ذوبان زجاج الزجاجة

إن عملية صهر الزجاج عملية معقدة للغاية. حيث تخضع المواد الناتجة لسلسلة من التغيرات والتفاعلات الفيزيائية والكيميائية والفيزيائية الكيميائية عند درجات حرارة عالية. وتؤدي نتائج هذه التغيرات والتفاعلات إلى تحويل الخليط الميكانيكي من المواد الخام المختلفة إلى مادة منصهرة معقدة، ألا وهي السائل الزجاجي.
وفقا للتغيرات والتفاعلات التي تحدث في مواد الدفعة أثناء عملية صهر الزجاج، يمكن تقسيم عملية صهر الزجاج إلى خمس مراحل، وهي تكوين السيليكات، وتكوين الزجاج، والتوضيح، والتجانس، والتبريد.

تتكون معظم زجاجات الزجاج الشائعة من السيليكات، ويتم تفاعل تكوين السيليكات إلى حد كبير في الحالة الصلبة. في هذه المرحلة، يخضع تكوين المسحوق لسلسلة من التغيرات الفيزيائية والكيميائية. تتطاير كمية كبيرة من المواد الغازية في المسحوق. ثم يبدأ ثاني أكسيد السيليكون والمكونات الأخرى في التفاعل. في نهاية هذه المرحلة، ينتهي تفاعل الحالة الصلبة الرئيسي، ويصبح المسحوق عبارة عن سبيكة مكونة من السيليكات وأكسيد السيليكون. بالنسبة لمعظم الزجاج، تنتهي هذه المرحلة بشكل أساسي عند 800 ~ 900 درجة.

يستمر التسخين، ويبدأ التلبيد الناتج في مرحلة تكوين السيليكات في الذوبان، ويبدأ الخليط منخفض الذوبان في الذوبان أولاً، ويذوب السيليكات وثاني أكسيد السيليكون المتبقي وينتشران مع بعضهما البعض، ويصبح التلبيد سائلاً زجاجيًا شفافًا. تسمى هذه العملية مرحلة تكوين الزجاج. في هذا الوقت، لا توجد مادة دفعة غير متفاعلة، ولكن لا يزال هناك الكثير من الفقاعات والخطوط في الزجاج، كما أن التركيب الكيميائي والخصائص غير متساوية. درجة حرارة الزجاج العادي في هذه المرحلة هي 1200 ~ 1250 درجة.

في نهاية مرحلة تكوين الزجاج، لا يزال هناك العديد من الفقاعات والخطوط في الزجاج. عندما يتم تسخين السائل الزجاجي أكثر، ستنخفض لزوجة السائل الزجاجي. عملية إزالة الفقاعات المرئية في السائل الزجاجي هي عملية توضيح السائل الزجاجي.
خلال مراحل تكوين السيليكات وتكوين الزجاج، تترسب كمية كبيرة من الغاز بسبب تحلل مواد الدفعة، وتطاير بعض المكونات، وتفاعل الأكسدة والاختزال للأكاسيد، والتفاعل بين الزجاج ووسط الغاز والمواد المقاومة للحرارة. تهرب معظم هذه الغازات إلى الفضاء، وسوف تذوب معظم الغازات المتبقية في السائل الزجاجي. لا يزال جزء صغير من الغاز موجودًا في السائل الزجاجي على شكل فقاعات. هناك ثلاث حالات رئيسية للغاز في الزجاج، وهي الفقاعات المرئية، والغازات المذابة، والغازات التي تشكل روابط كيميائية مع مكونات الزجاج. الأخيران غير مرئيين ولن يؤثرا على جودة مظهر الزجاج. عملية توضيح السائل الزجاجي هي في الأساس عملية إزالة الفقاعات المرئية.
خلال عملية التوضيح، يتم التخلص من الفقاعات المرئية بالطريقتين التاليتين. 1. زيادة حجم الفقاعات وتسريع ارتفاعها وتطفو خارج سطح الزجاج ثم تنكسر وتختفي. 2. جعل مكونات الغاز في الفقاعات الصغيرة تذوب في السائل الزجاجي، ويتم امتصاص الفقاعات وتختفي.
من أجل تسريع عملية تنقية السائل الزجاجي، بالإضافة إلى إضافة بعض المواد المصفّاة إلى الدفعة، يتم عمومًا اعتماد طريقة زيادة درجة حرارة السائل الزجاجي. تكتمل هذه المرحلة في أغلب الزجاج عند درجة حرارة 1400~1500 درجة مئوية، وهي غالبًا أعلى منطقة درجة حرارة في ذوبان الزجاج. تكون لزوجة السائل الزجاجي أثناء التنقية 1~10 باسكال.

تتمثل مهمة التجانس في إزالة الخطوط وغيرها من عدم التجانس في السائل الزجاجي، بحيث يكون التركيب الكيميائي لكل جزء من السائل الزجاجي موحدًا. في هذه المرحلة، بسبب الحركة الحرارية والانتشار المتبادل للسائل الزجاجي، تختفي الخطوط في السائل الزجاجي تدريجيًا، ويميل التركيب الكيميائي لكل جزء من السائل الزجاجي تدريجيًا إلى الاتساق. غالبًا ما يتميز هذا التجانس بما إذا كان معامل الانكسار لكل جزء من السائل الزجاجي هو نفسه. تكتمل هذه المرحلة في معظم الزجاج عند درجة حرارة أقل قليلاً من درجة حرارة مرحلة التوضيح.

لا يمكن تشكيل السائل الزجاجي المتجانس إلى منتجات على الفور، لأن درجة حرارة السائل الزجاجي في هذا الوقت تكون عالية واللزوجة أقل من تلك أثناء التشكيل، وهو ما لا يناسب عمليات تشكيل الزجاج. يحتاج إلى التبريد ويتم خفض درجة حرارة السائل الزجاجي تدريجيًا لزيادة لزوجة السائل الزجاجي لتلبية احتياجات التشكيل. تختلف قيمة خفض درجة حرارة السائل الزجاجي باختلاف تركيبة الزجاج وطريقة التشكيل. بشكل عام، يحتاج زجاج الصودا والجير عادةً إلى التبريد بمقدار 200~300 درجة. يتطلب السائل الزجاجي المبرد درجة حرارة موحدة لتسهيل التشكيل.
أثناء التبريد، يجب أن يمنع سائل الزجاج الشفاف إعادة ترسب الفقاعات. تسمى الفقاعات الصغيرة التي تظهر في هذه المرحلة بالفقاعات الثانوية أو الفقاعات المتجددة. يتم توزيع الفقاعات الثانوية بالتساوي في جميع أنحاء السائل الزجاجي المبرد، بقطر أقل عمومًا من 0.1 مم، ويمكن أن يصل عددها إلى الآلاف لكل سنتيمتر مكعب من الزجاج. نظرًا لأن درجة حرارة السائل الزجاجي قد انخفضت في هذه المرحلة، فمن الصعب جدًا التخلص من الفقاعات الثانوية. لذلك، يجب منع تكوين الفقاعات الثانوية بشكل خاص أثناء عملية التبريد.
تختلف المراحل الخمس في عملية صهر الزجاج المذكورة أعلاه عن بعضها البعض، ولكنها مترابطة أيضًا. لا تحدث هذه المراحل في الواقع بترتيب صارم، ولكنها تحدث غالبًا في وقت واحد.

تختلف درجة الحرارة عند كل نقطة على طول فرن الخزان المستمر، لكنها ثابتة بمرور الوقت، لذا من الممكن إنشاء نظام درجة حرارة مستقر. لا تؤثر صحة نظام عملية الذوبان على جودة الزجاج المنصهر فحسب، بل تحدد أيضًا ناتج الزجاج المنصهر. يوضح الشكل 2-10 نظام درجة حرارة الذوبان لزجاج الزجاجة في فرن الخزان المستمر.

سواء كان فرن بركة اللهب الأفقي أو فرن بركة اللهب على الطريق، فإن نظام درجة الحرارة الخاص به له تأثير على درجة خبز السائل الزجاجي، وتدفق السائل الزجاجي، وعمليات التشكيل، واستهلاك الوقود وعمر الفرن. بالنسبة للزجاج الزجاجي، تنقسم الزجاجات والعلب الزجاجية الموجودة في السوق بشكل أساسي إلى أربع فئات وفقًا للون: عديم اللون، والأزرق الفاتح، والأخضر الزمردي والبني. عندما يتغير لون الزجاج أو يتغير تركيز لون الزجاج، يكون له تأثير حيوي على شكل نقل الحرارة وكفاءة نقل الحرارة. من حيث عملية الذوبان، فإن تأثير تغير لون الزجاج على ظروف العملية أكثر وضوحًا وخطورة من تأثير تغييرات تكوين الزجاج. هناك فرق كبير في توزيع درجة الحرارة للزجاج الملون المختلف في الفرن.

يمكن ملاحظة من الجدول 2-24 أنه عند نفس درجة حرارة الانصهار، توجد اختلافات واضحة في درجة حرارة سطح السائل ودرجة حرارة قاع المسبح للأكواب ذات الألوان المختلفة. هناك ثلاثة أشكال لانتقال الحرارة في فرن صهر الزجاج: الإشعاع والحمل الحراري والتوصيل. بالنسبة للأكواب ذات الألوان المختلفة، كلما زادت القدرة على امتصاص ضوء الإشعاع، أي كلما زادت القدرة على امتصاص حرارة الإشعاع عالية الحرارة، زادت الحرارة التي يمتصها سطح الزجاج، وقلت الحرارة المنقولة عبر الجسم الزجاجي في شكل إشعاع. من منظور درجة حرارة سطح السائل، يتمتع الزجاج البني بأقوى قدرة على امتصاص الحرارة وأعلى درجة حرارة لسطح السائل؛ يأتي الزجاج الأخضر الزمردي في المرتبة الثانية، ويأتي الزجاج الأزرق الفاتح في المرتبة الثالثة. من منظور درجة حرارة قاع المسبح، تصبح المشكلة معقدة بعض الشيء: يتمتع الزجاج الأزرق الفاتح بقدرة ضعيفة على امتصاص ضوء الإشعاع، ويتم نقل المزيد من الحرارة إلى قاع المسبح من خلال الجسم الزجاجي في شكل إشعاع، وبالتالي تكون درجة حرارة قاع المسبح أعلى؛ الزجاج الأخضر الزمردي لديه قدرة قوية على امتصاص ضوء الإشعاع، ويتم نقل حرارة أقل إلى قاع المسبح من خلال جسم الزجاج في شكل إشعاع، وبالتالي تكون درجة حرارة قاع المسبح أقل. ومع ذلك، فإن الزجاج البني لديه قدرة قوية على امتصاص ضوء الإشعاع، ودرجة الحرارة في قاع المسبح أعلى بكثير من درجة حرارة الزجاج الأخضر الزمردي. قد يكون السبب: الزجاج في المسبح مقسم إلى عدة طبقات سائلة. نظرًا لأن نفاذية الضوء للزجاج البني ضعيفة، فإن الفرق في درجة الحرارة بين طبقات السائل كبير، ويجب أن يكون هناك تدرج كبير في درجة الحرارة على طول عمق المسبح. ومع ذلك، نظرًا لقدرة امتصاص الحرارة القوية للزجاج البني، بعد أن يمتص السائل الزجاجي العلوي الحرارة، ترتفع درجة الحرارة، ويتمدد الحجم، ويتم توليد دفع نحو المحيط في الاتجاه الأفقي. يتم تغيير هذا الدفع بواسطة جدار المسبح ونقله إلى الطبقة السائلة السفلية، مما يشكل قوة الحمل الحراري. يعوض تعزيز نقل الحرارة الحملية عن نقص نقل الحرارة الإشعاعية، وبالتالي تكون درجة الحرارة في قاع المسبح الزجاجي البني أعلى.
بشكل عام، في ظل نفس ظروف العملية ونظام درجة الحرارة، بالنسبة للزجاج الذي يحتوي على نفس المكونات ولكن بألوان مختلفة، يمكن الحصول على زجاج بني منصهر موحد أفضل ومعدل ذوبان أعلى. والسبب هو على وجه التحديد بسبب الحمل الحراري القوي الناجم عن قدرة امتصاص الحرارة القوية للزجاج البني. بالطبع، فإن تدخل جهاز الفقاعات سيغير ظروف نقل الحرارة. عند صهر الزجاج الأخضر الزمردي، إذا كنت تريد تحسين درجة حرارة القاع وتوحيد الزجاج وكفاءة الذوبان، فإن تركيب جهاز الفقاعات هو إجراء فعال. عندما تريد تغيير ألوان مختلفة من السائل في نفس الفرن، يجب ضبط عناصر عملية جزء الذوبان والجزء العامل وقناة التغذية وفقًا لذلك للتكيف مع تغييرات حالة العملية الناجمة عن "اختلاف نقل الحرارة" للون الزجاج.