استخدام طوب الكوروندوم المنصهر في فرن صهر الزجاج المسطح

طوب الكوروندوم المنصهرتُصهر الألومينا في فرن القوس الكهربائي وتُصب في قالب ذي شكل محدد، ثم تُخضع لعملية التلدين والحفظ الحراري، وتُعالج للحصول على المنتج المطلوب. تعتمد عملية الإنتاج العامة على استخدام ألومينا مكلسة عالية النقاوة (أكثر من 95%) مع كمية قليلة من الإضافات، حيث تُوضع المكونات في فرن القوس الكهربائي، وتُصب في قوالب مُجهزة مسبقًا بعد صهرها عند درجة حرارة عالية تتجاوز 2300 درجة مئوية، ثم تُحفظ دافئة. بعد التلدين، تُخرج القوالب، ويصبح المنتج النهائي الذي يفي بالمتطلبات بعد التشكيل البارد الدقيق والتجميع الأولي والفحص.

تُصنّف قوالب الكوروندوم المصهورة إلى ثلاثة أنواع وفقًا لأشكال البلورات وكميات الألومينا المختلفة: النوع الأول يتكون أساسًا من α-Al₂O₃، ويُسمى قوالب α-كوروندوم؛ والنوع الثاني يتكون أساسًا من α-Al₂O₃ وβ-Al₂O₃، ويُسمى قوالب αβ-كوروندوم؛ أما النوع الثالث فيتكون أساسًا من β-Al₂O₃، ويُسمى قوالب β-كوروندوم. تُستخدم قوالب الكوروندوم المصهورة من النوعين الثاني والثالث، وهما قوالب αβ-كوروندوم المصهورة وقوالب β-كوروندوم المصهورة على التوالي، في أفران صهر الزجاج العائم. ستركز هذه المقالة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لقوالب αβ-كوروندوم المصهورة وقوالب β-كوروندوم المصهورة، وتطبيقاتها في أفران صهر الزجاج العائم.

1. تحليل أداء طوب الكوروندوم المنصهر

1. طوبة منصهرة من الكوروندوم ألفا بيتا

تتكون طوب الكوروندوم αβ المصهور من حوالي 50% من α-Al₂O₃ و β-Al₂O₃، وتتداخل البلورتان لتشكيل بنية كثيفة للغاية، تتميز بمقاومة عالية للتآكل القلوي. تكون مقاومته للتآكل عند درجات الحرارة العالية (أعلى من 1350 درجة مئوية) أقل قليلاً من مقاومة طوب AZS المصهور، ولكن عند درجات حرارة أقل من 1350 درجة مئوية، تصبح مقاومته للتآكل الناتج عن الزجاج المنصهر مماثلة لمقاومة طوب AZS المصهور. ولأنه لا يحتوي على Fe₂O₃ أو TiO₂ أو أي شوائب أخرى، فإن طور الزجاج الأساسي يكون ضئيلاً للغاية، مما يقلل من احتمالية ظهور مواد غريبة مثل الفقاعات عند ملامسته للزجاج المنصهر، وبالتالي لا يتلوث الزجاج الأساسي.

تتميز طوب الكوروندوم المصهور من نوع ألفا وبيتا بكثافة تبلورها ومقاومتها الممتازة للتآكل الناتج عن الزجاج المنصهر عند درجات حرارة أقل من 1350 درجة مئوية، لذا فهي تُستخدم على نطاق واسع في حوض العمل وما بعده في أفران صهر الزجاج، وخاصة في قنوات الصب، وطوب الحواف، وطوب البوابات، وغيرها. وتُعد شركة توشيبا اليابانية من أفضل الشركات المصنعة لطوب الكوروندوم المصهور في العالم.

1.2 طوب الكوروندوم بيتا المنصهر

تتكون قوالب الكوروندوم بيتا المنصهرة من 100% تقريبًا من أكسيد الألومنيوم بيتا (β-Al₂O₃)، وتتميز ببنية بلورية كبيرة تشبه الصفائح. ورغم كبر حجمها وقلة قوتها، إلا أنها تتمتع بمقاومة جيدة للتقشر، وخاصةً مقاومة عالية جدًا للتآكل الناتج عن أبخرة القلويات القوية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في البنية العلوية لأفران صهر الزجاج. مع ذلك، عند تسخينها في جو منخفض القلوية، تتفاعل مع ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂)، مما يؤدي إلى تحلل أكسيد الألومنيوم بيتا (β-Al₂O₃) بسهولة، مسببةً انكماشًا في الحجم وظهور تشققات، لذا يُفضل استخدامها في أماكن بعيدة عن مصادر تناثر المواد الخام الزجاجية.

1.3 الخصائص الفيزيائية والكيميائية لطوب الكوروندوم المنصهر من نوعي ألفا وبيتا وبيتا

يتكون التركيب الكيميائي لطوب الكوروندوم المنصهر من نوع α-β و β بشكل أساسي من Al 2 O 3، ويكمن الاختلاف بشكل رئيسي في تركيب الطور البلوري، ويؤدي الاختلاف في البنية المجهرية إلى اختلاف في الخصائص الفيزيائية والكيميائية مثل الكثافة الكلية ومعامل التمدد الحراري وقوة الضغط.

2. استخدام طوب الكوروندوم المنصهر في أفران صهر الزجاج

يلامس كل من قاع وجدار حوض السباحة السائل الزجاجي مباشرةً. بالنسبة لجميع الأجزاء الملامسة مباشرةً للسائل الزجاجي، فإن أهم خاصية للمادة المقاومة للحرارة هي مقاومتها للتآكل، أي عدم حدوث أي تفاعل كيميائي بين المادة المقاومة للحرارة والسائل الزجاجي.

في السنوات الأخيرة، عند تقييم مؤشرات جودة المواد الحرارية المنصهرة المتصلة مباشرة بالزجاج المنصهر، بالإضافة إلى التركيب الكيميائي والمؤشرات الفيزيائية والكيميائية والتركيب المعدني، يجب أيضًا تقييم المؤشرات الثلاثة التالية: مؤشر مقاومة تآكل الزجاج، ومؤشر الفقاعات المترسبة، ومؤشر التبلور المترسب.

مع ازدياد متطلبات جودة الزجاج وارتفاع الطاقة الإنتاجية للأفران، سيتسع نطاق استخدام الطوب الكهربائي المصهور. يُعدّ طوب سلسلة AZS (Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂) المصهور من أكثر أنواع الطوب المصهور شيوعًا في أفران صهر الزجاج. عند تجاوز درجة حرارة طوب AZS 1350 درجة مئوية، تصل مقاومته للتآكل إلى ضعفين إلى خمسة أضعاف مقاومة طوب αβ-Al₂O₃. يتكون طوب الكوروندوم αβ المصهور من جزيئات دقيقة متداخلة من أكسيد الألومنيوم ألفا (53%) وأكسيد الألومنيوم بيتا (45%)، تحتوي على كمية ضئيلة من الطور الزجاجي (حوالي 2%)، تملأ المسام بين البلورات، وتتميز بنقائها العالي، ويمكن استخدامها كطوب جدران أحواض التبريد، وطوب أرضيات أحواض التبريد، وطوب وصلات اللحام، وغيرها.

يتميز طوب الكوروندوم المصهور αβ بتركيبة معدنية تحتوي على كمية ضئيلة من الطور الزجاجي، مما يمنع تسربه وتلويثه للزجاج السائل أثناء الاستخدام. كما يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل ومقاومة ممتازة للتآكل عند درجات حرارة عالية تقل عن 1350 درجة مئوية. يُستخدم هذا الطوب في جزء التبريد من فرن صهر الزجاج، وهو مادة حرارية مثالية لجدران وقيعان خزانات أفران صهر الزجاج المسطح. في مشاريع هندسة أفران صهر الزجاج المسطح، يُستخدم طوب الكوروندوم المصهور αβ كطوب جدار حوض التبريد في جزء التبريد من الفرن. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم أيضًا في رصف الطرق وتغطية فواصل البلاط في قسم التبريد.

طوب الكوروندوم β المصهور منتج أبيض اللون يتكون من بلورات خشنة من β-Al₂O₃، ويحتوي على 92-95% من Al₂O₃، وأقل من 1% فقط من الطور الزجاجي، وقوته البنيوية ضعيفة نسبيًا بسبب ضعف شبكته البلورية. مساميته الظاهرية أقل من 15%. ونظرًا لتشبع Al₂O₃ بالصوديوم عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية، فإنه يتمتع بثبات عالٍ ضد أبخرة القلويات عند درجات الحرارة المرتفعة، كما أن ثباته الحراري ممتاز. مع ذلك، عند ملامسته لـ SiO₂، يتحلل Na₂O الموجود في β-Al₂O₃ ويتفاعل مع SiO₂، مما يؤدي إلى تحول β-Al₂O₃ بسهولة إلى α-Al₂O₃، وبالتالي انكماش حجمي كبير، مما يسبب تشققات وتلفًا. لذلك، فهو مناسب فقط للهياكل العلوية البعيدة عن غبار ثاني أكسيد السيليكون المتطاير، مثل الهيكل العلوي لحوض العمل في فرن صهر الزجاج، والفتحة الموجودة في الجزء الخلفي من منطقة الصهر وحاجزها القريب، وتسوية الفرن الصغير وأجزاء أخرى.

ولأنها لا تتفاعل مع أكاسيد المعادن القلوية المتطايرة، فلن تتسرب أي مواد منصهرة من سطح الطوب لتلوث الزجاج. في فرن صهر الزجاج المصقول، ونظرًا للضيق المفاجئ لمدخل قناة تدفق جزء التبريد، فمن السهل أن يتكثف البخار القلوي هنا، لذا تُصنع قناة التدفق هنا من طوب بيتا المنصهر المقاوم للتآكل الناتج عن البخار القلوي.

3. الخاتمة

بفضل خصائصها الممتازة في مقاومة تآكل الزجاج، ومقاومة الرغوة، ومقاومة الحجارة، وخاصةً بنيتها البلورية الفريدة، فإنها لا تُلوث الزجاج المنصهر تقريبًا. ولها تطبيقات مهمة في أحزمة التصفية، وأقسام التبريد، والممرات، والأفران الصغيرة، وغيرها من الأجزاء.