Şişe camının erimesi

Cam eritme işlemi oldukça karmaşık bir işlemdir. Parti malzemeleri yüksek sıcaklıklarda bir dizi fiziksel, kimyasal ve fizikokimyasal değişim ve reaksiyona uğrayacaktır. Bu değişim ve reaksiyonların sonuçları, çeşitli hammaddelerin mekanik karışımını karmaşık bir eriyik, yani cam sıvısına dönüştürür.
Cam eritme işlemi sırasında parti malzemelerde meydana gelen değişimlere ve reaksiyonlara göre cam eritme işlemi silikat oluşumu, cam oluşumu, berraklaştırma, homojenizasyon ve soğutma olmak üzere beş aşamaya ayrılabilir.

Yaygın şişe camlarının çoğu silikattan oluşur ve silikatın oluşum reaksiyonu büyük ölçüde katı halde gerçekleştirilir. Bu aşamada, tozun bileşimi bir dizi fiziksel ve kimyasal değişime uğrar. Tozdaki büyük miktarda gaz halindeki madde buharlaşır. Daha sonra silisyum dioksit ve diğer bileşenler etkileşime girmeye başlar. Bu aşamanın sonunda, ana katı hal reaksiyonu sona erer ve toz, silikat ve silisyum oksitten oluşan bir sinter haline gelir. Çoğu cam için, bu aşama temel olarak 800~900 derecede sona erer.

Isıtmaya devam edin, silikat oluşumu aşamasında oluşan sinter erimeye başlar, düşük erimeli karışım önce erimeye başlar ve silikat ve kalan silisyum dioksit birbirini eritir ve dağıtır ve sinter şeffaf bir cam sıvısı haline gelir. Bu işleme cam oluşumu aşaması denir. Bu sırada, tepkimeye girmemiş parti malzemesi yoktur, ancak camda hala çok sayıda kabarcık ve çizgi vardır ve kimyasal bileşim ve özellikler de düzensizdir. Bu aşamada sıradan camın sıcaklığı 1200~1250 derecedir.

Cam oluşum aşamasının sonunda camda hala çok sayıda kabarcık ve çizgi bulunur. Cam sıvısı daha fazla ısıtıldığında, cam sıvısının viskozitesi azalacaktır. Cam sıvısındaki görünür kabarcıkların ortadan kaldırılması işlemi, cam sıvısının berraklaştırılması işlemidir.
Silikat oluşumu ve cam oluşumu aşamalarında, parti malzemelerinin ayrışması, bazı bileşenlerin buharlaşması, oksitlerin redoks reaksiyonu, cam ile gaz ortamı ve refrakter malzemeler arasındaki etkileşim nedeniyle büyük miktarda gaz çökelir. Bu gazların çoğu uzaya kaçar ve kalan gazların çoğu cam sıvısında çözünür. Gazın küçük bir kısmı hala cam sıvısında kabarcıklar şeklinde bulunur. Camda üç ana gaz hali vardır, yani görünür kabarcıklar, çözünmüş gazlar ve cam bileşenleriyle kimyasal bağlar oluşturan gazlar. Son ikisi görünmezdir ve camın görünüm kalitesini etkilemez. Cam sıvısının berraklaştırma işlemi esas olarak görünür kabarcıkların ortadan kaldırılması işlemidir.
Berraklaştırma işlemi sırasında, görünür kabarcıkların yok edilmesi aşağıdaki iki şekilde gerçekleştirilir. 1. Kabarcıkların hacmini artırmak, yükselişini hızlandırmak, cam yüzeyinden dışarı çıkmak, kırılıp kaybolmak. 2. Küçük kabarcıklardaki gaz bileşenlerinin cam sıvısı içinde çözünmesini sağlamak ve kabarcıkların emilerek kaybolmasını sağlamak.
Cam sıvısının berraklaştırılmasını hızlandırmak için, partiye belirli berraklaştırıcılar eklemenin yanı sıra, genellikle cam sıvısının sıcaklığını artırma yöntemi benimsenir. Çoğu camın bu aşaması, genellikle cam eritmedeki en yüksek sıcaklık alanı olan 1400~1500o derecede tamamlanır. Berraklaştırma sırasında cam sıvısının viskozitesi 1~10Pa·s'dir.

Homojenizasyonun rolü, cam sıvısındaki çizgileri ve diğer homojen olmayanlıkları ortadan kaldırmaktır, böylece cam sıvısının her bir parçasının kimyasal bileşimi tekdüze olur. Bu aşamada, cam sıvısının termal hareketi ve karşılıklı difüzyonu nedeniyle, cam sıvısındaki çizgiler kademeli olarak kaybolur ve cam sıvısının her bir parçasının kimyasal bileşimi kademeli olarak tutarlı olma eğilimindedir. Bu tekdüzelik genellikle cam sıvısının her bir parçasının kırılma indisinin aynı olup olmadığı ile karakterize edilir. Çoğu camın bu aşaması, berraklaştırma aşamasının sıcaklığından biraz daha düşük bir sıcaklıkta tamamlanır.

Homojenize edilmiş cam sıvısı, hemen ürüne kalıplanamaz, çünkü bu sırada cam sıvısının sıcaklığı yüksektir ve viskozitesi kalıplama sırasında olduğundan daha düşüktür, bu da cam kalıplama işlemleri için uygun değildir. Soğutulması gerekir ve kalıplama ihtiyaçlarını karşılamak için cam sıvısının viskozitesini artırmak için cam sıvısının sıcaklığı kademeli olarak düşürülür. Cam sıvısı sıcaklık düşüşünün değeri, camın bileşimine ve kalıplama yöntemine göre değişir. Genellikle, soda-kireç camının genellikle 200 ~ 300o dereceye kadar soğutulması gerekir. Soğutulmuş cam sıvısının kalıplamayı kolaylaştırmak için düzgün bir sıcaklığa ihtiyacı vardır.
Soğutma sırasında, berraklaştırılmış cam sıvısı kabarcıkların tekrar çökelmesini önlemelidir. Bu aşamada ortaya çıkan küçük kabarcıklara ikincil kabarcıklar veya rejenerasyon kabarcıkları denir. İkincil kabarcıklar soğutulmuş cam sıvısı boyunca eşit olarak dağılır, genellikle 0.1mm'nin altında bir çapa sahiptir ve sayıları santimetre küp cam başına binlerce olabilir. Cam sıvısının sıcaklığı bu aşamada düşürüldüğü için ikincil kabarcıkları ortadan kaldırmak çok zordur. Bu nedenle, ikincil kabarcıkların oluşumu soğutma işlemi sırasında özellikle önlenmelidir.
Yukarıdaki cam eritme sürecindeki beş aşama birbirinden farklıdır, ancak aynı zamanda birbirleriyle de ilişkilidir. Bu aşamalar aslında kesin bir sırayla gerçekleşmez, ancak genellikle aynı anda gerçekleşir.

Sürekli çalışma tank fırınının uzunluğu boyunca her noktadaki sıcaklık farklıdır, ancak zaman içinde sabittir, bu nedenle kararlı bir sıcaklık sistemi kurmak mümkündür. Eritme işlemi sisteminin doğruluğu yalnızca erimiş camın kalitesini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda erimiş camın çıktısını da belirler. Şekil 2-10, sürekli çalışma tank fırınındaki şişe cam için erime sıcaklığı sistemini göstermektedir.

Yatay alev havuzlu fırın veya yol alev havuzlu fırın olsun, sıcaklık sistemi cam sıvısının pişirme derecesi, cam sıvısının akışı, kalıplama işlemleri, yakıt tüketimi ve fırın yaşı üzerinde etkilidir. Şişe cam için, piyasadaki cam şişeler ve kutular esas olarak renge göre dört kategoriye ayrılır: renksiz, açık mavi, zümrüt yeşili ve kahverengi. Camın rengi değiştiğinde veya cam renginin konsantrasyonu değiştiğinde, ısı transfer formu ve ısı transfer verimliliği üzerinde hayati bir etkiye sahiptir. Eritme işlemi açısından, cam rengindeki değişikliklerin işlem koşulları üzerindeki etkisi, cam bileşimindeki değişikliklerin etkisinden çok daha belirgin ve ciddidir. Fırında farklı renkli camların sıcaklık dağılımında büyük bir fark vardır.

Tablo 2-24'dan görülebileceği gibi, aynı erime sıcaklığında, farklı renklerdeki camların sıvı yüzey sıcaklığı ve havuz tabanı sıcaklığında belirgin farklılıklar vardır. Cam eritme fırınında üç tür ısı transferi vardır: radyasyon, konveksiyon ve iletim. Farklı renklerdeki camlar için, radyasyon ışığını emme yeteneği ne kadar güçlüyse, yani yüksek sıcaklıktaki radyasyon ısısını emme yeteneği ne kadar güçlüyse, cam yüzeyi o kadar fazla ısı emer ve cam gövdesinden radyasyon şeklinde o kadar az ısı aktarılır. Sıvı yüzey sıcaklığı perspektifinden, kahverengi cam en güçlü ısı emme kapasitesine ve en yüksek sıvı yüzey sıcaklığına sahiptir; zümrüt yeşili cam ikinci, açık mavi cam üçüncüdür. Havuz tabanı sıcaklığı perspektifinden, sorun biraz daha karmaşık hale gelir: açık mavi camın radyasyon ışığını emme yeteneği zayıftır ve cam gövdesinden radyasyon şeklinde havuz tabanına daha fazla ısı aktarılır, bu nedenle havuz tabanı sıcaklığı daha yüksektir; Zümrüt yeşili cam, radyasyon ışığını emme konusunda güçlü bir yeteneğe sahiptir ve cam gövdeden havuz tabanına radyasyon şeklinde daha az ısı aktarılır, bu nedenle havuz tabanı sıcaklığı daha düşüktür. Bununla birlikte, kahverengi cam, radyasyon ışığını emme konusunda güçlü bir yeteneğe sahiptir ve havuzun tabanındaki sıcaklık, zümrüt yeşili camdan çok daha yüksektir. Bunun nedeni şu olabilir: havuzdaki cam, birkaç sıvı katmanına bölünmüştür. Kahverengi camın ışık geçirgenliği zayıf olduğundan, sıvı katmanları arasındaki sıcaklık farkı büyüktür ve havuzun derinliği boyunca büyük bir sıcaklık gradyanı olmalıdır. Ancak, kahverengi camın güçlü ısı emme kapasitesi nedeniyle, üstteki cam sıvısı ısıyı emdikten sonra sıcaklık yükselir, hacim genişler ve yatay yönde çevreye doğru bir itme oluşur. Bu itme, havuz duvarı tarafından değiştirilir ve alt sıvı katmanına aktarılarak bir konveksiyon kuvveti oluşturulur. Konvektif ısı transferinin artması, radyasyon ısı transferinin eksikliğini telafi eder, bu nedenle kahverengi cam havuzunun tabanındaki sıcaklık daha yüksektir.
Genel olarak konuşursak, aynı işlem koşulları ve sıcaklık sistemi altında, aynı bileşenlere sahip ancak farklı renklere sahip camlar için, kahverengi cam eritmek daha iyi cam düzgünlüğü ve daha yüksek erime oranı elde edebilir. Bunun nedeni, kahverengi camın güçlü ısı emme kapasitesinin neden olduğu güçlü konveksiyondur. Elbette, kabarcıklama cihazının müdahalesi ısı transfer koşullarını değiştirecektir. Zümrüt yeşili cam eritirken, alt sıcaklığı, cam düzgünlüğünü ve eritme verimliliğini iyileştirmek istiyorsanız, bir kabarcıklama cihazı takmak etkili bir önlemdir. Aynı fırında farklı sıvı renklerini değiştirmek istediğinizde, eritme parçasının, çalışma parçasının ve besleme kanalının işlem elemanları, cam renginin "ısı transfer farkı" nedeniyle oluşan işlem durum değişikliklerine uyum sağlayacak şekilde ayarlanmalıdır.