صنایع شیشه سازی (2)

شیشه های فلوت (flat)

صنایع شیشه ی فلوت ایالات متحده آمریکا شامل 6 تولید کننده ی عمده است؛ که با 28 کوره در 16 ایالت کار می کنند در این کارخانه ها، که 12/000 نیروی کار ماهر را به کار گرفته اند سالانه 2/9 میلیون تن شیشه تولید می شود که این مقدار تولید، فروشی برابر 2/1 میلیارد دلار را به خود اختصاص می دهد. کارخانه های تولیدی در این بخش عمدتاً در کنار منابع ارزان قیمت انرژی قرار دارند. در سال 1991، این صنعت 55/2 تریلیون Btu انرژی مصرف کرده است که این مقدار انرژی در درجه اول از گاز طبیعی و در درجه ی دوم از برق بدست آمده است. به دلیل فشارهای رقابتی حاصله از کشورهای درحال توسعه، افزایش بازده تولید و راندمان انرژی به طور مداوم و مصرانه مورد توجه قرار گرفته است.
در طی 25 سال گذشته راندمان انرژی به بیش از 50% ارتقاء داده شده است؛ که این صرفه جویی در انرژی به خاطراستفاده از مواد نسوز بهبود یافته میسر گشته است. یک کارخانه ی تولید شیشه فلوت هزینه ای برابر 100میلیون دلار برای ساخت لازم دارد عمر مفیدی برابر 12 سال دارد.
یک کارخانه ی تولید شیشه های فلوت نمونه وار شامل یک سری عملیات های بالادستی (upstream operations) است که شامل عملیات های، تهیه ی مواد اولیه (Batching)، پالایش(refining)، شکل دهی (forming) و اینلینگ(annealing) است. همچنین یک سری عملیات پایین دستی شامل حرارت دهی ثانویه(reheating)، شکل دهی ثانویه(reforming)، پوشش دهی (coating)،تنپر کردن(tempering) و لایه نشانی.
عملیات های پایین دستی را می توان در کارخانه ی مبدأ و یا در جاهای دیگر انجام داد. عملیات های بالا دستی در همه ی کارخانه های تولیدی یکسان است. که علت آن این است که همه ی آنها از پروسه ی مسطح سازی برای شکل دهی شیشه ی سیلیسی سودالایم به صورت ورقه های نازک استفاده می کنند. برخلاف کوره های مورد استفاده در ساخت انواع دیگر شیشه ها، کوره های مورد استفاده در صنعت شیشه های فلوت عمدتاً بسیار بزرگ هستند. قسمت پالایش دهنده شیشه در کوره های تولید شیشه ی فلوت نیز به تناسب بزرگ است؛ که علت آن احتیاج به زدودن عوامل مخرب ناشی از جوشش گازها و دیگرعوامل ناخالصی است. این عوامل ناخالصی و یا گاز موجب کاهش شفافیت نوری شیشه ی تولیدی می شوند.
دو نوع روش برای شکل دهی شیشه ی فلوت استفاده می شود که یکی از آنها به وسیله ی برادران (PB) pikington ودیگری بوسیله صنایع PPG ابداع شد.
تفاوت های عمده بین این دو روش نحوه خروج شیشه از کوره است. اجزای اصلی روش PPG در شکل 1 نشان داده شده است.

یک کوره ی نمونه وار فلوت – زون (furnace float Zone ) ، 49متر طول و 9متر عرض دارد و می تواند909 تن شیشه را در خود جای دهد. در روش PPG، شیشه ی پالایش یافته به طور پیوسته و به صورت یک نوار با پهنای ثابت از روی یک حمام قلع مذاب عبور کرده و با عبور از یک بخش که شامل غلطک های فولادی آسترشده با مواد نسوز است، در هواخنک می شود.
در روش PB، شیشه ی مذاب وارد یک ناحیه بسیار باریک می شود و سپس به سمت یک حمام قلع مذاب حرکت می کند و قبل از رسیدن به پهنای مناسب، یک مسیر پیچیده را طی می کند. در هر دو روش، شیشه با دمای 1040درجه سانتی گراد وارد می شود و با دمای 600درجه سانتی گراد خارج می شود. حمام قلع در یک دمای معین (815درجه سانتیگراد) نگه داشته می شود و این درحالی است که مسیر فولادی دمای شیشه را به 100درجه سانتی گراد می رساند. یک محیط شامل گاز نیتروژن 5-8 درصد گاز هیدروژن برای جلوگیری از اکسید شدن قلع استفاده می شود. مواد دیگری که توانایی جایگزینی با فولاد آسترشده با مواد نسوز و حمام قلع مذاب (برای مثال تنگستن و گرافیت) مورد بررسی قرار گرفته است؛ که البته این مواد گران قیمت هستند و دارای مشکلاتی ناشی از سختی بسیار آنها (مثلاً در فرآیند شکل دهی آنها) هستند. یکی دیگر از مشکلات و عیوب های این مواد مقاومت به اکسیداسیون ضعیف آنهاست. برای انتخاب مواد برای وسایلی که با قلع ارتباط دارند گزینه های بسیار کمی داریم که علت آن طبیعت بسیار خورنده ی قلع است.
جریان شیشه از کوره ی زون -فلوت و در بخش انتهایی پالایش دهنده بوسیله ی یک خروجی که tweel نامیده می شود به طورمنظم خارج می شود. جنس tweel از فیوزد سیلیکا (fused silica)است. tweel، شیشه ی مذاب خروجی از کوره ی ذوب شیشه را شکل دهی می کند که بدین وسیله کمک به کنترل اندازه ی ضخامت نهایی محصول تولیدی می شود. ضخامت پایانی شیشه ی تولیدی همچنین به عواملی چون:ویسکوزیته ی شیشه، کشش سطحی و از همه مهمتر، نیروهای انقباضی وارده به لبه های نوار شیشه ای (این نیروها بوسیله ی سیستم کشش وارد می شود) بستگی دارد. شیشه های نازک تر را می توان با جریان دادن شیشه و ایجاد موانعی گرافیتی تهیه کرد در حقیقت این موانع گرافیتی که به صورت خشک کار می کنند به لبه های شیشه اعمال نیرو می کنند. به علت کوتاهی عمر tweel که تنها 2 ماه می باشد، مواد دیگری نیز که عمر مفید بیشتری دارند مورد توجه قرار گرفته است. یک نکته ی مهم در مورد مواد استفاده شده در ساخت tweel این است که جنس مواد مورد استفاده شده باید با جنس شیشه سازگار باشند همچنین باید مقاومت به شک بالا و قابلیت تحمل نیرو در دمای ذوب شیشه را داشته باشند.
جایگزینی مواد نیازمند به سیستم خنک سازی با مواد بدون نیاز به این سیستم، به خاطر هزینه ی بالای نگهداری و خوردگی شدیدتر این قطعات مورد توجه و پژوهش قرار گرفته است. از این رو استفاده از آلیاژهای فلزی (مثلاً فولادها) مورد توجه قرار گرفته که به علت وجود نیکل در شیشه های بازیافتی و تبدیل شدن آن به سولفید نیکل در هنگام قرار گرفتن در دمای بالا، این کار نیز مطلوب نمی باشد.
معمولاً برای کاهش خوردگی در کارخانه های شیشه سازی، آب مورد استفاده برای خنک سازی اجزا تصفیه شده و برخی از یون های مضر بوجود آمده در آب دفع می شود.
دمای شیشه و قلع مذاب بوسیله ی هزاران بخش سیلسیم کاربیدی تعبیر شده در طول کوره تنظیم می شود. و همین طور که شیشه به سمت پایین حمام قلع حرکت می کند، سرد شده و ویسکوزیته اش افزایش می یابد، بنابراین می توان بوسیله ی غلتک هایی شیشه ی سرد شده را از حمام حرکت داد. غلتک های جابجا کننده ی شیشه در کره آنیلینگ، که در امتداد کوره ی ذوب قرار گرفته، به گونه ای طراحی شده اند که موجب دفورمگی حاصل از وزن خود شیشه در حال سرد شدن، نشوند. این غلتک ها تقریباً 30 سانتیمتر قطره و 4/3متر طول دارند که از فلزات سرد شده در آب یا پوشش های آزبستی (پنبه ی نسوز) ساخته شده اند.
یکی دیگر از وسایل مورد استفاده در پروسه ی شیشه سازی و بررسی آن، آذرسنج های نوری هستند این وسایل برای اندازه گیری دمای سطح شیشه و حمام قلع مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین ترموکویل های غلاف دارمورداستفاده در اندازه گیری دمای زیر سطح حمام قلع نیز یکی دیگر از این وسایل است.
وسایل سرد کننده تعبیه شده در سقف کوره ی آینلینگ یکی از منابع عمده ی ایجاد کننده ی عیوب شیشه هستند. بخارات سولفید بر روی این وسایل سرد کننده چگالش می یابد و موجب افتادن این بخارات چگالش یافته بر سطح شیشه می شود.
البته از منابع دیگر ایجاد عیوب در شیشه سطح ناصاف غلتک های آسیب دیده نیز می تواند باشد. که این مشکل نیز قابل حل است.
ورقه ی شیشه ای خارج شده از کوره زون -فلوت وارد کوره ی آنیلینگ می شود. این کوره های آنیلینگ عموماً lehr نامیده می شوند. کوره ی lehrموجب از بین رفتن تنش های ناشی از شیب گرمایی می شوند که این شیب گرمایی ناشی از عملیاتی است که در پروسه ی شکل دهی اتفاق افتاده است.
کوره ی lehr در دمای 200درجه سانتی گراد کار می کند. این کوره با احتراق گاز و یا الکتریسته گرم می شود. اتمسفر یک کوره ی lehrالکتریکی، هوا و اتمسفر یک کوره ی lehr گازی، عموماً گازهای ناشی از پروسه ی احتراق است.
شیشه ی تولیدی از میان کوره ی lehr و بر روی یک سری غلتک از جنس فولاد سرد شده با آب، فیوزد سیلیکا و یا ماده ای با پوشش آزبست عبور می کند که این غلتک ها 5 سانتی متر قطر و 2/5متر طول دارند. (همان گونه که در شکل 2 نشان داده شده است.)

مشکلاتی که در طی حرکت صفحه ی شیشه ای در کوره lehr اتفاق می افتد شامل:
1)آسیب رسیدن به سطح غلتک ها
2)ایجاد خط و علامات ناشی از غلتک ها برروی سطح شیشه
3)خم شدن شیشه در بین فاصله ی دو غلتک بر اثر نیروی وزن شیشه
4)موج دار شدن غلتک ها
5)تغییر فاز بر اثر گرما در غلتک ها
اندازه و سرعت یکسان غلتک ها، عوامل مهمی در جهت جلوگیری از خط دار شدن سطح شیشه است. مشعل های تشعشعی در بسیاری از کوره های lehr استفاده می شود و به عنوان یک وسیله ی مناسب و حفاظتی در برابر خط های ناشی از عوامل مختلف است. بمحض سرد شدن شیشه و رسیدن دمای شیشه به دمای محیط، شیشه بریده شده و برای پروسه های پایین دستی بسته بندی می شوند.
عملیات های پایین دستی می تواند از تعدادی مرحله شامل: حرارت دهی دوباره (reheating)، شکل دهی دوباره(reforming)، تنپرکردن(tempering) و پوشش دهی تشکیل شده باشند. مراحل حرارت دهی دوباره و تنپرینگ در کوره ای شبیه به کوره ی lehr اتفاق می افتد و تنها، دمای کوره متفاوت است. حجم زیادی از هوای گرم شده در کوره ی lehr و برای کاهش شیب گرمایی استفاده می شود. فن های مورداستفاده از فولاد دما بالا ساخته شده اند که این فن ها همراه درایورهای سرد شده در آب تشکیل شده اند. اعوجاج حاصل از دمای کاربرد بالا موجب کاهش طول عمر این قطعات می شود.
پس ازاینکه شیشه دوباره گرم شود، قابلیت شکل دهی دوباره و خم کردن آن در قالب های فیوزد سیلیکایی وجود دارد.
به خاطر خواص ساختاری ضعیف و ظریف، قالب ها به آسانی آسیب می بینند. در حالی که قالب ها قابل تعمیرند ولی به خاطر صرفه جویی در وقت و هزینه این کار انجام نمی شود. پوشش های رهاسازی یا موانع سرامیکی یا ورقه های نازک فلزی برای جلوگیری از چسبیدن قالب به شیشه مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل اینکه شیشه ی قالب گیری شده باید یک دوره ی زمانی را بدون حرکت قرار گیرد و توان جداسازی سریع قالب از شیشه وجود ندارد، نیاز به قالب های زیادی در این پروسه است که بسیار پر هزینه می باشد.
منبع:www.ms.ornl.gov/cfcc/iof/chapG.pdf