การหลอมแก้วขวด

การหลอมแก้วเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมาก วัตถุดิบในแต่ละชุดจะต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เคมี และฟิสิกเคมี และปฏิกิริยาต่างๆ ที่อุณหภูมิสูง ผลของการเปลี่ยนแปลงและปฏิกิริยาเหล่านี้จะเปลี่ยนส่วนผสมเชิงกลของวัตถุดิบต่างๆ ให้กลายเป็นของเหลวแก้วที่หลอมละลายอย่างซับซ้อน
ตามการเปลี่ยนแปลงและปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในวัตถุดิบแบทช์ในระหว่างกระบวนการหลอมแก้ว ขั้นตอนการหลอมแก้วสามารถแบ่งออกได้เป็น 5 ขั้นตอน คือ การก่อตัวของซิลิเกต การก่อตัวของแก้ว การทำให้บริสุทธิ์ การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน และการทำความเย็น

ขวดแก้วทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยซิลิเกต และปฏิกิริยาการก่อตัวของซิลิเกตส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสถานะของแข็ง ในขั้นตอนนี้ องค์ประกอบของผงจะผ่านการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและเคมีหลายชุด สารก๊าซจำนวนมากในผงจะระเหย จากนั้นซิลิกอนไดออกไซด์และส่วนประกอบอื่นๆ จะเริ่มโต้ตอบกัน ในตอนท้ายของขั้นตอนนี้ ปฏิกิริยาสถานะของแข็งหลักจะสิ้นสุดลง และผงจะกลายเป็นซินเตอร์ที่ประกอบด้วยซิลิเกตและซิลิกอนออกไซด์ สำหรับแก้วส่วนใหญ่ ขั้นตอนนี้จะสิ้นสุดที่ 800~900 องศา

การให้ความร้อนต่อไป ซินเตอร์ที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการก่อตัวของซิลิเกตจะเริ่มละลาย ส่วนผสมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำจะเริ่มละลายก่อน จากนั้นซิลิเกตและซิลิกอนไดออกไซด์ที่เหลือจะละลายและกระจายตัวกัน และซินเตอร์จะกลายเป็นของเหลวแก้วใส กระบวนการนี้เรียกว่าขั้นตอนการก่อตัวของแก้ว ในตอนนี้ จะไม่มีวัสดุแบทช์ที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยา แต่ยังคงมีฟองอากาศและคราบจำนวนมากในแก้ว และองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติก็ไม่สม่ำเสมอเช่นกัน อุณหภูมิของกระจกธรรมดาในขั้นตอนนี้คือ 1,200~1,250 องศา

ในขั้นตอนสุดท้ายของการสร้างแก้ว ยังคงมีฟองอากาศและคราบอยู่มากในแก้ว เมื่อของเหลวในแก้วได้รับความร้อนมากขึ้น ความหนืดของของเหลวในแก้วจะลดลง กระบวนการขจัดฟองอากาศที่มองเห็นได้ในของเหลวในแก้วคือกระบวนการทำให้ของเหลวในแก้วใสขึ้น
ในระหว่างขั้นตอนการก่อตัวของซิลิเกตและการก่อตัวของแก้ว ก๊าซจำนวนมากจะตกตะกอนเนื่องจากการสลายตัวของวัสดุชุด การระเหยของส่วนประกอบบางส่วน ปฏิกิริยารีดอกซ์ของออกไซด์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแก้วและตัวกลางก๊าซและวัสดุทนไฟ ก๊าซเหล่านี้ส่วนใหญ่จะหลุดออกไปในอวกาศ และก๊าซที่เหลือส่วนใหญ่จะละลายในของเหลวแก้ว ก๊าซส่วนเล็กน้อยยังคงอยู่ในของเหลวแก้วในรูปแบบของฟอง ก๊าซในแก้วมีสามสถานะหลัก ได้แก่ ฟองที่มองเห็นได้ ก๊าซที่ละลายอยู่ และก๊าซที่สร้างพันธะเคมีกับส่วนประกอบแก้ว สองสถานะหลังมองไม่เห็นและจะไม่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพรูปลักษณ์ของแก้ว กระบวนการทำให้ของเหลวแก้วใสส่วนใหญ่เป็นกระบวนการกำจัดฟองที่มองเห็นได้
ในระหว่างกระบวนการชี้แจง การกำจัดฟองอากาศที่มองเห็นได้จะดำเนินการในสองวิธีต่อไปนี้ 1. เพิ่มปริมาตรของฟองอากาศ เร่งการลอยตัวของฟองอากาศ ลอยออกจากพื้นผิวกระจก แตก และหายไป 2. ทำให้ส่วนประกอบของก๊าซในฟองอากาศขนาดเล็กละลายในของเหลวแก้ว และฟองอากาศจะถูกดูดซับและหายไป
เพื่อเร่งกระบวนการทำให้ของเหลวในแก้วบริสุทธิ์ นอกจากการเติมสารทำให้บริสุทธิ์บางชนิดลงในส่วนผสมแล้ว โดยทั่วไปจะใช้เทคนิคเพิ่มอุณหภูมิของของเหลวในแก้ว ขั้นตอนนี้ของแก้วส่วนใหญ่จะเสร็จสิ้นที่อุณหภูมิ 1,400~1,500 องศา ซึ่งมักจะเป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงที่สุดในการหลอมแก้ว ความหนืดของของเหลวในแก้วระหว่างการทำให้บริสุทธิ์คือ 1~10 Pa·s

บทบาทของการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันคือการกำจัดแถบและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันอื่น ๆ ในของเหลวแก้ว เพื่อให้องค์ประกอบทางเคมีของของเหลวแก้วแต่ละส่วนมีความสม่ำเสมอ ในขั้นตอนนี้ เนื่องมาจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและการแพร่กระจายซึ่งกันและกันของของเหลวแก้ว แถบในของเหลวแก้วจึงค่อยๆ หายไป และองค์ประกอบทางเคมีของของเหลวแก้วแต่ละส่วนจะค่อยๆ สม่ำเสมอ ความสม่ำเสมอนี้มักเกิดจากดัชนีหักเหของของเหลวแก้วแต่ละส่วนเท่ากันหรือไม่ ขั้นตอนนี้ของแก้วส่วนใหญ่จะเสร็จสมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิของขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เล็กน้อย

ไม่สามารถหล่อของเหลวแก้วที่ถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันเป็นผลิตภัณฑ์ได้ทันที เนื่องจากอุณหภูมิของของเหลวแก้วในขณะนี้สูงและความหนืดต่ำกว่าในระหว่างการหล่อ ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการดำเนินการหล่อแก้ว จำเป็นต้องทำให้เย็นลงและอุณหภูมิของของเหลวแก้วจะค่อยๆ ลดลงเพื่อเพิ่มความหนืดของของเหลวแก้วให้ตรงกับความต้องการในการหล่อ ค่าการลดอุณหภูมิของเหลวแก้วจะแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบของแก้วและวิธีการหล่อ โดยทั่วไปแล้วแก้วโซดาไลม์มักต้องได้รับการทำให้เย็นลงที่ 200~300o องศา ของเหลวแก้วที่เย็นลงต้องใช้อุณหภูมิที่สม่ำเสมอเพื่อให้หล่อได้ง่าย
ในระหว่างการทำความเย็น ของเหลวในแก้วที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ควรป้องกันไม่ให้เกิดการตกตะกอนซ้ำของฟองอากาศ ฟองอากาศขนาดเล็กที่ปรากฏในระยะนี้เรียกว่าฟองอากาศรองหรือฟองอากาศที่เกิดขึ้นใหม่ ฟองอากาศรองจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งของเหลวในแก้วที่ทำความเย็นแล้ว โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปต่ำกว่า 0.1 มม. และอาจมีจำนวนถึงหลายพันฟองต่อลูกบาศก์เซนติเมตรของแก้ว เนื่องจากอุณหภูมิของของเหลวในแก้วลดลงในระยะนี้ จึงยากมากที่จะกำจัดฟองอากาศรอง ดังนั้น ควรป้องกันการเกิดฟองอากาศรองโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างกระบวนการทำความเย็น
ขั้นตอนทั้งห้าขั้นตอนในการหลอมแก้วข้างต้นมีความแตกต่างกัน แต่ก็มีความเกี่ยวข้องกันด้วย ขั้นตอนเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นตามลำดับที่แน่นอน แต่ส่วนใหญ่มักจะเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน

อุณหภูมิในแต่ละจุดตลอดความยาวของเตาเผาถังทำงานต่อเนื่องนั้นแตกต่างกัน แต่อุณหภูมิจะคงที่ตลอดเวลา จึงสามารถสร้างระบบอุณหภูมิที่เสถียรได้ ความถูกต้องของระบบกระบวนการหลอมไม่เพียงแต่ส่งผลต่อคุณภาพของแก้วที่หลอมละลายเท่านั้น แต่ยังกำหนดผลผลิตของแก้วที่หลอมละลายด้วย รูปที่ 2-10 แสดงระบบอุณหภูมิการหลอมสำหรับแก้วบรรจุขวดในเตาเผาถังทำงานต่อเนื่อง

ไม่ว่าจะเป็นเตาเผาสระน้ำเปลวไฟแนวนอนหรือเตาเผาสระน้ำเปลวไฟบนถนน ระบบอุณหภูมิจะมีผลกระทบต่อระดับการอบของของเหลวในแก้ว การไหลของของเหลวในแก้ว การดำเนินการหล่อ การใช้เชื้อเพลิง และอายุของเตาเผา สำหรับขวดแก้ว ขวดแก้วและกระป๋องในท้องตลาดแบ่งออกเป็น 4 ประเภทหลักตามสี ได้แก่ ไม่มีสี ฟ้าอ่อน เขียวมรกต และน้ำตาล เมื่อสีของแก้วเปลี่ยนไปหรือความเข้มข้นของสีแก้วเปลี่ยนไป จะส่งผลกระทบอย่างสำคัญต่อรูปแบบการถ่ายเทความร้อนและประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ในแง่ของกระบวนการหลอม ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสีของแก้วต่อสภาวะกระบวนการนั้นชัดเจนและร้ายแรงกว่าผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของแก้วมาก มีความแตกต่างอย่างมากในการกระจายอุณหภูมิของแก้วสีต่างๆ ในเตาเผา

จากตาราง 2-24 จะเห็นได้ว่าที่อุณหภูมิการหลอมเหลวเท่ากัน จะมีความแตกต่างที่เห็นได้ชัดระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวของเหลวและอุณหภูมิก้นสระของแก้วที่มีสีต่างกัน การถ่ายเทความร้อนในเตาหลอมแก้วมี 3 รูปแบบ ได้แก่ การแผ่รังสี การพาความร้อน และการนำความร้อน สำหรับแก้วที่มีสีต่างกัน ยิ่งความสามารถในการดูดซับรังสีมีมากขึ้น นั่นคือ ยิ่งความสามารถในการดูดซับความร้อนจากรังสีอุณหภูมิสูงมีมากขึ้นเท่าไร พื้นผิวแก้วก็จะดูดซับความร้อนได้มากขึ้นเท่านั้น และความร้อนที่ถ่ายเทผ่านตัวแก้วในรูปของรังสีก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น จากมุมมองของอุณหภูมิพื้นผิวของเหลว แก้วสีน้ำตาลจะมีความสามารถในการดูดซับความร้อนได้ดีที่สุดและมีอุณหภูมิพื้นผิวของเหลวสูงที่สุด รองลงมาคือแก้วสีเขียวมรกต และแก้วสีฟ้าอ่อนเป็นอันดับสาม จากมุมมองของอุณหภูมิก้นสระ ปัญหาจะซับซ้อนขึ้นเล็กน้อย แก้วสีฟ้าอ่อนมีความสามารถในการดูดซับรังสีได้ไม่ดีนัก และความร้อนที่ถ่ายเทผ่านตัวแก้วในรูปของรังสีก็จะถูกถ่ายเทไปยังก้นสระได้มากขึ้น ดังนั้นอุณหภูมิก้นสระจึงสูงขึ้น กระจกสีเขียวมรกตมีความสามารถในการดูดซับรังสีความร้อนได้ดี และความร้อนจะถูกถ่ายเทไปยังก้นสระผ่านตัวกระจกในรูปแบบของรังสีน้อยลง ทำให้อุณหภูมิก้นสระลดลง อย่างไรก็ตาม กระจกสีน้ำตาลมีความสามารถในการดูดซับรังสีความร้อนได้ดี และอุณหภูมิที่ก้นสระสูงกว่ากระจกสีเขียวมรกตมาก สาเหตุอาจมาจาก กระจกในสระถูกแบ่งออกเป็นชั้นของเหลวหลายชั้น เนื่องจากการส่งผ่านแสงของกระจกสีน้ำตาลอ่อน ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชั้นของเหลวจึงมีมาก และควรมีการไล่ระดับอุณหภูมิที่มากตลอดความลึกของสระ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระจกสีน้ำตาลมีความสามารถในการดูดซับความร้อนได้ดี หลังจากของเหลวแก้วด้านบนดูดซับความร้อนแล้ว อุณหภูมิก็จะสูงขึ้น ปริมาตรจะขยายตัว และแรงผลักไปทางบริเวณโดยรอบจะเกิดขึ้นในทิศทางแนวนอน แรงผลักนี้จะเปลี่ยนไปโดยผนังสระและถ่ายเทไปยังชั้นของเหลวด้านล่าง ทำให้เกิดแรงพาความร้อน การเพิ่มการถ่ายเทความร้อนด้วยการพาความร้อนชดเชยการถ่ายเทความร้อนด้วยรังสีที่ขาดหายไป ดังนั้น อุณหภูมิที่ก้นสระกระจกสีน้ำตาลจึงสูงขึ้น
โดยทั่วไปแล้วภายใต้เงื่อนไขกระบวนการและระบบอุณหภูมิเดียวกัน สำหรับแก้วที่มีส่วนประกอบเดียวกันแต่มีสีต่างกัน การหลอมแก้วสีน้ำตาลสามารถให้แก้วที่มีความสม่ำเสมอและอัตราการหลอมเหลวที่สูงขึ้นได้ เหตุผลก็คือการพาความร้อนที่รุนแรงซึ่งเกิดจากความสามารถในการดูดซับความร้อนที่แข็งแกร่งของแก้วสีน้ำตาล แน่นอนว่าการแทรกแซงของอุปกรณ์ฟองอากาศจะเปลี่ยนเงื่อนไขการถ่ายเทความร้อน เมื่อหลอมแก้วสีเขียวมรกต หากคุณต้องการปรับปรุงอุณหภูมิด้านล่าง ความสม่ำเสมอของแก้ว และประสิทธิภาพการหลอมเหลว การติดตั้งอุปกรณ์ฟองอากาศเป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพ เมื่อคุณต้องการเปลี่ยนของเหลวที่มีสีต่างกันในเตาเดียวกัน จะต้องปรับองค์ประกอบกระบวนการของส่วนการหลอม ส่วนการทำงาน และช่องป้อนให้เหมาะสมเพื่อให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงสถานะกระบวนการที่เกิดจาก "ความแตกต่างของการถ่ายเทความร้อน" ของสีแก้ว