دیرگدازهای مورد استفاده در بازار جهانی شیشه

در سال های اخیر، در سرتاسر دنیا، تغییرات قابل توجهی در فروش مواد دیرگداز به صنایع ایجاد شده است و تعداد محصولات تولید شده از منابع جدید، افزایش یافته است.
در سال 2007، تولید جهانی مواد دیرگداز در حدود 34 میلیون تن تخمین زده شده است و انتظار می رود که این مقدار در سال 2010 به 42 میلیون تن برسد.
مخصوصاً برای صنعت شیشه در 2 تا 3 سال آینده، برای مثال، دیرگدازهای چینی در هند، آسیای جنوب شرقی و بخش هایی از اروپا، فروخته می شود و شرکت های اروپایی امروزه، تأسیسات تولید دیرگدازی را در بخش هایی از دنیا تأسیس کرده اند.
به عنوان نتیجه ای از وجود تولیدکنندگان متعدد در بازار جهانی، انتخاب های گسترده ای تر برای منابع دیرگداز ایجاد شده است و بازار رقابتی بر مبنای قیمت، موجب می شود تا دیرگدازهای جدید، یک گزینه ی جذاب باشند.
بسیاری از تولیدکنندگان یاد گرفته اند تا کیفیت محصولات خود را بهبود داده و بدین صورت علاوه بر بازارهای داخلی، محصولات خود را در کشورهای دیگر نیز به فروش برسانند.
به هر حال، این مسئله بسیار مهم است که به طور دقیق گسترش مواد دیرگداز مورد استفاده در صنعت دیرگداز را ارزیابی کنیم و بدین شکل، اطمینان حاصل کنیم که کارایی مورد نیاز برای تولید مؤثر و طولانی مدت، افزایش یابد.
این مقاله برخی روش های مورد استفاده برای ارزیابی کارایی مواد مورد استفاده در تولید شیشه را مورد ارزیابی قرار داده است و آثار بالقوه ای را هایلایت کرده است که در تولید شیشه ایجاد می شود. بسیاری از موضوعات بیان شده، برای تولیدکنندگان شیشه مهم می باشد در حالی که ممکن است این احساس ایجاد گردد که این موضوعات در طی سال ها حل گردد. همچنین تولید مواد جدید موجب می شود تا بسیاری از مسائل ایجاد شده در این زمینه، حل گردد.
اول از همه، ما در برخی تصاویر، استفاده ها از دیرگدازها را در صنایع با دمای بالا را مشاهده می کنیم. شکل 1 نشاندهنده ی مصرف مواد دیرگداز در صنعت فولاد جهانی است. بر طبق این تصویر، این مشخص شده است که بیش از دو سوم از دیرگدازهای در دنیا در صنعت فولاد، مصرف می شود. در مقایسه، صنعت شیشه یک بخش اندک از دیرگدازها را به طور سالیانه مصرف می کند. این میزان از مصرف، در حدود نیم میلیون تن در سال می باشد.
همانگونه که در شکل 2 مشاهده می شود، مصرف سالانه ی دیرگدازها بوسیله ی صنعت شیشه، در حدود 0.65 تا 0.85 میلیارد دلار ارزش دارد که از این میزان، 45 % مربوط به دیرگدازهای ریخته گری شده از مذاب می باشد.
در کل، این فروش نشاندهنده ی سهم اندکی از ارزش سالانه ی جهانی این بازار است.
با وجود این، تولیدکنندگان شیشه هنوز هم نیازمند دیرگدازهای با کیفیت بالا برای کوره هایشان هستند تا بدین صورت عمر مفید کوره هایشان، افزایش یابد و از این رو، میزان هزینه های تولید را کاهش دهند.
تولید جهانی شیشه ی فلوت، بطری، الیاف شیشه و شیشه های خاص، در حدود 100 میلیون تن در سال است (شکل 3).
در تمام مقادیر، چین در نظر گرفته نشده است، به هر حال، یک تخمین در سال 2005، این مسئله را نشان داده است که شیشه ی فلوت تولیدی در حدود 20 مگا تن در سال است که این میزان 50-60 % تولید در سایر مکان ها غیر از چین است.
در جهان در حدود 300 خط تولید شیشه ی فلوت وجود دارد که نیمی از آنها در چین قرار دارند.
حدود 5 کیلوگرم از مواد دیرگداز برای تولید هر کیلوگرم شیشه مصرف می شود و هزینه ی این دیرگدازها حدوداً 8.5 دلار بر هر تن شیشه ی تولیدی می باشد. هزینه بر واحد تن شیشه برابر با 2 % بر تن بازده می باشد. بنابراین، دیرگدازها به طور نرمال، بزرگترین جزء یک ساختار کوره می باشد و بیشترین میزان هزینه برای هر تعمیری، هزینه ی این دیرگدازهاست.
کارایی آنها می تواند بر روی عملکرد و کیفیت محصول نهایی، اثرگذار باشد و از این رو، بر روی اقتصاد فرایند اثرگذار است. میزان زوال دیرگدازها بر روی عمر مفید کوره، اثر دارد و به عنوان یک نتیجه این مسئله بر روی برنامه ریزی تعمیر کوره نیز اثرگذار است.
بنابراین، این مواد اجزای ضروری فرایند شیشه سازی هستند و بر روی موفقیت تجاری این فرایند نیز اثرگذار هستند.
در شکل 4 برخی از نواحی مهم از لحاظ کارایی را نشان می دهد.
نواحی در تماس با شیشه یعنی بلوک های دیواره ای و بخش گلویی، مستعدترین نواحی کوره برای خوردگی می باشند.
برای بیشتر کوره ها، این نواحی بحرانی به احتمال زیاد تعیین کننده ی عمر کوره هستند بنابراین، این مهم است که به طور صحیح مقاومت این دیرگدازها در برابر دمای بالا را مورد ارزیابی قرار دهیم.
آزمون های متعددی برای ارزیابی دیرگدازهای در تماس با مذاب شیشه وجود دارد و این آزمون ها، به طور کلی به آزمون های دینامیک و استاتیک طبقه بندی می شوند.
در آزمون های استاتیک خوردگی، نمونه ی دیرگداز با استفاده از سیمان در یک موقعیت ثابت می شود و اجازه داده نمی شود که نمونه حرکت کند. این نمونه در داخل مذاب شیشه قرار داده می شود. در آزمون دینامیک، حرکت های پیوسته ای از نمونه در داخل شیشه ی مذاب، وجود دارد.
در دمای معمولی، خرده شیشه ها در بوته ی پلاتینی قرار داده می شود و سپس در کوره قرار داده می شود و نمونه حرارت داده می شود. وقتی دمای آزمون به دمای مورد نظر رسید، نمونه ها در داخل شیشه قرار داده می شوند. ارزیابی خوردگی بوسیله ی اندازه گیری تغیر حجمی، برآورد می شود.
آزمون دینامیک به طور واقعی تر شرایط شیشه ی مذاب و شرایط خوردگی سایشی بالا را نشان می دهد. خوردگی سپس ده برابر در سطح مشترک سه گانه بیشتر است.
شکل 5 کارایی سه دیرگداز تولید شده با روش ریخته گری از حالت مذاب را در شیشه ی سودالایم، نشان می دهد. همانگونه که در آزمون دینامیک، مشاهده می شود، در واقع، خوردگی در آستر شیشه ای و سایر نواحی با سایش بالا، زیاد می باشد.
چرخش نمونه در طی آزمون، از تشکیل یک لایه ی مرزی محافظ در سطح مشترک شیشه/ دیرگداز جلوگیری می کند. تشکیل یک چنین لایه های مرزی در آزمون خوردگی استاتیک، می تواند موجب محدود شدن کاربرد گردد.
آزمون استاتیک می تواند برای مقایسه ی نمونه ها مورد استفاده قرار گیرد اما آزمون های دینامیک با کارایی واقعی نمونه، ارتباط بیشتری دارند.
ارزیابی ها از خوردگی واقعی در زمانی بسیار مهم هستند که دیرگدازهای جدیدی را در تماس با شیشه، استفاده کنیم. این مسئله برای AZS ها مهم می باشد، زیرا تغییر ترکیب آنها در داخل بلوک، بارتغییر ترکیب در قطعات مشابهی که در داخل بلوک، قرار دارد، قابل مقایسه است.
شکل 6 نشاندهنده ی تغییر در اتلاف حجمی حاصل از خوردگی با تغییر دما می باشد. در دمای 1550 ℃، سه ماده ی AZS برابر با D، E و F با استفاده از آزمون خوردگی دینامیک، مورد ارزیابی قرار گرفته اند. از مقادیر بدست آمده، این فهمیده می شود که ماده ی F دارای اتلاف حجمی بیشتری دارد که این میزان از اتلاف در حدود 52 % می باشد.
همچنین آنالیزهای دیگر (شکل 7)، نشاندهنده ی این است که ماده ی F دارای بالاترین درصد اجزای غیر ASZ در فاز شیشه می باشد. این میزان حدود 8.5 % می باشد.
فاز شیشه ای در کل حداقل فاز تشکیل دهنده ی مواد ASZ می باشد و این فاز، جایی است که حملات شیمیایی در آن اتفاق می افتد.
مشابه در نظر گرفتن اثرات خوردگی شیشه بر روی سایش دیرگدازهای در حال تماس با شیشه ی مذاب، ما باید همچنین اثرات بالقوه ی مربوط به دیرگدازهای خورده شده بر روی کیفیت شیشه را نیز در نظر بگیریم.
یک منبع قابل توجه برای تلفات شیشه می تواند به دلیل وجود مواد جامد، شیشه ای و یا حباب هایی باشد که از دیرگدازها ایجاد شده اند.
شکل 8 نشان دهنده ی یک سری اطلاعات در مورد دیرگداز ASZ محتوی 33 % زیرکونیا می باشد که ما برای استفاده در کوره های شیشه ی بطری، در نظر گرفته ایم.
این داده ها با سایر محصولات موجود در بازار قابل مقایسه است و این انتظار وجود دارد که کارایی این مواد با مواد موجود در بازار مقایسه می باشد.
به هر حال، وقتی نشت فاز شیشه ای در دمای بالا را در دمای 1500 ℃ مورد ارزیابی قرار می دهیم، تغییرات حجمی شگف آور می باشد (شکل 9).
ماده ی H دارای مقادیر بالاتر از نشتی است که این مسئله به دلیل نوع ماده می باشد. این نشتی در سطح نمونه مشهود است.
یک نتیجه ی حد مورد قبول ماکزیمم برابر با 2 % برای ابرساختارها مورد انتظار است اما نتایج اندازه گیری شده، مقادیری بیش از 4 % را نشان می دهد و این بالاتر بودن از حد مجاز، منجر به افزایش ریسک خرابی در شیشه می شود.
همانگونه که به طور مناسب مستندسازی شده است، تفاوت در کارایی نشتی، با اکسیداسیون نمونه ها در داخل دیرگدازهای AZS در طی تولید، مرتبط است. ماده ای که به طور جزئی اکسید شده است، دارای پتانسیل ایجاد نشتی بالایی است.
استفاده از این ماده در کاربردهای پیشنهاد شده، می تواند دارای اثر فاجعه باری بر روی کیفیت شیشه باشد مخصوصاً در طی مراحل اولیه ی کار کوره. در این مراحل، ریسک ایجاد عیوب در شیشه مانند عیوب کریستالی و زیرکونیای دندریتی در محصول نهایی، افزایش می یابد.
ارزیابی تشکیل تاول (بلیستر) ایجاد شده به دلیل وجود ناخالصی هایی همچون اکسید آهن در AZS همچنین مهم می باشد که علت آن، اثرگذاری بر روی کیفیت شیشه می باشد.
در این ارزیابی از یک دیسک روشن از جنس دیرگداز استفاده می شود. این دیسک در داخل مذاب قرار داده می شود و تعداد تاول ها بر واحد سطح، اندازه گیری می شود.
شکل 10 دو ماده ی I و j را نشان می دهد که مورد ارزیابی قرار گرفته است.
ماده ی I دارای میزان تشکیل تاول کمتری است و به طور ایده آل، مقادیر پایین مورد قبول می باشد. به هر حال، مقادیر بیشتر تاول (در حدود 45 بر واحد سانتیمتر مربع)، موجب می شود تا این مواد برای استفاده، مناسب نباشند.
علاوه بر ارزیابی کارایی دیرگدازهای در تماس با شیشه و اثر آنها بر روی کیفیت شیشه، ارزیابی دقیقی از مواد در سایر نواحی انجام می شود تا بدین صورت اطمینان حاصل گردد که عملیات به طور مناسب انجام شود.
شکل 11 داده های نمونه وار مربوط به سیلیسی را مورد بررسی قرار داده که در سقف کوره ی شیشه ی فلوت، مورد استفاده قرار می گیرد، را نشان می دهد.
همانگونه که می توان مشاهده نمود، خواص شیمیایی و فیزیکی این مواد جدید، به طور عمومی مشابه با محصولات سیلیسی مورد استفاده در حال حاضر می باشد. بنابراین، این داده ها، شگفت آور نیست.
به هر حال، در طی حرارت دهی کوره، انبساط سقف بطور قابل لمسی از میزان در نظرگرفته شده، فراتر می رود و بدین صورت، کنترل آن مشکل می شود. این مسئله منجر به اعوجاج در سقف و باز شدن اتصالات طولی سقف می شود. این مسئله به طور بالقوه می تواند منجر به افزایش نیاز به نگهداری و کاهش کیفیت شیشه شود اگر، مواد قلیایی کندانس شده بر روی این سقف، موجب بروز حفره در داخل آن شود.
نمودارهای انبساط این دو ماده در شکل 12 آورده شده است. این نمودارها، مشاهدات منتج شده را تأیید می کنند. نمودار مربوط به محصول کنونی به طور نمونه وار، نموداری است که در آن از سیلیس با کیفیت بالا استفاده شده است. به هر حال، سیلیس جدید به عنوان نتیجه ای از پخته شدن، شروع به منبسط شدن می کند و بنابراین، سطح بالایی از کوارتز استحاله نیافته، باقی می ماند.
بنابراین، وقتی محصولات جدید انتخاب می شود و همچنین برای اهداف کنترل کیفی، این مهم است که خواص حیاتی نمونه در شرایط سرویس دهی، بررسی گردد. اگر چه سیلیس ماده ی ارزان تر نسبت به دیرگدازهای ریخته گری شده است، این حیاتی است که عملیات شیشه، عمر کوره و کیفیت شیشه، بررسی گردد.
یکی دیگر از نواحی مربوط به کارایی در کوره های شیشه ی فلوت، حمام قلع می باشد. امروزه، 95 % از شیشه ی فلوت جهان، با استفاده از فرایند فلوت و استفاده از حمام قلع، تولید می شود.
به طور خاص، کارایی بلوک های کف حمام قلع، به طور قابل توجهی، مهم می باشد. بلوک ها عمدتاً از جنس خاک نسوز آلومینوسیلیکاتی هستند.
یک سری موضوعات در این زمینه مشاهده شده است. پوسته پوسته شدن نفلین هنوز هم بدترین مشکل مشاهده شده در این بخش می باشد.
تشکیل نفلین منجر به انبساط حجمی و ایجاد عدم تطابق در انبساط گرمایی می شود که این مسئله منجر به جداشدن ماده از بدنه ی اصلی می شود.
آزمون نفوذ مواد قلیایی، برای سه ماده در دوره ی بسط داده شده انجام شده است و میزان نفوذ هم به صورت بصری و هم میکروسکوپی، ارزیابی شده است.
یکی دیگر از موضوعات مربوط به حمام قلع، تشکیل حباب سطحی بر روی شیشه به دلیل ترشح گرمایی بلوک می باشد. این مسئله زمانی بوجود می آید که اندازه ی متوسط تخلخل ها، کوچکتر از قطر مولکول های گازی باشد.
این مسئله با استفاده از آزمون نفوذ هیدروژنی، ارزیابی می شود. این مهم است که نواحی مختلف بلوک را از لحاط نفوذ، بررسی کنیم.
مقادیر مربوطه برای مواد K، L و M در شکل 13 نشان داده شده است.
مشابه با بسیاری از مواد دیرگداز، یک تعادل در خواص، برای بهینه سازی کاری، ضروری است.
شکل 14 کمک می کند تا رابطه ی میان نفوذ و نفوذپذیر هیدروژن را بدست آوریم.
نواحی با تعادل قابل قبول میان این دو پارامتر، در داخل مربع نشان داده شده است.
مطالعات اخیر نشان داده است که مقدار فاز شیشه ای در بلوک، نقش مهمی در ایجاد پوسته پوسته دارد.
بنابراین، ارزیابی میزان فاز شیشه ای شاید در زمان انتخاب دیرگدازهای مربوط به بلوک حمام، انجام شود.
علاوه بر ارزیابی کارایی مربوط به افزایش تعداد بلوک های دیرگداز بر روی کارایی، یک نسل جدید از بلوک های کلسیم آلومیناتی امروزه در بازار موجود است و از این رو، انتخاب قابل توجهی برای تولیدکنندگان شیشه وجود دارد.
بنابراین، فرصت های زیادی در زمینه ی استفاده از دیرگدازهای جدید برای صنعت شیشه، وجود دارد، اما مسئله ی حیاتی، ارزیابی کارایی این دیرگدازها در هنگام سرویس دهی است.
ارزیابی مستقل محصولات دیرگداز، مزیت های مناسبی در جهت ایجاد اطمینان در زمینه ی استفاده از آنها، ایجاد می کند.