شیشه

صنعت شیشه یک بخش حیاتی و چند وجهی است که نقشی اساسی در جامعه مدرن ایفا می کند و طیف وسیعی از محصولات ضروری برای کاربردهای مختلف در ساخت و ساز، خودرو، کالاهای مصرفی، فناوری و غیره را تولید می کند. شیشه، ماده ای همه کاره می‌باشد که عمدتاً از شن و ماسه (سیلیکا)، خاکستر سودا و سنگ آهک ساخته می شود و ریشه استفاده از آن به تمدن‌های باستانی باز‌می‌گردد. با گذشت زمان، این صنعت از تولید صنایع دستی در مقیاس کوچک به یک نیروگاه صنعتی جهانی تبدیل شده است که توسط نوآوری در فرآیندهای تولید و علم مواد هدایت می شود. به دلیل فرایندهای ذوب که در صنعت تولید شیشه انجام می‌گیرد، استفاده از جرم‌های نسوز از مهم‌ترین اقداماتی است که به منظور ایجاد آستر و پوشش‌های محافظ در تجهیزات این صنعت صورت می‌گیرد. انتخاب جرم نسوز متناسب با تجهیزات قابل استفاده در صنعت شیشه به دلیل مقاومت جرم‌های نسوز در حرارت به شدت بالا و مقاومت مکانیکی بالا، آن‌ها در ساخت و تولید فرایندهایی که مربوط به صنعت شیشه هستند، مناسب می‌کند

بررسی مواد اولیه در صنعت تولید شیشه

صنعت شیشه بر ترکیب دقیقی از مواد خام برای تولید طیف گسترده ای از محصولات شیشه ای، از ظروف روزمره تا فیبرهای نوری با تکنولوژی بالا، متکی است. مواد تشکیل دهنده اصلی، سیلیس، خاکستر سودا یا کربنات سدیم و سنگ آهک، پایه اصلی اکثر انواع شیشه را تشکیل می دهند، در حالی که سایر مواد مانند آلومینا، بور و رنگ ها برای اصلاح خواص شیشه برای مطابقت با کاربردهای خاص استفاده می شوند. هر یک از این مواد نقش مهمی در تعیین کیفیت، ظاهر و عملکرد محصولات نهایی شیشه ای ایفا می کند و آنها را برای صنعت ضروری می کند. تولید شیشه فرآیند پیچیده ای است که شامل ذوب مواد اولیه مختلف در دماهای بالا برای ایجاد یک ماده همه کاره و پرکاربرد است. در ادامه مطالب، به بررسی دقیق این مواد اولیه و نقش آنها در صنعت شیشه می پردازیم.

• سیلیس (ماسه)

سیلیس، به شکل ماسه کوارتز با خلوص بالا، ماده اولیه اولیه مورد استفاده در شیشه‌سازی است. معمولاً حدود 70 تا 74 درصد از ترکیب شیشه را تشکیل می دهد. سیلیس بسیار مهم است زیرا وقتی در دمای بالا (حدود 1700 درجه سانتیگراد) ذوب می شود، ساختار شبکه شیشه ای را تشکیل می دهد. کیفیت و خلوص ماسه سیلیس بسیار مهم است، زیرا ناخالصی ها می توانند بر شفافیت و استحکام محصول نهایی تأثیر بگذارند. برای اکثر انواع شیشه، ماسه باید حداقل 99.5٪ خالص باشد، با سطوح بسیار کم اکسید آهن، که می تواند باعث ایجاد رنگ ناخواسته در شیشه شود.

•  خاکستر سودا (کربنات سدیم)

خاکستر سودا یا کربنات سدیم (Na2CO3)، دومین ماده خام مهم در تولید شیشه است که حدود 12 تا 15 درصد از ترکیب را تشکیل می دهد. خاکستر سودا به عنوان یک عامل روان کننده عمل می کند و نقطه ذوب سیلیس را از حدود 1700 درجه سانتیگراد به حدود 1000-1300 درجه سانتیگراد کاهش می دهد. این کاهش در دمای ذوب برای بهره وری انرژی در شیشه سازی بسیار مهم است و امکان تولید سریعتر و کاهش مصرف سوخت را فراهم می کند. با این حال، خاکستر سودا شیشه را در آب محلول می کند، بنابراین معمولاً برای تثبیت ساختار با مواد دیگر ترکیب می شود.

•  سنگ آهک (کربنات کلسیم)

سنگ آهک یا کربنات کلسیم (CaCO3)، به طور معمول حدود 10-15٪ از مخلوط شیشه را تشکیل می دهد. برای ایجاد پایداری شیمیایی و دوام محصول نهایی به دسته شیشه اضافه می شود. هنگامی که سنگ آهک گرم می شود، تجزیه می شود و به آهک (اکسید کلسیم) تبدیل می شود که با سیلیس واکنش داده و سیلیکات های کلسیم را تشکیل می دهد و به دوام بیشتر شیشه کمک می کند و کمتر مستعد تخریب شیمیایی یا هوازدگی می شود.

• دولومیت

دولومیت، یک ماده معدنی متشکل از کربنات کلسیم منیزیم (CaMg(CO3)2)، گاهی اوقات در تولید شیشه برای جایگزینی بخشی از سنگ آهک استفاده می شود. دولومیت هم کلسیم و هم منیزیم را به ساختار شیشه ای کمک می کند و منیزیم به بهبود دوام کلی و مقاومت شیمیایی شیشه کمک می کند. به ویژه در ساخت انواع خاصی از ظروف شیشه ای تخت و شیشه ای استفاده می شود.

• آلومینا (اکسید آلومینیوم)

آلومینا (Al2O3) در مقادیر کم (1-3%) به دسته شیشه اضافه می شود تا دوام شیمیایی و استحکام مکانیکی شیشه افزایش یابد. همچنین به بهبود مقاومت شیشه در برابر تغییر شکل در دمای بالا کمک می کند و آن را به یک افزودنی مهم در تولید شیشه برای کاربردهای با دمای بالا، مانند ظروف شیشه ای آزمایشگاهی یا ظروف پخت و پز تبدیل می کند.

•  فلدسپات

فلدسپات، گروهی از مواد معدنی حاوی آلومینیوم، سدیم و پتاسیم است که گاهی در تولید شیشه به‌عنوان منبع آلومینا و مواد روان‌کننده استفاده می‌شود. فلدسپات به کاهش دمای ذوب کمک می کند و همچنین کارایی شیشه را افزایش می دهد و شکل دادن و قالب گیری آن را آسان تر می کند. به ویژه در تولید شیشه های خاص مانند سرامیک و شیشه های لعابی مفید است.

• بور (اکسید بوریک)

اکسید بوریک (B2O3) در تولید شیشه بوروسیلیکات استفاده می شود که به دلیل انبساط حرارتی کم و مقاومت بالا در برابر شوک حرارتی شناخته شده است. این نوع شیشه در ظروف آزمایشگاهی، ظروف پخت و پز (مانند پیرکس) و برخی کاربردهای نوری کاربرد فراوانی دارد. بور دمای ذوب شیشه را کاهش می دهد و به دوام شیمیایی آن می افزاید و باعث می شود کمتر در معرض خوردگی اسید و آب باشد.

• کولت (شیشه بازیافتی)

کولت یا شیشه بازیافتی، یک ماده خام به طور فزاینده ای مهم در صنعت شیشه است. استفاده از کولت در دسته شیشه به کاهش انرژی مورد نیاز برای ذوب مواد کمک می کند، زیرا کولت در دمای پایین تری نسبت به مواد خام ذوب می شود. علاوه بر این، ترکیب شیشه بازیافتی باعث کاهش مصرف مواد خام و اثرات زیست محیطی کلی تولید شیشه می شود. بسته به نوع شیشه و الزامات کیفیت، کولت می تواند تا 50 درصد از مخلوط مواد خام را تشکیل دهد.

•  رنگ و دکلورانت

برای تولید شیشه های رنگی، اکسیدهای فلزی مختلفی به دسته شیشه اضافه می شود. به عنوان مثال، اکسید آهن به شیشه رنگ سبز می دهد، اکسید کبالت شیشه آبی تولید می کند و اکسید کروم باعث ایجاد شیشه سبز زمردی می شود. در مقابل، دکلره‌کننده‌هایی مانند سلنیوم، دی‌اکسید منگنز یا اکسید سریم برای خنثی کردن رنگ‌های ناخواسته، که معمولاً در اثر ناخالصی‌ها ایجاد می‌شوند، برای تولید شیشه‌های شفاف یا بی‌رنگ استفاده می‌شوند.

تجهیزات تخصصی در صنعت شیشه

صنعت شیشه برای تولید انواع محصولات شیشه ای به چندین قطعه کلیدی از تجهیزات متکی است. کوره های ذوب در این فرآیند، جایی که مواد خام مانند سیلیس، خاکستر سودا و سنگ آهک در دمای بالا ذوب می شوند و شیشه مذاب را تشکیل می دهند، از تجهیزات مرکزی هستند. انواع مختلفی از کوره های ذوب شامل کوره های پیوسته و ناپیوسته وجود دارد که بسته به مقیاس تولید و نوع شیشه خاص ساخته شده است.

کوره های ذوب

کوره های ذوب در صنعت شیشه نقش گسترده‌ای در تولیدات شیشه ایفا می‌کنند، زیرا در آنجا مواد خام – سیلیس، خاکستر سودا و سنگ آهک – برای تشکیل شیشه مذاب گرم می شوند. این کوره ها که در دماهای بسیار بالا، معمولاً در حدود 1700 درجه سانتیگراد کار می کنند، مواد خام را به یک مایع همگن ذوب می کنند. بسته به مقیاس تولید و نوع شیشه از انواع کوره ها مانند کوره پیوسته یا ناپیوسته استفاده می شود. کوره های پیوسته برای عملیات در مقیاس بزرگ ایده آل هستند و جریان ثابتی از شیشه مذاب را ارائه می دهند، در حالی که کوره های دسته ای برای تولیدات کوچکتر و تخصصی تر استفاده می شوند.

پیش‌کوره

پیش‌کوره‌ها نقش حیاتی در کنترل دمای شیشه مذاب قبل از رسیدن به ماشین‌های شکل‌دهنده دارند. پس از ذوب شدن شیشه در کوره، به داخل پیشانی جریان می‌یابد، جایی که دمای آن به دقت تنظیم می‌شود تا ویسکوزیته مناسب برای شکل‌دهی به دست آید. این کنترل دما ضروری است زیرا تضمین می کند که شیشه می تواند به طور دقیق و پیوسته در محصولات مورد نظر شکل بگیرد. پیشانی برای حفظ کیفیت و یکنواختی شیشه در طول فرآیند تولید بسیار مهم است.

ماشین های شکل دهی

از ماشین های شکل دهی برای شکل دادن شیشه مذاب به محصولات نهایی مختلف استفاده می شود. انواع مختلفی از ماشین های فرم دهی بسته به محصولی که ساخته می شود استفاده می شود. به عنوان مثال، ماشین‌های قالب‌گیری دمشی برای ایجاد اقلام توخالی مانند بطری‌ها و شیشه‌ها استفاده می‌شوند، در حالی که دستگاه‌های شیشه فلوت با شناور کردن شیشه مذاب روی قلع مذاب، ورق‌های شیشه‌ای مسطح تولید می‌کنند. دستگاه های پرس برای اقلام ضخیم تر مانند ظروف غذاخوری استفاده می شود. این ماشین‌ها در قلب فرآیند تولید قرار دارند و شیشه مذاب را به شکل نهایی خود تبدیل می‌کنند، خواه ظروف، پنجره یا وسایل تزئینی باشد.

 لرهای بازپخت

لرهای آنیلینگ یا لرهای بازپخت، کوره های تخصصی هستند که برای خنک کردن تدریجی شیشه پس از شکل گیری آن استفاده می شوند. فرآیند بازپخت ضروری است زیرا تنش های داخلی را که در هنگام شکل دهی در شیشه ایجاد می شود، از بین می برد. اگر این تنش ها به درستی مدیریت نشوند، شیشه می تواند ترک بخورد یا دچار اعوجاج شود. در لهر، شیشه به آرامی تا دمای اتاق خنک می‌شود و به آن اجازه می‌دهد تثبیت شود. این مرحله برای اطمینان از استحکام و طول عمر محصولات نهایی شیشه ای، به ویژه در مواردی که نیاز به مقاومت در برابر تنش های مکانیکی یا حرارتی دارند، بسیار مهم است.

تجهیزات برش و اندازه

تجهیزات برش و اندازه برای برش شیشه به اشکال و اندازه های خاص پس از شکل گیری و بازپخت استفاده می شود. ابزارهایی مانند میزهای برش اتوماتیک شیشه، برش های آب جت و اره های الماسی برش های دقیقی را برای طیف وسیعی از کاربردها ارائه می کنند. میزهای برش خودکار معمولاً برای برش دادن ورق های بزرگ شیشه تخت به قطعات کوچکتر استفاده می شوند، در حالی که برش های جت آب امکان برش طرح ها و اشکال پیچیده را با دقت بالا فراهم می کنند. اره های الماسی معمولاً برای برش مواد شیشه ای ضخیم تر یا سخت تر استفاده می شود. این تجهیزات تضمین می کند که محصولات شیشه ای مشخصات دقیق مورد نیاز برای استفاده مورد نظر خود را برآورده می کنند.

کوره های معتدل

کوره های حرارت دهی برای تقویت شیشه با حرارت دادن به دمای بالا و سپس سرد کردن سریع آن به صورت کنترل شده استفاده می شود. این فرآیند که به عنوان تمپر شناخته می شود، استحکام شیشه را به میزان قابل توجهی در مقایسه با شیشه معمولی و شیشه هایی که به تدریج خنک شده‌اند، افزایش می دهد. شیشه سکوریت بسیار ایمن تر است، زیرا در صورت شکستن، به جای تکه های تیز و خطرناک، به قطعات کوچک و کند تبدیل می شود.

انواع جرم‌های نسوز استفاده شده در صنعت شیشه

نسوزهای سیلیسی: آجرهای سیلیسی معمولاً در کوره های شیشه به ویژه در تاج کوره که حرارت به شدت بالاست، استفاده می‌شوند. دیرگدازهای سیلیسی به دلیل نقطه ذوب بالا و مقاومت در برابر اثرات خورنده شیشه مذاب انتخاب می شوند.

مواد نسوز آلومینا: آجرهای آلومینا بالا اغلب در مناطقی از کوره استفاده می شوند که به استحکام مکانیکی و مقاومت بالاتر در برابر حملات شیمیایی نیاز دارند. این دیرگدازها به ویژه در مناطقی با تنش بیشتر و جایی که ترکیبات شیشه ای دارای خاصیت اسیدی بالاتری هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دیرگدازهای زیرکونیایی: نسوزهای زیرکونیایی در مناطقی که مستقیماً با شیشه مذاب در تماس هستند، مانند کف مخزن یا پیشانی ها استفاده می شود. آنها مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی و پایداری حرارتی ارائه می دهند و آنها را برای استفاده با ترکیبات شیشه ای تهاجمی، مانند آنهایی که در تولید شیشه های نوری استفاده می شود، ایده آل می کند.

مواد نسوز منیزیا: آجرهای منیزیا که اغلب با مواد دیگری مانند آلومینا ترکیب می‌شوند، به دلیل مقاومت در برابر سرباره‌های اساسی و توانایی آن‌ها در تحمل دماهای بالا استفاده می‌شوند. آنها معمولاً در مناطقی از کوره که در معرض سطوح بالای حملات شیمیایی هستند استفاده می شوند.

دیرگدازهای بدون سیمان: این‌گونه از مواد، نسوزهای پیشرفته ای هستند که استفاده از سیمان را حذف کرده و احتمال آلودگی در تولید شیشه را کاهش می دهند. این مواد دارای خلوص بالا و مقاومت در برابر حملات شیمیایی هستند.

جرم‌های نسوز در بخش‌های مختلف تجهیزات صنعت شیشه