صنایع شیشه سازی (1)

صنایع تولید شیشه یکی از پایه های اصلی اقتصاد آمریکا می باشد. این صنعت بیش از 150/000شغل تخصصی ایجاد نموده است؛ که بیش از 21 میلیون تن محصولات مصرفی با ارزش تخمینی 22 میلیارد دلار در سال تولید می کند.
تولید شیشه نیاز به انرژی زیاد دارد که 12 درصد ازکل قیمت فروش را شامل می شود. از لحاظ تئوری برای ذوب کردن یک تن شیشه 2/2 میلیون Btu (واحد بریتانیایی برای گرما) انرژی لازم است؛ در حقیقت مقدار انرژی مورد نیاز به خاطر پایین بودن بازده و اتلاف انرژی به میزان دو برابر افزایش می یابد. صنایع شیشه شامل 4 بخش عمده می شود:

1) ظروف شیشه ای (container glass)

این گروه شامل بطری ها(Bottles) ، شیشه های دهنه گشاد(Jars) و... می شود.

2) شیشه های فلوت(flat glass)

این گروه شامل شیشه های پنجره، آینه ها و شیشه های اتومبیل و... می شود.

3) الیاف شیشه (fibre galss)

این گروه الیاف شیشه ای اند که به صورت عایق های ساختمانی و الیاف بافته شده تولید می شوند.

4) شیشه های ویژه (specialty glass)

این گروه شامل وسایل آشپزخانه (cook ware)، تابلوهای نمایشگر سطح (displays flat panel)، حباب لامپ ها(light bulbs)، الیاف نوری(fiber optics)، وسایل پزشکی(medical equipment) و... می باشد.
شیشه های فلوت 17%تولید شیشه ی ایالات متحده آمریکا از لحاظ وزن را شامل می شود. همچنین ظروف شیشه ای 60درصد، الیاف شیشه و9 درصد و شیشه های ویژه 4 درصد از تولیدات شیشه ای ایالات متحده را شامل می شوند.
درحالی که صنایع ظروف شیشه ای، الیاف و شیشه های فلوت که سهم بسیار بالایی در فروش دارند بر پایه ی شیشه های سودالایم(soda-lime glass) پایه گذاری شده اند؛ صنعت شیشه های ویژه بر روی شیشه های مقاوم در دماهای بالاتر تمرکز دارد و بیش از 60/000نوع محصول مختلف تولید می کند. مثالهایی از تولیدات شیشه ای که بوسیله ی صنعت شیشه سازی تولید می شوند در شکل 1 دیده می شوند. حالت مطلوبی از صنعت شیشه درطول 20 سال فرمول بندی شده است؛ که این با مشارکت DOE (دپارتمان انرژی آمریکا) انجام شده است.

و چالشهای تکنولوژی در آینده و فرصت های تحقیقاتی با مقایسه دید آینده و حالت کنونی صنعت شیشه تعریف شده است. چالشهای تکنولوژی به طور عمومی به چهار دسته تقسیم بندی می شوند:
1)پیشرفت ها در زمینه ی ذوب و پالایش و در زمینه ی ساخت (شکل دهی)
2)پیشرفت تکنولوژی، تکنیک های ساخت شیشه، کنترل پروژه ها (Processing controls) و شبیه سازی مدل برای پروسه های جدید با کامپیوتر
3)بهبود سیستم های کنترل خروج، روشهای بازیافت و مدیریت مواد جامد باطله و...
4)توسعه ی تولیدات ابداعی برای استفاده های جدید از شیشه
بخش های بالا پروسه های تولید شیشه های کنونی و چگونگی رسیدن به دید صنعتی در زمینه ی شیشه از مواد پایه سرامیکی را تعریف می کند.
موادی که معمولاً در وسایل تهیه شده بوسیله ی شیشه استفاده می شود شامل: فیوزد سیلیکا (fusedsilica)، گرانیت، فلزات گران بها، آلیاژهای آهنی سرد شده در آب می باشند. مواد سرامیکی ابتدا به عنوان مواد نسوز(refractories) و اکنون نیز به صورت هرچه بیشتر و در زمینه ی پوشش های مقاوم به سایش کاربرد دارد. همچنین مواد سرامیکی پیشرفته به ندرت در این صنعت استفاده می شود که علت آن قیمت بالای این مواد است. بعلاوه به خاطر نبود مواد مقاوم در محیط های بادمای بالا جهت فرآیندهای شیشه سازی، فلاکس ها به مواد شیشه ای اضافه می شوند تا بتوان با کاهش دمای فرآیند شیشه سازی، اجازه ی استفاده از مواد مرسوم را داشته باشیم.
بحث ما بر طبق 4 عملیات عمده در تولید شیشه متمرکز شده است که به شرح زیر می باشند:
1)مرحله ی تهیه مخلوط(Batching)
2)مرحله ی ذوب (melting)
3)مرحله تصفیه و پالایش (refining)
4)مرحله شکل دهی (forming)
همچنین در بخش های بعدی این مقاله در مورد 4 بخش از صنعت شیشه سازی صحبت کرده و در بخش آخر این مقاله در مورد مشعل ها و وسایل تولید حرارت درکوره های تولید مذاب شیشه صحبت می کنیم.
عملیات تهیه ی مخلوط، ذوب و پالایش در همه ی روش های تولید شیشه با اندک تفاوت در نوع کوره یکسان است. پس به بررسی جداگانه ی 4 مرحله ی شیشه سازی می پردازیم:

1) مرحله ی تهیه ی مخلوط (Batching)

انتخاب مواد خام با توجه به ترکیب شیمیایی، یکنواختی و اندازه ی ذرات انجام می شود. مواد افزودنی آلی و فلزی و سرامیکی از بین مراحل حمل ونقل، انبار کردن، مخلوط کردن و دانه بندی عبور می کند. این مراحل شبیه مراحلی است که شیشه های بازیافتی عبور می کنند. به علت اثرات مواد افزودنی و با توجه به کیفیت محصول تولید شده، مقدار شیشه ی بازیافتی تغییر می کند.
صنعت تولید شیشه های فلوت 39درصد از شیشه های شکسته ی خود را باز یافت می کند. مواد ناخالصی سرامیکی واکنش کمی با مذاب شیشه دارند و ذوب نمی شوند بنابراین به صورت سنگ ریزه هایی در محصول نهایی دیده می شوند. ناخالصی های فلزی و آلی باعث بوجود آمدن ناپایداری در طی پروسه ی شیشه سازی می شوند(از طریق واکنش های اکسایش -کاهش). که این مواد موجب کاهش کیفیت شیشه می شوند. مواد آلی موجود در بچ، منبعی مناسب جهت افزایش گازهای خروجی هستند و موجب افزایش ارزش تمیزکنندگی گازهای خروجی می شوند(این مواد موجب افزایش گازهای خروجی می گردد و خروج گاز را از مذاب آسانتر می کنند)
پروسه های نقل و انتقال، مخلوط کردن و دانه بندی موجب ساییده شدن وسایل وادوات مورد استفاده می شوند بنابراین معمولاً ابزار آلات این بخش دارای سطوح پوشش داده شده با سرامیک هستند؛ و یا خطوط انتقال بوسیله ی سرامیک هایی مانند آلومینا، سیلسیم کاربید و یا تنگستن کاربید ساخته می شوند.
درحالی که به طورعمومی اثر قیمت و عملکرد مناسب و کافی برای انتخاب مواد در این مکان ها بسیار مهم است ولی به دلیل ریسک امکان آلودگی مذاب شیشه، استفاده از مواد ارزان قیمت تر ریسک بزرگی به حساب می آید.

2) مرحله ذوب(melting):

تقریباً 600 کوره ی ذوب شیشه در آمریکای شمالی وجود دارد. توزیع نوع این کوره ها به شرح زیر است.
210کوره در زمینه صنعت بطری های سازی، 110 کوره مربوط به الیاف شیشه، 45 کوره در صنعت شیشه ی فلوت و 235کوره مربوط به شیشه های ویژه است. عمر یک کوره مذاب شیشه با توجه به نحوه ی ساخت آن متفاوت است اما برای کوره های این صنعت عمر 7 تا 8 سال غیر معمولی نیست. البته هزینه ی بازسازی یک کوره به آسانی از یک میلیون دلار تجاوز می کند و همین امر نشاندهنده ی اهمیت نحوه ی بازسازی کوره های شیشه سازی است. کوره ها را می توان به دو گروه، کوره های گرم شونده با الکتریسته و کوره های گرم شونده با سوخت تقسیم کرد، که معمولاً گرمایش الکتریکی مذاب با آتش حاصل از سوختن مواد نفتی توأم است. این عمل موجب بهبود یکنواختی گرما دهی، مهیا نمودن افزایش متناوب در ظرفیت ذوب با کم ترین هزینه، افزایش بازده مذاب، کاهش مصرف انرژی و دمای پایین تر (در بالای نقطه ی ذوب) برای کاهش خروج انرژی می گردد.

3) مرحله پالایش(refining):

مرحله ی اصلاح شیشه در کوره ی مقدماتی اتفاق می افتد و موجب یکسان شدن دمای مذاب می گردد. کوره ی مقدماتی معمولاً با گاز طبیعی کار می کند. همچنین ازتقویت کننده های الکتریکی نیز برای افزایش بازده و بهبود یکسانی دما، می توان بهره برد. مبدلهای گرمایی سرد شده با آب (water-cooled metal heat exchangers) برای کمک به ایجاد دمای یکنواخت مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین ممکن است از سرامیک های پیشرفته نیز استفاده شود. تغییرات دمایی در کوره ی مقدماتی بسیار حیاتی است و موجب ایجاد مشکلاتی شبیه به آنهایی که در مرحله ی ذوب با آنها روبرو بودیم، می شود.پیستون ها(plungers) و نازل های (nozzles) مورد استفاده برای حرکت دادن و پخش کردن مذاب شیشه از سرامیک های نسوز و یا مولیبدن ساخته شده اند. ولی این اجزا به علت رویا رویی و مواجهه با سایش بالا و ایروژن (erosion )نوعی خوردگی است که به واسطه ی حرکت سیال بر روی یک سطح اتفاق می افتد). برای شیشه های با دمای ذوب پایین تر Inconel600 استفاده شده است که در این مورد نیز شبیه به مورد بالا خوردگی شدید گزارش شده است. در دماهای بالاتر خنک سازی با آب نیز می تواند برای کاهش دمای اجزا مورد استفاده قرار گیرد. تعداد زیادی از مواد مناسب (مواد سرامیکی پیشرفته) مورد استفاده در مراحل پالایش و ذوب شیشه وجود دارد که بسیاری از این مواد مناسب، برای ساخت کوره های سوخت -اکسیژن fired oxy-fuel استفاده می شوند. سیکل های متناوب احتراق نیز بهبود یافته که گفته می شود مواد سرامیکی پیشرفته توانایی مقاومت در برابر این سیکل های احتراقی را دارند.

4)شکل دهی(forming):

با توجه به اینکه محصول نهایی، چه نوع محصولی باشد نوع و نحوه ی فرم دهی نیز متفاوت است.
روش های شکل دهی انواع مختلف شیشه از جمله شیشه های فلوت، ظروف شیشه ای، الیاف شیشه و شیشه های ویژه معمولاً بسیار متفاوت اند. در قسمت های بعدی این مقاله در مورد هر یک از این زمینه های تولید شیشه صحبت کرده و درقسمت پایانی نیز در مورد مشعل ها و سیستم های گرمایشی مورد استفاده دراین صنعت صحبت می کنیم. دیدگاه این مقاله بیشتر بررسی موقعیت های کاربردی در زمینه ی مواد ساختاری مورد استفاده در صنعت تولید شیشه است.
ادامه دارد .....
منبع: