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Fabricación de tubo de vidrio
L1 pl( ai oiomo"^ VIGENTE ELIAS Y MARTINENA
Director Técnico de Tubos de Vidrio, S. A., Bilbao
RESUMEN
Se describen los resultados de una campaña de fabricación de tubo de vidrio al plomo en un pequeño horno de cuba de 400 mm, de profundidad, doble bóveda y recuperador cerámico, provisto de burbujeadores de aire y antehorno comunicado por garganta sumergida. La campaña duró tres meses.
No hubo dificultades especiales para la fabricación del tubo, salvo las procedentes de las estrechas tolerancias en diámetro y espesor, y los rendimientos fueron aceptables.
Se señalan las siguientes observaciones: a) Pérdida al fuego muy superior a la prevista en el óxido de plomo, con
notables deposiciones en zonas más frías de superestructura y canales de humos; b) enriquecimiento superficial en sílice del vidrio del antehorno; c) gran corrosividad de los humos enriquecidos en óxido de plomo, frente a los materiales refractarios de la superestructura, bóvedas, canales de humo y principalmente las piezas del recuperador, no obstante el eficaz funcionamiento del poche a verre instalado en su entrada; á) buen comportamiento de los materiales electrofundidos en la cuba y del silicoaluminoso en el fondo.
SUMMARY
The results are described of a lead glass tube manufacturing campaign in a small melting tank, 400 m?n. deep, provided with double arch, ceramic recuperator, air bubblers and working chamber connected by a submerged neck. The campaign lasted three months.
There were no special difficulties for manufacturing the tube, except those proceeding from the narrow tolerances in diameter and thickness. The yield was acceptable.
The following observations were made: a) Fire loss much higher than that anticipated for lead oxide, with abundant deposition in the coldest zones of the superstructure and flues; b) Superficial enrichment in silica of the
* Comunicación presentada a la / / Reunión Técnica del Vidrio, celebrada en Barcelona durante los días 15-18 de abril 1970.
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glass in the working chamber; c) High corrosiveness of the smoke enriched with lead oxide towards the refractory materials of the superstructure, arches, flues and main parts of the recuperator, in spite of the efficient functioning of the poche a verre installed at its entrañice; d) Good performance of the electrofused refractories in the melting tank and of the fireclay refractories in the bottom.
I. Introducción
Algunas consideraciones de tipo comercial nos aconsejaron, a finales de 1968, ensayar la fabricación de tubo de vidrio con alto contenido en plomo, cuyo mercado en España, principalmente el sector de la iluminación eléctrica, pensamos podía absorber nuestra eventual producción.
Por tratarse de una fabricación muy concreta y especializada y siendo el tiempo de que disponíamos muy escaso, no pudimos obtener asistencia técnica exterior, por lo que la decisión sobre la composición a utilizar y demás condiciones de trabajo, la tomamos basándonos en los siguientes puntos:
1. Los análisis de varias muestras de vidrio al plomo obtenidas en el mercado.
2. El estudio de la bibliografía a nuestra disposición y artículos y comunicaciones en revistas especializadas.
3. Los ensayos de laboratorio para obtener con nuestras primeras materias habituales un vidrio de las características requeridas.
4. La posibilidad de que uno de nuestros hornos, con el que podíamos contar en corto plazo, fuese adecuado para la fusión del vidrio buscado.
No teníamos ninguna información sobre las características de "trabajabili-dad" como tubo, del producto que obtuviéramos.
Los anáilisis practicados sobre las muestras obtenidas, nos inclinaron a buscar la siguiente composición centesimal :
sílice (SÍO2): 57,00 % óxido de plomo (PbO) : 29,00 % sosa (Na^O) : 7,50 % potasa (K^O): 4,50 %
alúmina ( A l A ) : 1,00 %
El estudio de la bibliografía nos orientó sobre lo que podíamos esperar al fundir este tipo de vidrio, destacando unos comentarios sobre la teoría de los formadores de vidrio de A. Winter y otros sobre la tendencia a la des-
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vitrificación del mismo, relacionada con la teoría de E. Zschimmer para evitar este fenómeno que, por otra parte, no se nos presentó en la práctica.
En dicha bibliografía encontramos abundante información teórica, como en el trabajo de C. F. Leiser (1963) y otra de carácter práctico, como en el de D. B. Ginzburg y sus colaboradores (1965).
De acuerdo con las fuentes de información, consideramos a los vidrios al plomo como poseedores de ciertas características, como son:
amplio campo de trabajo a temperatura relativamente baja; alto índice de refracción ; resistencia a la desvitrificación ; baja conductividad eléctrica; fuerte absorción de los rayos X y gamma.
En el terreno puramente científico, el plomo se nos presentaba como modificador del retículo tetraédrico de sílice (SiOJ, cuando está presente en baja concentración de óxido de plomo (PbO), y como posible sustituyen te del silicio en el tetraedro de sílice, cuando alcanza concentración elevada y aparece en forma de ortosilicato de plomo (Si04Pb2), bien formando una cadena con enlaces de sílice terciarios en los extremos, bien en forma de un tetraedro con base de un ion plomo (Pb04).
Teniendo en cuenta que, una vez formado, el silicato de plomo tiende a «segregarse de las regiones ricas en sílice en los sistemas binarios óxido de plomo-sílice, que confirma la complejidad de las reacciones entre ambos cuerpos, recalcada por las notables variaciones de la viscosidad de vidrios ternarios óxido de plomo-potasa-sílice, cabe esperar una cierta tendencia a la in-homogeneidad en los vidrios al plomo.
Profundizando en las características del óxido de plomo en relación con los vidrios que puede formar, aparece también otro fenómeno, el de la notable volatilización que se produce a temperaturas elevadas y que es claramente proporcional a ellas.
El aumento de la volatilización del óxido de plomo con la temperatura está, a su vez, relacionado con el desplazamiento hacia la izquierda de cualquiera de las reacciones que pueden producirse entre el óxido de plomo y la sílice, para dar metasilicato u ortosilicato de plomo.
Cuanto más elevadas sean las temperaturas a la que se produzcan los procesos, mayor será el desplazamiento hacia la izquierda de las citadas reacciones y, por lo tanto, será mayor la concentración de óxido de plomo en el baño de vidrio y, en consecuencia, su volatilización.
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La velocidad de difusión del óxido de plomo en el vidrio líquido fundido tiene también un efecto determinante sobre su volatilización. Esta velocidad de difusión evoluciona con la viscosidad, baja en los vidrios ricos en plomo, y aumenta a medida que se sustituye el ion plomo por el ion potasio o por un ion alcalino en general (fig. 1).
Como consecuencia del empobrecimiento superficial en óxido de plomo volatilizado, en los vidrios fundidos se forma una capa enriquecida en sílice que, por tener un menor peso específico, se mantiene en la superficie, actuando
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FiG. 1.—Variación de la viscosidad en el sistema PbO-K¡0-SiO¡.
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de pantalla protectora, que impide parcialmente la posterior volatílización de mayores cantidades de óxido de plomo, ya que la velocidad de difusión de éste es ;menor a través de dicha capa enriquecida en sílice.
Desde un punto de vista práctico, podíamos pronosticar varios fenómenos :
fuerte volatilidad del óxido de plomo ; posible inhomogeneidad del vidrio obtenido; corrosión de los materiales refractarios, superior a la que se observa en
otros tipos de vidrios ; tendencia a la reducción del óxido de plomo, con posible aparición de una
fase líquida de plomo metálico.
La homogeneización del vidrio planteaba otros dos problemas :
profundidad óptima de la cuba ; agitación del vidrio durante su afinado.
Siendo el vidrio al plomo relativamente poco permeable a la radiación calorífica, la disminución de la temperatura en función de la profundidad de la cuba es algo superior que en otros vidrios (fig. 2). Naturalmente, cuanto mayor sea dicha profundidad, mayor será la diferencia de temperaturas y, por tanto, de viscosidades entre la superficie y el fondo.
Estas diferencias, unidas a la fuerte volatilización del óxido de plomo, han de favorecer la inhomogeneidad del vidrio y pueden justificar una "sobreagi-tación" del mismo, que se evite en lo posible, reduciendo al mínimo la capa silicosa superficial y poniendo en contacto vidrios de distintas profundidades.
Si esta sobreagitación se produce mediante el burbujeo de un gas a través del vidrio, puede asegurarse que el producto aparecerá lleno de minúsculas burbujas, que pueden proceder de la diferencia de gas disuelto en las capas más profundas, en relación con las superficiales. Existiendo un equilibrio, éste se rompe con el citado burbujeo.
En cuanto a la corrosión de los materiales refractarios, la orientación obtenida era bastante vaga, distinguiéndose entre la que sufren los materiales de la cuba, en contacto con el vidrio fundido y que en principio se recomienda sean electrofundidos, y la de los que forman las superestructuras, bóvedas, canales de humos, decantador de polvo y recuperador.
En la corrosión de la cuba, no parece que el vidrio al plomo sea más activo que otros vidrios, sino que en ella intervienen ciertas de sus características, como la mayor densidad y baja tensión superficial, que produce una ma-
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E e 1300 1400^0 '
fusion
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1250° C
F I G . 2.—Variación de la temperatura en función de la profundidad de la capa de vidrio.
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yor ^'mojadura" de los refractarios y por lo tanto una mayor posibilidad de atacarlos, teniendo a este respecto una gran importancia la porosidad superficial de dichos materiales refractarios.
Completaban nuestro análisis de posibilidades algunos otros detalles interesantes, relacionados con la manufactura de este vidrio, tales como :
conveniencia de que la carga a introducir tenga una humedad, cuyo óptimo se cifra en el 4 % ;
disminución de la volatilización del óxido de plomo empleando silicato de plomo como primera materia;
influencia beneficiosa de altos porcentajes de chatarra en la carga, que aumentan la velocidad de fusión y disminuyen la corrosión de los materiales refractarios ;
influencia de los contenidos de alúmina y anhídrido bórico en la disminución de la volatilización.
Una vez decidida la composición, la ensayamos repetidamente en el laboratorio, obteniendo buenos resultados, pero sin que pudiéramos observar el fenómeno de volatilización extraordinaria, lo cual nos explicamos como consecuencia de la pequeña superficie que presenta un crisol y de la temperatura relativamente baja a que se funden los vidrios en estas condiciones.
Quedaba, finalmente, la incógnita de la idoneidad de nuestro horno (fig. 3),
pero pensamos que podríamos utilizarlo, puesto que del trabajo de D. B. Ginz-
burg se desprendía que una profundidad de cuba de 900 mm. podía ser ex
cesivo para una buena homogeneización, incluso con burbujeo, y que éste co
mienza a ser eficaz a partir de 600 mm. y menos.
Teniendo nuestro horno 400 mm. de profundidad y disponiendo en él de burbujeadores de aire, creíamos poder contar con los recursos necesarios para fundir y homogeneizar bien el vidrio al plomo, teniendo en cuenta, además, que los laterales de la cuba eran de refractario electrofundido.
Por lo demás, nuestro horno no se parecía, ni en disposición ni dimensiones, al utilizado por Ginzburg (fig. 4).
II. Resumen de las informaciones recogidas, base de nuestra decisión
1. No tuvimos dificultad en obtener una composición razonable.
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113GPC
121CPC
o LO OJ
ZT 11300° C 1460OC
^ A A
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4300
FiG. 3.—Horno utilizado.
2. Estábamos seguros de encontrar :
una fuerte volatilización de óxido de plomo ; un vidrio difícil de homogeneizar ; una notable corrosión de los materiales refractarios ; una clara tendencia a la reducción del óxido de plomo.
3. Los ensayos de laboratorio nos confirmaron lo acertado de nuestra composición, si bien no nos proporcionaron orientación sobre los inconvenientes que pensábamos encontrar durante la fabricación.
4. Nuestro horno, teniendo 400 mm. de profundidad, burbujeadores y cuba en material refractario electrofundido, debía poder ser utilizado en la fusión de este vidrio.
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"1170 144(PC
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1000
FiG. 4.—Horno de referencia.
III. Resultados prácticos
1. PUESTA EN MARCHA
No tuvimos ninguna dificultad en ella, realizando un solo lavado del horno, sin apagarlo, con unos 2.000 kilos de chatarra de vidrio al plomo, que adquirimos en el mercado. A las cuarenta y ocho horas de alcanzar el nivel, con una composición al 50 % de chatarra respecto al vidrio fundido, aprovechábamos el tubo, con rendimientos aceptables.
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2. CONDUCCIÓN DEL HORNO
Teniendo en cuenta las relativamente bajas temperaturas, tampoco^ fue difícil la conducción y regulación de las mismas, para obtener una buena fusión de vidrio homogéneo.
3. CONDUCCIÓN DEL ESTIRADO DEL TUBO
A pesar de nuestra prevención, pues pensábamos se trataba de un vidrio muy difícil para estirar como tubo, nos encontramos con un vidrio muy "correoso", que no se rompía nunca y que, una vez formado el tubo, absorbía perfectamente las diferencias de velocidad de estirado, incluso arrastrándose por el suelo antes que romperse.
Esto se debe, indudablemente, a su amplio campo de trabajo y, precisamente, debido a esta condición fue donde encontramos alguna dificultad en la fabricación del tubo. Efectivamente, en otras calidades de vidrio, al ser el campo de trabajo más restringido, las condiciones óptimas de trabajo representan un vértice difícil de alcanzar, pero que cuando se obtiene hace que los rendimientos sean altos, mientras que si no se llega a él, son mínimos.
En el tubo al plomo, es relativamente fácil conseguir un estirado normal, pero las condiciones óptimas, para un calibre y espesor determinados, son difíciles de obtener, pues se encuentran mucho más difuminadas, de forma que los rendimientos son más regulares, pero, por lo menos en nuestra primera campaña, menores que en otras calidades.
Otro factor de disminución del rendimiento, ajeno a las condiciones intrínsecas del vidrio, es la rigurosidad de las exigencias del mercado en cuanto a las dimensiones del tubo.
4. INCONVENIENTES ENCONTRADOS
Cronológicamente, y una vez iniciada la campaña, encontramos los siguientes, ya previstos :
a) Dificultades en la eliminación total del bullón
Comenzando el burbujeo en las mismas condiciones llevadas durante la campaña con el vidrio de sosa-cal-sílice, pronto nos dimos cuenta de que no se podía obtener el tubo exento del minúsculo bullón del horno.
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Pensando que con la poca profundidad del nuestro no se produciría el fenómeno de desequilibrio de la disolución de gases a distintas alturas, tratamos de eliminarlo aumentando la temperatura de afinado en unos 20° C, sin obtener resultados positivos. Optamos por la supresión de algunos de los numerosos burbujeadores de la barrera, terminando por dejar solamente dos. El bullón presente disminuyó en un 80 %, pasando a ser admisible en número y tamaño.
b) Pérdida al fuego
Una vez obtenidos los primeros análisis del vidrio producido, rectificamos la cantidad de minio a introducir, para compensar la pérdida por volatilización del óxido de plomo.
Esta, muy elevada a la temperatura a que trabajábamos, pudo ser cifrada con bastante aproximación.
Efectivamente, comprobamos que, si un mol de minio (PbsOJ con un peso de 685 gr. debe dar tres moles de óxido de plomo, con un peso total de 669 gr., lo que representa un rendimiento de 97,50 %, en realidad solamente cede 615 gr. o sea, 89,70 %.
Esta diferencia de 54 gr./mol hace que la pérdida diaria sea del orden de 100 Kg.
Como suponemos que el fenómeno se produce en toda la superficie del horno (6,24 m^), en nuestras condiciones de trabajo (1.460° C y 0,5 mm. ca.), ciframos la volatilización en unos 16 Kg/m^/día o sea, unos 660 gr/m^/día.
Las consecuencias de esta volatilización no pudimos apreciarlas en el mismo horno, ya que el enérgico burbujeo impedía la formación de la capa enriquecida en sílice que habíamos previsto, rompiéndola. Todas las muestras tomadas en el horno a distintas profundidades, daban análisis centesimales muy parecidos y análogos al del vidrio estirado.
Donde se apreciaron claramente fue en el antehorno, ya que por no disponer de overflow o purgas continuas, se formó paulatinamente una costra superficial, rica en sílice, cuya mayor dureza se apreciaba fácilmente y que daba a la superficie del mismo un aspecto mate.
Esta capa enriquecida en sílice, fue aumentando de espesor, llegando a salir por el paso sumergido y caer en el mandrino, modificando las condiciones del vidrio estirado, lo cual nos obligó, durante toda la campaña, a realizar un "rabiado" o rasqueteado superficial del antehorno, para eliminar la costra. Una vez eliminada, aparecía de nuevo el espejo de vidrio brillante, que se empañaba rápidamente, volviendo a repetirse el ciclo.
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Para determinar el momento en que debíamos hacer dicho rabiado, analizábamos cada dos días el punto de Littleton de la costra, como índice de su viscosidad, realizando al mismo tiempo su análisis centesimal y tomábamos su densidad, reflejando los resultados obtenidos en una gráfica.
Aunque comprobamos en el antehorno una cierta volatilización, demostrada por la presencia de depósitos de litargirio en diversas partes frías de la superestructura, creemos que la mayoría de la volatilización se produce en el horno, como consecuencia de la mayor temperatura y superficie, y que la aparición de la costra en el antehorno es un fenómeno debido al arrastre del horno al antehorno de la capa enriquecida en sílice que existe en aquél, no obstante ser muy difícil de apreciar, por tener un espesor seguramente de fracciones de milímetro.
Como explicación de la formación de la costra, admitimos la dada en la bibliografía consultada, o sea que procede del desplazamiento hacia la izquierda de las reacciones de formación de ortosilicato o metasilicato de plomo a partir del óxido de plomo y anhídrido silícico.
La menor densidad, comprobada, de la capa enriquecida en sílice, hace que flote sobre la superficie del vidrio.
c) Corrosión de los materiales de refractario
Al terminar totalmente la campaña y vida del horno, pudimos comprobar la diferencia de comportamiento de los refractarios en contacto con el vidrio y aquellos expuestos a la acción de los vapores de óxido de plomo arrastrados por los humos (figs. 5 y 6).
La corrosión en la cuba fue normal (Zac en los laterales y silicoaluminoso en el fondo, salvo los burbujeadores, también en Zac). En cambio, en la superestructura (sílice), bóvedas, canales de humos y piezas de recuperador (éstas en silicoaluminoso de 42 % de alúmina) fue mucho mayor que lo que cabe esperarse de un vidrio ordinario, y en las últimas tomó un carácter muy curioso, que podríamos decir casi dramático, y que se manifestó al final de la campaña de vidrio al plomo.
Efectivamente, mientras en la cuba no podíamos hacer otra cosa que comprobar periódicamente su desgaste, examinábamos con frecuencia y limpiábamos el decantador de polvos del recuperador, donde retirábamos, cada dos días, de ciento veinte a ciento cincuenta kilos de residuos. Teniendo en cuenta la cifra de volatilización de óxido de plomo, nos dábamos cuenta de que parte de éste pasaba, sin ser detenido por el decantador, llegando a las piezas del recuperador y actuando seguramente sobre ellas.
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Recuperador
4 . Silrcoalummoso
FiG. 5.—Puntos más atacados.
Sin embargo, el examen frecuente de dichas piezas nos indicaba que permanecían inatacadas y sin formar cortocircuitos aire-humos. Terminada la campaña de vidrio de plomo y vueltos al de sosa-cal-sílice, al fundir a mayor temperatura, aumentamos también la del recuperador y en las nuevas condiciones, las piezas del frente del mismo, expuestas más directamente a la acción de las colas de llama, no obstante estar protegidas por muretes de silima-
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ixita, fundieron en unas cuarenta horas, a pesar de que aparecían en buen estado.
Nuestra explicación a este fenómeno, que exponemos con toda clase de reservas, es la siguiente :
Siendo los componentes del refractario sílice y alúmina, reaccionan específicamente con los compuestos básicos arrastrados por los humos, principal-
Aire
CortoGírcuilDs
Humos
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FiG. 6.—Corrosión de las piezas del recuperador (silicoáluminoso).
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mente sosa y óxido de plomo, de forma que la alúmina, menos acida, forma con la sosa, más básica, un aluminato sódico, que funde a l.óSO'^C, mientras que la sílice, más acida, forma con el óxido de plomo, menos básico, un silicato de plomo que funde a unos 760° C, todo ello según las reglas ordinarias de la neutralización. Siendo un material relativamente poroso el refractario utilizado, el óxido de plomo penetra en su pared, sustituyendo gradualmente el silicato de plomo formado, a la sílice presente al principio, haciendo que la pieza aparezca como intacta e incluso cumpliendo su misión de recuperación, sin formar cortocircuitos. Mientras la temperatura del recuperador en aquel punto se mantenga por debajo de la de fusión del silicato de plomo, se mantiene la situación, pero al aumentar la temperatura de régimen, las piezas funden rápidamente. La menor corrosión de las pantallas de silimanita, de menor porosidad y mayor contenido en alúmina, puede comprobar esta posibilidad.
La diferencia de comportamiento entre el refractario de la cuba y el de la superestructura, puede explicarse :
por una posible menor actividad del óxido de plomo interpuesto en la fase líquida;
por el elevado poder de penetración del óxido de plomo en estado de vapor en los refractarios relativamente porosos. El Zac tiene, además, muy poca porosidad ;
por la tendencia del óxido de plomo, de carácter básico, a reaccionar preferentemente con la sílice, de carácter ácido, mejor que con la alúmina, anfótera.
d) Fenómenos de reducción del óxido de plomo
Comprobamos dos, uno de ellos ya previsto y otro con el que no contábamos:
ataque de la sonda de platino del palpador de nivel, situado en el antehorno, con formación comprobada de una aleación Pb/Pt de baja resistencia mecánica;
comprobación de la existencia de cantidades notables de plomo metálico líquido en el fondo del horno, observada en varias ocasiones al desobstruir burbujeadores, con cuyo motivo, caían verdaderos chorros de plomo metálico.
No encontramos una explicación razonable a este fenómeno de reducción en un medio, en que mantuvimos una combustión oxidante durante toda la
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campaña, a no ser que se produzca algún fenómeno de aumento del número de oxidación de los componentes del vidrio, que hace que tomen el oxígeno necesario del óxido de plomo, cuya unión covalente plomo-oxígeno es relativamente débil.
IV. Conclusiones
Examinados los antecedentes y los resultados obtenidos, llegamos a las siguientes conclusiones :
1. La fusión y homogeneización de vidrio al plomo es relativamente fácil, dada la baja temperatura a que se realizan.
2. La formación de tubo con este vidrio es, en cambio, más difícil que con otras calidades, sin duda por estar sus condiciones óptimas distribuidas en un más amplio campo de trabajo.
3. Cuando, para perfeccionar la homogeneización del vidrio, se utiliza el burbujeo de un gas, es prácticamente imposible obtener el vidrio exento de bullón. Este es proporcional al gas burbujeando y quizá tenga origen secundario.
4. La pérdida por volatilización del óxido de plomo, en el horno y las condiciones descritas, se cifra en 16 Kg/m^/día. Creemos que la mayor parte de esta volatilización se produce en el horno, por un efecto conjunto de mayor temperatura y superficie, no apreciándose en él la formación de costra, como consecuencia del burbujeo, que la agita y rompe. En cambio, sí se manifiesta en el antehorno, seguramente como resultado del arrastre. Esto se comprueba por las diferentes características físicas del vidrio superficial en dicha zona.
5. La corrosión del refractario electrofundido en contacto con el vidrio puede considerarse normal. En cambio, la del que está en contacto con los vapores de óxido de plomo es mucho mayor que la que produce un vidrio ordinario, pudiendo atribuirse a una reactividad preferencial del óxido de plomo por la sílice y a la penetración de aquél en los materiales refractarios de una cierta porosidad.
6. Durante la carga, fusión, afinado y reposo del vidrio al plomo, se produce, en las condiciones de régimen citadas, una notable tendencia a la reducción del óxido de plomo a plomo metálico.
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