sodiu este de 202,5 kJ/kg, iar pentru devitrit (Na2O•3CaO·6SiO2) se indică 216,7 kJ/kg. Pe baza diagramei de echilibru termic fazal a sistemului Na2O—CaO—SiO2, Kröger şi colaboratorii lui consideră că într-o sticlă silico-calco-sodică de tipul celei pentru geamuri, exista SiO2, Na2O·2SiO2 şi devitrit. Pe baza propor- Tabelul.3. Surplusul de energie al sticlei de SiO, faţă de diferitele modificaţii cristaline Diferenţa de energie între : Surplusul de energie kJ/kg SiO vitros – β cuarţ SiO vitros – α cuarţ SiO vitros – β cristobalit SiO vitros – α cristobalit 202 156-159 174,5 111,8 ţiilor estimate a calculat contribuţiile acestor compuşi la căldura de devitrificare a sticlei de geam, rezultînd 178,2 k J/kg. Aceste date indică faptul remarcabil că pentru a se realiza dispariţia ordinii la distanţă şi a se obţine structura dezordonată specifică sticlei, un kilogram de substanţă necesită o energie de dezordonare Ed, doar de aproximativ 0,2 MJ, adică circa 2% din energia consumată în procesul topirii industriale, luată rotund de 10 MJ/kg de sticlă. Pentru a obţine însă un obiect din sticlă cu o anumită valoare de utilizare nu este suficientă numai dispariţia ordinii la distanţă din cristal, ci şi obţinerea unei structuri dezordonate la nivel atomic şi molecular. CUPTOARE ELECTRICE PENTRU TOPIT STICLA T à 崀⮄帀ຄ怀䢄愁̤摧攽Q-̤̀萎$萏 r h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h ̀Ĥ萎ﾞ萑Ĝꐓ @ˆ @ˆ -̤̀萎$萏 崀ᦄ怀઄愁̤摧Ꮷý-̤̀萎 @ˆ @ˆ @ˆ „ ^„ 萑ÿꐓ @ˆ 萏 栁 萎2萏 nţilor sticlei, încălzirea trebuie făcută indirect, prin radiaţie de la arc, ceea ce diminuează mult randamentul termic. În plus, resturile rezultate prin consumarea rapidă a electrozilor impurifică sticla. Din această cauză încălzirea cu ajutorul arcului electric nu şi-a găsit aplicaţii industriale în domeniul sticlei. Cuptoarele cu arc sînt folosite totuşi în laborator pentru topirea unor probe mai ales de sticle greu fuzibile. Încălzirea şi topirea sticlei cu ajutorul unor rezistenţe din aliaje metalice cum este kanthalul, sau din carbură de siliciu, este folosită mai frecvent mai ales în laboratoare. În asemenea cuptoare sticla este topită în creuzete. Utilizînd creuzete din platină sau aliaje de platină cu rhodiu, curentul electric poate fi trecut chiar prin pereţii creuzetului care, în acest caz, joacă rolul rezistenţei, folosind în acest scop contacte îngroşate diametral opuse. Pentru temperaturi foarte mari, pînă la 2200°C, se utilizează rezistenţe din grafit, protejate împotriva oxidării printr-o atmosferă lipsită de oxigen. Încălzirea creuzetelor sau rezistenţelor de alte forme din platină, grafit sau ceramică semiconductoare se poate face şi prin inducţie, folosind curenţi de frecvenţă înaltă adecvată. Printre aplicaţiile industriale ale încălzirii cu ajutorul rezistenţelor electrice se pot enumera: topirea în cuptoare electrice cu rezistenţe, în creuzete, a unor cantităţi nu prea mari de sticle speciale, topirea cu rezistenţe de grafit a sticlei de SiO2, încălzirea bazinului de staniu topit în cazul procedeului Pilkington, încălzirea unor canale alimentatoare etc. Cea mai largă răspîndire industrială a capătat-o însă topirea electrică a sticlei folosindu-se drept rezistenţă, pentru obţinerea efectului Joule-Lentz, chiar sticla topită. Acest lucru este posibil datorită faptului că, la temperaturi ridicate, rezis-tivitatea sticlei topite are valori destul de mici pentru a permite trecerea unui curent electric suficient de intens care să asigure degajarea energiei termice necesare. Topirea sticlei cu ajutorul energiei electrice introduse direct în topitură a condus la rezultate deosebit de interesante, cuptoarele electrice dovedindu-se agregate termice cu performanţe superioare celor ale cuptoarelor încălzite cu combustibil. Acest fapt precum şi competiţia ce se desfăşoară în prezent între diferitele surse de energie termică utilizate în industria sticlei, justifică prezentarea principalelor probleme legate de utilizarea cuptoarelor electrice în industria sticlei. . EFICIENŢA UTILIZĂRII ENERGIEI ELECTRICE PENTRU TOPIREA STICLEI În mod obişnuit, sursele de energie termică utilizate în industria sticlei sînt combustibilii gazoşi şi lichizi la care se adaugă energia electrică. Atunci cînd există la dispoziţie mai multe surse de energie termică se pune problema alegerii aceleia care asigură eficienţa energetică maximă. Unele informaţii utile în acest scop rezultă din diagrama din fig. 4.1 care cuprinde date din anul 1978. Pentru cuptoarele electrice (poziţia 7 pe abscisă) atît consumul specific de energie Cs, cît şi costul specific al topirii Cst sînt luate drept 100%. Sursa de energie Fig.1. Dependenţa consumului specific de energie C3 şi a costului specific al procesului de topire Cst de sursa de energie: 1 – gaz de ge-nerator; 2 - gaz de oraş; 3 – gaz metan; 4 – petrol; 5 – gaz metan şi încălzire electrică suplimentară; 6 – petrol şi încălzire electrică suplimentară; 7 – energie electrică.  Se constată că, în cazul cuptoarelor electrice, consumul specific de energie este minim, numai 3,76 MJ/kg sticlă. Pentru oricare altă sursă de căldură, combustibil sau combinaţie de combustibil cu electricitate, consumul specific este mai mare. Datorită costurilor diferite ale surselor de energie se constată însă că, în cazul topirii cu gaz metan sau petrol, costul specific al topirii reprezintă mai puţin detcît 50% faţă de topirea electrică. Este însă mai raţional să se pună pe primul plan eficienţa energetică a diferitelor surse de energie termică. În acest caz se au în vedere două aspecte ale consumului de energie: aşa-numita energie indirectă, consumată de furnizor pentru a aduce sursa de energie într-o stare utilizabilă în industrie şi energia directă disponibilă la utilizator. Suma celor două mărimi reprezintă cantitatea de energie dintr-o anumită sursă, existentă la un moment dat, care la noi trebuie să fie tratată ca o avuţie naţională. Faţă de această cantitate totală, energia directă care poate fi utilizată la topirea sticlei, de exemplu, reprezintă 97% în cazul cărbunilor, 84-87% în cazul petrolului, 72% în cazul gazului natural şi numai 24% în cazul energiei electrice. Diferenţa pînă la 100% poate fi considerată drept cost al energiei directe exprimat în energie. Dintre sursele utilizabile direct pentru topirea sticlei, petrolul apare cel mai ieftin din punct de vedere energetic, iar electricitatea apare ca deosebit de scumpă. Pe baza acestor date se că nu este potrivit din punct de vedere energetic să se utilizeze în industria sticlei topirea electrică atîta timp cît mai există surse de căldură energetic mai ieftine. Se apreciază totuşi că folosirea energiei electrice în cuptoare cu încălzire electrică suplimentară poate fi justificată chiar în prezent datorită efectelor economice avantajoase, care vor fi prezentate mai departe. Pe măsura epuizării petrolului şi gazului metan, sursele de energie utilizabile pentru industria sticlei vor trebui însă reevaluate. Utilizarea în perspectivă a gazului de generator, produs din cărbuni, nu pare atrăgătoare din punct de vedere energetic, dar şi din punct de vedere tehnologic, cînd din aceiaşi cărbuni se poate obţine energie electrică. Este de asemenea în continuă creştere ponderea energiei electrice obţinute din surse primare inutilizabile ca atare pentru topirea sticlei, cum sînt energ hidraulică, energia atomică etc. Pare deci evident că, în viitor, principala sursă de energie pentru topirea sticlei va fi electricitatea. INTRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE ÎN STICLA TOPITĂ Transformarea energiei electrice în energie termică în chiar masa de sticlă topită pune o serie de probleme legate atît de proprietăţile topiturii cît si de modul în care energia electrica este introdusă topitura dintr-un cuptor vană. Deşi aceste probleme si-au găsit soluţii convenabile pentru utilizarea lor la scară industrială, îmbunătăţirea lor sau găsirea altor rezolvări mai eficiente preocupă mereu pe cercetători. PROPRIETĂŢILE ELECTRICE ALE STICLEI TOPITE După cum se ştie, cantitatea de căldură Q degajată într-un con-ductor la trecerea curentului electric este, conform legii Joule-Lentz: t (4) în care: R este rezistenta conductorului; I - intensitatea curentului; t - timpul cît trece curentul; ρ - rezistivitatea; l - lungimea conductorului, iar S - secţiunea lui. Desigur că I depinde de tensiune şi de R (legea lui Ohm). Rezultă deci că pentru a asigura degajarea cantităţii de căldură nece-sare, în chiar masa topiturii de sticlă, trebuie ca rezistivitatea aceste să aibă valori convenabile care să permi-tă trecerea unui curent electric suficient de intens, la o tensiune nu prea înaltă. Ω·cm. Conducerea curentului electric este asigurată de ionii alcalini care, fiind mai slab legaţi, pot executa, sub influenţa cîmpului electric, salturi către un gol vecin. La creşterea temperaturii mobilitatea ionilor creşte repede aşa încît rezistivitatea variază exponenţial:  ρ= A exp (Ec /T) (5) în care : A este o constantă ; Ec - energia de activare, iar T temperatura. Deasupra temperaturii Tg, în topitură, se produce eliberarea macroanionilor din legăturile dipolare Fig.2. Variaţia rezistivităţii unor sticle topite cu temperatura: 1- silicat de sodiu; 2 - silicat de potasiu; 3 - sticlă silico-calco-sodică; 4 -sticlă cu PbO; 5 - sticlă neutră (cu puţine alcalii); 6 — 8 - sticle borosilicatice.  şi disocierea mai mult sau mai puţin avansata a compuşilor chimici, aşa încît la conducerea curentului iau parte şi o serie de ioni polivalenţi (Ca2+, Fe3+ etc). Din această cauză rezistivitatea scade mai repede în topitură, în relaţia (5) atît Ec cît si A avînd alte valori. La temperaturi peste 1000°C rezistivitatea ajunge la ordinul zecilor pînă la al zecimilor de Ohm centimetru. În fig.2 se prezintă, pentru orientare, modul în care variază rezistivitatea unor sticle industriale cu temperatura. Valoarea rezistivităţii unei anumite sticle poate fi calculată în funcţie de temperatură, folosind relaţia (5) scrisă în formă logaritmică. În acest caz, constantele lg A si Ec pot fi determinate pe baza unui număr mic de date experimentale. Avînd mai multe date experimentale se pot determina constantele a, b şi c dintr-o relaţie de forma: lgx = a - bT + c T2 (6) x fiind conductivitatea, iar T - temperatura. O astfel de relaţie poate repro-duce o curbă ca cele din fig.2 cu o abatere de ±2,5%. Au fost propuse si alterelaţii pentru dependenţa rezistivităţii de temperatură, fără a aduce îmbunătăţiri esen-ţiale faţă de cele prezentate mai înainte. Modul în care variază rezistivitatea sticlei topite cu temperatura poate avea o influenţă importantă în practică, în legătură cu reglarea temperaturii topiturii din cuptor. În cazul unei pante mari a curbei p = f(T) o mică variaţie a temperaturii determină o modificare importantă a rezistenţei electrice a topiturii care conduce la o variaţie mare a curentului în circuitul de alimentare. Aceasta determină, la rîndul ei, o variaţie şi mai mare a temperaturii aşa încît sistemul de reglare poate fi pus în dificultate. Dacă în topitură sînt neomogenităţi termice, efectul prezentat mai înainte poate conduce la accentuarea lor, zonele mai calde permiţînd trecerea unui curent electric mai intens. Influenţa foarte complexă a compoziţiei nu a permis, pînă în prezent, găsirea unei corelaţii fundamentate ştiinţific. Diferitele încercări efectuate au pornit de la datele obţinute experimental. Una din acestea folosind determinările acumulate pentru 19 sticle industriale, avînd oxizii componenţi între limitele: Na20: 11,5-14,8%; K2O: 0,62-3,30% ; CaO : 6,45-11,1% ; MgO : 1,75-4,40% ; A12O3: 0,30- 3,75%, diferenţa pînă la 100% fiind SiO2, a condus, pe baza metodei celor mai mici pătrate, la două relaţii pentru temperaturile de 1100°C şi 1500°C: = 1,60-0,064 • Na2O + 0,008 • K2O + 0,026 • CaO + + 0,041 • MgO H- 0,02 • A12O3 (7) = 1,130 - 0,054 • Na2O + 0,015 • K2O + 0,008 • CaO + + 0,026 • MgO + 0,016 • A12O3 (8) Rezistivitatea se obţine cu o abatere de ± 2,7%. Pentru valorile rezistivitaţii la temperaturi intermediare se foloseşte relaţia : (9) ELECTROZII Introducerea energiei electrice în cuptorul de topit sticla se face cu ajutorul unor electrozi parţial imersaţi în topitură. Ei trebuie realizaţi din materiale care să reziste la temperaturile ridicate din cuptor, să nu se corodeze prea repede în contact cu sticla topită, să nu altereze calitatea acesteia şi să suporte o densitate de curent cît mai mare. Pe baza experienţei din alte domenii ale tehnicii, în primele cuptoare electrice de topit sticla au fost utilizaţi electrozi din grafit. Ei prezintă însă o serie de dezavantaje, dintre care se menţionează : oxidarea rapidă (arderea) la temperaturi ridicate în prezenţa oxigenului atmosferic sau generat de unii din componenţii sticlei, producînd astfel un mediu reducător în topitură, cu influenţe uneori nedorite asupra calităţii sticlei; desprinderea unor particule de carbon care pot colora sticla; densitatea de curent redusă pe care o suportă, pînă la 0,5 A/cm2, ceea ce conduce la necesitatea creşterii diametrului electrozilor între 150 şi 300 mm pentru a realiza intensitatea necesară a curentului electric; la aceste dimensiuni bara de grafit evacuează din cuptor cantităţi mari de căldură. Din aceste motive, deşi, în principiu, electrozii de grafit se pot utiliza, s-a renunţat treptat la ei. Electrozii metalici au fost experimentaţi încă de la primele testări ale cuptoarelor electrice. S-a început cu fierul şi oţelul cu conţinut mic de carbon, utilizîndu-se de asemenea aliaje de fero-crom, crom-nichel, crom-molidben. Din cauza temperaturii de topire relativ joase, aceşti electrozi limitează temperatura cuptorului şi necesită o răcire intensă cu apă. În plus, prin corodare, introduc în sticlă ioni coloranţi. Unele aliaje de acest fel se experimentează şi în prezent, cu rezultate satisfăcătoare în cazul anumitor topituri, asemenea electrozi fiind atrăgători din cauza costului relativ mai scăzut. Au mai fost experimentaţi electrozi din platină, wolfram, tantal, niobiu, molibden. Platina, deşi scumpă, se utilizează uneori, în cazul unor sticle mai deosebite, pentru încălzirea canalelor alimentatoare sau a altor incinte care asigură condiţionarea termică a sticlei, la tempera-turi relativ joase. . Cîte-va date privind variaţia cu temperatura a unora din proprietăţile molibdenului, implicate în utilizarea ca electrod. Molibdenul suportă densităţi de curent pînă la5 A/cm2, aşa încît seutilizează sub formă de bare de 30-50 mm diametru şi mai rar sub formă de plăci. Electrozii se confecţionează din molibden de mare puritate prin metodele metalurgiei pulberilor, avînd din aceste motive un cost ridicat. La temperaturi nu prea înalte, în aer, se formează MoO3 uşor fuzibil, electrodul consumîndu-se rapid. Din această cauză, capătul exterior al electrodului, în contact cu aerul, este răcit cu apă, pentru a nu se supraîncălzi. Ca urmare de-a lungul unui electrod de molibden de 32 mm diametru s-au putut măsura temperaturile. Se poate constata că în partea răcită cu apă, în afara peretelui refractar, temperatura este sub 300 °C. Tabelul 4.2. Caracteristici de lucru pentru electrozii de molibden Lungimea electrodului, / m Suprafaţa electrodului m* Tensiunea dintre electrozi V Curentul de alimentare A Densitatea de curent A/m* Puterea pe o pereche kW 0,588 0,092 200 1 635 1,78-10* 327 0,735 0,115 200 1 885 1,64-10* 377 0.882 0,137 200 2 125 1,55-10* 425 Mărind suprafaţa electrodului în contact cu topitura, prin mărirea lungimii imersate, se poate obţine creşterea puterii electrice introduse în topitura fără a mări densitatea de curent, care ar intensifica corodarea. Electrozii disipează majoritatea energiei electrice pînă la distanţe în topitură, apro-ximativ egale cu de 10 ori diametrul lor, puterea scazînd repede odată cu creşterea distanţei, determinată în cazul unor electrozi de 80 mm diametru, imersaţi într-o sticlă borosilicatică (Fig.3.). Rezultatul este o distribuţie oarecum asemănătoare a tempera-turii topiturii în jurul electrozilor. La 15-20 cm de electrod temperatura este cu pînă la 40°C mai mică decît în imediata lui vecinătate. Din această cauză, în jurul electrozilor iau naştere curenţi de convecţie termică, cu un rol important în procesul topirii dar influenţînd negativ corodarea electrozilor în timpul exploatării. Printre dezavantajele electrozilor de molibden, în afară de costul ridicat amintit mai înainte, se mai pot menţiona caracterul puternic reducător şi rezistenţa limitată faţă de sticla topită, care îi corodează, cum se va discuta mai departe. Caracterul reducător este supărător mai ales în cazul sticlelor cu PbO care se reduce uşor la Pb metalic, degradînd calitatea sticlei. Fig.3. Distribuţia puterii relative în jurul unor electrozi de 80 mm diametru imersaţi într-o sticlă borosilicatică. Şi în alte sticle molibdenul metalic participă la procese redox care au drept efect modificarea cifrei de oxidare a unor ioni, cu consecinţe asupra calităţii sticlei, precum şi consumarea unor materii prime auxiliare, care nu-şi mai pot îndeplini rolul în procesul topirii. Pe de altă parte molibdenul se consumă, corodîndu-se.  AMPLASAREA ELECTROZILOR IN CUPTOR În decursul anilor de experimentare şi practicare a topirii electrice a sticlei au fost încercate cele mai variate moduri de amplasare a electrozilor prin care se introduce energia electrică în sticla topită, în fig. 4 sînt prezen-tate schematic unele din posibilităţile experimentate. Varianta a a fost folosită în cazul electrozilor din fier, sub formă de cutii răcite cu apă. Într-un mod asemănător se plasează şi electrozii de Mo sub formă de plăci precum si electrozii de SnO2 sub formă de blocuri zidite printre refractarele pereţilor, în prezent această variantă este mai puţin utilizată. Există însă o variantă, care pare interesantă pentru cuptoarele vană clasice. Se propun drept electrozi benzi metalice din molibden sau wolfram sau chiar şuviţe de metal topit. Electrozii traversează bazinul cuptorului şi sînt plasaţi în perechi, de o parte şi de alta a unui prag din material refractar de calitate superioară. Curentul se închide peste pragul refractar formînd o zonă încălzită comparabilă cu cea produsă de arzătoare. Chiar la puteri importante nu se ajunge la densităţi de curent prea mari. Fig. 4 Unele posibilităţi de ampla sare a electrozilor în cuptoarele de topit sticla. Fig. 5 Cuptor vană încălzit electric: 1 - alimentare; 2 — bazin de topire; 3 — canal de trecere; 4 - bazin de lucru; 5— electrozi din grafit; 6 — modul de conectare al electrozilor; 7 — răcirea electrozilor. Amplasînd în mod judicios perechile de electrozi de-a lungul bazinului se poate regla convenabil temperatura. Experimentările pe modele au condus la rezultate foarte interesante care arată că varianta este corespunzătoare pentru cuptoarele vană total electrice de construcţie clasică sau pentru încălzirea electrică suplimentară a unor zone din asemenea cuptoare. Schema b din fig. 4 este una din cele mai mult utilizate, în fig. 5 se arată modul cum sînt amplasaţi electrozii conform acestei scheme, într-un cuptor vană de construcţie clasică. Cuptoare cu încălzire total ele-ctrică de această construcţie sînt însă relativ rare. Acest mod de amplasare a electrozilor se foloseşte frecvent la cuptoarele vană cu încălzire electrică suplimentară. Cuptoarele total electrice cu o astfel de amplasare a elec-trozilor au evoluat către o construcţie specifică, prezentată în fig.6 în bazinul de topire 7 etapele de elaborare a sticlei — topirea, afinarea — se succed pe verticală de sus în jos. Electrozii din bazinul de topire asigură energia necesară procesului de bază, cei din canalul de trecere previn răcirea exagerată a sticlei, iar cei din bazinul de lucru, împreună cu rezistenţele aflate deasupra nivelului sticlei, menţin temperatura necesară prelucrării, în prezent acesta este cel mai răspîndit mod de amplasare a electrozilor şi de construcţie a cuptorului. Introducerea electrozilor direct în topitură prin orificii practicate în pereţii refractari ai cuptorului este însoţită de multe ori de unele neajunsuri. Astfel între electrod şi refractar există un strat de sticlă care, către interiorul cuptorului, poate avea temperatură ridicat Din această cauză, refractarul din jurul electrodului se corodează mult mai repede decît în alte regiuni, gcucrîud uneori probleme complicate în exploatare. De aseme nea, prin refractarul încălzit se pot produce pierderi de curent, daunătoare atît refractarului cît şi din punct de vedere energetic. Din această cauză a apărut ideea de a se introduce electrozii vertical sau oblici dar pe deasupra nivelului sticlei, în aşa fel încît să se evite prezenţa sticlei topite între electrod şi refractar. Electrozi introduşi pe deasupra nivelului sticlei sînt utilizaţi şi într-un cuptor actual. Experimentări ale unui asemenea mod de amplasare a electrozilor se fac şi în alte părţi, electrozii introducîndu-se oblic în jos, prin pereţii laterali sau pe la colţurile bazinului de topire. Se elimină astfel toate problemele legate de corodarea refractarului în jurul electrodului precum şi contactul electric între electrod şi refractar realizat prin sticla topită. Este posibilă de asemenea reglarea poziţiei şi schimbarea electrozilor uzaţi relativ mai uşor. Este de presupus că în viitor acest mod de amplasare a electrozilor va cîştiga teren.  쥁`