از زمان معرفی شیشه فلوت در سال 1959 توسط پیلکینگتون فرآیند فلوت آرام آرام به نحو گسترده‌ای جایگزین فرآیندهای شیشه تخت گردیده است . امروزه حدود 180 طرح فلوت با ظرفیت تولیدی در حدود 40 میلیون تن در سال وجود دارد . این مقدار متناظر با حدود 35 % کل تولید شیشه در جهان است .
شیشه تخت حاصل از روش فلوت در مقایسه با فرآیندهای تولید قدیمی‌تر شیشه تخت مزایایی دارد که عبارتند از :
-فرآیند فلوت قادر است شیشه تخت با کیفیت بالا در محدوده ضخامتی 5/0 تا 25 میلیمتر با عرض نواری بیش از 3 متر تولید نماید .
-فرآیند تولید شیشه فلوت ظرفیت تولید بالایی را بر خلاف فرآیندهای قبلی امکان‌پذیر می‌سازد .
-فرآیند فلوت پیوسته بوده و امکان اتوماسیون را تا میزان زیادی ممکن می‌سازد .
-کیفیت نوری سطح شیشه فلوت با شیشه پلیت سایش خورده پولیش شده قابل مقایسه است .
-با توجه به پیشرفت‌های مداوم و بهبودهای حاصله در 35 سال اخیر فرآیند فلوت بی‌دردسرتر و ایمن‌تر از دیگر فرآیندهای تولید شیشه است .
تاریخچه تولید شیشه شناور :
پیوسته کردن فرآیند تولید شیشه تخت که از اوایل قرن بیستم آغاز شد ، مسیر پر فراز و نشیبی را طی کرده است . در این مسیر سه روش کشش ، نورد و شناور ، تقریباً مراحل آزمایشی خود را همزمان آغاز کردند . دو روش اول به سرعت ارزش تجاری خود را کسب کردند و در تولید انبوه شیشه تخت به کار رفتند . اما عدم موفقیت این روشها در تولید شیشه‌های تخت بدون اعوجاج و بدون نوسانات شدید ضخامت و نیز دردسرهای فراوان پرداخت و صقیل شیشه نورد شده سبب شد تا نهایتاً توجه شیشه سازان به مزایای روش شناور جلب شود .
جرقه فکری روش شناور را فردی بنام “ لومباردو ” ایتالیایی زد که در سال 1900 راهی برای تولید صفحات دی الکتریک تخت با استفاده از مایعی مثل موم یا پارافین بر روی مایع جیوه ابداع کرد و آنرا به ثبت رساند . بلافاصله در سال 1920 میلادی “ ویلیام هیل ” آمریکایی روش جدیدی را برای تولید شیشه تخت بر اساس روش ابداعی لومباردو به ثبت رساند .
در این روش او مذاب شیشه را بر روی سطح مذاب دیگری از فلزات ریخت و سپس با کشیدن مذاب شیشه بر روی سطح فلز حمام مذاب آنرا به صورت ورقه‌ای صاف درآورد . آزمایشهای اولیه در سال 1920 در کارخانه “ گریگتون ” از شرکت آمریکایی “ Pitsburg Plat Glass ” (PPG) صورت گرفت . در این کارخانه سعی شد با شناور کردن مذاب شیشه بر روی آنتیموان مذاب ، عمل تخت کردن شیشه صورت گیرد . ولی آزمایش به دلیل عدم موفقیت در تهیه و ساخت بدنه حوضچه‌ای که بتواند آنتیموان مذاب را نگه دارد متوقف شد .
موفقیت ساخت یک واحد آزمایشی به روش شناور در سال 1950 میلادی نصیب شرکت انگلیسی “ برادران پیلکینگتون ” شد . در این روش که اولین واحد موفق تجاری آن در سال 1959 میلادی در انگلستان به تولید رسید مذاب شیشه پس از طی مراحل ذوب و حبابزدایی ، با استفاده از همزنهای مکانیکی مخصوص ، همگون و با درجه حرارت 1050 درجه سانتیگراد و از طریق آجر نسوز یکپارچه‌ای به نام آجر لبه (Spout) وارد حمام قلع مذاب می‌گردد .
مقدار مذاب ورودی به حمام با کمک یک دیواره معلق متحرک (Tweel) کنترل می‌شود . مذاب شیشه در حمام قلع ، با شناور شدن بر روی مذاب قلع و در نتیجه تعادل بین نیروهای کشش سطحی به صورتی کاملاً صاف ، تخت و بدون اعوجاج در می‌آید . ضخامت نوار شیشه در داخل حمام قلع با اعمال منحنی دمایی خاص و با استفاده از انبرکهای غلتکی مستقر در کناره‌ها و نیز تسمه‌های گرافیتی ، ساخته می‌شود .
شرح کلی فرآیند فلوت :
در این روش ، شیشه در یک کوره ذوب در دمای حدود 1550 درجه سانتیگراد بدون داگ‌هاوس ذوب می‌گردد . از اینرو حرکت دورانی و گردابی نوارهای شیشه رخ نمی‌دهد ، و همین عامل اثر مطلوبی بر خواص نوری شیشه تخت می‌گذارد .
ریزش مذاب شیشه به قسمت فلوت از طریق کانالی رخ میدهد که در آن مقدار ریزش به وسیله یک بلوک آجر عمودی (Tweel) کنترل می‌گردد . شیشه با دمایی حدود 1050 درجه سانتیگراد از روی یک سنگ لبه از جنس فیوزکست بر روی حمام قلع مذاب می‌ریزد که قلب طرح قسمت شناور است و به صورت فیلمی با ضخامت ثابت گسترده می‌شود .
فیلم مزبور در جهت طولی به صورت نواری با عرض بیش از 3 متر گسترده می‌شود و با کنترل از 1050 به 600 درجه سانتیگراد سرد می‌گردد . در این دما ، نوار شیشه پیوستگی و سفتی لازم را دارد که بتواند از حمام قلع بیرون آورده شده و به کانال تنش‌زدایی برسد . در 150 متر طول کوره تنش‌زدایی که سخت شدن شیشه رخ میدهد نوار شیشه با کنترل سرد می‌گردد تا از تنش‌های باقیمانده جلوگیری شود . پس از کوره تنش‌زدایی نوار شیشه به صورت پیوسته از بازرسی اپتیکی می‌گذرد تا معایب شیشه شناسایی گردد و نهایتاً نوار شیشه بریده می‌شود .
حمام فلوت :
حمام فلوت دارای طولی حدود 40-50 متر و عمق تقریبی 6-7 سانتیمتر و عرض متغیر 4-7 متر می‌باشد . حمام از یک پوسته فلزی که داخل آن با کمک آجرهای شاموتی مخصوص پوشیده شده است ، تشکیل می‌شود . نیمی از حمام دو جداره و المنتهای گرمایی در داخل جداره تعبیه شده‌اند . کنترل دما ، فشار ، اتمسفر و بویژه وضعیت نوار مذاب به صورت اتوماتیک و کامپیوتری انجام می‌شود .
در واقع قسمت حمام فلوت (حمام قلع) از وانی “ نسوز و گرافیت ” برای نگهداری قلع مذاب و همچنین یک اتاق در حد امکان بدون نشت گاز تشکیل شده است که برای نگهداری اتمسفر احیا کننده “ 10% گاز هیدروژن و 90% گاز نیتروژن ” بکار میرود تا از اکسیداسیون قلع جلوگیری شود . در فرآیند فلوت از این واقعیت بهره برده می‌شود که در خصوص دو مایع غیر قابل امتزاج ، مایع با دانسیته کمتر بر روی مایع سنگین‌تر به شکل یک فیلم پخش و گسترده می‌شود . یک زمینه محدود کاملاً صاف و مستول از مایع سبک‌تر تحت تأثیر وزن مخصوص و انرژی سطحی بوجود می‌آید .
برای تحقق بخشیدن به فرآیند فلوت به دنبال مایعی بودند که بتوان بر روی آن مذاب شیشه را ریخت به نحوی که بتوان سطح کاملاً مستوی و یکنواختی به وجود آورد . این مایع باید بتواند شرایط ضروری ذیل را برآورده کند :
-دانسیته بایستی بیشتر از دانسیته شیشه gr/cm3 5/2 باشد .
-نقطه ذوب بایستی کمتر از 600 درجه سانتیگراد باشد .
-فشار بخار مایع در حدود 1050 درجه سانتیگراد حتی‌المقدور کم باشد .
-مایع نبایستی با مذاب شیشه واکنش شیمیایی بدهد .
Ga ، In اساساً برای استفاده در حمام فلوت بر طبق خواص فیزیکی‌شان مناسب هستند . قله مایع بدین جهت انتخاب شد که در میان فلزات بالا ارزانترین بود . این فلز همچنین کمترین واکنش با مذاب شیشه در 1050 درجه سانتیگراد را داشته و کمترین فشار بخار را دارد .
معایب و مشکلات شیشه فلوت
یکی از مشکلات این روش این است که لبه دیواره معلق “ Tweel ” در داخل مذاب قرار دارد و این خود سبب پیدایش ناخالصیها و آلودگی مذاب می‌شود که بعدها پس از مدتی تلاش برای حل این مشکل با پوشاندن لبه دیواره معلق از پلاتین ، نهایتاً لبه آنرا از مذاب خارج کردند . یکی دیگر از مشکلات بسیار اساسی و مهم این روش پیچیدگی تولید شیشه‌های نازک بود .
کارهای اولیه نشان می‌داد که توسعه و پخش مذاب بر روی قلع تا زمانی صورت می‌گیرد که ورقه مذاب به یک ضخامت تعادلی در حدود 6 میلیمتر برسد . تجربیات اولیه برای تغییر ضخامت شیشه تولیدی با بالا و پایین آوردن سرعت غلتکهای انتهایی انجام شد ، ولی تجربه نشان داد که اگر سرعت غلتک انتهایی را برای کاهش ضخامت شیشه کم کنند ، عرض ورقه شیشه به شدت کم می‌شود . مثلاً در تغییر ضخامت به این روش از 6 به 4 میلیمتر عرض ورقه از 5/2 متر به 75 سانتیمتر می‌رسید . لذا از همان ابتدا مشخص بود که برای کنترل ضخامت ، تحول مهمی باید در فرآیند تولید شیشه شناور صورت گیرد . برای کنترل ضخامت روی ترکیب شیشه نیز کار شد ، ولی نتیجه چندان رضایت بخش نبود .
آزمایشهای انجام شده نشان داد که تغییر ضخامت با تغییر ترکیب که تعادل بین نیروهای کشش سطحی را تغییر میدهد ، قدرت تنظیمی بین 6 تا 7 میلیمتر را بیشتر ندارد . پس از تلاشهای فراوان ، تغییر منحنی دما در حمام قلع و عملکرد توامان تغییر دما و حرکت انبرهای بالشتکی لبه‌گیر برای کنترل ضخامت بسیار موفقیت‌آمیز بودند .
در این روش مذاب با دمای حدود 1050 درجه سانتیگراد (گرانروی 104 پواز) وارد حمام قلع می‌شود . دمای حمام بتدریج کاهش یافته و در دمای حدود 700 درجه سانتیگراد غلتکهای زوجی ، لبه‌های طرفین شیشه را در اختیار می‌گیرند . به این ترتیب عرض شیشه ثابت می‌ماند . پس از تثبیت عرض و فائق آمدن بر کشش سطحی ، دوباره دمای حمام افزایش می‌یابد و درجه حرارت نوار شیشه به حدود 850 درجه سانتیگراد میرسد . در این مرحله سرعت غلتکهای انتهایی را افزایش داده و ضخامت را کنترل و تنظیم می‌کنند . بدین ترتیب امکان تولید شیشه‌های نازکتر از 6 میلیمتر و یا ضخیمتر از آن به روش شناور فراهم می‌شود .
برای تولید شیشه‌های ضخیمتر از ضخامت تعادلی ، حرکت مذاب در حمام قلع توسط موانع یا میله‌های گرافیتی کنترل می‌گردد و مانع از پخش آن در عرض حمام می‌شوند . در این روش ضخامت ورقه تولیدی به مقدار و سرعت کشش شیشه در حمام بستگی دارد . برای جلوگیری از تأثیرات منفی موانع گرافیتی بر روی لبه‌های شیشه سعی می‌کنند که طول این موانع در حداقل مورد نیاز باشد . در سال 1969 میلادی تولید شیشه‌ای به ضخامت 15 میلیمتر با این روش امکان‌پذیر گشت .
سومین مشکل مهم روش فلوت ، معضلات شیمیایی این روش بود . وجود کمترین ناخالصی در حمام قلع ، بویژه حضور اکسیژن و گوگرد در فضای حمام ، حتی در حد یک در میلیون ، با قلع ترکیب می‌شوند و ترکیباتی چون SnO و SnS بوجود می‌آورند که پس از تبخیر و مهاجرت به نواحی سردتر حمام بر روی ورقه شیشه مذاب شبنم می‌زنند و لکه‌های چسبنده‌ای روی سطح ورقه شیشه به وجود می‌آورند . علاوه بر آن چون حلالیت اکسید قلع مذاب کم است ، در صورت پیدایش اکسید قلع ، این اکسید به صورت لکه شناوری روی سطح مذاب قلع شناور شده و سطح زیرین شیشه را معیوب می‌کند و به مرور با نفوذ در ساختار مولکولی شیشه ، در آن باقی می‌ماند و هنگام خم شیشه در کوره‌های عملیات حرارتی ، مثلاً در تولید شیشه خودرو ، سبب پیدایش کدری روی سطح شیشه می‌شود . کاهش این ناخالصیها و کنترل دور گردش آنها در کوره و حمام از موارد مهم موفقیت روش فلوت است .
سیکل آلودگی گوگرد و اکسیژن در حمام قلع :
اگر چه همه بررسی‌های ممکن نشان می‌داد که قلع بهترین و مناسب‌ترین فلز بستر برای شناور سازی نوار شیشه است ، اما ویژگی شیمیایی این عنصر میل شدید ترکیبی‌اش با اکسیژن و گوگرد است که در شرایط دمایی بالا تشدید می‌گردد به تدریج در فرآیند تولید شیشه مشکلات خاص خود را ایجاد می‌نماید . اکسیژن و گوگرد در دو سیکل شیمیایی متفاوت سبب آلودگی سطح شیشه و نیز تخریب المنتهای گرمایی حمام قلع می‌شود .
سیکل آلودگی گوگرد با تشکیل سولفور قلع (استانو) در مذاب قلع آغاز می‌شود . این سولفور در محدوده دمایی 1000-1050 درجه سانتیگراد به سرعت بخار شده و از محیط قلع خارج می‌شود . بخار سولفور استانو ، در چرخه کنوکسیونی اتمسفر حمام قلع به نقاط سردتر مهاجرت کرده و بر روی سطح سقف حمام و المنتهای گرمایی آن کندانسه می‌شود و پس از طی فرآیند ناقص احیا ، سولفور قلع به قلع فلزی و نهایتاً مخلوطی از سولفور قلع و قلع فلزی به شکل لکه‌های ریز و پایدار (با قطره‌های متفاوت از 100 تا 1000 میکرون) بر روی سطح شیشه چکه می‌کند . وجود ppm 10 سولفور در اتمسفر حمام منجر به تشکیل 100 میلی‌گرم سولفور قلع در هر متر مکعب از فضای حمام در دمای 1000-1050 درجه سانتیگراد می‌گردد . نقش گوگرد در مقایسه با اکسیژن در مورد تشکیل لکه‌های سطحی بسیار زیادتر است و لازم است که بهای لازم به وجود و حضور این عنصر در حمام قلع داده شود . برای کنترل سیکل آلودگی گوگرد روش‌های متفاوتی تجربه شده است . با توجه به اینکه سقف محل تجمع سولفور قلع است اساس روش‌های اولیه تمیز کردن سقف حمام با استفاده از دمش هوا یا گرم کردن ناحیه سقف و تسریع فرآیند احیا چکه در یک محدوده زمانی کوتاه بود که معمولاً در هنگام تمیز کردن سقف شیشه ، تولید غیر قابل استفاده می‌شد . اکنون روش ریشه‌ای‌تری در این مورد اتخاذ شده است . در واقع تجربه سالهای گذشته در مورد کنترل کاهش سولفات سدیم که بیشتر در کشورهای اروپایی جهت کاهش آلودگی محیط زیست انجام می‌گرفت ، نشان داد که این کاهش به شدت در تقلیل سیکل گوگرد مؤثر بوده است . به همین جهت اکنون برای کنترل این چرخه آلودگی از ورود گوگرد به داخل حمام قلع از طریق اتمسفر کوره و یا نوار شیشه حتی‌الامکان با کاهش مصرف عوامل گوگرد دار خودداری می‌شود . سیکل آلودگی اکسیژن نیز با ترکیب اکسیژن و قلع و تشکیل اکسید قلع (استانو) آغاز می‌گردد .
بخشی از اکسید قلع حاصل تبخیر و بخشی نیز در مذاب قلع حل می‌شود . بخار SnO در نواحی سردتر روی سطح شیشه کندانسه و موجب تشکیل لکه‌های پایدار بر روی سطح شیشه می‌شود . اکسید قلع محلول پس از رسیدن به حد اشباع از مذاب قلع خارج و به صورت اکسید استانیک روی سطح مذاب قلع شناور گشته و سطح زیرین نوار شیشه را آلوده و کدر می‌کند . از همان ابتدای شکل‌گیری این تکنولوژی برای کاستن از مسأله آلودگی اکسیژن ، تنها راه عملی جلوگیری از ورود اکسیژن به داخل حمام تشخیص داده شد و در این رابطه ضمن کنترل اتمسفر حمام با استفاده از هیدروژن و نیتروژن ، روش‌های دقیقتری برای درزبندی و جلوگیری از نفوذ دیفوزیونی اکسیژن به داخل حمام اتخاذ شد وجود حدود 10 درصد هیدروژن در اتمسفر حمام قلع ، در صورت اکسیژن به داخل حمام با جذب آن و تشکیل مولکولهای H2O ، سیکل آلودگی اکسیژن را متوقف می‌سازد . به هر حال در حال حاضر مسأله آلودگی اکسیژن و گوگرد ، مشکل عمده در تولید شیشه فلوت نمی‌باشد و روش‌های کنترل و محدود کردن آن کاملاً شناخحته شده هستند .
اما آلودگی سطح نوار شیشه به قلع یا اکسید قلع هنوز از مباحث جالب و مورد پیگیری در این صنعت است . بررسی‌های فعلی نشان داده است که در ترکیب صد انگستروم اول سطح شیشه بیش از 30 درصد اکسید قلع وجود دارد . در مواردی آلودگی‌های سطحی اگر چه ممکن است ظاهراً محسوس نباشد ولی در مراحل بعدی کار با شیشه ، بویژه در فرآیندهای تکمیلی مثل تولید شیشه نشکن یا خم برای مصارف ساختمانی یا اتومبیل سبب پیدایش کدری در سطح شیشه می‌گردند .
نتیجه‌گیری :
ابداع فرآیند شناور (فلوت) برای تولید پیوسته نواری از شیشه تخت با دو سطح موازی ، بدون اعوجاج و بدون نوسانات ضخامت ، گنجینه گرانبهایی از انواع کاوشهای علمی و تکنولوژیکی را برای مهندسان و دانشمندان به همراه داشته است . اندیشمندان تلاشهای زیادی کرده‌اند تا جنبه‌های مختلف این فرآیند اعجاب‌انگیز را با استفاده از قوانین فیزیک توضیح دهند .
دستیابی به قانونمندیهای حاکم بر تشکیل نوار شیشه در این فرآیند اکنون عرصه‌های جدیدتری را در تکوین و ابداعات نوین این تکنولوژی ایجاد کرده است و توسعه و تکمیل این تکنولوژی در سالهای اخیر سرعت بیشتری یافته و از شکل اولیه خود بسیار فاصله گرفته است . اکنون نسل جدیدی از واحدهای تولید شیشه فلوت در حال شکل‌گیری است.
