نتايج حاصل ازكاربرد نانوفناوري در صنعت توليد شيشه

پودر سيليس  : پودر سيليس که ترکيب اصلی آن  می باشد بهمين شکل وارد شيشه خواهد شد. ما سيليس را بصورت دانه های طبيعی آن که از سطح زمين خارج گرديده و يا اينکه دانه های رسوبی که دراثر تغييرات جوی، بر روی کوارتزيت و کوارتز (بعنوان شن طبيعی) تشکيل يافته اند مورد بررسی قرار می دهيم.

قطعات بزرگ کوارتزيت ويا کوارتز که خردايش گرديده و بشکل پودر در آمده اند بعنوان ماده اوليه اصلی در شيشه مورد استفاده قرار می گيرند. گاه درصورت مناسب بودن شرائط، پودر سيليس با کيفيت بالا بصورت طبيعی (سيليس دريا) بعنوان بهترين گزينه  بعنوان مواد سيليسی مورد نياز شيشه فلوت محسوب می شود. اين نوع سيليس با دانه کروی و دانه بندی مناسب بدون اينکه نياز به خردايش آن باشد مستقيماً مورد استفاده قرار می گيرند. در حال حاضر پودر سيليس يا سيليس خردايش شده که به دانه بندی رسيده است با استفاده از روش تر جهت فرآوری واصلاح کيفيت آن ساخته و آماده می شود.

همانگونه که ذکر شده  ضروری ترين ماده در شيشه سازی است که شکل ساختمانی آن بصورت تترا هيدرال بوده که يک شبکه ممتد و غير منظم را بوجود آورده و اسکلت اصلی ساختمان شيشه ای را تشکيل می دهد. اين ماده بعنوان شبکه ساز اصلی خواصی ازقبيل نور گذری و شفافيت و ثبات حرارتی وشيميائی و سختی را به شيشه می دهد ضمناً  باعث کاهش ضريب انبساط حرارتی شيشه نيز می گردد.

 فلدسپار: تقريباً سه سيستم فلدسپار درطبيعت يافت می شوند که عبارتند از:

1- فلدسپار قليائی که از ذوب مخلوط فلدسپات پتاسيک و [1]anorthite بدست می آيد فلدسپار قليائی برای فلوت ترجيح داده می شود زيرا که  مورد نياز، از آن مشتق می گردد در حاليکه بطور همزمان اکسيدهای قليائی  نيز از آن بدست می آيد که برای شيشه مفيد است.

محدوده ذوب فلدسپار بين 300/تا 1100 درجه سانتيگراد است اين ماده در صورت ذوب Congruent[2] با کوارتز و سليکاتهای آلومينيوم سبب کمک به فرآيند ذوب نيز می شود. اين ماده برنگ سفيد، طوسی، قرمز روشن وصورتی متمايل بزرد وغيره يافت می شود عدد (Moh,s) سختی آن از 6 تا 5/6 و وزن مخصوص آن 76/2-55/2 سانتيمتر مکعب/ گرم است اين ماده همچنين دارای سطح پوششی شيشه ای شکل است. اکسيد آلومينيوم بعنوان يک اکسيد واسطه است و درشيشه فلوت در هر شکل فلوت در شکل تتراهيدرال آلومي نيم و با تترا هيدرال سيليس يک شبکه ممتد تشکيل می دهد. مقدار کم اکسيد آلومي نيم در شيشه می تواند بطور مؤثری تمايل شيشه را برای کريستاليزه شدن (سرد شيشه بستن) کاهش دهد و همچنين حرارتی و شيميائی ونيز سختی شيشه را بهبود بخشد. اکسيد آلومی نیم همچنين باعث پائين آوردن ضريب انبساط حرارتی گرديده وسبب کاهش خورندگی فيزيکی آجرهای نسوز کوره بوسيله شيشه مذاب می گردد.  همچنين باعث بالا رفتن گرانروی شيشه مذاب می گردد بنابراين مقدار بيش از حد آن باعث مشکلات بيشماری در فرآيند ذوب و تصفيه ونيز بروز موج و خط و ساير معايب در شيشه نهائی می گردد.

 دولوميت: در صنعت شيشه  وبخشی از  لازم از دولوميت تأمين می گردد. دولوميت معمولاً بصورت سفيد متمايل به طوسی و از نظر ظاهر بسيار مشابه آهک می باشد. وقتی دولوميت حرارت داده می شود در900-700 درجه سانتيگراد با تجربه به مخلوطی از  و  و  تبديل می گردد.

 آهک: يکی از فراوان ترين مواد اوليه شيشه که بخش قابل توجهی ازپوسته زمين را تشکيل می دهد می باشد. ترکيب شيميائی آهک خالص  است و اغلب دارای مقدار کمی  نيز می باشد. با ورود به مواد اوليه شيشه اين ماده باعث آزاد نمودن  (اکسيد کلسيم) در شيشه می شود.  بعنوان اکسيد تعديل و تثبيت کننده در شيشه بکار می رود باعث کاستن از گرانروی شيشه در درجات حرارت بالا گرديده و برای ذوب وتصفيه بسيار مفيد می باشد. مقدار کم  همچنين باعث بهبود ثبات و قدرت مکانيکی شيشه می گردد. بزرگترين مشکل  قابليت بسيار زياد آن برای پيشبرد کريستاليزاسيون در شيشه می باشد (ايجاد سرد شيشه)

کربنات سديم: سودا اش و يا کربنات سديم يکی از مواد اوليه اصلی در شيشه می باشد که باعث آزاد نمودن (اکسيد سديم) در شيشه می گردد و ترکيب شيميائی آن است. در حين عمل ذوب  به داخل شيشه راه يافته در حاليکه  آن آزاد و از ذوب خارج می گردد. کربنات سديم مصرفی در شيشه فلوت از نوع سنگين بوده و بصورت گرانول مصرف می شود. وزن مخصوص آن ازنوع سبک (5/1-1 سانتيمتر مکعب/ گرم) بيشتر بوده و دارای دانه های يکنواخت است که موجب می گردد از جدا شدن دانه ها پرهيز گردد. اين امر موجب خواهد شد که عمل ذوب با همگنی بيشتری انجام گردد کربنات سديم همچنين دارای توان زيادی از نظر ترکيب با  می باشد و عملاً سبب می گردد که سيليس در درجه حرارت پائينتری ذوب گرديده و به سيليکات سديم تبديل گردد.  نيز از جمله اکسيدهای تعديل کننده است بطوريکه  در نقاط خالی شبکه سيليس قرار می گيرد.  می تواند توليد اکسيژن آزاد نموده ونسبت به  را افزايش دهد و همانگونه که ذکر شد سبب شکستن اتصالات سيليس- اکسيژن گردد که دراثر آن ويسکوزيته کاهش يافته و عمل ذوب آسانتر انجام شود و ميل به کريستاليزاسيون کاهش يابد. افزايش مقدار ناچيزی از  سبب افزايش ضريب انبساط حرارتی شيشه می گردد و ثبات حرارتی وشيميائی وهمچنين قدرت مکانيکی شيشه کاهش می يابد. بنابراين هرگز مقدار بيش ازحد از  درشيشه توصيه نمی شود.

 سالت کيک يا سولفات سديم

در توليد شيشه فلوت مقدار کمی سولفات سديم بعنوان تصفيه کننده به مواد اوليه اضافه می گردد. سولفات سديم که دارای فرمول شيميائی  می باشد يکی ازمواد اوليه اصلی می باشد زيرا که دارای خواص سولفاتها بوده و می تواند مقداری وارد شيشه نمايد که شديداً مورد نياز ذوب مواد اوليه است. همراه با سولفات مقدار معينی مواد احياء کننده که کربن و يا ذغال باشد قبلاً با سولفات مخلوط نموده و به پچ اضافه می گردد سولفات سه نقش در ذوب دارد:

-        بعنوان فعال کننده سطح

-        ايجاد توربولانس در سطح مشترک مذاب و سولفات

-        ايجاد گاز

دو نقش آخر باعث پيشبرد همگن سازی در شيشه خواهد شد. از آنجاييکه  دارای حلاليت کمی در شيشه مذاب است مقداری مواد کف مانند (gall) در گرمترين نقطه کوره يا اطراف آن در کوره بوجود می آيد با افزودن کربن يا ذغال ا زتشکيل اين مواد کف مانند (gall) جلوگيری بعمل می آيد زيرا که کربن با سولفات ترکيب شده و تبديل به سولفيت می گردد که به سه جهت برای فرآيند ذوب مفيد است:

1-    پائین آمدن درجه حرارت تجزيه سولفات سديم

2-    شرايطی بوجود می آورد که تقريباً کليه سولفور موجود دربچ در مراحل اوليه ذوب به  تبديل گرديده و ازمذاب بصورت گاز خارج می شود و امکان ايجاد کف در قسمت ذوب و يا پديده خارج شدن ناگهانی گازها درقسمت تصفيه (reboil) را بحداقل برساند.

3-     در قسمت فوقانی مذاب بر روی کشش سطحی مؤثر بوده و سبب می گردد که حبابهای در حال صعود درست در سطح ترکيده و بالنتيجه تجمع ننموده و ايجاد کف نمی نمايد.

تركيبات شيشه
تعداد تركيبات شيشه بسيار زياد است بطوريكه تاكنون بيش از 6500 تركيب مختلف ساخته شده و مشخصات و خواص آنها ثبت گرديده است .
اين تركيبات ممكن است تقريبا نيمي از عناصر جدول تناوبي را به نسبت هاي مختلف دارا باشند و مشخصات فيزيكي و شميائي و اپتيك هر تركيب با تركيب ديگر فرق دارد .
ساده ترين و رايج ترين نوع شيشه اي كه ساخته مي شود به شيشه قليائي معروف است كه تقريبا 73% سيليس (Sio2) ، 13% اكسيد كلسيم (Cao) و 14% اكسيد سديم (Na2o) دارد .


اين شيشه در پنجره و به مقدار زيادي در ساخت بطري و ظروف شيشه اي به كار مي رود . اين نوع شيشه ها يك ماده اضافي نيز در بردارند كه به عامل صاف كننده معروف است و باعث كاهش ويكوريته (غلظت و چسبندگي) شيشه مذاب در كوره مي شود و در نتيجه حباب هاي گاز و خرده هاي ديواره كوره شناور شده و به سطح مايع مذاب مي آيند متاسفانه اين ماده اضافي موجب مي گردد كه شيشه در مراحل بعدي بر اثر شعله چراغ كريستال بشود و بنابراين چنين شيشه اي براي كارهاي شيشه گري ساخت لوازم آزمايشگاهي مناسب نيست .البته كارخانجات شيشه سازي روش هاي توليد خود را چنان كامل كرده اند كه بدون استفاده از عامل صاف كننده نيز محصولات آنها از هر گونه حباب هوا (كه به آن خط مي گويند) و خرده هاي مواد كوره (كه به آن شن مي گويند)عاري است .
عيب يا نقص ديگري كه بندرت در شيشه هاي جديد ديده مي شود به نخ شيشه اي به صورت يك خط باريك موجدار به چشم مي خورد ، خظي كه مرز بين دو ناحيه از شيشه با ضرايب شكست نوري مختلف را تشكيل مي دهد . علت بوجود آمدن نخ شيشه اينست كه مواد متشكله كاملا با هم مخلوط نشده اند . حباب هوا ، شن و نخ شيشه تاثير چنداني در كار شيشه گري و يا در استحكام و مقاومت مكانيكي شيشه ندارند ، اما ظاهر شيشه را به صورت ناخوشايندي خراب مي كنند
شيشه هائي كه در كارگاههاي شيشه گري بكار مي روند ، غالبا به شكل لوله يا ميله ساخته مي شوند . مسئله بسيار مهم اين است كه كليه شيشه هائي كه از يك نوع خاص در سفارشات متوالي به دست شيشه گر مي رسد ، بايد داراي خواص فيزيكي و تا حدودي شميائي يكساني باشد . اين مسئله از نقطه نظر يك شيشه گر حائز اهميت فراواني است ، زيرا او بايد اين مواد را به نحو موفقيت آميزي به يكديگر متصل نمايد .

اين شيشه ها بطور كلي به سه طبقه اصلي تقسيم مي شوند كه عبارتند از :
1- شيشه هاي قليائي
2- شيشه هاي بورو سيليكات
3- شيشه هاي مخصوص



شيشه قليائي
شيشه قليائي كه بسادگي به اشكال مختلف در مي آيند در ساخت آن دسته از وسائل آزمايشكاهي كه احتياج به طرح پيچيده ، و جداره ضخيم ندارند و با حرارت زياد نيز در تماس نيستند و همچنين در ساخت چراغ ها و تابلوهاي نئون بكار مي رود .
كار با شيشه قليائي و تاباندن آن در شعله گاز و هواي فشرده بسيار آسان است . اين شيشه مي تواند با آلياژهاي آهن و كرم جوش خورده و متصل شود . حداكثر دمائي كه اين شيشه در هنگام استفاده تحمل مي كند 450 درجه سانتيگراد است اين شيشه در 560 درجه سانتيگراد وجود ندارد . البته براي انجام كارهاي شيشه گري و ساخت وسائل از شيشه قليائي دماي بيشتري لازم است .
منظور از حداكثر دمائي كه شيشه تحمل مي كند ، بالاترين دمائي است كه در آن شيشه بدون اينكه تنش يا تغيير شكل دائمي پيدا كند مي تواند مورد استفاده قرار بگيرد .
مقاومت در تغيرات ناگهاني دما (شوك حرارتي) عبارتست از طيفي از دما كه در آن ظرف شيشه اي با ضخامت جداره متوسط بر اثر سرد شدن ناگهاني نمي شكند
ضريب انبساط حرارتي شيشه مهمترين مشخصه فيزيكي آن است و تعريف آن براي تمام جامدات عبارتست از مقدار افزايش طولي هر واحد به ازاء افزايش يك درجه حرارت . ضريب انبساط حرارتي يك نسبت است و بنابراين واحدي ندارد . با وجود اين لازم است واحد اندازه گيري و دمائي كه در محاسبه آن بكار رفته است را مشخص كنيم .
ضريب انبساط شيشه قليائي بين 20 درجه سانتيگراد و 350 درجه سانتيگراد در حدود 6- 10* 6/9 در هر درجه سانتيگراد است .
شيشه قليائي نو در شعله خيلي مقاوم است ، در صورتي كه زمان كار خيلي طولاني نشود و يا دماي شعله خيلي پائين نباشد .
حالا لحظه اي بر مي گرديم به يكي از تعاريف شيشه كه بيشتر پذيرفته شده است . شيشه يك ماده معدني است در شرايطي كه ادامه ي از حالت مايع همان ماده و مشابه با آن مي باشد ؛ ولي در اثر تغيير قابل برگشت و يسكوزيته در هنگام سرد شدن چنان درجه ويسكوزيته بالائي كسب كرده كه براي تمام مقاصد عملي سخت و شكننده شده است .
توليد گنندگان شيشه بايد نسبت عناصر محصولات خود را طوري انتخاب كنند كه پس از سرد شدن محصول كريستاليزه نشود . با اين وجود اگر سطح شيشه براي مدت قابل توجهي در معرض مايعات حلال و يا رطوبت هوا قرار بگيرد قسمتي از مواد متشكله شيشه در لايه سطحي ممكن است خراب شوند .
درنتيجه تركيب اين لايه سطحي تغيير پيدا مي كند و تعادل شيميائي شيشه از بين مي رود . اين لايه سطحي ممكن است بر اثر حرارت ديدن و سپس سرد شدن شيشه كريستاليزه شود . اين كريستاليزه شدن سطحي ، شفافيت طبيعي شيشه را از بين مي برد و به خوردگي شيشه معروف است . اين حالت براي شيشه هاي كهنه و ظروف آزمايشگاهي كه براي مدت طولاني استفاده شده اند پيش مي آيد و معمولا وقتي به آن پي مي بريم كه بخواهيم تعمير يا تغييري در شيشه انجام دهيم و در نتيجه آن را در مجاورت شعله قرار دهيم .
چنين شيشه هائي بايد دور ريخته شوند .
مواد متشكله قليائي درصد
سيليس (Sio2) 5/70
اكسيد آلومينيوم (Al2o3) 6/2
اهك (Cao) 7/5
اكسيد منيزيم (Mgo) 9/2
اكسيد سديم (Na2o) 3/16
اكسيد پتاسيم (K2o) 2/1
انيدريد بوريك (B2o3) 5/0
انيدريك سولفوريك (So3) 2/0

شيشه بورو سيليكات
در طول 55 سال اخير انواعي از شيشه هاي بور سيليكات كه براي كارهاي عمومي ساخت لوازم آزمايشگاهي مناسب هستند بدست آمده اند و اكنون در سطح وسيعي مورد استفاده قرار مي گيرند .
با چند مقايسه خواهيم ديد كه برتريهاي شيشه هاي بوروسيليكات باعث شده است كه براي مصارف ازمايشگاهي بيش از شيشه هاي قليائي استفاده شوند .
به تجربه ثابت گرديده است كه اغلب شيشه گران سازنده وسائل آزمايشگاهي ترجيح مي دهند كه از اين وسائل شيشه اي استفاده نمايند .
يعضي از برترهاي شيشه هاي بورو سيليكات نسبت به شيشه هاي قليائي عبارتند از :
ضريب انبساط حرارتي اين نوع شيشه بسيار پائين تر و در نتيجه خطر شكستن آنها در هنگام گرم كردن و يا سرد كردن ناكهاني كمتر است .
اشياء شيشه اي را مي توان با جداره ضخيم تر درست كرد بطوريكه بدون تاثير در مقاومت حرارتي ، مقاومت مكانيكي زيادي نيز داشته باشند .
مقاومت اين نوع شيشه در تماس با مواد شيميائي زياد است و امكان خرابي سطح شيشه بر اثر مرور زمان كمتر است و امكان ايجاد خوردگي نيز به شدت كاهش مي يابد . مهم تر اينكه امكان خراب شدن مايعات و حلال هاي محتوي اين ظروف بر اثر مواد جداره داخلي شيشه نيز از بين مي رود .
اين شيشه هاي سخت ترد هستند و در مقابل سايش سطحي بيشتر مقاومت مي كنند و در نتيجه مقاومت مكانيكي آنها نيز بيشتر است .
اگر شيشه مورد استفاده از جنس بوروسيليكات باشد بسياري از لوازم آزمايشگاهي شيشه اي كه ساختن آنها از شيشه قليائي بسيار مشكل و يا غير ممكن است را مي توانيم بسازيم و يا تعمير نمائيم .
بعضي از معايب شيشه هاي بوروسيليكات عبارتند از :
شيشه هاي بوروسيليكات از شيشه هاي قليائي گران تر است .
وجود شيشه هاي بوروسيليكات براي كار به حرارت بيشتري نياز دارد . بايد از چراغ هاي شيشه گري يا مشعل هاي دستي استفاده شود كه مجهز به شيرهاي اكسيژن و يا هواي فشرده هستند . چنين حرارت زيادي بر روي شيشه به مدت زيادي دوام نمي آورد و بنابراين شيشه را بايد به سرعت شكل داد زيرا شيشه بلافاصله پس از دور كردن از شعله سرد و خشك مي شود .
در اتصالات شيشه هاي بوروسيليكات باقي ماندن سوراخ هاي سوزني رايج است و اغلب اتفاق مي افتد و بنابراين توجه زيادي بايد به تميزي و ذوب كامل اتصالات ابراز گردد .
حداكثر دمائي كه شيشه هاي بوروسيليكات تحمل مي نمايند تا حد 500 درجه سانتيگراد و با بعضي تركيبات بخصوص تا 600 درجه سانتيگراد مي باشد .
انواع بخصوصي از اين شيشه براي اتصال با آلياژهاي آهن نيكل – كبالت و با موليبدنيم و تنگستن بكار مي رود . شيشه بوروسيليكات بر حسب نوع تركيب آن در حدود دماي 625 درجه سانتيگراد نرم مي شود و ضريب انبساط حرارتي آن نيز به نوع تركيب بستگي دارد و از 6- 10*3/3 در هر درجه سانتيگراد براي شيشه هاي معمولي بوروسيليكات (كه معمولا براي وسايل آزمايشگاهي بكار مي روند .) تا 6-10*2/7 در هر درجه سانتيگراد براي انواع مخصوص (كه در جوش هاي پيوندي به كار مي روند .) متغير است .
دماي عمليات حرارتي تاباندن به منظور بادوام كردن اين شيشه بر حسب نوع تركيبات آن از 510 درجه تا 600 درجه سانتيگراد است .
مواد : شيشه بوروسيليكات درصد تركيبات
سيليس (Sio2) 3/74
آلومينا (Al2o3) 00/2
اكسيد سديم (Na2o) 5/4
اكسيد پتاسيم (K2o) 00/2
اكسيد كلسيم (Cao) 2/0
انيدريك سولفوريك (So3) 00/17

شيشه هاي مخصوص
شيشه سرب (شيشه با ضريب انكسار زياد)
اين شيشه غالبا در صنايع برق و الكترونيك از جمله در ساخت لامپ هاي راديوئي بكار مي رود . اين شيشه به سادگي به سيم هاي پلاتين و سيم هاي مسوار (اب مس داده شده) جوش خورده و اتصالات محكم و بادامي حتي در شرايط خلاء ايجاد مي نمايد . شيشه سرب به شيشه قليائي نيز متصل مي شود .
پايداري اين شيشه در شعله مناسب قابل توجه است و هيچگونه اثري از خوردگي نشان نمي دهد . براي كار كردن با شيشه سرب بايد از شعله هاي اكسد كننده استفاده شود زيرا زيرا در غير اينصورت اكسيد سرب واقع در لايه سطحي شيشه احياء شده و به فلز تبديل مي گردد و اين حالت باعث مي شود كه سطح شيشه رو به سياهي برود و شفافيت خود را از دست بدهد . چنين شيشه اي ديگر براي كاركردني وجوش دادن مناسب نخواهد بود و هميشه نمي تواند سرب به وجود آمده را مجددا اكسيد نمود .
ضريب انبساط حرارتي شيشه سرب 6-10*05/9 در هر درجه سانتيگراد و حداكثر دمائي كه تحمل مي نمايد 350 درجه سانتيگراد است .
شيشه سرب درصد مواد متشكله
سيليس (Sio2) 5/70
اكسيد آلومينيوم (Al2o3) 3/1
اكسيد سرب (Pbo) 00/30
اكسيد سديم (Na2o) 4/6
اكسيد پتاسيم (K2o) 00/8

سيليس
اگر قرار باشد وسائل شيشه اي در دمائي بيش از دمائي كه شيشه بورسيليكات تحمل نمايد بكار روند ، از دشيشه ديگري به نام سيليس بلوري با شيشه كوارتز استفاده مي شود . ساختن سيليس 100% و كار با آن مشكل است ، چون سيليس در دماي تمايل به تبخير شدن دارد . بنابراين شيشه كوارترز كه معمولا مورد استفاده قرار مي گيرد داراي 8/99 درصد سيليس است . دماي كار با اين شيشه در حدود 1800 درجه سانتيگراد است و شيشه گر بايد حتما به عينك محافظ مجهز باشد .
ضريب انبساط حرارتي شيشه كوارتز 6- 10* 5/0 در هر درجه سانتيگراد و دماي تاباندن آن 1050 درجه سانتيگراد است . براي تاباندن ظروف و آلات يليسي كه ضخامت جداره آنها تا دو مليون است مي توانيم از شعله استفاده كنيم .
طيف دمائي كه در آن سيليس شكل پذير و نرم است . بطور محسوسي كوتاه است و براي عمليات شكل دادن آن به جاي دميدن از ابزارهاي زغالي و يا ساخته شده از موليبدنيم استفاده مي شود .
لوله هاي سيليسي در ابعاد مختلف و در چهار نوع توليدي مي شوند . نوع اول كه به شيشه جلاداده شده معروف است . شفاف و داراي سطوح داخلي و خارجي صاف است و از آن به عنوان پوشش ترموكوپل و نمونه هائي از اجاق ها و كوره هاي گازي استفاده مي شود . نوع دوم كه داراي سطح خارجي زير و ناهموار است در ساختمان كوره هاي الكتريكي به كار مي رود و به شيشه شني معروف است . نوع سوم از گداختن بيشتر لوله هاي معروف شني به دست مي آيد كه سطح داخلي و خارجي آن نسبتا صاف تر مي شود و براي كارهاي شميايي و يا احتراقي در فشار جو و با تحت خلاء بكار مي رود و به شيشه لعاب دار معروف است . نوع چهارم كه داراي شفافيت زياد در برابر نورمرئي و اشعه هاي ماوراء بنفش مادن قرمز است ، قدرت مكانيكي و مقاومت به خوردگي بيشتري از شيشه هاي نيم شفاف دارد .و براي كار در خلاء زياد توصيه مي شود اين شيشه با لوله شيشه اي استاندارد شفاف معروف است لوله شيشه اي استاندارد شفاف بسيار گرانتر از شيشه نيمه شفاف است . قبل از سفارش خريد لوله و ميله شيشه اي سيليسي بايد راهنماي تهيه شده توسط توليد كنندگان در مورد مشخصات اين نوع شيشه ها كاملا مطالعه شود . نوع از شيشه سيليسي با خواص فيزيكي و شيميايي بسيار نزديك به شيشه كوارتز در آمريكا توليد مي شود (در كشورهاي ديگر نيز موجود است ) . كه به سيليس 96% معروف است و تركيب آن چنين است .
سيليس 5/96 درصد
اكسيد بور 00/3 درصد
اكسيد آلومينيوم 5/0 درصد
اين شيشه در دماي 1520 درجه شكل پذير مي شود و مي توانيم آن را بدون ترس از تبخير سيليس بدميم ، خم كنيم و يا بچسبانيم اين شيشه را مي توانيم با چراخهايي كه سوخت آنها هيدروژن ، گاز زغال سنگ و يا گاز مايع نفت همراه با اكسيژن است ذوب نمائيم ضريب انبساط آن 6-10*8/0 در هر درجه سانتيگراد است كه به طور محسوسي از ضريب انبساط شيشه هاي بوروسيليكات كمتر و اندكي از ضريب انبساط سيليس خالص بيشتر است بنابراين استعداد تاباندن خوبي دارد . اين شيشه تا دماي 900 درجه را بدون تغيير شكل تحمل مي كند .

شيشه هاي رنگي
ميله و لوله شيشه اي رنگي در كارگاههاي شيشگري ازمايشگاهي كاربرد محدودي دارد . اكثر آنها متعلق به انواع شيشه سربي يا قليائي هستند و به‌اساني به شيشه هايي از همان نوع جوش مي خورند كار با شيشه هاي ميله اي رنگي و لوله شيشه اي رنگي شفاف مشكل نيست البته آنهايي كه از نوع شيشه سربي هستند را مي بايست در شعله اكسيد كننده حرارت داد . براي كار با لوله شيشه اي مات يا نيمه شفاف تجربه و مهارت زيادي لازم است ، زيرا ضخامت ديواره لوله مي بايست به طور كاملا يكنواختي حفظ شود و از طرفي امكان بررسي مستقيم چشمي آن نيز وجود ندارد . از شيشه هاي رنگي براي مصارف تزئيني مثل علائم بر جسته روي دستگاه شيشه اي ، براي علائم سبز شده فلزي بر روي شيشه ها كه به سهولت قابل شناسايي هستند و همين طور براي فيلترهاي نوري استفاده مي شود .
شيشه سازها مواد معدني مخصوصي را قبل از ذوب كردن شيشه در ظرف نسوز به تركيبات معمولي آن اضافه مي كنند . آنها بايد علاوه بر رنگ مطلوب ، خواصي را در شيشه توليد كنند كه از لحاظ كار و ضريب انبساط به شيشه هاي بي رنگ مشابه بسيار نزديك باشد .
كر چه مقاديري بسيار كمي از مواد افزوني براي رنگي كردن شيشه كافي مي باشد ، ولي رنگ نهايي در حرارت معمولي نه تنها به مقدار مواد افزوني و درجه خلوص آن ، بلكه به تركيب اين مواد افزوني نيز بستگي دارند جدول 2 رنگ هاي توليد شده توسط مواد افزوني مختلف را نشان مي دهد .

جدول 2


ماده افزوني رنگ
نقره زرد
اكسيد مس سبز و ابي
مس كلوئيدي قرمز ياقوتي
سولفيد كادميم به تنهايي و با سلنيوم زرد
آرسنيك با اكسيد سرب سايه هاي از قرمز روشن و نارنجي

تركيبات و رنگ هاي ظاهر شده در انواع شيشه ها
دي اكسيد بمريوم و تينانيوم صورتي ، قرمز ، قهوه اي متمايل به قرمز
ديديميوم ها سبز (فيلترهاي ماوراء بنفش) قرمز مايل به بنفش (كبود)
اورانيوم زرد سبز فلوئور سانت
گوگرد گهربائي
گوگرد و سرب ، آهن ، نيكل يا كبالت سياه سير
طلاي كلوئيدي (به مقدار بسياركم) رنگ ياقوتي ، قهوه اي ، بنفش
اكسيد آهن آبي ، سبز و كهربائي
اكسيد منگنز كهربائي
اكسيد منگنز با اكسيد آهن صورتي ، ارغواني سير ، سياه
اكسيد كروم سبز
اكسيد كروم به مقدار زياد در حالت بلوري ، بصورت شيشه اي
براق يا نوعي شيشه معروف به سنگ
دلربا در مي آيد
اسيد فسفريك تركيبي از شيشه شيري سفيد رنگ
و در صورت استفاده از آهن فرو ، شفافيت
به نور ماوراء بنفش و يا كدري به نور مادون
قرمز را افزايش مي دهد .
اكسيد هاي نيكل و اكسيد هاي كبالت قهوه اي ، ارغواني را افزايش مي دهد.


جامدات معدني



 
فراورده هاي سيليكاتي



شيشه
هنر شيشه گري از قدمت 5000 ساله برخوردار است كشف ميله دم شيشه گري احتمالا در يك قرن قبل از ميلاد اولين پيشرفت برجسته تكنيكي در اين حوزه به شمار مي آيد وهنوز هم به عنوان يكي از ابزارهاي مورد استفاده در توليد فراورده هاي شيشه اي ويژه حائز اهميت مي باشد توليد انبوه شيشه با ظهور توليد و فراوردي مكانيكي شيشه در پايان قرن پيش پا به عرصه گذاشت

اهميت اقتصادي
توليد جهاني شيشه در سال 1977 حدود 6 10*63 تن براورد شد است كه از اين مقدار 26% در ايالات متحده امريكا 9% در شوروي (سابق) و 8% در ژاپن توليد گرديده است . اين كشورها به همراه كشورهاي اروپايي غربي ، 70% كل توليد شيشه را به خود اختصاص مي دهند . محصولات توليدي را مي توان به دو دسته شيشه تخت (مثل شيشه پنجره ، شيشه آينه) و شيشه ظروف (مثل بطري ، ظروف، حباب ، روشنايي ، وسايل شيشه اي آشپزخانه) با نسبت حدود 4 به 10 تقسيم بندي نمود .مقدار توليد شيشه هاي ويژه با مقايسه با شيه تخت و ظروف ناچيز است اما ارزش اين محصولات بيش از 10% كل برگشت سرمايه در صنعت شيشه را به خود اختصاص مي دهد .
مقدار توليد ايالات متحده آمريكا در سال 1981 ، 6 10* 2/3 تن شيشه تخت و 6 10*1/12 تن ظرف شيشه اي بوده است . در سال 1985 ، آلمان غربي (سابق) 6 10*1/1 تن شيشه تخت و 6 10* 4/3 تن ظروف شيشه اي توليد كرده است .

اطلاعات عمومي
شيشه ، فراورده معدني (غيرآلي) ذوب شده اي است كه به صورت غير بلورين (بي شكل) انجماد يافته است و بر خلاف مواد بلورين الگوي پراش اشعه x پخش شده از خود نشان مي دهد . آرايش شبه بلور و منظم موضعي اتمها و همچنين آرايش شبه مايع و غير تناوبي ماكروسكوپي اتمهاي آن در خور توجه بوده است و به همين دليل به عنوان يك مايع فوق تبريدي توصيف مي شود .
شيشه هاي سيليكاني مرسوم ترين شيشه هاي صنعتي مورد استفاده به شمار مي آيند . اين شيشه ها از شبكه سه بعدي شامل چهارو جهي هاي s io4 تشكيل شده اند كه مي توانند در اثر الحاق اكسيد عناصر ديگر (مثل T io2 ,p2o5,B2o3) يا كاتيونها (مثل La3+ , Ca2+ . K+ , Na+) به شبكه يا فضاهاي بين نشيني باقيمانده ، تقريبا به طور نامحدودي تغيير يابد . اين ويژگي اساس طيف كاربرد گسترده و گوناگون شيشه هاي سيليكاتي را بيان مي دارد .

تركيبات شيشه
از نظر صنعتي تاكنون مهم ترين شيشه يك جزئي مورد استفاده ، شيشه كوارتزي بوده است كه در حقيقت تنها شيشه سيليكاتي يك جزئي مي باشد خواص دي الكتريكي و شميايي بسيار خوب ، ضريب انبساط حرارتي پايين ، پايداري حرارتي بالا و شفافيت استثنايي بالا در برابر نور فرابنفش ، از جمله ويژگيهاي در خور توجه اين شيشه به شمار مي رود . نقطه نرم شوندگي و دماي كارپذيري بالا ( c 2000 >) از معيب آن مي باشد از اين رو غالبا محصولات تف جوش شده كوارتزي مورد استفاده قرار مي گيرند . اين محصولات به دليل وجود جبابهاي هوا ، مات به نظر مي رسند .
ساير شيشه ها (سيليكاتي) ، جزء شيشه هاي چندين جزئي بوده و تركيب آنها مي تواند بسته به نوع كاربرد در محدوده وسيعي تغيير يابد .
از لحاظ صنعتي ، شيشه هاي معروف به سودا – لايم ، مهم ترين نوع شيشه هستند . شيشه هاي سودا – لايم ، 90% كل توليد شيشه را به خود اختصاص داده اند و براي توليد شيشه تخت و ظروف شيشه اي به كار مي روند . اين شيشه ها شامل مقادير زيادي اكسيدهاي قليايي و قليايي خاكي ، Ca o . K2o Na2o
بوده و از لحاظ شميايي پايدارتر از سيليكاتهاي صرفا قليايي مي باشند . افزودن مقادير كمي اكسيد آلومينيوم پايداري حرارتي شيشه را بهبود مي بخشد . اكسيد منيزيم تمايل به تبلور را كاهش داده و اكسيده هاي آهن و كروم جهت ايجاد رنگ به شيشه افزوده مي شوند .
شيشه هاي مورد استفاده در وسايل آزمايشگاهي از لحاظ مقدار بالاي اكسيد بور و مقدار پايين اكسيد قليايي موجود با شيشه هاي ديگر متفاوت مي باشند . اين مسئله ، پايداري شميايي بهتر و ضريب انبساط حرارتي كمتر را براي اين نوع شيشه ها به ارمغان مي آورد . اكسيد بور و اكسيد هاي قليايي (يا قليايي خاكي) دماي ذوب شيشه را كاهش مي دهند .
شيشه هاي سربي ذوب مي شوند و كار كردن بر روي آنها بسيار آسان است . اين مسئله به همراه شاخص شكست بالا سبب گرديده تا اين شيشه ها در ساخت وسايل شيشه اي دست ساز و ظريف و شيشه هاي اپتيكي مورد استفاده قرار گيرند . شيشه هاي سربي به دليل جذب شديد تشعشع انرژي بالا ، جهت استفاده در لوله هاي اشعه كاتدي و پنجره هاي سربي (براي واحدهاي هسته اي) مناسب مي باشند .
شيشه هاي اپتيكي ، شيشه هايي همگن با كيفيت بسيار بالا هستند كه از خواص اپتيكي (جذب ، پراكندگي ، شاخص شكست) كاملا مشخص و تعريف شده برخوردارند . اين شيشه ها به دو گروه اصلي تقسيم بندي مي شوند : شيشه فلينت يا زلال (سيليكاتهاي قليايي سربي) و شيشه كروان يا تاج (سيليكاتهاي قليايي) خواص اپتيكي خاص با افزودن اسيد بوريك ، اسيد فسفريك و فلوئوريدها قابل دستيابي است . مقادير زيادي اكسيد هاي خاكهاي كمياب (مثل N d2o3 , Y2o3 , La2o3) اكسيد توريم IV، اكسيد نئوبيمV و اكسيد تانتالم V نيز غالبا به كار مي روند
شيشه سراميكها از جمله موارد ويژه به شمار مي آيند اين مواد اساسا از فازهاي بلوري با دانه هاي ريز همگن تشكيل شده اند . در توليد اين فراورده ها ، شيشه هاي پيش شكل داده شده در معرض عمليات حرارتي قرار گرفته تا جوانه هاي بلوري ايجاد شوند سپس با افزايش بيشتر دما ، بلورهاي فوق ، عمدتا رشد مي كنند . تعداد و اندازه بلورهاي تشكيل شده معمولا توسط فاز جوانه زا و تركيب شيشه تحت تاثير قرار مي گيرند . فلزات قيمتي ، (T io2 , Zro2) سولفيدها و فسفاتها در مقادير تا 3% به عنوان جوانه زاهايناهمگن به كار مي روند شيشه هاي سراميكهاي شفاف از كريستالهاي بسيار ريز تشكيل شده اند (اندازه بلور به قدر كافي كوچكتر از طول موج نور مرئي است مثلا n m 50 و شاخصهاي شكست فازهاي بلوري و بي شكل تقريبا يكسان مي باشند
شيشه سراميكهاي پايداري حرارتي بالاتري نسبت به شيشه هاي با همان تركيب دارند و در كل ، بر خلاف مواد سراميكي غير متخلخل هستند . شيشه سراميكهاي سيليكات آلومنيم ، منيزيم و ليتيم ، از مهم ترين شيشه سراميكهاي صنعتي و وسايل آشپزخانه و سطوح اجاقها مدرن پخت و پز خانگي به شمار مي آيند . اين محصولات به دليل مقاومت عالي در برابر شوك حرارتي كه به ضريب انبساط حرارتي بسيار پايين و يا حتي منفي فاز بلوري موجود درآنها (مثل كورديريت ، 2Mgo . 2Al2 . 5sio2)بتا – اسپادومن Li2o ,Al2o3 ,4Sio22 نسبت داده مي شود ، درخور توجه مي باشند از جمله شيشه سراميكهاي ديگر به نور و قابل حك كاري انتخابي اشاره نمود .

توليد شيشه



مواد اوليه شيشه
ماسه ريزدانه جزء اصلي تمام شيشه به شمار مي آيد كه ترجيحا به صورت اسيد بوريك ، بوراكس يا كلمانيت به كار مي رود . مهم ترني مواد اوليه اكسيد قليايي شيشه كربنات سديم كربنات پتاسيم ، آهك و دولوميت مي باشد .
سولفات سديم به عنوان عامل زلال كننده مورد استفاده قرار مي گيرد .
شيشه هاي حاوي اكسيد آلومينيم از كربنات پتاسيم ، آهك و فلدسپات سديم و يا از سيليكاتهاي آلومينيم ديگري به صورت مصنوعي يا طبيعي توليد شده اند ، ساخته مي شوند . ساير كاتيونهاي مورد نياز در توليد شيشه به صورت اكسيد كربنات ، سليكات يا فسفات (مثل Aipo4 . Zrsio4, Baco3. Pbo2 Tio12 , Zno)
افزوده مي شوند . شيشه خرده ، ماده اوليه مهم ديگري است كه بسياري مقرون به صرفه است و استفاده از آن همراه با صرفه جويي در انرژي ذوب و مواد اوليه خواهد بود . مقدار شيشه خرده توليد شده در صنعت شيشه بسيار متغير است . براي ظروف شيشه اي مقدار آن 15- 10% ، شيشه تخت 30-20% و در مورد شيشه لامپ (حباب روشنايي) 70-50% است . شيشه بازگرداني (شيشه اي كه در خود كارخانه توليد نشده است .) نيز داراي اهميت بوده اما صرفا مي توان آن را در توليد شيشه تخت بدون هيچگونه مشكلي به كار برد . سهم شيشه بازگرداني يا بازيافتي در توليد شيشه تخت در اروپاي غربي در سال 1983 به 15-10% (در برخي مناطق به 50%) رسيده است كه معادل 6 10* 5/2 تن شيشه مي باشد .
مواد اوليه شيشه به همراه اجزاي تصفيه كننده وايجاد كننده رنگ در واحدهاي اختلاط ، توزين شده و در مخلوط كن ها (نوع نواري يا پره اي مارپيچي) به صورت همگن مخلوط مي شوند . دقت در توزين و كارامد بودن عمل اختلاط تاثير بسزايي بر كيفيت شيشه نهايي خواهند داشت .
غالبا 3 تا 4% آب به مخلوط افزوده مي شود تا گرد و غبار ايجاد شده را كاهش داده و همگن سازي را بهبود بخشد اين عمل مي تواند از طريق خشته سازي يا گندله سازي مخلوط نيز انجام گيرد .
حضور مقادير كمي اكسيدهاي نيكل ، واناديم ، مس منگنز ، كروم و خصوصا آهم در مواد اوليه ، بسته به شرايط اكسيداسيون – احيا در مذاب شيشه ، منجر به تغيير رنگ نامطلوب شيشه خواهد شد جايگزين شوند حداكثر مقدار مجاز Fe2o3 براي شيشه هاي عبور دهنده نور فرابنفش 004/0% شيشه هاي عينك 02/0% و جهت شيشه پليت 01/0% است .

رنگ بري شيميايي
براي مقادير كمتر از Fe2o3 1/0 % به كار مي رود . در اين فرايند مواد اكسيد كننده اي كه در دماهاي بالا اكسيژن ايجاد مي كنند (مثل Mno2 , Ceo2. Kno3 ) (صابون شيشه گرها) به مخلوط شيشه افزوده مي شوند . اين مواد آهن (I I) را به آهن (III) اكسيد مي كنند در مقادير بالاتر اكسيد آهن ، رنگ زرد مايل به سبز شيشه را مي توان به صورت فيزيكي از طريق افزودن مواد اوليه ي كه رنگها مكمل ايجاد مي نمايد خنثي كرد .
فرايند ذوب
فرايند ذوب را مي توان به بخشهاي مختلفي تقسيم بندي نمود : ذوب تصفيه ، همگن سازي و آرام سازي (كاهش دما قبل از قالب گيري) براساس نظريات جديد ، فرايند ذوب با تشكيل سيليكات در دماهاي c 900- 800 اغاز مي شود در اين مسير مواد واسط يوتكتيك در واكنشهاي حالت جامد و فاز مايع و به صورت تعادلي با سيليكاي واكنش نكرده دي اكسيد كربن و بخار اب تشكيل مي شوند ، ديگر كربنات ها و بقيه اجزاء با نقطه ذوب بالا مثل فلدسپاتها به همين شكل واكنش مي نمايند .
در اين واكنش ، مخلوط پس از تف جوش شدن به حالت مذاب تبديل مي شود مذابي كه در دماهاي C 1650 –1200 (بسشته به تركيب مخلوط) به دست مي آيد همگن نخواهد بود .به علاوه به دليل رطوبت و هواي موجود در مخلوط مواد اوليه و همچنين گازهاي تشكيل شده حين تجزيه سولفاتها ، نيتراتها ، كربناتها و هيدراتها مذاب شامل حبابهاي گاز خواهد بود .
اين حبابها از طريق تصفيه كردن مذاب شيشه توسط افزودن عوامل تصفيه كننده خارج مي شوند اين عوامل فشار تجزيه گازها در شيشه را افزايش مي دهند و گازهاي آزاد شده به صورت حباب در مذاب به سمت بالا حركت مي كنند . اثر فوق مي تواند با كاهش ويسكوزيته مذاب از طريق دما تحت حمايت قرار گيرد .
سولفات سديم براي تصفيه شيشه توليد شده به صورت انبوه ، به طور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد و SO3 آزاد مي شود . از نيترات سديم يا پتاسيم همراه با اكسيد آرسنك ( V) (شيشه هاي با نقطه ذوب بالاتر C 1500-1450) يا اكسيدآنتيموان (III) (شيشه هاي با نقطه ذوب پايين تر ، C 1400-1300) نيز به اين منظور استفاده مي شود .
وجود ناهمگني در مخلوط شيشه ، جدايش مذاب ، تبخير و خوردگي ديواره كوره سبب بروز تفاوتهاي موضعي در تركيب مذاب خواهد شد . از اين رو بايستي مذاب ، همگن سازي شود . اين عمل براي مثال به كمك دميدن هوا يا بخار از كف مخزن ذوب وي يا توسط اختلاط مكانيكي مذاب شيشه صورت مي گيرد .


كوره هاي ذوب
كوره هاي ذوب مختلفي در صنعت شيشه مورد استفاده قرار مي گيرند مخازن بزرگ بيشتر براي توليد شيشه تخت يا ظروف به كار مي روند در صورتي كه تركيب شيشه در توليد غالبا تغير كند (مثا شيشه هاي اپتيكي) از كوره هاي كوچكتر مانند كوره هاي پاتيلي يا روزكار استفاده مي شود . كوره هاي ساده از لحاظ اندازه بين اين دو گروه قرار مي گيرند .

كوره هاي مخزني
توليد انبوه شيشه در كوره هاي مخزني مداوم با ظرفيت تا 900 تن در روز براي شيشه هاي تخت و تا 300 تن در روز براي ظروف شيشه اي انجام مي گيرد . مخزن ذوب را محفظه مستطيلي شكل كشيده اي به ابعاد مثلا m 40* m 10و عمق m 5/1 –5/0 تشكيل مي دهد . مخلوط مواد اوليه به طور يكنواخت از يك سر كوره وارد مي شود و شيشه پس از خارج شدن از سر ديگر كوره وارد قالبها مي گردد . دماهاي لازم براي ذوب و تصفيه شيشه با دماي مذاب شيشه نهايي تفاوت مي كند . اين مسئله سبب مي شود تا مخزن به مناطق ذوب و بهينه سازي تقسيم بندي شود . ذوب ، تصفيه و همگن شدن در منطقه بهينه سازي صورت مي پذيرد براي توليد ظروف شيشه اي ، دو قسمت مخزن توسط ديوار خنك شونده اي كه داراي يك مجرا است ، از هم جدا شده اند ، مخازن شيشه تخت بدون ديوار جدا كننده ساخته مي شوند و دماي پايين تر مخزن فراوري با باز گذاشتن سقف كوره تامين مي گردد . منطقه ذوب نيز مي تواند به وسيله يك شناور ساخته شده از آجر نسوز تقسيم بندي شود .
اين نوع كوره ها مستقيما احتراق مخلوط نفت – هوا يا گاز هوا گرم مي شوند (شعله از اطراف به سطح مذاب برخورد مي كند) .
گازهاي داغ حاصل از احتراق از طرف مخالف خارج شده و وارد محفظه پيش گرم كننده مي شود . محفظه پيش گرم كننده با شبكه اي از آجرهاي نسوز پوشيده شده است .
در اين محفظه ها هواي احتراق يا هواي احتراق و گاز ، پيش گرم مي شوند . مسير شعله در فواصل 15 تا 30 دقيقه اي معكوس مي شود به طوري كه گازهاي حاصل از احتراق به صورت متناوب رژنراتورها را در هر قسمت گوره گرم مي كنند گرم كردن الكتريكي كمكي توسط الكترودهاي موليبدني غوطه ور در مذاب مي تواند اتلاف حرارت و افت مواد در اثر تبخير را كاهش دهد . مورد دوم به ويژه در خصوص شيشه هاي حاوي سرب و بور حائز اهميت مي باشد .
شاخصهاي مهم كوره هاي مخزني عبارتند از قدرت ذوب ويژه (حدود t/ m2 d) و مصرف گرماي ويژه (حدود kj/kg 700- 4500 ) مصرف گرماي ويژه به تركيب شيشه و دماي ذوب شديدا وابسته است زيرا حدود 2/3 انرژي براي حفظ درجه حرارت بالا مورد نياز ، احتياج خواهد بود طول عمر يك كوره مخزني به كيفيت مواد نسوز آن به ويژه آجرهاي نسوز مخزن بستگي دارد و حدود 6 تا 8 سال مي باشد .

كوره هاي روزكار :
با مخزن ذوب به گنجايش 1 تا 5 تن شيشه با سوخت نفت يا گاز كار مي كنند اين نوع كوره ها به دليل آن كه دوره كاري براي بارريزي ، ذوب ، تصفيه و تخليه 24 ساعت است ، روزگار ناميده مي شوند .
كوره هاي ساده :

هنگامي كه تغيير سريع از يك نوع شيشه به نوعي ديگر مورد نظر باشد از مخازن كم عمق (2 تا 3 متر عرض و 10 تا 12 متر طول) براي توليد مداوم شيشه به مقدار حداكثر 100 تن استفاده مي شود .

كوره هاي مخزني الكتريكي :
اين نوع كوره ها با قدرتt/ m2 d 4 براي توليد انبوه شيشه اقتصادي نخواهد بود . از كوره هاي الكتريكي جهت توليد شيشه هاي با مقدار زياد اجزاي فرار استفاده مي شود . زيرا افت مواد در اثر تبخير در سطوح نسبتا سرد تقريبا كم است . مصرف برق كوره هاي با الكترودهاي موليبدني كه در VAC 120-80 و چگالي جريان A/cm2 3-2 كار مي كنند ،/2kwh 1-8/0 در هر كيلو گرم شيشه است .

قالب گيري (شكل دهي)
شكل دهي در واحدهاي كاملا اتوماتيك با خروجي بالا صورت مي پذيرد قالب گيري دستي به جز براي وسايل پيچيده خاص و محصولات هنري از اهميت چنداني برخوردار نيست . قالب گيري بسته به تركيب شيشه در دماهاي بين 800 و c1400 انجام مي گيرد نوعا برنامه شكل دهي به ويسكوزيته بين 2 10 و p as 5 10 نياز دارد و اين در حالي است كه ويسكوزيته در نقطه نرم شوندگي حدود p as 6/7 10 مي باشد در صورتي كه اختلاف دما بين محدوده هاي ويسكوزيته بزرگ باشد شيشه مورد نظر ، شيشه ديراقوام و در صورت باريك بودن اختلافي دمايي ، شيشه زود قوام ناميده مي شوند . شيشه هاي ديرقوام ساده تر از شيشه هاي زود قوام فراوي مي شوند .

توليد شيشه تخت
توليد شيشه تخت به كمك نورد شيشه مذاب بين غلتكهاي به ضخامت و عرض مورد نظر انجام مي شود . نوار شيشه حاصله متعاقبا در يك كوره نوار نقاله اي به دماي اتاق سرد خواهد شد . در روش فوركلت كه براي توليد شيشه نازك ترجيح داده مي شود ، باريكه يا نوار شيشه اي از طريق يك آجر نسوز شكاف دار از ميان چندين جفت غلتك كه به صورت عمود بر نوار شيشه قرار گرفته اند به سمت بالا كشيده مي شود . در روش پيتزبورگ نيز نوار شيشه اي به صورت عمود به سمت بالا كشيده مي شود اما براي پايدار نمودن شرايط جريان يابي ، بلوكي از جنس موا نسوز در نقطه كشش در زير سطح مذاب شيشه قرار داده مي شود . اين مسئله سبب مي گردد تا سرعت كشش بالاتري نسبت به روش نسوز شكاف دار به دست‌ايد هر چند كه يكنواختي و ثبات ويسكوزيته مذاب به شدت مورد نياز است .

توليد ظروف شيشه اي :
براي توليد اتوماتيك ظروف شيشه اي از روشهاي فشار و دمش استفاده مي شود . روش فشاري عمدتا براي توليد محصولات شيشه اي توخالي و گردن پهن به كار مي رود
اين شيوه از قرار دادن مقادير مشخصي لقمه شيشه اي در قالبهاي فولادي داغ و قالب گيري تحت فشار تشكيل شده است . روش دمشي نيز شامل قرار دادن مقدار معيني لقمه در قالب مي باشد اما لقمه توسط مكش يا دمش با هواي فشرده تغيير شكل داده مي شود .
بسته به نوع محصول شيشه اي ، عمليات ثانويه (مثلا سنگ زني ، پرداخت كاري ، حك كاري ، مات سازي اعمال پوشش انعكاسي) بر روي شيشه انجام مي گيرد . با ايجاد كرنشهاي فشاري بر روي سطح شيشه استحكام محصول شيشه اي افزايش مي يابد . اين عمل توسط گرم كردن شيشه تا دماي نرم شوندگي آن و سپس سرد كردن سريع به كمك دميدن هوا يا غوطه ور نمودن در يك مايع (سخت گرداني حرارتي) انجام مي شود . در سخت گرداني شيميايي ، كرنش فشاري به كمك تبادل يونهاي سديم با يونهاي بزرگتر (پتاسيم) مثلا از طريق غوطه ور نمودن محصولات شيشه اي در مذاب نيترات پتاسيم توليد مي گردد .

خواص و كاربردهاي شيشه
مهم ترين خواص شيشه براي فرايند قالب گيري و كاربردهاي آن به مقدار زيادي توسط تركيب شيشه تعيين مي گردد .
ضريب انبساط حرارتي شيشه كوارتز k 7- 10*5 ، شيشه بورو سيليكات از نظر حرارتي پايدار حدود k 7-10*30، شيشه هاي با مقدار سرب بالا و شيشه پنجره
k 7-10* 90-80 مي باشد در سيستمهاي كامپوزيتي مانند شيشه هاي كه در صنعت الكترونيك براي ذوب و اتصال شيشه به رساناهاي فلزي و يا به عنوان روكش كار مي روند ، بايستي ضريب انبساط حرارتي شيسه و فلز با هم دقيقا هماهنگ باشد .
اكثر شيشه ها از جمله عايقها و دي الكتريكهاي عالي به شمار مي آيند مقاومت الكتريكي آنها در اتمسفر مرطوب و دماهاي بالا شديدا كاهش مي يابد . به ويژه در مورد شيشه هاي غني از قليا كه مقدار آن در دماي اتاق cm 19 10- 11 10 است . ثابت دي الكتريك شيشه هاي چند جزئي 7-5 و شيشه سيليكا 4- 5/3 مي باشد
پايدار بودن شيشه (خصوصا شيشه ظروف و بطري ) در برابر تقريبا تمام مواد شيميايي و حلالهاي از جمله ويژگيهاي بسيار مهم آن به شمار مي رود . با اين وجود اسيدها و قليايي هاي آبي بر روي شيشه تاثير مي گذارند و در اثر شكسته شدن شبكه و تشكيل آنيونهاي سيليكاتي شيشه سيليكاي متخلخل ايجاد مي گردد .
حمله اسيدي
حمله قليلايي :
علت هوازدگي شيشه ها مسئله فوق مي باشد شيشه هاي حاوي تا 15% وزني
B2 O3 .Al2o3, Mgo. Cao به ويژه Zro2 در برابر قليايي ها فوق العاده مقاوم هستند . شيشه هاي آلرمينو سيليكاتي و بورو سيليكاتي بيشترين پايداري را در برابر اسيدها از خود نشان مي دهند . اسيد فلوئوريدريك ، شيشه هاي سيليكاتي را با تشكيل اسيد هگزا فلوئورو سيليسيك سريعا حل مي كند .
از خواص مهم صنعتي ترين شيشه ها مي توان به شفافيت آنها در برابر نور مرئي اشاره نمود به ويژه براي شيشه پنجره ، آينه ، و وسايل نوري ، جمع كننده هاي خورشيدي و شيشه هاي اپتيكي براي عينك لنز ، منشور ، و غيره حائز اهميت است . شيشه هاي رنگي حاوي كاتيونهاي فلزات انتقالي ، لانتانيدها ، آكتينيدها يا ذرات كلوئيدي فلزات قيمتي مي باشند.

فرايند سل – ژل
در حالي كه در توليد مرسوم شيشه در اثر ذوب مواد اوليه عمدتا اكسيدهاي با نقطه ذوب بالا ، شيشه ايجاد مي شود اما در فرايند سل – ژل تشكيل شيشه از طريق هيدروليز و پلي مر شدن تراكمي مواد آغازين واكنش پذير در محلول الكلي صورت مي پذيرد . در اين فرايند تترا اتيل ارتو سيليكات در دماي c80- 60 در اتانول ابي ايجاد يك ژل پلي سيلوكسان مي نمايد كه با افزايش هر چه بيشتر اتصالات عرضي ، الكل و آب خارج خواهند شد .
با افزايش دما تا حدود C1000 (به صورت انتخابي ، تحت فشار) ماده فوق به شيشه سيليكا تبديل مي گدد . واكنش با آلكوكسيدهاي فلزي ديگر مثل Ti I (Or)4 ;LiOR , NaoR و نيز واكنش هيدروكسيدهاي فلزي با TEOS (به طور جزئي هيدروليز شده) به صورت مشابه انجام مي شود .
خواص شيشه هاي بسيار همگن و خالص كه به اين شيوه تهيه مي شوند با شيشه هايي كه از طريق ذوب ساخته شده اند قابل مقايسه هستند فرايند سل – ژل در برخي موارد تنها راه توليد شيشه هايي با تركيب خاص و بدون جدايش فازي است . (شيشه هاي سيليكاتي دو جزئي حاوي مقادير زياد La2o3 , Zro2) .
با اين وجود ، به دليل مسايل تكنيكي و اقتصادي فرايند سل –ژل فقط جهت توليد پوششهاي با كيفيت بالا بر روي سطوح فلزي ، سراميكي يا شيشه اي و براي توليد بلوكهاي يك پارچه شيشه اي مناسب مي باشد . لايه هاي بازتابي و ضد بازتابي بر پايه شيشه S io2 , Tio2 در مقادير زياد به همين صورت توسط اندود كردن به روش غوطه وري و انجام عمليات حرارتي توليد مي شوند .

شیشه مایعی است بسیار سرد شده و در حرارتی پایین تر از نقـطه انجماد آن، در حالت مایع قـرار دارد و به طور عمومی، جسمی است شـفـاف که نور به خوبی از آن عبور می کند و پشت آن به طور وضوع قابل رویت است. شیشه از نظر ساختمان مولکولی در حالت جامد آرایش مولکولی نامنظم دارد. در درجه حرارت های بالا شیشه مثل هر مایع دیگری رفتار می کند. اما با کاهش دما گرانروی آن به طور غـیر عادی افزایش می یابد و باعـث می شود مولکول ها نتوانند در آرایشی که مورد نیاز بلور است، قرار گیرند. به این ترتیب شیشه از نظر ساختمان مولکولی مانند مایعات نامنظم است ولی این ساختمان غـیر منظم دیگر متحرک نیست. شیشه جسمی سخت است که سختی آن حدود 8 می باشد و همه به جز الماس ها را خط می اندازد. وزن مخصوص شیشه 5/2 گرم بر سانتی متر مکعب بوده و بسیار ترد و شکننده است. شیشه در مقابل تمام مواد شیمیایی حتی اسیدهای قوی و بازها مقاومت کرده و تحت تاثیر خورندگی واقع نمی شود، به همین عـلت ظروف آزمایشگاهی را از آن می سازند. فقط اسید فلوئوریک HF بر آن اثر داشته و شیشه را در خود حل می کند

   تاریخچه :

    شیشه گری یکی از قدیمی ترین حرفه هایی است که بشر بدان اشتغال داشته است. مصری ها سازنده اولین اشیای شیشه ای بوده اند که ظروف به دست آمده از حفاری مصر قدمت 5 هزار ساله دارد. رومیان نیز از فن شیشه گری مهارت داشته اند. در این صنعت از سایرین پیشرفته تر بودند. رونق شیشه سازی در نخستین ادوار تاریخ اسلامی صورت گرفته است، زیرا هـنری بود که در مساجد و زیارتگاه ها و تزیینات مـذهـبی جلوه خاصی داشته و مورد استفاده قرار می گرفـت. در ایران نیز ساختن شیشه قـدمت چند هزار ساله دارد. نخستین واحد ماشینی تولید شیشه ساختمانی در ایران در سال 1340 شروع به کار کرد.

 

     ترکیبات سازنده شیشه :

    اجزای اصلی تشکیل دهنده شیشه :

     با نگاه به جدول عناصر، کمتر عنصری را می توان یافت که از آن شیشه به دست نیاید ولی سه ماده کربنات دو سود، سنگ آهک و سیلیس مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه می باشند. مواد شیشه ساز مورد تایید موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران عبارتند از سیلیس، دی اکسید بور، پنتا اکسید فسفر که از هـر یک به تنهایی می توان شیشه تهیه کرد.

 

    گداز آورها :

 

     کربنات سدیم، کربنات پتاسیم و خرده شـیشـه، سـیلـیکات سدیم و سـلـیـس با گدارآورها می باشند در آب حل می شوند و از شفافیت شیشه به تدریج کم می کنند به هـمین عـلـت است که اغلب شیشه های مصرف شده در گـلخانه پس از چند سال کدر می شوند و نور از آن ها به خوبی عـبور نمی کند.

 

    تثبیت کننده ها : 

 

     برای آن که مقاومت شـیشـه را در مقابل آب وهـوا ثابت کنیم باید اکسـیدهای دوظرفـیتی باریم، سرب، کـلسیم، مـنـیزیم و روی به مـخـلـوط اضافه کنیم که به این عـناصر ثابت کـننده می گـویند.

 

 

 

     تصفـیه کننده ها : 

 

     تصفیه کننده ها موجب کاستن حباب هوای که وجود در شیشه می شوند و بر دو نوع اند :

 

 

     1 ) فـیزیکی : سولفات سدیم، کلرات سدیم با ایجاد حباب های بزرگ، حباب های کوچک را جذب و از شیشه مذاب خارج می کنند.
 

 

 

  2 ) شیمیایی : املاح آرسنیک و آنتیموان ترکیباتی ایجاد می کنند که حباب های کوچک داخل شیشه را از بین می برند.

 

تا اینجا به مواردی اشاره کردیم که عدم وجودشان در مواد اولیه باعـث از بین رفتن مرغـوبیت کالا می شد. حال چند ماده دیگر که به نوعـی در تولید شیشه سهیم هستند، اشاره می کنیم.

 

 

 

 

 

     افزونی ها :

 

 

    1 ) استفاده از بوراکس به جای اکسید و کربنات سدیم ( گدازآور ) که در اثر حرارت به سدیم اکسید و  بورم اکسید  تجزیه می شود و در واقع به جای هر دو ماده عمل می کند.

 

 

    2 ) استفاده از نیترات سدیم برای از بین بردن رنگ سبز شیشه ( ناشی از اکسید آهن که همراه مواد دیگر وارد کوره می شود. )

 

 

    3 ) استفاده از اکسید منگنز که باعـث مقاومت بیشتر در مقابل عـوامل جوی و شفاف تر شدن شیشه می شود.

 

 

    4 ) استفاده از اکسید سرب به جای  کلسیم اکسید برای ساختن شیشه های مرغـوب بلور که باعـث درخشندگی شیشه می شوند.

    5 ) برای ساختن بلور مرغـوب از اکسـید نقـره اسـتفاده می کنند.

    6 ) اسـتفاده از فلدسپات که باعـث مقاومت بهتر در مقابل مواد شیمیایی می شود.

 

 

    7 ) برای این که شیشه در برابر اسید فلوئوریدریک هم مقاوم باشد، ترکیباتی از فـسـفـات به آن می افزایند.

 

 

    8 ) استفاده از خرده شیشه که به ذوب مواد سرعت بیشتری می دهد.

 

    9 ) استفاده از اکسید فلزات برای تهیه شیشه های رنگی

 

    10 ) اکسید سزیم برای جذب پرتو فرو سرخ و اکسیدبر، برای ازدیاد مقاومت حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند.

    دو نمونه از عـناصر تشکیل دهنده که عـمومیت بیشتری دارند در زیر ذکر می کنیم.

     ترکیبات (1) : اکسید سیلیسیم حدود 74 تا 80 درصد و بقیه شامل پر اکسید سـدیم تا 15 درصد و اکسـید کلسیم 7 تا 12 درصد اکسـید منیزیم 2 تا 4 درصد و 2 درصد هم عـناصر دیگر چون آهن(?) اکسید، آلومینیوم اکسید، منیزیم اکسید، تیتانیم فسفید، سیلیسیم تری اکیسد.

    ترکیبات (2) : اکسـید سـیـلـیـسـیـم در حدود 73 درصد، اکسـید سـدیم 15 درصد، اکسـید کـلـسـیم 55/5 درصد، اکـسـید منیزیم 6/3 درصد، اکـسـید آلـومـیـنـیـوم 5/1 درصد، اکـسـید بور و اکـسـید پتاسـیم هر کدام 4/0 درصد، اکـسـید آهن و اکـسید سـیلـیـسـیم 6 ظرفـیتی هـریک 3/0 درصد.

 

 

     عـلاوه بر موارد بالا هـمـیشـه مـقـداری خرده شـیشـه نیز با این مواد وارد کوره می گـردد.

 

 

 

    انواع شیشه و کاربرد آن ها :

 

 

    شـیشـه به اشکال مختلف مورد اسـتفاده قرار می گیرد. در ساخت وسایل تزیینی مانند گل، تابلو و...، در ساختن ظروف آزمایشگاهی و یا ظروف آشپزخانه چون : لیوان، بطری و... و در پایان در ساختن شیشه های مسطح که در دو نوع ساده و مشجر عرضه می گردد و مصارف مخـتـلـفی دارد که عـمده ترین آن به عـنوان در و پنجره در کارهای ساختمانی است که به شکل های مختلف از شامل : شیشه های شفاف، نیمه شفاف و رنگی، جاذب حرارت، ایمنی، دوجداره، سکوریت و.... وجود دارد. خم چنین در آینه سازی، صنایع نشکن، صنایع یخچال سازی، میزهای شیشه ای، انواع شیشه رومیزی و تیغه کاری ساختمان کاربرد دارد.

     شیشه رنگی :

     به دو طریق می توان شیشه رنگی به دست آورد.

 

     1. با افـزودن و کم کردن بعضی مواد شیمیایی در مصالح اولیه تهیه شیشه. برای نمونه اکسیدهای مسی به شیشه رنگ های مختلف قرمز می دهند و رنگ آبی پر رنگ به وسیله اکسید کبالت به دست می آید. رنگ زرد با افزودن اکسید اورانیوم و کادمیوم حاصل می شود.

     2. شیشه سفید را در شیشه مذاب رنگی فـرومی کنند تا دو روی آن رنگی شود. شیشه های رنگی در ویترین مغازه ها، نمایشگاه ها، آزمایشگاه ها و ساختمان های صنعتی به کار می روند.

ترکیبات ثانوی شیشه
اجزای ثانوی شیشه ، موادی هستند که بوسیله آنها می‌توان برخی معایب شیشه‌ها را اصلاح و خواص آنها را تعیین کرد. این مواد بر مبنای عمل آنها طبقه‌بندی شده‌اند و بر حسب نوع اصلاحی که انجام می‌دهند در مراحل مختلف شیشه سازی به ترکیبات شیشه اضافه می‌شوند.

مواد فرعی شیشه :
پایدار کننده‌ها

پایدار کننده‌ها ترکیباتی هستند که حلالیت شیشه‌ها را در مقابل آب و مواد شیمیایی تا اندازه‌ای کم می‌کنند. بطور کلی ، پایدار کننده‌ها از اجزای تشکیل‌دهنده شیشه هستند که خصوصیت آن را تعیین می‌کنند. پایدار کننده‌های قابل ذکر به صورت زیر می‌باشند.

کربنات کلسیم : کربنات کلسیم جهت غیر محلول کردن شیشه در آب بکار می‌رود.

کربنات باریم : کربنات باریم سبب افزایش وزن مخصوص شیشه می‌شود.

اکسید سرب Pb3 و PbO : اکسید سرب موجب شفافیت و صاف بودن شیشه می‌شود.

اکسید روی : اکسید روی باعث افزایش مقاومت حرارتی و مکانیکی شیشه و خواص مکانیکی و شیمیایی آن می‌شود.

اولومیت MgCO3 + CaCO3 : اولومیت باعث سهولت سوختن ترکیبات اولیه شیشه می‌شود.
رنگ‌زداها

شیشه‌ها ممکن است به خاطر داشتن مقدار کمی از اکسیدهای آهن رنگی بنظر آیند، این رنگ در نتیجه ناخالص بودن مواد اولیه است. برای از بین بردن این ناخالصی از دی‌اکسید منگنز یا فلز سلنیوم استفاده می‌شود. دی‌اکسید منگنز وقتی به شیشه مذاب افزوده می‌شود، سیلیکات فرو را به سیلیکات فریک اکسید می‌کند. اکسید منگنز (II) به رنگ بنفش و سیلیکات فریک به رنگ زرد می‌باشد. این دو رنگ مکمل یکدیگرند. بنابراین مخلوط شیشه ، بی‌رنگ خواهد شد. سلنیوم بعلت گران بودن ، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. سلنیوم ، رنگ توده مخلوط را صورتی می‌کند که در نهایت با رنگ سیلیکات فرو که سبز پریده است، ترکیب شده ، آن را بی‌رنگ می‌کند.
 
رنگین کننده‌ها

این مواد برای تولید شیشه‌های رنگی به ترکیب شیشه افزوده می‌شوند.



رنگ شیشه
   

ترکیب فعال
   

رنگ اصلی
   

فرمول
   

رنگین کننده‌ها

رنگ بنفش به شدتهای مختلف تابعی از دما و قدرت جذب
   

   

پودر قهوه‌ای
سیاه مایل به خاکستری
بنفش
   



TEX()} {KMnO_4} {TEX}
   

ترکیبات منگنز

سبز و سبز مایل به زرد
   


   

پودر سیاه
پودر قهوه‌ای مایل به قرمز
   


   

اکسیدهای آهن

سبز متمایل به زرد
   

   

پودر سبز
پودر زرد
پودر نارنجی
   


   

ترکیبات کروم

آبی
   

   

پودر خاکستری
پودر سیاه
   


   

کبالت

زرد
   

   

پودر زرد و نارنجی
   

   

کادمیم

قرمزهای مختلف
آبی آسمانی
   


   

پودر قهوه‌ای قرمز
پودر سیاه
   


   

مس

 
مات کننده‌ها

مات کننده‌ها موادی هستند که در توده مخلوط شیشه ، پخش شده‌ ، آن را کدر می‌کنند. از مات کننده‌ها می توان فلوئوریت CaF2 و سدیم فلوئورو آمینات ، سدیم فلوئورو سیلیکات Na2SiF6 را نام برد، اما فسفات کلسیم ، فسفات قلع و فسفاتهای زیرکونیوم هم بطور وسیع ، بعنوان مات کننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سیال کننده‌ها
فلدسپارها بعنوان سیال کننده توده خمیر شیشه‌‌‌ای بکار می‌وند، با وجود این ، قابلیت ذوب و گستره دمایی که شیشه باید در آن ساخته شود با افزایش اکسیدهای فلزات قلیایی مخصوصا اکسیدهای سدیم و پتاسیم افزایش می‌یابد. این قبیل اکسیدها را می‌توان از کربناتها یا سولفات‌های فلزات مربوطه بدست آورد، کربناتها بخاطر مقدار آهن کمتر ترجیح داده می‌شوند

سیلیس یا اکسید سیلیسیم با فرم

ول شیمیایی SiO2 فراوان‌ترین ترکیب اکسیدی موجود در پوسته زمین است. سیلیس در طبیعت به‌صورت آزاد و یا به‌صورت ترکیب با سایر اکسیدها وجود دارد. [۱]

سیلیس عنصری است غیر فلزی اما در خواصش فلزی تر از کربن است. سیلیس دو شکل آلو تروپی دارد یکی ساختار بیشکل پودری و دیگری ساختار بلورین تیره.ساختار بلورین آن شبیه الماس است.این عنصر در سال 1823 توسط Jöns Berzelius دانشمند سوئدی کشف گردید سیلیس دومین عنصر ار لحاظ فراوانی در پوسته زمین است (28% وزنی پوسته را تشکیل می دهد).سیلیس به صورت غیر ترکیبی یافت نمی شود وعموما" به صورت سیلیکات یا سیلیکا ( اکسید سیلیس) موجود است. ترکیب اصلی رسها ، گرانیتها ، کوارتز و ماسه می باشد .

 

 

بازيافت شيشه از آغاز تا كنون

بازيافت شيشه چهار هزار سال قابل از ميلاد مسيح، شيشه به صورت يک لعاب آبگونه تزييني در خاور ميانه استفاده مي شد. ظرف هاي شيشه اي رنگي براي خوردن و آشاميدن از سال 1550 گسترش يافته و مورد استفاده قرار گرفته است. قديمي ترين شيشه صاف و شفاف، يک گلدان ريخته گري شده در نينواي آشور است که در حدود 800 سال قبل از ميلاد توليد شد و اکنون در موزه British لندن قرار دارد. در قرون هجدهم و نوزدهم شيشه بسيار گران بود و براي کاربردهاي محدود همانند توليد پنجره هاي شيشه اي رنگي کليسا استفاده مي شد.

در ابتداي قرن بيستم با انقلاب صنعتي توليد شيشه با مقياس بزرگي آغاز گرديد. براي مثال توليد لامپ سبک شيشه اي ماشين در سال 1926 آغاز شد. امروزه شيشه ماده گران بهايي به شمار نمي رود و براي بسته بندي مواد، توليد پنجره و ساير محصولات استفاده مي شود. شيشه هاي جديد از چهار ترکيب شن، خاکستر سودا( کربنات سديم)، سنگ آهک و ساير افزودني ها ساخته مي شود. اين افزودني ها شامل آهن در رنگ (قهوه اي يا سبز)، کروميوم(فلز درخشان)، فلز لاجورد در رنگ سبز مايل به آبي، آلومينا براي دوام و برم براي بهبود عمليات حرارتي به آن افزوده مي گردد.

سالانه تمامي شيشه استفاده شده در اروپا در حدود 6/11ميليون تن تخمين زده مي شود. صنعت شيشه در انگلستان با به کارگيري تکنولوژي بالا ظرفيت بازيافت خود را به بالاي يک ميليون تن در سال رسانيده است. وابستگي مواد ديگر و قابليت غيرقابل انکار شيشه، با توجه به تمامي مشکلات، بازيافت آن يک مساله اجباري و اضطراري مي باشد. 7 درصد شيشه ها به طور ميانگين از زباله هاي خانگي توليد مي شود، به طوري که در سال 2001 بيش از 5/2 ميليون تن از اين مواد سوزانده شده است.

براي ساخت شيشه انرژي زيادي در استخراج و حمل و نقل مواد صرف مي شود. در اين فرآيند ترکيب مواد را بايد در دماي بسيار بالا انجام داد و حجم بالاي سوخت فسيلي استفاده شده در آن دي اکسيد کربن و گازهاي گلخانه اي بسياري توليد مي کند. به طور مثال در سال 2002 در صنعت شيشه انگلستان در حدود 8611000000 کيلووات ساعت برق مصرف شد و 8/1 ميليون تن دي اکسيد کربن از سوخت فسيلي در کارخانه ها توليد گرديد. يک کوره کارآمد حدود 4 گيگا ژول برق براي گداختن يک تن شيشه لازم دارد.

شيشه را مي توان به عنوان يک ماده ساده بازيافت نمود و ساختار آن در گونه هاي مختلف بازيافت از بين نمي رود و اين بسيار مهم است. در مورد توليد بطري هاي شيشه اي مي توان گفت که 80 درصد از کل شيشه مصرف شده بازيافتي است که Cullet ناميده مي شود. Cullet که همان خرده شيشه است، ساختار شناخت شده اي براي کارخانه ها دارد و به صورت خرده شيشه بومي شناخته مي شود. نمودار اگر شيشه بازيافتي براي ساخت بطري و جارها استفاده شود، انرژي لازم براي کوره ها کاهش مي يابد. علاوه بر حمل و نقل و مراحل توليد، حدود 315 کيلوگرم از توليد CO2 در هر تن شيشه ذوب شده کاهش يافته است.

از بازيافت دو بطري شيشه اي انرژي لازم براي جوش آمدن آب براي 5 فنجان چاي توليد مي شود. بازيافت، تقاضاي بازار براي مواد اوليه را کاهش مي دهد. اين مساله استفاده از مواد را کم نمي کند اما هزينه خاک برداري را کاهش مي دهد و اگر از منظر ديگري به آن توجه کنيم، فوايد استفاده مجدد و بازيافت به محيط زيست مرتبط مي شود. براي بازيافت هر تن شيشه حدود 2/1 تن از مواد اوليه صرفه جويي مي شود. بازيافت موجب کاهش ضايعات شيشه در کره زمين مي شود. هر چند شيشه مستقيما سلامت زمين را تهديد نمي کند و مي توان آن را به مدت نامحدودي ذخيره نمود.

چطور، چگونه و کجا بازيافت شيشه انجام مي شود؟

نوع شيشه
در خانواده شيشه هايي که مي شناسيم ترکيبات ويژه اي مورد استفاده قرار مي گيرد.

ظروف شيشه اي
بزرگ ترين بخش ظروف شيشه اي به بطري ها و جارها مربوط مي شود که 80 درصد بازيافت شيشه را در اختيار دارند. کل ظروف شيشه اي در انگلستان در حدود 23/2 ميليون تن است که حدود 629 هزار تن آن را واردات تشکيل مي دهد. به طور ميانگين هر خانواده انگليسي حدود 330 بطري و جار شيشه اي در سال مصرف مي کند.

استفاده مجدد
خرده فروشي ها با فروش و گرفتن بطري هاي برگشت پذير کار عمومي و عملي بازگست را انجام مي دهند. به هر حال کارخانجات توليدکننده در افزايش و کاهش بطري ها و حمل و نقل آن براي پر کردن مجدد نقش بسيار مهمي دارا هستند. اين بازگشت چه از نظر مالي و چه از نظر زيست محيطي داراي فوايدي است که از بطري هاي برگشت پذير حاصل شده است. به علاوه علاقه مصرف کنندگان به بطري هاي برگشت پذير نيز مي تواند موثر باشد. بطري هاي شير نمونه بارزي از اين بطري هاست که بايد بسيار پاک و تميز باشد. با وجود وزن زياد و مقاومت شيشه و ارزش تميز کردن پايين آن، بطري هاي برگشت پذير، زماني که از آنها براي پر کردن مجدد استفاده مي شود، بسيار مقرون به صرفه مي باشد. کاربرد اين بطري ها بيشتر در شيشه هاي مربا و ماءالشعير مي باشد.

بازيافت
بسياري از مردم پس از مصرف ظروف شيشه اي آنها را به بانک هاي شيشه تحويل مي دهند. اولين بانک شيشه در سال 1977 به وجود آمد و در حال حاضر 50 هزار بانک شيشه در سراسر کشور انگلستان وجود دارد. معمولا براي سازگاري بيشتر مصرف کنندگان، بانک هاي شيشه را در سوپر مارکت ها قرار داده اند. سايت اينترنتي براي يافتن نزديک ترين بانک شيشه نسبت به محل زندگي مصرف کنندگان ايجاد شده است. جمع آوري شيشه بدل به يک شغل پر درآمد شده است. بسياري از کافه ها و سوپرمارکت ها و برخي از شرکت هاي خصوصي مدارس براي خود داراي بانک شيشه هستند. حدود 600 هزار تن بطري شيشه اي از بانک هاي شيشه اي ايجاد شده در کافه ها، کلوپ ها، هتل ها، رستوران ها و بارها در سال جمع آوري مي شود. درصد بازيافت شيشه در انگلستان 34 درصد است که نسبت به کشورهاي سوييس و فنلاند که بازيافت شيشه در آنها 90 درصد است، بسيار ناچيز است. اصولا درصد قابل قبول بازيافت شيشه در حدود 50 درصد مي باشد.

بانک هاي شيشه شرکت هاي جمع آوري کننده يا ديگر بخش ها، خرده شيشه را به صورت تناژ تحويل مي دهند. زماني که خرده شيشه ها جمع آوري مي شوند، آلودگي آنها جدا شده و سپس با مواد ديگر در کوره هاي ذوب مخلوط مي شوند. سپس در قالب يا بادکن هاي مکانيکي به بطري و جار جديد تبديل مي شوند.

ناهماهنگي رنگ
جمع آوري خرده شيشه هاي شفاف بي رنگ براي بازيافت در انگلستان بسيار کم مي باشد. بيشتر توليدات شيشه در انگلستان بطري هاي شفاف و کهربايي مي باشد که به دليل صادرات زياد شيشه هاي شفاف انگلستان است. براي اينکه مصرف کنندگان همواره بطري و جارهاي شفاف را در بانک هاي شيشه قرار مي دهند، توليد خرده شيشه هاي شفاف کم تر است. واردات انگلستان بيشتر به منظور توليد بطري هاي سبز است که به طور عمده براي بسته بندي ماءالشعير استفاده مي شود. در گذشته بطري هاي سبز بازيافت نمي شد اما در اين صنعت با کار و تلاش زياد دولت اقدام به افزايش بازيافت بطري هاي سبز نمود و در حال حاضر انگلستان حدود 85 درصد از بطري هاي سبز را بازيافت مي نمايد. اين خرده شيشه ها در صنايع مختلف کاربرد فراواني دارد. اين مواد را مي توان با رنگ ها و مواد شيشه اي ديگر ترکيب نمود و بازار خوبي براي بطري هاي سبز ايجاد کرد. از خرده شيشه هاي بازيافتي مي توان براي توليد بطري هاي جديد استفاده نمود. بازيافت شيشه به 4 روش به دولت و محيط زيست کمک مي کند که شامل کاهش خاک برداري، کاهش مصرف انرژي، کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي و جلوگيري از هدر رفتن منابع معدني مي باشد.

بخش شيشه هاي Flat
دومين بخش بزرگ در توليد شيشه مربوط به شيشه هاي Flat است. اين شيشه ها کاربردهاي متنوع و متفاوتي دارند. اين شيشه ها به دليل طول عمر کمتر تاثير بيشتري در محيط زيست و زباله هاي شيشه اي دارند. زباله هاي اين شيشه براي پنجره ها، شيشه جلو و عقب خودروها و موتور سيکلت ها مورد استفاده قرار مي گيرد. صادرات و واردات اين نوع شيشه در حدود 886 هزار تن در سال است.

بخش فيبرهاي شيشه اي (Fiber Glass)
فايبرگلاس ها را مي توان با استفاده از روش هاي متنوع پيوسته يا فيبرهاي کوچک توليد نمود. فيبرهاي پيوسته را معمولا براي تقويت پلاستيک ها و سيمان به کار مي برند. فيبرهاي کوتاه به عنوان مواد عايق کاري استفاده مي شوند. حدود 220 هزار تن در سال فيبر شيشه در انگلستان ساخته مي شود و تقريبا 11 هزار تن نيز در هر سال زباله توليد مي کند و به دليل اينکه بازيافت آن سخت و مقرون به صرفه نمي باشد در اين بخش سرمايه گذاري خاصي انجام نشده است.

چه کاري بايد انجام داد؟ - اگر يک بطري برگشت پذير است، آن را بازگردانده و به بخش بازيافت منتقل نکنيد. - بطري و جار را بشوييد. بهترين روش شستن با آب داغ به هر شکل ممکن مي باشد. - در صورت امکان درب هاي پلاستيکي، چوب پنبه و اضافه هاي فلزي را از بطري و جار جدا کنيد. هر چيزي که روي آن باقي بماند به وسيله مگنت يا ويبره و يا روش هاي ديگر جدا مي شود اما باز هم احتمال خطا و خراب شدن کوره ها وجود دارد. - فقط بطري ها بازيافت نمي شوند بلکه تمامي ظروف شيشه اي قابل بازيافت هستند. ظرف هايي که براي نگهداري مواد غذايي، دارويي و پاک کننده هاي شيشه اي ساخته مي شوند نيز بازيافت پذير هستند. هرگز شيشه لامپ ها يا شيشه هايي که براي پخت مانند پيرکس هستند را جمع آوري نکنيد. اين مواد خصوصيات متفاوتي دارند که براي ساخت بطري استفاده نمي شوند بنابراين داراي استانداردهاي لازم نيستند. شيشه هاي مسطح مانند شيشه هاي پنجره سالم يا شکسته نبايد در بخش بانک شيشه بطري ها قرار گيرند. دقت کنيد بطري را در بانک مخصوص آن قرار دهيد. بانک هاي شفاف، سبز و قهوه اي متفاوت هستند. آنچه مهم است اطمينان از تميزي شيشه و عاري از آلودگي بودن با رنگ است که ارزش آن از قيمت پايين تري برخوردار بوده و پول کم تري براي شيشه هاي آلوده پرداخت مي شود. بطري هاي ساخته شده از شيشه هاي آبي را مي توان در بانک بطري هاي سبز قرار داد. بطري ها با يک پوشش رنگ را مي توان بازيافت نمود و همه آنها را در يک کوره سوزاند. براي فهميدن رنگ بطري به بالاي آن درست جايي که درب روي آن قرار مي گيرد، دقت نماييد. سعي کنيد در مسافرت بطري ها را به بانک هاي فعال مانند مغازه هاي باز يا مدارس تحويل دهيد. با اين کار خطر وارده به محيط زيست از طريق مسافرت به حداقل مي رسد. سعي کنيد از بانک ها در طول روز استفاده کنيد و از اجتماع در محل بانک ها در شب اجتناب کنيد.

بررسي کلي
ترجيح مصرف کننده در انتخاب ماده بسته بندي
روش شناسي
در بين 24 آوريل تا 9 مي 2006 شرکت تحقيقات و بازاريابي نيوتن در اوکلاهما رفتار و عادت خريداران را مورد بررسي قرار داد. اين مصاحبه ها با 752 نفر در سراسر ايالات متحده که مصرف کننده مواد غذايي و نوشيدني بودند، انجام گرفت و درصد خطاي آن 5/3 درصد اعلام شده است

خلاصه بررسي
بسته بندي هاي شيشه اي اولين انتخاب مصرف کنندگان براي حفظ کيفيت، پاکي و مزه غذا مي باشد و به نظر مي رسد اغلب آنان به سلامت بسته بندي بيشتر اهميت مي دهند. ترجيح مشتريان دائمي به سوي بسته بندي هاي شيشه اي است.

مواد بسته بندي
زماني که پاسخ دهندگان خريد مي کنند بسته بندي ها از مواد گوناگوني مي باشد. آنها بسته بندي شيشه اي را براي کيفيت، تميزي، مزه، محافظت از محصول و زمان نگهداري ترجيح مي دهند. وقتي به صورت عمومي در مورد مواد بسته بندي سوال مي شود. مصرف کنندگان عمومي نيز تمايل بيشتر به بسته بندي شيشه اي دارند. با توجه به پرسش هاي انجام شده، 75 درصد براي ماءالشعير، 96 درصد براي نوشيدني الکلي، 65 درصد براي سس و چاشني، 87 درصد براي مواد غذايي و 90 درصد براي غذاي کودک، بسته بندي شيشه اي را ترجيح مي دهند. با توجه به سطح درآمد،خريد محصولاتي که در شيشه بسته بندي شده است، برتري قابل ملاحظه اي يافته است. بسته بندي شيشه اي نوشابه ها به منظور حصول کيفيت، پاکي، مزه و طعم و محافظت محصول مطرح مي شود.

شيشه بهترين ماده براي بسته بندي
مصرف کنندگان دائمي تمايل زيادي به بسته بندي شيشه اي نشان مي دهند. 42 درصد از مغازه هاي خواربارفروشي، محصولات اصلي را به صورت مداوم و يا به صورت فصلي خريداري مي کنند اغلب مصرف کنندگان دائمي در اين بررسي زنان 25 تا 54 ساله بوده اند که بيش از 50 هزار دلار درآمد ساليانه داشته اند. مصرف کنندگان دائمي عقايد خود را اين گونه بيان مي کنند که 6 تا 8 درصد مغازه هاي اصلي را با توجه به کيفيت و استاندارد ترجيح مي دهند.

افراد بسياري مصرف ماءالشعير در شيشه را ترجيح مي دهند.
مصرف کنندگاني که ماءالشعير را در شيشه ترجيح مي دهند بيشتر بين 25 و 44 سال سن داشته و درآمد سالانه ي در حدود 50 هزار دلار و يا بيشتر داشته اند. در اغلب پاسخ ها شيشه به عنوان ماده ارجح عنوان شده و ساير مواد گزينه هاي بعدي بوده اند.

ذوب شيشه با استفاده از تكنيك هاي گرمايشي متفاوتي انجام مي گيرد.در اين تحقيق ما بروي  سيستم هاي گرمايشي مرسوم با شعله آزاد (احتراق گاز،گازوئيل و سوخت اكسيژن ) و تكنيك هايي نظير تكنولوژي تيوب تشعشعي تمركز نموده ايم.

   مهمترين معيار در ملاحظات انجام شده بازده انرژي، قيمت ها، نگه داري، مواد انتخابي، طراحي كوره و تجهيزات، عمر مورد انتظار كوره، نشر ها و تكنيك هاي گرمايي در آينده مي باشد.

استفاده از موازنه انرژي بر روي تمامي كوره با انرژي هاي مورد نياز براي هر روش گرمايي تخمين زده شده است. همچنين انتقال حرارت از مشعل به مذاب مورد آناليزقرار گرفته شده است كه اين آناليز شامل نسبت جريان سوخت/ هوا ،دماي كوره،سطح تيوب تشعشعي مورد نياز مي باشد.

   فايده يا عدم فايده تكنيك هاي گرمايي مورد ارزيابي قرار گرفته شده است كه بر پايه اطلاعاتي كه از محاسبات انجام شده است، مي باشد.

   ذوب شيشه مي تواند با سيستم هاي گرمايشي گازي، گازوئيلي و يا سوخت اكسيژني انجام پذيردكه برتري در اين سه سيستم با سوخت اكسيژني[1] با نشر NO_x كم است.(  كه مقدار آن%80 كمتر از كوره هاي گاز سوز مرسوم است) و نشر گرد و غبار[2] كمتر ( در حدود% 20 كمتر) است.

   مشعل هاي اكسيژن سوز در آينده مورد توجه بيشتري قرار خواهند گرفت كه اين امر بدليل نشر كمتر آن هاست ولي مهمترين مشكل آنها به هزينه هاي بالاي تهيه اكسيژن باز مي گردد.

  احتراق با سوخت گازوئيل %10 ارزانتر از احتراق با سوخت گاز است. اما مقدار زیادی SO_x  ساتع مي نمايد.

   تكنولوژي تيوب تشعشعي كه تكنيك اميد بخشي در آينده است. هم اكنون تحقيقات وسيعي بروي آنها در حال انجام است .اين تحقيقات براي يافتن موادي كه در ساختار متخلخل اين مشعل ها استفاده مي شود برای بهبود تحمل پذيري آنها در برابر گرما می باشد. همچنين تنش هاي مكانيكي تيوب هاي  حایز اهمیت است. در اين مورد قيمت هاي انرژي براي كوره هاي گاز سوز     % 19 با لاتر است.(1)

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

1- نشرآلاینده ها:

     در مدت فرآیند ذوب ،اجزاء ناخواسته در هوا انتشار می یابند این انتشارها دارای منابع مختلفی  هستند . مهمترین این نشریابنده ها SO_x و NO _x و مواد سنگین فلزی و فلورید ها می باشند .

1-1 نشر NO_x

اکسید نیتروژن در طی احتراق تشکیل می گردد. اکسیژن در واکنش با نیتروژن موجود در گاز یا هوا قرار می گیرد و این واکنش تنها در دماهای بالا ( °C 1350 ) اتفاق می افتد بعلاوه عامل دیگر انتشار NO_x هنگامی است که در بچ از نیترات ها استفاده می شود و نیترات ها اغلب از اکسیدهای بچ حاصل می شوند .

2-1 نشر SO_x

اکسیدهای سولفوریک تقریباً از تمامی کوره های شیشه نشر می یابند . نسبت So₂/So₃ حدود 10 به 1 است. So_x عمدتاً در هنگام پالایش (از سولفات سدیم) و از مواد حاوی سولفور در مواد اولیه و سوخت به وجود می آید. سولفور همراه گاز خروجی به صورت ذرات سولفات نظیر Na₂So₄  و K₂So₄ و So₂ و So₃ و همچنین به صورت H₂So₄ در زیر دمای °C 200 وجود دارد .

 

3-1ذرات گرد و غبار (کری اور)

این ذرات عمدتاً از چگالش تبخیرات حاصل از فرایند ذوب شیشه به عنوان کری اور و محصولات واکنش و در هنگام سرد شدن جریانهای گازها به وجود می آیند . ذرات چگالش یافته را به عنوان مثال می توان از سولفات سدیم، اکسیدهای سرب، بورات سدیم، بورات پتاسیم و سولفات پتاسیم نام برد. دراستفاده از سوخت های مایع ممکن است اکسیدهای نیکل، وانادیم نیز بوجود آید . در هنگام تولید شیشه های مظروف ، جزء های سدیم در سایزهای بزرگ تر از ذرات نیز نشر می یابند.

 

4-1 کلریدها و فلوریدها

کلریدها عمدتاً به صورت اسید کلریدریک درجریان گاز موجود می باشند. منبع کلریدها  کربنات سدیم سنتزی و مقادیر کمی در دولومیت و یا خرده شیشه است.

فلوریدها عمدتاً به صورت HF و بعضی اوقات به صورت H₂SiF₁ موجود می باشند. مواد اولیه معدنی اغلب شامل مواد معدنی فلورین می باشد. CaF₂ نیز به عنوان تقویت کننده ذوب در این محدوده استفاده می شود.

 

5-1 فلزات سنگین

این نشر های مهم در کوره های مظروف بخاطر وجود سرب و همچنین وجود وانادیم و نیکل در سوخت های مایع و احتمال وجود Seo₂  و ترکیبات آرسنیک در گاز های خروجی اتفاق می افتد. این ترکیبات به صورت گازی در دمای گاز های خروجی موجود می باشند. در این مسایل بایستی این ترکیبات از گاز خروجی زدایش شوند که این امر به وسیله فیلتر میسر است.

 

6-1 موارد مقررات وقوانین نشر

در هلند دولت مقررات نشر را تدوین کرده که آن را NER [3]می نامند . مقررات نشر در سال 1994 برای شیشه های مظروف ( جدول 1 ) تدوین گردید . مقررات نشر انتشار یافته بعد از سال 2003 که در جدول 2 موجود است. شرایط استاندارد برای جریان گاز در دمای صفر درجه و فشار 1013 میلی بار در حالت خشک و حداکثر 8 درصد اکسیژن برای شرایط عملیاتی کوره های پیوسته تعریف شده  است . (2)

جدول 1 : نشرهاي مورد نياز تا سال 2003

                    

 

 

 

 

 

 

 

جدول2:  نشر هاي مورد نياز بعد از سال 2003

 

 

 

 

·        کنترل و جلوگیری از  نشر

هزینه برای جلوگیری از نشر آلاینده ها تقریباً بستگی به تکنیک گرمایش مورد نیاز است . اگر ترکیبات زیادی مواد آلاینده وجود داشته باشد حذف آلاینده ها از جریان گازها ( با فیلترها ، DENOX ، دستگاه تصفیه گازهای کوره های بلند Scrubber ) مورد نیاز می باشد تا قوانین محیطی برآورده شود .

احتراق مرسوم[4]

2- روش احتراق مرسوم                 

 

 

                  شكل1: مشعلهاي زير پورت[5]

در این روش سوخت گاز و هوا برای فرآیند احتراق مورد استفاده قرار می گیرند . برای تأمین دمای شعله مورد نیاز و به دست آوردن هزینه های انرژی قابل قبول ، هوا بایستی پیش گرم شود . در این قسمت موازنه انرژی و محاسبات گرمایی بر ای احتراق گاز ودر حالت های زیر در نظر گرفته می شود :

1)  بدون هیچ گونه گرم کردن

2)  با ریجنراتور

3)  با ریکوپراتور

4)  با ریجنراتور و پیش گرم نمودن خوراک

اصول کار ریجنراتور و ریکوپراتور در بخش مقدمه  توضیح داده شده است .

مشعل ها برای تزریق سوخت به کوره مورد استفاده قرار می گیرند . سوخت از طریق مشعل وارد کوره و سپس با هوای پیش گرم ترکیب می شود . به سبب دمای بالا و حضور سوخت و اکسیژن     ( در هوا ) مخلوط جرقه می زند . انرژی حاصل شده از این فعل وانفعال ، برای واکنش های شکل دهی شیشه و گرم کردن سوخت ،گرم کردن هوای لازم برای واکنش های گاز و انرژی گرمایی برای گرم کردن و واکنش های خوراک مصرف می گردد .و قسمت اعظم این انرژی به وسیله گازهای احتراق از کوره خارج می گردد . استفاده از ریجنراتور و ریکوپراتورها می تواند این گرما را حدود %55-65 برای ریجنراتورها و % 40-25 برای ریکوپراتورها بازیابی نماید و قسمت کوچکی نیز به وسیله پیش گرم خوراک بازیابی می گردد.(3)

·         

·         نشر ( NO_x و سایر )

استفاده از کوره ذوب U-tern ، که احتیاج به طول شعله نسبتاً زیاد است ، باعث هدر رفتن انرژی زیادی می شود بنابراین سوختن آرام مورد نیاز است که می توان به وسیله تنظیم موقعیت و زاویه مشعل ها آن را بهبود داد . این طول بلند شعله باعث کاهش دمای شعله ( به دلیل مقدار افزایش تشعشع ) و غلظت اکسیژن موضعی شده و از این رو کاهش تشکیل NO_x را به دنبال دارد. انتشار SO₂ در کوره های با سوخت گازی بسیار کمتر می باشد . به دلیل اینکه مقدار سولفور گاز تقریباٌ در حد صفر است . بیشتر نشر SO₂ به دلیل فرآیند تصفیه Na₂SO₄ است .

نشر گرد و غبار همچنین به دلیل چگالش بخارات خوراک ( تبخیر از ذوب شیشه ) و محصولات واکنش یا کری اور ذرات ریز مواد اولیه به وجود می آید . این گرد و غبار، کوره را همراه جریان گازها ترک می نماید .(4)

 

                  

                  

·        کنترل جلوگیری از آلودگی هوا

نشر NO_x باعث به وجود آمدن مشکلات زیست محیطی می گردد . بهترین راه حل جدایش NO_x از گازهای احتراق با NH₃ ( SNCR / SCR ) یا روش 3R است که در حال حاضر خیلی گران هستند و شرکت های تولید کننده شیشه تلاش می کنند نشر NO_x را به وسیله کاهش دمای ماکزیمم شعله کنترل نمایند .

·        دور نما ي [6] تکنولوژی

در آینده مقررات زیست محیطی سخت تر خواهد شد وبایستی با استفاده از روش های حذف، NO_x به وجود آمده   ( ^mg/_m3 1600-4000 ) را به حدود ^kg/_{ton glass} 1 ویا 225^mg/_m3 )کاهش داد.با توجه به مقرراتی که اعمال خواهد شد در سال 2010  سیستم های پاکیزگی جهت جلوگیری از نشر ( مثل DENOX ) مورد نیاز خواهد بود.وباتوجه به اینکه قیمت انرژی در آینده افزایش خواهد یافت بنابراین عملیات در این نوع کوره ها بسیار گران قیمت تر از کوره های حال حاضر خواهد بود .(5)

 

1-2 احتراق مرسوم گازوئیلی

 

روش :

اختلاف بین این روش و احتراق سوخت گازی ، استفاده از سوخت مایع برای انجام احتراق می باشد. گاهاً هوای سرد برای تزریق به سوخت مایع درکوره مورد استفاده قرار می گیرد . سوخت مایع بایستی تا حدود 120 درجه سانتی گراد برای کاهش ویسکوزیته گرم گردد که به راحتی بتوان آن را تزریق نمود . این پیش گرم کردن سوخت نیاز به انرژی فوق العاده ای در مقایسه با سوخت گازی دارد .

حالت بهبود یافته سوخت مایع استفاده از سوخت گازی که دارای مقدار انرژی بالاتر به ازاء حجم و نسبت کربن به هیدروژن بالاتری می باشد و به دلیل بالا بودن نسبت کربن به هیدروژن شعله بسیار شفاف است که این به دلیل پائین بودن دمای شعله است. که این نتایج به کاهش NO_x می انجامد. همچنین گازهای احتراقی کمتری حاصل می گردد. احتراق سوخت مایع حدود 5 درصد بازده حرارتی بیشتر از سوخت گاز دارد. عدم توسعه باعث بالا رفتن مقدار آلودگی ( سولفور )، فلزات سنگین (وانادیم ، نیکل ) که باعث نشر ناخواسته و خوردگی می گردند.

 

 

 

·        نشرهای ( NO_x و دیگر گازهای قابل نشر )

  بدون استفاده از فیلتر گازهای خروجی ، نشرهای NO_x در استفاده از سوخت گازی بسیار کمتر    می باشد و نشر So₃ بسیار بیشتر از سوخت گاز است به دلیل اینکه در سوخت مازوت مقادیر بیشتر از محتویات سولفور وجود دارد . فلزات سنگین ( وانادیم ، نیکل ) نیز به سبب موجودی بالا در این سوخت نشر می یابند .

 

·        کنترل – جلوگیری از آلودگی هوا

نشر So₃ و NO_x به دلیل بعضی مسائل می باشد. مقررات و قوانین زیست محیطی باعث می شود که تجهیزات برای پاکیزگی جریان های گاز نصب گردند ( Scrubber و DENOX )

دورنمای تکنولوژی :

مقررات نشر در آینده شدیدتر خواهد شد در این مقرارت وضع شده نشر حدود ( ^mg/_mo3 1200-1300 ) بایستی به کمتر از ^kg/_tonglass1 ( ^mg/_m3 400 ) در سال 2010 برسد بعلاوه سیستم های رفع آلودگی ، نظیر دستگاه تصفیه گازهای کوره بلند ( Scrubber و DENOX ) مورد نیاز برای اجرای این مقررات  است .(5)

 

 

 

2-2 احتراق سوخت اکسیژنی:

 

 

 

 

 

                              

 

در این روش احتراق ، اکسیژن به جای هوا برای احتراق با گاز مورد استفاده قرار می گیرد هوا محتوی گاز نیتروژن ( % 79 ) می باشد . گاز خنثی تا حدود 1500 درجه سانتی گراد گرم می شوند . بعد از احتراق، این گازها کوره را با دمای °C 1450 ترک می نمایند . انرژی هدر رفته توسط این گازها خیلی بالا است . هنگامی که هیچ گاز نیتروژنی وجود نداشته باشد مقدار گازهایی که گرم شده کمتر و مقدار جریان گاز نیز محدود می گردد گرمای هدر رفته به وسیله گازهای خنثی به وسیله استفاده از اکسیژن خالص که به جای هوا برای احتراق استفاده می شود محدود می شود. اکسیژن به راحتی هوا قابل پیش گرم نیست به دلیل اینکه آتش زا و قابل انفجار است . شعله با سوختن اکسیژن به دماهای بالا می رسد و این امکان وجود دارد که ایزولاسیون کوره بهتر صورت پذیرد و به این دلیل کوره فشرده ترمی شود و نیازی به مشعل های بزرگ نیست . ایزولاسیون نیز به خاطر جلوگیری از حمله بخارات قلیایی به ساختار فوقانی در منطقه سرد مورد نیاز است. در مشعل های مورد استفاده برای احتراق سوخت اکسیژن، یک لوله در لوله اصلی مشعل تعبیه شده است سوخت از لوله داخلی تزریق و اکسیژن از لوله خارجی گذر می کند الکتریسیته نیز برای تولید اکسیژن مورد نیاز است . تولید اکسیژن به روشهای ( VSA ) Vacuum Swing Adsorption و PSA Pressure Swing Adsorption و تقطیر سرمایی صورت می گیرد . انرژی مورد نیاز برای تولید اکسیژن در حدود ^kwh/_m3  425/0در سال 1994 و ^kwh/_m3 375/0 در سال 1996 بوده است ( به وسیله تقطیر سرمایی برای مقادیر زیاد اکسیژن ) که این مقدار نیز در سال 1998 به ^kwh/_m3 286/0 رسیده است.(6)

زمان ماند برای گازهای احتراق در محفظه احتراق بیشتر از 30 ثانیه است ( در مورد اکسیژن سوز ) و در کوره های صنعتی با ترکیب سوخت و هوا این زمان حداکثر 10 ثانیه می باشد . در هنگام اکسیژن سوز بودن کوره ها جریان گازها مدت زمان زیادی لازم دارند تا به یک تعادل حرارتی با اطراف خود برسند . این امر به دلیل اینکه گرمای جریان گازها مجدداً استفاده نمی شود دارای اهمیت است ( در مقایسه با سیستم های ریجنراتوری و ریکوپراتوری ) علاوه بر این، سیستم اکسیژن سوز نه تنها وسیله ای برای کاهش مصرف انرژی است بلکه باعث مصرف کمتر اکسیژن نیز می باشد.(8)

·        نشر ( سایر و NO_x )

با استفاده از اکسیژن خالص ، که هیچگونه نیتروژن ( مقدار کمی در سوخت گازی موجود است ) در اتمسفر کوره وجود ندارد . مقدار NO_x ها حدود هشتاد درصد در مقایسه با روش احتراق سنتی کاهش می یابد.

 

 

هنگامی که احتراق سنتی مورد استفاده قرار می گیرد نسبت  So₂به So₃ بسیار بالاتر از حالت نرمال نسبت به مقدار 10 به 1 است. خورندگی بالای گازهای خروجی به سبب شکل گیری بی سولفات سدیم ( NaHSo₄ ) در زیر300°C  و شکل گیری اسید سولفوریک در زیر°C 180-200 درجه، می باشد. نشر گرد و غبار ( کیلوگرم و غبار به تناژ شیشه تولیدی ) 25 درصد کمتر در مقایسه با نشرهای کوره های ذوب شیشه ریجنراتوری با سوخت گاز است. (5)

·        کنترل و جلوگیری از آلودگی هوا

 

با مشعل های مدرن ، نشر NO_x به 4/0 کیلوگرم به تن شیشه محدود می شود و بنابراین نیاز به نصب سیستم DENOX نمی باشد سایر آلاینده ها در مقایسه با سیستم سوخت هوا کمتر می باشد به جز So_x که ممکن است بیشتر باشد و غلظت بالا بودن گاز به دلیل کاهش جریان گاز احتراق است . (6)

·        دورنمای تکنولوژی

به طور تئوریکی برای جداسازی اکسیژن از هوا ^kwh/_kgO₂ 05/0 انرژی مصرف می شود در سال 1994 انرژی استفاده شده برای تولید اکسیژن ^khw/_mn3 425/0 بوده است . اما در سال 1996 این مقدار به ^kwh/_mn3 375/0 رسیده است . در سال 1998 این امکان با مقدار ^kwh/_mn3 286/0 می رسد .در حالی که مقررات نشر محیطی شدیدتر می گردد . این روش مقدار نشر کمتری نسبت به احتراق سیستم قدیمی تولید می نماید . بنابراین نیازی به هزینه زیاد برای پاکسازی  نشر مازاد استاندارد نیست . نوع جدید مشعل ها با مخلوط آرام اکسیژن و گاز توسعه یافته است . که در نتیجه شعله درخشان شده و مقدار NO_x کمتری تولید می گردد که این به دلیل کاهش دمای شعله است .(9)

 

3-2 احتراق اکسیژن غنی شده

روش:

در احتراق به روش سنتی از اکسیژن اضافه استفاده نمی شود . هنگامی که از احتراق اکسیژنی صحبت می شود سه نوع آن مد نظر است .

1- Oxygen boosting  

2-    Oxygen Lancing

3Oxygen Enrichment  -

 

 

حالت اول : (شکل 6)

   برای افزایش تولید ، کیفیت ، بازده و پایداری کوره ها مشعل های boosting به عنوان مشعل اکسیژن سوز برای جانشینی مشعل های مخلوط کننده سوخت و هوا در نظر گرفته شده اند و برای افزایش نرخ کشش در کوره مورد استفاده قرار می گیرد. سوخت اضافی با اکسیژن برای بالا بردن دما مورد استفاده قرار می گیرد . این تکنیک به عنوان روش اصلی در احتراق مرسوم می باشد .

حالت دوم : (شکل 7)

از قدیم Oxygen Lancing  عمومی ترین روش برای استفاده از اکسیژن برای فراهم کردن احتراقی که باعث افزایش تناژ تولیدی گردد، می باشد. تزریق اکسیژن (از زیر یا از میان )به شعله سوخت/ هوا باعث افزایش  تناژ ، بازده سوخت و کیفیت شیشه در کوره ها می گردد . و اکسیژن می تواند در جاهایی که بیشتر مورد نیاز است تزریق گردد .

حالت سوم( اکسیژن غنی شده[7] ) : (شکل8)

اکسیژن به هوای احتراق اصلی از محلی که هوای احتراق وارد مشعل شده ،  دمیده  می شود . پیش مخلوط اکسیژن که معمول ترین روش در کوره ها ذوب می باشد زمانی استفاده  می شود که بخواهیم اکسیژن را برای افزایش فرآیند احتراق به عنوان روش پیوسته استفاده کنیم .(10)

نشرها :

با افزایش غلظت اکسیژن در مخلوط سوخت گاز ( به دلیل دمای بالا ) تشکیل NO_x افزایش می یابد تنها زمانی که تمام هوای احتراق به وسیله اکسیژن جانشین می گردد تشکیل اکسیدهای نیتروژن به ازاء واحد تولید شیشه کاهش می یابد .

·        کنترل / جلوگیری از آلودگی هوا

میزان نشر NO_x ها هنگامی که از احتراق مرسوم استفاده می شود بالاتر است ( به دلیل دمای شعله بالا) و این نیازمند استفاده از دستگاه های تصفیه گاز در کوره ها نظیر DENOX است.

دورنما ی تکنولوژی :

ظرفیت تولید هنگامی که از این تکنیک استفاده می شود بالاتر می رود و این تکنیک با این وجود برای کوره های جدید شیشه توصیه نمی شود ( به  دلیل بالا بودن مقدار NO_x و عدم صرفه جویی انرژی در مقایسه با کوره های گاز سوز یا سوخت گازوئیلی ).(10)

3 -تکنولوژی تیوب های تشعشعی

اساس کار مشعل های تیوبی تشعشعی ، اشتعال سوخت در داخل مشعل می باشدکه انرژی آزاد شده در ابتدا از میان مواد متخلخل به دیوار تیوب و سپس از دیواره به مذاب شیشه از طریق تشعشع انتقال می یابد . تیوب می تواند در موقعیت بالای سطح مذاب و یا داخل مذاب شیشه قرار گیرد. قرار گرفتن تیوب در داخل مذاب مسائل و مشکلات عمده ای را به بار می آورد . تیوب در داخل مذاب ذوب شده و به شدت آسیب می بیند . ذوب تیوب در مذاب شیشه باعث کاهش کیفیت شیشه می گردد یک راه حل برای امکان پذیر نمودن استفاده از این نوع مشعل ها، استفاده از تیوب هایی که دارای دیواره خارجی با مواد دارای مقاومت بالا در برابر مذاب شیشه می باشد. که یک مثال از این قبیل فلزات، مولیبدن می باشد .

در این گزارش تنها موقعیت این تیوب ها در بالای مذاب شیشه مد نظر قرار گرفته است . (11)

 

1-3 تکنولوژی مشعل های متخلخل:

بر خلاف فرآیند احتراق مرسوم ، تکنولوژی مشعل های متخلخل با شعله آزاد عمل نمی نماید بلکه احتراق در محفظه قالب متخلخل اتفاق می افتد که نتیجه این خصیصه، اختلاف کلی آشکار در ظاهر خود منبع است .

     در مقایسه فرآیند احتراق مرسوم با شعله آزاد ، تکنولوژی تیوب تشعشعی به ما اجازه بهبود با دانسیته بالای نیرو و نشر کم را می دهد که نتیجه آن شدت انتقال حرارت داده شده از ساختار متخلخل است . ملاک اصلی در این نوع احتراق سایز بحرانی منافذ در ساختار متخلخل است . تجربیات نشان داده که به دنبال توسعه عدد پکلت برای شعله های توسعه یافته مربوط به تخلخل به صورت فرمول زیر بیان می شود .

 

  اگر تغییرات عدد پکلت بیشتر از 65 باشد انتقال حرارت جا به جایی به محیط اطراف بر انتقال حرارت تشعشعی و هدایتی به مواد متخلخل برتری دارد . در این حالت حرارت احتراق به بیرون از تیوب انتقال یافته و تشعشع از تیوب به محیط اطراف امکان پذیر است .

 

  اگر تغییرات عدد پکلت کمتر از 65 باشد انتقال حرارت تشعشعی و جا به جایی به داخل مواد متخلخل بر انتقال حرارت جا به جایی به محیط اطراف برتری دارد، که در آن حرارت احتراق قادر نیست که به محیط اطراف انتقال یابد . 

  اگر اندازه منافذ کمتر از اندازه بحرانی باشد ( به طور مثال اگر عدد پکلت اصلاح شده کمتر از 65 باشد ) از توسعه شعله جلوگیری و شعله سرد می شود . از طرف دیگر اگر سایز منافذ بیش از اندازه بحرانی باشد . توسعه شعله در داخل ساختار متخلخل امکان پذیر است . (12و13)

 

 

 

 

2-3 احتراق مرحله ای [8]

   در احتراق مرحله ای ، مشعل های میان متخلخل دارای تاریخچه جدیدی هستند و دلیل اصلی برای بکارگیری استفاده از این تکنولوژی پیچیده ، اهمیت محیط زیستی آن است . در احتراق مرحله ای در مقایسه با عملیات غیر مرحله ای می توان نشر NO_x ها را تا 50 درصد کاهش داد  و مرحله متفاوت را می توان در این نوع مشعل ها تشخیص داد . در مرحله اولیه احتراق ضعیفی اتفاق     می افتد و در مرحله دوم متان اضافه می شود .

 

 

 

علاوه بر این ، در احتراق مرحله ای از سرامیک های جدید ساخته شده از فیبر اکسید آلومینیوم و یا فوم سیلیکون کار باید SiC استفاده شده است .(14)

5 -3 مشعل های اکسیژن سوز[9]

مشعل های متخلخل تشعشعی اکسیژن بایستی دارای ابعاد کوچک به صورت قائم برای جریان باشند . از طرف دیگر گرمای تولید شده در داخل بدنه تخلخل نبایستی سریع به بیرون انتقال بیاید و در نتیجه گرمای فوق العاده ای را در محفظه احتراق به وجود می آورد . از ملاحظات فوق می توان استنتاج نمود که کوچک بودن ابعاد محفظه احتراق منجر خواهد شد که مشعل ها کوچک و شکننده گردند که احتمالاً این مشعل ها در مقابل تنش های مکانیکی و حرارتی موجود در کوره های ذوب شیشه دارای استحکام کافی نمی باشند . به خاطر واقعی کردن مشعل تشعشعی یک راه حل مورد نیاز است که ابعاد محفظه احتراق کوچک با سطح مقطع زیاد و دارای استحکام مکانیکی کافی تهیه گردد . یک راه حل ممکن سرد کردن داخل تیوب می باشد . برای کاربردی نمودن مشعل های تشعشعی با مخلوط گاز و اکسیژن خالص ضروری است که طول ناحیه احتراق خیلی کوچک باشد . اگر مطابق با پاراگراف قبلی مشعل کوچک با بعدهای عمودی به جریان مورد استفاده قرار گیرد سطح مشعل به دمای کوره ( با چند میلی متر ) می رسد . حتی اگر احتراق به طور جزیی پیش آمیخته و متان به داخل مشعل چند مرحله ای تزریق شود ضرورتاً منطقه واکنش توسعه نمی یابد . (15)

 

.

بنابراین بایستی برای تزریق پیوسته متان به داخل مشعل روشی پیدا نمود. برای انجام آن گرمای آزاد شده بایستی در داخل محفظه احتراق امتداد بیابد. سطح توزیع برای انتقال گرمای تشعشعی تقریباً تمام سطح محفظه احتراق است. ملاحظات در پاراگراف های قبل اجازه می دهد که یک درز محفظه احتراق ایجاد شود ( شکل 23 و 24 ). تنها یک مخلوط بسیار ضعیف از متان – هوا به صورت تماس مستقیم وارد محفظه اصلی می گردد. باقیمانده متان به صورت فشرده به داخل تیوپ نفوذ می کند ( که از SiC زنیتر شده، ساخته شده است ) بدین گونه فرآیند احتراق به طور پیوسته و مرحله ای انجام می پذیرد . درز حلقه ای مقدمتاً برای تزریق مخلوط اکسیژن و متان می باشد ( نسبت اکسیژن اضافه حدود 5 می باشد ).(14)

در آینده با بالا بردن نرخ انتقال حرارت بر واحد سطح، با استفاده از مواد کمترمی توانیم سطح کلی لازم را به یک سوم کاهش دهیم.  مواد دیگر نظیر Al₂O₃ و ZrO₂ دارای یک حداکثر دما برای هوا ( 1950°C و 1850°C ) هستند.

این نتایج نشان می دهد که به دلیل اختلاف دمای بالا بین تیوب تشعشعی و مذاب شیشه ، شار گرمایی بسیار عظیمی به مذاب شیشه وارد می گردد . (15)

·       

Cco < 7mg / ( kwh ) CNox < 25mg / ( kwh )

نشرها

(+) نشرهای بسیار پائین                                        

(+) گازهای خروجی در کوره بسیار کمتراست ( شکل 24 )

(+) احتراق ا ستوکیومتریک به معنی آلودگی کمتر است .

نتيجه و بحث:

در اين تحقيق تكنيك هاي مختلف گرمايي براي توليد ظرفيت 250 تن شيشه مورد بررسي قرار گرفته شده است. روش هاي گرمايي که در اين تحقيق بررسی شده عبارت است از:

·        احتراق گازي

·        احتراق گازوئيل

·        احتراق اكسيژن سوز

·        گرمايش تيوب تشعشعي

قيمت ها ، نشر ها و... براي هر تکنیک با سوخت گاز معادل شده و با سیستم احتراقی مرسوم  مورد مقایسه قرار گرفته شده است .

·        نشر ها:

اگر اکسیژن استفاده شود(احتراق اکسیژن سوز – مشعل های تیوب تشعشعی اکسیژن سوز) به جای هوا نشر های  NO_x  کمتر از احتراق گازی خواهد شد . هنگامی که از هوا برای احتراق استفاده میشود احتیاج به نصب DENOX با هزینه بالا است.

نشر های گرد و غبار هنگامی که از اکسیژن به جای هوا استفاده می شود پایین است و این امر به دلیل جریان گاز کمتر در کوره های اکسیژن سوز است.

در صورت استفاده از سوخت گازوئیل به جای سوخت گاز ،  مقدار نشر های SO₂ بسیار بالا می رود(غلظت سولفور در گاز حدود m_g/m³600-400 و در سوخت گازوئیلی m_g/m³1300-1200است.)

تشعشع شعله گازوئیلی بیشتر از تشعشع شعله گازی است بنابراین دمای شعله کمتر می باشد .شعله اکسیژن سوز دوده بسیار کمی تولید می نماید اما این شعله ها در عوض حاوی مقدار زیادی بخار و غلظت CO₂ است که نشر آن را بالا می برد.( 16و14)

تکنولوژی تیوب تشعشعی تکنیک امید بخشی است. سطح مورد نیاز برای تیوب تشعشعی در نتایج بالا ، بیش از 100 متر است  و هنوز بایستی تحقیقات زیادی انجام شود و تحمل پذیری مواد در برابر گرما بیشتر گرددهمچنین مقاومت در برابر تنش های مکانیکی آن بایستی بهبود داده شود.(16)

لانس های گاز با تکنولوژی بالا

کاربرد:

برای سیستم های کنار گذر یا زیرگذر در کوره های ریجنراتوری

برای کوره های ریکوپراتوری

بهبود انرژی و شرایط ذوب کاهش دی اکسید کربن و  ترکیبات نیتروژن دار کاهش فشار ذوب بر قسمت فوقانی کوره ذوب شیشه بدلیل حجم بالای احتراق و پخش شعله

کاهش طول شعله وشعله ای نرم تر را با استفاده از این مشعل ها به همراه است.

 قسمت های مختلف این مشعلها:

1. Gas connection
2. Scavenging air connection
3. Hand wheel adjustment for the nozzle average modification by position change of the gas interior nozzle
4. Hand wheel adjustment for regulation of gas quantity separation between the single gas nozzles
5. Gas nozzle combination

قسمت های دیگر مشعل جدید گاز سوز:

 

Burner lance fixation Pos. 1.2	Burner sealing plate Pos. 1.3

.

چارت ابعاد این مشعل های گازی:

The performances listed in the following chart are common upper limits per Regulating Gas Lance and type

 

Type	Capacity in KW	Dimensions in mm						in "		in °	in mm
		(A)	B*	C	D	E	F	G	H	I	(K)	L
RGB 50	500	810	550	40	45	101	35	1	½	15	206	91
RGB 200	1500	815	550	60	58	101	48	1½	½	15	206	127
RGB 500	4000	835	565	70	70	121	60	2	½	15	206	130
RGB 700	6000	880	580	100	98	141	88	3	½	15	206	140

The common gas admission pressures at the burner entry amount between 0,2 and 0,5 bar. But it depends on nozzle arrangement and regulating position of the lances

کوره ذوب با ریکوپراتور سرامیکی

Normally, this glass melting furnace is also equipped with Underport firing.

The details for the above mentioned underport arrangement are valid “regenerative“.

Herewith, the scavenging air is normally out of use, because the burners are non-stop in use.

Recuperative furnaces with steel recu´s and other glass melting furnaces

The Regulating Gas Lances are installed centrally in the combustion air case.

The air case is designed corresponding to the air temperatures from 20° C to 800° C concerning the customers conditions .

Independently from the use capacities of the gas lances corresponding to the table values, the size of the air case has to be defined, corresponding to the expected air pre-heating. The same is applied to the fixed or variable positioning of the gas lance in the air case.

Standard Types for air cases for 500/800° C air pre-heating:

 Dimensions exterior tube

Type	A	B	C	D	E	F	G	H	J	K	L	M	N	P	S	Weight
A	545	465	285	280	250	200	194	14	10	10	100	170	210	4x18	40	~12 kg
B	545	465	285	280	250	200	224	14	10	10	125	200	240	8x18	40	~13 kg
C	545	465	285	320	280	220	264	14	10	10	150	225	265	8x18	50	~15 kg
D	630	550	315	380	340	250	324	18	10	10	200	280	320	8x18	50	~21 kg
E	630	550	315	430	390	275	374	18	10	10	200	280	320	8x18	50	~24 kg
F	630	550	250	510	470	315	454	18	10	10	250	335	375	8x18	50	~30 kg

Dimensions interior tube

Type	Ø R	Weight
1	125	~7,5 kg
2	160	~9,5 kg
3	200	~13,0 kg
4	230	~16,0 kg
5	260	~21,5 kg
6	280	~21,0 kg

Possible combinations

Capacity in KW	Temperature	Type of exterior tube	Type of interior Tube	Fitting types of lances
				DLZ / ROB	RGB / GB 50	RGB / GB 200
200-300	500 °C	A	1
200-300	800 °C	B	1
280-420	500 °C	B	1
280-420	800 °C	C	2
400-600	500 °C	C	2
400-600	800 °C	D	3		()
525-800	500 °C	D	3		()
525-800	800 °C	E	4
750-1100	500 °C	E	4
750-1100	800 °C	F	5
1000-1500	500 °C	F	6
1000-1500	800 °C	F	6

The HWI-Engineering-Programme

Prior to an offer, it is necessary to clarify the future conditions that could have positive or negative influences.

The more precise the technical details are from the customer, the more optimal is the basis for the later effect.

Therefore, the HWI-questionnaire as well as reliable drawings of the glass melting furnace showing the installation area for the burners, is deemed very necessary.

The HWI-Port-Engineering to the burner port optimisation, assures additional advantages with the economical and ecological operation of your furnace.

You should contact us in the planning phase of a new project or prior to the repair of a furnace in time.

Each glass melting furnace has one optimal port-design only.

The following picture shows the serious influences combine or become effective against each other at every firing optimisation.

A new oxy-fuel glass melting technology can help glassmakers increase their furnace capacity, improve glass quality and/or redistribute furnace energy more effectively.

For a number of years, glass melting technologies have been based on heating glass with the radiant energy from flames fired horizontally above the melt. In this design, the heat transfer efficiency is generally limited by the size of the furnace and the temperature limit of the refractories. Even oxy-fuel combustion, which has been used for more than a decade, is restricted by these heat transfer dynamics.

Recently, however, a new system* was developed that overcomes these limitations. Rather than firing horizontally, the system directs the oxy-fuel flames almost vertically down onto the batch surface at the charging end of the furnace. By modifying conventional oxy-fuel melting technology, the new melting system provides significant improvements in melting rates and/or quality.

Heat Transfer in Glass Melting

Efficient heat transfer from the heat source to the batch is crucial in glass production. Total heat transfer can basically be described as the sum of the radiative and convective heat transfers, as shown in the equation:

QT = QR + QC

where QT is the total heat transfer to the batch, QR is the radiative heat transfer and QC is the convective heat transfer.

Both radiant (first term) and convective (second term) heat transfer depend on well-known heat transfer variables, such as the simplified equation shown in Equation 1, where Q is the heat to the surface (in watts), e is the emissivity, f is the radiation function, s is the Stefan-Boltzmann constant, g is the convection function, hc is the convection coefficient, A is the area of the batch/glass surface under consideration, Ts is the absolute temperature of the radiant source, Tg is the absolute temperature of the gases and Tb is the absolute temperature of the batch.

The typical heat transfer within a conventional glass melter is illustrated in Figure 1.

In conventional furnaces, the presence of relatively thick boundary layers and a low thermal driving force dictate that approximately 95% of the total heat transfer to the batch and glass bath comes from the combined radiation from the flame and superstructure. Therefore, the attainable heat transfer in conventional furnaces is a function of the melter area and the maximum temperature limit of the superstructure refractory. Since refractory materials have fixed maximum temperatures before failure, the only way to improve the radiative melting rate in fossil fuel glass furnaces is to increase the batch surface area. As a result, existing furnace technology constrains the unit melting rate of furnaces within a well-established range.

Conventional oxy-fuel firing can enhance radiative heat transfer, but its impact on convective transfer is small. Higher flame temperatures and the enhanced emissivity of the combustion products increase the radiation directly from the combustion space, but low velocities, thick boundary layers and the relatively low temperature of combustion products in contact with the batch and glass bath (compared to the temperature of the flame itself) diminish the impact on the convective component.

Firing vertically onto the batch, however, can significantly enhance convective heat transfer. As shown in Figure 2, the vertically oriented oxy-fuel flames in the new melting system actually impinge and flow radially over the batch and glass bath. Significant thinning of boundary layers occurs, leading to intimate contact between the extremely hot flame and the cooler batch and glass bath.

Oxy-fuel flames contain significant concentrations of partially reacted and partially dissociated species. As these species move toward the cool batch surface, they oxidize/recombine and liberate still more energy to the surface, further enhancing the convective heat transfer. This process also increases radiative flux because the burners in the new melting system are designed to produce the majority of the high-temperature combustion reactions near the batch, thereby increasing the radiation to the batch.

The increase in total heat transfer to the batch enables increased melting rates. Further, since the burners are installed in the crown rather than the side walls, fewer obstructions affect burner placement. Consequently, the new melting system can supply more energy per square foot of batch surface area without increasing refractory temperatures beyond normal operating limits. The result is a melting system that enables furnaces to melt more glass, and/or higher quality glass, in a furnace of a given size.

Proving the New Technology

Owens Corning’s Composites group provided the first opportunity to demonstrate this new technology in a production furnace. In 1996, BOC and Owens Corning converted an oxy-fuel furnace to the new melting technology without interrupting production. During a four-month trial, the furnace produced glass at significantly higher capacity than could be achieved using horizontal-fired oxy-fuel burners alone. This study demonstrated:

• A pull rate increase greater than 50% over conventional oxy-fuel capacity
• No increase in emissions on a per ton basis
• No change in analyzed glass chemistry
• No observable damage to the melter superstructure
• A reduction in glass defects

BOC and Owens Corning subsequently applied for a patent for the new technology, which was issued in 2001 (U.S. Patent 6,237,369).

Refining the Technology

The results of the Owens Corning collaboration supported the expectation that the new vertical melting system was commercially viable. To understand the relative contributions of convective and radiant heat transfer, BOC modeled the process with computational fluid dynamics (CFD). Of particular interest were the effects of flame shape, velocity and angles on the rate of heat transfer, the area of maximum heat transfer and batch carryover. Figure 3 illustrates how the heat transfer varies from the center of the flame and confirms that the total heat transfer is significantly higher than the radiant transfer provided by conventional melting technology. The green line represents the CFD calculation of heat transfer (primarily through radiation) to the batch from the background source—i.e. the furnace structure. The red line represents the CFD calculation of heat transfer to the batch directly from the flame. The direct flame heat transfer carries a large convective component, and it decays rapidly with distance from the axis of impingement. The blue line is the total heat transfer to the batch predicted by CFD—the sum of background and direct flame transfer.

To verify the implications of the CFD modeling, BOC teamed with Maxon Corp. to design and build a well-instrumented vertically firing test furnace at Maxon’s facility in Muncie, Ind. The furnace incorporated a vertically adjustable firing target to simulate the varying crown-to-batch distances found in real-world glass furnaces.

Trial firings of burners in the test furnace validated the CFD model predictions. As Figure 3 illustrates, a very good correlation was obtained between the direct flame heat transfer predicted by CFD (red line) and the direct flame heat transfer measured in the test furnace (black squares). The test furnace data also helped to optimize burner design and flow characteristics for installing the system in crowns of various heights.

Commercial Demonstrations

Increased Production of Soda-Lime-Silica Glass. The first trials on soda-lime-silica glass took place in mid-1998 in a three-port air-fuel tableware furnace. The furnace’s designed pull and actual maximum pull were 60 tons per day (TPD). Attempts to increase this pull rate with port firing resulted in unacceptable deterioration in glass quality.

The objectives of this trial were to determine the maximum pull rate attainable by the new melting technology with equivalent or better quality and color control; the ability and success of converting a regenerative furnace “on the fly” to 100% oxy-fuel and vertical melting; and the effect of the new melting technology on glass chemistry (if any).

This installation also provided the opportunity to demonstrate the operational flexibility of the new technology by using it both as a stand-alone melting technology (full conversion) and as a boost to the regenerative furnace. BOC engineers converted the furnace in stages from air-fuel to 100% with the new technology and ultimately back to air fuel—all without interrupting production.

Key observations from this trial included:

• Increased production to 85 TPD with no deterioration in glass quality or color
• No evidence of batch carryover from the vertical flames
• No change in glass chemistry
• Excellent color control
• More stable furnace operation

Melting Boost in a Large Regenerative Furnace. Later that same year, the capability of the new melting technology was demonstrated in a large regenerative furnace—a four-port, 750-square-foot flint container furnace equipped with approximately 1000 kw of electric boost. The plant’s management wanted to pull the furnace as hard as their forming capacity would allow, but attempts to increase pull resulted in glass temperatures at the throat that were too high for the forehearth to condition. Further increases in pull also resulted in unacceptable levels of batch stones. Therefore, the furnace was limited to pulling a tonnage equivalent to 82.5% of forming capacity.

The plant secured a 30-day variance from the production limits imposed by its environmental permit and installed the new technology. Port number one of the furnace was blocked off, and the vertical burners were installed in the port one region of the crown. At the end of the demonstration, the vertical burners were removed, and port one was returned to air fuel operation. Production was never interrupted.

The goals of this installation were to operate the new technology while reducing electric boost to achieve:

• A sustained pull rate up to full capacity of the forming line
• A throat temperature reduction
• Elimination of batch stones

In addition to operating at higher pull and reduced electric boost levels, the hotspot temperature was reduced by an amount that would equate to another 10.5% increase in pull for a furnace of this size. Had the forming equipment been able to handle the load, the fuel in the new technology could have been increased to achieve a pull increase of approximately 30%. (Other potential applications of the new melting technology are discussed in the sidebar below.)

Observations in Operating Furnaces

The new technology can also inject a disproportionate amount of energy into the charging end through crown-mounted burners. This redistribution of energy increases the temperature of the charging end, reducing the temperature differential between the charging end and the hot spot. Conventional wisdom suggests that reducing this differential below the range of 150-200 degrees F (depending on the industry segment) would short-circuit the furnace convection currents. However, no observable negative change in convection currents or in the basic operation of the melter occurs with the new technology.

Enhanced Profitability

By providing glassmakers with a wide range of flexibility, the new system represents not only a revolution in glass melting technology, but also a promise of enhanced glass industry profitability.

Editor's Note

For More Information

SIDEBAR: Capabilities of the New Melting Technology

Complete Conversions: Full CGM Furnaces
A “full CGM furnace” is an oxy-fuel furnace that incorporates vertical CGM burners in the charging end and horizontal oxy-fuel burners in the refining end. These installations are characterized by a high melting rate (T/ft2) and excellent fuel efficiency. Test data suggests that, as a rule, CGM provides capacity improvements of at least 25% over air-fuel and conventional oxy-fuel furnaces.

A greenfield (new) furnace designed for CGM operation offers glassmakers significant benefits, including:

• Capital reduction from elimination of regenerators and recuperators
• Capital reduction from smaller furnace footprint
• Capital and operating cost reduction from elimination of electric boost system
• Fuel reduction per ton with little to no efficiency decay over the life of the furnace
• Reduction of NOx emissions

CGM Hybrid Furnaces
The hybrid design is of specific interest to the float glass industry. As its name implies, a hybrid furnace is a mixed design. The area of the first two or three ports looks like a CGM furnace; there are no air-fuel burners and no regenerators. The firing is provided by CGM burners in the crown. The remainder of the furnace looks like a standard regenerative float furnace, with conventional air-fuel burners, waist and working end. In this furnace, virtually all of the melting is done by the CGM burners, while the air-fuel zone provides refining capacity. This design provides many of the advantages of CGM firing, and it requires only 40-60% as much oxygen as a standard oxy-fuel furnace. Such a design offers float glass makers the following benefits in comparison to standard regenerative design:

• Reduced capital cost from the partial elimination of the regenerator packs
• Reduced batch carryover and reduced airflow demand through remaining regenerators (i.e., potential for furnace life extension)
• Reduced NOx emissions
• Greater capacity in the same furnace footprint

Though specific cases will differ, it is generally possible to use CGM to increase the capacity of an air fuel furnace by at least 25%. On furnaces in good working order, this may be taken as an increase above rated air-fuel capacity to achieve significant revenue increases with limited incremental cost.

Furnaces that have developed pull constraints (e.g., plugged checkers, deteriorating ports or port walls, hot spot refractory deterioration) are particularly attractive candidates for CGM boosting. The enhanced thermal efficiency of the CGM flames and the reduction of air-fuel relieve the strain on regenerator air-flow, extending regenerator life. Reduction of electric boosting also slows the process of sidewall wear. Through these mechanisms, CGM boosting not only recovers or increases the capacity of an air fuel furnace, but can extend the life of its campaign. More importantly, CGM can increase the tonnage (cumulative tons/square foot of melter area) melted over the furnace campaign.

SIDEBAR: Success at Owens Corning

“We replaced the eight existing horizontal burners with two vertical CGM burners and immediately began seeing results,” Baker said. “The furnace was easier to control because of the small number of burners and the sensitivity of the technology, and its faster melting speed enabled us to increase our throughput by 25%. But most importantly, the CGM lowered our emissions and increased our performance capabilities. Our particulate emissions have been reduced by 75%, while our NOx emissions have dropped by 80-90%, and we’re achieving better quality glass with the new system.”

Since the initial installation, Owens Corning has also begun using the CGM technology in four additional facilities, and it plans to install the technology in additional plants in the future. “It’s been a very good collaboration,” Baker said.

RESISTAN®   Floated borosilicate glass for transparent bullet-resistant glazings. [continue]

بکارگیری پودر شیشه متخلخل  Glass Frit در ساخت سنسور گاز

با توجه به اینکه دمای کاری Operating Work یک سنسور گاز معمولاً بین 200 تا 400 درجه سانتیگراد قرار می گیرد و افزون بر آن شرایط محیطی و فعل و انفعالات صورت گرفته در سطح لایه فعال سنسور گاز Active Layer باعث میشود تا این لایه بیشتر در معرض صدمه و جدا شدن از بستر قرار گیرد.

هنگام درست کردن چسب اکسید فلز، موادی را تحت عنوان "اُرگانیک" به پودر اکسید فلز اضافه میکردیم تا در پروسه چاپ، لایه حساس به گاز یا لایه اکتیو به سطح بستر و روی الکترودها کاملاً بچسبد. این مواد سپس در مرحله خشک کردن Drying و فایرینگ Firing کاملاً از بین میرفتند. بنابراین برای استحکام بیشتر لایه اکتیو سنسور نیاز به چسبی داریم که دائمی باشد.

شکل یک - ترکیبات گلس فریت کاربردهای متنوعی برای چسبندگی در صنایع دارند

پودر شیشه متخلخل یا Glass Frit از دیر باز برای چسباندن لایه های مختلف اجسام به یکدیگر استفاده می شده است. این پودر که شامل ترکیباتی نظیر اکسیدهای سرب، سیلیکون، برون، آلومینیوم، ایتریوم، مس، بیسموت و حتی روی است؛ با نسبتهای متفاوت با پودر اکسید فلز لایه اکتیو (بعنوان مثال اکسید قلع یا تنگستن) ترکیب و در مرحله فایرینگ (معمولاً دمای 500 تا 600 درجه سانتیگراد) بصورت چسبی محکم، لایه اکتیو را به بستر می چسباند. بنابراین بکارگیری پودر شیشه برای داشتن چسبندگی قابل قبول از ملزومات سنسورهای گاز است.

اما در کنار این کاربری، مشکلاتی که در نتیجه افزودن پودر شیشه بوجود می آیند شامل تغییر در حساسیت لایه فیلم (بدلیل چسباندن ذرات لایه فعال بهمدیگر و تشکیل لایه ای کامپکت روی بستر)، تغییر در مشخصه رسانایی و افزایش دمای کار قطعه (در نتیجه نیاز به توان بالاتر) و ... می باشند.

از طرفی در مواردی نظیر آشکارسازی گاز NO افزودن ترکیبی شامل اکسید بیسموت بعنوان پودر شیشه متخلخل میتواند به حساسیت بیشتر سنسور منجر شود (این بدلیل خاصیت کاتالیستی بسیموت نسبت به گاز NO است).

 

شکل دو - سطح لایه فعال بدون (راست) و با (چپ) افزودن گلس فریت. پودر شیشه اضافه شده معمولاً کمتر از دو درصد نسبت به پودر اکسید فلز است. در تصویر سمت چپ این میزان به ده درصد افزایش یافته و منجر به کاهش قابل ملاحظه سطح دسترسی بلورهای اکسید فلز در تماس با گاز هدف شده است.

ترکیبات رایج و تقریباً تجاری پودر گِلَس فِریت Glass Frit بصورت زیر ارائه میشوند. خوانندگان محترم باید توجه داشته باشند که نوع و میزان این ترکیبات با توجه به نوع گاز هدف و همچنین ماده لایه فعال ممکن است تغییر کند. لذا در ساخت ترکیب مورد نظر باید نهایت دقت را صورت دهید:

ترکیب اول: اکسید بیسموت (60 تا 85 درصد) اکسید برون (3 تا 10درصد)، اکسید سلیکون (2 تا 15 درصد)، اکسید آلومینیوم (3 تا 7 درصد) و اکسید روی یا اکسید سرب (1 تا 15درصد). یک ترکیب بهینه پودر شیشه برای سنسور SnO2 گازمتان بصورت زیر ارائه شده است:

Bi2O3 (70%), SiO2 8%, ZnO or PbO 10%

B2O3 (7%), Al2O3 5%

ترکیب دوم: شامل اکسید سرب(57.3)، اکسید سلیکون(34.5)، اکسید آلومینیوم و اکسید برون (هر کدام 3.5) و اکسید ایتریوم (1.2).

ترکیب سوم : در این ترکیب از SiO2 به میزان 70%، CaO به میزان 23، اکسید آلومینیوم 3، اکسید منیزیوم 2، نسبت مساوی از دو اکسید Na2O و K2O (سدیم و پتاسیم) به میزان 1.7، و Fe2O3 به میزان 0.3 درصد استفاده شده است.

توجه شود برای آماده سازی ترکیباتی از گلس فریت که شامل اکسیدهای آهن و سدیم هستند گاهی نیاز به کلسینه کردن  Calcination پودر شیشه لازم می نماید.

 

مقدار زیادی از شیشه های مصرف شده دوباره بازیافت می شوند و قسمتی نیز برای مصارف گوناگون از جمله سنگدانه های بتن به کار می روند .مقدار زیادی از این مواد شرط لازم برای بازیافت را فراهم نمی کنند و این مواد برای دفن فرستاده می شوند. فضای مورد استفاده برای دفن قابل توجه است و این فضا می تواند برای مصارف دیگری به کار برده شود. شیشه یک قلیایی غیر پایدار است که در محیط بتن میتواند باعث بوجود آمدن مشکلات ناشی از واکنش قلیایی – سیلیسی (ASR) شود. این ویژگی به عنوان یک مزیت در خرد کردن پودر شیشه و استفاده از آن به عنوان یک ماده پوزولانی در بتن استفاده شده است

ادامه درلینک مطلب در ایران سازه

توسط:امید نصرالهیان

http://www.iransaze.com/content-1772.html.

 

.

The dry mixture of raw materials is heated to 1560°C in a melting furnace. The melting point of glass is even higher then it is for steel.

When the glass is melted, it is poured into the so-called Float. This immense basin is filled with hot, liquid tin having about 1000°C. The liquid glass is pulled carefully over the surface of the tin and disperses uniformly like an oil film on water. This way, the absolutely smooth surface can be achieved.

 

Schematic description of the manufacturing process

 

In the float basin, the liquid tin stands on a level of about 8 cm, this stands for a capacity of 200 tons. With the help of conveyance wheels, the glass is pulled over the tin and gets a uniform thickness and a high planeness. The pulling speed of the conveyance wheels are decisive for the thickness of the final glass.   

 

Schematic description of the float basin

 

Behind the float basin, the glass has passed about 70 meters since the furnace. It has cooled down to 620°C and now forms long sheet of solid glass. This sheet is lead into a cooling furnace and cut into larger pieces immediately afterwards. 
 

It is characteristic for a floatline, that it is permanently running. Only a stable process and a constant, continuous production flow can accentuate the economies of scale to its full extend. After approximately 15 years of non-stop production, a floatline needs to be replaced.

 

The melting furnace

 

 

 

 

 

 

 

 

 Willow Glass

شيشه ويلو مي تواند به نازكي پنج صدم ميليمتر ساخته شود.و اين قابليت براي ساخت شيشه هاي كمتر از دو دهم ميليمتر امكان پذيراست.شيشه ويلو در حقيقت انقلابي است در توليد تلفن هاي هوشمند،تلويزيون ها،تبلت و ديگر وسايل الكترونيكي