أخبار

تُعدّ عملية الفقاعات تقنية بالغة الأهمية وشائعة الاستخدام في التجانس القسري، وتؤثر بشكل كبير ومعقد على عمليات تنقية وتجانس الزجاج المنصهر. إليكم تحليلًا مفصلًا.

1. مبدأ تقنية الفقاعات

تتضمن عملية الفقاعات تركيب صفوف متعددة من الفوهات في قاع فرن الصهر (عادةً في الجزء الأخير من منطقة الصهر أو منطقة التصفية). يُضخ غاز معين، عادةً ما يكون هواءً مضغوطًا أو نيتروجينًا أو غازًا خاملًا، في الزجاج المنصهر ذي درجة الحرارة العالية بشكل دوري أو مستمر. يتمدد الغاز ويرتفع عبر الزجاج المنصهر، مكونًا أعمدة من الفقاعات المتصاعدة.

2. تأثير الفقاعات على عملية الترويق (إيجابي في الغالب)

تساعد عملية الفقاعات بشكل أساسي على إزالة فقاعات الغاز، وبالتالي تصفية الزجاج.

تعزيز إزالة الفقاعات

تأثير الشفطتتشكل منطقة ضغط منخفض في أعقاب الفقاعات الكبيرة الصاعدة، مما يخلق "تأثير ضخ". وهذا يسحب ويجمع ويدمج بكفاءة الفقاعات الدقيقة من الزجاج المنصهر المحيط، ويحملها إلى السطح لطردها.

انخفاض قابلية ذوبان الغازيمكن للغاز المحقون، وخاصة الغاز الخامل، أن يخفف تركيز الغازات المذابة في الزجاج المنصهر (مثل ثاني أكسيد الكبريت، والأكسجين، وثاني أكسيد الكربون)، مما يقلل من ضغطها الجزئي. وهذا يُسهّل انفصال الغازات المذابة إلى الفقاعات الصاعدة.

انخفاض التشبع الموضعيتوفر الفقاعات الصاعدة واجهة جاهزة بين الغاز والسائل، مما يسهل على الغازات المذابة فائقة التشبع أن تنفصل وتنتشر في الفقاعات.

مسار التصفية المختصرتعمل أعمدة الفقاعات الصاعدة بمثابة "مسارات سريعة"، مما يؤدي إلى تسريع هجرة الغازات المذابة والفقاعات الدقيقة نحو السطح.

اضطراب طبقة الرغوة: بالقرب من السطح، تساعد الفقاعات الصاعدة على تفتيت طبقة الرغوة الكثيفة التي يمكن أن تعيق طرد الغاز.

الآثار السلبية المحتملة (تتطلب مراقبة)

تقديم فقاعات جديدةإذا لم يتم التحكم بشكل صحيح في معايير الفقاعات (ضغط الغاز، والتردد، والنقاء) أو إذا كانت الفوهات مسدودة، فقد تُدخل العملية فقاعات صغيرة جديدة غير مرغوب فيها. وإذا لم يُمكن إزالة هذه الفقاعات أو إذابتها في عمليات الترويق اللاحقة، فإنها تُصبح عيوبًا.

اختيار الغاز غير المناسبإذا تفاعل الغاز المحقون بشكل غير موات مع الزجاج المنصهر أو الغازات المذابة، فقد ينتج عنه غازات أو مركبات يصعب إزالتها، مما يعيق عملية التصفية.

3. تأثير الفقاعات على عملية التجانس (إيجابي في الغالب)

تعمل الفقاعات بشكل كبير على تحسين عملية الخلط والتجانس لـالزجاج المنصهر.

زيادة الحمل الحراري والتحريك

الدوران الرأسيمع ارتفاع أعمدة الفقاعات، تخلق كثافتها المنخفضة مقارنةً بالزجاج المنصهر تدفقًا قويًا إلى الأعلى. ولإعادة ملء الزجاج الصاعد، يتدفق الزجاج المحيط والسفلي أفقيًا باتجاه عمود الفقاعات، مما يخلق قوةً هائلة.الدوران الرأسيأوالحمل الحراري. تعمل هذه الحمل الحراري القسري على تسريع عملية الخلط الأفقي للزجاج المنصهر بشكل كبير.

الخلط بالقص: يؤدي اختلاف السرعة بين الفقاعات الصاعدة والزجاج المنصهر المحيط بها إلى توليد قوى القص، مما يعزز الخلط الانتشارى بين طبقات الزجاج المتجاورة.

تجديد الواجهة: تعمل حركة الفقاعات الصاعدة باستمرار على تجديد أسطح التلامس بين الزجاج ذي التركيبات المختلفة، مما يحسن كفاءة الانتشار الجزيئي.

اضطراب الطبقات والخطوط

تعمل تيارات الحمل الحراري القوية على تفتيت التيارات الهوائية القوية بشكل فعالالتطبق الكيميائي أو الحراريوخطوطتنتج هذه الطبقات عن اختلافات الكثافة، أو تدرجات درجة الحرارة، أو التغذية غير المتساوية. ويتم دمج هذه الطبقات في التدفق الرئيسي للخلط.

وهذا مفيد بشكل خاص في القضاء على"مناطق ميتة"في قاع الخزان، مما يقلل من التبلور أو عدم التجانس الشديد الناتج عن الركود المطول.

تحسين كفاءة التجانس

بالمقارنة مع الحمل الحراري الطبيعي أو تدفقات تدرج درجة الحرارة، فإن الحمل الحراري القسري الناتج عن الفقاعات لهكثافة طاقة أعلى ومدى أوسعوهذا يقلل بشكل كبير من الوقت اللازم لتحقيق مستوى التجانس المطلوب أو يحقق توحيدًا أعلى خلال نفس الإطار الزمني.

الآثار السلبية المحتملة (تتطلب الانتباه)

تآكل المواد المقاومة للحرارةقد يؤدي التدفق السريع للفقاعات الصاعدة والتيارات الحرارية الشديدة التي تُحدثها إلى تآكل وتلف أكبر في قاع الخزان وجدرانه المقاومة للحرارة، مما يُقصر عمر الفرن. كما قد يُدخل ذلك نواتج التآكل إلى الزجاج المنصهر، مُسبباً مصادر جديدة لعدم التجانس (كالحصى والخطوط).

اضطراب أنماط التدفقإذا كان تصميم نقطة الفقاعات أو حجمها أو ترددها غير مناسب، فقد يؤثر ذلك سلبًا على درجة الحرارة الأصلية المفيدة ومجالات التدفق الطبيعية داخل خزان الصهر. وقد يؤدي ذلك إلى ظهور مناطق أو دوامات غير متجانسة جديدة.

4. معايير التحكم الرئيسية لتقنية الفقاعات

وضع الفقاعاتعادةً ما يتم ذلك في الجزء الأخير من منطقة الانصهار (لضمان انصهار معظم المواد الخام) ومنطقة التصفية. يجب اختيار الموضع لتحسين تدفق المواد ومجالات درجة الحرارة.

اختيار الغازتشمل الخيارات الهواء (منخفض التكلفة، لكنه يتمتع بخصائص أكسدة قوية)، والنيتروجين (خامل)، والغازات الخاملة مثل الأرجون (أفضل خامل، لكنه مكلف). يعتمد الاختيار على تركيبة الزجاج، وحالة الأكسدة والاختزال، والتكلفة.

حجم الفقاعةالهدف الأمثل هو إنتاج فقاعات أكبر حجماً (يتراوح قطرها بين عدة ملليمترات وسنتيمترات). أما الفقاعات الصغيرة فتصعد ببطء، ويكون تأثير الشفط فيها ضعيفاً، وقد لا تُطرد بسهولة، ما يجعلها عيوباً. ويتم التحكم في حجم الفقاعة من خلال تصميم الفوهة وضغط الغاز.

تردد الفقاعاتيُعدّ النفخ الدوري (مثلاً، مرة كل بضع دقائق) أكثر فعالية من النفخ المستمر. فهو يُحدث اضطرابات قوية مع إتاحة الوقت الكافي لخروج الفقاعات واستقرار الزجاج. يجب أن تتناسب شدة النفخ (معدل تدفق الغاز وضغطه) مع عمق الزجاج ولزوجته.

تخطيط نقطة الفقاعاتيضمن ترتيب صفوف متعددة بنمط متداخل يغطي العرض الكامل للخزان وصول الحمل الحراري إلى جميع الزوايا، مما يمنع "المناطق الميتة". يجب تحسين التباعد.

نقاء الغازيجب تجنب الشوائب مثل الرطوبة أو الغازات الأخرى لمنع حدوث مشاكل جديدة.

في الختام، تُعدّ تقنية الفقاعات تقنيةً أساسيةً لحقن الغاز في الزجاج المنصهر، مما يُحدث دورانًا رأسيًا قويًا وتحريكًا فعالًا. لا يُسرّع هذا فقط عملية التصفية الداخلية بشكلٍ ملحوظ، مُساعدًا الفقاعات الصغيرة والكبيرة على الاندماج والخروج، بل يُفكّك أيضًا بفعالية الطبقات غير المتجانسة كيميائيًا وحراريًا، ويُزيل مناطق التدفق الراكد. وبالتالي، يُحسّن بشكلٍ كبير كفاءة التجانس وجودة الزجاج. مع ذلك، يُعدّ التحكم الدقيق في المعايير الرئيسية، مثل اختيار الغاز وموقعه وتردده وحجم الفقاعات، أمرًا ضروريًا لتجنب ظهور عيوب فقاعية جديدة، أو تفاقم تآكل المواد المقاومة للحرارة، أو تعطيل مجال التدفق الأصلي. لذلك، ورغم وجود بعض العيوب المحتملة، تُعدّ تقنية الفقاعات تقنيةً أساسيةً يُمكن تحسينها لتعزيز صناعة الزجاج بشكلٍ كبير.