صنايع شيشه سازي (3)

شيشه ي مخصوص ظروف ( Container glass) :

صنعت شيشه ي مخصوص ظروف که شامل 64 کارخانه در 25 ايالت آمريکاست ، با اشتغال 30000 کارگر ماهر ، توليد کننده ي 1203 ميليون تن شيشه در سال است . اين صنعت سالانه 5 ميليارد دلار فروش دارد .
کارخانه هاي مرتبط با اين صنعت به طور عمده در نزديک مراکز فروش کالا قرار دارند . در سال 1992 ، اين صنعت 119 تريليون Btu انرژي مصرف کرده است که 79 درصد از اين انرژي به وسيله ي گاز طبيعي تامين شده است .
فشارهاي رقابتي حاصله از سليقه ي مشتري ها و بازار به سمت استفاده از مواد سبک تر (مانند آلومينيوم و پلاستيک ) براي ظروف است . همچنين عواملي مانند قيمت بالاي توزيع و پخش محصولات شيشه اي به خاطر وزن بالاي شيشه ، ارزان بودن قيمت کارگر در کشورهاي در حال توسعه ، بر روي اين صنعت تاثير مي گذارد . قيمت توزيع و پخش ظروف شيشه اي با توسعه ي شيشه هاي با استقامت کششي بالاتر و بهبود روش هاي توليد ، کاهش مي يابد . اين بهبود روش هاي توليد و افزايش مقاومت کششي شيشه موجب توليد شيشه هاي با جداره ي نازک تر مي شود . افزايش توليد و بهره وري بيشتر از انرژي باعث ايجاد توان رقابتي بالا در برابر کشورهاي در حال توسعه است .
براي ساخت يک کارخانه ي توليد شيشه هاي مخصوص ظروف هزينه اي برابر 70 ميليون دلار نياز است . که آخرين کارخانه ي توليد اين محصولات در سال 1981 ساخته شد . به دليل به کمال رسيدن روش هاي توليد ، روشهاي توليد در همه ي کارخانه ها يکسان است .
يک کارخانه ي توليد شيشه هاي مخصوص ظروف نمونه وار شامل عمليات هاي بالا دستي :
تهيه ي بچ اوليه ، ذوب کردن شيشه ، اصلاح و پالايش شيشه ( conditioning ) و شکل دهي است . همچنين عمليات هاي پايين دستي شامل : پوشش دهي و آنيلينگ مي شود . که البته عمليات هاي پايين دستي را مي توان در داخل کارخانه و يا بيرون از آن انجام داد . عمليات هاي مربوط به تهيه بچ اوليه ، ذوب ، اصلاح و آنيلينگ شيشه هاي توليدي شبيه به آنهايي است که در قسمت قبل گفته شد . در اينجا در مورد شکل دهي شيشه هاي ظروف صحبت مي کنيم .

شکل دهي شيشه هاي مخصوص ظروف :

پس از اصلاح دما و يکنواختي : شيشه مذاب به عمليات شکل دهي منتقل مي شود .
gob feeder يک قسمت کوچک از کوره ي مقدماتي است که شامل يک ميکسر ، پيستون ، خروجي و جرثقيل است که در شکل (1) نشان داده شده است . gob feeder وزن ، دما و شکل تکه هاي شيشه را کنترل مي کند . که همه ي اين فاکتورها بر روي کيفيت ظروف توليدي موثر است .سرعت شکل دهي تکه هاي شيشه را مي توان تا 300 تکه بر دقيقه افزايش داد . مواد ساختاري مورد استفاده براي gob feeder شامل : فلزات سرد شده در آب (پره هاي برش دهنده ) ، فلزات گران بها ( هم وزن ) ، مواد نسوز ( پيستون ) مي شود که در طي پروسه دماي تکه هاي شيشه به 1100 درجه سانتيگراد مي رسد . تکه هاي شيشه سپس وارد عمليات شکل دهي مي شوند . در طي پروسه ي شکل دهي گرما از شيشه گرفته شده که اين از دست دادن حرارت بر اساس روش کنترل شده اي انجام مي شود . چندين روش براي شکل دهي تکه هاي شيشه وجود دارد ؛ که انتخاب نوع روش به عواملي چون ترکيب ، شکل ظرف ، اندازه و سرعت توليد بستگي دارد . روش پرس ـ دمش معمولاً براي تهيه ي ظروف دهان گشاد استفاده مي شود . شکل (2)

در عمليات شکل دهي به روش پرس ـ دمش ، تکه هاي شيشه وارد قالب شده و ابتدا پرس مي شوند . درطي عمليات پرس کردن ، دماي پيستون به 550 درجه سانتيگراد مي رسد . به دليل اينکه مواد مورد استفاده در ساخت پيستون ، سختي مناسبي در اين دما ندارند معمولاً سطح پيستون به واسطه ي شيشه ي سرد شده خراشيده مي شوند .
قطعه ي شيشه ي پرس شده که Blank نام دارد از قالب خارج شده و دوباره گرم مي شود و در قالب ثانويه که قالب دمش نام دارد ، قرار مي گيرد و با دمش به شکل ظرف مورد نظر در مي آيد . هنگامي که شيشه ي فرم داده شده از قالب دمش خارج مي شود ، دماي آن به 78 درجه سانتيگراد کاهش مي يابد .
سرعت توليد به سرعت خروج حرارت وابسته است که مي توان سرعت توليد را به 100 ظرف در دقيقه رساند (اين سرعت توليد هنگامي اتفاق مي افتد که از قالب هاي چند برابر براي يک سيستم تغذيه ي تکه هاي شيشه بهره برده شود )عمليات شکل دهي سهم زيادي در هزينه و کيفيت ظروف شيشه اي پاياني دارد که مقدار زيادي از اين سهم مربوط به قالب هاي شکل دهي مي شود.
مواد مورد نياز براي توليد قالب هاي مناسب بايد خصوصياتي از جمله : ارزان بودن ، توانايي توليد شکل هاي پيچيده ، پيچش کم در هنگام استفاده ، توانايي ايجاد سطح پاياني مطلوب براي شيشه ، انبساط گرمايي پايين ، خواص ساختاري پايدار در دماي بالا ، ضريب انتقال گرمايي بالا و مقاومت بالا در برابر سيکل هاي گرمايي را داشته باشند . مواد قالب هاي اوليه از چدن است .سرمايش به وسيله ي فشار کم هوا براي تسريع در عمليات انتقال گرما و بهبود کنترل گرمايي انجام مي شود . به هر حال به دليل اينکه سيستم خنک سازي با هوا ايجاد سر و صدا مي کند ، سيستم سرد کردن با آب ، به عنوان يک راهکار ممکن است انتخاب شود . البته يکي از نقايص سيستم هاي خنک سازي با آب ، ايجاد نشست آب و خوردگي است .
براي کاهش زمان قالب گيري در هر سيکل ، مي توان دماي قالب را به وسيله ي هوا يا آب کاهش داد . مواد مورد استفاده براي قالب ها که انتقال حرارت بهتري دارند نيز مي تواند به عنوان يک راهکار باشد . (مثلاً آلياژهاي پايه مس ).
براي جلوگيري از چسبيدن قالب به شيشه ، ايجاد خطوط نامطلوب بر روي شيشه و يا اکسيداسيون فلز قالب ، قالب در هر سيکل به مواد روانساز آغشته مي شود . به خاطر اينکه دماي قالب به 500 درجه سانتيگراد مي رسد؛ مواد روانساز مورد استفاده در قالب ، ايجاد بخار يا دود مي کنند و در برخي موارد به طور خود به خود آتش مي گيرند . روش هاي ديگر جهت رفع اين مشکل وجود دارد که شامل استفاده از روانسازهاي جامد غير فلزي فيلم مانند و يا وارد کردن گاز استيلن به داخل قالب گرم در هر دوره ، مي شود.(وارد کردن گاز استيلن موجب شکسته شدن گاز استيلن و ايجاد يک لايه ي کربني در بخش داخلي قالب مي گردد ).
مواد ديگري که اخيراً جهت ساخت قالب ها مورد استفاده قرار مي گيرند شامل سوپر آلياژهاي پايه نيکل ، گرافيت و پوشش هاي سراميکي مي شوند . موادي که شامل آزبست (پنبه ي نسوز ) بودند نيزبراي مدتي استفاده مي شد ولي به خاطر سرطان زايي و مسائلي با گرافيت جايگزين شد . سوپر آلياژهاي پايه نيکل در جاهايي مورد استفاده قرار مي گيرد که نياز به سختي و مقاومت کششي بالاتر باشد ( مثلاً در پيستون ها ، وسايل تنظيم جريان ( baffles ) ، قيف ها ، سري هاي دمش ، صفحات زيري و قطعات مسدود کننده ( plugs ) .
مانند شيشه ي فلوت ، آلودگي ناشي از نيکل مي تواند در پروسه ي شکل دهي ايجاد مشکل کند . گرافيت ماده ي ترجيح داده شده براي استفاده است زيرا اين ماده خيس نمي شود و موجب ايجاد خط يا چسبندگي نيز نمي شود . همچنين خود گرافيت خاصيت روانسازي دارد . اين ماده در دماي بالا مقاومت کششي خود را از دست نداده و ابعاد آن نيز ثابت مي ماند گرافيت ماده اي ارزان ، با قابليت ماشين کاري آسان و از لحاظ محيط زيست نيز ماده اي خنثي است . کاربرد گرافيت شامل لايي هاي سري دمش ( blow-head inserts ) ، لايي هاي دهانه ي خروجي ( take - out - tongue ) ، ميلرهاي باربر کوره ي (lehr-loading bars)lehr ، دفلکتورهاي تکه هاي شيشه ( gob deflectors ) ، جهت دهنده هاي بالابر ( conveyor guides ) ، مي شود . نمره و گريد گرافيت مورد استفاده بر اساس کاربردش تعيين مي شود .
مثلاً گرافيت متخلخل براي کوره ي lehr مطلوب است زيرا اين نوع گرافيت از واکنشهاي گرمايي که موجب انتقال سريع گرما در انتقال ظروف جلوگيري مي کند . گرافيت هاي با دانسيته ي بالاتر براي قالب ها ، که نيازمند استحکام و سختي بيشتري هستند ، مورد استفاده قرار مي گيرد . در حالي که گرافيت به خاطر بسياري از ويژگي هايش ترجيح داده مي شود ، اشکال کليدي آن عمر کوتاه آن به خاطر مقاومت در برابر اکسيداسيون و خواص کششي نامناسب آن است . همچنين استفاده از سراميک نيزموجب افزايش عيوب شيشه مي شود . همين طور که ظروف نازک تر مي شوند ، مواد با سختي بالاتر نيزبراي سطح قالب مطلوب تر مي شوند . که علت آن اين است که مواد سخت تر در سطح قالب ها به خاطر کاهش دادن ميزان آلودگي و ايجاد سطح پاياني تميزتر و کاهش اندازه ي بحراني ، بيشتر مورد توجه اند .
مواد با سختي بالاتر موجب کاهش ميزان سايش قالب نيز مي شوند . يکي از راه کارهاي مورد استفاده براي سخت کاري سطح قالب ، استفاده از پوشش هاي سخت (مانند : کاربيد تنگستن و کاربيد تيتانيم ) است . اين مواد در سطوحي که با دماي بالا سر و کار دارند (مخصوصاً در پيستون ها ) ، مورد استفاده قرار مي گيرند . در حالي که قطعات پوشش داده شده گران ترند و ماشين کاري آنها سخت تر است؛ مقاومت به سايش و اکسيداسيون ، و حفظ ابعاد اوليه در دماي بالا ، هنگامي که اين پوشش ها بر روي چدن و يا گرافيت ايجاد شود ، بسيار خوب است .
پس از انجام عمليات قالب گيري ، ظروف توليدي به داخل کوره ي lehr (براي از بين بردن تنش هاي داخلي ) برده مي شوند . ساختار کوره ي lehr مانند همان حالتي است که در مورد شيشه هاي فلوت گفته شد ؛ تنها تفاوت اوليه ي آنها در اين است که در توليد شيشه هاي ظروف از نوار نقاله براي حرکت دادن مواد اوليه از ميان نقطه ي گرم به وسيله ي يک روش کنترل شده که نوار نقاله کاملاً در داخل کوره قرار دارد .که اين کار موجب کاهش پرت حرارتي و افزايش بازده مي شود . به جز پوشش هاي مورد استفاده در برخي از قالب ها ، هيچ گواهي از استفاده ي مواد پيشرفته ي سراميکي در فرآيند شکل دهي شيشه هاي مخصوص ظروف نيست .
فرصت هاي خاص براي استفاده از مواد جايگزين با گرافيت در مکان هاي بسيار گرم وجود دارد که اين مواد جايگزين بايد خواصي از جمله تا فنس بهتر ، سختي بالاتر ، پايداري در برابر اکسيداسيون بهتر داشته باشند .
همچنين مواد ارزان تر جهت جايگزيني با فلزات گران بهاي مورد استفاده در gob feeder و کوره ي مقدماتي مورد تحقيق قرار گرفته است .
مواد با انتقال حرارت بيشتر و سختي بالاتر در دماي بالا براي ساخت قالب ها مورد استفاده قرار گرفته که موجب افزايش طول عمر قالب ، کاهش زمان انجام يک قالب گيري (بدون نياز به سرمايش داخلي ) شده است . مواد با مقاومت گرمايي بالاتر را همچنين مي توان در ساخت قطعات ديگر ماشين قالب گيري استفاده کرد . که اين امر موجب کاهش هزينه هاي نگهداري و بهبود کيفيت مي شود .
سنسورها جديد و غلاف سنسورهايي براي اندازه گيري دماي تکه هاي شيشه مورد استفاده قرار مي گيرند . اين سنسورها همچنين يکنواختي دما ، خروج حرارت در طي فورم دهي را اندازه گيري مي کنند که در همه ي موارد ، سراميک هاي پيشرفته در مرکز حل مشکلات قرار دارند . به دليل اينکه سازگاري سراميک هاي پيشرفته با مواد مذاب شيشه اي زياد است ؛ اين مواد که عمدتاً برپايه ي اکسيدها هستند ، انتخاب خوبي هم به صورت خالص و هم به صورت کامپوزيت با مواد ديگر هستند که در دماهاي بالا فازهاي پايدار نيزدارند .براي مثال مواد ممتاز در اين زمينه شامل : آلومينا ، مولايت ، کامپوزيت هاي سيلسيم کاربيد با آلومينا هستند . کامپوزيت هاي پايه موليبدن سيليسيد نيز از جمله مواد مناسب براي بسياري از اين کاربردهاست .
سراميک هاي پايه سيلسيم يک انتخاب خوب براي کاربردهاي با دماي بالاست که در اين کاربردها بهينه سازي خواص ساختاري مدنظر است و تماسي ميان شيشه مذاب و نسوز وجود ندارد .
/س