Questo capitolo riguarda i seguenti settori merceologici:

• vetro.
• fibre vetrose sintetiche
• ceramica
• piastrelle di ceramica
• ceramica industriale
• mattone e tegole
• refrattari
• gemme sintetiche
• fibre ottiche.

 

È interessante notare che non solo la maggior parte di questi settori ha radici nell'antichità, ma condivide anche una serie di processi generali comuni. Ad esempio, tutti si basano fondamentalmente sull'utilizzo di materie prime naturali in polvere o in particolato fine che vengono trasformate dal calore nei prodotti desiderati. Pertanto, nonostante la gamma di processi e prodotti compresi in questo gruppo, questi processi comuni consentono una panoramica comune dei potenziali rischi per la salute associati a queste industrie. Poiché i vari settori manifatturieri sono composti sia da segmenti piccoli e frammentati (ad esempio, la produzione di mattoni) sia da grandi impianti di produzione tecnicamente sofisticati che impiegano migliaia di lavoratori, ciascun settore è descritto separatamente.

Processi e pericoli comuni

Esistono rischi comuni per la sicurezza e la salute riscontrati nella produzione di prodotti in questi settori di attività. I pericoli e le misure di controllo sono discussi in altre sezioni del Enciclopedia. I pericoli specifici del processo sono discussi nelle singole sezioni di questo capitolo.

Processi batch di materie prime

La maggior parte dei processi di produzione industriale riceve materie prime solide secche in forma sfusa o in sacchi singoli. Le materie prime solide sfuse vengono scaricate da vagoni ferroviari con tramoggia o camion su strada in bidoni, tramogge o miscelatori per gravità, linee di trasferimento pneumatiche, trasportatori a coclea, trasportatori a tazze o altri trasferimenti meccanici. I pallet di materie prime in sacchi (da 20 a 50 kg) o grandi contenitori in sacchi di tessuto (da 0.5 a 1.0 tonnellate) vengono scaricati da rimorchi o vagoni ferroviari con carrelli elevatori industriali a motore, gru o montacarichi. Singoli sacchi o materie prime vengono rimossi dai pallet manualmente o con sistemi di sollevamento motorizzati. Le materie prime in sacchi vengono generalmente caricate in una stazione di scarico dei sacchi o direttamente in tramogge di stoccaggio o tramogge di pesatura.

I potenziali rischi per la sicurezza e la salute associati ai processi di scarico, movimentazione e trasferimento di materie prime solide includono:

• esposizioni al rumore nell'intervallo da 85 a 100 dBA. I vibratori pneumatici, i compressori, gli attuatori delle valvole, i motori di azionamento della miscelazione, i soffiatori e i collettori di polvere sono alcune delle principali fonti di rumore.

• esposizioni al particolato aerodisperso respirabile dal trasferimento e dalla miscelazione di materie prime solide granulari. Le esposizioni dipendono dalla composizione delle materie prime, ma comunemente possono includere la silice (SiO₂), argilla, allumina, calcare, polveri alcaline, ossidi metallici, metalli pesanti e particolato molesto.

• rischi ergonomici associati al sollevamento o alla movimentazione manuale di sacchi di materie prime, vibratori o linee di trasferimento e attività di manutenzione del sistema

• rischi fisici dalla manovra di vagoni ferroviari o autocarri, traffico di autocarri industriali a motore, lavori ad altezze elevate, ingressi in spazi ristretti e contatto con fonti di energia elettrica, pneumatica o meccanica, ad esempio punti di pressione, parti rotanti, ingranaggi conduttori, alberi, cinghie e pulegge.

 

Processi di cottura o fusione

La produzione di prodotti in questi settori di attività comporta processi di essiccazione, fusione o cottura in forni o fornaci. Il calore per questi processi è generato dalla combustione di propano, gas naturale (metano) o olio combustibile, fusione ad arco elettrico, microonde, essiccazione dielettrica e/o riscaldamento a resistenza con elettricità. I potenziali pericoli presentati dai processi di cottura o fusione includono:

• esposizioni ai prodotti della combustione come monossido di carbonio, ossidi di azoto (NO_x) e anidride solforosa

• fumi e particolato da materie prime aerodisperse (p. es., silice, metalli, polveri alcaline) o sottoprodotti (p. es., acido fluoridrico, cristobalite, fumi di metalli pesanti)

• incendio o esplosione associato a sistemi di alimentazione utilizzati per il calore di processo o carburante per carrelli elevatori; potenziali rischi di incendio o esplosione associati a serbatoi di stoccaggio di combustibili infiammabili, sistemi di distribuzione delle tubazioni e vaporizzatori. I sistemi di alimentazione di riserva o di riserva utilizzati di rado per le riduzioni del gas naturale possono presentare simili problemi di incendio o esplosione.

• esposizione alle radiazioni infrarosse da materiale fuso, che può aumentare il rischio di cataratte da calore o ustioni della pelle

• Energia radiante e stress da calore. L'ambiente di lavoro attorno a fornaci o fornaci può essere estremamente caldo. Problemi significativi di stress termico possono verificarsi quando lavori di riparazione di emergenza o manutenzione ordinaria vengono eseguiti in prossimità o al di sopra dei processi di cottura o fusione. Gravi ustioni termiche possono derivare dal contatto diretto della pelle con superfici calde o materiali fusi (vedere figura 1).

 

Figura 1. Tecnico del controllo qualità

• pericoli di energia elettrica. Il contatto diretto con l'energia elettrica ad alta tensione utilizzata per il riscaldamento della resistenza per integrare i processi alimentati a combustibile presenta un rischio di folgorazione e possibili problemi di salute dovuti all'esposizione ai campi elettromagnetici (EMF). Forti campi magnetici ed elettrici possono potenzialmente interferire con pacemaker e altri dispositivi medici impiantati.

• esposizioni al rumore superiori a 85-90 dBA da soffianti di combustione, tramogge batch o miscelatori, processi di alimentazione e nastri trasportatori.

 

movimentazione in produzione, fabbricazione, imballaggio e magazzinaggio

I processi di movimentazione, fabbricazione e imballaggio dei materiali differiscono in larga misura in questo settore di attività, così come le dimensioni, la forma e il peso dei prodotti. L'elevata densità di materiali in questo settore o le configurazioni ingombranti presentano rischi comuni nella movimentazione dei materiali. Il sollevamento manuale e la movimentazione dei materiali nella produzione, fabbricazione, imballaggio e stoccaggio in questo settore sono responsabili di molti infortuni invalidanti. (Vedere la sezione "Profilo di infortuni e malattie" di seguito.) Gli sforzi per la riduzione degli infortuni si stanno concentrando sulla riduzione del sollevamento manuale e della movimentazione dei materiali. Ad esempio, design di imballaggi innovativi, robotica per l'impilamento e la pallettizzazione dei prodotti finiti e veicoli di trasporto a guida automatica per lo stoccaggio stanno iniziando a essere utilizzati in parti selezionate di questo settore di attività per eliminare la movimentazione manuale dei materiali e gli infortuni associati. L'uso di nastri trasportatori, sistemi di sollevamento con equipaggio (ad es. paranchi a vuoto) e piattaforme a forbice per la movimentazione e la pallettizzazione dei prodotti sono attualmente pratiche comuni di movimentazione dei materiali (vedere figura 2).

Figura 2. Utilizzo del sistema di sollevamento a vuoto

L'uso della robotica per eliminare la movimentazione manuale dei materiali sta svolgendo un ruolo importante nella prevenzione delle lesioni ergonomiche. La robotica ha ridotto le sollecitazioni ergonomiche e le gravi lesioni da lacerazione che sono state storicamente associate alla movimentazione dei materiali (ad es. vetro piano) nella forza lavoro di produzione (vedere figura 3). Tuttavia, l'aumento dell'utilizzo della robotica e dell'automazione dei processi introduce macchinari in movimento e rischi di energia elettrica, che trasformano i tipi di pericoli e trasferiscono anche i rischi ad altri lavoratori (dalla produzione agli addetti alla manutenzione). Progettazioni adeguate di controlli elettronici e sequenze logiche, protezioni della macchina, pratiche di blocco totale dell'energia e definizione di procedure operative e di manutenzione sicure sono modi fondamentali per controllare gli infortuni ai lavoratori della manutenzione e della produzione.

Figura 3. Robotica utilizzata nella lastra di vetro

Ricostruzioni e attività di ricostruzione

Numerosi potenziali rischi per la salute e la sicurezza si incontrano durante periodiche ricostruzioni importanti o riparazioni a freddo di fornaci o fornaci. Si può incontrare un'ampia gamma di pericoli associati alle attività di costruzione. Gli esempi includono: rischi ergonomici con la manipolazione dei materiali (ad es. mattoni refrattari); esposizione aerea a silice, amianto, fibre ceramiche refrattarie o particolato contenente metalli pesanti, durante la demolizione, o sottoprodotti di taglio e saldatura; stress da calore; lavorare ad altezze elevate; rischi di scivolamento, inciampo o caduta; pericoli in spazi ristretti (vedi figura 4); e il contatto con fonti di energia pericolose.

Figura 4. Ingresso in spazi ristretti

Vetro

Profilo generale

Il vetro si è formato naturalmente da elementi comuni nella crosta terrestre molto prima che qualcuno pensasse di sperimentarne la composizione, modellarne la forma o adibirlo alla miriade di usi di cui gode oggi. L'ossidiana, ad esempio, è una combinazione naturale di ossidi fusi da un intenso calore vulcanico e vetrificati (trasformati in un vetro) da un rapido raffreddamento ad aria. Il suo colore nero opaco deriva dalle quantità relativamente elevate di ossido di ferro che contiene. La sua durata chimica e la sua durezza si confrontano favorevolmente con molti vetri commerciali.

La tecnologia del vetro si è evoluta per 6,000 anni e alcuni principi moderni risalgono a tempi antichi. L'origine dei primi occhiali sintetici si perde nell'antichità e nella leggenda. faience è stato realizzato dagli egiziani, che hanno modellato figurine dalla sabbia (SiO₂), l'ossido di formazione del vetro più diffuso. Era ricoperto di natron, il residuo lasciato dall'inondazione del fiume Nilo, composto principalmente da carbonato di calcio (CaCO₃), carbonato di sodio (Na₂CO₃), sale (NaCl) e ossido di rame (CuO). Il riscaldamento al di sotto di 1,000 ° C ha prodotto un rivestimento vetroso mediante la diffusione dei flussi, CaO e Na₂O nella sabbia e la loro successiva reazione allo stato solido con la sabbia. L'ossido di rame conferiva all'articolo un attraente colore blu.

Secondo la definizione data da Morey: “Il vetro è una sostanza inorganica in una condizione continua e analoga allo stato liquido di tale sostanza, ma che, per effetto di una variazione reversibile di viscosità durante il raffreddamento, ha raggiunto un grado di viscosità così elevato da essere, a tutti gli effetti pratici, rigido. ASTM definisce il vetro come "un prodotto inorganico di fusione che si è raffreddato a una condizione rigida senza cristallizzare". Sia i materiali organici che quelli inorganici possono formare vetri se la loro struttura non è cristallina, cioè se mancano di ordine a lungo raggio.

Uno sviluppo molto importante nella tecnologia del vetro è stato l'uso di un cannello (vedi figura 5), ​​che è stato utilizzato per la prima volta in circa 100 anni aC. Da quel momento in poi ci fu un rapido sviluppo della tecnica di lavorazione del vetro.

Figura 5. Il cannello

Il primo vetro era colorato per la presenza di varie impurità come ossidi di ferro e cromo. Il vetro praticamente incolore fu prodotto per la prima volta circa 1,500 anni fa.

In quel periodo la lavorazione del vetro si stava sviluppando a Roma, e da lì si spostò in molti altri paesi d'Europa. Molte vetrerie furono costruite a Venezia, e qui ebbe luogo uno sviluppo importante. Nel XIII secolo molte delle vetrerie furono trasferite da Venezia in un'isola vicina, Murano. Murano è ancora un centro per la produzione di vetro fatto a mano in Italia.

Nel XVI secolo, il vetro veniva prodotto in tutta Europa. Ora il vetro di Boemia della Repubblica Ceca è ben noto per la sua bellezza e le fabbriche di vetro nel Regno Unito e in Irlanda producono stoviglie in cristallo al piombo di alta qualità. La Svezia è un altro paese che ospita la produzione di cristalli artistici in vetro.

In Nord America il primo stabilimento manifatturiero di qualsiasi tipo era una fabbrica di vetro. I coloni inglesi iniziarono a produrre vetro all'inizio del XVII secolo a Jamestown, in Virginia.

Oggi il vetro viene prodotto nella maggior parte dei paesi del mondo. Molti prodotti in vetro sono realizzati in linee di lavorazione completamente automatiche. Sebbene il vetro sia uno dei materiali più antichi, le sue proprietà sono uniche e non ancora del tutto comprese.

L'industria del vetro oggi è composta da diversi segmenti di mercato principali, tra cui il mercato del vetro piano, il mercato degli articoli per la casa di consumo, il mercato dei contenitori di vetro, l'industria del vetro ottico e il segmento di mercato della vetreria scientifica. I mercati del vetro ottico e scientifico tendono ad essere molto ordinati e sono dominati da uno o due fornitori nella maggior parte dei paesi. Questi mercati hanno anche un volume molto inferiore rispetto ai mercati di consumo. Ciascuno di questi mercati si è sviluppato nel corso degli anni grazie alle innovazioni nella specifica tecnologia del vetro o ai progressi della produzione. L'industria dei contenitori, ad esempio, è stata guidata dallo sviluppo di macchine per la produzione di bottiglie ad alta velocità sviluppate all'inizio del 1900. L'industria del vetro piano è stata notevolmente avanzata dallo sviluppo del processo del vetro float nei primi anni '1960. Entrambi questi segmenti sono oggi aziende multimiliardarie in tutto il mondo.

Gli articoli per la casa in vetro rientrano in quattro categorie generali:

1. stoviglie (incluse stoviglie, tazze e tazzine)
2. drinkware
3. teglie (o teglie da forno)
4. pentole da cucina.

 

Mentre le stime mondiali sono difficili da ottenere, il mercato degli articoli per la casa in vetro è senza dubbio dell'ordine di 1 miliardo di dollari solo negli Stati Uniti. A seconda della categoria specifica, una varietà di altri materiali competono per la quota di mercato, tra cui ceramica, metalli e plastica.

Processo di produzione

Il vetro è un prodotto inorganico di fusione che si è raffreddato a una condizione rigida senza cristallizzare. Il vetro è tipicamente duro e fragile e presenta una frattura concoidale. Il vetro può essere prodotto per essere colorato, traslucido o opaco variando i materiali amorfi o cristallini disciolti che sono presenti.

Quando il vetro viene raffreddato dallo stato fuso caldo, aumenta gradualmente di viscosità senza cristallizzazione in un ampio intervallo di temperature, fino ad assumere la sua caratteristica forma dura e fragile. Il raffreddamento è controllato per prevenire la cristallizzazione o un'elevata deformazione.

Sebbene qualsiasi composto che abbia queste proprietà fisiche sia teoricamente un vetro, la maggior parte dei vetri commerciali rientra in tre tipi principali e ha un'ampia gamma di composizioni chimiche.

1. Vetri soda-lime-silice sono i vetri più importanti per quantità prodotta e varietà di utilizzo, comprendendo la quasi totalità del vetro piano, dei contenitori, della vetreria domestica a basso costo prodotta in serie e delle lampadine elettriche.
2. Vetri piombo-potassa-silice contengono una percentuale variabile ma spesso elevata di ossido di piombo. La produzione di vetri ottici sfrutta l'alto indice di rifrazione di questo tipo di vetro; la vetreria domestica e decorativa soffiata a mano sfrutta la sua facilità di taglio e lucidatura; applicazioni elettriche ed elettroniche sfrutta la sua elevata resistività elettrica e protezione dalle radiazioni.
3. Vetri borosilicati hanno una bassa dilatazione termica e sono resistenti agli shock termici, il che li rende ideali per la vetreria da forno domestica e da laboratorio e per la fibra di vetro per i rinforzi in plastica.

Un lotto di vetro commerciale è costituito da una miscela di diversi ingredienti. Tuttavia, la frazione maggiore del lotto è costituita da 4 a 6 ingredienti, scelti tra materiali come sabbia, calcare, dolomite, carbonato di sodio, borace, acido borico, materiali feldspatici, composti di piombo e bario. Il resto del lotto è costituito da diversi ingredienti aggiuntivi, scelti da un gruppo di circa 15-20 materiali comunemente indicati come ingredienti minori. Queste ultime aggiunte vengono aggiunte allo scopo di fornire una funzione o qualità specifica, come il colore, che deve essere realizzato durante il processo di preparazione del vetro.

La figura 6 illustra i principi di base della fabbricazione del vetro. Le materie prime vengono pesate, miscelate e, dopo l'aggiunta del vetro rotto (rottami), portate al forno per la fusione. Piccole pentole fino a 2 tonnellate di capacità sono ancora utilizzate per la fusione del vetro per la cristalleria soffiata a mano e bicchieri speciali richiesti in piccole quantità. Diverse pentole vengono riscaldate insieme in una camera di combustione.

Figura 6. I processi ei materiali coinvolti

Nella manifattura più moderna, la fusione avviene in grandi forni rigenerativi, recuperativi o elettrici costruiti in materiale refrattario e riscaldati a petrolio, gas naturale o elettricità. Il potenziamento elettrico e la fusione elettrica a freddo sono stati commercializzati e sono stati ampiamente utilizzati a livello globale alla fine degli anni '1960 e '1970. La forza trainante della fusione elettrica a freddo è stata il controllo delle emissioni, mentre il potenziamento elettrico è stato generalmente utilizzato per migliorare la qualità del vetro e aumentare la produttività.

I fattori economici più significativi riguardanti l'uso dell'elettricità per la fusione del forno di vetro sono legati ai costi dei combustibili fossili, alla disponibilità di vari combustibili, ai costi dell'elettricità, ai costi di capitale per le attrezzature e così via. Tuttavia, in molti casi la ragione principale per l'uso della fusione elettrica o del potenziamento è il controllo ambientale. Diverse località in tutto il mondo dispongono già o dovrebbero presto disporre di normative ambientali che limitano rigorosamente lo scarico di vari ossidi o particolato in generale. Pertanto, i produttori in molte località si trovano di fronte alla possibilità di dover ridurre le portate di fusione del vetro, installare filtri a maniche o precipitatori per gestire i gas di combustione di scarico o modificare il processo di fusione e includere la fusione elettrica o il boost. Le alternative a tale modifica possono in alcuni casi essere fermate dell'impianto.

La parte più calda del forno (sovrastruttura) può essere compresa tra 1,600 e 2,800°C. Il raffreddamento controllato riduce la temperatura del vetro da 1,000 a 1,200°C nel punto in cui il vetro lascia il forno. Inoltre, tutti i tipi di vetro vengono sottoposti ad un ulteriore raffreddamento controllato (ricottura) in un apposito forno o lehr. La lavorazione successiva dipenderà dal tipo di processo produttivo.

La soffiatura automatica viene utilizzata su macchine per la produzione di bottiglie e lampadine oltre al tradizionale vetro soffiato a mano. Forme semplici, come isolanti, mattoni di vetro, grezzi di lenti e così via, vengono pressate anziché soffiate. Alcuni processi di produzione utilizzano una combinazione di soffiaggio meccanico e pressatura. Il vetro cablato e figurato viene arrotolato. Il vetro in lastra viene estratto dal forno mediante un processo verticale che gli conferisce una superficie rifinita a fuoco. A causa degli effetti combinati del disegno e della gravità, alcune piccole distorsioni sono inevitabili.

La lastra di vetro passa attraverso rulli raffreddati ad acqua su un forno di ricottura. È privo di distorsioni. I danni superficiali possono essere rimossi levigando e lucidando dopo la fabbricazione. Questo processo è stato in gran parte sostituito dal processo del vetro float, introdotto negli ultimi anni (vedi figura 7). Il processo float ha reso possibile la produzione di un vetro che unisce i vantaggi sia della lastra che della lastra. Il vetro float ha una superficie rifinita a fuoco ed è esente da distorsioni.

Figura 7. Processo float continuo

Nel processo float, un nastro continuo di vetro esce da un forno fusorio e galleggia lungo la superficie di un bagno di stagno fuso. Il vetro si conforma alla perfetta superficie dello stagno fuso. Al suo passaggio sullo stagno, la temperatura viene abbassata fino a quando il vetro è sufficientemente duro da poter essere alimentato sui rulli del forno di ricottura senza segnarne la superficie inferiore. Un'atmosfera inerte nel bagno impedisce l'ossidazione dello stagno. Il vetro, dopo la ricottura, non necessita di ulteriori trattamenti e può essere ulteriormente lavorato mediante taglio e confezionamento automatico (vedi figura 8).

Figura 8. Nastro di vetro float in uscita dal lehr

La tendenza nella nuova architettura residenziale e commerciale verso l'inclusione di una maggiore superficie vetrata e la necessità di ridurre il consumo energetico, ha posto una maggiore enfasi sul miglioramento dell'efficienza energetica delle finestre. Film sottili depositati sulla superficie del vetro forniscono proprietà di bassa emissività o controllo solare. La commercializzazione di tali prodotti rivestiti di materie prime richiede una tecnologia di deposizione su vasta area a basso costo. Di conseguenza, un numero crescente di linee di produzione di vetro float è dotato di sofisticati processi di rivestimento in linea.

Nei processi di deposizione chimica in fase di vapore (CVD) comunemente usati, una miscela di gas complessa viene portata a contatto con il substrato caldo, dove reagisce piroliticamente per formare un rivestimento sulla superficie del vetro. In generale, l'apparecchiatura di rivestimento è costituita da strutture controllate termicamente che sono sospese lungo la larghezza del nastro di vetro. Possono trovarsi nel bagno di stagno, nel lehr gap o nel lehr. La funzione dei rivestimenti è quella di erogare uniformemente i gas precursori lungo la larghezza del nastro in modo a temperatura controllata e di estrarre in modo sicuro i sottoprodotti dei gas di scarico dalla regione di deposizione. Per più pile di rivestimento, vengono utilizzati più dispositivi di rivestimento in serie lungo il nastro di vetro.

Per il trattamento dei sottoprodotti dei gas di scarico generati da tali processi su larga scala, sono normalmente sufficienti tecniche di lavaggio a umido con una filtropressa convenzionale. Quando i gas effluenti non vengono facilmente fatti reagire o bagnati da soluzioni acquose, l'incenerimento è l'opzione primaria.

Alcuni vetri ottici sono rinforzati chimicamente mediante processi che comportano l'immersione del vetro per diverse ore in bagni ad alta temperatura contenenti sali fusi di, tipicamente, nitrato di litio e nitrato di potassio.

Vetro di sicurezza è di due tipi principali:

1. Vetro temperato è realizzato per precompressione riscaldando e poi raffreddando rapidamente pezzi di vetro piano della forma e dimensione desiderata in appositi forni.
2. Vetro stratificato è formato dall'incollaggio di un foglio di plastica (solitamente polivinilbutirrale) tra due sottili lastre di vetro piano.

 

Fibre vetrose sintetiche

Profilo generale

Le fibre vetrose sintetiche sono prodotte da un'ampia varietà di materiali. Sono silicati amorfi prodotti da vetro, roccia, scorie o altri minerali. Le fibre prodotte sono sia continue che discontinue. In generale, le fibre continue sono fibre di vetro trafilate attraverso ugelli e utilizzate per rinforzare altri materiali, come la plastica, per produrre materiali compositi con proprietà uniche. Le fibre discontinue (generalmente conosciute come lane) sono utilizzate per molti scopi, più comunemente per l'isolamento termico e acustico. Le fibre vetrose sintetiche, ai fini di questa trattazione, sono state suddivise in fibre di vetro continue, con le lane isolanti costituite da fibre di vetro, di roccia o di scoria, e fibre ceramiche refrattarie, che sono generalmente silicati di alluminio.

La possibilità di trasformare il vetro ammorbidito a caldo in fibre fini era nota ai vetrai nell'antichità ed è in realtà più antica della tecnica della soffiatura del vetro. Molti dei primi vasi egizi venivano realizzati avvolgendo fibre di vetro grossolane su un mandrino di argilla opportunamente sagomato, quindi riscaldando l'assieme finché le fibre di vetro non scorrevano l'una nell'altra e, dopo il raffreddamento, rimuovendo il nucleo di argilla. Anche dopo l'avvento della soffiatura del vetro nel I secolo d.C., la tecnica della fibra di vetro era ancora utilizzata. I vetrai veneziani del XVI e XVII secolo lo usavano per decorare oggetti in vetro. In questo caso, fasci di fibre bianche opache venivano avvolti sulla superficie di un semplice vaso di vetro soffiato trasparente (ad esempio un calice) e poi fusi in esso mediante riscaldamento.

Nonostante la lunga storia di usi generalmente decorativi o artistici delle fibre di vetro, l'uso diffuso non si è ripresentato fino al XX secolo. La produzione commerciale iniziale di fibre di vetro negli Stati Uniti avvenne negli anni '20, mentre in Europa l'uso iniziale avvenne alcuni anni prima. Le lane di roccia e di scoria sono state prodotte diversi anni prima.

La produzione e l'uso di fibre vetrose sintetiche è un'industria globale multimiliardaria poiché questi materiali utili sono diventati una componente importante della società moderna. Il loro utilizzo come isolanti ha portato a un'enorme riduzione del fabbisogno energetico per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici e questo risparmio energetico ha portato a una significativa riduzione dell'inquinamento globale associato alla produzione di energia. Il numero di applicazioni di filamenti di vetro continui come rinforzi per una pletora di prodotti, dagli articoli sportivi ai chip per computer alle applicazioni aerospaziali, è stato stimato in oltre 30,000. Lo sviluppo e la diffusa commercializzazione delle fibre ceramiche refrattarie è avvenuto negli anni '1970 e queste fibre continuano a svolgere un ruolo importante nella protezione dei lavoratori e delle attrezzature in una varietà di processi di produzione ad alta temperatura.

Processo di produzione

Filamenti continui di vetro

I filamenti di vetro si formano trascinando il vetro fuso attraverso boccole di metallo prezioso in sottili filamenti di diametro quasi uniforme. A causa dei requisiti fisici delle fibre utilizzate come rinforzi, i loro diametri sono relativamente grandi rispetto a quelli delle lane isolanti. Quasi tutti i filamenti di vetro continui hanno diametri da 5 a 15 μm o superiori. Questi grandi diametri, uniti alla ristretta gamma di diametri prodotti durante la produzione, eliminano qualsiasi potenziale effetto respiratorio cronico, poiché le fibre sono troppo grandi per essere inalate nel tratto respiratorio inferiore.

Le fibre di vetro continue sono costituite dalla rapida attenuazione di gocce di vetro fuso che trasudano attraverso gli ugelli per gravità e sono sospese da essi. L'equilibrio dinamico tra le forze di tensione superficiale e l'attenuazione meccanica fa sì che la goccia di vetro assuma la forma di un menisco trattenuto in corrispondenza dell'apertura anulare dell'ugello e si assottigli fino al diametro della fibra in trafilatura. Affinché la stiratura delle fibre abbia successo, il vetro deve rientrare in un intervallo ristretto di viscosità (ovvero, tra 500 e 1,000 poise). A viscosità inferiori, il vetro è troppo fluido e cade dagli ugelli sotto forma di gocce; in questo caso domina la tensione superficiale. A viscosità più elevate, la tensione nella fibra durante l'attenuazione è troppo elevata. Anche la velocità di flusso del vetro attraverso l'ugello può diventare troppo bassa per mantenere un menisco.

La funzione della boccola è quella di fornire una piastra contenente diverse centinaia di ugelli ad una temperatura uniforme e di condizionare il vetro a questa temperatura uniforme in modo che le fibre tirate abbiano un diametro uniforme. la figura 9 mostra un diagramma schematico delle caratteristiche principali di una boccola a fusione diretta fissata ad un avancrogiolo da cui preleva un'alimentazione di vetro fuso molto vicina alla temperatura alla quale il vetro passerà attraverso gli ugelli; in questo caso, quindi, la funzione base della boccola è anche la sua unica funzione.

Figura 9. Schema della boccola a fusione diretta

Nel caso di una boccola operante da marmi, è richiesta una seconda funzione, ovvero quella di fondere prima i marmi prima di condizionare il vetro alla corretta temperatura di trafilatura delle fibre. Una tipica boccola di marmo è mostrata in figura 10. La linea tratteggiata all'interno della boccola è una piastra perforata che trattiene le biglie non fuse.

Figura 10. Schema di una boccola di marmo

Il design delle boccole è in gran parte empirico. Per ragioni di resistenza all'attacco del vetro fuso e di stabilità alle temperature necessarie alla trafilatura delle fibre, le boccole sono realizzate con leghe di platino; vengono utilizzati sia platino-rodio al 10% che platino-rodio al 20%, quest'ultimo essendo più resistente alla deformazione a temperature elevate.

Prima che le singole fibre che vengono estratte da una boccola vengano raccolte e consolidate in un trefolo, o in una molteplicità di trefoli, vengono rivestite con una bozzima di fibre. Queste dimensioni delle fibre sono fondamentalmente di due tipi:

1. bozzime di olio di amido solitamente applicate a fibre destinate alla tessitura in tessuti fini o operazioni simili
2. calettante più bozzime filmogene applicate a fibre destinate al rinforzo diretto di materie plastiche e gomma.

 

Dopo che la fibra è stata formata, un rivestimento protettivo di collatura organica viene applicato su un applicatore ei filamenti continui vengono raccolti in un trefolo multifilamento (vedi figura 11) prima di essere avvolti su un tubo di avvolgimento. Gli applicatori funzionano consentendo al ventaglio di fibre, quando è largo da circa 25 a 45 mm e si dirige verso il pattino di raccolta sotto l'applicatore, di passare su una superficie mobile ricoperta da una pellicola di dimensione delle fibre.

Figura 11. Filamenti tessili di vetro

Esistono fondamentalmente due tipi di applicazioni:

1. applicatori a rullo, in gomma, ceramica o grafite, in cui la fibra scorre sulla superficie del rullo rivestita da un film di dimensione della fibra
2. applicatori a nastro, in cui ad un'estremità il nastro passa su un rullo motorizzato che immerge il nastro nella bozzima e all'altra estremità passa su una barra fissa in acciaio al cromo duro in cui le fibre toccano il nastro per prelevare la bozzima.

 

Il rivestimento protettivo e il processo di raccolta delle fibre possono variare a seconda del tipo di fibra tessile o di rinforzo che si sta producendo. L'obiettivo di base è quello di rivestire le fibre di colla, raccoglierle in un trefolo e posizionarle su un tubo rimovibile sulla pinza con la tensione minima necessaria.

La Figura 12 mostra il processo di produzione continua del vetro.

Figura 12. Produzione di vetro a filamento continuo

Produzione di lana isolante

A differenza dei filamenti continui, le fibre delle lane isolanti e delle fibre ceramiche refrattarie sono realizzate con processi ad altissima energia in cui il materiale fuso viene fatto cadere in dischi rotanti o in una serie di ruote rotanti. Questi metodi si traducono nella produzione di fibre con una gamma di diametri molto più ampia di quella vista con i filamenti continui. Pertanto, tutte le lane isolanti e le fibre ceramiche contengono una frazione delle fibre con diametri inferiori a 3.0 μm; questi potrebbero diventare respirabili se fratturati in lunghezze relativamente brevi (meno di 200-250 μm). Sono disponibili dati esaurienti sull'esposizione a fibre vetrose sintetiche respirabili sul posto di lavoro.

Diversi processi sono utilizzati per la produzione lana di vetro, compreso il processo di soffiatura a vapore e il processo di soffiatura a fiamma; ma il più popolare è il processo di formatura rotativa sviluppato a metà degli anni '1950. I processi rotanti hanno ampiamente sostituito i processi di soffiaggio diretto per la produzione commerciale di prodotti isolanti in fibra di vetro. Questi processi rotanti impiegano tutti un tamburo cavo, o spinner, montato con il suo asse verticale. La parete verticale dello spinner è perforata con diverse migliaia di fori uniformemente distribuiti lungo la circonferenza. Il vetro fuso viene lasciato cadere a velocità controllata nel centro della trottola, da dove un opportuno distributore lo spinge all'interno della parete perforata verticale. Da quella posizione, la forza centrifuga spinge il vetro radialmente verso l'esterno sotto forma di filamenti di vetro discreti che escono da ogni perforazione. Ulteriore attenuazione di questi filamenti primari è ottenuta mediante un opportuno fluido soffiante che fuoriesce da uno o più ugelli disposti attorno e concentrici all'ogiva. Il risultato netto è la produzione di fibre con un diametro medio delle fibre compreso tra 6 e 7 mm. Il fluido soffiante agisce verso il basso e quindi, oltre a fornire l'attenuazione finale, devia anche le fibre verso un piano di raccolta situato al di sotto della trottola. Lungo il percorso verso questa superficie di raccolta, le fibre vengono spruzzate con un legante adatto prima di essere distribuite uniformemente sulla superficie di raccolta (vedi figura 13).

Figura 13. Il processo rotativo per la produzione di lana di vetro

In un processo rotativo, le fibre di lana di vetro vengono prodotte consentendo al vetro fuso di scorrere attraverso una serie di piccole aperture situate in un filatore rotante e quindi attenuando il filamento primario mediante soffiaggio di aria o vapore.

Lana minerale, tuttavia, non può essere prodotto con il processo di filatura rotativa e storicamente è stato prodotto in processo con una serie di mandrini di filatura orizzontali. Il processo della lana minerale è costituito da un insieme di rotori (mandrini) montati in una formazione a cascata e che ruotano molto rapidamente (vedi figura 14). Un flusso di pietra fusa viene continuamente trasferito ad uno dei rotori superiori e da questo rotore distribuito sul secondo e così via. Il fuso è distribuito uniformemente sulla superficie esterna di tutti i rotori. Dai rotori, le goccioline vengono espulse dalla forza centrifuga. Le goccioline sono attaccate alla superficie del rotore da colli allungati che, sotto ulteriore allungamento e raffreddamento simultaneo, si sviluppano in fibre. L'allungamento è, naturalmente, seguito da una diminuzione del diametro che, a sua volta, provoca un raffreddamento accelerato. Pertanto, esiste un limite inferiore per il diametro tra le fibre prodotte in questo processo. Non è quindi prevista una normale distribuzione dei diametri delle fibre attorno al valore medio.

Figura 14. Processo con lana minerale (roccia e scorie)

Fibre ceramiche refrattarie

Le fibre ceramiche vengono prodotte principalmente per soffiatura e filatura con metodi simili a quelli descritti per le lane isolanti. Nel processo di soffiaggio a vapore, le materie prime come l'allumina e la silice vengono fuse in un forno elettrico e il materiale fuso viene estratto e soffiato con vapore pressurizzato o altro gas caldo. Le fibre prodotte vengono poi raccolte su un vaglio.

Analogamente al processo di filatura per le fibre di roccia e di scoria, quelli per le fibre ceramiche producono un'elevata percentuale di fibre lunghe setose. In questo metodo, un flusso di materiale fuso viene fatto cadere su dischi in rapida rotazione e lanciato tangenzialmente per formare fibre.

Industria della ceramica

Profilo generale

La lavorazione della ceramica è uno dei più antichi mestieri umani. Nel corso dei secoli si sono sviluppati diversi stili e tecniche in diverse parti del mondo. Nel XVIII secolo, una fiorente industria in molte parti d'Europa fu fortemente influenzata dall'importazione di oggetti raffinati e altamente decorati dall'Estremo Oriente. Il Giappone aveva imparato l'arte della ceramica dalla Cina circa 18 anni prima. Con la rivoluzione industriale e il cambiamento generale delle condizioni nell'Europa occidentale, la produzione crebbe rapidamente. Al momento, quasi tutti i paesi producono alcuni articoli per uso domestico e la ceramica è un'importante esportazione da alcuni paesi. La produzione è ora su scala industriale in molte parti del mondo. Sebbene i principi di base della produzione non siano cambiati, sono stati compiuti notevoli progressi nel modo in cui viene eseguita la produzione. Ciò è particolarmente vero nella formatura o foggiatura della merce, nella sua cottura e nelle tecniche di decorazione utilizzate. Il crescente utilizzo di microprocessori e robot comporta l'introduzione di elevati livelli di automazione nelle aree di produzione. Tuttavia, esistono ancora ovunque anche molte ceramiche artigianali su piccola scala.

Metodi di formazione

Il primo metodo di produzione della ceramica prevedeva il metodo di costruzione manuale. Bobine di argilla vengono avvolte, una sopra l'altra, e incollate insieme premendo con le mani. L'argilla viene prima resa morbida lavorandola con l'acqua. L'oggetto viene poi sagomato e modellato a mano, una volta che le spire sono aderite.

Il tornio da vasaio è diventato uno strumento per creare ceramiche. Con questo metodo di formatura, un mucchio di argilla viene posto su un piatto circolare girevole e viene modellato dalle mani bagnate del vasaio. L'acqua impedisce alle mani del vasaio di attaccarsi all'argilla e mantiene l'argilla umida e lavorabile. Impugnature, beccucci e altre sporgenze dell'argilla rotante vengono posizionate appena prima che l'oggetto venga cotto.

Casting è spesso usato oggi quando si desidera ceramica di alta qualità e quando le pareti del vaso devono essere molto sottili. Una miscela di argilla e acqua, chiamata barbottina, viene versata in uno stampo in gesso di Parigi. L'intonaco assorbe l'acqua, provocando il deposito di un sottile strato di argilla tutt'intorno all'interno dello stampo. Quando il deposito di argilla è abbastanza spesso da formare le pareti del vaso, il resto della barbottina viene versato, lasciando il pezzo di ceramica bagnato all'interno della forma. Quando questo si asciuga, si restringe leggermente e può essere rimosso dallo stampo. Di solito gli stampi sono costruiti in modo tale da poter essere smontati.

Quando il pezzo è completamente asciutto, viene levigato e preparato per il processo di cottura. È posto in una scatola di argilla refrattaria chiamata a cadente, che protegge il pezzo dalle fiamme e dai gas che si sprigionano durante la lavorazione, proprio come un forno proteggerebbe una pagnotta in cottura. I sagger sono posti uno sopra l'altro in a forno. Il forno è una grande struttura costruita in mattoni refrattari ed è circondata da canne fumarie in modo che le fiamme del fuoco possano circondare totalmente le stoviglie senza mai entrare in contatto con esse. Il fumo scolorirebbe i pezzi se non fossero protetti in questo modo.

La maggior parte dei pezzi viene sparata almeno due volte. La prima volta attraverso il forno si chiama biscotto cottura, e il pezzo di ceramica è chiamato a biscotto or pezzo di bisquit. Dopo la cottura, i biscotti vengono smaltati. Uno smalto è un rivestimento vetroso e lucido che rende la ceramica più attraente e funzionale. Gli smalti contengono silice, un fondente per abbassare la temperatura di fusione (piombo, bario e così via) e ossidi metallici come coloranti. Quando lo smalto viene applicato sulla ceramica ed è completamente asciutto, viene nuovamente rimesso nel forno e viene cotto a una temperatura così elevata che lo smalto si scioglie e copre l'intera superficie della ceramica.

Tipi di ceramica

• Gres è una ceramica fatta di argilla chiara o scura. Viene smaltato sul corpo incombusto o prima della messa in forno o mediante sale durante il processo di combustione e viene bruciato in uno stato denso e duro.

• Porcellana è una ceramica bianca e vetrificata. È traslucido. Nella porcellana, il corpo e lo smalto vengono portati a compimento e maturazione in un'unica e medesima cottura, che avviene ad altissima temperatura.

• Cina è un articolo simile alla porcellana. L'impasto e lo smalto vengono portati a compimento e maturazione nella stessa cottura, a temperature elevatissime.

• Bone China è una varietà di porcellana in cui l'osso bruciato viene utilizzato come ingrediente, costituendo circa il 40% della massa.

• Terracotta ha un corpo bianco o quasi bianco. È prodotto da due cotture, come la porcellana, ma il suo corpo rimane poroso. Lo smalto è simile a quello della porcellana ma è fatto di un materiale più economico.

• faience è una fine terracotta smaltata utilizzata per scopi ornamentali e decorativi. Di solito non si tenta di produrre una pasta bianca e gli smalti sono spesso colorati.

 

Processo di produzione

Le proprietà fisiche della ceramica variano a seconda della composizione dell'impasto e delle condizioni di cottura. L'impasto per qualsiasi uso particolare viene selezionato principalmente per le sue proprietà fisiche, ma gli impasti bianchi sono solitamente scelti per le stoviglie.

I prodotti industriali (ad es. refrattari, isolanti elettrici, catalizzatori e così via) hanno un'ampia gamma di proprietà a seconda del loro uso finale.

Materie prime. Gli ingredienti di base in un corpo di ceramica sono mostrati nella tabella 1, che indica anche le proporzioni tipiche nei tipi di corpo del campione.

Tabella 1. Componenti corporei tipici (%)

 

La nefelina-sienite viene talvolta utilizzata come fondente e l'allumina può sostituire parte o tutto il riempitivo di quarzo in alcuni corpi di tipo porcellana. La cristobalite (sabbia calcinata) viene utilizzata come riempitivo in alcuni impasti ceramici, in particolare nell'industria delle piastrelle da parete.

La composizione corporea è determinata in parte dalle proprietà richieste del prodotto finale e in parte dal metodo di produzione. Una base in plastica è essenziale per gli articoli che vengono modellati mentre sono umidi, ma non per i processi di formatura non plastica, come la pressatura della polvere. La base in plastica non è essenziale, sebbene l'argilla sia ancora l'ingrediente principale nella maggior parte dei prodotti ceramici, compresi quelli preparati mediante pressatura a polvere.

Le ceramiche industriali non sono mostrate nella tabella 1, in quanto la loro composizione varia da tutta argilla plastica o refrattaria, senza fondente o riempitivo aggiuntivo, a quasi tutta allumina, con una quantità minima di argilla e senza fondente aggiunto.

Durante la cottura, il flusso si scioglie in un bicchiere per legare insieme gli ingredienti. All'aumentare della quantità di flusso, la temperatura di vetrificazione si abbassa. I riempitivi influenzano la resistenza meccanica dell'argilla prima e durante la cottura; nella fabbricazione di stoviglie, il quarzo (come sabbia o selce calcinata) viene tradizionalmente utilizzato, tranne per il fatto che la cenere d'ossa viene utilizzata nella produzione di bone china. L'uso dell'allumina o di altre cariche non silicee, già impiegate nella fabbricazione di ceramiche industriali, si sta estendendo alla fabbricazione di altri manufatti, compresi i prodotti domestici.

Processando. I processi di base nella produzione di ceramica includono:

• preparazione degli ingredienti del corpo

• formatura e sagomatura

• cottura dei biscotti

• applicazione dello smalto

• cottura a fuoco

• decorazione.

 

I processi preparatori di calcinazione, frantumazione e macinazione della selce o della pietra possono essere eseguiti in uno stabilimento separato, ma è normale che tutti i processi successivi vengano eseguiti nella stessa fabbrica. Nella slip house, gli ingredienti per il corpo vengono miscelati in acqua; l'argilla plastica viene quindi prodotta filtrando e tappando; la barbottina viene quindi preparata frullando fino a ottenere una consistenza cremosa. La polvere per la pressatura viene preparata mediante essiccazione e macinazione.

Le classificazioni tradizionali dei processi di formatura sono mostrate nella tabella 2. Nella colata, una sospensione acquosa del corpo viene versata in uno stampo assorbente e il calco viene rimosso dopo una parziale essiccazione. La modellatura dell'argilla plastica mediante lancio è ormai rara nella produzione industriale; la spalmatura meccanica su o in uno stampo in gesso (jiggering e jolly) con separazione dallo stampo dopo l'asciugatura è quasi universale nella produzione di stoviglie. La pressatura dell'argilla plastica o l'estrusione è principalmente limitata alla ceramica industriale. Gli articoli polverizzati sono prodotti compattando la polvere di scocca pre-essiccata mediante pressatura manuale o meccanica.

Tabella 2. Processi di produzione

 

Dopo la formatura, la merce può essere asciugata e rifinita mediante sbavatura, traino o spugnatura. Quindi è pronto per la cottura dei biscotti.

Dopo la cottura del biscotto, la glassa viene applicata per immersione oa spruzzo; l'immersione può essere manuale o meccanizzata. Gli articoli smaltati vengono quindi cotti di nuovo. A volte, come per i sanitari bianchi, si applica lo smalto sull'articolo in argilla essiccata e si ha una sola cottura.

La decorazione può essere applicata sia sotto che sopra lo smalto e può essere dipinta a mano, stampata a macchina o trasferita; la decorazione a velatura prevede una terza cottura; e talvolta sono necessarie cotture separate per colori diversi.

Nelle fasi finali, la merce viene smistata e imballata per la spedizione. La figura 15 identifica i vari percorsi seguiti da vari tipi di vasellame e ceramiche durante la loro fabbricazione.

Figura 15. Diagramma di flusso per tipo di ceramica

Piastrelle di ceramica

Profilo generale

Ceramica è un termine che una volta si pensava si riferisse solo all'arte o alla tecnica di produrre articoli di ceramica. L'etimologia del termine mostra che deriva dal greco Keramos, che significa "vasaio" o "vasaio". Tuttavia, la parola greca è correlata a una radice sanscrita più antica, che significa "bruciare"; come usato dagli stessi greci, il suo significato principale era semplicemente "roba bruciata" o "terra bruciata". Il concetto fondamentale contenuto nel termine era quello di un prodotto ottenuto per azione del fuoco su materiali terrosi.

Una ceramica tradizionale, nel contesto di questo articolo, si riferisce ai prodotti comunemente usati come materiali da costruzione o all'interno della casa e dell'industria. Sebbene vi sia la tendenza ad equiparare la ceramica tradizionale alla bassa tecnologia, in questo settore vengono spesso utilizzate tecnologie di produzione avanzate. La forte concorrenza tra i produttori ha reso la tecnologia più efficiente ed economica utilizzando strumenti e macchinari complessi, insieme al controllo del processo assistito da computer.

I prodotti ceramici più antichi hanno avuto origine da materiali argillosi. I primi ceramisti trovarono utile la natura plastica dell'argilla per formare forme. A causa della sua tendenza a mostrare una grande quantità di ritiro, i corpi di argilla sono stati modificati aggiungendo sabbia grossolana e pietra, che hanno ridotto il ritiro e la fessurazione. Nei moderni impasti a base di argilla, le tipiche aggiunte non argillose sono farina di silice e minerali alcalini che vengono aggiunti come fondenti. Nelle formulazioni ceramiche tradizionali, l'argilla funge da plastificante e legante per altri componenti.

Sviluppo del settore

La produzione di tegole in argilla essiccata e cotta ha origini antichissime che risalgono alle popolazioni mediorientali. L'industria delle piastrelle bianche si è sviluppata in modo significativo in Europa e all'inizio del XX secolo la produzione di piastrelle per pavimenti e rivestimenti ha raggiunto una scala industriale. Ulteriori sviluppi in questo campo si sono verificati dopo la seconda guerra mondiale. L'Europa (Italia e Spagna, in particolare), l'America Latina e l'Estremo Oriente sono ormai le aree più importanti della produzione industriale di piastrelle.

Il settore delle piastrelle per pavimenti e rivestimenti dell'industria del whiteware ha visto un grande sviluppo a partire dalla metà degli anni '1980 con l'introduzione di nuove tecnologie, l'automazione e l'integrazione del flusso produttivo nel processo produttivo. Successivamente, la produttività e l'efficienza sono aumentate, mentre il consumo energetico ei costi sono stati ridotti. La produzione di piastrelle è ora continua sia nella produzione di piastrelle bagnate che asciutte e molti impianti oggi hanno quasi il 100% di automazione. Le principali innovazioni nell'industria delle piastrelle durante l'ultimo decennio includono la macinazione a umido, l'essiccazione a spruzzo, la pressatura a secco ad alta pressione, l'essiccazione a rullo e le tecnologie di cottura rapida.

Il valore dell'offerta del mercato statunitense di piastrelle di ceramica (spedizioni di fabbriche statunitensi più importazioni) è aumentato di circa il 9.2% composto annualmente tra il 1992 e il 1994. Si stima che le vendite in dollari abbiano raggiunto 1.3 miliardi di dollari nel 1994. Allo stesso tempo, le vendite in volume sono aumentate dell'11.9 % composta annualmente a 1.3 miliardi di piedi quadrati. Ciò si confronta con un tasso di crescita del mercato del 7.6% basato sulle vendite in dollari e del 6.9% basato sui volumi di vendita tra il 1982 e il 1992.

Classificazioni delle piastrelle di ceramica

Software rosso e software bianco

Sul mercato sono disponibili molti tipi di piastrelle di ceramica. Differiscono in base allo stato della superficie, al colore del corpo (bianco o rosso), alla tecnologia di produzione, alle materie prime e all'uso finale. La differenza tra piastrelle "rosse" e "bianche" sta nella quantità di minerali di ferro contenuti nel corpo. Reagendo con gli altri componenti del corpo, possono dare più o meno colorazione e modificare il comportamento del corpo durante la cottura.

Una classificazione completa ed esaustiva è molto difficile a causa dell'estrema eterogeneità dei prodotti in piastrelle, della loro lavorazione e delle conseguenti caratteristiche. In questo capitolo vengono prese in considerazione le norme europee (EN) e ASTM.

Le norme EN classificano le piastrelle ceramiche esclusivamente in funzione dell'assorbimento d'acqua (che è direttamente correlato alla porosità) e del metodo di formatura (estrusione o pressatura). I metodi di sagomatura sono classificati come:

• processo di modellazione A (pavimenti estrusi). Questo processo include tessere divise e tessere estruse singolarmente.

• processo di modellatura B (pavimenti e rivestimenti pressati a secco).

 

La norma europea EN 87, approvata nel novembre 1981, specifica che “Le piastrelle per pavimenti e rivestimenti in ceramica sono materiali da costruzione generalmente progettati per essere utilizzati come pavimenti e rivestimenti, sia all'interno che all'esterno, indipendentemente dalla forma e dalle dimensioni”.

La specifica ANSI (American National Standards Institute) per piastrelle di ceramica (ANSI A 137.1) contiene le seguenti definizioni:

• Piastrella a mosaico in ceramica è formato con il metodo della pressatura della polvere o della plastica, di solito da 6.4 a 9.5 mm (da 1/4 a 1/8 di pollice) di spessore e ha un'area facciale inferiore a 39 cm² (6 in² ). Le tessere di mosaico in ceramica possono essere in porcellana o in argilla naturale e possono essere lisce o con una miscela abrasiva.

• Piastrella decorativa da parete è una piastrella smaltata con un corpo sottile che di solito non è vetroso e adatta per l'uso decorativo di pareti residenziali interne dove la resistenza alla rottura non è un requisito.

• Piastrella finitrice è una piastrella in porcellana smaltata o non smaltata o in argilla naturale formata con il metodo della polvere pressata avente 39 cm² (6 in² ) o più zona del viso.

• Gres porcellanato è una piastrella di mosaico in ceramica o piastrella per pavimentazione che viene generalmente realizzata con il metodo pressato a polvere con la composizione di piastrelle risultante che è densa, impermeabile, a grana fine e liscia, con una faccia nettamente formata.

• Piastrella di cava è piastrella smaltata o non smaltata, realizzata mediante processo di estrusione da argilla naturale o scisto, di solito avente 39 cm² (6 in²) o più zona del viso.

• piastrella da muro è piastrella smaltata con un impasto adatto all'uso interno e solitamente non vetroso e non è richiesto di resistere a urti eccessivi o essere soggetto a condizioni di gelo e disgelo.

• Gradi di piastrelle bianche individuali includono piastrelle non smaltate (piastrella di mosaico in ceramica, mattonella di cava, piastrella da pavimentazione) e piastrelle smaltate (piastrella da parete smaltata, piastrella di mosaico di ceramica smaltata, piastrella di cava smaltata, mattonella di pavimentazione smaltata) (ANSI 1988).

 

Le piastrelle sono prodotte con processi ceramici standard. Le piastrelle per pareti e pavimenti in ceramica sono preparate da una miscela di argille sferiche, sabbia, fondenti, agenti coloranti e altre materie prime minerali e vengono sottoposte a lavorazioni quali macinazione, vagliatura, miscelazione e bagnatura. Vengono modellati mediante pressatura, estrusione, colata o altro, normalmente a temperatura ambiente, e successivamente essiccati e infine cotti ad alta temperatura. Le piastrelle possono essere smaltate, non smaltate o ingobbiate. Gli smalti sono rivestimenti impermeabili simili al vetro e gli engobbi sono rivestimenti opachi a base di argilla che possono anche essere porosi. Le piastrelle smaltate per pareti e pavimenti sono prodotte con una o due fasi di cottura.

I corpi ceramici tradizionali sono modellati in forme utilizzando molte tecniche diverse. Il processo di formatura specifico è dettato da numerosi fattori, tra cui le caratteristiche del materiale, le dimensioni e la forma della parte, le specifiche della parte, la resa di produzione e le pratiche accettate all'interno della regione geografica.

Gli impasti a base di argilla sono miscele eterogenee di una o più argille e una o più polveri non argillose. Prima di raggiungere una forma definitiva, queste polveri subiscono una sequenza di operazioni unitarie, cottura e post-cottura (vedi figura 17).

Per la maggior parte delle scocche tradizionali, le tecniche di formatura possono essere classificate come formatura plastica morbida, formatura plastica rigida, stampaggio e fusione.

La pressione applicata viene impiegata per riorganizzare e ridistribuire le materie prime in una configurazione meglio imballata. Il comportamento reologico degli impasti a base di argilla deriva dall'interazione del minerale argilloso con l'acqua, che conferisce plasticità al lotto. Nei corpi non di argilla, questo stesso tipo di comportamento può essere ottenuto aggiungendo plastificanti.

Ceramica industriale

Profilo generale

La ceramica differisce da altri materiali tecnici (metalli, plastica, prodotti in legno, tessuti) in una serie di proprietà individuali. Forse la differenza più distintiva per un designer o un potenziale utente di articoli in ceramica è la forma e le dimensioni uniche di ogni singolo pezzo di ceramica. La ceramica non viene facilmente modellata o lavorata dopo la cottura, se non mediante una molatura molto costosa; di conseguenza, normalmente devono essere utilizzati così come sono. Fatta eccezione per alcune semplici forme di piastrelle, aste e tubi di dimensioni limitate, la ceramica non può essere commercializzata a piedi oa metro, né tagliata per adattarsi al lavoro.

Tutte le proprietà utili, comprese forma e dimensione, devono essere fornite in anticipo, a partire dalle primissime fasi di lavorazione della ceramica. L'integrità strutturale di ogni pezzo deve essere preservata attraverso una varietà di esposizioni a sollecitazioni termiche e meccaniche durante la lavorazione e fino a quando il pezzo non è finalmente installato e in servizio. Se una ceramica dovesse guastarsi in servizio a causa di una varietà di cause (frattura fragile all'impatto, shock termico, rottura dielettrica, abrasione o corrosione da scorie di fusione), è improbabile che sia riparabile e di solito deve essere sostituita.

Sono stati compiuti progressi significativi nella comprensione fondamentale e nel controllo tecnologico delle proprietà della ceramica e del loro utilizzo in molte applicazioni nuove, impegnative e altamente tecniche. L'industria in generale, e la ceramica tecnica ed elettronica in particolare, ha messo a punto tecniche di produzione e controllo per la produzione in serie di forme complesse in corpi aventi proprietà elettriche, magnetiche e/o meccaniche attentamente controllate pur mantenendo tolleranze dimensionali sufficientemente buone da consentono un assemblaggio relativamente facile con altri componenti.

Molte ceramiche sono prodotte in grandi volumi come articoli standard. Mattoni e forme refrattari, crogioli, muffole, tubi di fornace, isolanti, tubi di protezione per termocoppie, dielettrici per condensatori, guarnizioni ermetiche e pannelli in fibra sono regolarmente immagazzinati da un certo numero di produttori di ceramica in una varietà di composizioni e dimensioni. Di solito è più rapido ed economico utilizzare gli articoli in stock quando possibile. Quando gli articoli in stock non soddisfano la necessità, la maggior parte dei produttori è pronta a produrre articoli personalizzati. Più rigorosi sono i requisiti per una data proprietà della ceramica, o più restrittivi i requisiti per specifiche combinazioni di proprietà, dimensioni e forme, più limitati sono i parametri composizionali, microstrutturali e configurazionali accettati per la ceramica. Quindi il costo e la difficoltà di fabbricazione sono maggiori. La maggior parte dei produttori di ceramiche dispone di ingegneri e designer di personale esperto che sono ben qualificati per lavorare con potenziali clienti sui dettagli della progettazione di articoli in ceramica.

Mercati

Il mercato principale per la ceramica all'avanguardia è stato e continuerà ad essere quello dell'elettronica, ma vigorosi programmi mondiali di ricerca e sviluppo sono alla continua ricerca di nuove applicazioni e identificano modi per migliorare le proprietà della ceramica in modo tale da poter accedere a nuovi mercati.

Le ceramiche avanzate sono prodotte in Giappone, Stati Uniti ed Europa occidentale. Le materie prime utilizzate nell'industria sono commercializzate a livello internazionale, principalmente come polveri, ma vi è anche una quantità significativa di lavorazione interna.

Le principali applicazioni della ceramica industriale sono:

• ossidi. I principali materiali di ossido oggi in uso sono l'allumina nelle candele, nei substrati e nelle applicazioni soggette a usura; zirconio (ZrO₂) nei sensori di ossigeno, come componente nei piezoelettrici al piombo-zirconio-titanato (PZT), applicazioni di usura e rivestimenti barriera termica; titanati in condensatori al titanato di bario e piezoelettrici PZT; e ferriti in magneti permanenti, testine magnetiche di registrazione, dispositivi di memoria, sensori di temperatura e parti di motori elettrici.

• Carburi e nitruri. I carburi (principalmente carburo di silicio e carburo di boro) sono utilizzati nelle applicazioni antiusura, mentre i nitruri (principalmente nitruro di silicio e Sialon) sono utilizzati nelle applicazioni antiusura e negli utensili da taglio. Il nitruro di alluminio, con la sua elevata conduttività termica, è il principale materiale concorrente per una parte del mercato dei substrati elettronici attualmente dominato dall'allumina.

• Ceramiche a ossidi misti. Gli sforzi di ricerca e sviluppo della ceramica si concentrano su una serie di nuove applicazioni per la ceramica che hanno tutte un enorme potenziale. Tre applicazioni significative sono: (1) superconduttori ceramici, (2) ceramiche per celle a combustibile a ossidi solidi e (3) componenti ceramici per motori termici.

 

I superconduttori ceramici si basano su una serie di sistemi di ossidi misti che includono ittrio, bario, rame, stronzio e rame (YBa₂Cu₃O_7-8, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) stabilizzato con ossido di piombo. Le ceramiche per celle a combustibile a ossido solido si basano su conduttori ionici in cui l'ossido di zirconio stabilizzato ad alta purezza è attualmente il materiale preferito. I componenti ceramici dei motori termici in esame sono composti da carburo di silicio, sialon e zirconia, sia come ceramica monofase, compositi ceramica-ceramica o compositi a matrice metallica (MMC).

Processo di produzione

Sviluppo della tecnologia di produzione

Innovazioni di elaborazione. L'attività di ricerca e sviluppo sta generando nuove tecnologie per la produzione di materiali ceramici. Si stima che la ceramica derivata da precursori avesse un valore di mercato di 2 milioni di dollari USA nel 1989, la maggior parte dei quali era in CVD (86% del valore di mercato totale). Altri segmenti di questo mercato in crescita includono l'infiltrazione di vapori chimici (CVI), sol-gel e pirolisi polimerica. I prodotti che vengono prodotti con successo con questi mezzi includono fibre ceramiche continue, compositi, membrane e polveri ad altissima purezza/alta attività.

I processi utilizzati per convertire queste materie prime in prodotti finiti includono un'ulteriore lavorazione della polvere (ad es. macinazione e essiccazione a spruzzo) prima della formazione di forme verdi che vengono poi cotte in condizioni controllate. I processi di formatura includono pressatura a stampo, pressatura isostatica, colata a slittamento, colata a nastro, estrusione, stampaggio ad iniezione, pressatura a caldo, pressatura isostatica a caldo (HIP), CVD e così via.

Additivi chimici per coadiuvare la lavorazione della ceramica. Ogni fase del processo di produzione richiede un attento controllo in modo che le proprietà del prodotto finale siano ottenute con la massima efficienza produttiva e vengano utilizzati prodotti chimici ad effetto chiave per ottimizzare il trattamento delle polveri e la formatura a verde. Le sostanze chimiche ad effetto includono coadiuvanti per la fresatura, flocculanti e leganti, lubrificanti per effettuare il rilascio del prodotto durante la pressatura e ridurre al minimo l'usura delle parti dello stampo e plastificanti per favorire l'estrusione e lo stampaggio a iniezione. Un elenco di tali sostanze chimiche è mostrato nella tabella 3. Sebbene questi materiali svolgano un importante ruolo economico nella produzione, vengono bruciati durante la cottura e non svolgono alcun ruolo nella chimica del prodotto finale. Il processo di combustione deve essere attentamente controllato per evitare residui di carbonio nei prodotti finiti e la ricerca e lo sviluppo del processo stanno continuamente studiando modi per ridurre al minimo i livelli di sostanze chimiche ad effetto utilizzate.

Tabella 3. Additivi chimici selezionati utilizzati per ottimizzare il trattamento delle polveri e la formatura a verde della ceramica

 

Oltre a generare prodotti ceramici e tecnologie di produzione ceramica per nuove applicazioni, non va trascurata l'influenza dell'industria ceramica avanzata sull'industria ceramica tradizionale. Si prevede che molti materiali e processi ad alta tecnologia troveranno applicazione nell'industria ceramica tradizionale poiché quest'ultima si sforza di ridurre i costi di produzione, migliorare la qualità e offrire un servizio migliore all'utente finale.

Materie prime

Esistono alcuni materiali chiave che vengono utilizzati direttamente dall'industria ceramica o che rappresentano il punto di partenza per la produzione di materiali a valore aggiunto:

• silice

• argilla

• allumina

• magnesia

• Titania

• ossido di ferro

• zircone/zircone.

 

Questa discussione si concentrerà sulle proprietà di silice, allumina e zircone/zirconia.

Silica, oltre al suo utilizzo in refrattari e ceramiche bianche, è anche il punto di partenza nella produzione di silicio elementare, carburo di silicio e tetracloruro di silicio. Il silicio, a sua volta, è il punto di partenza per il nitruro di silicio e il tetracloruro di silicio è il precursore di un'ampia gamma di sostanze organiche di silicio che possono essere pirolizzate in condizioni controllate in carburo di silicio e nitruro di silicio di alta qualità.

Il nitruro di silicio ei suoi derivati ​​Sialon, così come il carburo di silicio, nonostante la loro tendenza all'ossidazione, hanno il potenziale per soddisfare molti degli obiettivi di proprietà fissati dal mercato dei motori termici. Una caratteristica della silice e dei materiali ceramici che derivano dalla silice è che tutti gli elementi sono prontamente disponibili nella crosta terrestre. A questo proposito, questi materiali offrono il potenziale di facilità di approvvigionamento in tutte le parti del mondo. In pratica, tuttavia, è necessario un notevole apporto di energia per produrre silicio e carburo di silicio. Di conseguenza, la produzione di questi materiali è in gran parte limitata ai paesi con energia elettrica economica e facilmente disponibile.

Alumina si trova in tutta la crosta terrestre come componente dei minerali alluminosilicati. L'economia impone che l'allumina venga estratta dalla bauxite utilizzando il processo Bayer. La bauxite è diffusa nella fascia equatoriale in diversi stati di purezza, ed è suddivisa in due classificazioni: minerale di grado refrattario e minerale metallurgico.

La bauxite di grado refrattario è fornita dalla Cina e dalla Guyana come calcina ad alta temperatura del minerale presente in natura: diasporo (Al₂O₃· H₂O) in Cina e gibbsite (Al₂O₃· 3H₂O) in Guyana. Durante la calcinazione, una fase complessa di assemblaggio di corindone (Al₂O₃), si formano mullite, vetro di silice e livelli minori di titanato di alluminio. Il consumo di bauxite di qualità refrattaria supera le 700,000 tonnellate all'anno su base mondiale.

La bauxite di grado metallurgico viene estratta in Australia, Giamaica e Africa occidentale e presenta livelli di allumina variabili insieme a impurità importanti come ossido di ferro e silice. L'allumina nei minerali metallurgici viene estratta dal minerale quando dissolta dall'idrossido di sodio, producendo una soluzione di alluminato di sodio che viene separata dall'ossido di ferro e dalla silice, che vengono rifiutati come prodotto di scarto sotto forma di fango rosso. Essenzialmente, l'idrossido di alluminio puro viene precipitato dall'alluminato di sodio e quindi calcinato in una serie di gradi di allumina.

Le allumine ad alta purezza utilizzate nell'industria della ceramica e derivate dal processo Bayer sono classificate come allumina tabulare, allumina fusa o allumina calcinata speciale.

L'allumina tabulare è prodotta mediante calcinazione ad alta temperatura (~2,000°C o 3,630°F) di allumina calcinata a bassa temperatura in grandi forni rotanti alimentati a petrolio. L'allumina fusa è prodotta dalla fusione elettrica dell'allumina calcinata. L'allumina tabulare e fusa viene venduta all'industria dei refrattari in forma frantumata e graduata per l'uso in un'ampia gamma di prodotti di alta qualità, come refrattari per colata continua (ad es. per l'applicazione negli altiforni e nell'industria petrolchimica.

Le speciali polveri di allumina calcinata sono le principali materie prime utilizzate nell'industria della ceramica avanzata per applicazioni sia elettroniche che ingegneristiche. Le polveri sono prodotte in un'ampia gamma di gradi secondo rigorose specifiche di chimica, dimensione delle particelle e tipo di cristallo, per soddisfare un'ampia gamma di applicazioni del prodotto finale.

Esiste un commercio internazionale consolidato di allumine di alta qualità. Molti dei produttori di ceramica dispongono di impianti di macinazione e di essiccazione a spruzzo interni. Esiste chiaramente una limitazione alla crescita della fornitura di sistemi atomizzati e una continua necessità di fornire allumine che corrispondano agli impianti dei clienti in modo che l'uso di questi ultimi possa essere ottimizzato a un prezzo accettabile. L'allumina è un importante materiale ceramico disponibile con un elevato grado di purezza. La posizione dominante dell'allumina come materia prima ceramica deriva dal fatto che possiede proprietà desiderabili a un costo relativamente basso. Questa efficacia in termini di costi è attribuibile alla natura merceologica dell'attività derivante dalla grande domanda di allumina da parte dell'industria dell'alluminio.

Zirconi e zirconi. La fonte primaria di zirconia è lo zircone minerale (ZrO₂  SiO₂), che esiste nelle sabbie delle spiagge principalmente in Australia, Sud Africa e Stati Uniti. Lo zircone estratto dalla sabbia della spiaggia contiene circa il 2% di ossido di afnio e tracce di Al₂O₃ (0.5%), Fe₂O₃ (0.1%) e TiO₂ (0.1%). Inoltre, tutti gli zirconi contengono tracce di uranio e torio. Lo zircone viene lavorato mediante macinazione fine per produrre una gamma di prodotti macinati di granulometria definita. Questi prodotti hanno trovato impiego nella microfusione, nelle fonderie, nei prodotti refrattari e come opacizzante negli smalti per ceramiche bianche.

Lo zircone è anche la principale fonte di zirconia. Lo zirconio può essere clorurato in presenza di carbonio per dare tetracloruri di zirconio e silicio che vengono poi separati per distillazione. Il tetracloruro di zirconio prodotto può essere utilizzato per preparare direttamente l'ossido di zirconio o come materia prima per altri prodotti chimici a base di zirconio. La sinterizzazione con ossidi alcalini o alcalino terrosi viene utilizzata anche per decomporre lo zircone. La silice viene lisciviata dai prodotti di decomposizione con acqua, lasciando che l'idrossido di zirconio venga ulteriormente purificato mediante dissoluzione acida e riprecipitazione. Lo zirconio viene quindi ottenuto calcinando l'idrossido. Lo zircone viene anche convertito in zirconia e silice in un plasma a 1,800°C (3,270°F) con raffreddamento rapido per impedire la riassociazione. La silice libera viene rimossa mediante dissoluzione in idrossido di sodio. L'ossido di zirconio fuso viene prodotto in forni elettrici ad arco da materie prime baddeleyite o zircone/carbonio. In quest'ultimo processo il componente siliceo dello zircone viene ridotto carbotermicamente a monossido di silicio, che volatilizza prima della fusione dell'ossido di zirconio residuo.

Sommario

L'industria della ceramica industriale è molto diversificata e c'è molta lavorazione interna. Molte delle operazioni di produzione finali sono in atmosfere tipo fonderia. I sistemi di movimentazione dei materiali in queste operazioni trasportano materie prime pregiate in cui la polvere può essere un problema. I materiali vengono quindi portati a temperature molto elevate e fusi o fusi nelle forme necessarie per le parti finali. Pertanto, molti dei problemi di sicurezza che esistono in qualsiasi industria ad alta temperatura esistono anche nell'industria della ceramica industriale.

Mattoni e piastrelle

Profilo generale

I mattoni e le tegole di argilla sono stati utilizzati come materiale da costruzione fin dai tempi più remoti in molte parti del mondo. Se correttamente realizzati e cotti sono più durevoli di alcune pietre, resistenti alle intemperie e ai grandi sbalzi di temperatura e umidità. Il mattone è un rettangolo di dimensioni standard, leggermente variabili da regione a regione ma sostanzialmente comodo per essere maneggiato con una mano da un muratore; le tegole sono lastre sottili, piane o curve; le piastrelle di argilla possono essere utilizzate anche per i pavimenti.

L'industria dei laterizi è molto frammentata. Ci sono molti piccoli fornitori dislocati in tutto il mondo. La produzione di mattoni tende a coinvolgere fornitori locali e mercati locali a causa del costo di spedizione del prodotto finito. Nel 1994 c'erano 218 stabilimenti di produzione di mattoni negli Stati Uniti e nel 1992 il numero di produttori di prodotti in argilla strutturale nel Regno Unito era elencato a 182, ad esempio. I produttori di mattoni generalmente si trovano vicino ai depositi di argilla per ridurre i costi di spedizione delle materie prime.

Negli Stati Uniti, i mattoni sono utilizzati principalmente nell'edilizia residenziale come materiale portante o come materiale per facciate. Poiché l'industria dei laterizi è così strettamente legata all'industria dell'edilizia abitativa, l'attività manifatturiera dipende fortemente dall'industria dell'edilizia residenziale e dipende quasi totalmente dall'industria combinata dell'edilizia residenziale e non residenziale.

Processo di produzione

Materiali e lavorazioni

Il materiale di base è argilla di varia natura con miscele di argille, scisti e sabbie, secondo l'offerta e le esigenze locali, per conferire le proprietà richieste di consistenza, plasticità, regolarità e ritiro, e colore.

L'estrazione dell'argilla è ora spesso completamente meccanizzata; la lavorazione avviene solitamente a fianco del foro di estrazione, ma nelle grandi opere l'argilla viene talvolta convogliata in pattini su teleferiche. La successiva lavorazione dell'argilla varia a seconda della sua costituzione e del prodotto finale, ma in generale comprende la frantumazione, la macinazione, la vagliatura e la miscelazione. Vedere la figura 16 per una tipica operazione di produzione di mattoni.

Figura 16. La produzione di mattoni e tegole

L'argilla per i mattoni tagliati a filo viene frantumata dai rulli; l'acqua viene aggiunta in un mixer; l'impasto viene nuovamente arrotolato e quindi alimentato attraverso un mulino orizzontale. L'argilla plastica estrusa viene quindi tagliata a misura su un tavolo da taglio a filo. Il materiale plastico semisecco e rigido viene prodotto mediante laminazione e vagliatura e successivamente alimentato a presse meccaniche. Alcuni mattoni sono ancora modellati a mano.

Dove si usa materiale plastico, i mattoni devono essere essiccati o al sole e all'aria, o più frequentemente in forni regolamentati, prima della cottura; i mattoni di plastica semisecca o rigida possono essere cotti immediatamente. La cottura può avvenire in forni ad anello, spesso alimentati manualmente, o in forni a tunnel, alimentati meccanicamente. I combustibili utilizzati variano in base alla disponibilità locale. Ad alcuni mattoni decorativi viene applicato uno smalto di finitura.

Refrattari

Profilo generale

I materiali refrattari sono tradizionalmente considerati non metallici che resistono alla degradazione da parte di gas, liquidi o solidi corrosivi a temperature elevate. Questi materiali devono resistere a shock termici causati da rapido riscaldamento o raffreddamento, cedimenti attribuibili a sollecitazioni termiche, fatica meccanica dovuta al contatto di altro materiale con il refrattario stesso e attacco chimico attivato dall'ambiente ad alta temperatura. Questi materiali sono necessari per la fabbricazione della maggior parte dei prodotti ceramici e sono specificamente necessari in forni, essiccatori, fornaci e parti di motori resistenti alle alte temperature.

I refrattari sono rimasti quasi esclusivamente a base minerale fino al XX secolo inoltrato. Eppure i tecnologi esperti in mineralogia prestavano attenzione. I metallurgisti avevano sperimentato pratiche di scorificazione acida e basica sin dal Medioevo e avevano catalogato alcuni dei vantaggi di ciascuna. Gli artigiani refrattari avevano corrispondentemente sperimentato con ganister, con altri minerali di silice quasi puri e con magnesite, un prevalentemente MgCO₃ minerale che è stato calcinato a MgO. Quando nel 1856 fu inventato il convertitore per la produzione dell'acciaio Bessemer, che combinava temperature di lavoro di oltre 1,600ºC con scorificazione acida corrosiva, i refrattari di silice "acida" erano quasi pronti. Quando nel 1857 seguì la fornace Siemens a suola aperta a temperature ancora più elevate, e la produzione dell'acciaio passò in entrambi i casi alla scorificazione corrosiva basica, furono presto introdotti i rivestimenti “basici” in magnesite. I refrattari di base a base di dolomite (MgO-CaO) furono sviluppati durante la prima guerra mondiale, quando la fornitura europea di magnesite fu interrotta dagli Alleati. Successivamente, con lo sviluppo di altre risorse minerarie in tutto il mondo, la magnesite si è riaffermata.

Tabella 4. Utilizzo del refrattario per settore negli Stati Uniti

 

Nel frattempo, i mattoni di carbonio legati sono stati prodotti nel Regno Unito a partire dal 1863 e alla fine hanno trovato la loro strada nell'altoforno per la fusione del ferro mentre le sue temperature di lavoro salivano ancora più in alto. Entrarono rapidamente anche nelle celle di Hall-Héroult per la produzione di alluminio (1886).

La calce era stata prodotta per circa 5,000 anni utilizzando forni di argilla e poi di mattoni refrattari. La produzione di cemento Portland richiedeva per la prima volta un refrattario innovativo quando furono introdotti i forni rotanti dopo il 1877. I primi rivestimenti resistenti erano realizzati in clinker cementizio. Successivamente i refrattari commerciali più durevoli sono tornati in questo settore.

I forni di recupero e rigenerazione, originati dalla neonata produzione di acciaio nel 1850, furono introdotti nella metallurgia non ferrosa e nella produzione del vetro alla fine del XIX secolo. Anche lì i refrattari di argilla refrattaria dovevano essere sostituiti. I rivestimenti in magnesite sono stati utilizzati nei convertitori di rame dal 19 e nei primi moderni serbatoi di vetro circa 1909 anni dopo. I forni elettrici ad arco furono provati per la prima volta per la produzione dell'acciaio nel 10 e divennero comuni dopo il 1853. Un'unità di circa 1990 tonnellate installata negli Stati Uniti nel 100 utilizzava un rivestimento in magnesite.

I forni ad arco trifase esistevano prima del 1950; fu solo allora che sorsero serie richieste per refrattari più sofisticati. Nello stesso lasso di tempo, negli anni '1940 fu introdotto il soffiaggio di ossigeno nei forni Bessemer e a focolare aperto. Alla fine degli anni '1950, il forno ad ossigeno basico (BOF) ha letteralmente rilevato la produzione dell'acciaio. Il soffiaggio di ossigeno, per la sua mera importanza economica, ha spinto per la prima volta l'industria dei refrattari a introdurre materiali sintetici nei suoi prodotti su scala significativa.

Un altro fattore fondamentale per comprendere le prestazioni di un refrattario è la stabilità dimensionale. Durante l'uso industriale, i materiali refrattari sono soggetti a cicli di riscaldamento/raffreddamento, che provocano l'espansione o la contrazione delle unità refrattarie. Grandi cambiamenti nelle dimensioni ridurranno la stabilità e alla fine potrebbero portare al cedimento della struttura a base refrattaria.

Un fenomeno correlato comunemente osservato con i materiali refrattari è la scheggiatura. La scheggiatura è generalmente considerata frattura, spaccatura o scagliatura del refrattario, con conseguente esposizione della massa interna del materiale. La scheggiatura è solitamente causata da gradienti di temperatura all'interno del materiale, compressione nella struttura dovuta a carichi di grande volume e variazioni del coefficiente di dilatazione termica all'interno del mattone. Ogni sforzo è fatto nella fabbricazione del refrattario per evitare la scheggiatura perché riduce l'efficacia del refrattario.

I refrattari trovano applicazione in un'ampia varietà di applicazioni industriali che vanno dall'uso estensivo nell'industria siderurgica agli usi a basso volume nelle industrie del cemento e dei servizi pubblici. Fondamentalmente, i refrattari vengono utilizzati in qualsiasi industria in cui le alte temperature vengono utilizzate per riscaldare e asciugare o incenerire il materiale. La tabella 4 fornisce una ripartizione attuale per settore dell'uso dei refrattari negli Stati Uniti.

Come si evince dalla tabella 4 l'industria siderurgica è l'area in cui viene utilizzato oltre il 50% del refrattario prodotto negli USA. Pertanto, le esigenze dell'industria siderurgica hanno guidato in larga misura gli sviluppi refrattari che si sono verificati.

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Refrattari moderni

La ceramica era cresciuta notevolmente dall'artigianato alla scienza applicata. L'American Ceramic Society era stata fondata nel 1899, la British Ceramic Society nel 1901. I diagrammi di fase dell'ossido iniziarono ad apparire in letteratura negli anni '1920. Le tecniche di petrografia erano ben sviluppate e si cominciavano a comprendere i meccanismi dettagliati del degrado e dell'usura del refrattario. I produttori americani di refrattari si erano ampiamente riorganizzati, consolidati e capaci di svolgere le proprie ricerche. Gli strumenti di sintesi refrattaria e gli strumenti di indagine erano entrambi fiorenti.

I carboni industriali sintetici non erano, ovviamente, nuovi. La coca cola fu prodotta per la prima volta dal carbone negli anni '1860 dell'Ottocento e poco dopo dal petrolio. La grafite sintetica e il carburo di silicio apparvero quasi contemporaneamente all'inizio del secolo, in seguito all'invenzione di Acheson del forno elettrico riscaldato ad autoresistenza nel 1896. Questi prodotti, avendo proprietà del tutto diverse da quelle degli ossidi, stimolarono rapidamente i propri usi e mercati.

Allumina sintetica, Al₂O₃, era disponibile da quando il processo Bayer iniziò ad alimentare la produzione di alluminio intorno al 1888. La magnesia sintetica (MgO) fu prodotta per la prima volta dall'acqua di mare nel Regno Unito nel 1937 e negli Stati Uniti nel 1942, stimolata dal fabbisogno di magnesio in tempo di guerra. La zirconia era diventata disponibile, anche stimolata dai militari. La calce è stata una merce importante per secoli. Una miriade di altre sostanze chimiche erano a disposizione per essere prese in considerazione come componenti refrattari o come additivi minori e agenti leganti. L'unico componente importante dei refrattari di ossido che per la maggior parte ha resistito alla sostituzione con i sintetici è la silice (SiO₂) Le rocce e le sabbie silicee di elevata purezza abbondano e sono utilizzate in questo settore così come nella formulazione del vetro.

L'uso di materiali sintetici nella produzione di refrattari è stato di enorme aiuto; ma le materie prime minerali non sono state affatto sostituite. I sintetici costano di più e quel costo deve essere giustificato. Alcuni materiali sintetici creano seri problemi nella lavorazione del refrattario e devono essere trovati nuovi modi per superarli. I risultati ottimali sono spesso stati ottenuti combinando materie prime sintetiche e minerali, insieme a input creativi nella loro lavorazione.

Miscele di argilla con carbone erano state utilizzate per rivestire crogioli e mestoli sin da quando il ferro era stato colato per la prima volta; e i mattoni di silice contenenti carbonio furono prodotti in Francia negli anni '1860 dell'Ottocento. Dal 1960 sia le tecniche che le composizioni sono cambiate radicalmente. L'uso di refrattari a base di ossido di carbonio si è moltiplicato, a partire da MgO+C. Il primo vero impulso potrebbe essere stato fornito dal BOF; ma oggi non esiste quasi nessun tipo di ossido refrattario avanzato che non si possa avere con o senza carbonio aggiunto o un precursore di carbonio per prestazioni superiori in applicazioni specifiche.

Il grano o l'aggregato refrattario fuso ad arco era stato prodotto dall'inizio del 1900, e negli anni venti e trenta seguirono mattoni refrattari fusi di diverse composizioni, in particolare di mullite, allumina, magnesia-allumina-silice e allumina-zirconia-silice. Il più delle volte, questi prodotti erano realizzati interamente con materie prime minerali.

I refrattari interamente minerali, infatti, rimangono oggi una componente importante del menu dei prodotti. Sono nel complesso più economici, spesso si comportano in modo ammirevole e ci sono ancora molte applicazioni di minore richiesta così come quelle di richiesta critica per i più alti livelli di refrattarietà e resistenza alla corrosione.

Industria del refrattario

I refrattari si troveranno in uso in molte industrie per rivestire caldaie, fornaci e fornaci di ogni tipo, ma la percentuale maggiore viene utilizzata nella produzione di metalli. Nell'industria siderurgica, un tipico altoforno o forno a focolare aperto può utilizzare molti tipi diversi di refrattari, alcuni fatti di silice, alcuni di cromo e/o magnesite e altri di argilla refrattaria.

Quantità molto inferiori sono utilizzate anche nelle seguenti industrie: gas, coke e derivati; centrali elettriche; sostanze chimiche; cuocere forni e stufe; cemento e calce; ceramica; bicchiere; smalti e smalti; locomotive e navi; reattori nucleari; raffinerie petrolifere; smaltimento dei rifiuti (inceneritori).

Processo di produzione

Il tipo di refrattario utilizzato in una particolare applicazione dipende dai requisiti critici del processo. Ad esempio, i processi che richiedono resistenza alla corrosione gassosa o liquida richiedono bassa porosità, elevata resistenza fisica e resistenza all'abrasione. Le condizioni che richiedono una bassa conduttività termica possono richiedere refrattari completamente diversi. In effetti, vengono generalmente impiegate combinazioni di più refrattari. Non esiste una linea di demarcazione ben definita tra quei materiali che sono e quelli che non sono refrattari, sebbene la capacità di resistere a temperature superiori a 1,100°C senza rammollimento sia stata citata come requisito pratico dei materiali refrattari industriali.

Gli obiettivi tecnici della produzione di un dato refrattario sono incorporati nelle sue proprietà e prestazioni in un'applicazione prevista. Gli strumenti di fabbricazione consistono in scelte tra materie prime e tra metodi e parametri di lavorazione. I requisiti di produzione hanno a che fare con le caratteristiche della composizione delle fasi e della microstruttura, chiamate collettivamente carattere del materiale, che si sviluppano attraverso la lavorazione e sono esse stesse responsabili delle proprietà e del comportamento del prodotto.

Materie prime

In passato, le materie prime refrattarie venivano selezionate da una varietà di giacimenti disponibili e utilizzate come minerali estratti. L'estrazione selettiva ha prodotto materiali con le proprietà desiderate e solo in caso di materie prime costose, come la magnesite, è stato necessario un processo di arricchimento. Oggi, tuttavia, le materie prime naturali di elevata purezza sono sempre più richieste così come i grani refrattari preparati sinteticamente ottenuti da combinazioni di materie prime di elevata purezza e arricchite. Il materiale prodotto dalla cottura di minerali grezzi estratti o miscele sintetiche è chiamato grano, clinker, co-clinker o grog.

I refrattari sono solitamente classificati in quattro tipi: alluminosilicati, silicei (o acidi), basici e vari.

I materiali generalmente utilizzati nei quattro tipi di refrattari includono:

1. Refrattari alluminosilicati. Le argille refrattarie sono costituite principalmente dal minerale caolinite [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2SiO₂ 2H₂O) con piccole quantità di altri minerali argillosi, quarzite, ossido di ferro, titania e impurità alcaline. Le argille possono essere utilizzate allo stato grezzo o dopo essere state calcinate. Le argille grezze possono essere grossolanamente dimensionate o finemente macinate per essere incorporate in una miscela refrattaria. Alcuni caolini di elevata purezza vengono impastati, classificati, essiccati e fatti galleggiare ad aria per ottenere una qualità elevata e costante. Le argille classificate possono anche essere miscelate ed estruse o pellettizzate e quindi calcinate per produrre grog caolinitico sintetico bruciato, oppure la caolinite grezza grossolanamente frantumata può essere bruciata per produrre grog. Dopo calcinazione o combustione, la caolinite si decompone in mullite e un vetro siliceo che incorpora impurità minerali associate al deposito di argilla (ad es. quarzite, ossido di ferro, titania e alcali) e si consolida in grog granulare denso e duro ad alte temperature.
2. Refrattari silicei o acidi utilizzare prevalentemente silice sotto forma di quarzite (ganister) frantumata e macinata (dal 92 al 98%), alla quale viene aggiunta un'idonea sostanza legante, come la calce (CaO). I mattoni di silice vengono generalmente riscaldati due volte perché si espandono quando vengono riscaldati (i mattoni di argilla refrattaria si restringono) ed è auspicabile che l'espansione sia completata prima della costruzione del muro o del rivestimento.
3. Refrattari di base utilizzare dolomite, magnesite (MgO), ossido di cromo, ferro e alluminio.
4. Refrattari vari. Tra la grande varietà di materiali oggi in uso, i più comuni sono i carburi come il carburo di silicio, la grafite, l'allumina, il berillio, il torio, l'ossido di uranio, l'amianto e l'ossido di zirconio.

 

Si sono verificate diverse rivoluzioni nel settore. Inclusi in queste rivoluzioni vi sono ulteriori metodi meccanizzati di manipolazione di solidi in tonnellaggio, maggiori capacità e automazione delle apparecchiature di elaborazione e tecniche per la rapida acquisizione e analisi dei dati di controllo in-process. Questi progressi hanno trasformato la pratica di produzione refrattaria.

La Figura 17 illustra come vengono prodotti diversi tipi di refrattari. La figura è disegnata in stile "albero decisionale" con i rami divergenti codificati da numeri per l'identificazione. Esistono vari percorsi, ognuno dei quali realizza un particolare tipo di prodotto refrattario.

Figura 17. Diagramma di produzione del refrattario

Questi diagrammi di flusso generici rappresentano migliaia di processi specifici, differenziati, ad esempio, per i loro elenchi di materie prime, il modo di preparazione e il dimensionamento e il dosaggio (ovvero la quantità pesata) di ciascuno, la sequenza e il modo di miscelazione e così via. Sono consentite omissioni, ad esempio alcuni refrattari non formati vengono miscelati a secco e mai bagnati fino all'installazione.

I refrattari o prodotti possono essere preformati (sagomati) o formati e installati in opera, ma in generale vengono forniti nelle seguenti forme:

Mattone. Le dimensioni standard di un mattone refrattario sono 23 cm di lunghezza per 11.4 cm di larghezza e 6.4 cm di spessore (mattone dritto). I mattoni possono essere estrusi o pressati a secco su presse meccaniche o idrauliche. Le forme formate possono essere bruciate prima dell'uso o, nel caso di pece, resina o mattoni legati chimicamente (induriti).

Forme in fusione. Le composizioni refrattarie vengono fuse ad arco e colate in forme (ad es. blocchi di flusso in serbatoi di vetro grandi come 0.33, 0.66, 1.33 m). Dopo la fusione e la ricottura, i blocchi vengono accuratamente rettificati per garantire un adattamento preciso.

Refrattari fusi e modellati a mano. Forme grandi, come blocchi di bruciatori e blocchi di flusso, e forme complesse, come parti di alimentazione del vetro, sagger e simili, sono prodotte mediante tecniche di colata di cemento barbottina o idraulica o stampaggio a mano. Poiché queste tecniche sono ad alta intensità di lavoro, sono riservate ad articoli che non possono essere formati in modo soddisfacente in altri modi.

Refrattari isolanti. I refrattari isolanti sotto forma di mattone sono molto più leggeri del mattone convenzionale della stessa composizione in virtù della porosità del mattone.

Calcinabili e miscele per armi da fuoco. I calcinabili sono costituiti da grani refrattari ai quali viene aggiunto un legante idraulico. Dopo la miscelazione con l'acqua, l'agente idraulico reagisce e lega insieme la massa. Le miscele per pistola sono progettate per essere spruzzate attraverso un ugello sotto la pressione dell'acqua e dell'aria. La miscela può essere impastata prima di essere sparata attraverso la pistola o miscelata con acqua all'ugello.

Refrattari plastici e impasti da costipazione. I refrattari plastici sono miscele di grani refrattari e argille plastiche o plastificanti con acqua. Le miscele di speronamento possono contenere o meno argilla e sono generalmente utilizzate con le forme. La quantità di acqua utilizzata con questi prodotti varia ma è ridotta al minimo.

Rischi e precauzioni professionali

La tabella 5 fornisce informazioni su molti dei potenziali pericoli riscontrati in questo settore industriale.

Tabella 5. Potenziali rischi per la salute e la sicurezza rilevati durante la produzione di vetro, ceramica e materiali correlati

 

Problemi di sicurezza e salute e modelli di malattia

Questa sezione fornisce una panoramica dei problemi di sicurezza e salute documentati o sospetti a livello di settore. I dati internazionali sugli infortuni e le malattie in questo settore di attività non sono stati trovati nelle ricerche bibliografiche e nelle ricerche su Internet (nel 1997). Le informazioni raccolte dal Dipartimento del lavoro degli Stati Uniti, dalla Occupational Safety and Health Administration (OSHA) e dal Bureau of Labor Statistics (BLS) sono state utilizzate per identificare i rischi comuni sul posto di lavoro e per descrivere le caratteristiche di infortuni e malattie. Questi dati dovrebbero essere rappresentativi della situazione mondiale.

Pericoli rilevati durante le ispezioni

Le ispezioni di conformità normativa delle aziende nella produzione di prodotti in pietra, argilla, vetro e calcestruzzo (classificazione industriale standard (SIC) codice 32, equivalente al codice ISIC 36) rivelano alcuni dei pericoli comuni in questo settore. Le citazioni di conformità alle normative emesse dall'OSHA indicano che i problemi comuni di salute e sicurezza possono essere raggruppati come segue:

• comunicazione del pericolo dei pericoli fisici e per la salute delle sostanze chimiche negli ambienti di lavoro

• controllo dell'energia pericolosa—procedure di lockout e tagout per controllare le attività intorno a macchinari o apparecchiature in cui l'eccitazione o il rilascio imprevisti di energia immagazzinata potrebbero causare lesioni. L'energia pericolosa comprende radiazioni elettriche, meccaniche, idrauliche, pneumatiche, chimiche, termiche e altre fonti.

• sicurezza elettrica, compresa la progettazione di apparecchiature o sistemi elettrici, metodi di cablaggio, pratiche di lavoro sicure e formazione

• consentire l'accesso in spazi ristretti richiesti— procedure di identificazione, valutazione e accesso sicuro

• dispositivi di protezione individuale—valutazioni, selezione e uso di protezioni per occhi, viso, mani, piedi e testa

• macchine, attrezzature e strumenti di protezione per proteggere gli operatori e i lavoratori adiacenti da pericoli nel punto di lavoro, punti di contatto in entrata e da parti rotanti, schegge volanti o scintille; include macchine fisse, macchine portatili e utensili elettrici portatili, e regolazione di protezioni e appoggi di lavoro su macchine a mola abrasiva (smerigliatrici) (vedi figura 18)

 

Figura 18. La protezione della macchina protegge gli operatori

• protezione respiratoria—selezione, uso, manutenzione, formazione, autorizzazione medica e test di idoneità dei respiratori

• esposizione professionale al rumore—controllo delle esposizioni mediante protezione ingegneristica, amministrativa o dell'udito e attuazione di programmi di conservazione dell'udito

• prevenzione incendi e preparazione e risposta alle emergenze, inclusi estintori, vie di fuga, piani e stoccaggio o utilizzo di materiali infiammabili/combustibili

• superfici di calpestio e di lavoro, compresa la protezione di aperture e fori nel pavimento e nel muro; faccende domestiche; e mantenere corridoi e passaggi liberi da condizioni che presentino rischi di scivolamento, inciampo o caduta (vedere figura 19)

 

Figura 19. Rischi di inciampo e scivolamento

• carrelli industriali motorizzati—progettazione, manutenzione, utilizzo e altri requisiti di sicurezza per carrelli elevatori, carrelli a piattaforma, trattori, carrelli a mano motorizzati o altri carrelli industriali specializzati azionati da motori elettrici o a combustione interna

• scale fisse e portatili, scalinate e trabattelli—progettazione, ispezione o manutenzione e uso sicuro

• protezione anticaduta—uso di sistemi di ritenuta anticaduta e dispositivi di arresto per lavori sopraelevati

• taglio e saldatura—uso sicuro e procedure per ossigeno/acetilene o gas combustibile o attrezzature per il taglio ad arco o per la saldatura

• attrezzature per la movimentazione dei materiali—incluse gru a ponte ea cavalletto, paranchi, catene e imbracature

• controllo dell'esposizione a sostanze tossiche o pericolose, compresi i contaminanti dell'aria o le sostanze chimiche specificatamente regolamentate (ad es. silice, piombo, amianto, formaldeide, cadmio o arsenico).

 

Profilo di infortunio e malattia

Tassi di incidenza delle malattie da infortunio

Sulla base dei dati del Dipartimento del lavoro degli Stati Uniti, i produttori di prodotti in pietra, argilla e vetro (SIC 32) hanno un tasso di incidenza totale "registrabile" di infortuni e malattie professionali non mortali di 13.2 casi ogni 100 lavoratori a tempo pieno all'anno. Questo tasso di incidenza è superiore ai tassi corrispondenti per tutta la produzione (12.2) e tutta l'industria privata (8.4). Circa il 51% dei casi di “infortunio registrabile” nel settore manifatturiero dei manufatti in pietra, argilla e vetro non comporta giorni di assenza dal lavoro (tempo di assenza dal lavoro).

I tassi di incidenza del "caso totale di giorni di lavoro persi" basati sul numero di infortuni o malattie invalidanti che comportano la perdita di giorni di lavoro per un lavoratore ogni 100 lavoratori a tempo pieno sono disponibili anche presso il Dipartimento del lavoro degli Stati Uniti. Il tasso di incidenza totale delle giornate lavorative perse include i casi in cui le giornate lavorative vengono perse e il lavoratore non è in grado di svolgere l'intero ambito del lavoro (servizio limitato o leggero). I produttori di prodotti in pietra, argilla e vetro hanno un tasso di incidenza totale di giornate lavorative perse di 6.5 casi ogni 100 lavoratori all'anno. Questo è superiore ai tassi corrispondenti per tutta la produzione (5.5) e per tutta l'industria privata (3.8). Circa il 93% dei casi di giornate lavorative perse nel settore manifatturiero di prodotti in pietra, argilla e vetro deriva da infortuni piuttosto che da malattie professionali.

La tabella 6 presenta informazioni più dettagliate sui tassi di incidenza di infortuni e malattie (combinati) o infortuni (da soli) per vari tipi di processi produttivi all'interno del settore manifatturiero di prodotti in pietra, argilla e vetro (codice SIC 32). I tassi di incidenza e i dati demografici potrebbero non essere rappresentativi delle informazioni globali, ma sono le informazioni più complete disponibili.

 

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Tabella 6. Tassi di incidenza di infortuni sul lavoro e malattie non mortali¹ per 100 lavoratori a tempo pieno per le società statunitensi nel codice SIC 32, industria privata e manifatturiera, 1994

 

nec = non classificato altrove
- = dato non disponibile

¹ I tassi di incidenza rappresentano il numero di infortuni e malattie per 100 lavoratori a tempo pieno e sono stati calcolati come numero di infortuni e malattie diviso per le ore lavorate da tutti i dipendenti nell'anno solare moltiplicato per 200,000 (l'equivalente di base per 100 lavoratori a 40 ore settimanali per 52 settimane all'anno).

² Manuale di classificazione industriale standard Edizione 1987.

³ L'occupazione è espressa come media annuale ed è stata derivata principalmente dal programma BLS State Current Employment Statistics.

⁴ I casi totali includono i casi che riguardano solo l'attività lavorativa limitata, oltre ai casi di assenza dal lavoro con o senza attività lavorativa limitata.

⁵ I giorni di assenza dal lavoro comprendono i casi che derivano da giorni di assenza dal lavoro, con o senza attività lavorativa limitata.

Fonte = Fonte: sulla base di un'indagine nazionale sugli infortuni e le malattie legate al lavoro nell'industria privata condotta dal Dipartimento del lavoro degli Stati Uniti, Bureau of Labor Statistics.

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Dati demografici degli infortuni e dei casi di malattia

I lavoratori di età compresa tra i 25 ei 44 anni rappresentavano circa il 59% dei 23,203 casi di infortunio o malattia con perdita di tempo nel settore manifatturiero statunitense di prodotti in pietra, argilla e vetro. Il successivo gruppo più colpito era quello dei lavoratori di età compresa tra 45 e 54 anni, che avevano il 18% dei casi di infortunio o malattia con perdita di tempo (vedere figura 20).

Figura 20. Infortuni e malattie per età per età; NOI

Circa l'85% dei casi di infortuni e malattie con perdita di tempo perso nel codice SIC 32 erano di sesso maschile. Nel 24% dei casi di tempo perso (entrambi i sessi), i lavoratori avevano meno di 1 anno di servizio al lavoro. I lavoratori con un'anzianità di servizio da 1 a 5 anni rappresentano il 32% dei casi. I dipendenti esperti con più di 5 anni di servizio costituivano il 35% dei casi di perdita di tempo.

Natura. L'analisi dei profili degli incidenti con tempo perso caratterizza la natura degli infortuni e delle malattie invalidanti e aiuta a spiegare i fattori causali o contribuenti. Stiramenti e distorsioni sono la natura principale di lesioni e malattie nel settore della produzione di prodotti in pietra, argilla e vetro. Come mostrato nella figura 23, stiramenti e distorsioni costituiscono circa il 42% di tutti i casi di perdita di tempo. Tagli e punture (10%) erano la seconda natura più comune di lesioni o malattie invalidanti. Altre principali categorie di lesioni sono state le contusioni (9%), le fratture (7%) e il mal di schiena/altro (5%). Ustioni da calore, ustioni chimiche e amputazioni erano meno comuni (1% o meno).

Figura 21. Infortuni e malattie professionali

Eventi o esposizioni. La Figura 22 mostra che lo sforzo eccessivo durante il sollevamento porta a tutti gli altri eventi o esposizioni invalidanti. Lo sforzo eccessivo durante il sollevamento è stato un fattore causale in circa il 17% dei casi invalidanti; il movimento ripetitivo era l'esposizione in un ulteriore 5% dei casi invalidanti. Colpito da un oggetto è stato il successivo evento più comune, che ha portato al 16% dei casi. L'urto contro un oggetto ha causato il 10% dei casi. Altri eventi importanti sono stati catturati da un oggetto (9%), cadute allo stesso livello (9%), cadute a un livello inferiore (6%) e scivolate/inciampi senza cadere (6%). L'esposizione a sostanze nocive o all'ambiente è stata causale solo nel 5% dei casi.

Figura 22. Evento o esposizione negli infortuni sul lavoro

Parte del corpo. La parte del corpo più colpita è stata la schiena (24% dei casi) (vedi figura 23). Lesioni agli arti superiori (dito, mano, polso e braccio combinati) si sono verificate nel 23% dei casi, con lesioni al dito nel 7% dei casi. Le lesioni agli arti inferiori erano simili (22% dei casi), con il ginocchio colpito nel 9% dei casi.

Figura 23. Parte del corpo colpita da infortunio con giornata lavorativa persa

fonti. Le fonti più comuni di infortuni o malattie invalidanti sono state: parti e materiali (20%); posizione o movimento del lavoratore (16%); pavimentazioni, camminamenti o pavimentazioni (15%); contenitori (10%); macchinari (9%); veicoli (9%); utensili manuali (4%); mobili e arredi (2%); e prodotti chimici e prodotti chimici (2%) (vedi figura 24).

Figura 24. Fonti degli infortuni sul lavoro

Prevenzione e controllo delle malattie

Il trauma cumulativo associato a movimenti ripetitivi, sforzi eccessivi e forze eccessive è un riscontro comune in questo settore manifatturiero. In alcuni casi sono disponibili dispositivi robotici, ma dominano ancora le pratiche di movimentazione manuale. Compressori, soffianti, centrifughe, vibratori pneumatici e attrezzature per l'imballaggio possono creare rumori superiori a 90-95 dBA. La protezione dell'udito e un sano programma di conservazione dell'udito impediranno cambiamenti permanenti nell'udito.

Questa industria consuma grandi quantità di silice cristallina. L'esposizione deve essere limitata durante la manipolazione, la manutenzione e la pulizia. Una buona pulizia con un adeguato sistema di aspirazione o metodi di pulizia a umido ridurranno le potenziali esposizioni. Lo screening periodico deve essere condotto utilizzando test di funzionalità polmonare e radiografie del torace se si è verificata un'esposizione eccessiva alla silice. Dovrebbero essere ridotte al minimo anche le esposizioni ai metalli pesanti trovati come materie prime, smalti o pigmenti. L'uso di sostituti dei metalli pesanti presenti negli smalti eliminerà anche i problemi di salute relativi alla lisciviazione dei metalli negli alimenti o nelle bevande. Buone pratiche di pulizia e protezione delle vie respiratorie sono utilizzate per prevenire gli effetti avversi. Potrebbe essere necessaria una sorveglianza medica che includa il monitoraggio biologico.

L'uso di leganti contenenti formaldeide, epossidici e silani è comune nella produzione di fibre vetrose. È necessario adottare misure per ridurre al minimo l'irritazione della pelle e delle vie respiratorie. La formaldeide è regolamentata come cancerogeno in molti paesi. Le fibre respirabili vengono prodotte durante la produzione, la fabbricazione, il taglio e l'installazione di vetro, roccia, scorie e prodotti in fibra ceramica refrattaria. Sebbene l'esposizione alle fibre disperse nell'aria sia stata generalmente piuttosto bassa (meno di 1 fibra per centimetro cubo) per la maggior parte di questi materiali, le applicazioni di soffiaggio loose fill tendono ad essere molto più elevate.

Roccia, scorie e vetro sono tra i prodotti isolanti commerciali più ampiamente studiati in uso oggi. Studi epidemiologici hanno rivelato che il fumo di sigaretta sta avendo un impatto importante sulla mortalità per cancro al polmone tra i dipendenti della produzione. Studi trasversali ben condotti non hanno dimostrato che le fibre producano un'eccessiva mortalità o morbilità polmonare. Recenti studi di inalazione cronica nei ratti hanno dimostrato che la durabilità delle fibre vetrose è un determinante critico del potenziale biologico di queste fibre. La composizione, che determina la durata di queste fibre, può variare notevolmente. Per evitare problemi di salute pubblica, un comitato tecnico della Commissione europea ha recentemente proposto di testare la biopersistenza delle fibre vetrose mediante inalazione a breve termine. Come fibra di riferimento viene suggerita una composizione di lana isolante che è stata accuratamente testata alla massima dose tollerata per inalazione cronica nei ratti e che non produce malattie irreversibili.

Problemi ambientali e di salute pubblica

L'inquinante atmosferico primario emesso durante la produzione di vetro, ceramica, vasellame e mattoni è il particolato. È disponibile la massima tecnologia di controllo ottenibile costituita da filtri a maniche e precipitatori elettrostatici umidi per ridurre le emissioni quando necessario. Gli inquinanti atmosferici pericolosi generati durante i processi di miscelazione, applicazione e indurimento del legante sono sotto esame. Queste sostanze includono stirene, silani ed epossidici utilizzati su filamenti continui di vetro e formaldeide, metanolo e fenolo utilizzati durante la produzione di rocce, scorie e vetro. La formaldeide è il pericoloso inquinante atmosferico che guida gli standard di controllo per queste ultime linee di produzione. Gli inquinanti atmosferici pericolosi dei metalli pesanti come il cromo stanno guidando gli standard dei forni di fusione del vetro mentre NO_x e così_x rimangono problemi in alcuni paesi. Le emissioni di fluoruro e boro sono motivo di preoccupazione nella produzione continua di filamenti di vetro. Il boro può anche diventare un problema ambientale se in alcuni paesi sono richieste fibre di lana di vetro vetrosa altamente solubili.

A causa dell'elevato volume d'aria scaricato e della natura della formatura e della fusione del vetro, l'industria fa evaporare notevoli quantità di acqua. Molte strutture, come, ad esempio, negli Stati Uniti, non hanno scarichi di acque reflue. Le acque reflue riciclate che contengono materiale organico possono creare rischi biologici sul posto di lavoro se il trattamento non viene attuato per prevenire la crescita biologica (vedere figura 25). I rifiuti generati da questo settore industriale includono metalli pesanti, sostanze corrosive, alcuni leganti e solventi esausti. L'industria della fibra di vetro è diventata un punto importante per il riciclaggio di bottiglie di vetro e lastre di vetro. Ad esempio, gli attuali prodotti in lana di vetro contengono dal 30 al 60% di vetro riciclato. Anche i refrattari esausti vengono recuperati e riutilizzati in modo vantaggioso.

Figura 25. Aerosol di acque reflue riutilizzate

Ringraziamenti: Un ringraziamento speciale a Dan Dimas, CSP, Libbey-Owens-Ford, per aver fornito fotografie, ea Michel Soubeyrand, Libbey-Owens-Ford, per aver fornito informazioni sulla deposizione chimica da vapore per la sezione sul vetro.

 

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Le fibre ottiche sono fili di vetro sottili come capelli progettati per trasmettere i raggi luminosi lungo il loro asse. Diodi emettitori di luce (LED) or diodi laser convertire i segnali elettrici in segnali ottici che vengono trasmessi attraverso un nucleo cilindrico interno del cavo in fibra ottica. Le proprietà di rifrazione inferiori del rivestimento esterno consentono la propagazione dei segnali luminosi mediante riflessione interna lungo il nucleo cilindrico interno. Le fibre ottiche sono progettate e realizzate per propagarsi sia come un singolo raggio di luce che come più fasci di luce trasmessi simultaneamente lungo il nucleo. (Vedi figura 1.)

Figura 1. Fibre ottiche monomodali e multimodali

La fibra monomodale viene utilizzata principalmente per la telefonia, le applicazioni di televisione via cavo e le dorsali dei campus. La fibra multimodale è comunemente utilizzata per le comunicazioni di dati e nelle reti locali.

Produzione di fibre ottiche

Sono necessari materiali e processi speciali per fabbricare fibre ottiche che soddisfino i criteri di progettazione di base: (1) un nucleo con un indice di rifrazione elevato e un rivestimento con un indice di rifrazione basso, (2) una bassa attenuazione del segnale o perdita di potenza e (3) una bassa dispersione o allargamento del fascio luminoso.

Il vetro di silice ad alta purezza con altri materiali vetrosi (ad es. vetri al fluoruro di metalli pesanti, vetri al calcogenuro) sono i materiali primari attualmente utilizzati per la produzione di fibre ottiche. Vengono utilizzati anche materiali policristallini, materiali monocristallini, guide d'onda cave e materiali plastici polimerici. Le materie prime devono essere relativamente pure con concentrazioni molto basse di metalli di transizione e gruppi che formano idrossili (al di sotto del livello di parti per miliardo). I metodi di lavorazione devono proteggere il vetro di formatura dalle impurità nell'ambiente di produzione.

Le fibre ottiche vengono prodotte utilizzando una preparazione in fase vapore non convenzionale di una preforma di vetro che viene poi trafilata nella fibra. I composti volatili di silice vengono convertiti in SiO₂ mediante idrolisi alla fiamma, deposizione chimica da vapore (CVD) o ossidazione ad alta temperatura. Altri droganti vengono quindi aggiunti al vetro per modificare le proprietà del vetro. Le variazioni nel processo di deposizione da vapore iniziano con lo stesso materiale ma differiscono nel metodo utilizzato per convertire questo materiale in silice.

Uno dei seguenti metodi di deposizione in fase vapore viene utilizzato per produrre fibre ottiche a base di silice: (1) deposizione chimica da vapore modificata (MCVD), (2) deposizione chimica da vapore al plasma (PCVD), (3) deposizione esterna da vapore (OVD), e (4) deposizione assiale in fase vapore (VAD) (vedi figura 2). Tetracloruro di silicio (SiCI₄), tetracloruro di germanio (GeCI₄) o altri alogenuri liquidi volatili si convertono in gas se riscaldati leggermente a causa delle loro elevate pressioni di vapore. L'alogenuro gassoso viene inviato a una zona di reazione e convertito in particelle di vetro (vedere anche il capitolo Microelettronica e semiconduttori.)

Figura 2. Diagramma di flusso della produzione di fibre ottiche

MCVD ed PCVD i processi. Un tubo di silice fusa di alta qualità è fissato a un tornio per la lavorazione del vetro dotato di un cannello a idrogeno/ossigeno che ne attraversa la lunghezza. Una fornitura di materiale alogenuro è fissata ad un'estremità del tubo di vetro e uno scrubber all'estremità opposta per rimuovere il materiale alogenuro in eccesso. La superficie del tubo di vetro viene prima pulita mediante lucidatura a fuoco mentre la torcia attraversa la lunghezza del tubo. Vari reagenti vengono aggiunti nel sistema di vapore a seconda del prodotto da fabbricare. Si verifica una reazione chimica quando gli alogenuri passano attraverso la sezione del tubo da riscaldare. Gli alogenuri si convertono in particelle di "fuliggine" di silice che si depositano sulla parete interna del tubo di vetro a valle della torcia. Le particelle depositate vengono sinterizzate nello strato di vetro. Il processo PCVD è simile a MCVD tranne per il fatto che gli alogenuri sono forniti da un sistema di gorgogliamento e le microonde vengono utilizzate invece di una torcia per convertire il materiale alogenuro in vetro.

OVD e VAD i processi. Nella prima fase del processo di produzione della fibra, il core ed rivestimento i vetri sono vapori depositati attorno a un'asta bersaglio rotante per formare una preforma di "fuliggine". Il materiale di base viene depositato per primo, seguito dal rivestimento. L'intera preforma deve essere estremamente pura, poiché sia ​​il nucleo che il rivestimento sono depositati a vapore. La geometria della fibra viene determinata durante la fase di posa della produzione. Dopo che l'asta bersaglio è stata rimossa, la preforma viene posta in un forno, dove viene consolidata in un vetro solido e trasparente e il foro centrale viene chiuso. Il gas viene fatto passare attraverso la preforma per rimuovere l'umidità residua che influisce negativamente sull'attenuazione della fibra (perdita di segnale ottico quando la luce si trasmette lungo l'asse della fibra). Le preforme vengono quindi lavate con acido fluoridrico per garantire la purezza del vetro e rimuovere i contaminanti.

La preforma di vetro consolidata viene posta in una torre di stiratura per formare un filo continuo di fibra di vetro. Per prima cosa la preforma viene caricata nella parte superiore di un forno di trafilatura. Successivamente, la punta della preforma viene riscaldata e un pezzo di vetro fuso inizia a cadere. Quando questo pezzo viene disegnato (tirato), passa attraverso un monitor del diametro in linea per garantire che la fibra soddisfi un diametro specificato esatto (solitamente misurato in micron). Il diametro del rivestimento della fibra deve essere conforme a specifiche esatte per mantenere bassa la perdita di segnale alle connessioni . Il diametro del rivestimento esterno viene utilizzato come guida per allineare i nuclei delle fibre durante l'uso finale. I nuclei devono allinearsi in modo che il trasferimento della luce avvenga in modo efficiente.

Il polimero acrilato o altri rivestimenti vengono applicati e polimerizzati con lampade ultraviolette. I rivestimenti hanno lo scopo di proteggere la fibra ottica dall'ambiente durante l'uso finale. Le fibre ottiche sono testate per garantire la conformità agli standard di produzione per resistenza, attenuazione e geometria. Lunghezze specifiche di fibra vengono avvolte su bobine in base alle specifiche del cliente.

Durante la produzione di fibre ottiche si incontrano numerosi potenziali pericoli. Questi includono: (1) esposizione all'acido fluoridrico (durante la pulizia delle preforme di vetro), (2) energia radiante e stress termico associati ad ambienti di lavoro vicino a torni e processi di deposizione di vapore, (3) contatto diretto con superfici calde o materiale fuso (preforme di vetro ), (4) esposizione a rivestimenti polimerici di acrilato (sensibilizzatori della pelle), (5) punture e lacerazioni della pelle durante la manipolazione delle fibre e (6) una varietà di rischi fisici precedentemente descritti.

 

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