شيشه فلوت چيست و چگونه ساخته مي شود؟

شيشه فلوت چيست و چگونه برای نمای شیشه ای استفاده مي شود؟

مقدمه :

از زمان معرفي شيشه فلوت در سال 1959 توسط پيلكينگتون فرآيند فلوت آرام آرام به نحو گسترده‌اي جايگزين فرآيندهاي شيشه تخت گرديده است. امروزه حدود 180 طرح فلوت با ظرفيت توليدي در حدود 40 ميليون تن در سال وجود دارد. اين مقدار متناظر با حدود 35 % كل توليد شيشه در جهان است .

شيشه تخت حاصل از روش فلوت در مقايسه با فرآيندهاي توليد قديمي‌تر شيشه تخت مزايايي دارد كه عبارتند از :

-فرآيند فلوت قادر است شيشه تخت با كيفيت بالا در محدوده ضخامتي 5/0 تا 25 ميليمتر با عرض نواري بيش از 3 متر توليد نمايد .

- فرآيند توليد شيشه فلوت ظرفيت توليد بالايي را بر خلاف فرآيندهاي قبلي امكان‌پذير مي‌سازد .

- فرآيند فلوت پيوسته بوده و امكان اتوماسيون را تا ميزان زيادي ممكن مي‌سازد .

- كيفيت نوري سطح شيشه فلوت با شيشه پليت سايش خورده پوليش شده قابل مقايسه است .

- با توجه به پيشرفت‌هاي مداوم و بهبودهاي حاصله در 35 سال اخير فرآيند فلوت بي‌دردسرتر و ايمن‌تر از ديگر فرآيندهاي توليد شيشه است .

تاريخچه توليد شيشه شناور :

پيوسته كردن فرآيند توليد شيشه تخت كه از اوايل قرن بيستم آغاز شد، مسير پر فراز و نشيبي را طي كرده است. در اين مسير سه روش كشش، نورد و شناور، تقريباً مراحل آزمايشي خود را همزمان آغاز كردند. دو روش اول به سرعت ارزش تجاري خود را كسب كردند و در توليد انبوه شيشه تخت به كار رفتند. اما عدم موفقيت اين روشها در توليد شيشه‌هاي تخت بدون اعوجاج و بدون نوسانات شديد ضخامت و نيز دردسرهاي فراوان پرداخت و صقيل شيشه نورد شده سبب شد تا نهايتاً توجه شيشه سازان به مزاياي روش شناور جلب شود.

جرقه فكري روش شناور را فردي بنام “ لومباردو ” ايتاليايي زد كه در سال 1900 راهي براي توليد صفحات دي الكتريك تخت با استفاده از مايعي مثل موم يا پارافين بر روي مايع جيوه ابداع كرد و آنرا به ثبت رساند. بلافاصله در سال 1920 ميلادي “ ويليام هيل ” آمريكايي روش جديدي را براي توليد شيشه تخت بر اساس روش ابداعي لومباردو به ثبت رساند.

در اين روش او مذاب شيشه را بر روي سطح مذاب ديگري از فلزات ريخت و سپس با كشيدن مذاب شيشه بر روي سطح فلز حمام مذاب آنرا به صورت ورقه‌اي صاف درآورد . آزمايشهاي اوليه در سال 1920 در كارخانه “ گريگتون ” از شركت آمريكايي “ Pitsburg Plat Glass ” (PPG) صورت گرفت. در اين كارخانه سعي شد با شناور كردن مذاب شيشه بر روي آنتيموان مذاب، عمل تخت كردن شيشه صورت گيرد. ولي آزمايش به دليل عدم موفقيت در تهيه و ساخت بدنه حوضچه‌اي كه بتواند آنتيموان مذاب را نگه دارد متوقف شد .

موفقيت ساخت يك واحد آزمايشي به روش شناور در سال 1950 ميلادي نصيب شركت انگليسي “ برادران پيلكينگتون ” شد . در اين روش كه اولين واحد موفق تجاري آن در سال 1959 ميلادي در انگلستان به توليد رسيد مذاب شيشه پس از طي مراحل ذوب و حبابزدايي، با استفاده از همزنهاي مكانيكي مخصوص، همگون و با درجه حرارت 1050 درجه سانتيگراد و از طريق آجر نسوز يكپارچه‌اي به نام آجر لبه (Spout) وارد حمام قلع مذاب مي‌گردد .

مقدار مذاب ورودي به حمام با كمك يك ديواره معلق متحرك (Tweel) كنترل مي‌شود . مذاب شيشه در حمام قلع ، با شناور شدن بر روي مذاب قلع و در نتيجه تعادل بين نيروهاي كشش سطحي به صورتي كاملاً صاف ، تخت و بدون اعوجاج در مي‌آيد . ضخامت نوار شيشه در داخل حمام قلع با اعمال منحني دمايي خاص و با استفاده از انبركهاي غلتكي مستقر در كناره‌ها و نيز تسمه‌هاي گرافيتي ، ساخته مي‌شود.

شرح كلي فرآيند فلوت :

در اين روش ، شيشه در يك كوره ذوب در دماي حدود 1550 درجه سانتيگراد بدون داگ‌هاوس ذوب مي‌گردد. از اينرو حركت دوراني و گردابي نوارهاي شيشه رخ نمي‌دهد، و همين عامل اثر مطلوبي بر خواص نوري شيشه تخت مي‌گذارد .

ريزش مذاب شيشه به قسمت فلوت از طريق كانالي رخ ميدهد كه در آن مقدار ريزش به وسيله يك بلوك آجر عمودي (Tweel) كنترل مي‌گردد . شيشه با دمايي حدود 1050 درجه سانتيگراد از روي يك سنگ لبه از جنس فيوزكست بر روي حمام قلع مذاب مي‌ريزد كه قلب طرح قسمت شناور است و به صورت فيلمي با ضخامت ثابت گسترده

مي‌شود .

فيلم مزبور در جهت طولي به صورت نواري با عرض بيش از 3 متر گسترده مي‌شود و با كنترل از 1050 به 600 درجه سانتيگراد سرد مي‌گردد. در اين دما، نوار شيشه پيوستگي و سفتي لازم را دارد كه بتواند از حمام قلع بيرون آورده شده و به كانال تنش‌زدايي برسد . در 150 متر طول كوره تنش‌زدايي كه سخت شدن شيشه رخ ميدهد نوار شيشه با كنترل سرد مي‌گردد تا از تنش‌هاي باقيمانده جلوگيري شود . پس از كوره تنش‌زدايي نوار شيشه به صورت پيوسته از بازرسي اپتيكي مي‌گذرد تا معايب شيشه شناسايي گردد و نهايتاً نوار شيشه بريده مي‌شود .

حمام فلوت :

حمام فلوت داراي طولي حدود 40-50 متر و عمق تقريبي 6-7 سانتيمتر و عرض متغير 4-7 متر مي‌باشد. حمام از يك پوسته فلزي كه داخل آن با كمك آجرهاي شاموتي مخصوص پوشيده شده است، تشكيل مي‌شود. نيمي از حمام دو جداره و المنتهاي گرمايي در داخل جداره تعبيه شده‌اند . كنترل دما ، فشار ، اتمسفر و بويژه وضعيت نوار مذاب به صورت اتوماتيك و كامپيوتري انجام مي‌شود.

در واقع قسمت حمام فلوت (حمام قلع) از واني “ نسوز و گرافيت ” براي نگهداري قلع مذاب و همچنين يك اتاق در حد امكان بدون نشت گاز تشكيل شده است كه براي نگهداري اتمسفر احيا كننده “ 10% گاز هيدروژن و 90% گاز نيتروژن ” بكار ميرود تا از اكسيداسيون قلع جلوگيري شود. در فرآيند فلوت از اين واقعيت بهره برده مي‌شود كه در خصوص دو مايع غير قابل امتزاج ، مايع با دانسيته كمتر بر روي مايع سنگين‌تر به شكل يك فيلم پخش و گسترده مي‌شود . يك زمينه محدود كاملاً صاف و مستول از مايع سبك‌تر تحت تأثير وزن مخصوص و انرژي سطحي بوجود مي‌آيد .

براي تحقق بخشيدن به فرآيند فلوت به دنبال مايعي بودند كه بتوان بر روي آن مذاب شيشه را ريخت به نحوي كه بتوان سطح كاملاً مستوي و يكنواختي به وجود آورد . اين مايع بايد بتواند شرايط ضروري ذيل را برآورده كند :

-دانسيته بايستي بيشتر از دانسيته شيشه gr/cm3 5/2 باشد .

-نقطه ذوب بايستي كمتر از 600 درجه سانتيگراد باشد .

-فشار بخار مايع در حدود 1050 درجه سانتيگراد حتي‌المقدور كم باشد .

-مايع نبايستي با مذاب شيشه واكنش شيميايي بدهد .

Ga ، In اساساً براي استفاده در حمام فلوت بر طبق خواص فيزيكي‌شان مناسب هستند . قله مايع بدين جهت انتخاب شد كه در ميان فلزات بالا ارزانترين بود . اين فلز همچنين كمترين واكنش با مذاب شيشه در 1050 درجه سانتيگراد را داشته و كمترين فشار بخار را دارد

مشكلات ساخت شيشه فلوت:

يكي از مشكلات اين روش اين است كه لبه ديواره معلق “ Tweel ” در داخل مذاب قرار دارد و اين خود سبب پيدايش ناخالصي‌ها و آلودگي مذاب مي‌شود كه بعدها پس از مدتي تلاش براي حل اين مشكل با پوشاندن لبه ديواره معلق از پلاتين ، نهايتاً لبه آنرا از مذاب خارج كردند . يكي ديگر از مشكلات بسيار اساسي و مهم اين روش پيچيدگي توليد شيشه‌هاي نازك بود .

كارهاي اوليه نشان مي‌داد كه توسعه و پخش مذاب بر روي قلع تا زماني صورت مي‌گيرد كه ورقه مذاب به يك ضخامت تعادلي در حدود 6 ميليمتر برسد. تجربيات اوليه براي تغيير ضخامت شيشه توليدي با بالا و پايين آوردن سرعت غلتكهاي انتهايي انجام شد، ولي تجربه نشان داد كه اگر سرعت غلتك انتهايي را براي كاهش ضخامت شيشه كم كنند ، عرض ورقه شيشه به شدت كم مي‌شود. مثلاً در تغيير ضخامت به اين روش از 6 به 4 ميليمتر عرض ورقه از 5/2 متر به 75 سانتيمتر مي‌رسيد . لذا از همان ابتدا مشخص بود كه براي كنترل ضخامت ، تحول مهمي بايد در فرآيند توليد شيشه شناور صورت گيرد. براي كنترل ضخامت روي تركيب شيشه نيز كار شد، ولي نتيجه چندان رضايت بخش نبود.

آزمايشهاي انجام شده نشان داد كه تغيير ضخامت با تغيير تركيب كه تعادل بين نيروهاي كشش سطحي را تغيير ميدهد، قدرت تنظيمي بين 6 تا 7 ميليمتر را بيشتر ندارد. پس از تلاشهاي فراوان، تغيير منحني دما در حمام قلع و عملكرد توامان تغيير دما و حركت انبرهاي بالشتكي لبه‌گير براي كنترل ضخامت بسيار موفقيت‌آميز بودند .

در اين روش مذاب با دماي حدود 1050 درجه سانتيگراد (گرانروي 104 پواز) وارد حمام قلع مي‌شود . دماي حمام بتدريج كاهش يافته و در دماي حدود 700 درجه سانتيگراد غلتكهاي زوجي ، لبه‌هاي طرفين شيشه را در اختيار مي‌گيرند . به اين ترتيب عرض شيشه ثابت مي‌ماند . پس از تثبيت عرض و فائق آمدن بر كشش سطحي ، دوباره دماي حمام افزايش مي‌يابد و درجه حرارت نوار شيشه به حدود 850 درجه سانتيگراد ميرسد. در اين مرحله سرعت غلتكهاي انتهايي را افزايش داده و ضخامت را كنترل و تنظيم مي‌كنند . بدين ترتيب امكان توليد شيشه‌هاي نازكتر از 6 ميليمتر و يا ضخيمتر از آن به روش شناور فراهم مي‌شود .

براي توليد شيشه‌هاي ضخيمتر از ضخامت تعادلي ، حركت مذاب در حمام قلع توسط موانع يا ميله‌هاي گرافيتي كنترل مي‌گردد و مانع از پخش آن در عرض حمام مي‌شوند . در اين روش ضخامت ورقه توليدي به مقدار و سرعت كشش شيشه در حمام بستگي دارد . براي جلوگيري از تأثيرات منفي موانع گرافيتي بر روي لبه‌هاي شيشه سعي مي‌كنند كه طول اين موانع در حداقل مورد نياز باشد . در سال 1969 ميلادي توليد شيشه‌اي به ضخامت 15 ميليمتر با اين روش امكان‌پذير گشت .

سومين مشكل مهم روش فلوت ، معضلات شيميايي اين روش بود . وجود كمترين ناخالصي در حمام قلع ، بويژه حضور اكسيژن و گوگرد در فضاي حمام ، حتي در حد يك در ميليون ، با قلع تركيب مي‌شوند و تركيباتي چون SnO و SnS بوجود مي‌آورند كه پس از تبخير و مهاجرت به نواحي سردتر حمام بر روي ورقه شيشه مذاب شبنم مي‌زنند و لكه‌هاي چسبنده‌اي روي سطح ورقه شيشه به وجود مي‌آورند . علاوه بر آن چون حلاليت اكسيد قلع مذاب كم است ، در صورت پيدايش اكسيد قلع ، اين اكسيد به صورت لكه شناوري روي سطح مذاب قلع شناور شده و سطح زيرين شيشه را معيوب مي‌كند و به مرور با نفوذ در ساختار مولكولي شيشه ، در آن باقي مي‌ماند و هنگام خم شيشه در كوره‌هاي عمليات حرارتي ، مثلاً در توليد شيشه خودرو ، سبب پيدايش كدري روي سطح شيشه مي‌شود . كاهش اين ناخالصيها و كنترل دور گردش آنها در كوره و حمام از موارد مهم موفقيت روش فلوت است .

سيكل آلودگي گوگرد و اكسيژن در حمام قلع :

اگر چه همه بررسي‌هاي ممكن نشان مي‌داد كه قلع بهترين و مناسب‌ترين فلز بستر براي شناور سازي نوار شيشه است، اما ويژگي شيميايي اين عنصر ميل شديد تركيبي‌اش با اكسيژن و گوگرد است كه در شرايط دمايي بالا تشديد مي‌گردد به تدريج در فرآيند توليد شيشه مشكلات خاص خود را ايجاد مي‌نمايد. اكسيژن و گوگرد در دو سيكل شيميايي متفاوت سبب آلودگي سطح شيشه و نيز تخريب المنت‌هاي گرمايي حمام قلع مي‌شود .

سيكل آلودگي گوگرد با تشكيل سولفور قلع (استانو) در مذاب قلع آغاز مي‌شود. اين سولفور در محدوده‌ دمايي 1000-1050 درجه سانتيگراد به سرعت بخار شده و از محيط قلع خارج مي‌شود. بخار سولفور استانو، در چرخه كنوكسيوني اتمسفر حمام قلع به نقاط سردتر مهاجرت كرده و بر روي سطح سقف حمام و المنتهاي گرمايي آن كندانسه مي‌شود و پس از طي فرآيند ناقص احيا ، سولفور قلع به قلع فلزي و نهايتاً مخلوطي از سولفور قلع و قلع فلزي به شكل لكه‌هاي ريز و پايدار (با قطره‌هاي متفاوت از 100 تا 1000 ميكرون) بر روي سطح شيشه چكه مي‌كند. وجود ppm 10 سولفور در اتمسفر حمام منجر به تشكيل 100 ميلي‌گرم سولفور قلع در هر متر مكعب از فضاي حمام در دماي 1000-1050 درجه سانتيگراد مي‌گردد. نقش گوگرد در مقايسه با اكسيژن در مورد تشكيل لكه‌هاي سطحي بسيار زيادتر است و لازم است كه بهاي لازم به وجود و حضور اين عنصر در حمام قلع داده شود. براي كنترل سيكل آلودگي گوگرد روش‌هاي متفاوتي تجربه شده است. با توجه به اينكه سقف محل تجمع سولفور قلع است اساس روش‌هاي اوليه تميز كردن سقف حمام با استفاده از دمش هوا يا گرم كردن ناحيه سقف و تسريع فرآيند احيا چكه در يك محدوده زماني كوتاه بود كه معمولاً در هنگام تميز كردن سقف شيشه، توليد غير قابل استفاده مي‌شد. اكنون روش ريشه‌اي‌تري در اين مورد اتخاذ شده است. در واقع تجربه سالهاي گذشته در مورد كنترل كاهش سولفات سديم كه بيشتر در كشورهاي اروپايي جهت كاهش آلودگي محيط زيست انجام مي‌گرفت، نشان داد كه اين كاهش به شدت در تقليل سيكل گوگرد مؤثر بوده است. به همين جهت اكنون براي كنترل اين چرخه آلودگي از ورود گوگرد به داخل حمام قلع از طريق اتمسفر كوره و يا نوار شيشه حتي‌الامكان با كاهش مصرف عوامل گوگرد دار خودداري مي‌شود. سيكل آلودگي اكسيژن نيز با تركيب اكسيژن و قلع و تشكيل اكسيد قلع (استانو) آغاز مي‌گردد.

بخشي از اكسيد قلع حاصل تبخير و بخشي نيز در مذاب قلع حل مي‌شود . بخار SnO در نواحي سردتر روي سطح شيشه كندانسه و موجب تشكيل لكه‌هاي پايدار بر روي سطح شيشه مي‌شود . اكسيد قلع محلول پس از رسيدن به حد اشباع از مذاب قلع خارج و به صورت اكسيد استانيك روي سطح مذاب قلع شناور گشته و سطح زيرين نوار شيشه را آلوده و كدر مي‌كند . از همان ابتداي شكل‌گيري اين تكنولوژي براي كاستن از مسأله آلودگي اكسيژن ، تنها راه عملي جلوگيري از ورود اكسيژن به داخل حمام تشخيص داده شد و در اين رابطه ضمن كنترل اتمسفر حمام با استفاده از هيدروژن و نيتروژن ، روش‌هاي دقيقتري براي درزبندي و جلوگيري از نفوذ ديفوزيوني اكسيژن به داخل حمام اتخاذ شد وجود حدود 10 درصد هيدروژن در اتمسفر حمام قلع ، در صورت اكسيژن به داخل حمام با جذب آن و تشكيل مولكولهاي H2O ، سيكل آلودگي اكسيژن را متوقف مي‌سازد . به هر حال در حال حاضر مسأله آلودگي اكسيژن و گوگرد ، مشكل عمده در توليد شيشه فلوت نمي‌باشد و روش‌هاي كنترل و محدود كردن آن كاملاً شناخحته شده هستند .

اما آلودگي سطح نوار شيشه به قلع يا اكسيد قلع هنوز از مباحث جالب و مورد پيگيري در اين صنعت است . بررسي‌هاي فعلي نشان داده است كه در تركيب صد انگستروم اول سطح شيشه بيش از 30 درصد اكسيد قلع وجود دارد . در مواردي آلودگي‌هاي سطحي اگر چه ممكن است ظاهراً محسوس نباشد ولي در مراحل بعدي كار با شيشه ، بويژه در فرآيندهاي تكميلي مثل توليد شيشه نشكن يا خم براي مصارف ساختماني يا اتومبيل سبب پيدايش كدري در سطح شيشه مي‌گردند .

نتيجه‌گيري :

ابداع فرآيند شناور (فلوت) براي توليد پيوسته نواري از شيشه تخت با دو سطح موازي ، بدون اعوجاج و بدون نوسانات ضخامت ، گنجينه گرانبهايي از انواع كاوشهاي علمي و تكنولوژيكي را براي مهندسان و دانشمندان به همراه داشته است . انديشمندان تلاشهاي زيادي كرده‌اند تا جنبه‌هاي مختلف اين فرآيند اعجاب‌انگيز را با استفاده از قوانين فيزيك توضيح دهند .

دستيابي به قانونمنديهاي حاكم بر تشكيل نوار شيشه در اين فرآيند اكنون عرصه‌هاي جديدتري را در تكوين و ابداعات نوين اين تكنولوژي ايجاد كرده است و توسعه و تكميل اين تكنولوژي در سالهاي اخير سرعت بيشتري يافته و از شكل اوليه خود بسيار فاصله گرفته است . اكنون نسل جديدي از واحدهاي توليد شيشه فلوت در حال شكل‌گيري است .

مقالاتی که شاید دوست داشته باشید بخوانید:

دانستنی هایی درباره طراحی و اجرای نمای ساختمان

نمای کرتین وال

مقاله جامع درباره نمای فریم لس

نرده شیشه ای و مزایای آن