يغطي هذا الفصل قطاعات المنتجات التالية:

• زجاج
• ألياف زجاجية اصطناعية
• صناعة الفخار
• قطعة سيراميك
• سيراميك صناعي
• الطوب والبلاط
• الحراريات
• الأحجار الكريمة الاصطناعية
• الألياف البصرية.

 

ومن المثير للاهتمام ، أن معظم هذه القطاعات ليس فقط لها جذور في العصور القديمة ، ولكنها تشترك أيضًا في عدد من العمليات العامة المشتركة. على سبيل المثال ، تعتمد جميعها بشكل أساسي على استخدام المواد الخام التي تحدث بشكل طبيعي في شكل مسحوق أو جسيمات دقيقة والتي يتم تحويلها بالحرارة إلى المنتجات المرغوبة. لذلك ، على الرغم من مجموعة العمليات والمنتجات المشمولة في هذه المجموعة ، تسمح هذه العمليات المشتركة بإلقاء نظرة عامة على المخاطر الصحية المحتملة المرتبطة بهذه الصناعات. نظرًا لأن قطاعات التصنيع المختلفة تتكون من قطاعات صغيرة ومجزأة (على سبيل المثال ، تصنيع الطوب) ومصانع كبيرة ومتطورة تقنيًا توظف آلاف العمال ، يتم وصف كل قطاع على حدة.

العمليات والمخاطر الشائعة

توجد مخاطر شائعة تتعلق بالسلامة والصحة في تصنيع المنتجات في قطاعات الأعمال هذه. تمت مناقشة المخاطر وتدابير التحكم في أقسام أخرى من موسوعة. تمت مناقشة المخاطر الخاصة بالعملية في الأقسام الفردية من هذا الفصل.

عمليات المواد الخام المجمعة

تتلقى معظم عمليات التصنيع الصناعي مواد خام صلبة جافة في شكل سائب أو أكياس فردية. يتم تفريغ المواد الخام الصلبة السائبة من عربات السكك الحديدية ذات النطاط أو الشاحنات التي تعمل على الطرق الوعرة في صناديق أو قواديس أو خلاطات عن طريق الجاذبية أو خطوط النقل الهوائية أو الناقلات اللولبية أو ناقلات الجرافة أو غيرها من وسائل النقل الميكانيكية. يتم تفريغ المنصات من المواد الخام المعبأة في أكياس (20 إلى 50 كجم) أو حاويات الأكياس النسيجية الكبيرة (0.5 إلى 1.0 طن) من مقطورات الشاحنات أو عربات السكة الحديد بواسطة شاحنات رفع صناعية تعمل بالطاقة أو رافعات أو روافع. تتم إزالة الأكياس الفردية أو المواد الخام من المنصات يدويًا أو بمساعدة الرفع الكهربائي. عادة ما يتم شحن المواد الخام المعبأة في أكياس في محطة تفريغ الأكياس أو مباشرة في قواديس التخزين أو قواديس الميزان.

تشمل المخاطر المحتملة للسلامة والصحة المرتبطة بعمليات تفريغ المواد الخام الصلبة ومناولتها ونقلها ما يلي:

• التعرض للضوضاء في نطاق 85 إلى 100 ديسيبل. الهزازات الهوائية ، الضواغط ، مشغلات الصمامات ، محركات خلط الخلط ، المنافيخ ، ومجمعات الغبار هي بعض مصادر الضوضاء الرئيسية.

• التعرض للجسيمات المحمولة جواً القابلة للتنفس من نقل وخلط المواد الخام الصلبة الحبيبية. تعتمد التعرضات على تكوين المواد الخام ولكنها قد تشمل عادة السيليكا (SiO₂) والطين والألومينا والحجر الجيري والغبار القلوي وأكاسيد المعادن والمعادن الثقيلة والجسيمات المزعجة.

• المخاطر المريحة المرتبطة بالرفع اليدوي أو التعامل مع أكياس المواد الخام أو الهزازات أو خطوط النقل وأنشطة صيانة النظام

• الأخطار المادية من مناورات عربات السكك الحديدية أو الشاحنات ، وحركة مرور الشاحنات الصناعية التي تعمل بالطاقة ، والعمل على ارتفاعات مرتفعة ، ومداخل الأماكن المحصورة ، والتلامس مع مصادر الطاقة الكهربائية أو الهوائية أو الميكانيكية - على سبيل المثال ، نقاط الارتكاز ، والأجزاء الدوارة ، وتروس الدفع ، والأعمدة ، والأحزمة والبكرات.

 

عمليات الحرق أو الصهر

تتضمن منتجات التصنيع في قطاعات الأعمال هذه عمليات التجفيف أو الصهر أو الحرق في القمائن أو الأفران. يتم توليد الحرارة لهذه العمليات عن طريق احتراق البروبان ، والغاز الطبيعي (الميثان) أو زيت الوقود ، وذوبان القوس الكهربائي ، والميكروويف ، والتجفيف العازل و / أو التسخين بالمقاومة بالكهرباء. تشمل المخاطر المحتملة الناتجة عن عمليات الحرق أو الصهر ما يلي:

• التعرض لمنتجات الاحتراق مثل أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين (NO_x) وثاني أكسيد الكبريت

• الأبخرة والجسيمات من المواد الخام المحمولة جوًا (مثل السيليكا والمعادن والغبار القلوي) أو المنتجات الثانوية (مثل فلوريد الهيدروجين والكريستوباليت وأبخرة المعادن الثقيلة)

• حريق أو انفجار المرتبطة بأنظمة الوقود المستخدمة في عملية التسخين أو الوقود لشاحنات الرفع ؛ مخاطر الحريق أو الانفجار المحتملة المرتبطة بخزانات الوقود القابلة للاشتعال وأنظمة توزيع الأنابيب وأجهزة التبخير. يمكن أن تمثل أنظمة الوقود الاحتياطية أو الاحتياطية التي يتم استخدامها بشكل متكرر لتقليص الغاز الطبيعي مخاوف مماثلة من حريق أو انفجار.

• التعرض للأشعة تحت الحمراء من المواد المنصهرة ، والتي يمكن أن تزيد من خطر الإصابة بإعتام عدسة العين الحراري أو حروق الجلد

• الطاقة المشعة والضغط الحراري. يمكن أن تكون بيئة العمل حول الأفران أو الأفران شديدة الحرارة. يمكن أن تحدث مشكلات الإجهاد الحراري الكبيرة عند إجراء أعمال الإصلاح الطارئة أو الصيانة الروتينية بالقرب من عمليات الحرق أو الذوبان أو أعلاها. يمكن أن تنتج الحروق الحرارية الشديدة من ملامسة الجلد للأسطح الساخنة أو المواد المنصهرة (انظر الشكل 1).

 

الشكل 1. فني مراقبة الجودة

• مخاطر الطاقة الكهربائية. يمثل التلامس المباشر مع الطاقة الكهربائية عالية الجهد المستخدمة للتسخين بالمقاومة لتكملة العمليات التي تعمل بالوقود خطر حدوث صعق كهربائي ومخاوف صحية محتملة بشأن التعرض للمجالات الكهرومغناطيسية (EMF). يمكن أن تتداخل المجالات المغناطيسية والكهربائية القوية مع أجهزة تنظيم ضربات القلب وغيرها من الأجهزة الطبية المزروعة.

• التعرض للضوضاء أعلى من 85 إلى 90 ديسيبل من نافخات الاحتراق أو قواديس أو خلاطات الدُفعات وعمليات التغذية والناقلات.

 

المناولة في الإنتاج والتصنيع والتعبئة والتخزين

تختلف عمليات مناولة المواد والتصنيع والتعبئة إلى حد كبير في هذا القطاع التجاري ، وكذلك حجم المنتجات وشكلها وأوزانها. تمثل الكثافة العالية للمواد في هذا القطاع أو التكوينات الضخمة مخاطر شائعة عند مناولة المواد. يتسبب الرفع اليدوي ومناولة المواد في الإنتاج والتصنيع والتعبئة والتخزين في هذه الصناعة في العديد من إصابات الإعاقة. (راجع قسم "ملف تعريف الإصابة والمرض" أدناه.) تركز جهود الحد من الإصابات على تقليل الرفع اليدوي ومعالجة المواد. على سبيل المثال ، بدأ استخدام تصميمات التغليف المبتكرة ، والروبوتات لتكديس المنتجات النهائية ووضعها على منصات نقالة ، ومركبات النقل الموجهة الأوتوماتيكية للتخزين في أجزاء محددة من قطاع الأعمال هذا للتخلص من التعامل اليدوي مع المواد والإصابات المرتبطة به. يعد استخدام الناقلات ومساعدات الرفع المأهولة (على سبيل المثال ، الرافعات الفراغية) ومنصات المقص لمناولة المنتجات ونقلها إلى منصات نقالة من الممارسات الشائعة في التعامل مع المواد (انظر الشكل 2).

الشكل 2. يتم استخدام مساعدة رفع الفراغ

يلعب استخدام الروبوتات للتخلص من التعامل اليدوي مع المواد دورًا رئيسيًا في الوقاية من الإصابات المريحة. لقد قللت الروبوتات من الضغوط المريحة وإصابات التمزق الشديدة التي ارتبطت تاريخياً بمناولة المواد (على سبيل المثال ، الزجاج المسطح) في القوى العاملة المنتجة (انظر الشكل 3). ومع ذلك ، فإن الاستخدام المتزايد للروبوتات وأتمتة العمليات يؤدي إلى مخاطر نقل الآلات والطاقة الكهربائية ، مما يحول أنواع المخاطر وينقل أيضًا المخاطر إلى العمال الآخرين (من الإنتاج إلى عمال الصيانة). تعتبر التصميمات المناسبة للضوابط الإلكترونية والتسلسل المنطقي وحراس الماكينة وممارسات تأمين الطاقة الكاملة وإنشاء إجراءات تشغيل وصيانة آمنة طرقًا أساسية للتحكم في إصابات عمال الصيانة والإنتاج.

الشكل 3. الروبوتات المستخدمة في زجاج الألواح

أنشطة إعادة البناء وإعادة الإعمار

يتم مواجهة العديد من المخاطر المحتملة على الصحة والسلامة أثناء عمليات إعادة البناء الرئيسية الدورية أو الإصلاحات الباردة للأفران أو الأفران. قد يتم مواجهة مجموعة واسعة من المخاطر المرتبطة بأنشطة البناء. تشمل الأمثلة ما يلي: المخاطر المريحة مع مناولة المواد (مثل الطوب الحراري) ؛ التعرضات المحمولة جواً للسيليكا ، والأسبستوس ، وألياف السيراميك المقاومة للصهر أو الجسيمات التي تحتوي على معادن ثقيلة ، أثناء الهدم ، أو المنتجات الثانوية للقطع واللحام ؛ الإجهاد الحراري؛ العمل على ارتفاعات عالية ؛ مخاطر الانزلاق أو التعثر أو السقوط ؛ مخاطر الأماكن المحصورة (انظر الشكل 4) ؛ والاتصال بمصادر الطاقة الخطرة.

الشكل 4. دخول الأماكن المحصورة

الزجاج

الملف العام

تم تشكيل الزجاج بشكل طبيعي من العناصر المشتركة في قشرة الأرض قبل وقت طويل من التفكير في تجربة تكوينه أو تشكيل شكله أو وضعه في عدد لا يحصى من الاستخدامات التي يتمتع بها اليوم. حجر السبج ، على سبيل المثال ، هو مزيج طبيعي من الأكاسيد المصهورة بالحرارة البركانية الشديدة والمزججة (المصنوعة في الزجاج) عن طريق التبريد السريع للهواء. يأتي لونه الأسود المعتم من الكميات العالية نسبيًا من أكسيد الحديد الذي يحتوي عليه. متانتها الكيميائية وصلابتها بشكل إيجابي مقارنة بالعديد من الزجاجات التجارية.

تطورت تقنية الزجاج منذ 6,000 عام ، وتعود بعض المبادئ الحديثة إلى العصور القديمة. فقد أصل أول زجاج اصطناعي في العصور القديمة والأساطير. خزف صنعه المصريون الذين صنعوا التماثيل من الرمال (SiO₂) ، وهو أكسيد تشكيل الزجاج الأكثر شيوعًا. كانت مطلية بالناترون ، البقايا التي خلفها فيضان نهر النيل ، والتي كانت تتكون أساسًا من كربونات الكالسيوم (CaCO)₃) ورماد الصودا (Na₂CO₃) والملح (كلوريد الصوديوم) وأكسيد النحاس (CuO). ينتج عن التسخين الذي يقل عن 1,000 درجة مئوية طلاء زجاجي عن طريق انتشار التدفقات ، CaO و Na₂O في الرمال وتفاعلها اللاحق في الحالة الصلبة مع الرمال. أعطى أكسيد النحاس المادة لونًا أزرق جذابًا.

وفقًا للتعريف الذي قدمه موري: "الزجاج مادة غير عضوية في حالة مستمرة مع الحالة السائلة لتلك المادة ، ومماثلة لها ، ولكنها ، نتيجة للتغير القابل للانعكاس في اللزوجة أثناء التبريد ، قد وصلت درجة عالية من اللزوجة صلبة لجميع الأغراض العملية. " تُعرِّف الجمعية الأمريكية لاختبار المواد الزجاج (ASTM) الزجاج بأنه "منتج انصهار غير عضوي يبرد إلى حالة صلبة دون أن يتبلور". قد تشكل كل من المواد العضوية وغير العضوية زجاجًا إذا كان هيكلها غير بلوري - أي إذا كانت تفتقر إلى الترتيب بعيد المدى.

كان أهم تطور في تكنولوجيا الزجاج هو استخدام أنبوب النفخ (انظر الشكل 5) ، والذي تم استخدامه لأول مرة في حوالي 100 عام قبل الميلاد. منذ ذلك الحين فصاعدًا ، كان هناك تطور سريع في تقنية تصنيع الزجاج.

الشكل 5. أنبوب النفخ

تم تلوين الزجاج الأول لوجود شوائب مختلفة مثل أكاسيد الحديد والكروم. تم صنع الزجاج عديم اللون تقريبًا لأول مرة منذ حوالي 1,500 عام.

في ذلك الوقت ، كانت صناعة الزجاج تتطور في روما ، ومن هناك انتقلت إلى العديد من البلدان الأخرى في أوروبا. تم بناء العديد من أعمال الزجاج في البندقية ، وحدث تطور مهم هناك. في القرن الثالث عشر ، تم نقل العديد من مصانع الزجاج من البندقية إلى جزيرة مورانو القريبة. لا تزال مورانو مركزًا لإنتاج الزجاج المصنوع يدويًا في إيطاليا.

بحلول القرن السادس عشر ، كان الزجاج يُصنع في جميع أنحاء أوروبا. الآن يشتهر الزجاج البوهيمي من جمهورية التشيك بجماله ومصانع الزجاج في المملكة المتحدة وأيرلندا تنتج أدوات مائدة زجاجية زجاجية عالية الجودة. السويد هي بلد آخر موطن لإنتاج الأواني الزجاجية الفنية.

في أمريكا الشمالية ، كانت أول مؤسسة تصنيعية من أي نوع هي مصنع زجاج. بدأ المستوطنون الإنجليز في إنتاج الزجاج في بداية القرن السابع عشر في جيمستاون ، فيرجينيا.

يتم تصنيع الزجاج اليوم في معظم البلدان في جميع أنحاء العالم. يتم تصنيع العديد من منتجات الزجاج في خطوط معالجة أوتوماتيكية بالكامل. على الرغم من أن الزجاج هو أحد أقدم المواد ، إلا أن خصائصه فريدة ولم يتم فهمها بالكامل بعد.

تتكون صناعة الزجاج اليوم من عدة قطاعات رئيسية في السوق ، والتي تشمل سوق الزجاج المسطح ، وسوق الأدوات المنزلية الاستهلاكية ، وسوق العبوات الزجاجية ، وصناعة الزجاج البصري ، وقطاع سوق الأواني الزجاجية العلمية. تميل أسواق الزجاج البصري والعلمي إلى أن تكون منظمة للغاية ويهيمن عليها مورد أو اثنان في معظم البلدان. هذه الأسواق هي أيضًا أقل حجمًا بكثير من الأسواق القائمة على المستهلك. لقد تطورت كل من هذه الأسواق على مر السنين من خلال الابتكارات في تكنولوجيا زجاج معينة أو تطورات التصنيع. كانت صناعة الحاويات ، على سبيل المثال ، مدفوعة بتطوير آلات صنع الزجاجات عالية السرعة التي تم تطويرها في أوائل القرن العشرين. تطورت صناعة الزجاج المسطح بشكل كبير من خلال تطوير عملية الزجاج المصقول في أوائل الستينيات. كلا هذين القطاعين هما أعمال بمليارات الدولارات في جميع أنحاء العالم اليوم.

تنقسم الأدوات المنزلية الزجاجية إلى أربع فئات عامة:

1. أدوات المائدة (بما في ذلك أواني الطعام والأكواب والأكواب)
2. DRINKWARE
3. أواني الخبز (أو أواني الفرن)
4. تجهيزات المطابخ أعلى الموقد.

 

في حين أنه من الصعب الحصول على تقديرات عالمية ، فإن سوق الأدوات المنزلية الزجاجية بلا شك في حدود 1 مليار دولار أمريكي في الولايات المتحدة وحدها. اعتمادًا على الفئة المحددة ، تتنافس مجموعة متنوعة من المواد الأخرى على حصة السوق ، بما في ذلك السيراميك والمعادن والبلاستيك.

عمليات التصنيع

يعتبر الزجاج منتج انصهار غير عضوي يبرد إلى حالة صلبة دون أن يتبلور. عادة ما يكون الزجاج صلبًا وهشًا وله كسر محاري. يمكن تصنيع الزجاج بحيث يكون ملونًا أو نصف شفاف أو معتمًا بتغيير المواد المذابة غير المتبلورة أو البلورية الموجودة.

عندما يتم تبريد الزجاج من الحالة المنصهرة الساخنة ، فإنه يزداد تدريجيًا في اللزوجة دون التبلور على نطاق واسع من درجات الحرارة ، حتى يتخذ شكله الصلب والهش المميز. يتم التحكم في التبريد لمنع التبلور أو الضغط العالي.

في حين أن أي مركب له هذه الخصائص الفيزيائية هو نظريًا زجاج ، فإن معظم الزجاجات التجارية تنقسم إلى ثلاثة أنواع رئيسية ولها مجموعة واسعة من التركيبات الكيميائية.

1. أكواب الصودا والجير والسيليكا هي الزجاج الأكثر أهمية من حيث الكمية المنتجة وتنوع الاستخدام ، بما في ذلك الزجاج المسطح والحاويات والأواني الزجاجية المنزلية ذات الإنتاج الضخم منخفضة التكلفة والمصابيح الكهربائية.
2. أكواب الرصاص والبوتاس والسيليكا تحتوي على نسبة متفاوتة ولكن عالية من أكسيد الرصاص. تستفيد صناعة الزجاج البصري من معامل الانكسار العالي لهذا النوع من الزجاج ؛ تستفيد الأواني الزجاجية المنزلية والزخرفية المنفوخة يدويًا من سهولة التقطيع والتلميع ؛ تستفيد التطبيقات الكهربائية والإلكترونية من مقاومتها الكهربائية العالية والحماية من الإشعاع.
3. زجاج البورسليكات لها تمدد حراري منخفض ومقاومة للصدمات الحرارية ، مما يجعلها مثالية للأفران المنزلية والأواني الزجاجية للمختبرات والألياف الزجاجية للتعزيزات البلاستيكية.

تتكون الدفعة الزجاجية التجارية من خليط من عدة مكونات. ومع ذلك ، فإن الجزء الأكبر من الدفعة يتكون من 4 إلى 6 مكونات ، يتم اختيارها من مواد مثل الرمل والحجر الجيري والدولوميت ورماد الصودا والبوراكس وحمض البوريك والمواد الفلسبتية ومركبات الرصاص والباريوم. يتكون الجزء المتبقي من الدفعة من عدة مكونات إضافية ، يتم اختيارها من مجموعة من حوالي 15 إلى 20 مادة يشار إليها عادةً بالمكونات الثانوية. تتم إضافة هذه الإضافات الأخيرة بهدف توفير بعض الوظائف أو الجودة المحددة ، مثل اللون ، والتي يجب تحقيقها أثناء عملية تحضير الزجاج.

يوضح الشكل 6 المبادئ الأساسية لتصنيع الزجاج. يتم وزن المواد الخام وخلطها ، وبعد إضافة الزجاج المكسور (كسارة الزجاج) ، يتم نقلها إلى الفرن لصهرها. لا تزال تستخدم الأواني الصغيرة التي تصل سعتها إلى 2 طن لصهر الزجاج للأواني الكريستالية المنفوخة يدويًا والنظارات الخاصة المطلوبة بكميات صغيرة. يتم تسخين العديد من الأواني معًا في غرفة الاحتراق.

الشكل 6. العمليات والمواد المعنية

في معظم الصناعات الحديثة ، يحدث الصهر في أفران كبيرة قابلة للتجديد أو الاستعادة أو الكهرباء مبنية من مادة مقاومة للحرارة ويتم تسخينها بالزيت أو الغاز الطبيعي أو الكهرباء. تم تسويق التعزيز الكهربائي والذوبان الكهربائي على البارد وأصبح يستخدم على نطاق واسع على مستوى العالم في أواخر الستينيات والسبعينيات. كانت القوة الدافعة وراء الصهر الكهربائي على البارد هي التحكم في الانبعاثات ، بينما تم استخدام التعزيز الكهربائي بشكل عام لتحسين جودة الزجاج وزيادة الإنتاجية.

ترتبط أهم العوامل الاقتصادية المتعلقة باستخدام الكهرباء في صهر أفران الزجاج بتكاليف الوقود الأحفوري ، وتوافر أنواع الوقود المختلفة ، وتكاليف الكهرباء ، والتكاليف الرأسمالية للمعدات وما إلى ذلك. ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، يكون السبب الرئيسي لاستخدام الصهر الكهربائي أو التعزيز هو التحكم البيئي. مواقع مختلفة في جميع أنحاء العالم إما لديها بالفعل أو من المتوقع أن يكون لديها قريبًا لوائح بيئية تقيد بشكل صارم تصريف الأكاسيد المختلفة أو الجسيمات بشكل عام. وبالتالي ، يواجه المصنعون في العديد من المواقع احتمال الاضطرار إما إلى تقليل مخرجات صهر الزجاج ، أو تركيب الأكياس أو المرسبات من أجل التعامل مع غازات المداخن العادمة أو تعديل عملية الصهر بما في ذلك الصهر الكهربائي أو التعزيز. قد تكون البدائل لمثل هذا التعديل في بعض الحالات هي إغلاق المصنع.

قد يكون الجزء الأكثر سخونة من الفرن (البنية الفوقية) عند 1,600 إلى 2,800 درجة مئوية. يعمل التبريد المتحكم فيه على تقليل درجة حرارة الزجاج إلى 1,000 إلى 1,200 درجة مئوية عند النقطة التي يترك فيها الزجاج الفرن. بالإضافة إلى ذلك ، تخضع جميع أنواع الزجاج لمزيد من التحكم في التبريد (التلدين) في فرن خاص أو فرن خاص. تعتمد المعالجة اللاحقة على نوع عملية التصنيع.

يتم استخدام النفخ الأوتوماتيكي في آلات إنتاج الزجاجات والمصابيح بالإضافة إلى الزجاج المنفوخ يدويًا. يتم ضغط الأشكال البسيطة ، مثل العوازل والطوب الزجاجي وفراغات العدسات وما إلى ذلك ، بدلاً من نفخها. تستخدم بعض عمليات التصنيع مزيجًا من النفخ الميكانيكي والضغط. يتم لف الزجاج السلكي والشكل. يتم سحب الزجاج المصنوع من الفرن من خلال عملية رأسية تمنحه سطحًا مكتمل النيران. بسبب التأثيرات المشتركة للرسم والجاذبية ، لا مفر من حدوث بعض التشويه الطفيف.

يمر الزجاج اللوحي عبر بكرات مبردة بالماء إلى فرن التلدين. إنه خالي من التشويه. يمكن إزالة تلف السطح عن طريق الطحن والتلميع بعد التصنيع. تم استبدال هذه العملية إلى حد كبير بعملية الزجاج المصقول ، والتي تم تقديمها في السنوات الأخيرة (انظر الشكل 7). جعلت عملية التعويم من الممكن تصنيع الزجاج الذي يجمع بين مزايا كل من الصفيحة واللوحة. الزجاج المصقول له سطح مكتمل النيران وخالٍ من التشويه.

الشكل 7. عملية التعويم المستمرة

في عملية التعويم ، يتحرك شريط زجاجي مستمر من فرن الصهر ويطفو على طول سطح حوض من القصدير المصهور. يتوافق الزجاج مع السطح المثالي للقصدير المصهور. عند مروره فوق القصدير ، تنخفض درجة الحرارة حتى يصبح الزجاج صعبًا بدرجة كافية ليتم تغذيته على بكرات فرن التلدين دون تحديد سطحه السفلي. يمنع الجو الخامل في الحمام أكسدة القصدير. الزجاج ، بعد التلدين ، لا يحتاج إلى مزيد من المعالجة ويمكن معالجته بشكل إضافي عن طريق القطع والتعبئة الأوتوماتيكية (انظر الشكل 8).

الشكل 8. شريط من الزجاج العائم يخرج من الفرن

أدى الاتجاه في العمارة السكنية والتجارية الجديدة نحو تضمين المزيد من مناطق الزجاج ، والحاجة إلى تقليل استهلاك الطاقة ، إلى زيادة التركيز على تحسين كفاءة الطاقة في النوافذ. توفر الأغشية الرقيقة المترسبة على سطح الزجاج قدرة انبعاثية منخفضة أو خصائص تحكم في الطاقة الشمسية. يتطلب تسويق هذه المنتجات المطلية بالسلع تكلفة منخفضة ، وتقنية ترسيب مساحة كبيرة. نتيجة لذلك ، تم تجهيز عدد متزايد من خطوط تصنيع الزجاج المصقول بعمليات طلاء متطورة عبر الإنترنت.

في عمليات ترسيب البخار الكيميائي (CVD) شائعة الاستخدام ، يتم ملامسة خليط الغاز المعقد مع الركيزة الساخنة ، حيث يتفاعل بالتحلل الحراري لتشكيل طلاء على سطح الزجاج. بشكل عام ، تتكون معدات الطلاء من هياكل يتم التحكم فيها حرارياً والتي يتم تعليقها على عرض الشريط الزجاجي. قد تكون موجودة في حمام القصدير أو فجوة الفرن أو الفرن. تتمثل وظيفة الطلاء في توصيل الغازات الأولية بشكل موحد على عرض الشريط بطريقة يتم التحكم فيها بدرجة الحرارة واستخراج المنتجات الثانوية لغاز العادم من منطقة الترسيب بأمان. بالنسبة لأكوام الطلاء المتعددة ، يتم استخدام طبقات متعددة في سلسلة على طول الشريط الزجاجي.

لمعالجة المنتجات الثانوية لغاز العادم المتولدة عن مثل هذه العمليات واسعة النطاق ، فإن تقنيات الغسل الرطب باستخدام مكبس الترشيح التقليدي تكون كافية عادةً. عندما لا تتفاعل الغازات المتدفقة بسهولة أو ترطيبها بواسطة المحاليل المائية ، يكون الحرق هو الخيار الأساسي.

يتم تقوية بعض الزجاجات الضوئية كيميائيًا من خلال عمليات تتضمن غمر الزجاج لعدة ساعات في حمامات ذات درجة حرارة عالية تحتوي على أملاح منصهرة من نترات الليثيوم ونترات البوتاسيوم.

زجاج أمان نوعان رئيسيان:

1. تشديد الزجاج يتم تصنيعه عن طريق الضغط المسبق عن طريق التسخين ثم تبريد قطع الزجاج المسطح بالشكل والحجم المطلوبين في أفران خاصة.
2. الزجاج الرقائقي يتكون عن طريق لصق لوح من البلاستيك (عادة بولي فينيل بوتيرال) بين لوحين رفيعين من الزجاج المسطح.

 

ألياف زجاجية اصطناعية

الملف العام

يتم إنتاج الألياف الزجاجية الاصطناعية من مجموعة متنوعة من المواد. وهي عبارة عن سيليكات غير متبلورة مصنوعة من الزجاج أو الصخور أو الخبث أو معادن أخرى. الألياف المنتجة عبارة عن ألياف متصلة وغير متصلة. بشكل عام ، الألياف المستمرة عبارة عن ألياف زجاجية مسحوبة من خلال فتحات وتستخدم لتقوية المواد الأخرى ، مثل البلاستيك ، لإنتاج مواد مركبة بخصائص فريدة. تُستخدم الألياف المتقطعة (المعروفة عمومًا باسم الصوف) لأغراض عديدة ، والأكثر شيوعًا للعزل الحراري والصوتي. لأغراض هذه المناقشة ، تم تقسيم الألياف الزجاجية الاصطناعية إلى ألياف زجاجية متصلة ، مع صوف عازل مصنوع من ألياف الزجاج والصخور أو الخبث ، وألياف السيراميك المقاومة للحرارة ، والتي تكون عمومًا سيليكات الألومنيوم.

كانت إمكانية سحب الزجاج المخفف بالحرارة إلى ألياف دقيقة معروفة لدى صانعي الزجاج في العصور القديمة وهي في الواقع أقدم من تقنية نفخ الزجاج. تم صنع العديد من الأواني المصرية القديمة عن طريق لف ألياف زجاجية خشنة على مغزل من الصلصال ذي شكل مناسب ، ثم تسخين المجموعة حتى تتدفق الألياف الزجاجية إلى بعضها البعض ، وبعد التبريد ، إزالة لب الطين. حتى بعد ظهور نفخ الزجاج في القرن الأول الميلادي ، كانت تقنية الألياف الزجاجية لا تزال مستخدمة. استخدمها صانعو الزجاج في البندقية في القرنين السادس عشر والسابع عشر لتزيين الأواني الزجاجية. في هذه الحالة ، تم جرح حزم من الألياف البيضاء غير الشفافة على سطح وعاء زجاجي منفوخ شفاف عادي (على سبيل المثال ، كأس) ثم انصهرت فيه عن طريق التسخين.

على الرغم من التاريخ الطويل للاستخدامات الزخرفية أو الفنية بشكل عام للألياف الزجاجية ، لم يظهر الاستخدام الواسع مرة أخرى حتى القرن العشرين. حدث الإنتاج التجاري الأولي للألياف الزجاجية في الولايات المتحدة في ثلاثينيات القرن الماضي ، بينما حدث الاستخدام الأولي في أوروبا قبل بضع سنوات. تم إنتاج الصوف الصخري والخبث قبل ذلك بعدة سنوات.

يعد تصنيع واستخدام الألياف الزجاجية الاصطناعية صناعة عالمية تقدر بمليارات الدولارات لأن هذه المواد المفيدة أصبحت مكونًا مهمًا في المجتمع الحديث. أدى استخدامهم كعوازل إلى انخفاض هائل في متطلبات الطاقة للتدفئة والتبريد في المباني ، وقد أدى هذا التوفير في الطاقة إلى انخفاض كبير في التلوث العالمي المرتبط بإنتاج الطاقة. تم تقدير عدد تطبيقات الخيوط الزجاجية المستمرة كتعزيزات لمجموعة كبيرة من المنتجات ، من السلع الرياضية إلى رقائق الكمبيوتر إلى تطبيقات الفضاء ، بما يزيد عن 30,000. حدث تطوير ألياف السيراميك المقاومة للحرارة وتسويقها على نطاق واسع في السبعينيات ، ولا تزال هذه الألياف تلعب دورًا مهمًا في حماية العمال والمعدات في مجموعة متنوعة من عمليات التصنيع ذات درجات الحرارة العالية.

عمليات التصنيع

خيوط زجاجية مستمرة

يتم تشكيل خيوط الزجاج عن طريق سحب الزجاج المنصهر من خلال البطانات المعدنية الثمينة إلى خيوط دقيقة ذات قطر موحد تقريبًا. نظرًا للمتطلبات الفيزيائية للألياف عند استخدامها كتعزيزات ، فإن أقطارها كبيرة نسبيًا مقارنة بتلك الموجودة في الصوف العازل. تقريبًا جميع خيوط الزجاج المستمرة لها أقطار من 5 إلى 15 ميكرومتر أو أكثر. هذه الأقطار الكبيرة ، إلى جانب النطاق الضيق للأقطار التي يتم إنتاجها أثناء التصنيع ، تقضي على أي آثار تنفسية مزمنة محتملة ، حيث أن الألياف كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استنشاقها في الجهاز التنفسي السفلي.

يتم تصنيع الألياف الزجاجية المستمرة عن طريق التوهين السريع لقطرات الزجاج المنصهر التي تنضح عبر الفتحات تحت الجاذبية وتتدلى منها. ينتج عن التوازن الديناميكي بين قوى التوتر السطحي والتوهين الميكانيكي انخفاض الزجاج الذي يتخذ شكل الغضروف المفصلي عند الفتحة الحلقيّة للفوهة ويتناقص إلى قطر الألياف التي يتم سحبها. لكي ينجح سحب الألياف ، يجب أن يكون الزجاج ضمن نطاق ضيق من اللزوجة (أي بين 500 و 1,000 اتزان). في اللزوجة المنخفضة ، يكون الزجاج مائعًا جدًا ويسقط بعيدًا عن الفتحات كقطرات ؛ في هذه الحالة يسيطر التوتر السطحي. في اللزوجة العالية ، يكون التوتر في الألياف أثناء التوهين مرتفعًا جدًا. يمكن أن يصبح معدل تدفق الزجاج عبر الفوهة أيضًا منخفضًا جدًا للحفاظ على الغضروف المفصلي.

تتمثل وظيفة البطانة في توفير صفيحة تحتوي على عدة مئات من الفوهات عند درجة حرارة موحدة وتكييف الزجاج لدرجة الحرارة الموحدة بحيث تكون الألياف المسحوبة ذات قطر موحد. يوضح الشكل 9 مخططًا تخطيطيًا للسمات الرئيسية لجلبة تذوب مباشرة متصلة بمدخنة تأخذ منها إمدادًا من الزجاج المصهور بالقرب من درجة الحرارة التي يمر عندها الزجاج عبر الفتحات ؛ في هذه الحالة ، فإن الوظيفة الأساسية للجلبة هي أيضًا وظيفتها الوحيدة.

الشكل 9. رسم تخطيطي لجلبة الصهر المباشر

في حالة جلبة تعمل من الرخام ، يلزم وجود وظيفة ثانية - وهي صهر الكرات أولاً قبل تكييف الزجاج لدرجة حرارة سحب الألياف الصحيحة. يظهر جلبة رخامية نموذجية في الشكل 10. الخط المكسور داخل الجلبة عبارة عن صفيحة مثقبة تحتفظ بالرخام غير المصهور.

الشكل 10. رسم تخطيطي لجلبة رخامية

تصميم البطانات تجريبي إلى حد كبير. لأسباب تتعلق بمقاومة الزجاج المصهور والاستقرار عند درجات الحرارة اللازمة لسحب الألياف ، يتم تصنيع البطانات من سبائك البلاتين ؛ يتم استخدام كل من 10٪ روديوم-بلاتين و 20٪ روديوم-بلاتينيوم ، وهذا الأخير أكثر مقاومة للتشويه في درجات الحرارة المرتفعة.

قبل تجميع الألياف الفردية التي يتم سحبها من الجلبة وتوحيدها في حبلا ، أو العديد من الخيوط ، يتم تغليفها بحجم ألياف. تتكون أحجام الألياف هذه أساسًا من نوعين:

1. عادة ما يتم تطبيق أحجام زيت النشا على الألياف المعدة للنسيج في الأقمشة الدقيقة أو عمليات مماثلة
2. عامل قفل بالإضافة إلى أحجام سابقة الغشاء مطبقة على الألياف المعدة للتعزيز المباشر للبلاستيك والمطاط.

 

بعد تشكيل الألياف ، يتم وضع طبقة واقية من التحجيم العضوي على قضيب ويتم تجميع الخيوط المستمرة في حبلا متعدد الشعيرات (انظر الشكل 11) قبل لفها في أنبوب متعرج. تعمل أدوات التطبيق من خلال السماح لمروحة الألياف ، عندما يكون عرضها يتراوح من 25 إلى 45 مم وفي طريقها إلى حذاء التجميع أسفل أداة التثبيت ، بالمرور فوق سطح متحرك مغطى بفيلم بحجم الألياف.

الشكل 11. خيوط زجاجية من القماش

يوجد نوعان أساسيان من التطبيقات:

1. أدوات تطبيق أسطوانية ، مصنوعة من المطاط أو السيراميك أو الجرافيت ، حيث تمر الألياف فوق سطح الأسطوانة المطلية بفيلم بحجم الألياف
2. أدوات تطبيق الحزام ، حيث يمر الحزام في أحد طرفيه فوق بكرة مدفوعة تقوم بغمس الحزام في حجم الألياف ويمر في الطرف الآخر فوق قضيب صلب ثابت من الكروم الصلب حيث تلمس الألياف الحزام لالتقاط الحجم.

 

يمكن أن يختلف الطلاء الواقي وعملية تجميع الألياف اعتمادًا على أنواع المنسوجات أو ألياف التعزيز التي يتم إنتاجها. الهدف الأساسي هو طلاء الألياف بالحجم ، وتجميعها في حبلا ووضعها على أنبوب قابل للإزالة على كوليت مع الحد الأدنى من الشد اللازم.

يوضح الشكل 12 عملية تصنيع الزجاج المستمر.

الشكل 12. التصنيع المستمر للزجاج الخيطي

صناعة الصوف العازل

على عكس الخيوط المستمرة ، فإن ألياف الصوف العازل وألياف السيراميك المقاومة للصهر مصنوعة في عمليات عالية الطاقة للغاية حيث يتم إسقاط المواد المنصهرة إما في أقراص الغزل أو سلسلة من العجلات الدوارة. تؤدي هذه الطرق إلى إنتاج ألياف ذات أقطار أوسع بكثير من تلك التي تظهر في الخيوط المستمرة. وهكذا ، فإن كل الصوف العازل وألياف السيراميك تحتوي على جزء صغير من الألياف بأقطار أقل من 3.0 ميكرومتر ؛ يمكن أن تصبح قابلة للتنفس إذا تم كسرها إلى أطوال قصيرة نسبيًا (أقل من 200 إلى 250 ميكرومتر). تتوفر بيانات مستفيضة عن حالات التعرض للألياف الزجاجية الاصطناعية القابلة للتنفس في مكان العمل.

يتم استخدام عدة عمليات للتصنيع صوف زجاجي، بما في ذلك عملية نفخ البخار وعملية نفخ اللهب ؛ لكن الأكثر شيوعًا هي عملية التشكيل الدوار التي تم تطويرها في منتصف الخمسينيات. حلت العمليات الدوارة إلى حد كبير محل عمليات النفخ المباشر للإنتاج التجاري لمنتجات عزل الألياف الزجاجية. تستخدم جميع هذه العمليات الدوارة أسطوانة مجوفة ، أو دوارة ، مثبتة مع محورها الرأسي. الجدار العمودي للغزل مثقوب بعدة آلاف من الثقوب موزعة بشكل موحد حول المحيط. يُسمح للزجاج المصهور بالسقوط بمعدل متحكم فيه في مركز الدوار ، حيث يقوم بعض الموزعين المناسبين بدفعه إلى داخل الجدار المثقب العمودي. من هذا الموضع ، تدفع قوة الطرد المركزي الزجاج للخارج شعاعيًا في شكل خيوط زجاجية منفصلة تنبعث من كل ثقب. يتم تحقيق المزيد من التوهين لهذه الخيوط الأولية بواسطة سائل نفخ مناسب يخرج من فوهة أو فوهات مرتبة حول وحدة الدوران ومتحدة المركز. والنتيجة النهائية هي إنتاج ألياف يبلغ قطرها المتوسط ​​من 1950 إلى 6 مم. يعمل مائع النفخ في اتجاه هابط وبالتالي ، بالإضافة إلى توفير التوهين النهائي ، فإنه يعمل أيضًا على انحراف الألياف نحو سطح تجميع يقع أسفل الدوار. في الطريق إلى سطح التجميع هذا ، يتم رش الألياف باستخدام مادة رابطة مناسبة قبل توزيعها بشكل موحد عبر سطح التجميع (انظر الشكل 7).

الشكل 13. العملية الدوارة لصنع الصوف الزجاجي

في عملية دوارة ، يتم تصنيع ألياف الصوف الزجاجي عن طريق السماح للزجاج المنصهر بالمرور عبر سلسلة من الفتحات الصغيرة التي تقع في مغزل دوار ثم تخفيف الفتيل الأولي عن طريق نفخ الهواء أو البخار.

الصوف المعدني، ومع ذلك ، لا يمكن إنتاجها على عملية الغزل الدوار وتاريخيًا تم إنتاجها في عملية بسلسلة من مغزل الغزل الأفقي. تتكون عملية الصوف المعدني من مجموعة من الدوارات (مغزل) مثبتة في تشكيل متسلسل وتدور بسرعة كبيرة (انظر الشكل 14). يتم نقل تيار من الحجر المنصهر باستمرار إلى أحد الدوارات العلوية ومن هذا الجزء الدوار يتم توزيعه على الثاني وهكذا. ينتشر المصهور بشكل موحد على السطح الخارجي لجميع الدوارات. من الدوارات ، يتم التخلص من القطرات بقوة الطرد المركزي. يتم توصيل القطرات بسطح العضو الدوار عن طريق أعناق ممدودة والتي ، تحت مزيد من الاستطالة والتبريد المتزامن ، تتطور إلى ألياف. ويتبع الاستطالة ، بالطبع ، انخفاض في القطر يؤدي بدوره إلى تسريع التبريد. وبالتالي ، يوجد حد أدنى للقطر بين الألياف المنتجة في هذه العملية. وبالتالي ، فإن التوزيع الطبيعي لأقطار الألياف حول متوسط ​​القيمة غير متوقع.

الشكل 14. عملية الصوف المعدني (الصخور والخبث)

ألياف السيراميك المقاومة للصهر

يتم إنتاج ألياف السيراميك بشكل أساسي عن طريق النفخ والغزل بطرق مماثلة لتلك الموصوفة للأصواف العازلة. في عملية النفخ بالبخار ، يتم دمج المواد الخام مثل الألومينا والسيليكا في فرن كهربائي ، ويتم سحب المادة المنصهرة ونفخها إما بالبخار المضغوط أو أي غاز ساخن آخر. ثم يتم جمع الألياف المنتجة على شاشة.

على غرار عملية الغزل لألياف الصخور والخبث ، تنتج ألياف السيراميك نسبة عالية من الألياف الطويلة الحريرية. في هذه الطريقة ، يتم إسقاط تيار من المواد المنصهرة على أقراص سريعة الدوران ويتم رميها بشكل عرضي لتشكيل ألياف.

صناعة الفخار

الملف العام

تعتبر صناعة الفخار من أقدم الصناعات البشرية. على مر القرون ، تطورت أساليب وتقنيات مختلفة في أجزاء مختلفة من العالم. في القرن الثامن عشر ، تأثرت الصناعة المزدهرة في أجزاء كثيرة من أوروبا بشدة باستيراد الأدوات الفاخرة والمزخرفة للغاية من الشرق الأقصى. تعلمت اليابان فن الخزف من الصين قبل حوالي 18 عام. مع الثورة الصناعية والتغيير العام في الظروف في أوروبا الغربية ، نما الإنتاج بسرعة. في الوقت الحاضر ، تقوم كل دولة تقريبًا بتصنيع بعض الأدوات للاستخدام المنزلي ، ويعتبر الفخار من الصادرات المهمة من بعض البلدان. يتم الإنتاج الآن على نطاق المصنع في أجزاء كثيرة من العالم. في حين أن المبادئ الأساسية للتصنيع لم تتغير ، كان هناك تقدم كبير في الطريقة التي يتم بها التصنيع. وينطبق هذا بشكل خاص على تشكيل وتشكيل الأدوات ، وفي إطلاقها وتقنيات الزخرفة المستخدمة. يؤدي الاستخدام المتزايد للمعالجات الدقيقة والروبوتات إلى إدخال مستويات عالية من الأتمتة في مناطق الإنتاج. ومع ذلك ، لا يزال هناك أيضًا في كل مكان العديد من الأواني الفخارية الصغيرة الحجم.

طرق التشكيل

أول طريقة لصنع الفخار تضمنت طريقة البناء اليدوية. يتم لف لفائف من الصلصال ، واحدة فوق الأخرى ، وتلتصق معًا بالضغط باليدين. يتم تحويل الطين أولاً إلى حالة طرية من خلال العمل عليه بالماء. ثم يتم تشكيل الجسم وتشكيله يدويًا بمجرد لصق الملفات.

أصبحت عجلة الخزاف أداة لصنع الفخار. بهذه الطريقة في التشكيل ، توضع كومة من الصلصال على صفيحة دائرية دوارة وتتشكل بواسطة يدي الخزاف المبللتين. يمنع الماء أيدي الخزاف من الالتصاق بالطين ويحافظ على الطين رطبًا وعمليًا. يتم وضع المقابض والصمامات والنتوءات الأخرى من الطين الدوار قبل إطلاق الجسم مباشرة.

صب غالبًا ما يستخدم اليوم عندما يكون الفخار عالي الجودة مطلوبًا وعندما تكون جدران الإناء رقيقة جدًا. يُسكب مزيج من الطين والماء ، يسمى الانزلاق ، في قالب من الجبس من باريس. يمتص الجص الماء ، مما يتسبب في ترسب طبقة رقيقة من الطين في جميع أنحاء القالب من الداخل. عندما تكون رواسب الطين سميكة بما يكفي لتشكيل جدران المزهرية ، يتم سكب بقية القشرة ، تاركًا القطعة المبللة من الأواني داخل النموذج. عندما يجف هذا فإنه يتقلص إلى حد ما ويمكن إزالته من القالب. عادة ما تكون القوالب مبنية بحيث يمكن تفكيكها.

عندما تصبح القطعة جافة تمامًا ، يتم صقلها وإعدادها لعملية إطلاق النار. يتم وضعها في صندوق طيني يسمى أ ساغر، الذي يحمي القطعة من اللهب والغازات المنبعثة أثناء العملية ، تمامًا كما يحمي الفرن رغيف الخبز الذي يتم خبزه. يتم وضع المتدليين واحدًا فوق الآخر في ملف فرن. الفرن عبارة عن هيكل كبير مبني من الطوب الناري ومحاط بمداخن بحيث قد تكون ألسنة اللهب تحيط بالأطباق تمامًا ولكنها لا تتلامس معها في الواقع. سوف يتسبب الدخان في تلطيخ القطع إذا لم يتم حمايتها بهذه الطريقة.

يتم إطلاق معظم القطع مرتين على الأقل. المرة الأولى من خلال الفرن تسمى حساء دسم يطلق النار ، وتسمى قطعة الفخار أ بسكويت or قطعة حساء. بعد إطلاق النار ، يتم تزجيج أواني البسكويت. التزجيج هو طلاء زجاجي لامع يجعل الفخار أكثر جاذبية وصالحة للخدمة. تحتوي مواد التزجيج على السيليكا ، وهو تدفق لخفض درجة حرارة الانصهار (الرصاص والباريوم وما إلى ذلك) وأكاسيد المعادن كمواد ملونة. عندما يتم وضع التزجيج على الفخار ويجف تمامًا ، يتم إعادة وضعه مرة أخرى في الفرن ويتم إطلاقه في درجة حرارة عالية بحيث يذوب التزجيج ويغطي سطح الفخار بالكامل.

أنواع الفخار

• الخزف الحجري هو فخار مصنوع من الطين الفاتح أو الداكن. يتم تزجيجها على الجسم غير المحترق إما قبل وضعها في الفرن أو عن طريق الملح أثناء عملية الحرق ويتم حرقها في حالة كثيفة وقاسية.

• بورسلان خارجى عبارة عن سلعة بيضاء مزججة. إنه شفاف. في البورسلين ، يكتمل الجسم والطلاء الزجاجي وينضج في نفس الحرق ، والذي يحدث في درجة حرارة عالية جدًا.

• الصين عبارة عن سلعة تشبه البورسلين. يتم إحضار الجسم والطلاء الزجاجي إلى الكمال والنضج في نفس عملية إطلاق النار ، في درجات حرارة عالية للغاية.

• الصين العظام هي مجموعة متنوعة من الصين التي تستخدم فيها العظام المحترقة كمكون ، وتشكل حوالي 40٪ من الكتلة.

• خزف له جسم أبيض أو أبيض تقريبا. يتم إنتاجه بواسطة نوعين من الحرائق ، مثل الصين ، لكن جسمه يظل مساميًا. الزجاج مشابه للصين ولكنه مصنوع من مادة أرخص.

• خزف هو من الخزف المزجج الناعم يستخدم في أغراض الزينة والديكور. عادة لا توجد محاولة لإنتاج جسم أبيض ، وغالبا ما يتم تلوين الزجاج.

 

عمليات التصنيع

تختلف الخصائص الفيزيائية للفخار حسب تركيبة الجسم وظروف إطلاق النار. يتم اختيار الجسم لأي استخدام معين بشكل أساسي لخصائصه الفيزيائية ، ولكن عادةً ما يتم اختيار الأجسام البيضاء لأدوات المائدة.

المنتجات الصناعية (على سبيل المثال ، الحراريات والعوازل الكهربائية وناقلات المحفزات وما إلى ذلك) لها مجموعة واسعة من الخصائص وفقًا لاستخدامها النهائي.

مواد أولية. تظهر المكونات الأساسية في جسم الفخار في الجدول 1 ، والذي يشير أيضًا إلى النسب النموذجية في عينات أنواع الجسم.

الجدول 1. مكونات الجسم النموذجية (٪)

 

يستخدم النيفلين-سينيت أحيانًا كتدفق ، ويمكن أن تحل الألومينا محل بعض أو كل حشو الكوارتز في بعض الأجسام الخزفية. يستخدم Cristobalite (الرمل المكلس) كمادة حشو في بعض أجسام الفخار ، خاصة في صناعة بلاط الجدران.

يتم تحديد تكوين الجسم جزئيًا من خلال الخصائص المطلوبة للمنتج النهائي وجزئيًا بواسطة طريقة الإنتاج. تعتبر القاعدة البلاستيكية ضرورية للأدوات التي يتم تشكيلها وهي رطبة ، ولكن ليس لعمليات التشكيل غير البلاستيكية ، مثل ضغط الغبار. القاعدة البلاستيكية ليست ضرورية ، على الرغم من أن الطين لا يزال هو المكون الرئيسي في معظم منتجات السيراميك ، بما في ذلك تلك التي يتم تحضيرها عن طريق ضغط الغبار.

لا يظهر الخزف الصناعي في الجدول 1 ، حيث يتراوح تكوينه من جميع كرات الطين أو النار ، بدون تدفق أو حشو إضافي ، إلى جميع الألومينا تقريبًا ، مع الحد الأدنى من الطين وبدون تدفق مضاف.

أثناء الحرق ، يذوب التدفق في كوب لربط المكونات معًا. مع زيادة كمية التدفق ، تنخفض درجة حرارة التزجيج. تؤثر مواد الحشو على القوة الميكانيكية للأواني الفخارية قبل إطلاق النار وأثناءه ؛ في صناعة أدوات المائدة ، يتم استخدام الكوارتز (كالرمل أو الصوان المكلس) بشكل تقليدي ، باستثناء رماد العظام الذي يستخدم في صنع الخزف العظمي. تم توسيع استخدام الألومينا أو غيرها من الحشوات غير السيليسية ، والتي تستخدم بالفعل في صناعة السيراميك الصناعي ، إلى صناعة الأدوات الأخرى ، بما في ذلك المنتجات المحلية.

اﻟﻤﻌﺎﻟﺠﺔ. تشمل العمليات الأساسية في إنتاج الفخار ما يلي:

• تحضير مكونات الجسم

• تشكيل وتشكيل

• إطلاق البسكويت

• تطبيق الصقيل

• اطلاق الوهج

• زخرفة.

 

يمكن إجراء العمليات التحضيرية لتكليس وسحق وطحن الصوان أو الحجر في منشأة منفصلة ، ولكن من المعتاد أن تتم جميع العمليات اللاحقة في نفس المصنع. في المنزل المنزلق ، يتم مزج مكونات الجسم في الماء ؛ ثم يتم إنتاج الطين البلاستيكي بالترشيح والتوصيل ؛ ثم يتم تحضير زلة الصب عن طريق التوهج حتى يصبح قوامها كريميًا. يتم تحضير غبار الضغط عن طريق التجفيف والطحن.

التصنيفات التقليدية لعمليات التشكيل موضحة في الجدول 2. في عملية الصب ، يُسكب معلق مائي للجسم في قالب ماص وتتم إزالة الصب بعد التجفيف الجزئي. أصبح تشكيل الطين البلاستيكي عن طريق الرمي نادرًا الآن في الإنتاج الصناعي ؛ يكاد يكون النشر الميكانيكي فوق أو في قالب من الجبس (الهزهزة والجولي) مع فصله عن القالب بعد التجفيف عالميًا تقريبًا في صنع أدوات المائدة. يقتصر الضغط على الطين البلاستيكي أو البثق بشكل أساسي على السيراميك الصناعي. يتم إنتاج المواد المضغوطة بالغبار عن طريق ضغط غبار الجسم المجفف مسبقًا باليد أو بالضغط الميكانيكي.

الجدول 2. عمليات التصنيع

 

بعد التشكيل ، يمكن تجفيف الأدوات وإنهائها بالتثبيت أو السحب أو الإسفنج. ثم يصبح جاهزًا لإطلاق البسكويت.

بعد حرق البسكويت ، يتم وضع مادة التزجيج عن طريق الغمس أو الرش ؛ قد يكون الغمس يدويًا أو آليًا. ثم يتم إطلاق الأدوات الزجاجية مرة أخرى. في بعض الأحيان ، كما هو الحال مع أدوات التبييض الصحية ، يتم تطبيق التزجيج على مادة الطين المجففة ولا يوجد سوى حريق واحد.

يمكن تطبيق الزخرفة إما تحت التزجيج أو فوقه ويمكن أن تكون بالطلاء اليدوي أو الطباعة بالآلة أو النقل ؛ تتضمن الزخرفة ذات التزجيج المفرط إطلاقًا ثالثًا ؛ وأحيانًا تكون عمليات إطلاق النار المنفصلة بألوان مختلفة ضرورية.

في المراحل النهائية ، يتم فرز المستودع وتعبئته للشحن. يحدد الشكل 15 المسارات المختلفة التي تتبعها أنواع مختلفة من الفخار والخزف أثناء تصنيعها.

الشكل 15. مخطط التدفق حسب نوع السيراميك

بلاط السيراميك

الملف العام

السيراميك هو مصطلح كان يُعتقد في السابق أنه يشير فقط إلى فن أو تقنية إنتاج أصناف الفخار. يظهر أصل المصطلح أنه مشتق من اليونانية كراموس، بمعنى "الخزاف" أو "الفخار". ومع ذلك ، ترتبط الكلمة اليونانية بجذر سنسكريتي أقدم ، مما يعني "حرق" ؛ كما استخدمها الإغريق أنفسهم ، كان معناها الأساسي ببساطة "الأشياء المحروقة" أو "الأرض المحروقة". كان المفهوم الأساسي الوارد في المصطلح هو المنتج الذي تم الحصول عليه من خلال عمل النار على المواد الترابية.

يشير السيراميك التقليدي ، في سياق هذه المقالة ، إلى المنتجات التي يشيع استخدامها كمواد بناء أو داخل المنزل والصناعة. على الرغم من وجود اتجاه لمساواة السيراميك التقليدي بالتقنية المنخفضة ، غالبًا ما تستخدم تقنيات التصنيع المتقدمة في هذه الصناعة. أدت المنافسة الشديدة بين المنتجين إلى جعل التكنولوجيا أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة من خلال استخدام الأدوات والآلات المعقدة ، إلى جانب التحكم في العمليات بمساعدة الكمبيوتر.

نشأت أقدم منتجات السيراميك من المواد الحاملة للطين. وجد الخزافون الأوائل أن الطبيعة البلاستيكية للطين مفيدة في تشكيل الأشكال. بسبب ميلها إلى إظهار قدر كبير من الانكماش ، تم تعديل أجسام الطين بإضافة الرمل الخشن والحجر ، مما قلل من الانكماش والتشقق. في الأجسام الحديثة القائمة على الطين ، الإضافات النموذجية غير الصلصالية هي دقيق السيليكا والمعادن القلوية التي تضاف كتدفقات. في التركيبات الخزفية التقليدية ، يعمل الصلصال كمادة ملدنة وموثقة للمكونات الأخرى.

تطوير الصناعة

يعود إنتاج البلاط الطيني المجفف والمحروق إلى أصول قديمة جدًا تعود إلى سكان الشرق الأوسط. تطورت صناعة الأدوات البيضاء للبلاط بشكل كبير في أوروبا ، وبحلول بداية القرن العشرين ، حقق إنتاج بلاط الأرضيات والجدران نطاقًا صناعيًا. حدث مزيد من التطوير في هذا المجال بعد الحرب العالمية الثانية. تعد أوروبا (إيطاليا وإسبانيا على وجه الخصوص) وأمريكا اللاتينية والشرق الأقصى من أهم مناطق إنتاج البلاط الصناعي.

شهد قطاع بلاط الأرضيات والجدران في صناعة الأدوات البيضاء قدرًا كبيرًا من التطور منذ منتصف الثمانينيات من القرن الماضي مع إدخال تقنيات جديدة وأتمتة ودمج تدفق الإنتاج في عملية التصنيع. وبالتالي ، زادت الإنتاجية والكفاءة ، بينما تم تقليل استهلاك الطاقة وتكاليفها. أصبح تصنيع البلاط مستمرًا الآن في كل من إنتاج البلاط الرطب والجاف ، والعديد من المصانع اليوم لديها أتمتة بنسبة 1980 ٪ تقريبًا. تشمل الابتكارات الرئيسية في صناعة البلاط خلال العقد الماضي الطحن الرطب والتجفيف بالرش والضغط الجاف عالي الضغط وتجفيف الأسطوانة وتقنيات الحرق السريع.

ازدادت قيمة المعروض من سوق بلاط السيراميك في الولايات المتحدة (شحنات المصانع الأمريكية بالإضافة إلى الواردات) بنسبة 9.2٪ مركبة سنويًا بين عامي 1992 و 1994. وقدرت المبيعات بالدولار بنحو 1.3 مليار دولار أمريكي في عام 1994. وفي الوقت نفسه ، ارتفع حجم المبيعات 11.9 ٪ تتراكم سنويًا إلى 1.3 مليار قدم مربع. هذا بالمقارنة مع معدل نمو في السوق يبلغ 7.6٪ على أساس المبيعات بالدولار ، و 6.9٪ على أساس حجم المبيعات بين عامي 1982 و 1992.

تصنيفات بلاط السيراميك

Redware و whiteware

تتوفر أنواع عديدة من بلاط السيراميك في السوق. وهي تختلف حسب حالة السطح ولون الجسم (أبيض أو أحمر) وتكنولوجيا التصنيع والمواد الخام والاستخدام النهائي. يكمن الفرق بين البلاط "الأحمر" و "الأبيض" في كمية معادن الحديد الموجودة في الجسم. من خلال التفاعل مع مكونات الجسم الأخرى ، يمكن أن تعطي لونًا أكثر أو أقل وتعديل سلوك الجسم أثناء إطلاق النار.

يعد التصنيف الكامل والشامل أمرًا صعبًا للغاية بسبب عدم التجانس الشديد لمنتجات البلاط ومعالجتها وخصائصها اللاحقة. في هذا الفصل ، يتم النظر في المعايير الأوروبية (EN) و ASTM.

تصنف معايير EN حصريًا بلاط السيراميك كوظيفة لامتصاص الماء (والتي ترتبط مباشرة بالمسامية) وطريقة التشكيل (البثق أو الضغط). يتم تصنيف طرق التشكيل على النحو التالي:

• عملية التشكيل أ (بلاط الأرضيات المبثوق). تتضمن هذه العملية البلاط المقسم والبلاط المبثوق بشكل فردي.

• عملية التشكيل ب (بلاط الأرضيات والجدران المضغوط).

 

المعيار الأوروبي EN 87 ، المعتمد في نوفمبر 1981 ، ينص على أن "بلاط الأرضيات والجدران الخزفية عبارة عن مواد بناء مصممة بشكل عام للاستخدام كأغطية للأرضيات والجدران ، سواء في الداخل أو الخارج ، بغض النظر عن الشكل والأحجام".

تحتوي مواصفات المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) لبلاط السيراميك (ANSI A 137.1) على التعريفات التالية:

• بلاط الفسيفساء الخزفي يتشكل إما بطريقة الضغط بالغبار أو البلاستيك ، وعادة ما يكون سمكها 6.4 إلى 9.5 مم (1/4 إلى 1/8 بوصة) ، وتبلغ مساحة الوجه أقل من 39 سم² (6 في² ). قد يكون بلاط الفسيفساء الخزفي إما من البورسلين أو تركيبة من الطين الطبيعي ، وقد يكون إما عاديًا أو مع خليط كاشط في جميع الأنحاء.

• بلاط الحائط المزخرف عبارة عن بلاط مزجج بجسم رقيق يكون عادة غير زجاجي ومناسب للاستخدام الداخلي للجدار السكني حيث لا تكون قوة الكسر مطلوبة.

• بلاط الرصف عبارة عن خزف مزجج أو غير مزجج أو بلاط طيني طبيعي يتكون من طريقة الضغط بالغبار بطول 39 سم² (6 في² ) أو أكثر من منطقة الوجه.

• بلاط البورسلين هو بلاط الفسيفساء الخزفي أو بلاط الرصف الذي يتم صنعه بشكل عام بطريقة الضغط بالغبار مع تركيبة البلاط الناتجة التي تكون كثيفة ، وغير منفذة ، وحبيبات دقيقة وناعمة ، ذات وجه متشكل بشكل حاد.

• المحجر البلاط بلاط مزجج أو غير مزجج ، مصنوع من خلال عملية البثق من الطين الطبيعي أو الصخر الزيتي ، وعادة ما يكون بطول 39 سم² (6 في²) أو أكثر من منطقة الوجه.

• بلاط الحائط عبارة عن بلاط مزجج بجسم مناسب للاستخدام الداخلي وعادة ما يكون غير زجاجي وليس مطلوبًا لتحمل الصدمات المفرطة أو التعرض لظروف التجميد والذوبان.

• الدرجات الفردية البلاط الأبيض تشمل البلاط غير المزجج (بلاط الفسيفساء الخزفي ، بلاط المحجر ، بلاط الرصف) والبلاط المزجج (بلاط الجدران المزجج ، بلاط الفسيفساء الخزفي المزجج ، بلاط المحجر المزجج ، بلاط الرصف المزجج) (ANSI 1988).

 

يتم تصنيع البلاط من خلال عمليات السيراميك القياسية. يتم تحضير بلاط السيراميك للجدران والأرضيات من خليط من كرات الطين والرمل والتدفق وعوامل التلوين والمواد الخام المعدنية الأخرى ، وتخضع للمعالجة مثل الطحن والغربلة والمزج والترطيب. يتم تشكيلها عن طريق الضغط أو البثق أو الصب أو أي عملية أخرى ، عادة في درجة حرارة الغرفة ، ويتم تجفيفها لاحقًا وإطلاقها في النهاية عند درجة حرارة عالية. قد يكون البلاط مزججًا أو غير مزجج أو مغطى. الطلاء الزجاجي هو طلاءات غير منفذة للشكل الزجاجي ، والطلاء البطني هو طلاء غير لامع قائم على الطين قد يكون مساميًا أيضًا. يتم إنتاج بلاط الجدران والأرضيات المزجج إما عن طريق الحرق على مرحلتين أو مرحلتين.

يتم تشكيل أجسام السيراميك التقليدية في أشكال باستخدام العديد من التقنيات المختلفة. تملي عملية التشكيل المحددة بواسطة العديد من العوامل ، بما في ذلك خصائص المواد وحجم وشكل الجزء ومواصفات الجزء وعائد الإنتاج والممارسات المقبولة داخل المنطقة الجغرافية.

الأجسام القائمة على الطين هي خليط غير متجانسة من واحد أو أكثر من الطين وواحد أو أكثر من المساحيق غير الصلصالية. قبل الحصول على الشكل النهائي ، تخضع هذه المساحيق لسلسلة من عمليات الوحدة ، وعمليات إطلاق النار وما بعد إطلاق النار (انظر الشكل 17).

بالنسبة لمعظم الهيئات التقليدية ، يمكن تصنيف تقنيات التشكيل على أنها تشكيل البلاستيك اللين ، وتشكيل البلاستيك الصلب ، والضغط والصب.

يتم استخدام الضغط المطبق لإعادة ترتيب وإعادة توزيع المواد الخام إلى تكوين معبأ بشكل أفضل. ينتج السلوك الانسيابي للأجسام القائمة على الطين عن تفاعل معادن الصلصال مع الماء ، مما يضفي اللدونة على الدُفعة. في الأجسام غير المصنوعة من الصلصال ، يمكن تحقيق هذا النوع من السلوك عن طريق إضافة مواد ملدنة.

سيراميك صناعي

الملف العام

يختلف السيراميك عن المواد الهندسية الأخرى (المعادن والبلاستيك والمنتجات الخشبية والمنسوجات) في عدد من الخصائص الفردية. ربما يكون الاختلاف الأكثر تميزًا للمصمم أو المستخدم المحتمل لأدوات السيراميك هو الشكل والحجم الفريد لكل قطعة خزفية فردية. لا يتم تشكيل السيراميك أو تشغيله بسهولة بعد الحرق ، إلا من خلال الطحن المكلف للغاية ؛ وبالتالي ، يجب استخدامها بشكل طبيعي كما هي. باستثناء بعض أشكال البلاط والقضبان والأنبوب البسيطة ذات الأحجام المحدودة ، لا يمكن تسويق السيراميك بالقدم أو في الفناء ، ولا يمكن قصه ليناسب الوظيفة.

يجب توفير جميع الخصائص المفيدة ، بما في ذلك الشكل والحجم ، مسبقًا ، بدءًا من المراحل المبكرة جدًا من معالجة السيراميك. يجب الحفاظ على السلامة الهيكلية لكل قطعة من خلال مجموعة متنوعة من التعرض للضغط الحراري والميكانيكي أثناء المعالجة وحتى يتم تثبيت القطعة أخيرًا وبدء الخدمة. إذا فشل السيراميك في الخدمة نتيجة لمجموعة متنوعة من الأسباب (كسر هش عند الاصطدام ، أو صدمة حرارية ، أو انهيار عازل ، أو تآكل أو تآكل خبث انصهار) ، فمن غير المحتمل أن يكون قابلاً للإصلاح ، ويجب استبداله عادةً.

تم إحراز تقدم كبير في الفهم الأساسي والتحكم التكنولوجي لخصائص السيراميك ، واستخدامها في العديد من التطبيقات الجديدة والمتطلبة عالية التقنية. لقد ابتكرت الصناعة بشكل عام ، والأجزاء الخزفية التقنية والإلكترونية بشكل خاص ، تقنيات الإنتاج والتحكم لإنتاج أشكال معقدة في أجسام تتحكم بعناية في الخواص الكهربائية والمغناطيسية و / أو الميكانيكية مع الحفاظ على التفاوتات في الأبعاد التي تكون جيدة بما يكفي تسمح بالتجميع السهل نسبيًا مع المكونات الأخرى.

يتم إنتاج العديد من السيراميك بكميات كبيرة كعناصر قياسية. يتم تخزين الطوب والأشكال المقاومة للصهر ، والبوتقات ، والفتات ، وأنابيب الفرن ، والعوازل ، وأنابيب الحماية المزدوجة الحرارية ، والعوازل الكهربائية المكثفة ، والأختام المحكم وألواح الألياف بشكل روتيني من قبل عدد من منتجي السيراميك في مجموعة متنوعة من التركيبات والأحجام. عادة ما يكون استخدام عناصر المخزون أسرع وأرخص كلما أمكن ذلك. عندما لا تلبي عناصر المخزون الحاجة ، يكون معظم المصنّعين على استعداد لتخصيص عناصر الإنتاج. كلما كانت المتطلبات أكثر صرامة لخاصية معينة للسيراميك ، أو كلما كانت متطلبات مجموعات محددة من الخصائص والأحجام والأشكال أكثر تقييدًا ، كلما كانت المعايير التركيبية والتركيبية والتشكيلية المقبولة للسيراميك محدودة. ومن ثم فإن تكلفة وصعوبة التصنيع أكبر. يمتلك معظم مصنعي السيراميك مهندسين ومصممين موظفين مؤهلين جيدًا للعمل مع العملاء المحتملين بشأن تفاصيل تصميم الأدوات الخزفية.

الأسواق

كان السوق الرئيسي لأحدث السيراميك موجودًا وسيظل موجودًا في مجال الإلكترونيات ، ولكن برامج البحث والتطوير العالمية النشطة تبحث باستمرار عن تطبيقات جديدة وتحديد طرق لتحسين خصائص السيراميك بحيث يمكن الوصول إلى أسواق جديدة.

يتم إنتاج السيراميك المتقدم في اليابان والولايات المتحدة وأوروبا الغربية. يتم تداول المواد الخام المستخدمة في الصناعة على أساس دولي ، بشكل أساسي كمساحيق ، ولكن هناك أيضًا قدر كبير من المعالجة الداخلية.

التطبيقات الرئيسية للسيراميك الصناعي هي:

• أكاسيد. مواد الأكسيد الرئيسية المستخدمة اليوم هي الألومينا في شمعات الإشعال والركائز وتطبيقات التآكل ؛ زركونيا (ZrO₂) في مستشعرات الأكسجين ، كمكون في الكهرباء الانضغاطية الرصاص والزركونيوم تيتانات (PZT) ، وتطبيقات التآكل وطلاءات الحاجز الحراري ؛ تيتانات في مكثفات تيتانات الباريوم والكهرباء الانضغاطية PZT ؛ والفريتات في المغناطيس الدائم ، ورؤوس التسجيل المغناطيسية ، وأجهزة الذاكرة ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة ، وأجزاء المحرك الكهربائي.

• الكربيدات والنتريد. تُستخدم الكربيدات (بشكل أساسي كربيد السيليكون وكربيد البورون) في تطبيقات التآكل ، بينما تُستخدم النتريدات (بشكل أساسي نيتريد السيليكون وسيالون) في تطبيقات التآكل وأدوات القطع. نيتريد الألومنيوم ، مع التوصيل الحراري العالي ، هو المادة المنافسة الأساسية لجزء من سوق الركيزة الإلكترونية التي تهيمن عليها الألومينا حاليًا.

• سيراميك أكسيد مختلط. تركز جهود البحث والتطوير في مجال السيراميك على عدد من التطبيقات الجديدة للسيراميك التي تتمتع جميعها بإمكانيات هائلة. ثلاثة تطبيقات مهمة هي: (1) الموصلات الفائقة للسيراميك ، (2) السيراميك لخلايا وقود الأكسيد الصلب و (3) مكونات السيراميك للمحركات الحرارية.

 

تعتمد الموصلات الفائقة للسيراميك على عدد من أنظمة الأكسيد المختلطة التي تشمل الإيتريوم والباريوم والنحاس والسترونشيوم والنحاس (YBa₂Cu₃O_7-8، ثنائية₂Sr₂كاكو₂O₈، ثنائية₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) استقر بأكسيد الرصاص. يعتمد سيراميك خلية وقود الأكسيد الصلب على موصلات أيونية يكون فيها الزركونيا عالية النقاء المستقرة حاليًا المادة المفضلة. تتكون مكونات المحرك الحراري الخزفي قيد الدراسة من كربيد السيليكون والسيالون والزركونيا ، إما كسيراميك أحادي الطور أو مركبات سيراميك سيراميك أو مركبات مصفوفة معدنية (MMCs).

عمليات التصنيع

تطوير تكنولوجيا التصنيع

ابتكارات المعالجة. يولد نشاط البحث والتطوير تقنيات جديدة لإنتاج مواد السيراميك. قدرت القيمة السوقية للسيراميك المشتق من السلائف بمبلغ 2 مليون دولار أمريكي في عام 1989 ، كان الجزء الأكبر منها في CVD (86 ٪ من إجمالي القيمة السوقية). تشمل القطاعات الأخرى من هذا السوق المتنامي تسلل البخار الكيميائي (CVI) ، سول-جل والانحلال الحراري للبوليمر. المنتجات التي يتم إنتاجها بنجاح بهذه الوسائل تشمل ألياف السيراميك المستمرة والمركبات والأغشية والمساحيق عالية النقاء / عالية النشاط.

تشمل العمليات المستخدمة لتحويل هذه المواد الخام إلى منتجات نهائية معالجة مسحوق إضافية (على سبيل المثال ، الطحن والتجفيف بالرش) قبل تشكيل الأشكال الخضراء التي يتم إطلاقها بعد ذلك في ظل ظروف خاضعة للرقابة. تشمل عمليات التشكيل الضغط بالقالب ، الضغط المتساوي ، الصب المنزلق ، صب الشريط ، البثق ، القولبة بالحقن ، الضغط الساخن ، الضغط المتساوي الساكن (HIP) ، CVD وما إلى ذلك.

إضافات كيميائية تساعد في معالجة السيراميك. تتطلب كل خطوة في عملية التصنيع تحكمًا دقيقًا بحيث يتم الحصول على خصائص المنتج النهائي بأقصى كفاءة إنتاج ويتم استخدام المواد الكيميائية ذات التأثير الرئيسي لتحسين معالجة المسحوق والتشكيل الأخضر. تشمل المواد الكيميائية المؤثرة مساعدات الطحن ، المواد الندفية والمجلدات ، مواد التشحيم للتأثير على إطلاق المنتج أثناء الضغط وتقليل تآكل أجزاء القوالب ، والملدنات للمساعدة في البثق والقولبة بالحقن. يتم عرض قائمة بهذه المواد الكيميائية في الجدول 3. بينما تلعب هذه المواد دورًا اقتصاديًا مهمًا في الإنتاج ، يتم حرقها أثناء إطلاق النار ولا تلعب أي دور في كيمياء المنتج النهائي. يجب التحكم في عملية الاحتراق بعناية لتجنب الكربون المتبقي في المنتجات النهائية ، ويقوم البحث والتطوير بعملية البحث باستمرار عن طرق لتقليل مستويات المواد الكيميائية ذات التأثير المستخدم.

الجدول 3. إضافات كيميائية مختارة تستخدم لتحسين معالجة المسحوق والتشكيل الأخضر للسيراميك

 

بالإضافة إلى إنتاج منتجات السيراميك وتقنيات تصنيع السيراميك للتطبيقات الجديدة ، لا ينبغي إغفال تأثير صناعة السيراميك المتقدمة على صناعة السيراميك التقليدية. من المتوقع أن تجد العديد من المواد والعمليات عالية التقنية تطبيقًا في صناعة السيراميك التقليدية حيث تسعى الأخيرة جاهدة لتقليل تكاليف التصنيع وتحسين الجودة وإعطاء قيمة أفضل في الخدمة للمستخدم النهائي.

مواد أولية

هناك بعض المواد الرئيسية التي يتم استخدامها مباشرة من قبل صناعة السيراميك أو التي تمثل نقطة البداية لإنتاج مواد ذات قيمة مضافة:

• السيليكا

• طين

• الألومينا

• المغنيسيا

• تيتانيا

• أكسيد الحديد

• الزركون / زركونيا.

 

ستركز هذه المناقشة على خصائص السيليكا والألومينا والزركون / الزركونيا.

سيليكا، بالإضافة إلى استخدامه في الحراريات والأدوات البيضاء ، فهو أيضًا نقطة البداية في تصنيع عنصر السيليكون وكربيد السيليكون ورابع كلوريد السيليكون. السيليكون ، بدوره ، هو نقطة البداية لنتريد السيليكون ، ورابع كلوريد السيليكون هو مقدمة لمجموعة واسعة من المواد العضوية السليكونية التي يمكن أن تتحلل بالحرارة تحت ظروف خاضعة للرقابة إلى كربيد السيليكون عالي الجودة ونتريد السيليكون.

نيتريد السيليكون ومشتقاته من سيالون ، وكذلك كربيد السيليكون ، على الرغم من ميلهم إلى الأكسدة ، لديهم القدرة على تلبية العديد من أهداف الخصائص التي حددها سوق المحركات الحرارية. من سمات السيليكا والمواد الخزفية المشتقة من السيليكا أن جميع العناصر متوفرة بسهولة في قشرة الأرض. في هذا الصدد ، توفر هذه المواد إمكانية سهولة التوريد في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، هناك مدخلات طاقة كبيرة مطلوبة لإنتاج السيليكون وكربيد السيليكون. وبالتالي ، فإن تصنيع هذه المواد يقتصر إلى حد كبير على البلدان ذات الطاقة الكهربائية الرخيصة والمتوفرة بسهولة.

الألومينا يوجد في جميع أنحاء قشرة الأرض كمكون في معادن الألومينوسيليكات. يفرض الاقتصاد استخراج الألومينا من البوكسيت باستخدام عملية باير. ينتشر البوكسيت على نطاق واسع في الحزام الاستوائي في حالات نقاوة مختلفة ، وينقسم إلى تصنيفين: خام حراري وخامات معدنية.

يتم توفير البوكسيت من الدرجة المقاومة للصهر من قبل الصين وغيانا كمكلس عالي الحرارة للمعدن الطبيعي: دياسبور (Al₂O₃· H₂O) في الصين و gibbsite (Al₂O₃· 3H₂O) في غيانا. أثناء التكليس ، يتم تجميع طور معقد من اكسيد الالمونيوم (Al₂O₃) ، الموليت ، زجاج السيليكا ومستويات ثانوية من تيتانات الألومنيوم. يتجاوز استهلاك البوكسيت من الدرجة الحرارية 700,000 طن سنويًا على أساس عالمي.

يتم استخراج البوكسايت المعدني في أستراليا وجامايكا وغرب إفريقيا ، وله مستويات متغيرة من الألومينا جنبًا إلى جنب مع الشوائب الرئيسية مثل أكسيد الحديد والسيليكا. يتم استخلاص الألومينا في الخامات المعدنية من الخام عند إذابته بواسطة هيدروكسيد الصوديوم ، مما ينتج عنه محلول ألومينات الصوديوم المنفصل عن أكسيد الحديد والسيليكا ، والذي يتم رفضه كمنتج فضلات على شكل طين أحمر. بشكل أساسي ، يتم ترسيب هيدروكسيد الألومنيوم النقي من ألومينات الصوديوم ثم تحميصه إلى عدد من درجات الألومينا.

يتم تصنيف الألومينات عالية النقاء المستخدمة في صناعة السيراميك والمشتقة من عملية باير على أنها الألومينا المجدولة أو الألومينا المنصهرة أو الألومينا المكلسة المتخصصة.

يتم إنتاج الألومينا المجدولة عن طريق التكليس بدرجة حرارة عالية (حوالي 2,000 درجة مئوية أو 3,630 درجة فهرنهايت) للألومينا المكلسة ذات درجة الحرارة المنخفضة في الأفران الدوارة الكبيرة التي تعمل بالزيت. يتم إنتاج الألومينا المنصهرة عن طريق الصهر الكهربائي للألومينا المكلس. تُباع الألومينا المجدولة والمنصهرة لصناعة المواد المقاومة للحرارة في شكل مطحون ومتدرج للاستخدام في مجموعة واسعة من المنتجات عالية الجودة ، مثل حراريات الصب المستمر (على سبيل المثال ، بوابات ذات حافة واحدة أو بوابات SEN / منزلقة) ، والحراريات المتجانسة للتطبيق في الأفران العالية وصناعة البتروكيماويات.

مساحيق الألومينا المكلسة المتخصصة هي المواد الخام الرئيسية المستخدمة في صناعة السيراميك المتقدمة لكل من التطبيقات الإلكترونية والهندسية. يتم إنتاج المساحيق في مجموعة واسعة من الدرجات وفقًا للمواصفات الصارمة للكيمياء وحجم الجسيمات ونوع الكريستال ، لتناسب مجموعة واسعة من تطبيقات المنتج النهائي.

هناك تجارة دولية راسخة في الألومينا عالية الجودة. لدى العديد من مصنعي السيراميك مرافق طحن وتجفيف بالرش داخلية. من الواضح أن هناك قيودًا على النمو في توريد أنظمة التجفيف بالرش والحاجة المستمرة لتزويد الألومينات التي تتناسب مع مصانع العميل بحيث يمكن تحسين استخدام الأخير بسعر مقبول. الألومينا مادة خزفية مهمة متوفرة بدرجة عالية من النقاء. ينشأ الوضع المهيمن للألومينا كمادة خام خزفية لأنها تتمتع بخصائص مرغوبة بتكلفة منخفضة نسبيًا. تُعزى فعالية التكلفة هذه إلى الطبيعة السلعية للأعمال التجارية الناشئة عن الطلب الكبير على الألومينا من قبل صناعة الألمنيوم.

الزركون والزركونيا. المصدر الأساسي للزركونيا هو معدن الزركون (ZrO₂  شافي₂) ، والتي توجد في رمال الشاطئ بشكل أساسي في أستراليا وجنوب إفريقيا والولايات المتحدة. يحتوي الزركون المستخرج من رمال الشاطئ على حوالي 2٪ أكسيد الهافنيوم وآثار من Al₂O₃ (0.5٪) حديد₂O₃ (0.1٪) و TiO₂ (0.1٪). بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي جميع الزركون على آثار من اليورانيوم والثوريوم. تتم معالجة الزركون بالطحن الدقيق لإنتاج مجموعة من المنتجات المطحونة ذات حجم جزيئات محدد. وقد وجدت هذه المنتجات استخدامها في الاستثمار المسبك ، والمسابك ، والمنتجات المقاومة للصهر وكمادة معتم في التزجيج للأدوات البيضاء.

الزركون هو أيضا المصدر الرئيسي للزركونيا. يمكن معالجة الزركون بالكلور في وجود الكربون لإعطاء الزركونيوم ورابع كلوريد السيليكون ثم يتم فصلهما بالتقطير. يمكن استخدام رباعي كلوريد الزركونيوم المنتج لتحضير الزركونيا مباشرة أو كمادة وسيطة لمواد كيميائية أخرى من الزركونيوم. يستخدم التلبيد بأكاسيد التربة القلوية أو القلوية لتحلل الزركون. يتم ترشيح السيليكا من منتجات التحلل بالماء ، مما يترك هيدروكسيد الزركونيوم ليتم تنقيته بشكل أكبر عن طريق إذابة الحمض وإعادة الترسيب. ثم يتم الحصول على الزركونيا عن طريق تكليس الهيدروكسيد. يتم تحويل الزركون أيضًا إلى زركونيا وسيليكا في بلازما عند 1,800 درجة مئوية (3,270 درجة فهرنهايت) مع التبريد السريع لمنع إعادة الالتحام. تتم إزالة السيليكا الحرة عن طريق الذوبان في هيدروكسيد الصوديوم. يتم إنتاج الزركونيا المنصهرة في أفران القوس الكهربائي من مواد خام البادلييت أو الزركون / الكربون. في العملية الأخيرة ، يتم تقليل مكون السيليكا من الزركون الكربوهيدراتي إلى أول أكسيد السيليكون ، والذي يتطاير قبل اندماج الزركونيا المتبقية.

نبذة عامة

إن صناعة السيراميك الصناعي متنوعة للغاية وهناك الكثير من عمليات المعالجة داخل الشركة. تتم العديد من عمليات التصنيع النهائية في أجواء من نوع المسبك. تنقل أنظمة مناولة المواد في هذه العمليات مواد خام جيدة حيث يمكن أن يمثل الغبار مشكلة. يتم بعد ذلك رفع المواد إلى درجات حرارة عالية جدًا ويتم صهرها أو دمجها في الأشكال اللازمة للأجزاء النهائية. لذلك ، توجد أيضًا العديد من مشكلات السلامة الموجودة في أي صناعة ذات درجة حرارة عالية في صناعة السيراميك الصناعي.

الطوب والبلاط

الملف العام

تم استخدام الطوب والبلاط المصنوع من الطين كمواد بناء منذ أقدم العصور في أجزاء كثيرة من العالم. عند صنعها وإطلاقها بشكل صحيح تكون أكثر متانة من بعض الأحجار ، ومقاومة للطقس والتغيرات الكبيرة في درجة الحرارة والرطوبة. الطوب عبارة عن مستطيل ذو حجم قياسي ، يختلف قليلاً من منطقة إلى أخرى ولكنه مناسب بشكل أساسي للتعامل مع يد واحدة بواسطة عامل البناء ؛ بلاط التسقيف عبارة عن ألواح رقيقة ، إما مسطحة أو منحنية ؛ يمكن أيضًا استخدام بلاط الطين للأرضيات.

صناعة الطوب مجزأة للغاية. يوجد العديد من الموردين الصغار في جميع أنحاء العالم. يميل تصنيع الطوب إلى إشراك الموردين المحليين والأسواق المحلية بسبب تكلفة شحن المنتج النهائي. في عام 1994 ، كان هناك 218 مصنعًا لتصنيع الطوب في الولايات المتحدة ، وفي عام 1992 ، تم تسجيل عدد منتجي منتجات الطين الإنشائي في المملكة المتحدة بـ 182 ، على سبيل المثال. يقع مصنعو الطوب عمومًا بالقرب من رواسب الطين لتقليل تكلفة شحن المواد الخام.

في الولايات المتحدة ، يتم استخدام الطوب بشكل أساسي في البناء السكني إما كمواد حاملة أو كمادة للواجهة. نظرًا لأن صناعة الطوب مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بصناعة الإسكان ، فإن نشاط التصنيع يعتمد بشكل كبير على صناعة البناء السكني ويعتمد بشكل كامل تقريبًا على صناعة البناء السكنية وغير السكنية المدمجة.

عمليات التصنيع

المواد والمعالجة

المادة الأساسية هي الصلصال بمختلف أنواعه مع خليط من الطمي والصخر والرمل ، حسب العرض والاحتياجات المحلية ، لإعطاء الخصائص المطلوبة من الملمس واللدونة والانتظام والانكماش واللون.

غالبًا ما يكون استخراج الطين آليًا بالكامل ؛ عادةً ما يتم التصنيع جنبًا إلى جنب مع فتحة الاستخراج ، ولكن في الأعمال الكبيرة ، يتم نقل الطين أحيانًا على شكل زلاجات على حبال. تختلف المعالجة اللاحقة للطين وفقًا لتكوينه والمنتج النهائي ، ولكن بشكل عام تشمل التكسير والطحن والغربلة والخلط. انظر الشكل 16 لعملية نموذجية لتصنيع الطوب.

شكل 16. صناعة الطوب والبلاط

يتم تكسير الطين الخاص بالطوب المقطوع بالأسلاك بواسطة بكرات ؛ يضاف الماء في الخلاط. يتم لف الخليط مرة أخرى ثم يتم تغذيته من خلال طاحونة أفقية. يتم بعد ذلك قطع الطين البلاستيكي المبثوق إلى الحجم على طاولة قطع الأسلاك. يتم إنتاج المواد البلاستيكية شبه الجافة والصلبة عن طريق الدرفلة والغربلة ثم يتم تغذيتها في مكابس ميكانيكية. بعض الطوب لا يزال مصبوب باليد.

عند استخدام مادة بلاستيكية ، يجب تجفيف الطوب إما عن طريق الشمس والهواء ، أو بشكل متكرر في أفران منظمة ، قبل الحرق ؛ يمكن حرق الطوب المصنوع من البلاستيك شبه الجاف أو الصلب على الفور. قد يتم الحرق في أفران دائرية ، غالبًا ما يتم تغذيتها يدويًا ، أو في أفران نفق يتم تغذيتها ميكانيكيًا. تختلف أنواع الوقود المستخدمة حسب التوافر المحلي. يتم وضع طبقة زجاجية نهائية على بعض الطوب الزخرفي.

الحراريات

الملف العام

يُعتقد تقليديًا أن المواد المقاومة للصهر هي مواد غير معدنية تقاوم التحلل بواسطة الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة المسببة للتآكل في درجات حرارة مرتفعة. يجب أن تتحمل هذه المواد الصدمات الحرارية الناتجة عن التسخين أو التبريد السريع ، والفشل الذي يُعزى إلى الضغوط الحرارية ، والتعب الميكانيكي بسبب تلامس المواد الأخرى مع الحراريات نفسها ، والهجوم الكيميائي الناجم عن بيئة درجة الحرارة المرتفعة. هذه المواد مطلوبة لتصنيع معظم منتجات السيراميك وهي مطلوبة بشكل خاص في الأفران والمجففات والأفران وأجزاء المحرك التي تتحمل درجات حرارة عالية.

ظلت الحراريات قائمة على المعادن بشكل حصري تقريبًا حتى القرن العشرين. ومع ذلك ، كان التقنيون المهرة في علم المعادن ينتبهون. كان علماء المعادن يجربون ممارسات الخبث الحمضي والأساسي منذ العصور الوسطى وقاموا بتصنيف بعض فوائد كل منها. في المقابل ، جرب الحرفيون الحرفيون الجانيستر ، مع معادن السيليكا النقية الأخرى تقريبًا ومع المغنسيت ، وهو في الغالب MgCO₃ المعدنية التي تم تكليسها إلى MgO. عندما تم اختراع محول Bessemer لصناعة الصلب في عام 1856 ، والذي يجمع بين درجات حرارة تشغيل تزيد عن 1,600 درجة مئوية مع خبث حمض التآكل ، كانت حراريات السيليكا "الحمضية" جاهزة. عندما تبع فرن الموقد المفتوح سيمنز في عام 1857 درجات حرارة أعلى ، وانتقلت صناعة الفولاذ في كلتا الحالتين إلى تآكل الخبث الأساسي ، سرعان ما تم إدخال بطانات المغنسيت "الأساسية". تم تطوير الحراريات الأساسية المصنوعة من الدولوميت (MgO-CaO) خلال الحرب العالمية الأولى ، عندما تم قطع إمداد المغنسيت الأوروبي عن الحلفاء. في وقت لاحق ، مع تطوير الموارد المعدنية الأخرى في جميع أنحاء العالم ، أعاد المغنسيت تأكيد نفسه.

الجدول 4. استخدام الحراريات حسب الصناعة في الولايات المتحدة

 

وفي الوقت نفسه ، تم إنتاج طوب الكربون المستعبدين في المملكة المتحدة بدءًا من عام 1863 ، ووجد طريقه في النهاية إلى فرن صهر الحديد حيث ارتفعت درجات حرارة العمل فيه. ذهبوا أيضًا بسرعة إلى خلايا Hall-Héroult لإنتاج الألمنيوم (1886).

يُصنع الجير منذ حوالي 5,000 عام باستخدام أفران الطين ثم الطوب. استدعى تصنيع الأسمنت البورتلاندي لأول مرة مادة مقاومة للصهر مبتكرة عندما تم إدخال الأفران الدوارة بعد عام 1877. وكانت البطانات الأولى المقاومة مصنوعة من كلنكر الأسمنت المرتبط بالأسمنت. في وقت لاحق ، عادت الحراريات التجارية الأكثر ديمومة إلى هذه الصناعة.

تم إدخال الأفران الاسترجاعية والمتجددة ، التي نشأت في صناعة الفولاذ حديثي الولادة في خمسينيات القرن التاسع عشر ، في علم المعادن غير الحديدية وصناعة الزجاج في أواخر القرن التاسع عشر. كان لابد من استبدال حراريات Fireclay هناك أيضًا. تم استخدام بطانات المغنسيت في محولات النحاس من عام 1850 ، وفي أول خزانات زجاجية حديثة بعد حوالي 19 سنوات. تمت تجربة أفران القوس الكهربائي لأول مرة لصنع الفولاذ في عام 1909 وأصبحت شائعة بعد عام 10. استخدمت وحدة تزن حوالي 1853 طن تم تركيبها في الولايات المتحدة في عام 1990 بطانة من المغنسيت.

كانت أفران القوس ثلاثية الطور موجودة قبل عام 1950 ؛ عندها فقط ظهرت مطالب جادة للحصول على حراريات أكثر تطوراً. في نفس الإطار الزمني ، تم إدخال نفخ الأكسجين في أفران بيسيمر والموقرة المفتوحة في الأربعينيات. استحوذ فرن الأكسجين الأساسي (BOF) على صناعة الفولاذ في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي. دفع نفخ الأكسجين ، بأهميته الاقتصادية المطلقة ، صناعة الحراريات لأول مرة إلى إدخال مواد تركيبية في منتجاتها على نطاق واسع.

عامل آخر ضروري لفهم أداء المقاومة الحرارية هو استقرار الأبعاد. خلال الاستخدام الصناعي ، تخضع المواد المقاومة للصهر لدورات تسخين / تبريد ، مما يتسبب في تمدد الوحدات الحرارية أو تقلصها. ستؤدي التغييرات الكبيرة في الأبعاد إلى تقليل الاستقرار وقد تؤدي في النهاية إلى فشل الهيكل المعتمد على الحراريات.

ظاهرة ذات صلة يتم ملاحظتها بشكل شائع مع المواد المقاومة للحرارة هي التشظي. يعتبر التشظي عمومًا كسرًا أو انقسامًا أو تقشرًا للحرارة ، مما يؤدي إلى تعرض الكتلة الداخلية للمادة. يحدث التشظي عادةً عن طريق تدرجات درجة الحرارة داخل المادة ، والضغط في الهيكل بسبب الشحنات الكبيرة الحجم والاختلافات في معامل التمدد الحراري داخل الطوب. يتم بذل كل جهد في تصنيع المواد المقاومة للحرارة لتجنب التشظي لأنه يقلل من فعالية المواد المقاومة للحرارة.

تستخدم الحراريات في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية التي تتراوح من الاستخدام المكثف في صناعة الحديد والصلب إلى الاستخدامات ذات الحجم المنخفض في صناعات الأسمنت والمرافق العامة. في الأساس ، يتم استخدام الحراريات في أي صناعة تستخدم فيها درجات حرارة عالية لتسخين وتجفيف أو حرق المواد. يقدم الجدول 4 التوزيع الحالي حسب صناعة استخدام الحراريات داخل الولايات المتحدة.

كما هو مبين في الجدول 4 ، فإن صناعة الصلب هي المنطقة التي يتم فيها استخدام أكثر من 50٪ من المواد المقاومة للحرارة المنتجة في الولايات المتحدة. لذلك ، أدت احتياجات صناعة الصلب إلى حد كبير إلى تطورات الحراريات التي حدثت.

---

الحراريات الحديثة

نما السيراميك بشكل كبير من الحرف اليدوية إلى العلوم التطبيقية. تأسست جمعية الخزف الأمريكية في عام 1899 ، وجمعية الخزف البريطانية في عام 1901. وبدأت الرسوم البيانية لمرحلة الأكسيد في الظهور في الأدبيات في عشرينيات القرن الماضي. تم تطوير تقنيات التصوير الصخري بشكل جيد ، وبدأ فهم الآليات التفصيلية للتدهور الحراري والتآكل. أصبح منتجو الحراريات الأمريكيون معاد تنظيمهم وتوحيدهم وقادرين على إجراء أبحاثهم الخاصة. كانت أدوات التوليف الحراري وأدوات التحقيق على حد سواء مزدهرة.

بالطبع ، لم تكن الكربون الصناعي الصناعي جديدًا. تم تصنيع الكوك لأول مرة تجاريًا من الفحم في ستينيات القرن التاسع عشر ، ومن البترول بعد ذلك بوقت قصير. ظهر الجرافيت الصناعي وكربيد السيليكون في وقت واحد تقريبًا في مطلع القرن ، بعد اختراع أتشسون للفرن الكهربائي المقاوم للتسخين الذاتي في عام 1860. هذه المنتجات ، التي لها خصائص مختلفة تمامًا عن تلك الموجودة في الأكاسيد ، حفزت بسرعة استخداماتها وأسواقها الخاصة.

الألومينا الاصطناعية ، Al₂O₃، كانت متاحة منذ أن بدأت عملية Bayer في تغذية إنتاج الألمنيوم حوالي عام 1888. تم تصنيع المغنيسيا الاصطناعية (MgO) لأول مرة من مياه البحر في المملكة المتحدة في عام 1937 وفي الولايات المتحدة في عام 1942 ، بسبب احتياجات الحرب من المغنيسيوم. أصبح زركونيا متاحًا ، مدفوعًا أيضًا بالجيش. كان الجير سلعة رئيسية على مر العصور. كانت هناك مجموعة من المواد الكيميائية الأخرى في متناول اليد للنظر فيها كمكونات حرارية أو كإضافات ثانوية وعوامل ربط. العنصر الوحيد المهم في حراريات الأكسيد الذي قاوم معظمه استبدال المواد التركيبية هو السيليكا (SiO)₂) تكثر صخور ورمال السيليكا عالية النقاء وتستخدم في هذه الصناعة وكذلك في صناعة الزجاج.

كان استخدام المواد التركيبية في صناعة المواد المقاومة للحرارة مفيدًا للغاية ؛ لكن المواد الخام المعدنية لم يتم إزاحتها بأي حال من الأحوال. المواد التركيبية تكلف أكثر ، وهذه التكلفة يجب أن تكون مبررة. تخلق بعض المواد الاصطناعية مشاكل خطيرة في المعالجة الحرارية ، ويجب إيجاد طرق جديدة للتغلب عليها. غالبًا ما يتم تحقيق النتائج المثلى من خلال توليفات من المواد الخام الاصطناعية والمعدنية ، جنبًا إلى جنب مع المدخلات الإبداعية في معالجتها.

تم استخدام خليط من الطين مع الكربون لربط البوتقات والمغارف منذ صب الحديد لأول مرة ؛ وصُنع طوب السيليكا المحتوي على الكربون في فرنسا في ستينيات القرن التاسع عشر. منذ عام 1860 ، تغيرت كل من التقنيات والتراكيب بشكل كبير. انتشر استخدام حراريات أكسيد الكربون الحاملة للكربون ، بدءًا من MgO + C. قد يكون الدافع الحقيقي الأول قد قدمه BOF ؛ ولكن اليوم لا يكاد يوجد أي نوع متقدم من الأكسيد المقاوم للحرارة لا يمكن أن يكون مع أو بدون الكربون المضاف أو السلائف الكربونية لتحقيق أداء فائق في تطبيقات معينة.

تم تصنيع الحبوب المقاومة للصهر أو الركام المصهور بالقوس منذ أوائل القرن العشرين ، وتم تصنيع الطوب الحراري المصبوب المصهور لعدة تركيبات في العشرينات والثلاثينيات ، ولا سيما الموليت ، والألومينا ، والمغنيسيا ، والألومينا ، والسيليكا ، والألومينا ، والزركونيا ، والسيليكا. في كثير من الأحيان ، كانت هذه المنتجات مصنوعة بالكامل من المواد الخام المعدنية.

في الواقع ، لا تزال الحراريات القائمة على جميع المعادن اليوم مكونًا مهمًا في قائمة المنتجات. إنها أرخص بشكل عام ، وغالبًا ما يكون أداؤها رائعًا ولا يزال هناك العديد من التطبيقات ذات الطلب الأقل بالإضافة إلى التطبيقات ذات الطلب الحاسم على أعلى مستويات المقاومة للحرارة والتآكل.

صناعة حرارية

سيتم استخدام الحراريات في العديد من الصناعات لتبطين الغلايات والأفران والأفران بجميع أنواعها ، لكن النسبة الأكبر تستخدم في صناعة المعادن. في صناعة الصلب ، قد يستخدم الانفجار النموذجي أو فرن الموقد المفتوح أنواعًا مختلفة من الحراريات ، بعضها مصنوع من السيليكا ، وبعضها مصنوع من الكروم و / أو المغنسيت والبعض الآخر من طين النار.

كما يتم استخدام كميات أقل بكثير في الصناعات التالية: الغاز وفحم الكوك والمنتجات الثانوية ؛ محطات توليد الطاقة؛ مواد كيميائية؛ أفران الخبز والمواقد. الاسمنت والجير. سيراميك؛ زجاج؛ المينا والزجاج. القاطرات والسفن مفاعلات نووية مصافي نفط؛ التخلص من النفايات (المحارق).

عمليات التصنيع

يعتمد نوع الحراريات المستخدم في أي تطبيق معين على المتطلبات الحرجة للعملية. على سبيل المثال ، تتطلب العمليات التي تتطلب مقاومة التآكل الغازي أو السائل مسامية منخفضة وقوة بدنية عالية ومقاومة للتآكل. قد تتطلب الظروف التي تتطلب توصيل حراري منخفض حراريات مختلفة تمامًا. في الواقع ، يتم استخدام مجموعات من العديد من الحراريات بشكل عام. لا يوجد خط فاصل راسخ بين تلك المواد وتلك غير المقاومة للحرارة ، على الرغم من أن القدرة على تحمل درجات حرارة أعلى من 1,100 درجة مئوية دون تليين قد تم الاستشهاد بها كمتطلب عملي للمواد المقاومة للصهر الصناعي.

تتجسد الأهداف التقنية لتصنيع مادة حرارية معينة في خصائصها وأدائها في التطبيق المقصود. تتكون أدوات التصنيع من اختيارات بين المواد الخام وبين طرق ومعايير المعالجة. تتعلق متطلبات التصنيع بخصائص تكوين الطور والبنية المجهرية - التي تسمى مجتمعة الطابع المادي - التي يتم تطويرها من خلال المعالجة وتكون مسؤولة عن خصائص المنتج وسلوكه.

مواد أولية

في الماضي ، تم اختيار المواد الخام المقاومة للصهر من مجموعة متنوعة من الرواسب المتاحة واستخدامها كمعادن مستخرجة. أنتج التعدين الانتقائي مواد من الخصائص المرغوبة ، وفقط في حالات المواد الخام باهظة الثمن ، مثل المغنسيت ، كانت عملية إثراء مطلوبة. اليوم ، ومع ذلك ، يزداد الطلب على المواد الخام الطبيعية عالية النقاء كما هو الحال مع الحبوب المقاومة للحرارة المعدة صناعياً والمصنوعة من توليفات عالية النقاء والمواد الخام المستفيدة. تسمى المواد التي يتم إنتاجها عند إطلاق المعادن الخام المستخرجة أو المزائج الاصطناعية باسم الحبوب أو الكلنكر أو الكلنكر المشترك أو الجروغ.

تصنف الحراريات عادة إلى أربعة أنواع: ألومينو سيليكات ، سيليكا (أو حمض) ، قاعدي ومتنوع.

تشمل المواد المستخدمة عمومًا في الأنواع الأربعة للحراريات ما يلي:

1. حراريات ألومينوسيليكات. تتكون قطع النار بشكل أساسي من معدن الكاولينيت [رقم المختصر الكيميائي: 1318-74-7] (Al₂0₃  2 سيو₂ 2H₂O) بكميات صغيرة من المعادن الطينية الأخرى ، والكوارتزيت ، وأكسيد الحديد ، والتيتانيا والشوائب القلوية. يمكن استخدام الطين في الحالة الخام أو بعد تحميصه. قد تكون الصلصال الخام ذات حجم خشن أو مطحونة ناعماً لتدمج في خليط حراري. بعض الكاولين عالي النقاء يتم طهيه وتصنيفه وتجفيفه وتعويمه في الهواء لتحقيق جودة عالية متسقة. يمكن أيضًا مزج الطين المصنف وبثقه أو تحبيبه ثم تحبيبه ثم تحميصه لإنتاج رواسب كاولين صناعية محترقة ، أو يمكن حرق الكاولينيت الخام المطحون بشكل خشن لإنتاج التروخ. عند التكليس أو الاحتراق ، يتحلل الكاولينيت إلى موليت وزجاج سيليسي يشتمل على شوائب معدنية مرتبطة بترسبات الطين (على سبيل المثال ، كوارتزيت وأكسيد الحديد والتيتانيا والقلويات) ويتم دمجها في رواسب حبيبية صلبة كثيفة عند درجات حرارة عالية.
2. حراريات السيليكا أو الحمض استخدم السيليكا بشكل أساسي في شكل كوارتزيت مطحون ومسحوق (جانيستر) (92 إلى 98٪) ، والذي يضاف إليه مادة ربط مناسبة ، مثل الجير (CaO). يتم تسخين طوب السيليكا بشكل عام مرتين لأنه يتمدد عند تسخينه (يتقلص طوب النار) ، ومن المستحسن أن يتم التمدد قبل بناء الجدار أو البطانة.
3. الحراريات الأساسية استخدم الدولوميت والمغنسيت (MgO) وأكسيد الكروم والحديد والألمنيوم.
4. الحراريات المتنوعة. من بين مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد المستخدمة الآن ، أكثرها شيوعًا هي الكربيدات مثل كربيد السيليكون والجرافيت والألومينا والبريليا والثوريا وأكسيد اليورانيوم والأسبستوس وأكسيد الزركونيوم.

 

حدثت عدة ثورات في الصناعة. تشتمل هذه الثورات على طرق آلية أخرى للتعامل مع المواد الصلبة ذات الحمولة الكبيرة ، وزيادة القدرات وأتمتة معدات المعالجة والتقنيات من أجل الحصول السريع على بيانات التحكم أثناء العملية وتحليلها. لقد غيرت هذه التطورات ممارسات التصنيع المقاومة للحرارة.

يوضح الشكل 17 كيفية صنع أنواع مختلفة من الحراريات. تم رسم الشكل بأسلوب "شجرة القرار" مع الفروع المتباينة التي تم تحديدها بواسطة أرقام لتحديد الهوية. هناك مسارات مختلفة ، كل منها يصنع نوعًا معينًا من المنتجات المقاومة للحرارة.

الشكل 17. مخطط تدفق التصنيع الحراري

تمثل مخططات التدفق العامة هذه الآلاف من العمليات المحددة ، متباينة ، على سبيل المثال ، من خلال قوائم المواد الخام الخاصة بهم ، وطريقة التحضير والتحجيم والدُفعات (بمعنى الكمية الموزونة) لكل منها ، وتسلسل وطريقة الخلط وما إلى ذلك. يُسمح بالحذف - على سبيل المثال ، يتم خلط بعض المواد المقاومة للحرارة غير المشوهة بالجفاف ولا يتم ترطيبها أبدًا حتى التثبيت.

يمكن تشكيل (تشكيل) الحراريات أو المنتجات أو تشكيلها وتركيبها في الموقع ، ولكن بشكل عام يتم توفيرها في الأشكال التالية:

قالب طوب. الأبعاد القياسية للطوب المقاوم للحرارة يبلغ طولها 23 سم وعرضها 11.4 سم وسمكها 6.4 سم (لبنة مستقيمة). قد يتم بثق الطوب أو ضغطه جافًا على مكابس ميكانيكية أو هيدروليكية. يمكن حرق الأشكال المشكلة قبل الاستخدام أو ، في حالة الملعب ، الراتنج أو الطوب المرتبط كيميائياً (المعالج).

أشكال الانصهار. يتم صهر التركيبات المقاومة للصهر بالقوس وصبها في أشكال (على سبيل المثال ، كتل تدفق صهريج زجاجي بحجم 0.33 ، 0.66 ، 1.33 م). بعد الصب والصلب ، يتم طحن الكتل بدقة لضمان ملاءمة دقيقة.

الحراريات المصبوبة والقولبة يدويًا. يتم إنتاج الأشكال الكبيرة ، مثل كتل الموقد وكتل التدفق ، والأشكال المعقدة ، مثل أجزاء مغذي الزجاج ، والمرشحات وما شابه ذلك ، إما عن طريق صب الأسمنت المنزلق أو الهيدروليكي أو تقنيات الصب اليدوي. نظرًا لأن هذه التقنيات تتطلب عمالة مكثفة ، فهي مخصصة للسلع التي لا يمكن تشكيلها بشكل مرضٍ بطرق أخرى.

الحراريات العازلة. تكون الحراريات العازلة على شكل طوب أخف بكثير من الطوب التقليدي من نفس التركيب بسبب مسامية الطوب.

المصبوبات والخلطات. تتكون المصبوبات من حبيبات حرارية يضاف إليها رابط هيدروليكي. عند الاختلاط بالماء ، يتفاعل العامل الهيدروليكي ويربط الكتلة معًا. تم تصميم خلطات الرش بحيث يتم رشها من خلال فوهة تحت ضغط الماء والهواء. يمكن تقليب الخليط قبل إطلاقه من خلال البندقية ، أو خلطه بالماء عند الفوهة.

حراريات البلاستيك وخلائط الصدم. الحراريات البلاستيكية عبارة عن خليط من حبيبات حرارية وطين بلاستيك أو مواد ملدنة بالماء. قد تحتوي خلطات الصدم أو لا تحتوي على الطين وتستخدم بشكل عام مع الأشكال. تختلف كمية المياه المستخدمة مع هذه المنتجات ولكن يتم تقليلها إلى الحد الأدنى.

المخاطر والاحتياطات المهنية

يقدم الجدول 5 معلومات عن العديد من المخاطر المحتملة الموجودة في هذا القطاع الصناعي.

الجدول 5. مخاطر الصحة والسلامة المحتملة التي تم العثور عليها أثناء تصنيع الزجاج والسيراميك والمواد ذات الصلة

 

مشاكل السلامة والصحة وأنماط المرض

يقدم هذا القسم نظرة عامة على مشاكل السلامة والصحة الموثقة أو المشتبه بها على مستوى الصناعة. لم تكن البيانات الدولية عن الإصابات والأمراض في قطاع الأعمال هذا موجودة في عمليات البحث والبحث في الأدبيات على الإنترنت (في عام 1997). تم استخدام المعلومات التي جمعتها وزارة العمل الأمريكية وإدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) ومكتب إحصاءات العمل (BLS) لتحديد المخاطر الشائعة في مكان العمل ووصف خصائص الإصابات والأمراض. يجب أن تكون هذه البيانات ممثلة للوضع في جميع أنحاء العالم.

تم الكشف عن المخاطر أثناء عمليات التفتيش

تكشف عمليات التفتيش على الامتثال التنظيمي للشركات العاملة في تصنيع منتجات الأحجار والطين والزجاج والخرسانة (كود 32 للتصنيف الصناعي القياسي (SIC) ، المكافئ لرمز ISIC 36) عن بعض المخاطر الشائعة في هذا القطاع. تشير استشهادات الامتثال التنظيمي الصادرة عن OSHA إلى أنه يمكن تصنيف قضايا الصحة والسلامة العامة على النحو التالي:

• الاتصالات الخطر من المخاطر الجسدية والصحية للمواد الكيميائية في مكان العمل

• السيطرة على الطاقة الخطرة- إجراءات القفل والعلامات للتحكم في الأنشطة حول الآلات أو المعدات حيث قد يتسبب التنشيط غير المتوقع أو إطلاق الطاقة المخزنة في حدوث إصابة. تشمل الطاقة الخطرة الإشعاع الكهربائي والميكانيكي والهيدروليكي والهوائي والكيميائي والحراري ومصادر أخرى.

• السلامة الكهربائية، بما في ذلك المعدات الكهربائية أو تصميم النظام وطرق الأسلاك وممارسات العمل الآمنة والتدريب

• التصريح المطلوب دخول الأماكن المحصورة—التحديد والتقييم وإجراءات الدخول الآمن

• معدات الحماية الشخصية—التقييمات واختيار واستخدام حماية العين والوجه واليد والقدم والرأس

• حراسة الآلات والمعدات والأدوات لحماية المشغلين والعاملين المجاورين من المخاطر عند نقطة التشغيل ، ونقاط الوخز ، ومن الأجزاء الدوارة ، والرقائق المتطايرة أو الشرر ؛ يشمل الآلات الثابتة ، والآلات المحمولة ، والأدوات الكهربائية المحمولة ، وتعديل الحراس ومساند العمل على آلات ذات عجلات جلخ (مطاحن) (انظر الشكل 18)

 

الشكل 18. حراسة الآلة تحمي المشغلين

• حماية الجهاز التنفسي- اختيار واستخدام وصيانة والتدريب والتخليص الطبي واختبار أجهزة التنفس

• التعرض للضوضاء المهنية- التحكم في حالات التعرض من خلال الحماية الهندسية أو الإدارية أو حماية السمع وتنفيذ برامج الحفاظ على السمع

• الوقاية من الحرائق والتأهب والاستجابة للطوارئ، بما في ذلك طفايات الحريق ، ومسارات الهروب ، والخطط ، وتخزين أو استخدام المواد القابلة للاشتعال / الاحتراق

• أسطح المشي والعمل، بما في ذلك فتحات وفتحات الحراسة والجدران ؛ التدبير المنزلي؛ والحفاظ على الممرات والممرات خالية من الظروف التي تنطوي على مخاطر الانزلاق أو التعثر أو السقوط (انظر الشكل 19)

 

الشكل 19. مخاطر الانزلاق والرحلة

• شاحنات صناعية تعمل بالطاقة—تصميم وصيانة واستخدام ومتطلبات السلامة الأخرى لشاحنات الرافعة الشوكية أو شاحنات المنصة أو الجرارات أو الشاحنات اليدوية الآلية أو غيرها من الشاحنات الصناعية المتخصصة التي تعمل بمحركات كهربائية أو محركات الاحتراق الداخلي

• سلالم وسلالم وسقالات ثابتة ومحمولة- التصميم والتفتيش والصيانة والاستخدام الآمن

• الحماية من السقوط- استخدام أدوات منع السقوط ومعدات السقوط في الأعمال المرتفعة

• القطع واللحام- استخدام وإجراءات آمنة للأكسجين / الأسيتيلين أو غاز الوقود أو معدات القطع أو اللحام بالقوس

• آلة لمناولة المواد- بما في ذلك الرافعات العلوية والجسور الرافعة والسلاسل والرافعات

• السيطرة على التعرض للمواد السامة أو الخطرة، بما في ذلك ملوثات الهواء أو المواد الكيميائية المنظمة بشكل خاص (مثل السيليكا أو الرصاص أو الأسبستوس أو الفورمالديهايد أو الكادميوم أو الزرنيخ).

 

الملف الشخصي للإصابة والمرض

معدلات الإصابة بالمرض

استنادًا إلى سجلات وزارة العمل الأمريكية ، فإن مصنعي منتجات الحجر والطين والزجاج (SIC 32) لديهم معدل إجمالي "قابل للتسجيل" للإصابات والأمراض المهنية غير المميتة يبلغ 13.2 حالة لكل 100 عامل بدوام كامل سنويًا. معدل الحدوث هذا أعلى من المعدلات المقابلة لجميع الصناعات التحويلية (12.2) وجميع الصناعات الخاصة (8.4). حوالي 51٪ من حالات "الإصابات القابلة للتسجيل" في قطاع تصنيع منتجات الحجر والطين والزجاج لا تؤدي إلى ضياع أيام العمل (الوقت الذي يقضيه الشخص بعيدًا عن العمل).

تتوفر أيضًا معدلات حدوث "إجمالي حالة يوم العمل المفقود" استنادًا إلى عدد الإصابات أو الأمراض المسببة للإعاقة التي تؤدي إلى فقدان العامل لأيام عمل لكل 100 عامل بدوام كامل من وزارة العمل الأمريكية. يشمل إجمالي معدل الحدوث ليوم العمل الضائع الحالات التي يتم فيها فقدان أيام العمل ويكون العامل غير قادر على أداء النطاق الكامل للوظيفة (مقيد أو واجب خفيف). الشركات المصنعة لمنتجات الحجر والطين والزجاج لديها معدل إجمالي لحدوث يوم العمل المفقود 6.5 حالة لكل 100 عامل في السنة. وهذا أعلى من المعدلات المقابلة لجميع الصناعات التحويلية (5.5) ولجميع الصناعات الخاصة (3.8). حوالي 93٪ من حالات الضياع في يوم العمل في قطاع تصنيع منتجات الحجر والطين والزجاج ناتجة عن الإصابات وليس الأمراض المهنية.

يقدم الجدول 6 معلومات أكثر تفصيلاً عن معدلات الإصابة بالإصابات والأمراض (مجتمعة) أو الإصابات (وحدها) لأنواع مختلفة من عمليات التصنيع داخل قطاع تصنيع منتجات الحجر والطين والزجاج (SIC Code 32). قد لا تكون معدلات الإصابة والتركيبة السكانية ممثلة للمعلومات العالمية ، ولكنها أكثر المعلومات المتاحة اكتمالاً.

 

---

الجدول 6. معدلات الإصابة بالأمراض والإصابات المهنية غير المميتة¹ لكل 100 عامل بدوام كامل في الشركات الأمريكية في SIC Code 32 ، الصناعة والتصنيع الخاص ، 1994

 

nec = غير مصنفة في مكان آخر
- = البيانات غير متوفرة

¹ تمثل معدلات الإصابة عدد الإصابات والأمراض لكل 100 عامل بدوام كامل وتم حسابها على أنها عدد الإصابات والأمراض مقسومة على ساعات العمل من قبل جميع الموظفين في السنة التقويمية مضروبة في 200,000 (المعادل الأساسي لـ 100 عامل في 40 ساعة في الأسبوع لمدة 52 أسبوعًا في السنة).

² دليل التصنيف الصناعي القياسي طبعة 1987.

³ يتم التعبير عن العمالة كمتوسط ​​سنوي وتم اشتقاقها بشكل أساسي من برنامج إحصاءات التوظيف الحالي لولاية BLS.

⁴ يشمل إجمالي القضايا القضايا التي تنطوي على تقييد نشاط العمل فقط ، بالإضافة إلى أيام الابتعاد عن العمل مع أو بدون نشاط عمل مقيد.

⁵ تشمل أيام الابتعاد عن حالات العمل تلك التي تنتج عن أيام الابتعاد عن العمل ، مع أو بدون نشاط عمل مقيد.

المصدر = المصدر: بناءً على المسح الوطني للإصابات والأمراض المرتبطة بالعمل في الصناعة الخاصة من قبل وزارة العمل الأمريكية ، مكتب إحصاءات العمل.

---

 

التركيبة السكانية للإصابات وحالات المرض

يمثل العمال الذين تتراوح أعمارهم بين 25 و 44 عامًا حوالي 59 ٪ من 23,203 حالة إصابة أو مرض في الوقت الضائع في قطاع تصنيع الأحجار والطين والزجاج في الولايات المتحدة. كانت المجموعة التالية الأكثر تضررًا هي العمال الذين تتراوح أعمارهم بين 45 و 54 عامًا ، والذين كان لديهم 18٪ من حالات الإصابة أو المرض الضائع (انظر الشكل 20).

الشكل 20. الإصابات والأمراض الضائعة حسب العمر ؛ نحن

حوالي 85٪ من حالات الإصابات والأمراض في حالات الإصابات الضائعة في كود SIC 32 كانت من الذكور. في 24٪ من حالات ضياع الوقت (لكلا الجنسين) ، كان لدى العمال أقل من سنة خدمة في الوظيفة. وشكل العاملون الذين قضوا من 1 إلى 1 سنوات في الوظيفة 5٪ من الحالات. يمثل الموظفون ذوو الخبرة الذين لديهم أكثر من 32 سنوات في الخدمة 5 ٪ من حالات الوقت الضائع.

الطبيعة. يصف تحليل ملفات تعريف الحوادث الضائعة طبيعة الإصابات والأمراض المسببة للإعاقة ويساعد في تفسير العوامل المسببة أو المساهمة. السلالات والالتواءات هي الطبيعة الرائدة للإصابة والمرض في قطاع تصنيع المنتجات الحجرية والطينية والزجاجية. كما هو موضح في الشكل 23 ، تشكل حالات الالتواء والالتواء حوالي 42٪ من جميع حالات الوقت الضائع. كانت الجروح والثقوب (10٪) ثاني أكثر الأسباب شيوعًا للإصابة أو المرض المعوق. كانت الكدمات (9٪) والكسور (7٪) وآلام الظهر / الآلام الأخرى (5٪) من أهم فئات الإصابات. كانت الحروق الحرارية والحروق الكيميائية وبتر الأعضاء أقل شيوعًا (1٪ أو أقل).

الشكل 21. الإصابات والأمراض المهنية

الأحداث أو حالات التعرض. يوضح الشكل 22 أن الإرهاق أثناء الرفع يؤدي إلى جميع أحداث الإصابة أو التعرضات الأخرى المسببة للإعاقة. كان الجهد الزائد أثناء الرفع عاملاً مسببًا في حوالي 17٪ من حالات الإعاقة ؛ كانت الحركة المتكررة هي التعرض في 5٪ إضافية من حالات الإعاقة. كان الضرب بشيء هو الحدث التالي الأكثر شيوعًا ، والذي أدى إلى 16٪ من الحالات. تسبب الضرب على جسم ما في حدوث 10٪ من الحالات. تم اكتشاف أحداث مهمة أخرى في جسم ما (9٪) ، تقع على نفس المستوى (9٪) ، تنخفض إلى المستوى الأدنى (6٪) ، وانزلاقات / رحلات بدون سقوط (6٪). كان التعرض للمواد أو البيئة الضارة عاملاً مسببًا في 5٪ فقط من الحالات.

الشكل 22. الحدث أو التعرض لإصابات مهنية

جزء من الجسم. وكان الجزء الأكثر إصابة من الجسم هو الظهر (24٪ من الحالات) (انظر الشكل 23). حدثت إصابات في الأطراف العلوية (الإصبع واليد والرسغ والذراع مجتمعة) في 23٪ من الحالات ، مع إصابة الإصبع في 7٪ من الحالات. وكانت إصابات الأطراف السفلية متشابهة (22٪ من الحالات) ، وتأثرت الركبة في 9٪ من الحالات.

شكل 23. جزء الجسم المصاب في إصابة يوم عمل ضائع

مصادر. كانت المصادر الأكثر شيوعًا للإصابة أو حالات المرض: الأجزاء والمواد (20٪) ؛ موقف أو حركة العامل (16٪) ؛ الأرضيات أو الممرات أو الأسطح الأرضية (15٪) ؛ حاويات (10٪) ؛ الآلات (9٪) ؛ المركبات (9٪)؛ أدوات يدوية (4٪) ؛ الأثاث والتجهيزات (2٪)؛ والمواد الكيميائية والمنتجات الكيماوية (2٪) (انظر الشكل 24).

الشكل 24. مصادر الإصابات المهنية

الوقاية من الأمراض ومكافحتها

الصدمة التراكمية المرتبطة بالحركة المتكررة والإجهاد المفرط والقوى المفرطة هي نتيجة شائعة في هذا القطاع الصناعي. تتوفر الأجهزة الروبوتية في بعض الحالات ، لكن ممارسات المعالجة اليدوية لا تزال مهيمنة. يمكن أن تخلق الضواغط والمنافخ والغزل والهزازات الهوائية ومعدات التغليف ضوضاء تتجاوز 90 إلى 95 ديسيبل. حماية السمع وبرنامج حفظ السمع السليم سيمنعان التغييرات الدائمة في السمع.

تستهلك هذه الصناعة كميات كبيرة من السيليكا البلورية. يجب أن يكون التعرض محدودًا أثناء المناولة والصيانة والتنظيف. سيقلل التدبير المنزلي الجيد باستخدام نظام تفريغ مناسب أو طرق تنظيف رطبة من التعرض المحتمل. يجب إجراء الفحص الدوري باستخدام اختبارات وظائف الرئة وأغشية الصدر في حالة حدوث تعرض مفرط للسيليكا. يجب أيضًا تقليل التعرض للمعادن الثقيلة الموجودة كمواد خام أو مواد زجاجية أو أصباغ. سيؤدي استخدام بدائل المعادن الثقيلة الموجودة في الزجاج أيضًا إلى القضاء على المخاوف الصحية المتعلقة بنض المعادن في الأطعمة أو المشروبات. يتم استخدام ممارسات التدبير المنزلي الجيدة وحماية الجهاز التنفسي لمنع الآثار الضارة. قد تكون المراقبة الطبية التي تشمل المراقبة البيولوجية ضرورية.

يعد استخدام المواد اللاصقة التي تحتوي على الفورمالديهايد والإيبوكسي والسيلانات أمرًا شائعًا في صناعة الألياف الزجاجية. يجب اتخاذ خطوات لتقليل تهيج الجلد والجهاز التنفسي. يتم تنظيم الفورمالديهايد كمادة مسرطنة في العديد من البلدان. يتم إنتاج الألياف القابلة للتنفس أثناء التصنيع ، والتصنيع ، والقطع ، وتركيب منتجات الألياف الزجاجية ، والصخور ، والخبث ، وألياف السيراميك المقاومة للحرارة. على الرغم من أن التعرض للألياف المحمولة بالهواء كان عمومًا منخفضًا جدًا (أقل من 1 ليف لكل سنتيمتر مكعب) لمعظم هذه المواد ، فإن تطبيقات نفخ التعبئة السائبة تميل إلى أن تكون أعلى من ذلك بكثير.

تعتبر الصخور والخبث والزجاج من بين أكثر منتجات العزل التجارية التي تمت دراستها على نطاق واسع والمستخدمة اليوم. كشفت الدراسات الوبائية أن تدخين السجائر له تأثير كبير على وفيات سرطان الرئة بين موظفي التصنيع. لم تُظهر الدراسات المقطعية التي أجريت بشكل جيد أن الألياف تؤدي إلى زيادة معدل الوفيات أو المراضة في الرئة. أظهرت دراسات الاستنشاق المزمن الحديثة في الفئران أن متانة الألياف الزجاجية هي محدد حاسم للإمكانات البيولوجية لهذه الألياف. قد يختلف التركيب ، الذي يحدد متانة هذه الألياف ، بشكل كبير. لتجنب مخاوف الصحة العامة ، اقترحت اللجنة الفنية التابعة للمفوضية الأوروبية مؤخرًا اختبار الثبات الحيوي للألياف الزجاجية باستخدام الاستنشاق على المدى القصير. تم اقتراح تركيبة الصوف العازل التي تم اختبارها بدقة عند الحد الأقصى للجرعة المسموح بها عن طريق الاستنشاق المزمن في الفئران ووجد أنها لا تسبب مرضًا لا رجعة فيه كألياف مرجعية.

قضايا البيئة والصحة العامة

ملوث الهواء الأساسي المنبعث أثناء صناعة الزجاج والسيراميك والفخار والطوب هو الجسيمات. الحد الأقصى من تكنولوجيا التحكم التي يمكن تحقيقها والتي تتكون من الأكياس والمرسبات الكهروستاتيكية الرطبة متاحة لتقليل الانبعاثات عند الضرورة. تخضع ملوثات الهواء الخطرة المتولدة أثناء عمليات الخلط والتطبيق والمعالجة للفحص. تشتمل هذه المواد على ستيرين وسيلانات وإيبوكسيات تستخدم في فتيل الزجاج المستمر ، والفورمالديهايد والميثانول والفينول المستخدمة أثناء إنتاج الصخور والخبث والزجاج. الفورمالديهايد هو ملوث الهواء الخطير الذي يقود معايير التحكم لخطوط التصنيع الأخيرة. الملوثات الهوائية الخطرة للمعادن الثقيلة مثل الكروم تقود معايير فرن صهر الزجاج بينما لا_x و حينئذ_x تبقى القضايا في بعض البلدان. تعتبر انبعاثات الفلوريد والبورون مصدر قلق في إنتاج فتيل الزجاج المستمر. قد يصبح البورون أيضًا مصدر قلق بيئي إذا كانت ألياف الصوف الزجاجي عالية الذوبان مطلوبة في بعض البلدان.

بسبب الحجم الكبير لتصريف الهواء وطبيعة التشكيل وذوبان الزجاج ، تبخر الصناعة كميات كبيرة من الماء. العديد من المرافق ، على سبيل المثال ، في الولايات المتحدة ، لديها تصريف الصفر لمياه الصرف الصحي. يمكن لمياه الصرف المعاد تدويرها التي تحتوي على مواد عضوية أن تخلق مخاطر بيولوجية في مكان العمل إذا لم يتم تنفيذ المعالجة لمنع النمو البيولوجي (انظر الشكل 25). تشمل النفايات الناتجة عن هذا القطاع الصناعي المعادن الثقيلة والمواد المسببة للتآكل وبعض المواد الرابطة والمذيبات المستهلكه. أصبحت صناعة الألياف الزجاجية نقطة رئيسية لإعادة تدوير الزجاجات وألواح الزجاج. على سبيل المثال ، تحتوي منتجات الصوف الزجاجي الحالية على 30 إلى 60٪ من الزجاج المعاد تدويره. يتم أيضًا استصلاح الحراريات المستهلكة وإعادة استخدامها بشكل مفيد.

الشكل 25: الهباء الجوي لمياه الصرف المعاد استخدامها

شكر وتقدير: شكر خاص إلى Dan Dimas ، CSP ، Libbey-Owens-Ford ، على توفير الصور ، وإلى Michel Soubeyrand ، Libbey-Owens-Ford ، لتقديم معلومات عن ترسيب البخار الكيميائي للقسم الموجود على الزجاج.

 

الرجوع

الألياف الضوئية عبارة عن خيوط زجاجية رفيعة جدًا مصممة لنقل أشعة الضوء على طول محورها. الثنائيات الباعثة للضوء (المصابيح) or ثنائيات الليزر تحويل الإشارات الكهربائية إلى الإشارات الضوئية التي يتم إرسالها عبر قلب أسطواني داخلي لكابل الألياف الضوئية. تسمح الخصائص الانكسارية السفلية للكسوة الخارجية بنشر إشارات الضوء عن طريق الانعكاس الداخلي على طول القلب الأسطواني الداخلي. تم تصميم الألياف الضوئية وتصنيعها لتنتشر إما كحزمة ضوئية واحدة أو كحزم ضوئية متعددة تنتقل في نفس الوقت على طول النواة. (انظر الشكل 1.)

الشكل 1. ألياف بصرية أحادية ومتعددة

تُستخدم الألياف أحادية الوضع بشكل أساسي في الاتصالات الهاتفية وتطبيقات التلفزيون الكبلي والعمود الفقري للحرم الجامعي. تُستخدم الألياف متعددة الأوضاع بشكل شائع لاتصالات البيانات وفي شبكات المقر.

تصنيع الألياف الضوئية

المواد والعمليات الخاصة مطلوبة لتصنيع الألياف الضوئية التي تفي بمعايير التصميم الأساسية: (1) نواة ذات معامل انكسار عالي وتكسية ذات معامل انكسار منخفض ، (2) توهين منخفض للإشارة أو فقدان طاقة ، و (3) تشتت منخفض أو توسيع شعاع الضوء.

يعتبر زجاج السيليكا عالي النقاء مع مواد زجاجية أخرى (على سبيل المثال ، زجاج فلوريد معدني ثقيل ، زجاج كالكوجينيد) هي المواد الأولية المستخدمة حاليًا لتصنيع الألياف الضوئية. كما يتم استخدام المواد متعددة الكريستالات والمواد أحادية البلورة وأدلة الموجات المجوفة والمواد البلاستيكية البوليمرية. يجب أن تكون المواد الخام نقية نسبيًا مع تركيزات منخفضة جدًا من المعادن الانتقالية ومجموعات تشكيل الهيدروكسيل (أقل من الأجزاء لكل مليار مستوى). يجب أن تحمي طرق المعالجة الزجاج المتشكل من الشوائب في بيئة التصنيع.

يتم تصنيع الألياف الضوئية باستخدام تحضير طور بخار غير تقليدي لتشكيل زجاجي يتم سحبه بعد ذلك إلى ألياف. يتم تحويل مركبات السيليكا المتطايرة إلى SiO₂ عن طريق التحلل المائي باللهب أو ترسيب البخار الكيميائي (CVD) أو الأكسدة عند درجات الحرارة العالية. ثم تضاف المنشطات الأخرى إلى الزجاج لتغيير خصائص الزجاج. تبدأ الاختلافات في عملية ترسيب البخار بنفس المادة ولكنها تختلف في الطريقة المستخدمة لتحويل هذه المادة إلى السيليكا.

تُستخدم إحدى طرق ترسيب الطور البخاري التالية لتصنيع الألياف الضوئية القائمة على السيليكا: (1) ترسيب البخار الكيميائي المعدل (MCVD) ، (2) ترسيب البخار الكيميائي للبلازما (PCVD) ، (3) ترسيب البخار الخارجي (OVD) ، و (4) ترسيب محوري لمرحلة البخار (VAD) (انظر الشكل 2). رباعي كلوريد السيليكون (SiCI₄) ورابع كلوريد الجرمانيوم (GeCI₄) أو هاليدات سائلة متطايرة أخرى تتحول إلى غاز عند تسخينها قليلاً بسبب ضغط البخار المرتفع. يتم تسليم الهاليد الغازي إلى منطقة تفاعل وتحويلها إلى جزيئات زجاجية (انظر أيضًا الفصل الإلكترونيات الدقيقة وأشباه الموصلات.)

الشكل 2. مخطط تدفق تصنيع الألياف البصرية

ماكفد و PCVD العمليات. يتم توصيل أنبوب السيليكا المنصهر عالي الجودة بمخرطة زجاجية مزودة بشعلة هيدروجين / أكسجين تعبر طولها. يتم توصيل إمداد مادة الهاليد بأحد طرفي الأنبوب الزجاجي وجهاز غسل بالطرف المقابل لإزالة مادة الهاليد الزائدة. يتم تنظيف سطح الأنبوب الزجاجي أولاً عن طريق تلميع النار حيث تعبر الشعلة طول الأنبوب. يتم إضافة الكواشف المختلفة في نظام البخار اعتمادًا على المنتج الذي يتم تصنيعه. يحدث تفاعل كيميائي عندما تمر الهاليدات عبر جزء الأنبوب الذي يتم تسخينه. تتحول الهاليدات إلى جزيئات "السخام" السيليكا التي تترسب على جدار الأنبوب الزجاجي الداخلي في اتجاه مجرى الشعلة. يتم تلبيد الجسيمات المترسبة في الطبقة الزجاجية. تشبه عملية PCVD عملية MCVD فيما عدا أن الهاليدات يتم توفيرها بواسطة نظام الفقاعات ، ويتم استخدام الموجات الدقيقة بدلاً من الشعلة لتحويل مادة الهاليد إلى زجاج.

OVD و VAD العمليات. في المرحلة الأولى من عملية تصنيع الألياف ، فإن النواة و منتجات طبقة الجدران الكؤوس عبارة عن بخار يترسب حول قضيب هدف دوار لتشكيل التشكيل "السخام". يتم ترسيب المادة الأساسية أولاً ، يليها الكسوة. يجب أن يكون الشكل الكامل نقيًا للغاية ، حيث أن كلا من اللب والكسوة عبارة عن ترسب بخار. يتم تحديد هندسة الألياف خلال مرحلة التجهيز للتصنيع. بعد إزالة القضيب المستهدف ، يتم وضع التشكيل في الفرن ، حيث يتم دمجه في زجاج صلب وشفاف ويتم إغلاق الفتحة المركزية. يتم تمرير الغاز عبر التشكيل لإزالة الرطوبة المتبقية التي تؤثر سلبًا على توهين الألياف (فقدان الإشارة الضوئية أثناء انتقال الضوء على طول محور الألياف). ثم يتم غسل التشكيلات المسبقة بحمض الهيدروفلوريك لضمان نقاء الزجاج وإزالة الملوثات.

يتم وضع التشكيل الزجاجي المدمج في برج سحب لتشكيل حبلا متواصلا من الألياف الزجاجية. أولاً يتم تحميل التشكيل في الجزء العلوي من فرن السحب. بعد ذلك ، يتم تسخين طرف التشكيل وتبدأ قطعة من الزجاج المصهور في السقوط. نظرًا لسحب هذه القطعة (سحبها) ، فإنها تمر عبر جهاز مراقبة القطر الداخلي للتأكد من أن الألياف تلبي قطرًا محددًا دقيقًا (يقاس عادةً بالميكرونات.) يجب أن يتوافق قطر غلاف الألياف مع المواصفات الدقيقة من أجل الحفاظ على فقدان الإشارة عند التوصيلات منخفضة . يتم استخدام قطر الكسوة الخارجية كدليل لمحاذاة نوى الألياف أثناء الاستخدام النهائي. يجب أن تصطف النوى حتى يحدث نقل الضوء بكفاءة.

يتم تطبيق بوليمر أكريليت أو مواد الطلاء الأخرى ومعالجتها بمصابيح فوق بنفسجية. تهدف الطلاءات إلى حماية الألياف الضوئية من البيئة أثناء الاستخدام النهائي. يتم اختبار الألياف الضوئية للتأكد من مطابقتها لمعايير التصنيع الخاصة بالقوة والتوهين والهندسة. يتم لف أطوال معينة من الألياف على بكرات حسب مواصفات العميل.

يتم مواجهة عدد من المخاطر المحتملة أثناء تصنيع الألياف الضوئية. وتشمل هذه: (1) التعرض لحمض الهيدروفلوريك (عند تنظيف التشكيلات الزجاجية) ، (2) الطاقة المشعة والضغط الحراري المرتبط ببيئات العمل بالقرب من المخارط وعمليات ترسيب البخار ، (3) التلامس المباشر مع الأسطح الساخنة أو المواد المنصهرة (التشكيلات الزجاجية ) ، (4) التعرض لطلاءات بوليمر أكريليت (محسس الجلد) ، (5) ثقوب الجلد والتمزقات أثناء التعامل مع الألياف و (6) مجموعة متنوعة من المخاطر الجسدية الموصوفة سابقًا.

 

الرجوع