مورد هيدروكسيد الألومنيوم، المادة الرئيسية المستخدمة في صناعة الزجاجات والجرار الزجاجية

تُعرف المواد المختلفة المستخدمة في تحضير المركبات الزجاجية مجتمعةً باسم المواد الخام الزجاجية. تشير المادة الخام الرئيسية إلى المادة التي تُدخل أكاسيدًا مختلفة في الزجاج لتشكيل بنيته الأساسية، والتي تحدد خصائصه الفيزيائية والكيميائية. تشمل المواد الخام الرئيسية رمل الكوارتز، والفلسبار، والحجر الجيري، والدولوميت، وكربونات الصوديوم، وغيرها. تُورَّد هذه المواد الخام حاليًا على شكل مسحوق. (1) المواد الخام للسيليكا: المادة الخام الرئيسية للسيليكا هي رمل السيليكا (المعروف أيضًا باسم رمل الكوارتز)، والذي يُقسَّم إلى رمل سيليكا طبيعي ورمل سيليكا مُعالَج، وذلك حسب حالته الطبيعية. نظرًا لتعقيد عملية تكوينه، غالبًا ما يتذبذب التركيب الكيميائي لرمل السيليكا الطبيعي بشكل كبير، ولكن توزيع حجم جزيئاته يكون متجانسًا نسبيًا. لضمان جودة رمل السيليكا الطبيعي، يجب الانتباه إلى التحكم في تركيبه الكيميائي، وتذبذب هذا التركيب، ووزن المعادن المقاومة للحرارة. يتحكم التركيب الكيميائي بشكل أساسي في محتوى أكسيد الفيزيوم (Fez O3)، ويتم تصنيفه واستخدامه وفقًا لجودته. يرد تصنيف جودة رمل السيليكا في الجدول 2-16.2. تتم معالجة رمل السيليكا من خلال عملية معالجة وإنتاج مواد خام سيليسية من صخور الكوارتزيت أو الحجر الرملي. نظرًا لأن نقاء خام الكوارتزيت أو الحجر الرملي يكون أعلى بشكل عام، فإن محتوى الشوائب يكون أقل وأكثر استقرارًا، وبالتالي تكون درجة رمل السيليكا الناتج عن المعالجة أعلى وأكثر استقرارًا. ومع ذلك، من الصعب التحكم في حجم الحبيبات من خام الكوارتزيت أو الحجر الرملي إلى رمل سيليكا متاح بحجم حبيبات معين، لذلك تكون التكلفة مرتفعة. تتم معالجة رمل السيليكا بشكل عام بالطريقة الرطبة، مع نسبة رطوبة معينة. رمل السيليكا هو أصعب المواد في الصهر. يؤثر حجم الجسيمات وتوزيعها وشكلها بشكل كبير على الخلط والصهر والتجانس للمركب. يُعد تقليل حجم الجسيمات مفيدًا لصهر الزجاج، ولكن كلما كان أدق كان ذلك أفضل. سيتواجد المسحوق نتيجةً للتكتل، حيث توجد فجوات حبيبية في عدد كبير من الفقاعات الدقيقة التي تُسبب صعوبة في الانصهار. في الوقت نفسه، قد يؤدي وجود مسحوق رمل السيليكا إلى تحلل مبكر للمواد الموجودة في الدفعة، مثل الصوديوم والكالسيوم والمغنيسيوم، مما يُؤدي إلى زيادة كثافة الصهر الأولي ولزوجته، ويُسهل تكوين طبقات من مواد الفرن في التسلسل الهرمي، مما يُسبب تداخل المواد الخام المقاومة للحرارة الأخرى في الدفعة. يُفضل أن تكون حبيبات الرمل ذات شكل زاوي، لأن الشكل الزاوي يُوفر مساحة سطح كبيرة، وفرص تلامس أكبر مع التدفق، مما يُقلل من احتمالية تكوين طبقات أثناء عملية الخلط والنقل. يجب فحص رمل السيليكا وقبوله في منطقة التعدين. يجب التحكم في محتوى الرطوبة في رمل السيليكا بحيث لا يتجاوز 8% عند إنتاج الخام، وأقل من 5% عند تحميل الرمل في ورشة العمل. تبلغ قيمة تذبذب الرطوبة 0.4%. يوضح الجدول 2-17 متطلبات جودة المواد الخام السيليسية. (2) يتراوح محتوى أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) في زجاج الزجاجات العادي عمومًا بين 2.0% و5.0%. تتكون زجاجات الزجاج الأبيض عالي الجودة المصنوعة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) بشكل أساسي من الألومينا وهيدروكسيد الألومنيوم، ولكن نظرًا لانخفاض متطلبات الجودة لزجاج الحاويات والزجاج الملون، يمكن أيضًا اختيار استخدام فلسبار الصوديوم أو فلسبار البوتاسيوم أو فلسبار الكالسيوم. في الوقت نفسه، يمكن استبدال جزء من رماد الصودا بفلسبار الصوديوم (Na₂O₃) أو فلسبار البوتاسيوم (K₂O₃)، مما يُحسّن عملية صهر الزجاج. ومع ذلك، فإن محتوى الحديد في الفلسبار العادي مرتفع، حيث تقل نسبة Fe₂O₃ عن 0.1%، لذا لا يمكن استخدامه إلا في الزجاج العادي للزجاجات والعلب، ولا يمكن استخدامه في الزجاج عالي الجودة. يمكن تقسيم الفلسبار، نظرًا لاختلاف تركيبه الكيميائي، إلى أربعة أنواع: فلسبار البوتاسيوم، وفلسبار الصوديوم، وفلسبار الكالسيوم، وفلسبار الباريوم. توجد في الطبيعة رواسب قليلة منفردة من هذه الأنواع الأربعة، حيث يختلط معظمها بمعادن أخرى بنسب متفاوتة. يوضح الجدول 2-18 متطلبات جودة مواد الفلسبار. (3) يُعد أكسيد الصوديوم (Na₂O)، المادة الخام، عاملًا مساعدًا جيدًا في صناعة الزجاج. لذلك، يرتبط محتوى Na₂O في التركيب الكيميائي للزجاجات والعلب ارتباطًا وثيقًا بظروف صهر الزجاج، ويتراوح حاليًا بين 14% و16%. يُضاف Na₂O إلى الزجاجات بشكل أساسي من رماد الصودا. رماد الصودا مادة كيميائية خام، ومكونه الرئيسي هو Na₂CO₃. ينقسم رماد الصودا إلى صودا بلورية (Na₂CO₃·10H₂O) وصودا مكلسة (Na₂CO₃). معظم رماد الصودا المستخدم في صناعة الزجاج هو صودا مكلسة خالية من الماء البلوري، تُصنع بطريقة الأمونيا القلوية. رماد الصودا المكلس عبارة عن مسحوق أبيض، سهل الذوبان في الماء، ويمتص الرطوبة من الهواء بسهولة، مما يؤدي إلى التميع والتكتل، لذا يجب تخزينه في مستودع جاف. يُعد رماد الصودا أحد أهم العوامل المؤثرة على تكلفة الزجاج. يُفضل استخدام القلويات الثقيلة في صناعة زجاج الزجاجات. بالمقارنة مع القلويات الخفيفة، تتميز القلويات الثقيلة بسيولة جيدة، وقدرة عالية على امتصاص الرطوبة، وميل أقل للتطاير والتكتل، مما يُحسّن من تجانس وسرعة انصهار المركب. لكن جزيئات رماد الصودا السميكة جدًا لا تتفاعل بفعالية مع المواد الحرارية الأخرى داخل المادة، مما يُساعد على الانصهار بشكل متساوٍ، ويؤدي إلى عدم تجانس الخليط، ويؤثر على جودة انصهار الزجاج وشفافيته. لذلك، يُفضل أن يتراوح حجم الجزيئات بين 0.22 و 0.42 مم. يُخزن رماد الصودا لفترة طويلة، وغالبًا ما يحتوي على نسبة رطوبة تتراوح بين 5% و8%، لذا يجب تحديد نسبة الرطوبة فيه عند الاستخدام. تتراوح نسبة تطاير رماد الصودا أثناء صهر الزجاج بين 0.5% و3.2%. يحتوي رماد الصودا المكلس عادةً على كمية قليلة من كلوريد الصوديوم (NaCl)، ونظرًا لنشاط الكلور العالي، يكون تآكل المواد المقاومة للحرارة شديدًا. وقد لفت تراكم الكلور في محلول الزجاج، الناتج عن رماد الصودا بكميات كبيرة، انتباه الصناعة مؤخرًا. (4) يُشابه دور أكسيد البوتاسيوم (K₂O) في الزجاج دور أكسيد الصوديوم (Na₂O). في صناعة الزجاجات والعلب، تُستخدم كمية صغيرة من أكسيد البوتاسيوم (K₂O) بدلاً من جزء صغير من أكسيد الصوديوم (Na₂O)، مما يزيد من معامل انكسار الزجاج ويُحسّن لمعانه وشفافيته. يتميز الزجاج بثبات كيميائي أفضل عند استخدام أكسيدين قلويين معاً مقارنةً باستخدام أكسيد قلوي واحد. توجد نسبة مثلى بينهما، تُعرف بتأثير القاعدة المختلطة. تأثير أكسيد البوتاسيوم على معامل التمدد الحراري للزجاج أكبر من تأثير أكسيد الصوديوم. لذلك، عند استبدال جزء من أكسيد الصوديوم بأكسيد البوتاسيوم، يجب مراعاة تأثيره على معامل التمدد الحراري للزجاج. يُضاف أكسيد البوتاسيوم إلى الزجاجات عادةً عن طريق تكليس كربونات البوتاسيوم. عند صهر كربونات البوتاسيوم في الزجاج، تبلغ نسبة الفقد المتطاير من أكسيد البوتاسيوم (K₂O₃) حوالي 12% من كتلته. متطلبات جودة كربونات البوتاسيوم هي: K₂CO₃ أقل من 96%، Na₂O₃ 40.2%، KCl + K₂SO₄ 43.5%، مواد غير قابلة للذوبان في الماء أقل من 0.3%، ماء أقل من 3%. سعر البوتاس أعلى من سعر كربونات الصوديوم، ولهذا السبب، باستثناء الزجاجات والعلب ذات المتطلبات الخاصة، لا يُستخدم البوتاس في معظم أنواع الزجاجات والعلب، بل يُستخدم أكسيد البوتاسيوم مع الفلسبار بدلاً منه. (5) مقدمة عن أكسيد الكالسيوم: يلعب أكسيد الكالسيوم (CaO) في الزجاج دورًا رئيسيًا كمثبت، أي أنه يزيد من الاستقرار الكيميائي والقوة الميكانيكية للزجاج، ولكن عندما يكون تركيزه مرتفعًا جدًا، فإنه يزيد من ميل الزجاج للتبلور، مما يجعله هشًا. يتراوح تركيز CaO في الزجاجات العادية بين 7% و11%، ولا يتجاوز عادةً 12.5%. يمكن أن تقلل درجة الحرارة من لزوجة الزجاج، مما يعزز انصهاره وشفافيته. ولكن عند انخفاض درجة الحرارة، تزداد اللزوجة بسرعة كبيرة، مما يُصعّب عملية التشكيل. لذلك، يجب مراعاة كمية أكسيد الكالسيوم (CaO) في الزجاج، بالإضافة إلى تأثيره على خصائصه، وطريقة تشكيله، وعوامل أخرى. يجب إدخال الزجاج ذي المحتوى العالي من أكسيد الكالسيوم (CaO) إلى فرن التلدين بسرعة، وإلا فإنه عرضة للكسر. عند صهر زجاج الصوديوم والكالسيوم، يُفضّل الاقتراب من 21 درجة مئوية باستخدام NaOCaO. المواد الخام الرئيسية المستخدمة في صناعة زجاج البرطمانات هي الحجر الجيري والكالسيت والطباشير. يُستخدم الحجر الجيري الذي يحتوي على 40.015% من أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₃O₄) في صناعة الأواني والمواد البيضاء. أما الحجر الجيري الذي يحتوي على أقل من 0.04% من أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₃O₄) فيُستخدم في صناعة الزجاج الملون. يجب التحكم في محتوى الماء في الحجر الجيري بحيث لا يتجاوز 1%. عندما يتطلب تركيب الزجاج نسبة عالية جدًا من أكسيد الحديد، يمكن استبداله بالكالسيت، وهو أنقى بكثير من الحجر الجيري، ولكنه أغلى ثمنًا. (6) عادةً ما تكون كمية أكسيد المغنيسيوم (MgO) في التركيب الكيميائي للزجاجات والعلب أقل من 2%. عند استخدام جزء من أكسيد المغنيسيوم كبديل جزئي لأكسيد الكالسيوم، يمكن زيادة اللزوجة عند درجات الحرارة العالية، مما يبطئ عملية التصلب، ويطيل مدة التصلب، ويحسن خصائص شكل الزجاج، ويقلل من ميله للتبلور. كما أن استخدام أكسيد الكالسيوم والمغنيسيوم وأكاسيد المعادن القلوية الترابية ثنائية التكافؤ يحسن الاستقرار الكيميائي للزجاج، ويمنع ظهور العفن عند تعرض المنتج للرطوبة لفترات طويلة. بشكل عام، يجب التحكم في نسبة الاستبدال بحيث لا تتجاوز 3%، لأن زيادة نسبة الاستبدال عن 3% ستؤثر على انصهار الزجاج وتشكيله. كان يُعتقد سابقًا أن الدولوميت والحجر الجيري يتكونان من جزيئات دقيقة مع تعميق البحث في آلية إنتاج الزجاج في درجات الحرارة العالية، تبين أن جزيئات الدولوميت المتطفلة تلتصق بجزيئات السيليكا الكبيرة، مما يمنع الرمل من المشاركة في التفاعل. في حين أن جزيئات الحجر الجيري الخشنة في بداية تفاعل السيليكات لا تتبلل بالمرحلة الأولية، فإن السائل الأولي يمكنه المرور بسلاسة عبر الفجوات بين حبيبات الدولوميت الكبيرة والحجر الجيري ورمل السيليكا لترطيب المنطقة المحيطة، مما يزيد من معدل تفاعل السيليكات. ومع ذلك، في المرحلة اللاحقة، فإن الغازات المنبعثة من تحللها السريع وانصهارها تساعد على تصفية وتجانس سائل الزجاج. وُجد أنه عند زيادة حجم جزيئات الدولوميت والحجر الجيري إلى 2.5 مم، تتحسن خصائص انصهار وتصفية الزجاج بشكل ملحوظ، بينما تنخفض هذه الخصائص بشكل ملحوظ عند تجاوز حجم الجزيئات 3 مم. لذا، ينبغي ضبط الحد الأعلى لحجم جزيئات الدولوميت والحجر الجيري ضمن نطاق معين. ويُعد استخدام الدولوميت والحجر الجيري ذوي الحبيبات الأكبر اتجاهًا شائعًا حاليًا. في الإنتاج الفعلي، عند حساب تركيبة الزجاج، يُستخدم الدولوميت لإضافة أكسيد المغنيسيوم (MgO)، ويُستكمل النقص في أكسيد الكالسيوم (CaO) بالحجر الجيري أو الكالسيت. إذا لم تحتوي تركيبة الزجاج على أكسيد الكالسيوم، فلا يمكن استخدام الدولوميت لجذب أكسيد المغنيسيوم، وفي هذه الحالة يُختار كربونات المغنيسيوم لجذب أكسيد المغنيسيوم. متطلبات الجودة للدولوميت هي: MgO ≥ 20%، CaO < 32%، Fe2O3 < 0.15%. (7) عند إدخال مادة أكسيد الباريوم الخام، فإن دور أكسيد الباريوم (BaO) في صناعة الزجاج مشابه لدور CaO ​​وMgO، ولكن الزجاج المحتوي على الباريوم والزجاج المحتوي على CaO يتميز بلمعان جيد وكثافة عالية. عادةً ما يُضاف BaO بنسبة 0.5% إلى 1% إلى تركيبة زجاج الزجاجات الملونة لتحسين لمعانه. يُسرّع BaO عملية الصهر والتصفية ويمنع تبلور الزجاج، ولكن عند زيادة الجرعة، وبسبب حدوث تفاعل 2BaO → 10O2 → 2BaO2، يصعب تصفية الزجاج، وتتعرض البوتقة والمواد المقاومة للحرارة لتآكل أكبر. يُعرف كبريتات الباريوم الطبيعية (BaSO4) باسم الباريت، ويحتوي BaSO4 على نسبة عالية من الشوائب، لذا يُستخدم فقط لـ متطلبات جودة الزجاج ليست عالية. يُستخدم كربونات الباريوم الصناعية (BaSO4) بشكل أساسي في زجاج الفلور المعتم وزجاج اليشم المقلد في صناعة الزجاجات، مما يُنتج زجاجًا ذا تأثير معتم ضعيف نسبيًا. ولكن عند الإفراط في استخدامه، قد يُسبب تلوثًا في الزجاج، مما يؤثر سلبًا على المواد المقاومة للحرارة، والبوتقة، وعملية التشكيل، وجودة المنتج النهائي. في صناعة الزجاجات والعلب، يُستخدم كربونات الباريوم الصناعية بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي المواد الخام المحتوية على الباريوم على سمية معينة، لذا يجب توخي الحذر أثناء عملية الخلط. متطلبات جودة كربونات الباريوم الصناعية هي: 97% BaSO4، و40.1% Fe2O3، و3% مواد غير قابلة للذوبان في الأحماض.