ذوب شیشه

 

 شيشه ها از ذوب کردن مواد کريستالی در درجه حرارت هاي بالا بوجود مي آيند. هنگام خنک شدن شيشه مذاب، آرايش اتمها نسبت به حالت كريستال كامل آن مواد در حالت نامنظمي قرار می گيرد.فرآيند ذوب شيشه بصورت تجاري با تبديل ماده خشك غيرهمگن به مايع مذاب همگن آغاز مي شود.ابتدا بچ مواد اوليه كه بخوبي مخلوط شده اند، وارد كوره ذوب شده و تا رسيدن به محدوده دمايي ۶۰۰ تا ۳۱۰۰ درجه فارنهایت حرارت داده مي شوند. به اين ترتيب در شرايطی که بچ تحت حرارت شديد قرار دارد، يك سري واكنش هاي شيميايي خاص شامل ذوب شدن، تجزيه ، تبخير ترکيبات فرار و اكسيداسيون صورت می پذيرد.
بخشی از مواد تشکيل دهنده بچ که نقطه ذوب بالاتری دارند مانند ( ماسه سليسی ) در درجه حرارت حدود ۱۰۰۰ درجه فارنهایت تجزيه مي شوند. فرآيند تجزيه با افزودن موادي حاوي تركيبات کمک ذوب يا گداز آور مانند كربنات سديم و کربنات پتاسيم شتاب گرفته و باعث مي شود عمليات ذوب در دماي پايين تري انجام پذيرد. در اين زمان سيليکات سديم ذوب شده روي دانه هاي سيليس رسوب مي كند. با ادامه دادن حرارت تا ۱۳۰۰ درجه بين سيليكات سديم و سیلیس واكنش هاي بيشتري صورت می پذيرد تا اينکه در دمای حدود ۱۴۰۰ درجه يك مخلوط ثابت ذوب تشكيل مي شود ، مخلوط ثابت ذوب، مخلوطی است که بر حسب اجزاء تشکيل دهنده آن، پايين ترين نقطه ذوب ممکن را داراست. در اين زمان كربنات هاي قليايي موجود در سنگ آهك معدنی نيز شروع به تجزيه شدن نموده و به عنوان يک کمک ذوب همراه با سليس، مذاب شيشه توليد می نمايند.
مراحل مختلف ذوب شيشه در کوره
بچ مواد اوليه هنگام عبور از كوره ذوب اساساٌ چهار فاز  را طی می نمايند: ۱- ذوب ۲- تصفيه مذاب ۳- همگن شدن ۴- عمل آوری حرارتي
ذوب
مرحله ذوب، از هنگام ورود بچ مواد اوليه به كوره شروع شده و تا زمانی که شيشه عاری از مواد كريستالي گردد، ادامه می يابد. در يک فرآيند بهينه ذوب، عمليات ذوب بايد قبل از اينكه بچ مواد اوليه به انتهاي نيمه اول كوره برسد، كامل شود.نرخ ذوب به عوامل مختلفی از جمله درجه حرارت كوره، تركيب مواد تشکيل دهنده بچ، دانه بندی ترکيبات موجود در بچ، مقدار و اندازه شيشه خرده های تزریق شده به کوره و ميزان همگن بودن بچ بستگی دارد. به عنوان مثال، بچ های با دانه بندی ريزتر، قابليت ذوب سريعتری را دارند و بچ های با دانه بندی های مختلف كندتر ذوب مي شود. افزودن شيشه خرده های برگشتی به کوره، زمان مورد نياز ذوب را كاهش مي دهند. از سوی ديگر ناهمگني و عدم يكنواختی مي تواند به شدت بر راندمان ذوب تاثير منفی بگذارد.
تصفيه
هنگام تصفيه غالباً حباب هاي گازي از محموله شيشه مذاب حذف مي شود. تصفيه مذاب در محفظه ذوب از هنگام شارژ كوره آغاز مي شود و تا تكميل فرآيند تجزيه مواد كريستالي ادامه دارد. بخش تصفيه مذاب در کوره معمولا ً از بخش ذوب اصلي بوسيله جداره پل مانند جدا می شود، در حاليكه شيشه مذاب از ميان ديواره اي كه گلويي ناميده مي شود جريان مي يابد. هنگام ذوب ممکن است نقايصی، به شيشه القا گردد. اين اتفاق هنگامی رخ مي دهد که دانه هاي خشك مواد اوليه براي واكنش كامل با کمک ذوب ها بيش از اندازه درشت هستند و يا در صورتيكه مواد اوليه تشکيل دهنده بچ به شکل مناسبی مخلوط نشده باشد. هنگام تصفيه مذاب اين موارد حذف يا كاهش مي يابند چنانچه دماي شيشه مذاب كاهش يابد، برخي از گازها دوباره درون مذاب جذب مي شوند. در اين صورت بسته به نوع شيشه مذاب توليدی، امکان تشكيل حباب هاي گازي مانند CO 2 وجود خواهد داشت تصفيه به حذف اين موارد نيزكمك مي نمايد.ميزان تصفيه مذاب بستگي به كيفيت مورد نظر و خواص نهايي شيشه دارد. به عنوان مثال، سازندگان شيشه هاي جام و محصولات خاص شيشه ای نسبت به شيشه های مظروف ممكن است نياز به كيفيت بالاي تصفيه داشته باشند. بنابراين شيشه های مظروف زمان و انرژي كمتري براي تصفيه مذاب نياز دارند.
همگني
همگن كردن مذاب در محفظه ذوب اتفاق مي افتد و وقتي خواص شيشه به حد قابل قبول و مورد نظر رسيد، پايان مي يابد. همگن سازي وقتي كامل مي شود كه در کلِ مذاب شيشه، خواص مطلوب و مورد نظر بدون تغيير ثابت بماند. تغييرات در ويژگيهای مذاب شيشه ممكن است شامل تغييرات محلي شاخص شكست، چگالي يا ضريب انبساط باشد که بر كليه خواص اپتيكي و مكانيكي شيشه تاثير می گذارد. فاكتورهاي مؤثر در يكنواختي و همگني شامل دما، زمان، تركيب بچ اوليه، درجه مخلوط شدگي مواد و روابط شيميایی و فيزيكي حاكم بر نسوزهای کوره مذاب می باشد. درجه همگني معمولاً بر اساس ملاحظات اقتصادی و يا كيفيت مورد نظر مشخص می شود.
عمل آوری حرارتی
طی مرحله عمل آوری حرارتی، شيشه پايدار شده و دماي يكنواحتي پيدا مي كند. معمولاً عمل آوری حرارتی بلافاصله پس از ذوب شيشه و رسيدن دمای مذاب به بيشترين دماي متوسط در كوره شروع مي شود. بعد از اين زمان، خنک کردن تا دماي كاري براي فرم دهي شيشه مذاب آغاز مي گردد.عمل آوری حرارتی در بخش هاي ذوب و تصفيه كوره و همچنين فورهارث اتفاق مي افتد. در كوره هاي توليد شيشه مظروف، ابتدا تصفيه مذاب صورت گرفته و سپس عمل آوری حرارتی آغاز می گردد. مخلوط كردن فيزيكي در فيدر، حباب دهنده ها و پايداري گازها همگي به فراهم آوردن شرايط لازم جهت عمل آوری حرارتیِ مناسب كمك مي كنند. عمل همزدن اغلب توسط همزن هاي فولادی يا پلاتينيوم در دماي ذوب شيشه انجام مي شود. حباب دهنده ها، نازلهاي فولادي پركربني هستند که در كف كوره قرار گرفته و با آب خنک کاری می شوند.
بعد از ذوب و تصفيه مذاب، شيشه مذاب در فورهارث جريان يافته و از آنجا به فرآيند شكل دهي انتقال مي يابد. فورهارث، شيشه مذاب را تا دماي كاري مناسب جهت شكل دهي خنک نموده و ضمن حذف گراديانهاي دما، مسيری را براي انتقال شيشه مذاب به بخش شكل دهي فراهم مي آورد. فورهارث از يک كانال عايقكاري شده با جداره های نسوز تشکيل شده و داراي مشعلها و سيستم خنك كاري با هوا در هر دو طرف کانال مذکور است. فورهارث های گرم شده با سوخت گاز طبيعي، سطوح سرد شده شيشه را دوباره از طريق مکانيزم انتقال حرارت تشعشعي گرم كرده و گراديانهاي دماي متعادلي در شيشه بوجود می آورد. فورهارث هايي که توسط المنتهای الکتريکی گرم می شوند، دارای الکترود هايي هستند که در مذاب شيشه غوطه ور بوده و مذاب شيشه را از طريق مکانيزم انتقال حرارت هدايتی و جابجايي گرم مي نمايند. طول فورهارث بر اساس ويژگيهای خاص هر محصول و ميزان اتلاف حرارت مربوطه متغير است. كنترل پارامترهای فيزيکی شيشه مذاب در مسير فورهارث براي شکل دهي مناسب آن بسيار با اهميت است و به همين منظور اين مرحله از فرآيند کاملاٌ اتوماتيك است. كنترل ها شامل تنظيمات خودکار، تنظيمات هواي خنك کن و كنترل دقيق دمای نواحی مختلف فورهارث می باشد.