گرمايش کوره هاي ذوب شيشه و مسائل مربوط به آن :

وسايل و ادوات متنوعي براي گرم کردن کوره ها وجود دارد که معمولاً انرژي اين فرآيند از گاز طبيعي ، برق و يا هر دوي آنها و ديگر انواع سوخت ها به دست مي آيد در زير به بررسي کوره هاي ذوب فلز مي پردازيم .

کوره هاي احتراقي ( Combustion Heated Furnaces ) :

کوره هاي احتراقي را مي توان مجدداً و با توجه به روش استفاده شده در آن براي بازيافت گرماي تلف شده به وسيله ي گاز خروجي و يا روش آتش گرفتن سوخت (به وسيله ي احتراق به همراه هوا يا اکسيژن )طبقه بندي کرد .بازيافت گرما بسيار مهم است زيرا تنها 10 درصد از گرماي توليدي به وسيله ي مذاب شيشه جذب مي گردد و 67 درصد از اين مقدار به وسيله ي گازهاي خروجي تخليه مي شود .
بازيافت گرماي تلف شده به وسيله ي گازهاي خروجي ، توسط يک مولد يا ريکلاپتور ( recuperatr ) انجام مي شود .
کوره ي مولد ( Regeneratorfurnace ) يکي از قديمي ترين و فراگيرترين وسايل براي صرفه جويي در صنعت شيشه است .
يک مثال از اين کوره هاي مولد درشکل 1 نشان داده شده است .

بچ (مواد اوليه ) از يک انتهاي کوره به داخل آن ريخته مي شوند و به سرعت شروع به ذوب شدن مي کنند . همين طور که شيشه مذاب از سمت ديگر کوره خارج مي شود ، شيشه هاي جامد جديد وارد مي شوند وپس از ذوب ، يکنواخت شده و حباب هاي هواي درون آن نيز به بيرون هدايت مي شوند . پس از گذر از نقطه ي ذوب ، شيشه ي ذوب شده وارد مکان شيشه ي مذاب از لحاظ حرارتي يکنواخت (Homogeneous ) مي شود .پس از عبور از مرحله ي پالايش ، شيشه وارد کوره ي مقدماتي مي شود .اين کوره ي مقدماتي جايي است که شيشه ي مذاب به يک يا چند ماشين شکل دهي تزريق مي شود .
مواد نسوزي که معمولاً در کوره هاي مولد شيشه مذاب استفاده مي شوند در شکل 2 آمده است . مواد AZS ( آلومينا ، زيرکونيا ، سيليکا ) ، موادي هستند که براي ديوارهاي کناري انتخاب مي شوند که درصد زيرکونياي موجود در آنها از 33 تا 41 درصد متغير است .

نسوزهاي کروم دار متنوعي معمولاً در صنعت الياف شيشه استفاده مي شوند که علت آن مقاومت به ايروژن بسيار خوب اين نوع نسوزهاست ؛ ولي به علت مشکلات زيست محيطي کروم ، اين آجرها به تدريج جايگزين پيدا کرده اند . به هر حال بدون توجه به عملکرد نسوزهاي کروم دار ، اين نسوزها ، استفاده ي وسيعي در صنايع شيشه فلوت ، ظروف شيشه اي و شيشه هاي ويژه ندارند که علت آن ، اين است که ناخالصي هاي کروم باعث به وجود آمدن رنگ نامناسب درشيشه مي شوند .
در جلوي کوره ، جايي که مواد اوليه به کوره شارژ مي شوند ، ايروژن و خسارت هاي ناشي از گرما ، مهمترين عوامل کاهش عمر کوره است . موادي که مقاومت به خوردگي خوبي دارند براي ديواره هاي کناري مورد نياز هستند . نسوزهاي روکش دار ( CLADDING REFRACTORIES ) باپلاتين يا موليبدن نيز در مورد اين قسمت ها مورد استفاده قرار گرفته اند ولي بسيار گران قيمت هستند . الکترود AZS و بلوک هاي قسمت دمنده ي آتش در روي ديوار کناري و در زير خط مذاب قرار دارند که نشان داده نشده اند . اين بلوک ها ، تقويت کننده هاي الکتريکي ، الکترودهاي گرمايي و نازل هاي آتش را نگه مي دارند . در اين مکان ها هم دما بالاست و هم تنش هاي گرمايي اتفاق مي افتد . و موجب کاهش عمر آنها مي شود .
اصلي ترين منبع مشکل ساز در بالاي مذاب شيشه (در جايي که دماي بالاتر را تجربه مي کند ) قرار دارد . در اين مکان احتراق اتفاق مي افتد .
نسوزهاي با ساختار بالا ( Superstructure refractories ) مي توانند دماي 1600 درجه سانتيگراد را در هنگامي که سوخت + هوا براي احتراق انتخاب شده ، تحمل کنند . و اين دماي قابل تحمل برايشان در هنگامي که سوخت انتخابي همراه اکسيژن ، سوزانده شود حتي بيشتر از اين مقدار نيز مي شود .
سيليکا (سيليس ) به علت ارزان بودنش و همچنين قابليت حل نشدن در مذاب در صورت جدا شدن از سقف براي سقف کوره ها در نظر گرفته شده است . البته سيليکا عملکرد مناسبي در محيط ناملايم سوختن مواد نفتي با اکسيژن را ندارد .
مولايت ( Mullite ) درپروسه هاي داراي دماي بالاتر جايگزيني مناسب براي سيليکاي سقف کوره است اما اين ماده موجب ايجاد ناخالصي در شيشه مي شود .
AZS نيز براي سقف کوره مطلوب است اما قيمت آن بسيار بيشتر است و وزن آن نيز بيشتر است . به علت ناهمگوني ميان سيليکا و نسوزهاي AZS ديواره ها ، يک لايه ي خنثي از زيرکون ( Zrsio4 ) در ميان آنها قرار داده مي شود .
مشعل هاي فولادي ضد زنگ در ديواره هاي کوره و در بالاي مذاب قرار دارند .در کوره هاي مولد عمل دميدن آتش به صورت متناوب از سمتي به سمت ديگر تغيير مي کند . و در هنگام روشن بودن مشعل هاي يک سمت ، هواي ورودي به اين مشعل ها به واسطه ي عبور از يک ساختار آجر چيني گرم مي شود و گازهاي خروجي از سمت ديگر به داخل اين ساختارهاي آجرچيني وارد مي شوند تا انرژي از بين نرود و صرف پيش گرم شدن هواي مورد نياز جهت پروسه ي احتراق شود . دهنه ي مشعل هاي که از جنس فولاد ضد زنگ هستند همچنين مي توانند به وسيله ي آب و هواي خنک شده ، سرد شوند البته هنگامي که مشعل در حال سوختن است ، دهنه ي آن به طور مداوم با مخلوط هوا و سوخت نيز خنک مي شود . در هنگامي که خاموش بودن مشعل هاي يک طرف از کوره (در هنگامي که مشعل هاي سمت مقابل در حال حرارت دهي هستند ) ، دهنه ي مشعل ها با هوايي که دماي تقريبي 1040 درجه سانتيگراد دارند ، خنک سازي مي شوند .
اندازه و هندسه ي نازل هاي مشعل متنوع است اما يک نوع از آنها به طور نمونه وار داراي قطر 3/17 cm 10/16cm است . دهنه هاي سراميکي با طول عمر بيشتر نيز توليد شده اند اما اين نوع دهنه براي باقي ماندن در رقابت با نوع فلزي خود بيشتر از 200 دلار نمي تواند قيمت داشته باشد ( نوع فلزي دهنه ها 150 دلار قيمت دارد ) .
کوره اي به طور نمونه شامل 20 مشعل مي شود . يک مثال از مشعل هاي گازي ( gas - fired burner ) با يک نازل مستطيلي شکل در شکل (3) آمده است .

همزن ها و دهنده ها براي بهبود يکنواختي در نقطه ذوب استفاده مي شوند . همزن ها به طور نمونه وار از فولاد زنگ نزن سرد شده در آب و پاروها از پلاتين ساخته مي شوند که در مذاب شيشه با دماي 1425 درجه ي سانتيگراد کار مي کنند . طول عمر پاروهاي مجهز به سيستم خنک سازي بيکران است .در حالي که در مورد پاروهاي پلاتيني نياز به هيچگونه خنک سازي وجود ندارد ، اين پاروها گران قيمت و کم دوام اند . عمليات دمش نيز به وسيله ي نازل هاي فولاد پرکربني سرد شده در آب ، که در کف تعبيه شده اند ، انجام مي شود . عمز نازل هاي شيشه مذاب چندين سال است ؛ به هر حال هر وقت که جايگزين کردن يک دمنده ي نو به جاي قبلي مدنظر باشد ، اين کار با سوراخ کردن ديواره ي کناري ، مسدود کردن آرام سوراخ و سوراخ کردن مجدد براي جا انداختن خروجي شيشه ي مذاب که نازل به آن متصل مي شود ، انجام مي شود .
اخيراً خروجي هاي مذاب از جنس دي سيليسيد موليبدن ( Molybdenum disilicide ) ساخته شده که طول عمرشان بيشتر است . اگر چه مواد پر کننده شيشه براي محدود کردن مدت تعميرات کافي است ، موادي براي تعميرات توليد شده ، که عمر و ماندگاري بيشتري دارند .
پروسه ي ذوب کردن با ترموکوپل هاي تعبيه شده در بالا و پايين مذاب و همچنين مشاهدات بصري از عملکرد مشعل هاي بالاي مذاب تحت نظارت قرار مي گيرد .
تقريباً 8 ترموکوپل در طول سقف کوره تعبيه شده است . يک غلاف از جنس آلومينا ، مولايت و يا آلوميناي پوشش داده شده باپلاتين براي محافظت از ترموکوپل تعبيه شده است . به هر حال شکست پس از دو ماه رخ مي دهد . يک عامل بسيار معمول در شکست اين قطعات ، شک هاي حرارتي يا زيان هاي ناشي از فشار است که موجب کاهش عمر ترموکوپل از 12 ماه به 2 ماه مي شود . البته در ترموکوپل هاي بلندتر ، خزش نيز يکي از اين عوامل است .
يک غلاف نمونه وار ، 0/063 ـ 1/27 سانتيمتر قطر و 92 ـ 30 سانتيمتر طول دارد .
پس از جا گذاري ترموکوپل به داخل غلاف ، ابتدا آن آزمايش مي شود و سپس در داخل کوره توليد نصب مي شود . البته کاوشگرهاي الياف اپتيکي ( Fibre optis probes ) نيز به منظور ثبت دما ، در جاهاي مختلف مذاب مورد استفاده قرار مي گيرد . مشاهدات بصري از عملکرد مشعل با يک دوربين انجام مي شود که داراي زواياي وسيعي است . يک نوع دوربين مخصوص کوره وجود دارد که داراي يک تيوپ فولادي داخلي است که اين تيوپ داخلي شامل مجموعه اي از لنزهاي خنک شونده با هوا است .همچنين اين دوربين داراي يک تيوپ فولادي خارجي است که به وسيله ي آب خنک مي شود . شکست پيش از موعد پوسته ي حاوي آب به علت بسته شدن بخشي از سيستم خنک کننده ، اتفاق مي افتد . شکست در سيستم خنک کننده ي اين نوع دوربين سرانجام باعث شکست کل سيستم تصوير برداري مي شود که موجب از دست رفتن کنترل دماي کوره مي شود . از اين رو احتياج به جايگزيني يک ماده ي مناسب براي ماده ي استفاده شده در اين تيوپ خارجي داريم که نياز به خنک سازي نداشته باشد . اين بخش سراميکي بايد خواص زير را داشته باشد :
1 ـ مقاومت در برابر شک حرارتي ( از دماي 1650 درجه سانتيگراد به دماي اتاق در چند ثانيه )
2 ـ استقامت کافي در هنگام بيرون آوردن آن از ديواره ي با ضخامت 30 سانتيمتر
3 ـ سازگاري با نسوزهاي ديواره ي کناري کوره
4 ـ قابليت اتصال به يک تيوپ فولادي که در دماي 427 درجه سانتيگراد کار مي کند .
5 ـ قيمت مناسب (قيمت مناسب براي يک تيوپ با قطر 6/4 سانتيمتر و طول 15/2 سانتميتر و ضخامت 1/3 سانتيمتر 400 دلار است )
علاوه بر اين مطالبي که در مورد دماي کوره گفتيم ، سنسورهايي براي اندازه گيري ضخامت ديواره ي نسوز کوره تعبيه شده است . اين سنسورها بر اساس جريان مخالف ـ صوتي ( acoustic , eddy current ) يا اندازه گيري ظرفيت الکتريکي که با زمان تغيير مي کند ، کار مي کنند . سنسورها مستقيماً در داخل نسوز و به طور محکم قرار مي گيرند و تغييرات را اندازه گيري مي کنند . يک غلاف سراميکي جهت محافظت از سنسورها از محيط نامناسب بر روي سنسور قرار مي گيرد .
ماکزيمم توليد خروجي شيشه از کوره به وسيله ي مقدار انرژي که مي توان به داخل کوره ي ذوب فرستاد محدود مي گردد . محدوديت در هنگامي مشخص مي گردد که مشعل ها در حالت ماکزيمم گرمادهي باشند . و تقويت کننده هاي الکتريکي نيز با حداکثر توان کار کنند .افزايش هاي ديگر در گرمايي که به داخل کوره ي ذوب مواد وارد مي شود به وسيله ي ظرفيت دمايي مواد مورد استفاده در ساخت کوره و تابش فزاينده اي که توليد مي شود محدود مي شود .
يکي از روش هايي که براي غلبه بر اين محدوديت ها به دست آمده است ، اين است که مخلوط شيشه خورده و مواد اوليه ( بچ اوليه ) را پيشگرم کنيم . همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است . گاز گرم دودکش از يک قسمت مبدل حرارتي عبور کرده در حالي که پودر بچ در جهت مخالف مسير گاز دودکش فرو مي ريزد . پيش گرم کردن مواد اوليه با استفاده از مشعل مجزا نيز مي تواند انجام شود . در هر دو حالت يک فن براي کشاندن گازهاي داغ از بين مبدل حرارتي مورد استفاده قرار مي گيرد . حالات عملياتي پيش گرم شامل دماي گاز ورودي است که دمايي بالاتر از 982 درجه سانتيگراد دارد .

همچنين در معرض قرار گرفتن به وسيله ي محصولات احتراق است که اين گاز خروجي از دودکش مقدار زيادي رطوبت و گازهاي خورنده دارند .
مبدل هاي فلزي اخيراً مورد استفاده قرار گرفته که نيازمند نگهداري و تعمير مداوم هستند .
و محدوديت دمايي نيز دارند که با استفاده از مبدل هاي سراميکي عمرشان طولاني ، وزن شان کاهش و ظرفيت گرمايي افزايش مي يابد . همچنين اين مزايا در مورد استفاده از فن هاي سراميکي نيز صادق است . يکي ديگر از مزاياي اين روش سهولت ارتقاء قطعات جديد در کوره مورد نظر است . يکي ديگر از روش هاي افزايش راندمان کوره ي شيشه ي مذاب ، ورود اکسيژن در عمل احتراق به جاي هوا است . بهبود راندمان کوره نتيجه اي از دماي بالاتر کوره و کاهش گازهاي خروجي است که به علت کاهش نيتروژن از سيستم احتراق ، انجام مي شود . اکسيژن احتراقي را مي توان يا به طور محلي به داخل مذاب و به وسيله ي يک تيوپ وارد کرد و يا با هواي مورد استفاده براي احتراق جايگزين کرد . تيوپ ورود اکسيژن از فلزات سرد شده با آب ، فلزات گران بها و اخيراً نيز از سيليسيد موليبدن ساخته شده است . در حالي که ارزانترين و ساده ترين روش انجام اين کار ، تزريق اکسيژن در مکان هاي گرم است ولي اين کار موجب آسيب ديدن ديواره هاي کوره و مشعل ها و ... مي شود . احتراق برپايه ي اکسيژن خالص با استقبال روبروست که اخيراً از 87 کوره از اين نوع که عمدتاً در بخش شيشه هاي ويژه و الياف شيشه اي است ، مورد استفاده قرار گرفته است . مزاياي اين نوع احتراق شامل پايداري شعله اي بيشتر ، توان عملياتي بيشتر ، کاهش مصرف سوخت ، کاهش قيمت کوره ، کاهش گازهاي NOx ، تابش هاي ذره به ذره و افزايش بازده بدون استفاده از مولدها ، ريکلاپچرها و تقويت کننده هاي الکتريکي گران قيمت است . يک اشکال مهم در اين روش تغيير خواص گازهاي خروجي است . به عنوان مثال يک کوره ي مولد معين داراي يک خروجي گاز با دماي 315 ـ 482 و رطوبت 8 ـ 10 درصد است در حالي که کوره هاي بهبود يافته هم دما و هم رطوبت بيشتري دارند . در کوره هاي با سوخت اکسيژن گاز خروجي ، دماي 1204 ـ 1426 و رطوبت 55 ـ 67 درصد دارند .
به علت دماي بالا و وجود بخارات خورنده( مانند بخارات بور )در گازهاي خروجي از کوره ي گرم شده با سوخت + اکسيژن ، فرصت مناسبي براي استفاده از مواد سراميکي در اين کوره ها ، مهيا گشته است .

کوره هاي گرم شونده با الکتريسته :

حرارت دهي الکتريکي در بسياري از محصولات کم اهميت و کوره هاي ذوب الياف شيشه اي کاربرد دارد که علت آن قيمت ابتدايي کمتر و انتشار گاز کمتر است ، اگر چه قيمت برق مصرفي بسيار بالاست . اشکالات کليدي تمام کوره هاي الکتريکي ، هزينه ي انرژي مصرفي بالا و عمر کوتاه آنها است . کوره هاي الکتريکي را معمولاً هر 6 ماه يک بار بازسازي مي کنند اما به علت اندازه ي کوچک ، زمان بازسازي تنها 2 روز است . يک مثال از کوره هاي الکتريکي با مجراي خروجي در کف در شکل (5) نشان داده شده است .

الکترودهاي مورد استفاده معمولاً براي آسان بودن تعويض و نگهداري بدين نحوه (در بالاي کوره ) قرار گرفته اند که به خاطر عمر کوتاه مواد مورد استفاده در ساختار اين کوره ها ايجاد رخنه در کف و ديواره هاي کوره مطلوب نمي باشد . اجزاي تقويت کننده (دمنده ها و قطعات الکتريکي ) در بالاي طرفين مخزن کوره قرار داده شده اند . اين مکان هاي قرارگيري دسترسي به اجزاي حرارتي را براي اپراتور آسان تر مي کند . در کوره ي مثال زده در شکل (5) مذاب در ميان يک بخش مجزا قرار گرفته که اين بخش مذاب را از لحاظ دمايي تنظيم مي کند . سيلندرها و همزن ها در کاربردهاي مختلف استفاده مي شود که هدف همه ي آنها يکنواخت سازي دماي شيشه ي مذاب است ؛ همچنين اين قطعات موجب کم شدن حباب هاي گاز موجود در مذاب مي شوند . مواد مورد استفاده در ساخت کوره هاي الياف شيشه و توليدات شيشه اي کوچک شامل فلزات گران بها ( براي سيلندرها ، همزن ها و پيستون ها ) و موليبدن (براي ساخت الکترودها و بخش هاي مکانيکي کنترل سيال ) مي شود .
مواد جايگزين که داراي قيمت ارزان تر نسبت به اين مواد هستند ، نيز مورد جستجو قرار گرفته اند . که اين مواد حتي عمر مفيد بالاتري دارند . مواد جايگزين براي نگهدارنده هاي الکترودها نيز توليد شده است که نياز به سرد شدن با آب ندارند .
/س