صنايع شيشه سازي (1)

صنايع توليد شيشه يکي از پايه هاي اصلي اقتصاد آمريکا مي باشد. اين صنعت بيش از 150/000شغل تخصصي ايجاد نموده است؛ که بيش از 21 ميليون تن محصولات مصرفي با ارزش تخميني 22 ميليارد دلار در سال توليد مي کند.
توليد شيشه نياز به انرژي زياد دارد که 12 درصد ازکل قيمت فروش را شامل مي شود. از لحاظ تئوري براي ذوب کردن يک تن شيشه 2/2 ميليون Btu (واحد بريتانيايي براي گرما) انرژي لازم است؛ در حقيقت مقدار انرژي مورد نياز به خاطر پايين بودن بازده و اتلاف انرژي به ميزان دو برابر افزايش مي يابد. صنايع شيشه شامل 4 بخش عمده مي شود:

1) ظروف شيشه اي (container glass)

اين گروه شامل بطري ها(Bottles) ، شيشه هاي دهنه گشاد(Jars) و... مي شود.

2) شيشه هاي فلوت(flat glass)

اين گروه شامل شيشه هاي پنجره، آينه ها و شيشه هاي اتومبيل و... مي شود.

3) الياف شيشه (fibre galss)

اين گروه الياف شيشه اي اند که به صورت عايق هاي ساختماني و الياف بافته شده توليد مي شوند.

4) شيشه هاي ويژه (specialty glass)

اين گروه شامل وسايل آشپزخانه (cook ware)، تابلوهاي نمايشگر سطح (displays flat panel)، حباب لامپ ها(light bulbs)، الياف نوري(fiber optics)، وسايل پزشکي(medical equipment) و... مي باشد.
شيشه هاي فلوت 17%توليد شيشه ي ايالات متحده آمريکا از لحاظ وزن را شامل مي شود. همچنين ظروف شيشه اي 60درصد، الياف شيشه و9 درصد و شيشه هاي ويژه 4 درصد از توليدات شيشه اي ايالات متحده را شامل مي شوند.
درحالي که صنايع ظروف شيشه اي، الياف و شيشه هاي فلوت که سهم بسيار بالايي در فروش دارند بر پايه ي شيشه هاي سودالايم(soda-lime glass) پايه گذاري شده اند؛ صنعت شيشه هاي ويژه بر روي شيشه هاي مقاوم در دماهاي بالاتر تمرکز دارد و بيش از 60/000نوع محصول مختلف توليد مي کند. مثالهايي از توليدات شيشه اي که بوسيله ي صنعت شيشه سازي توليد مي شوند در شکل 1 ديده مي شوند. حالت مطلوبي از صنعت شيشه درطول 20 سال فرمول بندي شده است؛ که اين با مشارکت DOE (دپارتمان انرژي آمريکا) انجام شده است.

و چالشهاي تکنولوژي در آينده و فرصت هاي تحقيقاتي با مقايسه ديد آينده و حالت کنوني صنعت شيشه تعريف شده است. چالشهاي تکنولوژي به طور عمومي به چهار دسته تقسيم بندي مي شوند:
1)پيشرفت ها در زمينه ي ذوب و پالايش و در زمينه ي ساخت (شکل دهي)
2)پيشرفت تکنولوژي، تکنيک هاي ساخت شيشه، کنترل پروژه ها (Processing controls) و شبيه سازي مدل براي پروسه هاي جديد با کامپيوتر
3)بهبود سيستم هاي کنترل خروج، روشهاي بازيافت و مديريت مواد جامد باطله و...
4)توسعه ي توليدات ابداعي براي استفاده هاي جديد از شيشه
بخش هاي بالا پروسه هاي توليد شيشه هاي کنوني و چگونگي رسيدن به ديد صنعتي در زمينه ي شيشه از مواد پايه سراميکي را تعريف مي کند.
موادي که معمولاً در وسايل تهيه شده بوسيله ي شيشه استفاده مي شود شامل: فيوزد سيليکا (fusedsilica)، گرانيت، فلزات گران بها، آلياژهاي آهني سرد شده در آب مي باشند. مواد سراميکي ابتدا به عنوان مواد نسوز(refractories) و اکنون نيز به صورت هرچه بيشتر و در زمينه ي پوشش هاي مقاوم به سايش کاربرد دارد. همچنين مواد سراميکي پيشرفته به ندرت در اين صنعت استفاده مي شود که علت آن قيمت بالاي اين مواد است. بعلاوه به خاطر نبود مواد مقاوم در محيط هاي بادماي بالا جهت فرآيندهاي شيشه سازي، فلاکس ها به مواد شيشه اي اضافه مي شوند تا بتوان با کاهش دماي فرآيند شيشه سازي، اجازه ي استفاده از مواد مرسوم را داشته باشيم.
بحث ما بر طبق 4 عمليات عمده در توليد شيشه متمرکز شده است که به شرح زير مي باشند:
1)مرحله ي تهيه مخلوط(Batching)
2)مرحله ي ذوب (melting)
3)مرحله تصفيه و پالايش (refining)
4)مرحله شکل دهي (forming)
همچنين در بخش هاي بعدي اين مقاله در مورد 4 بخش از صنعت شيشه سازي صحبت کرده و در بخش آخر اين مقاله در مورد مشعل ها و وسايل توليد حرارت درکوره هاي توليد مذاب شيشه صحبت مي کنيم.
عمليات تهيه ي مخلوط، ذوب و پالايش در همه ي روش هاي توليد شيشه با اندک تفاوت در نوع کوره يکسان است. پس به بررسي جداگانه ي 4 مرحله ي شيشه سازي مي پردازيم:

1) مرحله ي تهيه ي مخلوط (Batching)

انتخاب مواد خام با توجه به ترکيب شيميايي، يکنواختي و اندازه ي ذرات انجام مي شود. مواد افزودني آلي و فلزي و سراميکي از بين مراحل حمل ونقل، انبار کردن، مخلوط کردن و دانه بندي عبور مي کند. اين مراحل شبيه مراحلي است که شيشه هاي بازيافتي عبور مي کنند. به علت اثرات مواد افزودني و با توجه به کيفيت محصول توليد شده، مقدار شيشه ي بازيافتي تغيير مي کند.
صنعت توليد شيشه هاي فلوت 39درصد از شيشه هاي شکسته ي خود را باز يافت مي کند. مواد ناخالصي سراميکي واکنش کمي با مذاب شيشه دارند و ذوب نمي شوند بنابراين به صورت سنگ ريزه هايي در محصول نهايي ديده مي شوند. ناخالصي هاي فلزي و آلي باعث بوجود آمدن ناپايداري در طي پروسه ي شيشه سازي مي شوند(از طريق واکنش هاي اکسايش -کاهش). که اين مواد موجب کاهش کيفيت شيشه مي شوند. مواد آلي موجود در بچ، منبعي مناسب جهت افزايش گازهاي خروجي هستند و موجب افزايش ارزش تميزکنندگي گازهاي خروجي مي شوند(اين مواد موجب افزايش گازهاي خروجي مي گردد و خروج گاز را از مذاب آسانتر مي کنند)
پروسه هاي نقل و انتقال، مخلوط کردن و دانه بندي موجب ساييده شدن وسايل وادوات مورد استفاده مي شوند بنابراين معمولاً ابزار آلات اين بخش داراي سطوح پوشش داده شده با سراميک هستند؛ و يا خطوط انتقال بوسيله ي سراميک هايي مانند آلومينا، سيلسيم کاربيد و يا تنگستن کاربيد ساخته مي شوند.
درحالي که به طورعمومي اثر قيمت و عملکرد مناسب و کافي براي انتخاب مواد در اين مکان ها بسيار مهم است ولي به دليل ريسک امکان آلودگي مذاب شيشه، استفاده از مواد ارزان قيمت تر ريسک بزرگي به حساب مي آيد.

2) مرحله ذوب(melting):

تقريباً 600 کوره ي ذوب شيشه در آمريکاي شمالي وجود دارد. توزيع نوع اين کوره ها به شرح زير است.
210کوره در زمينه صنعت بطري هاي سازي، 110 کوره مربوط به الياف شيشه، 45 کوره در صنعت شيشه ي فلوت و 235کوره مربوط به شيشه هاي ويژه است. عمر يک کوره مذاب شيشه با توجه به نحوه ي ساخت آن متفاوت است اما براي کوره هاي اين صنعت عمر 7 تا 8 سال غير معمولي نيست. البته هزينه ي بازسازي يک کوره به آساني از يک ميليون دلار تجاوز مي کند و همين امر نشاندهنده ي اهميت نحوه ي بازسازي کوره هاي شيشه سازي است. کوره ها را مي توان به دو گروه، کوره هاي گرم شونده با الکتريسته و کوره هاي گرم شونده با سوخت تقسيم کرد، که معمولاً گرمايش الکتريکي مذاب با آتش حاصل از سوختن مواد نفتي توأم است. اين عمل موجب بهبود يکنواختي گرما دهي، مهيا نمودن افزايش متناوب در ظرفيت ذوب با کم ترين هزينه، افزايش بازده مذاب، کاهش مصرف انرژي و دماي پايين تر (در بالاي نقطه ي ذوب) براي کاهش خروج انرژي مي گردد.

3) مرحله پالايش(refining):

مرحله ي اصلاح شيشه در کوره ي مقدماتي اتفاق مي افتد و موجب يکسان شدن دماي مذاب مي گردد. کوره ي مقدماتي معمولاً با گاز طبيعي کار مي کند. همچنين ازتقويت کننده هاي الکتريکي نيز براي افزايش بازده و بهبود يکساني دما، مي توان بهره برد. مبدلهاي گرمايي سرد شده با آب (water-cooled metal heat exchangers) براي کمک به ايجاد دماي يکنواخت مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين ممکن است از سراميک هاي پيشرفته نيز استفاده شود. تغييرات دمايي در کوره ي مقدماتي بسيار حياتي است و موجب ايجاد مشکلاتي شبيه به آنهايي که در مرحله ي ذوب با آنها روبرو بوديم، مي شود.پيستون ها(plungers) و نازل هاي (nozzles) مورد استفاده براي حرکت دادن و پخش کردن مذاب شيشه از سراميک هاي نسوز و يا موليبدن ساخته شده اند. ولي اين اجزا به علت رويا رويي و مواجهه با سايش بالا و ايروژن (erosion )نوعي خوردگي است که به واسطه ي حرکت سيال بر روي يک سطح اتفاق مي افتد). براي شيشه هاي با دماي ذوب پايين تر Inconel600 استفاده شده است که در اين مورد نيز شبيه به مورد بالا خوردگي شديد گزارش شده است. در دماهاي بالاتر خنک سازي با آب نيز مي تواند براي کاهش دماي اجزا مورد استفاده قرار گيرد. تعداد زيادي از مواد مناسب (مواد سراميکي پيشرفته) مورد استفاده در مراحل پالايش و ذوب شيشه وجود دارد که بسياري از اين مواد مناسب، براي ساخت کوره هاي سوخت -اکسيژن fired oxy-fuel استفاده مي شوند. سيکل هاي متناوب احتراق نيز بهبود يافته که گفته مي شود مواد سراميکي پيشرفته توانايي مقاومت در برابر اين سيکل هاي احتراقي را دارند.

4)شکل دهي(forming):

با توجه به اينکه محصول نهايي، چه نوع محصولي باشد نوع و نحوه ي فرم دهي نيز متفاوت است.
روش هاي شکل دهي انواع مختلف شيشه از جمله شيشه هاي فلوت، ظروف شيشه اي، الياف شيشه و شيشه هاي ويژه معمولاً بسيار متفاوت اند. در قسمت هاي بعدي اين مقاله در مورد هر يک از اين زمينه هاي توليد شيشه صحبت کرده و درقسمت پاياني نيز در مورد مشعل ها و سيستم هاي گرمايشي مورد استفاده دراين صنعت صحبت مي کنيم. ديدگاه اين مقاله بيشتر بررسي موقعيت هاي کاربردي در زمينه ي مواد ساختاري مورد استفاده در صنعت توليد شيشه است.
ادامه دارد .....
منبع:www.ms.ornl.gov/cfcc/iof/chap 6,pdf
/س