الياف شيشه و شيشه هاي ويژه

الياف شيشه ( fiber glass) :

صنعت الياف شيشه از دو بخش فروش عمده تشکيل شده است ؛ يکي مواد عايق با الياف کوتاه ( wool insulation) و ديگري الياف نساجي .
مواد عايق ، اليافي با اندازه ي کوتاه هستند که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار مي گيرند و الياف نساجي يک سري الياف مداوم هستند که به طور کلي به عنوان يک تقويت کننده در کامپوزيت هاي زمينه پليمري مورد استفاده قرار مي گيرند . به علاوه چهار توليد کننده ي عمده ي الياف کوتاه و 6 توليد کننده ي عمده ي الياف نساجي ، 16000 کارگر ماهر را به کار گرفته اند ؛ که بر فرض مثال يک توليد کننده مي تواند 27 کوره ي ذوب شيشه را به کار بگيرد . در سال 1991 الياف شيشه 9% کل توليد شيشه را تشکيل مي دادند . و اين مقدار 21 درصد از کل فروش را تشکيل مي داد . در سال 1981 ، 71 درصد وزني از الياف شيشه اي فروخته شده به صورت الياف کوتاه مخصوص مواد عايق بود .
مصرف انرژي در صنعت الياف شيشه در سال 1991 ، 59/9 تريليون Btu بوده ، که تنها مصرف انرژي در بخش ظروف شيشه اي از اين مقدار مصرف بالاتر بوده است . بر خلاف صنايع شيشه فلوت و ظروف شيشه اي ، مقدار زيادي انرژي مصرف شده در صنعت الياف شيشه صرف توليد الياف از شيشه ي مذاب مي شود . در حالي که هر دو بخش در زمينه ي صنعت الياف شيشه سرمايه بر هستند ، صنعت اليام مداوم نساجي سرمايه برتر است زيرا اين صنعت محتاج فلزات گران بهاست . کيفيت شيشه ي مورد استفاده نيز متفاوت است ، اما محصولات الياف نساجي نيازمند مواد اوليه ي با کيفيت بيشتري اند . همچنين اين صنعت نيازمند استفاده از کنترل فرآيند بهتري هستند . کليدهاي محرک براي استفاده از تکنولوژي هاي جديد در صنعت الياف شيشه شامل کاهش قيمت ، افزايش توان عملياتي و موقعيت هاي رقابتي مي شود . فشارهاي رقابتي عمدتاً از سوي محصولات با پايه ي آلي است. روش استفاده شده براي توليد الياف شيشه را مي توان به مراحل زير تقسيم کرد :
1 ـ تهيه ي مواد اوليه ( Bat ching )
2 ـ ذوب ( Melting )
3 ـ توليد الياف ( Fiberzation )
در هر يک از اين مراحل فرصت هايي براي استفاده از سراميک هاي پيشرفته وجود دارد .

1 ـ تهيه ي مواد اوليه ( Batching ) :

مرحله تهيه ي مواد اوليه در صنعت الياف شيشه شبيه به همان هايي است که در توليد ديگر انواع شيشه مورد استفاده قرار مي گيرد ؛ با اين تفاوت که ترکيب شيشه و اندازه ي ذرات مواد اوليه متفاوت است . به دليل اينکه اندازه ي ذرات مواد اوليه مورد نياز بايد ريزتر باشد ، کنترل انتشارات ( emissions control ) و ناخالصي هاي سراميکي ، فلزي ، آلي و يا آلياژي بيشتر است و يک مسئله ي مورد توجه است .
يک جزء کليدي براي توليد الياف شيشه عنصر بور است . اين عنصر ويسکوزيته ي مذاب را کاهش داده و دوام شيشه را بهبود مي دهد ولي بور عنصري فرار است و به خاطر همين در مکان هاي نامطلوب رسوب مي کند . عنصر بور درشيشه در يک رنج 5 ـ 10 درصد وزني دارد که 50 ـ 75 درصد از قيمت کلي را به خود اختصاص مي دهد .
براي توليد الياف کوتاه مخصوص عايق کاري از درصد زيادي شيشه خورده ي بازيافتي که از شيشه هاي ظروف و شيشه هاي فلوت تشکيل شده اند ، استفاده مي شود (علت آن اين است که براي الياف کوتاه عايق ، مواد اوليه ي با کيفيت کمتر نياز است ) الياف شيشه ي بازيافتي هم اکنون به علت وجود عنصر بور در آنها مورد استفاده قرار نمي گيرند .

2 ـ ذوب ( Melting ) :

عمليات ذوب کردن شيشه در صنعت الياف شيشه شبيه عمليات ذوب کردن شيشه در ديگر صنايع توليد شيشه است . (مانند تهيه ي مواد اوليه ) . تفاوت هاي موجود بين ذوب کردن شيشه در صنعت الياف شيشه با ديگر صنايع محدود به چالش هاي عملياتي نتيجه شده از ترکيب شيميايي شيشه و اندازه کوچکتر کوره ي ذوب ، مي شود . به علت وجود درصد کمي مواد قليايي در الياف نساجي ، نياز به دماي بالاتر ذوب کردن و اندازه ي الياف بزرگتر براي رسيدن به حالت يکنواختي بدون نياز به استفاده از افزودني هاي ( فلاکس ها ) ، است .
هر دو صنعت ( هم الياف نساجي و هم الياف کوتاه مخصوص عايق بندي ) از بور استفاده مي کنند که اين بور استفاده شده مي تواند فلز آلات کوره را آلوده کند و موجب افزايش انتقالات گرمايي ذره به ذره شود .
ذوب کننده هاي شيشه شامل مولد ، جهت دهنده ي آتش و کوره ي بهبود دهنده مي شوند .
در حقيقت کوره ي بهبود دهنده ي گازي به طور عمده منبع ذوب کننده ي شيشه است .
عمر مفيد يک کوره ي 7 تا 10 سال است و بازسازي آن هزينه بر و وقت گير است . تعدادي کوره ي مبدل الکتريکي و تقويت کننده هاي الکتريکي گاز ، براي کاهش مصرف گاز ، افزايش بازده مذاب و کاهش انتشار گازهايي مانند NOx و SOx ساخته شده است .
کوره هاي الکتريکي از الکترودهايي استفاده مي کنند که اين الکترودها از کف يا بالا به مذاب وارد شده اند . البته نوع تعبيه شده در بالا با سهولت بيشتري تعمير و نگهداري مي شوند . عمر مفيد کوره هاي الکتريکي 6 ماه است . و براي ساخت مجدد يک کوره ي الکتريکي نمونه دار دو روز وقت لازم است . يک مثال از ديواره هاي فلزي سرد شده با آب و دستگاه ذوب کننده ي از کف در شکل 1 نشان داده شده است .

مذاب از بين يک گلويي مانند شناور خارج مي شود و به بخش داخلي يکنواخت کننده وارد مي شود اين بخش يکنواخت کننده به وسيله ي يک اجاق دنبال مي شود که اين کار براي توزيع شيشه به دستگاه هاي شکل دهي مختلف انجام مي شود . با تبديل اجاق به شعله اي که از احتراق سوخت با اکسيژن تغذيه مي شود بازده مصرف انرژي و گازهاي انتشار يافته بهبود مي يابند .
تعدادي از فرصت هاي استفاده از مواد سراميکي پيشرفته در داخل ذوب کننده موجود است . دماي بالاتر مذاب که به دليل ترکيب شيميايي شيشه ( وجود درصد کمتر از عناصر قليايي ) به وجود مي آيد باعث ايجاد اجبار در استفاده از نسوزهاي حاوي کروم مي گردد . اين نسوزها حاوي کروم موادي خطرناک براي محيط زيست هستند . نسوزهاي کروم دار همچنين از لحاظ الکتريکي رسانا هستند که اين امر موجب خروج جريانات گرمايي از داخل شيشه مي گردد و باعث کاهش عمر نسوز مي شوند .
با توليد احتراق و دماي بالاتر به وسيله ي شعله ي سوخت با اکسيژن ، عمر مفيد اين نسوزها نيز کاهش مي يابد . نسوزهاي ثابت کننده ي شيشه نيز براي کاهش تعميرات و نگهداري مورد توجه قرار گرفته اند .
فلزات گران بها (پلاتين و روديم ) در سر تا سر دستگاه ذوب کننده مورد استفاده قرار مي گيرد ؛ که بخش هاي دستگاه ذوب کننده شامل خروجي هاي گاز ( gas bubblers ) ، پيستون ها ( plungers ) و غلاف هاي ترموکوپل مي شود . مصرف فلزات گران بها در هر کوره مبلغ تقريبي 10 ميليون را به خود اختصاص مي دهد . پلاتين و روديم به خاطر سازگاري دماي بالايشان و پايداري در زمان برخورد با مذاب با دماي بالاتر از 1371 درجه سانتيگراد ، استفاده مي شوند . اشکالات اين مواد ( پلاتين و روديم ) شامل قيمت بالا ، استحکام خزش پايين و منابع تهيه ي نامطمئن ، مي شود .
مواد جايگزين براي پلاتين و يا روديم نيزمورد پژوهش قرار گرفته و موادي پيش بيني شده که شامل موليبدن سيليسيد دوپ شده با ژرمانيم و Inconel بوده که استفاده از آنها موفقيت آميز نبوده است . انتخاب مواد پايه سراميکي مثل ترکيب هاي داراي آلومينا يا زيرکونيا با خلوص و دانسيته ي بالا ، انجام شده است . اکسيدهاي با فاز سه گانه نيز مي توانند مورد استفاده قرار گيرند اما پايداري فازي آنها هنوز مورد توجه است . انتخاب ديگر ترکيب هاي غيراکسيداني داراي مقاومت به خزش بالاست ( مانند سيليسيم کاربيد باپوشش پلاتين يا روديم براي سازگاري با مذاب شيشه ) موليبدن نيز يک ماده ي عمده استفاده شده در ذوب کننده هاي ( melters ) الياف شيشه است که کاربردهايش شامل الکترودها و وسايل کنترل جريان شيشه مي شود . براي کاربردهاي با دماي پايين تر ( دماي کمتر از 1315 درجه سانتيگراد ) ، 1600 Incone استفاده مي شود .
در هر دو مورد بالا (موليبدن ، Inconel600 ) شکستگي نا به هنگام به خاطر خوردگي و سايش مفرط ، انجام مي شود . مواد پيشرفته ي سراميکي ساخته شده اند که مي توانند بدون سرد شدن و در زير يا روي خط مذاب کار کنند (اين مواد مقاومت به خزش بسيار خوبي در دماي بالا دارند ).موقعيت ها و فرصت هاي استفاده از سراميک هاي پيشرفته در مشعل هاي سوخت اکسيژن و غلاف سنسورها وجود دارد . اين سنسورها براي تامين سايش در نسوزها استفاده شده است .

3 ـ توليد الياف ( Fiberization ) :

شيشه ي مذاب پس از عبور از کوره ، وارد پروسه ي توليد الياف مي شود که اين کار يا به طور مستقيم يا بعد از پروسه ي ماربليزينگ مياني ( Intermediate Marblizing ) انجام مي شود .
ماربليزينگ معمولاً در توليد الياف نساجي و در هنگامي که پروسه ي شکل دهي در کنار ذوب کننده قرار ندارد ، مورد استفاده قرار مي گيرد .
توليد ليف با نازک کردن باريکه اي از شيشه مذاب با هوا ، بخار و يا گازهاي احتراقي ( براي الياف کوتاه عايق بندي ) يا به وسيله ي کشيدن شيشه ي مذاب از ميان بوشينک هايي با جنس فلزات گران بها ( Precious metal bushing ) انجام مي شود . براي توليد الياف کوتاه مثالي درشکل 2 مي بينيد . که در آن يک تکه رشته از شيشه ي مذاب به داخل يک سيلندر چرخنده ي سريع ، مي افتد ( سانتريفيوژ ) . اين سيلندر از آلياژهاي پايه فلزي دما بالا ساخته شده اند که داراي 12 ـ 32 سانتيمتر قطر هستند و شامل 10000 ـ 30000 کنترل کننده ي ليزري مي شود که قطر رشته ي شيشه را بين 0/1 تا 0/015 سانتيمتر کنترل مي کنند .

شرايط عملياتي شامل شرايط پايداري ( Steady state ) و دماي 2000 درجه فارنهايت در حالي که در معرض هوا قرار دارد ،
مي شود .
آلياژهاي پايه فلزي استفاده شده عمدتاً به طور اختصاصي و براي کاهش هزينه ي سرمايه گذاري بازيافت مي شوند . همچنين مواد ديگري که مقاومت به خزش بهتر ، مقاومت به خوردگي ( سولفيد شدن ) و اکسيداسيون بهتري دارند ، نيز مورد تحقيق قرار گرفته اند . همين طور که شيشه ي مذاب از ميان سيلندر شکل دهي به سمت پايين مي آيد ( از بالا به پايين ) جت هاي گازي با سرعت بالا باعث نازک شدن جريان و افزايش طول الياف مي شوند . الياف به وسيله ي بيندرهاي ( binders ) آلي اسپري شده و به حالت يک کمربند متحرک جمع مي شوند و در آنجا به آون عمل آوري برده مي شوند . درپروسه ي شکل دهي الياف پيوسته که درشکل 3 نشان داده شده است .

شيشه ماربيل شده و از ميان سوراخ هايي به داخل بوشينگ هاي از جنس آلياژ پلاتين تغذيه مي شوند . يک بوشينگ نمونه وار داراي يک برش کناري با ابعاد 25 ـ 50 سانتيمتر و 18 ـ 20 سانتيمتري است که عمقي برابر 5 سانتيمتر دارد . تقريباً 100 دستگاه شکل دهي براي هر ذوب کننده مورد استفاده قرار مي گيرد و يک کارخانه ي توليدي به صورت نمونه وار ، 4 ذوب کننده دارد . هر واحد توليدي مي تواند 400 تا 3000 فيلامنت با قطر بين 3/5 الي 20 ميکرون توليد کند . عمر بوشينگ ها تقريباً 6 ماه است . بوشينگ هاي فرسوده به علت گراني مواد اوليه ي آن بازيافت مي شود . عمر اين قطعات با سايش سوراخ يا کج شدن آنها کم مي شود . شرايط عملياتي شامل شرايط پايداري ( steady state ) (با دماي 1200 ) در هوا مي باشد . سرد کردن به وسيله ي هوا با جريان اجباري ، پيش از آهار زدن براي افزايش فرآوري مورد استفاده قرار مي گيرد .
يک پيچه ي استوانه اي شکل ، فيلامنت ها را جمع آوري مي کند و يک نيروي کششي براي کشيدن الياف اعمال مي کند . در حين اعمال اين نيروي کششي ، الياف از ميان يک وسيله ي مکانيکي عبور کرده که با آهار زدن و ايجاد تاب در چندين فيلامنت به هم نزديک شده ، ايجاد يک تکه نخ مي شود . با توجه به نوع کاربرد ، پروسه هاي اضافي بر روي تک نخ هاي به وجود آمده اعمال مي شود . موادي که عمدتاً براي هدايت فيلامنت هاي گرم مورد استفاده قرار مي گيرند ، موادي باپايه ي کربن هستند . هدايت کننده هاي سيلسيم نيتريدي و آلومينايي براي کاربردهايي که نياز به آهار زدن و تاب دادن دارند ، مورد استفاده قرار مي گيرند . ( در اين مکان ها سايش بسيار زياد است ) . يک هدايت کننده ي الياف در شکل 4 نشان داده شده است .

مواد ديگري نيز براي مکان هايي که الياف حرکت مي کنند (مکان هايي که الياف با آنها در تماس هستند )مورد جستجو قرار گرفته است که مواد سراميکي يکي از اين مواد هستند ( به خاطر خواص يکپارچه ي مواد سراميکي ) ولي بايد اين مواد را از لحاظ چقرمگي بهبود داد . راه حل هاي کم هزينه تر نيز براي بوشينگ ها و غربال هاي مورد استفاده ، جستجو شده است . در اين ميان اکسيدهاي حاوي تقويت کننده هاي پراکنده شده از ايتريا ( yttria ) نيزمورد ارزيابي قرار گرفته ، که اين ارزيابيها توان جايگزيني اين مواد با فلزات گران بها مورد ارزيابي قرار گرفته که نتايج آن اميد بخش بوده است .
استفاده از پلاتين پوشش داده شده با موليبدن نيز مطرح شده است ولي اين ماده نيز درطي آزمايش شکسته شده است .
موقعيت هاي موجود در مرحله ي تهيه ي مواد اوليه ( Batching ) شبيه آنهايي است که در بحث ظروف شيشه اي و شيشه هاي فلوت مورد بررسي قرار گرفت .

شيشه هاي ويژه (Specialty glass ) :

قسمت هاي فروش و تنوع فروش اين نوع شيشه بسيار گسترده تز از شيشه هاي فلوت ، ظروف شيشه اي و الياف شيشه اي است . يک تفاوت عمده اين است که توليد کنندگان اين بخش بر خلاف توليد کنندگان انواع ديگر شيشه که با شيشه هاي سود الايم کار مي کنند ، با شيشه هاي با دماي ذوب بالاتر ( آلومينو سيليکاتي و بروسيليکاتي ) کار مي کنند . در حالي که ترکيب شيشه هاي توليدي در صنعت شيشه هاي ويژه با ديگر صنايع توليدي شيشه متفاوت است ، روشهاي توليد شبيه به همان هايي است که قبلاً مورد بحث قرار گرفت .
محصولات توليدي در اين بخش بسيار گسترده هستند . که 60000 نوع مختلف از محصولات را شامل مي شوند ولي حجم اين محصولات کم است . تعداد زيادي از توليد کنندگان شيشه هاي ويژه وجود دارند که بسيار کوچکند . اين کارخانه ها توسط مالک هايشان اداره مي شوند و نيازمند نيروي انساني زيادي مي باشند .
به دليل طبيعت اين حرفه ، تکنولوژي هاي مورد استفاده در آن مکرراً توسعه يافته و همچنين به صورت اختصاصي مانده است .
شيشه هاي ويژه ترکيب هاي شيميايي متنوع دارند و داراي خواص فيزيکي و شيميايي کاملاً واضح و تعريف شده اي هستند . کوره هاي مورد استفاده در اين صنعت معمولاً طراحي خاصي دارند و اساساً به وسيله ي احتراق سوخت ـ اکسيژن گرم مي شوند .
براي افزايش بازده انرژي ، پيش گرم کردن خرده شيشه ها ( مواد اوليه ) مورد ارزيابي قرار گرفته است . ظرفيت ذوب 45 تن در مورد اين صنعت يک رقم بزرگ در نظر گرفته مي شود .
به دليل دماي ذوب بالاتر ، استفاده از نسوزها و غلاف هاي ترموکوپل معمولي يک مشکل تلقي مي شود . از اين رو خيلي اوقات از دوربين هاي مادون قرمز به جاي ترموکوپل هاي با عمر کوتاه براي کنترل دما استفاده مي شود . همچنين سيستم هاي با الياف نوري براي اين موارد توسعه يافته است . به دليل اندازه ي کوچک ، جريان هاي همرفتي به جاي استفاده از دمنده هاي گاز ، براي يکنواخت سازي شيشه مورد استفاده قرار مي گيرد .
رنج وسيعي از آلياژهاي پايه فلزي و فلزات گران بها در بخش ذوب و مرحله ي مشکل دهي استفاده مي شود ( مانند پاروهاي پلاتيني مورد استفاده در ذوب کننده ها که وظيفه ي يکنواخت سازي را بر عهده دارند ) پس از پروسه ي ذوب ، شيشه به چندين خروجي مختلف ( با توجه به محصول نهايي ) تقسيم مي شود ، قالب هاي مورد استفاده درطي فرايند شکل دهي عمدتاً از سوپر آلياژها ساخته شده اند . قالب هاي سراميکي نيزمورد استفاده قرار مي گيرند ولي معلوم شده است که باعث افزايش سنگ ريزه هاي به وجود آمده در محصول شيشه اي نهايي مي شوند .
مشعل هاي تشعشعي فلزي با سوخت گاز طبيعي وجود دارند که از آنها در طي فرآيند شکل دهي و آنيلينگ استفاده مي شود اما اين مشعل ها نياز به تعمير و نگهداري زيادي دارند .
/س