Taljenje stekla za steklenice

Taljenje stekla je zelo zapleten proces. Materiali serije bodo podvrženi vrsti fizikalnih, kemičnih in fizikalno-kemijskih sprememb in reakcij pri visokih temperaturah. Rezultati teh sprememb in reakcij spremenijo mehansko mešanico različnih surovin v kompleksno talino, namreč stekleno tekočino.
Glede na spremembe in reakcije, ki se pojavijo v šaržnih materialih 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 silikata, reakcija nastajanja silikata pa se večinoma izvaja v trdnem stanju. V tej fazi je sestava prahu podvržena vrsti fizikalnih in kemičnih sprememb. Velika količina plinastih snovi v prahu izhlapi. Nato začnejo silicijev dioksid in druge komponente medsebojno delovati. Na koncu te stopnje se konča glavna reakcija v trdnem stanju in prah postane sinter, sestavljen iz silikata in silicijevega oksida. Za večino kozarcev se ta stopnja v bistvu konča pri 800~900 stopinjah.

Z nadaljnjim segrevanjem se sintranje, ki nastane v fazi nastajanja silikata, začne topiti, najprej se začne taliti zmes z nizkim tališčem, silikat in preostali silicijev dioksid pa se topita in difundirata, sintranje pa postane prozorna steklena tekočina. Ta proces se imenuje faza tvorbe stekla. Trenutno ni nezreagiranega šaržnega materiala, vendar je v steklu še vedno veliko 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 steklena tekočina dodatno segreje, se bo viskoznost steklene tekočine zmanjšala. Postopek odstranjevanja vidnih mehurčkov v stekleni tekočini je postopek bistrenja steklene tekočine.
Med stopnjami tvorbe silikata in tvorbe stekla se zaradi razgradnje šaržnih materialov, izhlapevanja nekaterih komponent, redoks reakcije oksidov, 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. Majhen del plina še obstaja v stekleni tekočini v obliki mehurčkov. Obstajajo tri glavna stanja plina v steklu, 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, izplavajo iz steklene površine, se razbijejo in izginejo. 2. Poskrbite, da 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 bistrilnikov v serijo na splošno uporablja metoda zvišanja temperature steklene tekočine. Ta stopnja pri večini kozarcev se zaključi pri 1400~1500o stopinjah, kar je pogosto območje najvišje temperature pri taljenju stekla. Viskoznost steklene tekočine med bistrenjem je 1~10 Pa·s.

Vloga homogenizacije je odpraviti 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. Ta stopnja večine kozarcev se zaključi pri temperaturi, ki je nekoliko nižja od temperature stopnje bistrenja.

Homogenizirane steklene tekočine ni mogoče takoj oblikovati v izdelke, ker je temperatura steklene tekočine v tem trenutku visoka in viskoznost nižja od tiste med oblikovanjem, kar ni primerno 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 nastajanje 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 pa 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, a so tudi med seboj povezane. Te stopnje dejansko ne potekajo v strogem vrstnem redu, ampak se pogosto pojavljajo hkrati.

Temperatura na vsaki točki vzdolž dolžine neprekinjeno delujoče rezervoarske peči je drugačna, vendar je skozi čas konstantna, zato je mogoče vzpostaviti stabilen temperaturni sistem. Pravilnost sistema procesa taljenja ne vpliva samo na kakovost staljenega stekla, temveč določa tudi izhod staljenega stekla. Slika 2-10 prikazuje temperaturni sistem taljenja stekla za steklenice v rezervoarski peči z neprekinjenim delovanjem.

Ne glede na to, ali gre za vodoravno plamensko bazensko peč ali cestno plamensko bazensko peč, njen temperaturni sistem vpliva na stopnjo pečenja steklene tekočine, pretok steklene tekočine, postopke 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 bistveno vpliva na obliko prenosa toplote in učinkovitost prenosa toplote. V smislu procesa taljenja je vpliv sprememb barve stekla na procesne pogoje veliko bolj očiten in resen kot vpliv sprememb sestave stekla. Velika razlika je v porazdelitvi temperature različnih barvnih stekel 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. Obstajajo tri oblike prenosa toplote v peči za taljenje stekla: 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 in več toplote se skozi stekleno telo prenese na dno bazena 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, ko zgornja steklena tekočina absorbira toploto, temperatura naraste, prostornina se razširi in v vodoravni smeri nastane sunek 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 .