تجربه های آزمایشگاهی و مدل سازی در زمینه ی حل مشکلات عملیاتی کوره های تولید بطری های شیشه ای

چکیده

حباب از جمله عیوب متداول برای تولیدکنندگان شیشه می باشد. در بیشتر موارد، تشکیل حباب، یک معمای حل نشده است. عمده ترین منبع اولیه در زمینه ی حباب، ذوب شدن بچ می باشد. واکنش های ایجاد شده در هنگام ذوب شدن بچ منجر به آزاد شدن مقادیر قابل توجهی دی اکسید کربن می شود که این دی اکسید کربن موجب ایجاد حجم قابل توجهی حباب می شود. این نیاز وجود دارد که این حباب ها برای تولید شیشه های با کیفیت بالا، تصفیه شوند. Glass Service یک کوره ی مشاهده ای دما بالا (HTO) توسعه داد تا بتواند این مرحله ی اولیه ی ذوب را مشاهده کند و بفهمد که چه مخلوطی از ماده ی اولیه یا عامل تصفیه کننده ای موجب آزاد سازی بهتر این حباب ها می شود.
علاوه بر این، Glass Sercive یک روش خاص برای آنالیز سریع ترکیب شیمیایی گازهای داخل حباب هایی توسعه داد که در داخل محصولات شیشه ای به دام می افتند. بر طبق این آنالیز، فهمیده شد که این حباب ها، تنها بواسطه ی بچ ماده ی اولیه ایجاد نمی شوند. علاوه بر این، ما می توانیم از مدل سازی ذوب شیشه و بررسی جزئی حباب های محبوس با استفاده از این مدل ها برای شناسایی منابع این عیوب، استفاده کنیم.
در این مقاله، ما برخی از منابع ایجاد حباب و منابع تشکیل حباب را مورد بررسی قرار داده ایم. مثال هایی از مدل سازی و بررسی گازهای موجود در این حباب ها با استفاده از طیف سنجی جرمی نیز نشان داده شده است. در طی مطالعه ی این مقاله، شما می توانید با چندین مثال عملی در این زمینه، آشنا شوید.

مقدمه

ناخالصی های گازی در شیشه یکی از متداول ترین عیوبی است که بر روی کیفیت شیشه اثرگذار است. موقعیت حباب ها در شیشه، توزیع اندازه ی حباب ها، میزان گاز موجود در شیشه و مشارکت ناخالصی های دیگر و آگاهی از مکانیزم های برهمکنش مواد می تواند تشخیص منابع عیوب را تسهیل کند. با کمک یک طیف سنجی جرمی، این ممکن است که فاز گازی حباب های موجود در شیشه را تشخیص داد. بعد از آن، مدل سازی های ریاضی می توانند به ما در زمینه ی محل تشکیل این حباب ها در داخل تانک شیشه و ردیابی آنها در انتهای کوره کمک می کند و بوسیله ی این مدل ها، می توان فهمید که آیا ترکیب نهایی حباب ها، با آنالیز حباب ها مشابهت دارد یا نه؟

ستاپ مشاهده ی دما بالا

شماتیک روش مشاهده ی دما بالای مورد استفاده در آزمون ذوب / تصفیه ی بچ اولیه، در شکل 1 نشان داده شده است.
نمونه ی بچ آماده شده شامل یک مقدار معین خرده شیشه است و در داخل یک بوته ی مشاهده ی دما بالا قرار داده می شود که این بوته از جنس سیلیس می باشد. این بوته سپس در داخل کوره ی مشاهده قرار داده می شود که اغلب این کوره قبل از انجام آزمایش، در دمای 500 ℃ پیش گرم می شود. بعد از حرارت دهی تا دمای 1500 ℃، نمونه در این دما حفظ می شود تا فرایند تصفیه ی شیشه کامل شود.
رویه ی آزمون هر 10 ثانیه ثبت می گردد و بنابراین، در نهایت 1200 تصویر در هر آزمون، ثبت می گردد. فایل های ویدیویی که از تصایر ثبت شده، ایجاد می شوند، نشاندهنده ی رویه ی آزمون و خلاصه ای از روند ایجاد شده در نمونه می باشد. با استفاده از این رویه، قابلیت مقایسه فرایند ذوب شدن و تصفیه ی شیشه، وجود دارد.

آزمون ذوب بچ

ستاپ HTO برای آنالیز نحوه ی ذوب شدن مواد اولیه مورد استفاده قرار می گیرد. بوته ی سیلیسی شفاف با ماده ی اولیه پر می شود و در داخل کوره ی HTO قرار داده می شود. دوربین برای آنالیز میزان نواحی غیر هموژن بودن مورد استفاده قرار می گیرد. این غیر هموژنی ها، نشاندهنده ی میزان جوانه هایی است که در مذاب وجود دارد. در شروع، 100 %از بوته غیر شفاف است. وقتی فرایند ذوب شروع شود، میزان غیر هموژن بودن، به آهستگی کاهش می یابد تا به میزان صفر برسد. وقتی غیر هموژنی به میزان صفر رسید، این بدین معناست که ما به شیشه ای عاری از جوانه رسیدیم.
در شکل 2 یک مثال در مورد یک چنین آزمایشی را مشاهده می کنید. این آزمایش بر روی یک ترکیب شیشه ی مورد استفاده برای بطری، انجام شده است.
در این مورد، recipe 1 ترکیب بچ اصلی مورد استفاده می باشد. ما می توانیم ببینیم که این نمونه حتی بعد از 4 ساعت پس از ذوب شدن، هنوز هم جوانه دارد. این مسئله نشاندهنده ی این است که رفتار تصفیه ای این بچ، بسیار ضعیف است. ما سپس سعی می کنیم تا بچ های مختلف ازمواد اولیه را به گونه ای بهینه سازی کنیم که سرعت تصفیه افزایش یابد. ما به طور واضح می توانیم ببینیم که نمونه ی recipe 2سرعت و نمودار ذوب شدن بهتری دارد. برای این نمونه، ما بعد از 2 ساعت به شیشه ای با کیفیت مناسب رسیدیم. در واقع، نمونه ی recipe 1 هیچگاه به این کیفیت نمی رسد، حتی بعد از 3 ساعت حرارت دهی. همچنین این واضح است که یک نمونه ی مختلف، می تواند نمودار ذوب شدن را تغییر دهد. برای مثال، نمونه ی recipe 4 سریع تر ذوب می شود اما هنوز هم کیفیت عالی در محصول نهایی، ایجاد نمی شود. نمونه ی recipe 5 همچنین بعد از زمان تقریبی 2 ساعت، به کیفیت مناسب می رسد، به هر حال، نمودار ذوب مربوطه دارای سرعت آهسته تری نسبت به نمونه ی 2 دارد که این مسئله موجب کاهش ریسک مربوط به تشکیل فوم در زمان ذوب می شود. بنابراین، از نتایج حاصله، این پیشنهاد را می دهد که نمونه ی recipe 5 بهترین نمونه می باشد.
بنابراین، HTO یک ابزار ارزشمند برای بررسی مواد اولیه ی جدید است و بوسیله ی آن می توان ترکیب شیمیایی بهینه را شناسایی کرد.
شکل 3 تصویری از فرایند ذوب بعد از 1 و 2 ساعت از آزمایش نمونه های بالا را نشان می دهد..

آنالیز عیوب و تشخیص منابع حباب

آگاهی یافتن از ترکیب شیمیایی حباب با استفاده از طیف سنجی جرمی یکی از مراحل اصلی برای شناسایی سیستماتیک منبع حباب می باشد. اصول اساسی رویه ی شناسایی، در واقع مطالعه ی خواص حباب های موجود می باشد. این خواص ها عبارتند از:
• ترکیب شیمیایی گاز
• فشار داخلی
• توزیع اندازه ی حباب ها (این اندازه اغلب به صورت قطر معادل در دمای ذوب، بیان می شود)
• وجود انقباض
• سایر مشخصات مربوطه (کریستال، سنک و رگه) در شیشه ی مجاور حباب
• کیفیت ظاهری حباب
• توزیع حباب در محصول
در ادامه، خواص حباب، نوع آنها و ارزیابی آنها منجر به توسعه ی اساس علمی مناسبی می شود که این اساس برای شناسایی منبع حباب در تانک های صنعتی، مورد استفاده قرار می گیرد. با مشارکت مدل سازی های ریاضی و رویه های ردیابی حباب، پیش بینی ها بهبود می یابد و بدین وسیله کیفیت شیشه افزایش می یابد. بدین وسیله، اطلاعاتی از جمله منبع حباب، محل آن در تانک و ... بدست می آید.
ما برخی مثال ها در این زمینه را در این مقاله آورده ایم. توجه کنید که این مثال ها، تنها مثال های انتخابی هستند و تلاش ما به منظور بیان مثال هایی بوده است که بتوانند منظور این مقاله را به طور مناسبی ارائه دهند.

منابع حباب در کوره ها صنعتی شیشه

در طی فرایند ذوب، مذاب شیشه ای، از بچ مواد اولیه تشکیل می شود که این مذاب دارای مقادیر بالایی حباب می باشد. بیشتر این حباب ها در طی فرایند تصفیه، خارج می شوند و مقادیری حباب جدید، بعدها به صورت تصادفی یا به دلیل خوردگی دیرگدازها، تشکیل می شوند. بنابراین، طبقه بندی کلی مربوط به منابع حباب موجود در شیشه، می تواند موجب آگاهی یافتن از محل و یا منبع جوانه زنی حباب شود. گروه های زیر بر اساس مکانیزم های مختلف تشکیل حباب، پیشنهاد شده اند.

حباب های تشکیل شده به دلیل تجزیه ی بچ اولیه

این نوع از حباب ها، منبع اصلی تشکیل حباب می باشند که به دلیل تجزیه ی کربونات ها در داخل بچ، ایجاد می شوند. این فرایند حباب هایی را ایجاد می کند که حاوی مقادیر قابل توجهی دی اکسید کربن هستند. علاوه بر ارزیابی میزان دی اکسید کربن، واکنش های تصفیه ی مجدد که بواسطه ی دماهای بالا فعال سازی می شوند، از اکسیژن استفاده می کند و دی اکسید گوگرد حاصله، به داخل حباب نفوذ می کند و موجب افزایش میزان این اکسید در حباب می شود. ترکیب نمونه وار حباب حاصله از ذوب شدن و یا تصفیه ی مذاب، که هنوز هم در محصول باقی مانده است، در جدول 1 نشان داده شده است. اندازه ی کوچک، مقادیر بالای دی اکسید کربن، مقادیر اندک از نیتروژن و آرگون، از جمله ویژگی های این حباب هاست.

حباب های ایجاد شده به دلیل جوانه زنی

دلیل ایجاد این حباب ها، ایجاد فوق اشباع در مذاب شیشه به دلیل تغییرات دما یا ترکیب و ایجاد جوانه زنی غیر هموژن می باشد. گازهای تصفیه کننده (مانند دی اکسید گوگرد و اکسیژن در شیشه های حاوی سولفات که حساسیت بیشتری نسبت به جوشیدن مجدد دارند و همچنین اکسیژن که در مورد شیشه های تصفیه شده با اکسید، مشاهده می شود)، عموماً ترکیب اولیه ی این حباب ها را تشکیل می دهد. این گازها دارای وابستگی دمایی قابل توجهی نسبت به حلالیت در شیشه ی مذاب دارند و بنابراین، ترکیب شیمیایی حباب های ایجاد شده، می تواند به سرعت، با دما تغییر کند. حباب های تازه شامل مقادیر بالایی گازهای تصفیه کننده هستند، در حالی که حباب های قدیمی تر، باید مقادیر کمتری از این گازها را به همراه داشته باشند و یا مقادیر گازهای موجود بسیار اندک باشد.
نفوذ تدریجی دی اکسید کربن و نیتروژن از مذاب به این حباب ها، منجر به افزایش میزان دی اکسید کربن و نیتروژن موجود در این حباب ها می شود و همچنین می تواند شاخصی برای عمر این حباب ها باشد. فشار پایین حباب، به دلیل انجام واکنش غیر متجانس دی اکسید گوگرد، نیز در برخی موارد، مشاهده گردد. ویژگی مهم ، این است که این حباب ها، اکثراً حاوی هیچ گاز آرگونی نیستند. جدول 2 نشاندهنده ی مثال هایی از ترکیب گاز حباب هایی است که از فرایند جوشش مجدد، ایجاد شده اند. شیشه ی کهربایی به سهولت با فوق اشباع، قابل حصول است.

حباب های ایجاد شده به دلیل واکنش الکتروشیمیایی

ایجاد این حباب ها، در نزدیکی ترموکوپل ها، بوستینگ (boosting) یا الکترودهای زمینی، گیج های پلاتینی و عموماً بر روی قطعات فلزی در تماس با مذاب شیشه، انجام می شود. این حباب ها به دلیل تشکیل سلول های الکتروشیمیایی، تشکیل می شوند. الکترود ثانویه در این سلول ها، عموماً قطعات دیرگداز می باشد. اگر هر دو الکترود، به صورت مدار کوتاه، در تماس با هم باشند (برای مثال از طریق یک ساختار فولادی کوره)، یک سلول گالوانیک ایجاد می شود و واکنش زیر می تواند در آند رخ دهد:
〖2O〗^(2-)-4e^-↔O_2 (g,l)
حباب های جدید ایجاد شده بواسطه ی واکنش الکتروشیمیایی، عمدتاً شامل اکسیژن هستند (90 الی 100 % آن اکسیژن است)، در حالی که حباب های قدیمی تر، حاوی مقادیر کمتری اکسیژن هستند و یا هیچ اکسیژنی ندارند. اکسیژن به سرعت در مذاب، حل می شود. این منبع عمدتاً در نواحی با دمای پایین تر کوره، وجود دارد مثلاً در بخش تغذیه ی مواد اولیه. اندازه ی این حباب ها، نسبتاً بالاست. جدول 3 مثال های نمونه واری از حباب هایی را نشان می دهد که از واکنش های الکتروشیمیایی تشکیل شده اند (شکل 4).

حباب های تشکیل شده بواسطه ی فرایندهای مکانیکی

این حباب ها بواسطه ی برهمکنش های مکانیکی میان مذاب و قطعات متحرک و ثابت، ایجاد می شوند. این قطعات عموماً در فرآیند ذوب شیشه مورد استفاده قرار می گیرند و کارایی هایی از جمله جداسازی بخش های داخلی، قطعات مربوط به تغذیه کننده و یا ترک های هستند که در ساختار دیرگداز وجود دارد. منبع ایجاد کننده ی حباب یا عوامل ایجاد کننده آن، عمدتاً در نزدیکی خروجی کوره واقع شده اند. این حباب ها محتوی هوا و یا باقیمانده ی هوا (به طور نمونه وار آرگون) هستند. این حباب ها، تغییر قابل توجهی در ترکیب شیمیایی را محتمل نمی شوند، با وجود این، فرایند نفوذ موجب می شود تا دی اکسید گوگرد به داخل حباب ها نفوذ کند. این مسئله موجب می شود تا بتوان سن این حباب ها را تخمین زد. جدول 4 بیان کننده ی آنالیز حباب هایی است که بواسطه ی به دام افتادن مکانیکی، ایجاد شده اند.

حباب های ایجاد شده از دیرگدازها

این حباب ها از تخلخل های بازی منتج می شوند که در دیرگدازها وجود دارد. این حباب ها عموماً شامل باقیمانده های هوایی است که در آن نسبت نیتروژن به آرگون اندکی بالاتر از چیزی است که در هوای معمولی مشاهده می شود. البته این نسبت به عمر حباب وابسته است. فعالیت قابل تشخیص این منبع از حباب، اکثراً زمانی مشاهده می شود که شیشه نفوذ کند و به طور مستقیم با لایه های دیرگداز در تماس باشد. جدول 5 ترکیب نمونه وار حباب هایی را نشان می دهد که از دیرگدازها منتج شده اند.
شکل 5 نشاندهنده ی حباب هایی است که از دیرگداز منتج شده اند. در حقیقت، دو نمونه ی A و B وجود دارند که در کوره ی مشاهده ی دما بالا، قرار داده شده اند. در این کوره، تفاوت میان میزان حباب جوانه زنی کرده از دیرگدازهای مختلف و تحت شرایط ایده آل، مورد بررسی قرار گرفته است. نمونه ی سمت چپ به طور واضح دارای عیوب کمتری در سطح و در طی زمان است. این مثال، مثالی از جوانه زنی آهسته است اما بواسطه ی آن، می توان کیفیت دیرگدازهای در ارتباط با عیوب، مورد بررسی قرار گیرد.

ترسیم منابع عیوب کوره

در مورد فردی که واقعاً بخواهد در مورد این مسئله اطلاعات کسب کند که در کجای کوره، حباب های مخلتف، تشکیل شده اند، این مسئله امکان پذیر است که 100 حباب از محصول شیشه ای را در طی یک دوره ی زمانی کوتاه و به طور رندوم، انتخاب کنیم. وقتی نتایج در داخل یک گراف قرار گیرد، غلظت دی اکسید کربن نسبت به میزان آرگون قابل مقایسه می شود و بدین صورت امکان تمایز میان منابع مختلف برای خطوط تولید معین، ممکن می شود. برای مثال، شکل 6 را ببینید.

عمر حباب

علاوه بر منبع حباب، ما همچنین قابلیت انجام آنالیزهای mars-spec را به منظور ارزیابی عمر حباب ها را داریم. Glass Sercive یک بوته ی خاص و یک آزمایش تجربی به منظور بررسی تغییرات در ترکیب شیمیایی گازهای موجود در داخل حباب ها را به عنوان تابعی از زمان، توسعه داده است. شکل 7 را ببینید. در این شکل، ما تغییرات دی اکسید کربن و نیتروژن به عنوان تابعی از زمان نشان داده شده است. در شکل 6، یک حباب محتوی نیتروژن را نشان می دهد که دی اکسید کربن به داخل آن نفوذ کرده و به میزان 80 % می رسد. از این آزمایشات به این نتیجه می رسیم که در غلظت حدود 80 %، حداقل 2.5 ساعت از عمر حباب گذشته است.
با توجه به این اطلاعات، می توان منشأ تولید حباب را شناسایی کرد.
استفاده از مدل سازی ریاضی در شناسایی خواص حباب ها
آخرین توسعه ها در زمینه ی مدل های ریاضی برای شبیه سازی کوره ها، به ما اجازه می دهد تا حباب ها را در فضای ذوب شدن، ردیابی کرد. این کار با استفاده از توصیف های پس از مدل سازی انجام می شود که در آنها، رفتار حباب در داخل مذاب، مورد ارزیابی قرار می گیرد. علارغم الزامات این شبیه سازی ها به منظور افزایش دقت و اندازه گیری سخت گیرانه، این روش ها جذابیت زیادی را جلب کرده اند که علت این مسئله، انعطاف پذیری بالای این روش ها و نیاز محدود به داشتن اطلاعات در مورد شیمی حباب می باشد.
رویه ی مدل سازی می تواند به صورت زیر خلاصه گردد:
• در نظر گرفتن نواحی مورد انتظار مربوط به فعالیت منابع بوسیله ی شبکه ی پر دانسیته ای از حباب های دارای ترکیب شیمیایی اولیه، اندازه و توزیع.
• ردیابی حباب های در کوره ی مدل سازی شده
• مقایسه و یا انتخاب خواص حباب های رسیده به خروجی کوره با آنالیز تقریبی گاز حباب ها.
• نمایش نقاط آغازین که در آنها حباب ها با ترکیب شیمیایی آنالیز شده، تطابق پیدا می کنند و بررسی محل قرارگیری حباب ها در تانک واقعی (شکل 8)

نتیجه گیری

ترکیب شدن آزمایش مشاهدات دما بالاریال مدل سازی های ریاضی و هزاران آنالیز حباب در هر سال به ما اطلاعات خاصی در مورد تشخیص منابع حباب هایی می دهد که در محصولات شیشه ای وجود دارد. با استفاده از این آنالیز، توانایی حذف عیوب ناخواسته از مذاب مقدور می شود. همچنین Glass Service نرم افزاری با نام Expert System I توسعه داده است که قابلیت شناسایی منابع ایجاد کننده ی حباب را دارا می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد