حمام قلع در شیشه فلوت – بخش پنجم: اتمسفر حمام قلع

اتمسفر حمام قلع

قبل از شرح شرایط و ویژگی­های اتمسفر حمام قلع، به بیان توضیحاتی در رابطه با علت استفاده از فلز قلع در حمام می­پردازیم. در میان عناصری که قابلیت استفاده در حمام را دارند، قلع به دلیل مزایای زیر انتخاب شده است.

1- در صورت آب­بندی مناسب حمام و فقدان اکسیژن، قلع واکنش شیمیایی با شیشه ذوب شده نخواهد داد.

2- دانسیته قلع برابر با 3/7 و دانسیته شیشه 47/2 می­باشد، بنابراین در نتیجه این اختلاف دانسیته، ریبون شیشه بر روی سطح قلع شناور خواهد بود.

3- نقطه ذوب قلعC˚247 می­باشد که از حداقل دمای حمام که حدوداً C˚600 است، کمتر بوده و در نتیجه در صورت عدم بروز مشکل، قلع همواره در حمام در حالت مذاب می­باشد.

4- قلع نسبت به سایر گزینه­های قابل استفاده در حمام، فراران­تر بوده و قیمت مناسب­تری دارد.   

در کنار مزایای فوق­الذکر، قلع دارای معایبی نیز می­باشد، از جمله این­که به راحتی به وسیله اکسیژن، گوگرد و سدیم آلوده می­شود. این آلودگی­ها باعث بروز عیب در سطوح شیشه خواهد شد.

برای محافظت از ریبون شیشه در برابر آلودگی­ها بایستی اتمسفر حمام را با استفاده از گازهای محافظ نیتروژن و اکسیژن پر کرد.

نقش اتمسفر هیدروژن و نیتروژن در حمام عبارت است از:

1- ایجاد فشار مثبت در حمام

2- تمیز نگه داشتن قلع

3- حذف ناخالصی­ها از حمام

4- خنک نگه­داشتن باسپارهای سقف

مقدار مصرف نیتروژن در حمام در شرایط مختلف متفاوت است.

حداقل مصرف نیتروژن، در شرایطی که حمام پر شده و خروجی آن آب­بندی شده است، برابراست با 1354W ، که W برابر با عرض قلع خروجی بر حسب واحد متر می­باشد. حداقل نیتروژن مورد نیاز عملیاتی، در شرایطی که شیشه تولید می­شود اما کیفیت آن پایین است، برابر است با 135W + 15B ، که B برابر است با تعداد Bay های حمام. لازم به یادآوری است که هر Bay برابر با 3 متر از طول حمام می­باشد. نیتروژن مورد نیاز در کارکرد نرمال و طبیعی حمام برابر است با 135W + 30B، و ماکزیمم نیتروژن عملیاتی مورد نیاز نیز برابر است با، 135W + 45B.  مقدار مصرف هیدروژن بسیار کمتر از نیتروژن بوده و در بدترین شرایط به 10% می­رسد. در شرایط نرمال مقدار هیدروژن مصرفی حدوداً 6 درصد می­باشد و هنگامی که حمام برای کارهای روتین باز می­شود، یا زمانی که ضخامت ریبون شیشه را برای تغییر نوع محصول تولیدی تغییر می­دهیم، سطح هیدروژن به 8% خواهد رسید.

در زمان وقوع شرایط اضطراری و یا زمانی که حمام شکسته می­شود، سطح هیدروژن به بالاترین حد خود یعنی 10% خواهد رسید. توجه به این نکته ضروری است که پس از رفع مشکلات پیش آمده، هیدروژن بایستی به مدت دو روز در این سطح باقی بماند. با توجه به وجود شرایط مختلف در قسمت­های مختلف حمام، گاز محافظ استفاده شده برای قسمت­های مختلف نیز دارای ترکیب اختلاط تاحدی متفاوت می­باشد. به عنوان مثال در قسمت صفر حمام (Section 0) که شامل 3Bay ابتدای حمام است، استفاده از هیدروژن در این قسمت سبب بروز مشکلات می­گردد. هیدروژن در قسمت توییل مجدداً به نقطه جوش رسیده و سبب بوجود آمدن حباب­های سطح فوقانی می­گردد، و با اتمسفر ترکیب شده و تشکیل اکسید می­دهد. بهتر است تا از نیتروژن خالص در قسمت ورودی استفاده شود.

از آنجایی که ریشه 90% مشکلات و عیوب در کنترل بد شیمی حمام قلع می­باشد، کنترل اتمسفر حمام و جلوگیری از بروز آلودگی­ها از اهمیت خاصی برخوردار است. به طور کلی آلودگی­هایی که ممکن است وارد حمام شده و قلع را آلوده کند و همچنین منابع ورود آن­ها عبارتند از­:

– اکسیژن (O₂)، که از طریق مذاب ورودی، از طریق درزبندی نامناسب و همچنین همراه با گازهای محافظ N₂ و H₂ وارد حمام می­شود.

– سولفور (S)، از طریق خود مذاب شیشه وارد می­شود.

– سدیم (Na)، از طریق خود شیشه وارد می­شود.

قلع می­تواند با این عناصر واکنش داده و باعث بروز آلودگی در حمام شود.

آلودگی ناشی از اکسیژن

اکسیژن موجود در حمام می­تواند به راحتی با قلع واکنش داده و تشکیل اکسید قلع دهد. اکسید قلع فرار بوده و می­تواند بر روی سقف حمام بنشیند و در صورتی که مقدار آن زیاد باشد، و با توجه به این نکته که دمای سقف و تجهیزات آن کمتر می­باشد، به مایع تبدیل شده و بر روی سطح شیشه چکه می­کند و باعث بروز عیب بر روی سطح فوقانی شیشه می­شود. دمای میعان اکسید قلع، 820 درجه سانتیگراد می­باشد.

همچنین O₂ قابلیت حل شدن در قلع مذاب را دارد. محدوده اشباع شدن قلع از اکسیژن در دماهای مختلف، متفاوت می­باشد. در ابتدای حمام و در دمای حدوداً 1000 درجه سانتیگراد، درجه اشباع شدن قلع از اکسیژن ppm 600 می­باشد در حالی که در انتهای حمام و در دمای 600 درجه سانتیگراد درجه اشباع شدن قلع از اکسیژن ppm 60 می­باشد. بنابراین قلع اشباع شده از اکسیژن از ناحیه گرم به سمت ناحیه سرد حرکت می­کند. همان­ طور که قبلاً نیز توضیح داده شد در قسمت انتهای حمام درجه اشباع شدن قلع ppm6 است، در صورتی که ppm 600 اکسیژن همراه با قلع به سمت انتهای حمام آمده است، در نتیجه O₂ به صورت اکسید قلع و به شکل پولک آزاد می­شود. این پولک های اکسید قلع به شیشه نمی­چسبد و روی سطح قلع شناور باقی می­ماند، اما در صورتی که مقدار آن زیاد باشد همراه با ریبون شیشه از حمام خارج شده و بر روی رلرهای بیرون کشنده ریبون از حمام می­چسبد. انباشته شدن آن­ها بر روی رلرها باعث می­شود که به سطح زیرین شیشه نیز بچسبند و باعث بروز عیب در سطح زیرین شیشه شوند.

برای جلوگیری از بروز این مشکلات می­توان راهکارهای زیر را پیشنهاد کرد.

1- تا حد ممکن از ورود اکسیژن به اتمسفر حمام جلوگیری کنیم.

2- برای جلوگیری از تشکیل اکسید قلع، باید از گاز هیدروژن در اتمسفر حمام قلع استفاده کنیم. در صورت وجود گاز هیدروژن، O₂ با H₂ واکنش داده و آب تشکیل می­شود. لازم به ذکر است که مقدار آب تشکیل شده نیز ، نباید زیاد از حد باشد، چرا که قلع می­تواند با آب تشکیل شده در حمام واکنش دهد و دوباره اکسید قلع و H₂ تشکیل دهد.

3- شرایط عملیاتی و محتوای اکسیژن حل شده در قلع را طوری نگه داریم که ماکزیمم O₂ موجود در قلع مذاب در ناحیه گرم از ppm6 تجاوز نکند.

در صورتی که امکان استفاده از دستگاه­های سنجش O₂ آنلاین در دو بخش حمام، یکی ناحیه عریض و دیگری در ناحیه باریک، وجود داشت، می­توانستیم در هر بخش H₂ را متناسب با O₂ وارد کنیم و از عیوب ناشی از وجود اکسیژن زیاد در حمام جلوگیری کنیم. همچنین با اندازه­گیری نقطه شبنم، می­توان متوجه حضور O₂ در حمام شد، به این صورت که، اگر نقطه شبنم بالا باشد احتمالاً O₂ در حمام زیاد است و در نتیجه مقدار H₂O نیز زیاد خواهد بود.

عیوبی که در نتیجه حضور اکسیژن بوجود می­آیند عبارتند از­:

1- ذرات قسمت گرم (Hot End Dost)

به شکل حباب­های دایره­ای و به قطر 0.01 میلیمتر هستند و در زیر میکروسکوپ به شکل نقاط نورانی سر سوزنی شکل، در آزمایش نوری لبه نشان داده می­شوند. این حباب­ها حاوی اکسید قلع هستند و زمانی بوجود می­آیند که آلودگی داخلی و شدید اکسیژنی در قسمت گرم حمام وجود داشته باشد.

لکه­‌های حباب (Bubble Speck)

شامل ذرات خیلی ریز یا حباب­های خیلی ریز باز شده هستند، که کروی شکل بوده و وابسته به دمای شیشه­ای هستند که از آن شکل گرفته­اند. معمولاً به علت وجود اکسیژن زیاد داخلی در میانه حمام تشکیل می­شوند.

نقاط یا لکه­‌های قسمت سرد (Cold End Speck Or Dross)

این معایب به شکل نقاط، لکه و به شکل خطوط و یا کثیفی بر روی نمونه­های نقره­کاری شده و یا تحت تست نور آشکار می­شوند. در صورت شدت عیب، در قاب هم قابل رؤیت می­باشد. این معایب به علت وجود ذرات قلعی است، که به وسیله اکسید به سطح زیرین شیشه و در زمان خروج آن از حمام به سطح زیرین شیشه چسبیده­اند.

انباشت قلع (Tin Pick Up)

در نواحی متالیکی، قلع که به سطح زیرین چسبیده، به شکل نقاط، خطوط و یا نوارهایی دیده می­شود. آنالیزها حاکی از این است که معمولاً لایه میانی وجود دارد، که از اکسید قلع تشکیل گردیده و بین شیشه و قلع قرار می­گیرد. مکانیزم تشکیل این عیب کاملاً درک نشده است، لیکن به نظر می­رسد که اثر کشش سطحی در هنگام خروج ریبون توسط رلرهای بیرون کشنده، شرایطی را فراهم می­کند که قلع متالیک به سطح زیرین شیشه بچسبد. دمای بالای خروجی و هم­مرکز نبودن رلرهای بیرون کشنده، می­تواند باعث بروز این عیب شود.  

همان­طور که قبلاً نیز گفته شد، برای حذف اکسیژن موجود در اتمسفر حمام قلع از گاز هیدروژن استفاده می­شود. اما باید توجه داشت که مقدار گاز هیدروژن نیز باید در محدوده مورد نظر باشد و تراکم زیاد هیدروژن نیز می­تواند با بروز عیب در ریبون شیشه در ارتباط باشد.

– هیدروژن، سولفید و اکسید قلع را که باعث بروز عیوب ناشی از قلع در سطح فوقانی می­شوند، را کاهش می­دهد.

– فراریت سدیم را از سطح فوقانی نوار شیشه افزایش می­دهد. تبخیر سدیم می­تواند به شکل غیر یکسان از روی سطح انجام شود و در نتیجه تغییر شکل در نوار شیشه را افزایش دهد. بخارات بدست آمده می­توانند بر روی سطح تجهیزات و استراکچرهای سقف و در ناحیه خنک­تر حمام میعان یابند.

– هیدروژن می­تواند در قلع مذاب حل شده، و حلالیتش با دما کاهش یابد. تحت شرایط معمولی، هیدروژن موجود در قلع با هیدروژن موجود در اتمسفر در توازن خواهد بود، اما سردسازی سریع قلع می­تواند سبب خروج هیدروژن از محلول و تشکیل حباب­هایی در سطح زیرین نوار گردد.

– هیدروژن در تمسفر حمام می­تواند دوباره به توییل و کانالی که سبب جوش آمدن و تشکیل حباب در سطح فوقانی نوار شود، نشت کند.

آلودگی ناشی از گوگرد

تنها منبع گوگرد نوار شیشه است. سولفات جزء ضروری بچ است که عمدتاً کنترلی روی آن در زمان ورود به حمام اعمال نمی­شود. گوگرد می­تواند با قلع واکنش داده و تشکیل سولفور قلع بدهد. همچنین ترکیبات گوگرددار موجود در شیشه می­توانند با هیدروژن واکنش داده و تشکیل سولفید هیدروژن دهند. در دمای بخش گرم حمام، سولفات از سطح زیرین شیشه به قلع انتقال می­یابد و تشکیل سولفات قلع می­دهد. سولفید قلع در قلع مذاب حلالیت زیادی دارد و حتی بیشتر از اکسید قلع حل می­شود. همچنین سولفور قلع در دمای بالا خیلی فرار است و در اتمسفر حمام قرار می­گیرد. معمولاً بیشتر مواد تبخیری قلع در انتهای Bay3 تشکیل می­شود. . لازم به ذکر است که، دمای میعان سولفید قلع، 575 درجه سانتیگراد می­باشد، بنابراین بخارات شکل گرفته در حمام قلع، که بخش اعظم آن را سولفید قلع تشکیل می­دهد، در اثر برخورد با سقف و تجهیزات خنک کننده در ناحیه انتهایی حمام، میعان یافته و بر روی تجهیزات نشست می­کنند.

بخارات میعان یافته بر روی تجهیزات، به خاطر حرکت کردن فیزیکی، چکه کردن و یا زمانی که سولفید قلع به وسیله هیدروژن (مطابق با واکنش زیر) تجزیه می­شود، بر روی ریبون چکه می­کنند و باعث بروز عیب بر روی سطح فوقانی شیشه می­شوند.

SnS + H₂                Sn + H₂S

برای جلوگیری از بروز عیب در شیشه که ناشی چکه کردن مواد از سقف حمام است می­توان راهکارهای زیر را پیشنهاد کرد.

1-  با خارج کردن تجهیزات خنک کننده، هنگام تغییر تولید، قبل از چکه کردن میعانات شکل گرفته بر روی شیشه، نسبت به تمیز کردن آن­ها اقدام نمود.

2- با ایزوله کردن بالای کولرها، سقف را گرم­تر نگه داشت و در نتیجه از میعان بخارات بر روی آن­ها جلوگیری کرده و سقف را تمیزتر نگه داشت.

3- سقف حمام را با جریان فشار بالای نیتروژن تمیز کرد.

4- گاز کلر را می­توان برای زمان کمی، حدوداً 20 دقیقه، و با شدت 150 لیتر بر ساعت وارد حمام کرد. Cl₂ با H₂ سریع واکنش داده و تشکیل کلرور هیدروژن می­دهد و سولفور قلع که بر روی تجهیزات نشسته، تشکیل کلرور قلع می­دهد که فرار می­باشد. HCl روی کشش سطحی فلز قلع، تأثیر می­گذارد و باعث جدا شدن تمام رسوبات از روی تجهیزات شده و در نتیجه رسوبات بر روی سطح ریبون شیشه می­ریزند.

5- می­توان دریچه‌­های تخلیه در نظر گرفت که با خارج کردن بخارات تشکیل شده در ناحیه گرم از بروز مشکلات بعدی جلوگیری کنیم.

بسته به جایی که رسوبات بر روی نوار شیشه بریزند، عیب­هایی در قسمت فوقانی و به شکل لکه و یا قطره پدیدار می­شود.

کثیفی­های سطح رویی شیشه (Top Dirt)

تمام عیوب ناشی از آلودگی­های قلع با کمک گوگرد و اکسیژن بر روی سطح بالایی شیشه اثر می­گذارد. سولفید قلع و اکسید قلع می­توانند در اتمسفر حمام تبخیر شده و در نهایت در بخش­های خنک­تر حمام مانند، کولرها، دریچه­ها، غلطک­های بالا، فنس­ها و سقف حمام متراکم می­گردند. این عیوب زمانی که مواد متراکم روی نوار می­ریزند رخ می­دهد.

لکه­های فوقانی (Top Speck)

در زیر میکروسکوپ این عیوب به شکل هسته اصلی قلع و همراه با هاله در  اطراف آن دیده می­شوند. درجه نفوذ به سطح فوقانی و شدت واکنش هاله­ای، حکایت از دمای شیشه و جایی که ذرات بر روی نوار ریخته­اند، دارد.

چکه­های فرورفته (Crater Drips)

در زیر میکروسکوپ این عیوب به شکل هسته اصلی قلع و بدون واکنش هاله، دیده می­شوند. منبع این عیوب در مکانی خنک­تر از عیب قبلی است و ذرات قلع به طور عمده بزرگتر هستند و سبب می­شوند که عیوب به سهولت بر روی سطح قالب دیده شوند.

قله قلع (Top Tin)

 این عیب در زیر میکروسکوپ به شکل ذرات عنصری قلع بوده و واقعاً بدون هیچ نفوذی به سطح بالا، و بدون هیچ واکنش هاله­ای می­باشد. منشأ این عیب خنک­تر از منشأ لکه­های روی سطح فوقانی (Top Speck)است. قلع کمی به سطح چسبیده و با تمیز کردن و با دست لمس کردن می­تواند جدا شود، بدون این­که هیچ اثری از آن باقی بماند.

بخارات اکسید قلع نیز می­تواند سبب بروز این عیوب شوند.

قلع (Cassiterite)

اگر آب­بندی اطراف توییل ضعیف باشد، اتمسفر از مخزن حمام به قسمت صفر نفوذ می­کند. همان­طور که با فشار دور از توییل خارج می­شود، هم سولفور و هم اکسید قلع به قلع (Cassiterite) اکسید می­شوند.

آلودگی ناشی از سدیم

سدیم موجود در مذاب می­تواند در قسمت hot end از مذاب جدا شود، و با O₂ در حمام واکنش داده و Na₂O بوجود می­آید. تشکیل Na₂O برای خود شیشه مشکل­ساز نیست ولی به نسوزهای کف حمام حمله کرده و باعث تخریب آن­ها و شناور شدن ذرات نسوز روی قلع می­شود. وجود اکسیژن در قلع برای انتقال سودا ضروری است تا بر نرخ و میزان انتقال تأثیرگذار باشد. سطح سدیم ورودی به حمام، تثبیت شده با ترکیب شیشه می­باشد. در نتیجه کنترل کردن مقدار سدیم قلع میسر نمی­باشد. با این وجود اطمینان حاصل نمودن از ترکیب بلوک­های نسوز، که تأثیرات جذب کربنات سدیم را کاهش دهد، امکان­پذیر می­باشد.

تبخیر سدیم از سطح فوقانی ریبون رخ می­دهد و سبب می­گردد که سطح فوقانی از سدیم عاری گردد. این روند به وسیله هیدروژن اعمال می­شود.

تهویه

در برخی از طراحی­های حمام قلع، برای برطرف کردن اتمسفر مملو از بخارات و همچنین قبل از پیشرفت به داخل فضای حمام و میعان یافتن بر روی سطح تجهیزات، از تهویه استفاده می­کنند. دومین مزیت تهویه، حذف آلودگی اکسیژن از بخش گرم (Hot End) می­باشد. به دلیل شکل­گیری 80% درصد بخارات در 3 bay ابتدای حمام، محل قرار گرفتن تهویه­ها بایستی در ابتدای حمام در نظر گرفته شود. تهویه با کاهش فشار حمام همراه خواهد بود، بنابراین برای جلوگیری از بروز این مشکل باید میزان نیتروژن ورودی به حمام را افزایش دهیم. البته، در صورتی­که تهویه به درستی انجام شود، میزان نیتروژن ورودی باید در حداقل مقدار ممکن باشد. همچنین در صورت داشتن تهویه، به دلیل حذف آلودگی ناشی از اکسیژن، مقدار هیدروژن مصرفی نیز کاهش می­یابد.

درصد استفاده از گاز محافظ در قسمت­های مختلف حمام با یکدیگر متفاوت خواهد بود و همچنین استفاده از تهویه نیز در این زمینه تأثیرگذار خواهد بود. در صورت عدم استفاده از تهویه درصد استفاده از گاز محافظ در بخش­های مختلف حمام به صورت شکل زیر خواهد بود. در صورتی که از تهویه استفاده کنیم، توزیع گاز محافظ به صورت زیر خواهد بود.

فشار حمام

نکته کلیدی برای کاربرد موفقیت­آمیز تهویه، کنترل شرایط تهویه با پارامترهای کلیدی فشار حمام و جریان نیتروژن می­باشد. قبل از بکار بردن تهویه، باید آب­بندی حمام و استفاده از اتمسفر، بهینه گردد. این بهینه سازی ممکن است روز­ها، هفته­ها و یا ماه­ها به طول انجامد.

فشار حمام باید به اندازه­ای باشد که برای ارزیابی کیفیت آب­بندی، استفاده شود.

– در صورتی که فشار کمتر از 1/0 میلی­بار (10 پاسکال) باشد، غیر قابل قبول است.

– فشار در محدوده 1/0 تا 18/0 میلی­بار (10 تا 18 پاسکال) ضعیف می­باشد.

– فشار در محدوده 18/0 تا 25/0 میلی­بار (18 تا 25 پاسکال) مناسب است. (محدوده آن با استفاده از تهویه کنترل می­شود.)

– فشار بالاتر از 25/0 میلی­بار (25 پاسکال) مناسب بوده و در صورت وجود تهویه مقدار N₂ کاهش می­یابد.

با توجه به نکات گفته شده، هدف دسترسی به مقدار جریانی از نیتروژن است که فشار حمام را در 20 پاسکال حفظ کند.

ابتدا از مقدار تئوریکی نیتروژن برای دسترسی به فشار 22 پاسکال استفاده می­شود. اگر مقدار جریان مورد نیاز برای حفظ فشار از مقدار تئوریکی محاسبه شده بیشتر شود، آب­بندی حمام کافی و مناسب نبوده و باید عیوب آب­بندی برطرف شود.

زمانی که فشار حمام در 22 پاسکال است و توسط جریان نیتروژن این مقدار فشار حفظ می­شود، آب­بندی مناسب بوده و می­توان جریان گاز را برای حفظ فشار حمام در 20 پاسکال، کاهش داد.