Taljenje stekla za steklenice

Taljenje stekla je zelo zapleten proces. Materiali serije bodo podvrženi vrsti fizikalnih, kemičnih ter fizikalno-kemijskih sprememb in reakcij pri visokih temperaturah. Rezultati teh sprememb in reakcij spremenijo mehansko mešanico različnih surovin v kompleksno staljeno snov, namreč stekleno tekočino.
Glede na spremembe in reakcije šaržnih materialov med postopkom taljenja stekla lahko postopek taljenja stekla razdelimo na pet stopenj, in sicer tvorbo silikata, tvorbo stekla, bistrenje, homogenizacijo in hlajenje.

Večina običajnega stekla za steklenice je sestavljena iz silikatov, reakcija nastajanja silikatov pa se večinoma izvaja v trdnem stanju. V tej fazi je sestava praškastega materiala podvržena vrsti fizikalnih in kemičnih sprememb. Velika količina plinastih snovi v praškastem materialu izhlapi. Nato začnejo silicijev dioksid in druge komponente medsebojno delovati. Na koncu te stopnje se konča glavna reakcija v trdnem stanju in praškasti material postane sinter, sestavljen iz silikatov in silicijevih oksidov. Za večino očal se ta stopnja v bistvu konča pri 800~900 stopinjah.

Z nadaljnjim segrevanjem se sintrani material, ki nastane v fazi tvorbe silikata, začne topiti, najprej se začne taliti zmes z nizkim tališčem, hkrati pa se silikat in preostali silicijev dioksid stopita in difundirata drug v drugega, sintrani material postane prozorna steklena tekočina. Ta proces se imenuje faza tvorbe stekla. Trenutno ni nereagiranih šaržnih materialov, vendar je v steklu še vedno veliko število mehurčkov in prog, kemična sestava in lastnosti pa so tudi neenakomerne. Temperatura navadnega stekla na tej stopnji je 1200 ~ 1250 stopinj.

Na koncu faze oblikovanja stekla je v steklu še veliko mehurčkov in prog. Ko se segrevanje nadaljuje, se bo viskoznost steklene tekočine zmanjšala. Postopek odstranjevanja vidnih mehurčkov v stekleni tekočini je postopek bistrenja steklene tekočine.
V stopnjah tvorbe silikata in tvorbe stekla se zaradi razgradnje šaržnih materialov, izhlapevanja nekaterih komponent, redoks reakcije oksidov in interakcije med steklom in plinskim medijem ter ognjevzdržnimi materiali obori velika količina plina. Večina teh plinov uide v vesolje, večina preostalih plinov pa se raztopi v stekleni tekočini, majhna količina plinov pa še vedno obstaja v stekleni tekočini v obliki mehurčkov. V steklu obstajajo tri glavna stanja plina, in sicer vidni mehurčki, raztopljeni plini in plini, ki tvorijo kemične vezi s steklenimi komponentami. Zadnja dva sta nevidna in ne bosta vplivala na kakovost videza stekla. Postopek bistrenja steklene tekočine je predvsem postopek odstranjevanja vidnih mehurčkov.
Med postopkom bistrenja poteka odstranjevanje vidnih mehurčkov na naslednja dva načina. 1. Poveča volumen mehurčkov, pospeši njihov dvig in se zlomijo ter izginejo, ko izplavijo iz steklene površine. 2. Naj se plinske komponente v majhnih mehurčkih raztopijo v stekleni tekočini, mehurčki pa se absorbirajo in izginejo.
Da bi pospešili bistrenje steklene tekočine, se poleg dodajanja določenih bistril v serijo na splošno uporablja metoda zvišanja temperature steklene tekočine. Ta stopnja večine kozarcev se konča pri 1400 ~ 1500 stopinjah, kar je pogosto območje najvišje temperature pri taljenju stekla. Viskoznost steklene tekočine med postopkom bistrenja je n≈10Pa·s.

Vloga homogenizacije je odstraniti črte in druge nehomogenosti v stekleni tekočini, tako da je kemična sestava vsakega dela steklene tekočine enotna. V tej fazi zaradi toplotnega gibanja in medsebojne difuzije steklene tekočine proge v stekleni tekočini postopoma izginejo, kemična sestava vsakega dela steklene tekočine pa postopoma teži k doslednosti. Za to enotnost je pogosto značilno, ali je lomni količnik vsakega dela steklene tekočine enak. Večina kozarcev je dokončanih na tej stopnji, ko je temperatura nekoliko nižja od temperature stopnje bistrenja.

Homogenizirane steklene tekočine ni mogoče takoj oblikovati v izdelke, ker je temperatura steklene tekočine v tem času visoka in viskoznost nižja od tiste med oblikovanjem. Ni primeren za postopke oblikovanja stekla. Treba ga je ohladiti in temperatura steklene tekočine se postopoma zniža, da se poveča viskoznost steklene tekočine, da zadosti potrebam oblikovanja. Vrednost znižanja temperature steklene tekočine se spreminja glede na sestavo stekla in način oblikovanja. Na splošno je treba natrijevo steklo običajno ohladiti za 200 ~ 300 stopinj. Ohlajena steklena tekočina potrebuje enakomerno temperaturo za lažje oblikovanje.
Med ohlajanjem mora prečiščena steklena tekočina preprečiti ponovno obarjanje mehurčkov. Majhni mehurčki, ki se pojavijo na tej stopnji, se imenujejo sekundarni ali regenerirani mehurčki. Sekundarni mehurčki so enakomerno porazdeljeni po ohlajeni stekleni tekočini, s premerom na splošno pod 0.1 mm. Število lahko doseže tisoče na kubični centimeter stekla. Ker je bila temperatura steklene tekočine na tej stopnji znižana, je zelo težko odstraniti sekundarne mehurčke. Zato je treba med postopkom hlajenja še posebej preprečiti nastajanje sekundarnih mehurčkov.
Pet stopenj v zgornjem procesu taljenja stekla se med seboj razlikuje, vendar je med seboj povezanih. Te stopnje se dejansko ne izvajajo v strogem vrstnem redu, ampak se pogosto izvajajo sočasno.

Temperatura vsake točke vzdolž dolžine rezervoarske peči z neprekinjenim delovanjem je drugačna, vendar je časovno določena, tako da je mogoče vzpostaviti stabilen temperaturni sistem. Pravilnost sistema procesa taljenja ne vpliva samo na kakovost staljenega stekla, temveč določa tudi izhod staljenega stekla. Kot je prikazano na sliki 2-10, sistem temperature taljenja stekla za steklenice v peči z neprekinjenim delovanjem.
Ne glede na to, ali gre za vodoravno peč s plamenskim rezervoarjem ali za peč s podkvastim topom, ima njegov temperaturni sistem vpliv na hitrost taljenja steklene tekočine, pretok steklene tekočine, postopek oblikovanja, porabo goriva in starost peči. Steklo za steklenice so steklenice in pločevinke na trgu v glavnem razdeljene v štiri kategorije glede na barvo: brezbarvno, svetlo modro, smaragdno zeleno in rjavo. Ko se spremeni barva stekla ali se spremeni koncentracija barve stekla, to močno vpliva na obliko prenosa toplote in učinkovitost. Kar zadeva postopek taljenja, je učinek obarvanja stekla na procesne pogoje veliko bolj očiten in resen kot učinek sprememb sestave stekla. Velika razlika je v porazdelitvi temperature stekla različnih barv v peči. 2-24 so temperaturni parametri več barv stekla v peči.

Iz tabele 2-24 je razvidno, da so pri isti temperaturi taljenja očitne razlike v površinski temperaturi tekočine in temperaturi dna bazena kozarcev različnih barv. V peči za taljenje stekla obstajajo tri oblike prenosa toplote: sevanje, konvekcija in prevodnost. Za stekla različnih barv velja, da močnejša kot je sposobnost absorpcije sevalne svetlobe, to je močnejša kot je sposobnost absorpcije visokotemperaturne toplote sevanja, več toplote absorbira steklena površina in manj toplote se prenese skozi stekleno telo v oblika sevanja. Z vidika temperature površine tekočine ima rjavo steklo najmočnejšo sposobnost absorpcije toplote in najvišjo temperaturo površine tekočine; drugo je smaragdno zeleno steklo, tretje pa svetlo modro steklo. Z vidika temperature dna bazena postane težava nekoliko zapletena: svetlo modro steklo ima slabo sposobnost absorbiranja sevalne svetlobe, več toplote pa se prenese na dno bazena skozi stekleno telo v obliki sevanja, zato je dno bazena temperatura je višja; smaragdno zeleno steklo ima močno sposobnost absorbiranja sevalne svetlobe, manj toplote pa se skozi stekleno telo prenese na dno bazena v obliki sevanja, zato je temperatura dna bazena nižja. Vendar pa ima rjavo steklo močno sposobnost absorbiranja sevalne svetlobe, temperatura na dnu bazena pa je veliko višja od temperature smaragdno zelenega stekla. Razlog je lahko: steklo v bazenu je razdeljeno na več tekočih plasti.

Ker je prepustnost svetlobe rjavega stekla šibka, je temperaturna razlika med plastmi tekočine velika in mora biti velik temperaturni gradient vzdolž globine bazena. Vendar pa zaradi močne sposobnosti absorpcije toplote rjavega stekla, potem ko zgornja steklena tekočina absorbira toploto, temperatura naraste, prostornina se razširi in v vodoravni smeri nastane potisk proti okolici. Ta potisk spremeni stena bazena in se prenese na spodnjo plast tekočine, ki tvori konvekcijsko silo. Izboljšanje konvektivnega prenosa toplote nadomesti pomanjkanje prenosa toplote s sevanjem, zato je temperatura na dnu rjavega steklenega bazena višja.

Na splošno lahko pri enakih procesnih pogojih in temperaturnem sistemu za stekla z enakimi komponentami, vendar različnimi barvami, taljenje rjavega stekla doseže boljšo enakomernost stekla in večjo hitrost taljenja. Razlog je ravno v močni konvekciji, ki jo povzroča močna sposobnost absorpcije toplote rjavega stekla. Seveda bo posredovanje naprave za mehurčke spremenilo pogoje prenosa toplote. Pri taljenju smaragdno zelenega stekla, če želite izboljšati spodnjo temperaturo, enakomernost stekla in učinkovitost taljenja, je namestitev naprave za mehurčke učinkovit ukrep. Ko želite spremeniti različne barve tekočine v isti peči, je treba procesne elemente talilnega dela, delovnega dela in dovodnega kanala ustrezno prilagoditi spremembam stanja procesa, ki jih povzroči "razlika v prenosu toplote" barve stekla .