Dadal Arıburnu Araştırma ve Mühendislik Müdürlüğü / Şişecam. Esat Günertürkün Analitik Destek Hizmetleri Müdürlüğü / Şişecam

Transkript

1 CAM ÜRETİMİNDE ETKİN TAVLAMA ve ÖNEMİ Dadal Arıburnu Araştırma ve Mühendislik Müdürlüğü / Şişecam Esat Günertürkün Analitik Destek Hizmetleri Müdürlüğü / Şişecam Hüseyin Erduran Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş. Mersin Fabrikası / Cam Ev EşyasıGrubu Mustafa Tokat Anadolu Cam Sanayii A.Ş. Topkapı Fabrikası/ Cam Ambalaj Grubu Tavlama, cam içinde kalması arzu edilmeyen gerilimlerin kontrollü bir soğutmayla tavlama sıcaklığının üzerinden başlayarak uygun bir hızla uzaklaştırılmasıdır. Cam üretiminde tavlama süreci, yüksek verim ve kalite hedeflerine ulaşmak doğrultusunda özel bir konuma ve öneme sahiptir. Tavlama sürecinin cam ambalaj üretimindeki önemini, Anadolu Cam Sanayii A.Ş. Topkapı Fabrikası tarafından üretilmiş olan 5 cc. lik NNPB şişeleri ile Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş. Mersin Fabrikası cam tuğla üretimi üzerinde yapılan çalışmalar çarpıcı biçimde ortaya koymaktadır. 5 cc. NNPB şişelerde görülen iç basınç dayanıksızlığının kaynağı, gerçekleştirilmiş deneysel ve uygulama çalışmalarının sonucunda baskı sonrası pişirme ve tavlama süreci olarak belirlenmiştir. Etkin bir tavlama için uygun tavlama rejimi oluşturulmuş, dış etkenlerin etkisi en alt düzeye indirilmiş ve tavlama prensiplerinin uygulanmasıyla kontrollü bir soğutma sağlanmıştır. Bunun sonucunda, uygun ve kararlı proses koşullarının elde edilmesiyle iç basınç dayanıksızlığı sorununun önüne geçilerek yeterli düzeyde iç basınç değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca, yeniden tavlama yaklaşımı uygulanarak, kullanılması mümkün olmayan şişelerin kazanılması temin edilmiştir. Cam tuğla ürünlerde gözlenmiş olan kırılmaların ve dolayısıyla verim kaybının yüksek iç gerilme ile düşük homojenite düzeyinden kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Uygun tavlama rejiminin düzenlenip uygulanması ile iç gerilme düzeyi kabul edilebilir düzeye getirilmiş ve forehart karıştırıcılarının devreye alınmasıyla homojenite seviyesi belirgin ölçüde iyileştirilmiştir. Böylece, söz konusu kırılma problemi ortadan kaldırılarak verimlilik arttırılmıştır. Anahtar Sözcükler: Tavlama, Şişe, Cam Tuğla 1.Giriş Cam üretimi süreci, camın ergitilmesi, koşullandırılması, şekillendirilmesi ve tavlanması ana basamaklarınca oluşturulan işlemler zinciridir. Bu süreç içinde yer alan üretim etkenlerinin birbirleriyle ilişkilendirilmesi, üretimde yüksek kalite, yüksek verim, düşük maliyet ve süreklilik ana hedeflerine ulaşmak doğrultusunda sağlıklı bir yapının oluşturulmasıyla sonucunu beraberinde getirmektedir. Bu yaklaşımdan hareketle, tavlama süreci, tanımlanmış hedeflere ulaşılması ve temel prensiplerin işletmelere uyarlanması aşamalarında büyük önem taşımaktadır.

2 .Tavlama.1.Tavlama nedir? Tavlama, cam içinde kalması arzu edilmeyen gerilimlerin kontrollü bir soğutmayla tavlama sıcaklığının üzerinden başlayarak uygun bir hızla uzaklaştırılmasıdır. Tavlama, fiziksel anlamda bir bütün olarak ele alındığında; a) kimyasal homojenite, b) ısıl homojenite, c) optik yönden bağımsızlık (optik izotropi), d) kalıcı gerilimin 5 psi den (5MPa) küçük olması ve e) dakikalardan saatlere varan tavlama süresi ile tanımlanmaktadır. Dolayısıyla, yapısal homojenite, kalıcı gerilim seviyesi ve tavlama süresi, tavlama süreci üzerinde belirleyici unsurlar olarak değerlendirilmektedir...tavlama Sürecinin Basamakları Tavlama sürecini doğrudan etkileyen temel parametrelerin ışığında, etkin ve yeterli düzeyde bir tavlamanın temel basamakları; i)camın tavlama sıcaklığının(t A ) 5-1 ºC üzerine kadar ısıtılması veya soğutulması, ii)ısıtma/soğutma hızının kontrol edilmesiyle birlikte iç çekme gerilimlerinin sınırlandırılması, iii)cam kalınlığına bağlı olarak ortaya çıkan gerilimlerin arzu edilen düzeye çekilmesi amacıyla en az 5 dakika süreyle tutulması, iv)elde edilen gerilim düzeyinin korunması amacıyla gerilme noktasının (T st ) hemen altına kadar düşük hızla soğutulması, v)geçici gerilimlerin sınırlandırılarak kabul edilebilir bir düzeye getirilmesi amacıyla bir önceki basamağa göre -5 kat daha hızlı soğutulması vi)camın, gerilme sıcaklığının altından başlayarak daha hızlı bir soğutmayla ortam sıcaklığına getirilmesi olarak sıralanmaktadır. Tavlama için ideal tavlama süreci ve rejimi kapsamlı olarak Şekil 1 de verilmektedir..3. Baskı Uygulaması ve Sonrası Baskı boyasının uygulanması aşamasında (örneğin dekor, tezyinat) ise öncelikli hedef baskı boyasının cama en uygun şartlarda transfer edilmesidir. Baskı boyasının cam üzerine uygulanmasının temelinde uygun pişirme sıcaklığı ve yeterli pişirme süresinin sağlanması yatmaktadır. Uygun pişirme şartlarının oluşturulmasını takiben tavlama temel prensiplerinin uygulanması gereklidir. Pişirme süreci ile takip eden tavlama sürecine ilişkin sıcaklık profili Şekil de verilmektedir..4. Yeniden Tavlama Tavlama sürecinin aşamalarındaki yetersizlikten dolayı ortaya çıkan problemlerin giderilmesine dönük olarak tavlama prensiplerine uyulması şartıyla yeniden tavlama uygulanabilmektedir. Yeniden tavlama, uygulanmış olan tavlama sürecinin yeterli görülmemesi, ürünün ikinci kez tavlanacak kadar değerli olması ve ürünün yeniden işlenmesi halinde ugulanmaktadır.

3 5 C Tavlama Sıcaklığı, T A Gerilme Sıcaklığı, T st a C t 5 C A B C D E Şekil 1.Tavlama için ideal tavlama süreci (A-camın tavlama sıcaklığının 5 C üzerine kadar ısıtılması veya soğutulması, B- t zamanı için sıcaklığın sabit tutulması, C- a sıcaklığı kadar gerilme sıcaklığının altına kadar soğutulması, D-sonraki 5 C için soğutulması, E-son soğutma). Pişirme Sıcaklığı 5 C Tavlama Sıcaklığı, T A Gerilme Sıcaklığı, T st a C t 5 C A B C D E Şekil. Pişirme için ideal tavlama süreci (A-camın pişirme sıcaklığına kadar ısıtılması B- t zamanı için sıcaklığın tavlama sıcaklığı üzerinde sabit tutulması, C- a sıcaklığı kadar gerilme sıcaklığının altına kadar soğutulması, D-sonraki 5 C için soğutulması, E-son soğutma).

4 .5.Homojenite Cam bünyesine giren çeşitli oksitlerin cam içinde dengeli dağılması, kimyasal ve fiziksel etkileşmenin en ileri düzeyde gerçekleşmesi olayıdır. Cam tamamen eridiği, yani harmandan tamamen arınmış hale geldiğinde, bünyesinde kimyasal kompozisyonu farklı çeşitli bölgeler içerir. Bu kompozisyon farkı, doğal olarak, camda bölgesel olarak fiziksel ve kimyasal özellik farklılaşımlarını ve dolayısıyla bütünlüğün bozulması sonucunu doğurur. Camda homojenleşme, tane boyutu düzgün, erimeye elverişli olan, iyi karıştırılmış harmanın fırına girmesiyle başlayıp, çeşitli iyonların erimiş cam içinde birbiri içine difuze olmalarıyla açıklanan ve şekillendirmede sona eren bir dizi olayın ortak sonucudur. Cam homojenitesi, camın özelliklerinin her noktada aynı olması ve bütünlüğüdür. Bu da kimyasal ve ısıl homojenite olarak ele alınmaktadır. Dolayısıyla, camın homojenitesini gerçek anlamda tanımlayabilmek için ısıl ve kimyasal homojenite kavramlarını birlikte değerlendirmek gerekmektedir. Camda inhomojeniteye neden olan temel faktörleri; 1.harmanın yetersiz karışımı,.ergitme koşullarındaki ani değişimler, 3.cam çekişindeki dalgalanmalar, 4.refrakter kökenli kapanımlar ve/veya kontaminasyonlar, 5.düzensiz koşullandırma sıcaklıkları olarak sınıflandırmak mümkündür. 3.Uygulama Çalışmaları Tavlama süreci aşamalarının uygulamaya konarak problem çözümlerinin oluşturulması, teorinin pratiğe uyarlanması anlamında çok önemli bir yere sahiptir. Bu çerçevede, Anadolu Cam Sanayi A.Ş. Topkapı Fabrikası nca üretilen 535 no.lu 5 cc. NNPB şişeler ile Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş. Mersin Fabrikası nca üretilen cam tuğla tavlama sürecleri üzerinde uygulama çalışmaları yürütülmüştür Anadolu Cam Sanayii A.Ş. Topkapı Fabrikası 5 cc. NNPB şişe üretimi 5 cc. lik Tekel Birası şişelerinde görülen iç basınç dayanıksızlığı üzerine, problemin kaynağının belirlenmesine dönük olarak deneysel çalışmalar ve problemin çözümüne dönük olarak uygulama çalışmaları kapsamında iki basamaklı bir çalışma tarihleri arasında yürütülmüştür. Homojenite ve gerilim analizleri ile polariskopik incelemeler sonucunda üretilmiş olan şişelerin, cam kalitesi iyileştirilebilir olmakla birlikte yeterli görülmüş, iç basınç dayanıksızlığının temel kaynağı baskı sonrası pişirme ve soğutma süreci olarak değerlendirilmiştir Tavlama Rejiminin İyileştirilmesi Bu çerçevede yürütülen uygulama çalışmalarında, Gebze Baskı Tesisi nde bulunan STRZ- ve STRZ-4 fırınları üzerinde çalışılmıştır. Tekel Birası şişeleri baskılarının yapıldığı tavlama fırınlarına ait sıcaklık profillerinin elde edilmesi ve tavlama rejimlerine ilişkin tespitlerin yapılması amacıyla Datapaq ile ölçümler gerçekleştirilerek değerlendirilmiştir. STRZ- için Datapaq ile elde edilmiş olan sıcaklık profilleri Şekil 3-4 de verilmektedir. STRZ- ve STRZ-4 için; i)etkin ve yeterli düzeyde bir tavlama mevcut olmaması, ii)baskı boyasının pişirme sıcaklığına ulaşılmasından sonra uygun tavlama rejiminin elde edilmesi için yeterli sayıda kontrol edilebilir zon ve soğutma imkanı bulunmaması, iv)özellikle STRZ- fırın sıcaklık profilinde, sağdan sola 5- ºC ve bant ilerleyişi yönünde 3 saniye içinde 4 ºC ye varan değişimler olması, v)strz- için sıcaklık kontrol ünitesinin arzu edilen sıcaklık profilini sağlamakta yetersiz kalması ve vi)fırın atmosferinin soğuk hava akımlarına açık bulunması

5 ön tespitleri yapılmıştır. Bu tespitler ışığında, her iki fırına ilişkin olarak sıcaklık ölçüm ve kontrol ile yanma sistemleri üzerinde Anadolu Cam Sanayii A.Ş.Topkapı Fabrikası tarafından STRZ- için sıcaklık kontrol ünitesinin değiştirilmesi ve her iki fırın için de bek ayarlarını kapsayan düzenlemeler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaları takiben, fırın sıcaklık profillerini doğrudan etkileyen soğuk hava akımlarının olası etkilerinin minimize edilmesi ve tavlama prensipleri ışığında yeni tavlama rejimleri oluşturularak iç basınç değerlerinin iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Bu temel yaklaşım çerçevesinde, gerek STRZ- ve gerekse de STRZ-4 fırınları için aşağıdaki düzenlemeler yapılmıştır: i)giriş zon sıcaklıkları yükseltilerek baskı boyası pişirmenin gerçekleştiği zonlar öne alınmış, ii)olası bir deformasyon riskini minimize etmek için baskı boyası pişirme sıcaklık aralığında kalınmış, iii)böylelikle ısıtma zonları etkin olarak kullanılmış ve uygun tavlama rejiminin uygulanabilirliği sağlanmış, iv)kontrollü soğutmayla yeterli düzeyde bir gerilme profilinin oluşması hedeflenmiş, v)fırın giriş ve çıkışları, dış etkenlerden korunması ve özellikle soğuk hava akımlarının fırın içinde dolaşmasının önüne geçilebilmesi amacıyla kapatılmıştır. Bu düzenlemeler kapsamında uygulanmış olan sıcaklık profilleri, karşılaştırmalı olarak Tablo 1 ile Şekil 5-6 da verilmektedir. Company SISECAM Process Printed.1.5 Site Product Line Speed, (mm/min) ( C) 6, GEBZE STRZ 3/1/ End ,, :, 3:, 6:, 9:, 1:, (MMM:SS,T) Speed, (mm/min) mm Zone Upper Lower #1 # #3 #4 #5 #6 # DATAPAQ 199-5, FTWIN v # #9 Şekil 3: STRZ- Datapaq sıcaklık profili (düzenleme öncesi durum)

6 Company SISECAM Process Printed.1.5 Site Product Line Speed6, (mm/min) ( C) GEBZE STRZ 6/1/ End 6, 4,, :, 3:, 6:, 9:, 1:, (MMM:SS,T) Speed 6, (mm/min) mm Zone Upper Lower #1 # #3 #4 #5 #6 # DATAPAQ 199-5, FTWIN v # #9 Şekil 4: STRZ- Datapaq sıcaklık profili (düzenleme sonrası durum) Tablo 1: STRZ- ve STRZ-4 karşılaştırmalı sıcaklık profilleri STRZ- STRZ-4 Zonlar Sıcaklık,ºC (Eski) Sıcaklık,ºC (Yeni) Sıcaklık,ºC (Eski) Sıcaklık,ºC (Yeni)

7 Eski Yeni Şekil 5: STRZ- karşılaştırmalı sıcaklık profili Eski Yeni Şekil 6: STRZ-4 karşılaştırmalı sıcaklık profili Yeniden Tavlama Uygulaması Uygun ve kararlı proses koşulları ile tavlama sıcaklık profillerinin elde edilmesiyle birlikte, iç basınç dayanıksızlığı sorununun önüne geçilerek yeterli düzeyde iç basınç değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca, iç basınç düzeyi düşük şişeler üzerinde yeniden tavlama işleminin uygulanmasıyla iç basınç düzeyi arzu edilen düzeye getirilmiştir. Elde edilen değerler karşılaştırmalı olarak Tablo de verilmektedir. Tablo : İç basınç değerleri Ortalama İç Basınç Değerleri, atm. Standart Sapma, atm. K değeri İyileştirme Öncesi İyileştirme Sonrası Yeniden Tavlamadan Sonra

8 3.. Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş. Mersin Fabrikası cam tuğla üretimi Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş. Mersin Fabrikası cam tuğla üretimi sırasında ve/veya sonrasında ortaya çıkan kırılma problemi bağlamında, problemin kaynağının belirlenmesine dönük olarak deneysel çalışmalar ve problemin çözümüne dönük olarak uygulama çalışmaları kapsamında iki basamaklı bir çalışma Ağustos-Aralık 4 döneminde yürütülmüştür. Deneysel çalışmalara ilişkin sonuçlar ve değerlendirmeler, cam tuğla ürünlerin yüksek inhomojenite seviyesine ve yetersiz gerilim profiline sahip olduğunu göstermiş, damla kalitesinin iyileştirilmesi ve uygun tavlama rejiminin uygulanması gerektiğini ortaya koymuştur. Uygulama çalışmaları ise tarihleri arasında Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş. Mersin Fabrikası nda yürütülmüştür Tavlama Rejiminin İyileştirilmesi Bu çerçevede yürütülen uygulama çalışmalarında, cam tuğla üretiminin yapıldığı B6 hattı tavlama fırını üzerinde çalışılmıştır. Söz konusu tavlama fırınına ait sıcaklık profillerinin elde edilmesi ve tavlama rejimlerine ilişkin tespitlerin yapılması amacıyla Datapaq ile ölçüm gerçekleştirilerek değerlendirilmiştir. B6 hattı tavlama fırını için elde edilmiş olan Datapaq profilleri Şekil - de verilmektedir. B6 hattı tavlama fırını için; i)etkin ve yeterli düzeyde bir tavlama mevcut olmaması, ii)uygun tavlama rejiminin elde edilmesi için yeterli sayıda kontrol edilebilir ısıtma zonu bulunmaması, iii)fırın sağ tarafının, sol tarafa göre 3 ºC civarında soğuk kalması, iv) fırın atmosferinin soğuk hava akımlarına açık bulunması ön tespitleri yapılmıştır. Bu tespitler ışığında, dış etkenlerin olası etkilerinin minimize edilmesi ve yeni tavlama rejimi oluşturularak kontrollü soğutma sağlanmasıyla kırılma ve/veya çatlama probleminin ortadan kaldırılması hedeflenmiştir. Bu temel yaklaşım çerçevesinde aşağıdaki düzenlemeler gerçekleştirilmiştir: i)gerekli sayıda zon verilerek ve yeterli süre tanınarak uygun tavlama rejiminin uygulanabilirliği sağlanmış, ii)kontrollü soğutmayla yeterli düzeyde bir gerilme profilinin oluşması hedeflenmiş, iii)fırın giriş ve çıkışları, dış etkenlerden korunması ve özellikle soğuk hava akımlarının fırın içinde dolaşmasının önüne geçilebilmesi amacıyla kamufle edilmiştir. Bu düzenlemeler kapsamında uygulanmış olan sıcaklık profili karşılaştırmalı olarak Tablo 3 ve Şekil 9 da verilmektedir. Tablo 3: B6 hattı tavlama fırını için karşılaştırmalı sıcaklık profilleri. Zonlar B6 Sıcaklık,ºC (Eski) Sıcaklık,ºC (Yeni)

9 Company SISECAM Process Printed.1.5 Site Product Line Speed145, (mm/min) ( C) 6, PM B6 1 9/1/ End , 4, ,, 1, :, 3:, 6:, 9:, 1:, 15:, 1:, (MMM:SS,T) Speed 145, (mm/min) mm DATAPAQ 199-5, FTWIN v Zone Upper Lower #1 # #3 #4 #5 #6 # # #9 #1 Şekil : B6 hattı tavlama fırını Datapaq sıcaklık profili (düzenleme öncesi durum) Company SISECAM Process Printed.1.5 Site Product Line Speed 145, (mm/min) ( C) 6, PBM B6 9/1/ End 4, , :, 3:, 6:, 9:, 1:, 15:, 1:, (MMM:SS,T) Speed 145, (mm/min) mm DATAPAQ 199-5, FTWIN v4.1 Zone Upper Lower #1 # #3 #4 #5 #6 # # #9 #1 Şekil : B6 hattı tavlama fırını Datapaq sıcaklık profili (düzenleme sonrası durum)

10 Sıcaklık, C Zonlar Eski Yeni Şekil 9: B6 hattı tavlama fırını karşılaştırmalı sıcaklık profili 3...Gerilim Analizleri B6 hattı tavlama fırını için uygun bir tavlama rejiminin oluşturulmasıyla gerilim profilleri de istenilen düzeye gelmiştir. Böylece, yeterli gerilim dağılımına sahip olmayan PB Mersin cam tuğla ürünlerinin, arzu edilen parabolik dağılımlı gerilim düzeyine geldiği tespit edilmiştir. Yapılan karşılaştırmalarda, PB Mersin cam tuğla gerilim profillerinin Alman Weck ve Italyan Fidenza cam tuğla ürünleriyle eşdeğer düzeye geldiği gözlenmektedir. Yapılmış olan düzenlemeler sonrasında alınmış ürünler ile Weck ve Fidenza ürünler üzerinde yapılan gerilim analizlerine ilişkin grafiksel karşılaştırmalar Şekil 1 da verilmektedir. a) b) c) d) Şekil 1: Karşılaştırmalı gerilim profilleri: a)pb Mersin cam tuğla (yeni), b)pb Mersin cam tuğla (eski), c)weck, d)fidenza

11 3..3.Homojenite Analizleri PB Mersin cam tuğlalarının homojenite seviyesinin yeterli düzeyde olmadığı belirlenmiştir. Kırılma ve/veya çatlamaların tavlama düzeyi ve cam kalitesine bağlı olduğunun tespiti üzerine, homojenite seviyesinin iyileştirilmesinin gerekli olduğu sonucuna varılarak foreharttaki karıştırıcıların ikisi devreye alınmıştır. Bu düzenlemenin sonucu olarak homojenite seviyesi önemli ölçüde yükselmiş ve homojenite faktörü değerleri, 6.x x1-4 aralığından 3.6x x1-4 aralığına gelmiştir. Böylece, PB Mersin cam tuğlalarının homojenite seviyeleri, Alman Weck ve İtalyan Fidenza cam tuğla ürünleriyle eşdeğer düzeye getirilmiştir. Yapılmış olan düzenlemeler sonrasında alınmış ürünler üzerinde yapılan homojenite analizlerine ilişkin değerler Tablo 4 de verilmektedir. Tablo 4: Düzenleme sonrası homojenite faktörü değerleri Numune Tanımı Örnek No. Homojenite Faktörü 1 4.x1-4 Lara 4.5x1-4 Cam Tuğla 3 3.6x1-4 4.Sonuçlar 1. Etkin bir tavlama rejimi uygulanması için tavlama prensiplerine uyulması ve gerekli olan tavlama rejimi sıcaklık profilinin elde edilmesi için sıcaklık ve yanma parametrelerinin sürekli kontrolü şarttır. Bu çerçevede, ısıtma zonlarının sayısının arttırılarak tavlama için gerekli sürenin sağlanması, kararlı tavlama rejiminin oturtulması ve tavlama fırını veriminin yükseltilmesi bakımından son derece önemlidir.. Anadolu Cam Sanayii A.Ş.Topkapı Fabrikası Gebze Baskı Tesisi nde baskı uygulaması yapılan 5 cc. NNPB şişelerde baskı sonrasında ortaya çıkan iç basınç dayanıksızlığı problemi, uygun ve kararlı proses koşulları ile sıcaklık profillerinin elde edilmesiyle birlikte çözümlenerek yeterli düzeyde iç basınç değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca, iç basınç değerleri çok düşük olan ürünlerin yeniden tavlanmasıyla birlikte iç basınç değerleri yeterli düzeye getirilmiştir. 3. Paşabahçe Cam Sanayii ve Ticaret A.Ş.Mersin Fabrikası cam tuğla ürünlerde gözlenen kırılma/çatlama problemi, uygun ve kararlı proses koşulları ile sıcaklık profillerinin elde edilmesi ve yeterli düzeyde kalıcı gerilimin oluşmasıyla birlikte çözümlenmiş, verimlilik arttırılmıştır. Ayrıca, foreharttaki karıştırıcılar devreye alınarak cam homojenite seviyesi önemli ölçüde iyileştirilmiştir.