Cam Ergitme Fırını: Bölgeler, Reaksiyonlar, Rejeneratör ve Refrakterler
Harman erir, kabarcıklar çıkar, cam homojen hâle gelir. Harman, fırının bir ucundaki besleme cebinden havuza itilir.
Fotoğraf: T. Bauer ve diğerleri · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons
Bu aşamada ne olur?
Harman, fırının bir ucundaki besleme cebinden havuza itilir. Karbonatlar yaklaşık 600–900 °C aralığında bozunup CO₂ verir, kum ise daha yüksek sıcaklıkta eriyiğe geçer. Ardından eriyik kabarcıklarından arınır (durultma) ve homojenleşir.
Isıyı havuzun üstündeki alevler verir. Yanma havası, baca gazının ısısını depolayan tuğla yığınlarından (rejeneratör) geçirilerek önceden ısıtılır. Bir taraf yanarken öbür taraf ısınır; akış yönü yaklaşık yarım saatte bir değişir.
Fırının her yeri aynı sıcaklıkta değildir. Aşağıda camın izlediği yolu, reaksiyonları ve ısı kaynağıyla birlikte bölge bölge ayırdık.
Fırın boyunca bölge bölge
Harman soldan girer, cam sağdan çıkar.
| Bölge | Sıcaklık | Ne olur? |
|---|---|---|
| Besleme cebi ve harman örtüsü | ≈ 600–1200 °C (harman yüzeyi) | Şarj makinesi harmanı havuzun üstüne iter. Harman cam yüzeyinde bir örtü gibi yüzer; üstten alevden, alttan eriyikten ısı alır. Nem buharlaşır, karbonatlar bozunmaya başlar ve CO₂ çıkar. |
| Ergitme bölgesi | ≈ 1350–1500 °C | Soda eriyiği ilk sıvıyı oluşturur ve kum tanelerini ıslatır. Kum taneleri bu eriyikte yavaş yavaş çözünür; ergitmenin en yavaş adımı budur. Tane çok iri ya da süre kısa kalırsa erimemiş harman camda kalır. |
| Sıcak nokta ve durultma | ≈ 1500–1550 °C (alev boşluğu ≈ 1600 °C) | Havuzun en sıcak yeri. Cam burada yukarı akıp yüzeyde iki yana yayılır (ısıl taşınım). Kabarcıklar büyüyüp yüzeye çıkar; sülfat bozunup gaz verir ve bu gaz küçük kabarcıkları toplar. |
| Koşullandırma bölgesi | ≈ 1250–1350 °C | Cam yavaş soğur; eriyiğin koyuluğu şekillendirmeye uygun değere yaklaşır. Kalan çok küçük kabarcıklar camın içinde çözünür ve bileşim homojenleşir. |
| Boğaz | ≈ 1250–1300 °C | Cam, yüzeyin altındaki bir kanaldan (boğaz) forehearth’a geçer. Yüzeyde yüzen köpük, taş ve erimemiş parçacıklar geride kalır; çıkışa yalnızca daha temiz cam ulaşır. |
Reaksiyonlar
Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑
≈ 600–850 °C
Soda, kumla reaksiyona girip ilk sıvı fazı oluşturur. Çıkan CO₂ harman örtüsünü köpürtür.
CaCO₃ → CaO + CO₂↑
≈ 800–900 °C
Kireçtaşı kalsiyum okside bozunur. CaO sonra silisle birleşir.
CaMg(CO₃)₂ → CaO + MgO + 2 CO₂↑
≈ 700–900 °C
Dolomit kalsiyum ve magnezyum okside bozunur.
CaO + SiO₂ → CaSiO₃
900 °C ve üzeri
Kalsiyum silikat oluşur; cam ağının dayanıklılığını bu fazlar verir.
Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6 SiO₂ → Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2 CO₂↑
Toplam, sadeleştirilmiş
Soda-kireç camının kaba bir özeti: yaklaşık %75 SiO₂, %13 Na₂O ve %12 CaO. Gerçek cam bu üç oksitle sınırlı değildir.
Na₂SO₄ → Na₂O + SO₂↑ + ½ O₂↑
Yaklaşık 1400 °C üzeri
Durultma: sülfatın bozunmasıyla çıkan gaz kabarcıkları toplar. Karbon varlığında bozunma daha düşük sıcaklıkta başlar.
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O
Alev ≈ 1900–2000 °C
Isı kaynağı: doğal gazın yanması. Havadaki azot da yüksek sıcaklıkta yanıp azot oksit (NOx) yapar.
Tipik değerler
| Değer | Tipik aralık |
|---|---|
| Cam banyosu | ≈ 1450–1550 °C |
| Alev boşluğu | ≈ 1600 °C |
| Yanma havası ön ısıtması | ≈ 1000–1200 °C |
| Camın fırında kalma süresi | Yaklaşık bir gün |
| Kapasite | Günde yaklaşık 150–500 ton cam |
| Enerji | Ton cam başına yaklaşık 3–5 GJ |
| Fırın ömrü (kampanya) | Yaklaşık 10 yıl, arada durmaz |
| Fırın tipi | Çapraz ateşlemeli ya da uç portlu rejeneratörlü |
Değerler tesisten tesise, cam türünden cam türüne değişen genel aralıklardır; bir tesisin ayar noktası değildir.
Derste anlatılmayan
Derste reaktör genellikle ideal karışımlı ya da piston akışlı bir modeldir. Cam fırını ise karıştırılmayan, akışı ısıl taşınımla oluşan, ömrü refrakter aşınmasıyla sınırlı dev bir havuzdur. İyi çalışmanın ölçüsü yalnızca verim değil, camdaki taş, kabarcık ve çizgi (cord) hatalarının azlığıdır. Sülfat gibi durultucular yüksek sıcaklıkta gaz çıkarıp küçük kabarcıkları toplar.
Sahadan notlar
- Fırın, ateşe dayanıklı özel tuğlalarla örülür (alümina-zirkonya-silika gibi refrakterler). Cama değen yüzeyler yıllar içinde aşınır, kampanya sonunda yenilenir.
- Renk redoks koşuluyla belirlenir: kehribar şişede demir ve kükürt indirgen ortamda renk verir, yeşilde demir ve krom kullanılır. Fırında renk değiştirmek saatler ya da günler sürebilir.
- Baca gazı azot oksit, kükürt dioksit ve toz içerir. Elektrofiltre, kuru yıkama ve azot oksit azaltma sistemleriyle arıtılır.
- Yeni fırınlarda gaz alevine elektrik takviyesi giderek yaygınlaşıyor: camın içine daldırılan elektrotlar eriyiği ayrıca ısıtır.
Yan konular
Brülörler: ısı nereden gelir?
Isıyı camın üstünde yanan doğal gaz verir. Brülörler rejeneratör ağızlarının (port) altında ya da yanında durur; yanma havası aynı portlardan girer.
Camı asıl ısıtan alevin ışımasıdır. Bu yüzden alevin uzunluğu ve yönü ayarlanır: çok uzun alev duvarı zorlar, çok kısa alev ısıyı tek noktaya yığar.
Yanma: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Havanın azotu da yüksek sıcaklıkta yanıp azot oksit (NOx) yapar; bunu düşük NOx brülörleri ve baca gazı arıtma azaltır.
Rejeneratör: atık ısıyı geri kazanmak
Rejeneratör, ısıyı depolayıp geri veren bir tuğla yığınıdır. Fırının iki yanında birer tane bulunur.
Bir yan yanarken öbür yandan sıcak baca gazı geçer ve tuğlaları ısıtır. Yirmi otuz dakikada bir yön değişir: bu kez soğuk hava ısınmış tuğlalardan geçer ve 1000 °C üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısınır.
Sonuç büyük bir yakıt tasarrufudur. Sorun: sodyum sülfat buharı soğuyan tuğlalarda yoğuşup araları tıkar.
Güncel fırınlar: oksijen, elektrik, hidrojen
Rejeneratörlü gaz fırını hâlâ en yaygın tiptir, ama fırınlar değişiyor.
Oksijenle yakmada hava yerine saf oksijen kullanılır; azot taşınmadığı için baca gazı ve azot oksit azalır. Elektrik takviyesinde camın içine daldırılan elektrotlar eriyiği kendi içinde ısıtır.
Tam elektrikli, hibrit ve hidrojenli fırınlar bugün pilot ve ilk ticari uygulama düzeyindedir.
Fırının tuğlaları: refrakterler
Refrakter, çok yüksek sıcaklıkta şeklini koruyan seramik malzemedir. Cam fırını bunlardan örülür.
Camla temas eden duvar ve taban AZS (alümina-zirkonya-silika) bloklardır. En çok aşınan yer, cam yüzeyinin duvara değdiği hattır (metal line).
Tavan silika tuğladır. Rejeneratörün içindeki petek gibi dizili tuğlalar çoğunlukla magnezya içeriklidir.
Aşınan tuğla cama karışabilir: camdaki taş hatalarının önemli bir kaynağı fırının kendi refrakteridir. Yeni örülen fırın aniden ısıtılamaz; ısıtma günler ya da haftalar sürer.
Laboratuvarda
Fırın bu ölçümlerin sonucuna göre ayarlanır: bileşim harman tarifini, viskozite ve kristalleşme sıcaklığı fırın ile forehearth sıcaklığını belirler.
XRF (X ışını floresansı)
Ölçtüğü: Bileşim: SiO₂, Na₂O, CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃ oranları
Hammaddenin ve camın bileşimi dakikalar içinde okunur. Numune çoğunlukla öğütülüp ergitilerek cam boncuğa dönüştürülür ya da cam parçası olarak ölçülür. Bileşimdeki kayma harman hatasının ilk işaretidir. Sodyum gibi hafif elementlerin XRF ile ölçülmesi daha zordur; bu yüzden bazı laboratuvarlar sodyumu başka yöntemle ölçer.
XRD (X ışını kırınımı)
Ölçtüğü: Kristal fazlar
Kum ve kireçtaşının mineral yapısını, camda istenmeyen kristalleşmeyi (devitrifikasyon) ve bir taş hatasının hangi kristalden oluştuğunu gösterir.
ICP-OES
Ölçtüğü: İz elementler
Renk veren demir ve krom gibi elementleri çok düşük miktarlarda ölçer. Renksiz şişede demir sınırı buradan izlenir.
Viskozite ve likidüs sıcaklığı
Ölçtüğü: Camın sıcaklığa göre akışı
Yüksek sıcaklık viskozimetresiyle viskozite eğrisi çıkarılır. Likidüs sıcaklığı camın kristalleşmeye başladığı sıcaklıktır; forehearth bunun yeterince üstünde tutulur.
Yoğunluk (Arşimet)
Ölçtüğü: Bileşim kaymasının hızlı göstergesi
Soda-kireç-silis camının yoğunluğu 2,5 g/cm³ civarındadır. Bileşim kayarsa yoğunluk da kayar; ölçüm hızlı ve ucuz bir ön kontroldür.
← Cam ambalaj üretim hattının tamamı
Kaynaklar
- Avrupa Birliği: cam üretimi için en iyi mevcut teknikler (BAT) referans belgesi, JRC
- Rejeneratif ısı eşanjörü (Regenerative heat exchanger), Wikipedia
- Soda-kireç camı (Soda-lime glass), Wikipedia
Bu içerik ChemiCore uygulamasının Fabrika Turu bölümünden. Uygulamada cam ambalaj hattının etkileşimli çizimleri, şemaları ve bu sayfadaki bütün fotoğraflar tek akışta yer alıyor.
ChemiCore'u ücretsiz indir · iOS ve Android