بلوک‌های کف حمام قلع: چالش‌ها و راه حل‌های جدید

در حال حاضر، بیش از 95 درصد از شیشه تخت جهان با استفاده از فرآیند شیشه فلوت که در اوایل دهه 1960 معرفی شد، تولید می شود، جایی که شیشه مذاب در یک حمام قلع مذاب در یک اتمسفر کنترل شده ریخته می‌شود. این فرآیند جایگزین تولید با ماشین کشش یا حتی دمیدن شد زیرا تولید شیشه با کیفیت آینه‌ای را بدون هیچ گونه سنگ زنی و پرداخت تضمین می‌کند.
با توجه به کاربرد شیشه فلوت در صنعت ساختمان و خودروسازی، الزامات کیفی برای شیشه بسیار بالاست. حتی کوچکترین عیوب شیشه‌ای دید را مخدوش می‌کند و قابل تحمل نیست. تمام منابع بالقوه عیوب شیشه از جمله حمام قلع که یکی از بخش‌های کلیدی در کارخانه شیشه فلوت است، به دقت بررسی شده است. از آنجایی که هرگونه خوردگی مواد نسوز نصب شده در حمام قلع منبع بالقوه ای برای عیوب شیشه است، این امر باید به حداقل برسد.

در این نوشته تاریخچه بلوک‌های کف حمام قلع و انواع خوردگی مشاهده شده در سال‌های پس از شروع فرآیند شیشه شناور را شرح می‌دهد. بر اساس این تاریخچه، یک دیرگداز ایده‌آل جدید با تضمین حداقل خوردگی و تعامل با محیط های مختلفی مانند اتمسفر حمام قلع، قلع مایع و شیشه مذاب ساخته و ارائه شده است.

توسعه مواد نسوز برای کف حمام قلع

در کف حمام قلع آجرهای نسوز بزرگی نصب می شود که به آن بلوک می‌گویند. سطح استاندارد بلوک معمولاً 605×960 میلی متر مربع است و ارتفاع آن بین 305 تا 152 میلی‌متر متغیر است. بلوک استاندارد دارای چهار سوراخ است که از طریق آنها به بدنه پیچ می‌شوند. یک چیدمان معمولی بلوک کف حمام قلع در شکل 1 نشان داده شده است. اما با توجه به ترکیبات شیمیایی و کانی‌شناسی متفاوت بلوک‌های نسوز، مشکلاتی که در بخش‌های زیر به تفصیل شرح داده شده است، مشاهده شده است.

بلوک های غنی از فاز شیشه ای با 25% تا 30% آلومینا (دهه 1950)

خاک نسوز غنی از فاز شیشه‌ای با 25% (وزنی) تا 30% آلومینا برای مدت کوتاهی نصب شد. با این حال، همانطور که مشاهده شد، Na2O از شیشه از طریق قلع مذاب به سطح بلوک نسوز منتقل شد. به دلیل آلومینا کم و محتوای سیلیس بالا در مواد دیرگداز، فلدسپات ها (به عنوان مثال آلبیت (Na20Al2036 SiO2)) و سیلیکات های سدیم تشکیل شدند. برخی از این مواد معدنی تازه تشکیل شده در دمای زیر 800 درجه سانتیگراد ذوب می شوند و در نتیجه قطرات فاز شیشه ای روی سطح ایجاد می شود. به دلیل چگالی کم این فازهای مذاب سیلیکات در مقایسه با قلع مذاب، این قطرات به سطح حمام قلع صعود می‌کنند، در آنجا این قطرات به نوار شیشه چسبیده یا در آن حل می‌شوند و باعث ایجاد عیوب شیشه‌ای غیرقابل قبول می‌شوند. این پدیده به اثر قورباغه معروف شد.

بلوک هایی با تقریباً 40٪ آلومینا (دهه 1960)

افزایش محتوای آلومینا به حدود 40٪ اثر قورباغه را از بین برد. با این حال، پس از چند سال سرویس آجرهای جدید مشکل دیگری مشاهده شد. تک تک بلوک های داخل حمام در سطح افقی در سطح تثبیت (سطح واشر) و بخشی از بلوک با ضخامت حدود 180 میلی متر ترک خرد. بالا آمدن این مواد شناور تولید شیشه را متوقف کرد. با توجه به ضخامت دیسک‌ها/صفحات شناور، این پدیده به اثر 7 اینچی معروف شد که دلیل این مشکل به طور کامل حل نشده است و تئوری‌های زیر هنوز مورد بحث است:

• درزهای انبساط بیش از حد باریک: درزهای انبساط طوری طراحی شده اند که تا حد امکان از عبور قلع به داخل درزها جلوگیری کنند. با این حال، انبساط واقعی بلوک از مقدار محاسبه‌شده نظری معمولا بیشتر است و تنش ایجاد شده در حین گرم کردن مهم‌تر است که در نهایت منجر به ترک خوردن و جدا شدن تکه ای از بلوک می‌شود.
• تمیز کردن ناکافی درز انبساط در طول تعمیر سرد: در دهه 1960 طول عمر کوره کوتاه تر از طول عمر حمام قلع بود و معمولا پوشش نسوز حمام قلع برای کارزار دوم تغییر نمی کرد. برای جلوگیری از افزایش تنش در حین گرم شدن، تمیز کردن درزهای اتصال از قلع باقی مانده ضروری بود. با این حال، این 100٪ موثر نبود، و در نتیجه تنش‌ها افزایش می یافت که منجر به ترک خوردگی و شناور شد.
• ترک های موجود در بلوک های جدید: در طول دهه 1960 سوراخ های بلوک قبل از پخت بلوک ها ایجاد می شدند. در حین پخت تنش ها در سطح واشر افزایش می یافت و ترک خوردگی شروع می شد. در طول گرم شدن حمام قلع (طول گرم شدن دوم)، شکاف ها بزرگ می شوند که در نهایت منجر به جدا شدن کامل مواد شناور می شود. فرض بر این بود که این بلوک ها به اندازه کافی انعطاف پذیر نیستند تا تنش ها را جبران کنند و تولید کنندگان شیشه موادی با انعطاف پذیری بالاتر را درخواست کردند. از آنجایی که بلوک‌های با تقریباً 40 درصد آلومینا حاوی حدود 30 درصد فاز شیشه‌ای هستند و از آنجایی که فاز شیشه‌ای باعث افزایش شکنندگی بلوک‌ها و کاهش انعطاف‌پذیری آن‌ها می‌شود، تصمیم گرفته شد ماده‌ای با نسبت فاز شیشه‌ای کمتری تولید شود.

بلوک هایی با 43 تا 46 درصد آلومینا (دهه 1970)

در حدود سال 1970، بلوک‌هایی با تقریبا 43 درصد آلومینا و 15 درصد فاز شیشه‌ای معرفی شدند. ساختار بلوک‌ها در مقایسه با خاک نسوز با مقدار فاز شیشه‌ای بیشتر انعطاف پذیرتر است. با این حال، از آنجایی که این ماده به خوردگی قلیایی حساس‌تر است، نوع دیگری از مشکل به وجود آمد زیرا مواد حاوی آلومینا می توانند در تماس با فازهای غنی از Na20، نفلین جایگزین فلدسپات را تشکیل دهند. علاوه بر این، مقدار نفلین تشکیل شده به محتوای آلومینا خاص بستگی دارد و به حداکثر تبدیل خود به نفلین 100٪ (تبدیل کامل) با محتوای آلومینا 45٪ می رسد. تشکیل نفلین منجر به عواقب زیر می شود:

• افزایش حجم قابل توجهی از 20% با 60% نفلین به 35% با 100% نفلین (شکل 2 را ببینید).
• انبساط حرارتی متفاوت خاک نسوز و نفلین نسبت به خاک نسوز اصلی

با استفاده از موادی با تقریباً 45 درصد آلومینا، لایه برداری بلوک پس از چند سال کار به مشکل تبدیل شد. جدا شدن پوسته‌های نفلین از تعداد 4 تا 6 حفره در جهت جریان شیشه، همیشه پس از تغییر تنظیمات حمام قلع برای اصلاح ضخامت شیشه ورق (یعنی پس از اصلاح مشخصات حرارتی حمام قلع) شروع شد. در ماه‌های بعدی کار، لایه‌برداری نیز به قسمت‌های (bay) 2 تا 8 منتقل شد و در این مدت سطح لایه‌برداری به میزان قابل توجهی بزرگ شد. در برخی موارد تولید باید قطع می شد و تعویض کل بخش پایین ضروری به نظر می رسید. نمونه ای از پوست نفلین در شکل 3 نشان داده شده است.

بلوک هایی با 38 تا 40 درصد آلومینا (دهه 1980)

از آنجایی که واضح بود که مقدار نفلین تشکیل‌شده در بلوک‌های شیشه‌ای به مقدار آلومینا بستگی دارد، تولیدکنندگان شیشه موادی با محتوای آلومینا کمتر درخواست کردند. این نوع مواد با محتوای آلومینا 38 تا 40 درصد از ابتدای دهه 1980 مورد استفاده قرار گرفته است. در حالی که در برخی موارد کمپین های 12 ساله یا بیشتر بدون مشکل انجام شده است، در بیشتر موارد لایه برداری نفلین رخ داده است. با این حال، فاصله زمانی بین نصب و اولین لایه برداری بین 5 تا 10 سال متغیر است.

ادامه‌ی این مطلب در پست بعدی خواهد آمد.