أخبار

الفقاعات، وهي تقنية بالغة الأهمية وواسعة الاستخدام في التجانس القسري، تؤثر بشكل كبير ومعقد على عمليات التنقية والتجانس للزجاج المنصهر. فيما يلي تحليل مفصل.

1. مبدأ تقنية الفقاعات

تتضمن عملية الفقاعات تركيب صفوف متعددة من الفقاعات (الفوهات) في أسفل فرن الصهر (عادةً في الجزء الأخير من منطقة الصهر أو منطقة التصفية). يُحقن غاز محدد، عادةً ما يكون هواءً مضغوطًا أو نيتروجينًا أو غازًا خاملًا، في الزجاج المنصهر عالي الحرارة بشكل دوري أو مستمر. يتمدد الغاز ويرتفع عبر الزجاج المنصهر، مُكوّنًا أعمدة من الفقاعات المتصاعدة.

2. تأثير الفقاعات على عملية التصفية (إيجابي في المقام الأول)

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

الترويج لإزالة الفقاعات

تأثير الشفط:تتشكل منطقة ضغط منخفض في أعقاب الفقاعات الكبيرة المتصاعدة، مما يُحدث "تأثير ضخ". يجذب هذا التأثير بفعالية فقاعات دقيقة من الزجاج المنصهر المحيط، ويجمعها، ويدمجها، حاملاً إياها إلى السطح لطردها.

انخفاض قابلية ذوبان الغازيمكن للغاز المحقون، وخاصةً الغاز الخامل، أن يُخفف الغازات المذابة في الزجاج المنصهر (مثل ثاني أكسيد الكبريت، والأكسجين، وثاني أكسيد الكربون)، مما يُقلل ضغطها الجزئي. هذا يُسهّل ذوبان الغازات المذابة في الفقاعات المتصاعدة.

انخفاض التشبع المحلي الفائق:توفر الفقاعات المتصاعدة واجهة جاهزة بين الغاز والسائل، مما يجعل من الأسهل للغازات المذابة المشبعة أن تذوب وتنتشر في الفقاعات.

مسار التصفية المختصر:تعمل أعمدة الفقاعات المتصاعدة كـ "مسارات سريعة"، مما يؤدي إلى تسريع هجرة الغازات المذابة والفقاعات الدقيقة نحو السطح.

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

الآثار السلبية المحتملة (تتطلب التحكم)

مقدمة للفقاعات الجديدةفي حال عدم التحكم بشكل صحيح في معايير الفقاعات (ضغط الغاز، وتردده، ونقائه)، أو انسداد الفوهات، قد تُنتج العملية فقاعات صغيرة جديدة غير مرغوب فيها. إذا لم تُزال هذه الفقاعات أو تُذاب في عمليات التنقية اللاحقة، فإنها تُصبح عيوبًا.

اختيار الغاز غير المناسب:إذا تفاعل الغاز المحقون بشكل غير ملائم مع الزجاج المنصهر أو الغازات المذابة، فقد ينتج عنه غازات أو مركبات يصعب إزالتها، مما يعيق عملية التنقية.

3. تأثير الفقاعات على عملية التجانس (إيجابي في المقام الأول)

تعمل الفقاعات على تعزيز عملية الخلط والتجانس بشكل كبيرالزجاج المنصهر.

تعزيز الحمل الحراري والتحريك

الدورة العموديةمع ارتفاع أعمدة الفقاعات، تُنتج كثافتها المنخفضة مقارنةً بالزجاج المنصهر تدفقًا قويًا صاعدًا. ولتعويض الزجاج الصاعد، يتدفق الزجاج المحيط والسفلي أفقيًا نحو عمود الفقاعات، مما يُحدث تدفقًا قويًا.الدورة الدموية الرأسيةأوالحمل الحرارييؤدي هذا الحمل القسري إلى تسريع عملية الخلط الأفقي للزجاج المنصهر بشكل كبير.

خلط القص:إن الفرق في السرعة بين الفقاعات المتصاعدة والزجاج المنصهر المحيط يولد قوى قص، مما يعزز الاختلاط الانتشاري بين طبقات الزجاج المتجاورة.

تجديد الواجهة:إن التحريك الناتج عن الفقاعات المتصاعدة يعمل على تجديد واجهات التلامس بين الزجاج ذي التركيبات المختلفة بشكل مستمر، مما يحسن كفاءة الانتشار الجزيئي.

تعطيل الطبقات والخطوط

الحمل الحراري القوي يكسر بشكل فعالالتقسيم الطبقي الكيميائي أو الحراريوخطوطناتجة عن اختلافات الكثافة، أو تدرجات الحرارة، أو التغذية غير المتساوية. تُدمج هذه الطبقات في التدفق الرئيسي للخلط.

وهذا مفيد بشكل خاص في التخلص من"المناطق الميتة"في قاع الخزان، مما يقلل من التبلور أو عدم التجانس الشديد الناجم عن الركود لفترات طويلة.

تحسين كفاءة التجانس

بالمقارنة مع الحمل الحراري الطبيعي أو تدفقات التدرج الحراري، فإن الحمل الحراري القسري الناتج عن الفقاعات لهكثافة طاقة أعلى ونطاق أوسعيؤدي هذا إلى تقصير الوقت المطلوب لتحقيق المستوى المطلوب من التجانس أو تحقيق مستوى أعلى من التوحيد في نفس الإطار الزمني بشكل كبير.

الآثار السلبية المحتملة (تتطلب الاهتمام)

تآكل المواد المقاومة للحرارة:يمكن أن يؤدي التدفق السريع للفقاعات المتصاعدة والحمل الحراري الشديد الناتج عنها إلى تآكل وتآكل أقوى في قاع الخزان وجداره الجانبي للمواد المقاومة للحرارة، مما يُقصّر عمر الفرن. كما يمكن أن يُدخل هذا نواتج التآكل إلى الزجاج المنصهر، مما يُؤدي إلى ظهور مصادر جديدة لعدم التجانس (مثل الحجارة والخطوط).

تعطيل أنماط التدفقإذا كان تصميم نقطة الفقاعات، أو حجم الفقاعات، أو ترددها سيئًا، فقد يتداخل ذلك مع درجة الحرارة الأصلية المفيدة وحقول التدفق الطبيعي داخل خزان الصهر. وقد يؤدي ذلك إلى ظهور مناطق أو دوامات غير متجانسة جديدة.

4. معلمات التحكم الرئيسية لتقنية الفقاعات

وضع الفقاعاتعادةً ما يكون ذلك في الجزء الأخير من منطقة الصهر (لضمان ذوبان معظم المواد الخام) ومنطقة التصفية. يجب اختيار الموقع لتحسين مجالي التدفق ودرجة الحرارة.

اختيار الغازتشمل الخيارات الهواء (منخفض التكلفة، ولكنه ذو خصائص مؤكسدة قوية)، والنيتروجين (خامل)، والغازات الخاملة مثل الأرجون (أفضل خمول، ولكنه مكلف). يعتمد الاختيار على تركيبة الزجاج، وحالة الأكسدة والاختزال، والتكلفة.

حجم الفقاعة:الحل الأمثل هو إنتاج فقاعات أكبر (يتراوح قطرها بين عدة مليمترات وسنتيمترات). ترتفع الفقاعات الصغيرة ببطء، ولها تأثير شفط ضعيف، وقد يصعب إخراجها، مما يؤدي إلى عيوب. يتم التحكم في حجم الفقاعات من خلال تصميم الفوهة وضغط الغاز.

تردد الفقاعاتغالبًا ما يكون الغلي الدوري (مثلًا، مرة كل بضع دقائق) أكثر فعالية من الغلي المستمر. فهو يُحدث اضطرابات قوية، مع إتاحة الوقت الكافي لطرد الفقاعات واستقرار الزجاج. يجب أن تتناسب شدة الغلي (معدل تدفق الغاز والضغط) مع عمق الزجاج ولزوجته.

تخطيط نقطة الفقاعة:يضمن ترتيب صفوف متعددة بشكل متدرج يغطي كامل عرض الخزان وصول الحمل الحراري إلى جميع الزوايا، مما يمنع تشكل "مناطق ميتة". يجب تحسين التباعد.

نقاء الغاز:يجب تجنب الشوائب مثل الرطوبة أو الغازات الأخرى لمنع حدوث مشاكل جديدة.

في الختام، تُعدّ الفقاعات تقنيةً بالغة الأهمية، إذ تُحقن الغاز في الزجاج المصهور لخلق دوران عمودي قوي واهتزاز. ولا يقتصر هذا على تسريع عملية التصفية الداخلية بشكل ملحوظ، مما يُساعد على اندماج الفقاعات الصغيرة والكبيرة وطردها، بل يُفتّت أيضًا الطبقات غير المتجانسة كيميائيًا وحراريًا بفعالية، ويزيل مناطق التدفق الميت. وبالتالي، يُحسّن هذا بشكل كبير كفاءة التجانس وجودة الزجاج. ومع ذلك، يُعدّ التحكم الدقيق في المعايير الرئيسية، مثل اختيار الغاز وموضعه وتردده وحجم الفقاعات، أمرًا ضروريًا لتجنب ظهور عيوب فقاعية جديدة، أو تفاقم تآكل المواد المقاومة للحرارة، أو إتلاف مجال التدفق الأصلي. لذلك، على الرغم من عيوبها المحتملة، تُعدّ الفقاعات تقنيةً رئيسيةً يُمكن تحسينها لتحسين تصنيع الزجاج بشكل كبير.