Effects of raw materials on melt foaming generation in e-glass batch-to-melt conversion process
E-camı harmandan ergiyik hale dönüşüm prosesinde hammaddelerin ergiyik köpük oluşumuna etkileri
- Tez No: 897637
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 150
Özet
Sülfat kaynaklı ergiyik afinasyon sürecinin; aşırı köpüğe neden olmadan kontrolü, E-Cam elyaf üretim süreçlerinin stabilitesini korumak için kritik adımlardan biridir. Ayrıca, yanma verimliliği veya enerji kullanımı doğrudan ergiyik köpük miktarından etkilenir. Simüle edilmiş oksijen-yakıt yanma ortamında ergiyik köpüğü etkileyen temel faktörlerin anlaşılması; ticari E-Cam elyaf üretiminin hem hammadde kimyasını hem de operasyon koşullarını optimize ederek uygun fırın kontrolünü sağlamasına olanak tanır. Bu tezde, E-Cam örneklerinin köpük mekanizması üç farklı perspektiften incelenmiştir. İlk bölüm, kalsine kireçler, kalker, kalker ve kalsine kireç karışımları ile sodyum sülfat gibi çeşitli hammaddelerin E-Cam ergiyik köpüğüne etkisini araştırmaktadır. İkinci bölüm, değişen antrasit konsantrasyonlarının köpük oluşumuna etkisini incelemektedir. Bu bölüm de üç kategoriye ayrılmıştır. İlk grup, kütlece %100 kalsine kireç içeren E-Cam harmanlarında değişen miktarlardaki antrasitin etkisini incelemiştir. İkinci grup, kalsine kireç ve kalker karışımı içeren E-Cam harmanlarında antrasit miktarlarının köpük oluşumu üzerindeki etkisini araştırmıştır. Üçüncü grup ise antrasit tane boyutunun E-Cam ergiyik köpüğüne etkisini incelemiştir. Son olarak, üçüncü ve son bölümde, çeşitli kaolinler ve kaolin-kum karışımlarının köpürme mekanizması incelenmiştir. Toplamda, aynı hedef cam bileşimine sahip on sekiz farklı E-Cam harmanı ergiyik köpük oluşumuna göre incelenmiştir. Tüm harmanlar, Yüksek Sıcaklık Gözlem Sistemi ve Gaz Analizi (YSGS-GA) ile incelenmiştir. YSGS, yüksek çözünürlüklü bir kamera kullanarak ergiyik dönüşüm adımlarını izlerken, FTIR (Fourier Dönüşümü Kızılötesi) gaz analiz cihazı ile CO, CO2 ve SO2 gibi çıkan reaksiyon gazlarını tespit eder. Bu proses, fırın atmosferini simüle etmek için kuvars potasına koyulan harmana su buharı, N2 ve O2 gazları verilerek yapılmaktadır. İlk bölüm, kalsine kireçler, kalker, kalker ve kalsine kireç karışımları ve sodyum sülfat ile farklı CaO kaynakları kullanılarak hazırlanan altı tip E-Camı harmanında, hammaddelerin ergiyik köpük oluşumu üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Oksijen-yakıt atmosferinde farklı SO3 içeriklerine ve hammadde kimyasına sahip harmanlar ile çalışılmıştır. Farklı hammaddeler mineralojik analiz, kimyasal analiz, tane boyutu dağılımı, Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) seviyesi ve BET (Brunauer-Emmett-Teller) analizi ile karakterize edilmiştir. Aynı SO3 içeriğine sahip bazı harmanlarda, harman kimyasının etkisiyle farklı köpük oluşumları gözlemlenmiştir. Detaylı YSGS araştırmalarımız, sadece harmandaki SO3 içeriğinin değil, aynı zamanda hammadde kimyası ve tane boyutunun da E-Cam ergiyiklerinde köpük oluşumunu etkilediğini göstermektedir; özellikle hidroksit fazlarına sahip bileşenler ve/veya daha yüksek spesifik yüzey alanına sahip ince taneler için bu etki belirgindir. İkinci bölümde, değişen antrasit konsantrasyonlarının köpük oluşumuna etkisi incelenmiştir ve bu inceleme üç kategoriye ayrılmıştır. YSGS, bu bölümde aynı hedef cam bileşimine sahip sekiz farklı E-Cam harmanı incelemiştir. Antrasitin, her iki grupta da ergiyik köpüğü oluşumuna benzer bir etkisi olmasına rağmen, antrasit miktarı arttıkça düşük sıcaklık bölgesinde salınan SO2 miktarı artmakta ve bu da yüksek sıcaklıkta SO2 emisyonlarını azaltarak daha az ergiyik köpüğü oluşumuna neden olmaktadır, deneysel çalışmalar kalsine kireç ve kalker karışımı içeren E-Cam harmanlarında antrasitin ergiyik köpük kalınlığı üzerinde kütlece %100 kalsine kireç içeren harmanlara göre daha büyük bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, 106µm altındaki daha ince tane boyutuna sahip antrasit kullanarak daha ince bir köpük kalınlığı elde etmek mümkündür. Karbonun yüzey alanının artması, sülfat-karbon reaksiyonlarının hızlanmasına neden olduğu için köpük üzerinde olumlu etki saptanmıştır. Ayrıca, ince antrasit parçacıklarının camı daha fazla indirgenmiş hale getirdiği görülmüştür. Antrasit miktarının artması veya daha ince taneli antrasit kullanılmasıyla daha ince bir köpük elde edilmesi mümkündür, ancak bu durum daha indirgenmiş bir cam kıvamına yol açar. Camın demir redoks durumu, E-Cam üretimi için kritik öneme sahiptir; bu nedenle, oksidan bir cam tercih edilir. Hızlı soğuma sırasında, elyaf şekillendirme tansiyonu artmakta, ve yüksek tansiyon elyafların şekillendirme sırasında kopmasına neden olmaktadır. Bu durum da üretim verimliliğini düşürmektedir. Bu nedenle, antrasit kullanırken camın indirgenliğine dikkat edilmelidir. Üçüncü ve son bölümde, üç farklı kaolin ve kaolin-kum karışımlarının köpürme mekanizması incelenmiştir. YSGS, bu bölümde aynı hedef cam bileşimine sahip beş farklı E-Cam harmanını analiz etmiştir. Farklı kaolinler ve kum üzerinde tane boyutu, KOİ, XRD ve BET analizleri yapılmıştır. Bu bölümde, E-Cam harmanları üzerinde ergiyik dönüşüm testleri ve YSGS deneyleri gerçekleştirilmiştir. Çeşitli kaolinler veya kaolin-kum karışımlarının ergiyik köpük oluşumunu etkileyebileceği, YSGS sonuçlarına göre belirlenmiştir. Bu bölümde üç farklı kaolin kullanılmış olup, Kaolin-2 ve Kaolin-3'ün, Kaolin-1'e göre daha yüksek Fe2O3 konsantrasyonlarına sahip olduğu tespit edilmiştir (sırasıyla kütlece %0.62, %0.97 ve %0.45). E-Cam üretiminde demir redoks durumunun önemi nedeniyle, Kaolin-2 ve Kaolin-3 ile kum karıştırılarak camdaki toplam Fe2O3 içeriğinin azaltılması amaçlanmıştır (hedef camda kütlece %0.30 Fe2O3 içeriği). Bu bölümde sunulan deneysel araştırmalar, kaolin ve kum miktarındaki değişikliklerin E-Cam harmanlarının ergiyik dönüşüm sıcaklıkları ve ergiyik köpükleri üzerinde önemli etkileri olduğunu göstermektedir. Kum miktarının artması, ergiyik dönüşüm sıcaklıklarının artmasına neden olurken, farklı mineralojik fazlara sahip kaolinler daha zor ergiyik özellikler gösterebilir. Ergiyik köpük oluşumundaki değişiklikler, çeşitli kaolinlerin KOİ içeriklerine bağlanabilir. Kaolin-3 (Harman-17 ve Harman-18), maksimum KOİ içeriğine sahip olup, düşük sıcaklıklarda daha fazla SO2 salınımı yapar, ancak Harman-17 ve Harman-18'de antrasit bulunmamasına rağmen kalın bir köpük oluşmaz. Bu, SO3 miktarının makul seviyede olmasından ve Kaolin-3'ün herhangi bir SO3 içermemesinden kaynaklanmaktadır. Bu bölümde BET sonuçlarının ergiyik köpük oluşumu üzerinde önemli bir etkisi yoktur. Kaolin-3 en yüksek spesifik yüzey alanına sahip olmasına rağmen, Kaolin-3 içeren Harman-17 ve Harman-18'in köpük kalınlığı, daha düşük ve makul miktarda SO3 içermeleri nedeniyle Harman-14, Harman -15 ve Harman -16'dan daha azdır. Ancak, kumun Kaolin-1 ve Kaolin-2'den daha yüksek bir spesifik yüzey alanına sahip olması nedeniyle, kum içeren Harman -15 ve Harman -16, Harman -14'ten daha az SO3 içermesine rağmen Harman-14 ile benzer kalınlıkta bir köpük davranışı gösterir. Ayrıca, kum ve kaolinin spesifik yüzey alanı değerleri de dikkate değer bir husustur. Farklı kalsine kireçler içeren harmanlar arasındaki köpük farklılıkları, spesifik yüzey alanı ile etkili bir şekilde açıklanabilmiştir; çünkü kalsine kirecin spesifik yüzey alanı, Kaolin-1'in dört katı ve Kaolin-3'ün iki katıdır. E-Cam üretiminde camın demir redoks durumu kritik önem taşıdığından, bu tezde UV-spektroskopi kullanılarak Fe2+ konsantrasyonları tespit edilmiştir. Bulgular, C/SO3 oranının camın demir redoks durumunu önemli ölçüde etkilediğini, ancak camdaki toplam Fe2O3 içeriğinin ve hammaddelerin KOİ seviyelerinin de demir redoks durumlarını etkilediğini göstermektedir. E-Camlarının hedef cam kompozisyonları tüm E-camı numunelerinde sabit tutulmuş olsa da herhangi bir fark tespit edilme ihtimaline karşılık seçilen 6 camın DSC (Differential scanning calorimetry) analizleri yapılmıştır. Camların cam geçiş sıcaklığı pik sıcakları oldukça benzer olsa da cam geçiş sıcaklık bölgesinin başlangıç sıcaklıklarında ufak farklılıklar tespit edilmiştir. Bu çalışmalar, E-Cam üretiminde ergiyik köpük oluşumu hakkında önemli bilgiler sağlamaktadır. Kalsine kireç, kalker, sodyum sülfat, kaolin ve kum gibi çeşitli hammaddelerin, tane boyutu, mineralojik fazlar, BET analizi ve KOİ seviyeleri gibi benzersiz özellikleri nedeniyle E-Cam harmanlarında ergiyik köpük oluşumunu önemli ölçüde etkileyebileceği sonucuna varılmıştır. Antrasitin köpük kalınlığını azaltma yeteneği, erken SO2 oluşum reaksiyonlarına dayanmaktadır. Antrasit, kalsine kireç ve kalker karışımı harmanlarında tamamen kalsine kireç harmanlarına göre daha etkilidir. Ancak, antrasit camı daha indirgenmiş hale getirdiği için ve E-Cam üretiminde indirgenmiş cam istenmediği için, köpük kontrolünü ve üretim verimliliğini sağlamak için optimal antrasit miktarının belirlenmesi gerekmektedir. Camdaki toplam Fe2O3, hammaddelerin KOİ seviyeleri ve antrasit tane boyutu, antrasit miktarının yanı sıra camın demir redoks durumunun önemli belirleyicileridir. Fırına herhangi bir hammadde eklemeden önce kimyasal analizlerinin (XRF), KOİ seviyelerinin ve tane boyutu dağılımlarının analizlenmesi gerekmektedir. Bu tez, ticari E-Cam operasyonuyla ilgili E-Cam harmanlarının ergime ve köpürme özellikleri hakkında önemli bilgiler sağlamıştır. Sonuçlar, eriyik köpürmesiyle ilgili mekanizmaların detaylı anlaşılmasına ve anahtar etkileyici faktörlere yol açmıştır. E-Camı ticari operasyonları için eriyik köpürmesinin kontrol edilmesine yönelik genel bir rehber olarak öngörülebilir.
Özet (Çeviri)
Control of sulfate-induced melt fining without excessive foaming is one of the critical steps in maintaining the stability of E-Glass fiber manufacturing processes. Besides, the efficiency of combustion or energy utilization is directly affected by the extent of the melt-foaming. A fundamental understanding of key factors affecting melt foaming under the simulated oxy-fuel combustion environment will enable commercial E-Glass fiber production to optimize both batch chemistry and operation conditions to achieve adequate furnace control. The foaming mechanism of E-Glass batch samples in the batch-to-melt conversion process was investigated from three distinct perspectives in this thesis. The first part examines the impact of various raw materials on E-Glass melting foam, including calcined lime(s), limestone, mixtures of limestone and calcined lime, and sodium sulfate. The second part examines the impact of varying concentrations of anthracites on the foam formation, which was divided into three categories. The first set examined the impact of anthracite addition in E-Glass batches containing 100 wt.% calcined lime. The second set investigated the influence of anthracite amounts on the foam formation in E-Glass batches containing a mixture of calcined lime and limestone. The last set investigated the impact of anthracite particle size on E-Glass melting foam. Finally, the third part of this thesis further investigated the foaming mechanism by using batches composed of various high-quartz kaolins with and without sand or a mixture of low-quartz kaolin and sand. In total, eighteen distinct E-Glass batches with the same target glass composition were tested in a laboratory to gain insight of the sulfate-induced melt foaming process and the related mechanism(s). In this research, all batch samples were carefully studied in situ by using HTMOS-EGA system (High Temperature Melting Observation System with Evolved Gas Analysis). HTMOS enables monitoring batch-to-melt conversation steps by using a high-resolution camera and EGA detects the evolved reaction gases, such as CO, CO2, and SO2 via an FTIR (Fourier transform infrared) gas analyzer. Gases of water vapor, N2, and O2 were introduced accordingly into the fused quartz crucible to simulate similar oxy-fuel atmosphere of the furnace operation. Specifically, the first part examined the impact of various raw materials on E-Glass melting foam, including calcined limes, limestone, mixtures of limestone and calcined lime, and sodium sulfate. Six types of E-Glass batches with the same target glass composition were prepared by using four different CaO sources: three calcined limes with different SO3 contents, limestone, limestone with sodium sulfate, and a mixture of limestone and calcined lime. This study investigated the effects of different SO3 contents in batches and different raw material chemistries on the foam formation in E-Glass melts under the simulated oxy-fuel atmosphere. Different raw materials were characterized by using mineralogical analysis, chemical analysis, particle size distribution, COD (chemical oxygen demanding) level, and BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis. Although some of the batches contained the same SO3 content, different foam formations resulted from the effect of the batch chemistry. Our detailed HTMOS-EGA investigations showed that not only SO3 content in the batch affected foam formation in E-Glass melts, but also raw material chemistry and their particle size ranges had strong effects on the melt foaming in E-Glass batch melting, especially for those of ingredients having hydroxide phases and/or finer particles with higher specific areas. The second part examined the impact of anthracite concentrations on the melt foam formation. This study was divided into three categories. HTMOS examined eight distinct E-glass batches with identical target glass compositions. For the first two sets, the results clearly showed that as the amount of anthracite increases, the amount of SO2 evolved in the low temperature region increases, and in turn, SO2 emissions at high temperature range reduced, resulting in less melting foam. From this investigation, the anthracite effect on suppressing the extent of melt foaming at high temperatures was shown to be significant. Particularly, anthracite had a greater influence on the thickness of the melt foam for the batches containing a mixture of limestone and calcined lime than the batches containing 100 wt.% calcined limes. Furthermore, it is possible to reduce the foam thickness more effectively by choosing anthracites with finer particle size, specifically below 106µm. The rate of sulfate-carbon reaction was accelerated by higher surface areas of carbon source. Additionally, it was demonstrated that finer particles of anthracite made the glass more reduced, i.e., the reduced glass containing a higher proportion of ferrous ion (Fe2+) over ferric ion (Fe3+) without changing the total content of Fe2O3. While it is possible to achieve a thinner foam layer with increased anthracite content in the batch or anthracite with finer particles, such conditions result in a more reduced glass and hence, affect fiber glass production consistency. The iron redox state of the glass is critical to the production of E-Glass; therefore, more oxidant glass using less anthracite is preferred. During rapid cooling, fiber-forming tension increases for a more reduced glass since the fiber cooling rate is proportional to ferrous ion concentration in the glass. A greater fiber forming tension would increase fiber breakages during the forming process, which ultimately reduces the production efficiency. For this reason, caution must be exercised when working with anthracite to control melt foaming in commercial fiber glass production. The third and final part of this research investigates the foaming mechanism of three different kaolins and kaolin-sand mixtures. HTMOS analyzed five distinct E-glass batches that shared the exact composition of the target glass. Particle size, COD, XRD, and BET analyses were performed on various kaolins and sand. Batch-to-melt conversion tests were conducted on the E-Glass samples, in addition to HTMOS experiments. The use of various kaolins or kaolin-sand mixtures can influence the formation of melt foam according to HTMOS results. This part examined three distinct types of kaolins in terms of the total Fe2O3 content as impurities, 0.45 wt.% (Kaolin-1), 0.62 wt.% (Kaolin-2), and 0.97 wt.% (Kaolin-3). Due to the higher Fe2O3 content of Kaolin-2 and Kaolin-3, which will translate to a more reduced glass with a higher Fe2+ content under the same production conditions, sand was combined with two kaolins to decrease the overall Fe2O3 content in the glass (the objective is to keep the final glass with 0.30 wt.% Fe2O3). The experimental investigations presented in this part of study demonstrated that variations in the proportions of kaolins and sand have noticeable impacts on the batch-to-melt (BtM) temperatures (where the batch becomes completely molten, yet not homogenized completely) and the degree of melt foaming. An increase in sand content in the batch results in a corresponding rise in BtM temperature, whereas kaolins comprising distinct mineralogical phases may exhibit more challenging melting characteristics. Variations in melt foaming can be attributed to the distinct COD contents of various kaolins. Kaolin-3 (Batch-17 and Batch-18), which has the maximum COD content, emitted more SO2 gas at low temperatures despite of the absence of anthracite from Batch-17 and Batch-18. It is well known that finer particles can hasten the melt foaming; however, Batch-17 and Batch-18 do not manifest a thicker foam layer despite of both containing Kaolin-3 and sand with extremely fine particles. This is because the total amount of SO3 is significantly low, and Kaolin-3 does not contain any SO3. Due to the critical importance of the iron redox state of the glass in the production of E-Glass fiber, UV-VIS spectroscopic technique was utilized to determine the Fe2+ concentrations in 12 E-Glass samples obtained from this study. The findings indicate that while the C/SO3 ratio significantly impacts the iron redox state of the glass, the iron redox states of the glasses are also influenced by the total Fe2O3 content in the glass and the COD levels of the raw materials. DSC (Differential scanning calorimetry) analysis was conducted on six E-Glass samples to determine any discrepancies, despite the fact that the target oxide values in the glass composition were maintained at a consistent level in all glass samples. Although the peak temperature of Tg (glass transition temperature) was determined in a similar behavior, minor variations were observed in the onset temperatures of Tg of six E-Glass samples. The results obtained from this Ph.D. research provide significant insights of the melt foam formation during the production of E-Glass. Key factors control the extend of melt foaming during the batch-to-melt conversion of E-Glass are chemistry of raw materials (calcined lime, limestone, sodium sulfate, kaolin), impurity SO3 of the raw materials, and their unique characteristics, including particle size, mineralogical phases, specific surface area (from BET analysis), and COD levels. Anthracite's ability to decrease foam thickness is attributed to its induced earlier SO2 generation; it is more effective when anthracite is incorporated into a mixture of calcined lime and limestone batches as opposed to batches composed entirely of calcined lime. However, due to the fact that anthracite makes the glass more reduced, and reduced glass is undesirable in the production of E-Glass, it is necessary to determine the optimal quantity of anthracite to achieve both foam control and high efficiency in the production. Total Fe2O3 in the glass, COD levels of the raw materials, and anthracite particle size are all significant determinants of the iron redox state of the glass, in addition to anthracite quantity. This thesis obtained significant insights into the melting characteristics of the E-Glass batches relevant to the commercial E-Glass operation. The results lead to the detailed understanding of the mechanisms associated with melt foaming including key influential factors. General guidance in controlling the melt foaming for E-Glass commercial operation can be envisioned.
Benzer Tezler
- Düşük çinkolu Li2O-ZnO-SiO2 camlarının kristalizasyon davranışı ve cam seramiklerinin eğme mukavemetlerine P2O5'in etkisi
Başlık çevirisi yok
ONUR MENTEŞE
- Yanma ve yanma ürünlerinin hava kirliliğine etkileri ve Ağaçlı-Keşan linyitlerinin km.9003 analizörü ile baca gazlarının analizi
Combustion and environmental effects of combustion products and analyse of slack gases with km 9003 analysis device of Ağaçlı-Keşan lignites
İ.ETHEM KARAAĞAÇLIOĞLU
- Karşı gaz basınçlı plastik enjeksiyon kimyasal köpürtme üretim yönteminde proses parametrelerinin gözenek yapısı ve yüzey parlaklığına etkilerinin incelenmesi
Analysis the effects of process parameters on pore structure and surface gloss in chemical foaming plastic injection molding process with gas counter pressure
BURAK ERKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Effect of particle size on some physical properties of glass ceramic tiles
Başlık çevirisi yok
NOZHAT MOFTAH ELBUAİSHİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Kültür Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NİHAL SARIER
- Motor soğutma sistemleri için ekstrüzyon yöntemiyle polifenilen sülfit (PPS) boru üretimi ve üretim parametrelerinin optimizasyonu
Production of polyphenylene sulfide (PPS) pipes by extrusion for engine cooling systems and optimization of process parameters
MUSTAFA SEVDAROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK ÖZKAL