[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken.
[0002] Bei der Herstellung von Glas wird ein Gemenge in eine Schmelzwanne eingebracht und
das Gemenge erschmolzen, wobei das Gemenge zunächst in das Stadium der Gemengehaufenphase
überführt wird, die auch als Rauschmelze bezeichnet wird, die den Einschmelzvorgang
des Gemenges beschreibt.
Hierbei bildet sich eine Gemengedecke aus, unterhalb der die Schmelze sich in Form
einer linksdrehenden Hauptströmungswalze bewegt. Von dieser Strömungswalze löst sich
teilweise ein heißer Schmelzenstrom ab, der nach oben aufsteigt. Dieser Punkt wird
als thermischer Quellpunkt bezeichnet. Der Quellpunkt markiert in einer Schmelzwanne
den Übergang von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich der Wanne.
In "
Glastechnische Fabrikationsfehler", herausgegeben von H. Jepsen-Marwedel und R. Brückner,
4. Auflage, Springer-Verlag wird beschrieben, dass unter dem Einfluss hoher Temperaturen in der Schmelzwanne
sich auf der Oberfläche des Gemenges eine dünne Schmelzschicht ausbildet, deren Dicke
nur einige Millimeter beträgt und die unter der Einwirkung der Schwerkraft abfließt.
Durch die aus dem Innern des Gemenges ausbrechenden Gase, die große Blasen bilden
und die Schmelzschicht löchrig erscheinen lassen, wird die neugebildete Glasschmelze
vom Gemenge abgedrängt.
[0003] Im Wesentlichen wird das Gemenge durch die unter den Gemengeteppich eintauchende
Glasströmung erhitzt und aufgeschmolzen. Das an der heißen Schmelzfront an der Gemengeunterseite
gebildete Reaktionsgas dringt in die poröse Gemengeschicht ein und strömt durch die
Hohlräume nach oben.
[0004] Der Temperaturanstieg im Innern der Gemengeschicht verläuft langsam, so dass genügend
Zeit für den Ablauf der Schmelzreaktionen bleibt. Die Reaktionen in der Gemengehaufenphase
sind für die einzelnen Glassysteme verschieden. Allgemein gilt jedoch, dass zuerst
die aktiveren Komponenten durch Feststoffreaktionen feste Lösungen und eutektische
Phasen bilden, die dann durch Ausbildung von Schmelze die weiteren Reaktionen auch
zwischen den reaktionsträgeren Gemengebestandteilen beschleunigen.
[0005] Während der Rauschmelze sind bis ca. 1400 °C silikatbildende Reaktionen abgeschlossen
und anschließend werden die restlichen Quarzkörner, Al
2O
3-Körner und zirkonhaltige Körner aufgelöst. Für die Geschwindigkeit der Auflösung
ist neben der Temperatur die Menge der ungelösten Körner und ihre Größe bestimmend.
[0006] Mit dem Gemenge kommen bis zu 20 Gew% Gase, die an die Rohstoffe gebunden sind, in
die Schmelzwanne. Durch die Zersetzung dieser Rohstoffe, insbesondere der Carbonate,
wird eine riesige Menge an Gasen frei, von denen die Hauptmenge während der Gemengehaufenreaktion
und der Rauschmelze an die Ofenatmosphäre abgegeben wird. Der in Form von Blasen nach
der Rauschmelze noch verbliebene Rest von etwa 0,001 bis 0,1 Vol.% der freigesetzten
Gasmenge sowie die gelöst in der Schmelze verbliebenen Gase müssen während der nachfolgenden
Läuterprozesse entfernt bzw. auf ein nicht mehr störendes Maß reduziert werden.
[0007] Vor allem während des Auflöseprozesses von Sandkörnern und zirkonhaltigen Körnern
entstehen an diesen feine Gasbläschen, die ebenfalls aus der Glasschmelze entfernt
werden müssen.
[0008] Dem Gemenge können auch Scherben, bevorzugt arteigene Scherben in einer Konzentration
bis über 50% zugesetzt werden.
[0009] Es ist Aufgabe der Läuterung, die noch vorhandenen Blasen zu entfernen, die Konzentration
gelöster Gase, die Anlass zum Nachgasen sein könnten, zu vermindern und die Schmelze
zu homogenisieren. Hierzu werden in der Glastechnik thermische, mechanische und chemische
Läuterverfahren oder eine Kombination derselben eingesetzt.
[0010] Alle verfahrenstechnischen Maßnahmen zur Läuterung haben zum Ziel, die Aufstiegsgeschwindigkeit
v von Blasen und damit die Zeit für den Blasenaufstieg zu verkürzen. Die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit
v von Blasen mit einem Durchmesser
d ist nach Stokes gegeben durch:

(
g: Erdbeschleunigung;
ρ: Dichte der Glasschmelze,
η: Viskosität der Glasschmelze) Um die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit zu erhöhen, kann
man im Wesentlichen zwei Parameter verändern: den Durchmesser der Blasen
d vergrößern (sehr wirksam wegen
d2) und/oder die Viskosität der Glasschmelze durch Temperaturerhöhung im Läuterbereich
verringern.
[0011] In der
DE 199 39 771 A1 wird beschrieben, dass allgemein zwei prinzipielle Läuterverfahren bekannt sind,
die sich im Wesentlichen durch die Art und Weise der Läutergaserzeugung unterscheiden.
[0012] Bei den physikalischen Läuterverfahren wird die Viskosität der Glasschmelze durch
Temperaturerhöhung erniedrigt. Zur Erniedrigung der Viskosität werden daher während
der Läuterung höhere Temperaturen in der Glasschmelze eingestellt als im Einschmelz-
und Abstehbereich. Je höher die Läutertemperatur gewählt werden kann, umso effektiver
ist die Blasenentfernung aus der Schmelze. Dabei sollte die Viskosität der Schmelze
möglichst < 10
2 dPa·s betragen. Die maximal zulässige Läutertemperatur wird aber durch die Temperaturbeständigkeit
des Wandmaterials des jeweils verwendeten Schmelzaggregates begrenzt und liegt in
konventionellen Schmelzwannen bei ca. 1720 °C.
[0013] Am häufigsten werden chemische Läuterverfahren verwendet. Das Prinzip besteht darin,
dass dem Gemenge Verbindungen zugesetzt werden, die sich entweder zersetzen und Gase
entstehen lassen oder die bei höheren Temperaturen flüchtig sind, oder die in einer
Gleichgewichtsreaktion bei höheren Temperaturen Gase abgeben. Diese jeweiligen Gase
diffundieren in die vorhandenen Blasen ein und vergrößern sie. Zur ersten Gruppe der
Verbindungen gehört beispielsweise Natriumsulfat, das z.B. zur Läuterung von Kalk-Natron-Gläsern
eingesetzt wird. Die Abgabe von SO
2 und O
2 erfolgt dabei in einem Temperaturbereich von 1100 °C bis 1450 °C mit einem Maximum
bei 1380 °C. Dieser Temperaturbereich entspricht in etwa dem Läuterbereich solcher
Gläser.
[0014] Zur zweiten Gruppe der Verbindungen gehören beispielsweise Natriumchloride und zur
letzten Gruppe der Verbindungen gehören polyvalente Oxide wie As
2O
3 oder SnO
2.
[0015] Aus der
DE 199 39 787 A1 sind Gläser für die Erzeugung von transparenter, eingefärbter Glaskeramik bekannt,
bei deren Herstellung unter anderem SnO
2 oder Sulfatverbindungen als Läutermittel eingesetzt werden. Diese Läutermittel werden
als Ersatz für die Läutermittel Arsenoxid oder Antimonoxid eingesetzt. Die Hochtemperaturläuterung
findet bei Temperaturen von mehr als 1975 °C statt. Angaben über die erreichte Blasenzahl
werden jedoch bei Gläsern mit derartigen Läutermitteln nicht gemacht.
[0016] Es hat sich gezeigt, dass es bei der Verwendung von Sulfaten während der Hochtemperaturläuterung
über 1750 °C durch die stark ansteigenden Partialdrücke von O
2 und vor allem von SO
2 auf > 5 bar zu spontaner Blasenneubildung (sogenannte Reboil-Blasen) kommt. Dadurch
steigt die in den vorgeschalteten Läuterstufen erreichte niedrige Blasenkonzentration
wieder an, so dass im Produkt eine Blasenkonzentration > 2/kg resultiert.
[0017] In
US 7,763,559 B2 wird SnO
2 als Läutermittel verwendet, Sulfat aber ausdrücklich wegen des Reboil-Effektes ausgeschlossen.
[0018] Die
US 6,376,403 B1 offenbart SnO
2 und Sulfate als Läutermittel, deren Anteile mit 0,1 bis 3 mol-% SnO
2 bzw. 0,004 bis 0,1 mol-% S angegeben werden. Gegenstand dieser Schrift ist eine Materialzusammensetzung
für Festplattensubstrate; eine Verfahrensbeschreibung zur Erreichung einer vorgegebenen
Blasenkonzentration fehlt.
[0019] Die
DE 10346197 B4 beschreibt SnO
2 als Läutermittel, das in einer Menge von bis zu 4 Gew.-% zugegeben wird. Die Glaszusammensetzung
kann auch in Summe 0 bis 4 Gew.% an SO
4- und Cl
- enthalten. Eine Verfahrensbeschreibung in Form von Temperatur-Zeit-Verläufen zur
Erreichung einer möglichst geringen Blasenkonzentration fehlen.
[0020] Aus der
WO 2007/018910 A2 und der
WO 2008/123942 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Rohmaterial der Schmelze bei einer Temperatur
T
1 erschmolzen wird und die Schmelze dann auf eine zweite Temperatur T
2 abgekühlt wird. Anschließend wird ein oxidierendes Gas eingeleitet und die gekühlte
Schmelze auf eine Temperatur T
3 > T
1 gebracht. Als Läutermittel wird nur SnO
2 erwähnt. Die Abkühlung der Schmelze während der Einleitung des oxidierenden Gases
ist notwendig, um einen möglichst großen Anteil des während der Einschmelzphase unbeabsichtigt
entstandenen SnO wieder zu SnO
2 aufzuoxidieren. Dazu muss der Partialdruck des O
2 in der Schmelze durch Temperaturabsenkung deutlich unter 1 bar des durchgeleiteten
oxidierenden Gases abgesenkt werden.
[0021] Aus der
WO2008/065166 ist bekannt, dass es beim Einsatz von TiO
2 als Keimbildner bei gleichzeitiger Anwesenheit von Fe
2O
3, CeO
2 oder SnO
2 zu Wechselwirkungen kommt, die die Transmission verringern und die Farbe in Richtung
gelb bis gelbbraun verschieben. Dieser Effekt ist vor allem bei Anwesenheit von SnO
2 stark ausgeprägt. Ein Gehalt von ca. 0,2 Gew.% SnO
2 bei transparenten nichtgefärbten Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken führt zu merklichen
Beeinträchtigungen von Transmission und Farbe (Gelbfärbung).
[0022] Aus der
DE 10 2009 011 850 B3 ist ein Verfahren zum umweltfreundlichen Schmelzen und Läutern einer Glasschmelze
für ein Ausgangsglas einer Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik bekannt, bei dem unter
Verzicht auf Arsen und Antimon als Läutermittel ein Zusatz von 0,1 bis < 0,6 Gew.%
Zinnoxid als Hauptläuterungsmittel verwendet wird.
[0023] Die
WO 2012/010278 A1 offenbart Lithium-Alumo-Silicat-Gläser, zu deren Läuterung insbesondere SnO
2 und Fe
2O
3 eingesetzt werden. Verbesserte Blasenzahlen werden mittels Hochtemperaturläuterung
bei Temperaturen von mehr als 1700° C, insbesondere > 1750° C erzielt. Weitere Läuterzusätze
sind CeO
2, MnO
2, Sulfat-, Sulfit-, Halogenidverbindungen.
[0024] Die
EP 1 837 312 B1 beschreibt LAS-Gläser, die sich mit kurzen Keramisierungszeiten unter 2,5 h in Glaskeramiken
umwandeln lassen. Als Läutermittel werden Arsen- und Antimonoxid eingesetzt. In Verbimdung
mit einer Hochtemperaturläuterung > 1700° C kommt auch SnO
2 zum Einsatz.
[0025] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von blasenfreien
Gläsern, insbesondere von Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken anzugeben, die keine
toxischen Läutermittelkomponenten enthalten.
[0026] Unter Freiheit von toxischen Läutermitteln ist zu verstehen, dass bis auf natürliche
Verunreinigungen der verwendeten Rohstoffe Arsen und Antimon in Konzentrationen von
weniger als 100 ppm im Gemenge enthalten sind.
[0027] Unter blasenfrei und Blasenfreiheit wird eine Blasenkonzentration von < 2/kg verstanden,
wobei eine Blase einen Gaseinschluss mit einem Durchmesser > 100 µm bezeichnet.
[0028] Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0029] Zur Herstellung eines Lithium-Alumo-Silicat-Glases wird ein bis auf unvermeidliche
Rohstoffverunreinigungen arsen- und antimon- freies Glasgemenge und als Läutermittel
mindestens eine Sulfatverbindung und SnO
2 eingesetzt, wobei SnO
2 in einer Menge von 0,02 bis 0,5 Gew-% und die Sulfatverbindung in einer Menge dem
Gemenge zugesetzt wird, die 0,05 - 1 Gew.-% SO
3 entspricht, und wobei das das Läutermittel aufweisende Glasgemenge in einer Schmelzwanne
erschmolzen wird. In einem ersten Bereich der Schmelzwanne wird eingeschmolzen und
eine Primärläuterung durchgeführt, wobei im ersten Bereich eine mittlere Schmelztemperatur
T
1 auf T
1 > 1560 °C bis 1640° C und eine mittlere Verweildauer der Schmelze t
1 auf t
1 > 2 Stunden eingestellt wird. Der Anteil des durch die Zersetzung der Sulfatverbindung
entstandenen SO
3 wird während der Durchführung der Primärläuterung auf weniger als 0,002 Gew. % abgesenkt.
In einem zweiten Bereich wird eine Sekundärläuterung durchgeführt, wobei im zweiten
Bereich eine mittlere Schmelztemperatur T
2 auf T
2 > 1640 °C bis 1720° C und die mittlere Verweildauer der Schmelze t
2 auf t
2 > 1 Stunde eingestellt wird, wobei für das Verhältnis t
1/t
2 gilt

[0030] Das so hergestellte Lithium-Alumo-Silicat-Glas wird durch eine thermische Behandlung
in eine Glaskeramik umgewandelt.
[0031] Unter der Primärläuterung wird die Entfernung von Blasen (und gelöster Gase) im Einschmelzbereich,
also im Bereich der ersten Strömungswalze bis zum Quellpunkt verstanden. Dabei wird
die Blasenkonzentration von ca. 10
7/ kg bereits um mehrere Größenordnungen auf etwa 10
4/kg reduziert.
[0032] Unter der Sekundärläuterung wird der Prozess nach dem ersten Quellpunkt (d.h. nach
der Primärläuterung) verstanden, wobei durch eine Temperaturerhöhung der Schmelze
um beispielsweise 50 °C und mehr sowohl deren Viskosität erniedrigt und gleichzeitig
der Blasendurchmesser von vorhandenen Blasen durch Eindiffusion von Sauerstoff vergrößert
wird, so dass die Blasen leichter aufsteigen und die Schmelze verlassen können.
[0033] Die Bereiche der Primär- und der Sekundärläuterung können durch Einbauten wie Blasdüsen,
Wälle oder Hängesteine getrennt werden. Auch können die Primär- und die Sekundärläuterung
in zwei getrennten Kammern oder zwei getrennten Schmelzwannen durchgeführt werden.
Jeder Bereich befindet sich in einer Kammer oder einer Wanne, wobei die Kammern oder
Wannen beispielsweise durch einen Kanal miteinander verbunden sind.
[0034] Unter LAS-Gläsern werden Lithium-Alumosilicat-Gläser verstanden. Zur Herstellung
von Glaskeramiken enthalten diese Gläser Keimbildner wie vorzugsweise TiO
2 und ZrO
2. Die Lithium-Alumo-Silicat-Gläser können in einem weiteren thermischen Prozess in
eine Glaskeramik umgewandelt werden.
[0035] Unter der mittleren Schmelztemperatur wird die zeit- und ortsgemittelte Temperatur
im Bereich der jeweiligen Strömungswalze, also zum Beispiel in der ersten Strömungswalze,
verstanden.
[0036] Unter der mittleren Verweildauer t der Schmelze in den beiden Bereichen einer Schmelzwanne
wird

(
ṁ: Massendurchsatz [kg/d mit d=Tag],
ρ: Dichte der Schmelze [kg/m
3],
Ai: Querschnittsfläche der Wanne im
i-ten Abschnitt [m
2];
Li: Länge des
i-ten Aggregatabschnittes [m]) verstanden.
[0037] Die mittlere Verweildauer der Schmelze in den beiden Bereichen kann z. B. durch die
Länge der Wanne eingestellt werden.
[0038] Überraschenderweise hat sich im Laborversuchen gezeigt, dass eine 2-stufige Läuterung
von Lithium-Alumo-Silicat-Gläsern mit Sulfat und SnO
2 die Herstellung eines blasenfreien Glases ermöglicht, und zwar dann, wenn während
des Einschmelzens durch die Zersetzung des Sulfates in SO
2 und O
2 eine sehr wirksame Primärläuterung stattfindet, die sich in einer starken Reduktion
der Startblasen-Konzentration für die Sekundärläuterung ausdrückt. In einem zweiten
Schritt wird während der Sekundärläuterung (ohne Sulfat) die O
2-Freisetzung des SnO
2 zur Läuterung genutzt.
[0039] Es hat sich gezeigt, dass der Blasenkonzentration und dem Schwefelanteil in der Glasschmelze
am Ende der Primärläuterung eine entscheidende Bedeutung für die Erzielung der Blasenfreiheit
des Endproduktes zukommt.
[0040] Bei der Primärläuterung wird wegen des gekoppelten Gleichgewichts von Sulfat und
SnO
2 die Zersetzung von SnO
2 in SnO und O
2 gehemmt, so dass für die Sekundärläuterung eine höhere SnO
2-Konzentration als ohne Sulfatzugabe zur Verfügung steht. Das Sulfat muss nach der
Primärläuterung praktisch vollständig aus der Schmelze entfernt werden, damit bei
der Sekundärläuterung die Umsetzung des SnO
2 nicht gehemmt wird, und möglichst viel Sauerstoff freisetzt wird, um die Blasen durch
Eindiffusion von Sauerstoff zu vergrößern und anschließend zu entfernen.
[0041] Die Zersetzung des SO
3 und die des SnO
2 erfolgt gemäß folgender Reaktionsgleichungen:

[0042] Es wurde festgestellt, dass dann, wenn in der Schmelzwanne bei Temperaturen > 1560
°C mit Verweilzeiten > 2 h eingeschmolzen und eine Primärläuterung durchgeführt wird,
bereits eine Blasenkonzentration von < 5000/kg erreicht wird, die weiter durch die
nachfolgende Sekundärläuterung auf < 2/kg abgesenkt wird.
[0043] Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Werten am Ende der Primärläuterung mit einer
anschließenden Sekundärläuterung unter Zersetzung von SnO
2 eine nahezu vollständige Blasenfreiheit des Glases erreicht werden kann.
[0044] Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, dass eine nahezu vollständige
Umsetzung der Sulfatverbindung angestrebt werden muss, bevor die Sekundärläuterung
durchgeführt wird. Das bedeutet, dass der Restgehalt an SO
3 weniger als 0,002 Gew.%, bevorzugt < 0,0018 Gew.%, insbesondere < 0,0015 Gew.% beträgt.
[0045] Es ist daher wünschenswert, möglichst viel SO
3 bereits vorzugsweise im Stadium der Rauschmelze und insbesondere während der Primärläuterung
in SO
2 und O
2 aufzuspalten, damit die frei gewordene Gasmenge das Austragen der im Glasgemenge
und in der Rauschmelze enthaltenen Gase verstärken kann. Die Startblasenzahl für die
sich anschließende Sekundärläuterung wird signifikant herabgesetzt.
[0046] Ein bevorzugter Temperaturbereich für T
1 ist insbesondere > 1580 °C bis 1620 °C und besonders bevorzugt > 1600 °C bis 1620
°C.
[0047] Ein bevorzugter Temperaturbereich für T
2 ist insbesondere > 1660 °C bis 1680 °C.
[0048] Die mittlere Verweildauer t
1 liegt vorzugsweise im Bereich von > 2h bis 25 h, insbesondere > 2 h bis 15 h und
besonders bevorzugt im Bereich von > 2 h bis 10 h.
[0049] Die mittlere Verweildauer t
2 liegt vorzugsweise im Bereich von > 1 h bis 10 h, insbesondere > 1 h bis 6 h und
besonders bevorzugt im Bereich von > 1 h bis 4 h.
[0050] Es ist bevorzugt, eher die mittlere Verweildauer t
1 zu verlängern als die mittlere Verweildauer t
2, weil es sich gezeigt hat, dass der Sulfatabbau und der Gasfluss im ersten Bereich
der Wanne größer ist als im zweiten Bereich. Für das Verhältnis von

gilt daher insbesondere

[0051] Vorzugsweise wird als sulfatisches Läutermittel mindestens ein Alkalisulfat und/oder
mindestens ein Erdalkalisulfat dem Glasgemenge zugegeben. Bei Alkalisulfaten wird
Natriumsulfat bevorzugt und bei Erdalkalisulfaten werden bevorzugt BaSO
4 und/oder CaSO
4 eingesetzt. Je höher die Temperatur ist, bei der eingeschmolzen wird, umso bevorzugter
sind Erdalkalisulfate im Vergleich zu Alkalisulfaten weil die Freisetzung von SO
2 und O
2 bei höheren Temperaturen erfolgt.
[0052] Die Sulfatverbindung wird in einer Menge dem Glasgemenge zugesetzt, die 0,05 bis
1 Gew.-% SO
3 entspricht. Wird der Wert von 0,05 Gew.-% unterschritten, dann werden zuwenig Gase
im Bereich der Primärläuterung entfernt und die Blasenkonzentration am Ende der Primärläuterung
liegt bei > 5000/kg.
[0053] Bei einem Überschreiten von maximal 1 Gew.-% besteht das Risiko übermäßiger Gasfreisetzung
beim Einschmelzen und der Primärläuterung, verbunden mit Schaumbildung auf der Glasschmelze
und nicht mehr ausreichender Blasenentfernung. Außerdem steigt die SO
2-Menge im Abgas.
[0054] Weitere bevorzugte Anteile der Sulfatverbindung sind solche, die 0,1 bis 0,8 Gew.-%,
insbesondere 0,1 bis 0,6 Gew.-% SO
3 entsprechen.
[0055] Es hat sich auch gezeigt, dass die Sulfatverbindung die Zahl der Einschmelzrelikte
reduziert. Beispielsweise werden Zirkonoxide bis 4 Gew% durch die Sulfatverbindung
schneller aufgeschmolzen, weil die Zugabe von Sulfatverbindung die Benetzung der zirkonhaltigen
Körner und auch der Sandkörner deutlich verbessert und eine Segregation der Reaktionspartner
während des Einschmelzens unterdrückt. Die Auflösung von Relikten führt in der Regel
zur Bildung neuer kleiner Blasen. Wird die Auflösung von Relikten bis über den Läuterbereich
hinaus verschleppt, ist es nicht möglich, ein blasenfreies Glas zu erhalten. Deswegen
ist das durch die Sulfatverbindung beschleunigte Auflösen von Gemengerelikten von
großer Bedeutung für eine effektive Läuterung.
[0056] Die Rauschmelze, die den Übergang vom Gemenge zur Schmelze beschreibt, ist durch
poröse Gemengeschichten gekennzeichnet. Je nach Porosität können die im Gemenge enthaltenen
Gase wie z. B. N
2, NO
x und CO
2 mehr oder weniger leicht entweichen und stehen daher in den Folgeprozessen nicht
oder nur zu einem geringen Anteil für die störende Blasenbildung zur Verfügung.
[0057] Vorzugsweise wird daher ein Glasgemenge eingesetzt, bei dem die mittlere Korngröße
schwer schmelzender Komponenten 10 bis 300 µm beträgt. Unter schwer schmelzenden Komponenten
werden die Stoffe Sand (SiO
2), Al
2O
3 und ZrO
2 bzw. Zirkon-Silicate verstanden.
[0058] Der Vorteil dieser Korngrößen besteht darin, dass die im Gemenge enthaltenen Gase
noch besser ausgetragen werden können. Wenn die Korngröße in dem Bereich von 10 µm
bis 300 µm, insbesondere im Bereich von 50 µm bis 250 µm, liegt, wird das Austragen
der im Gemenge enthaltenen Gase deutlich verstärkt.
[0059] Durch die Wahl der mittleren Korngröße kann die Dauer der Schmelze im Stadium der
Rauschmelze eingestellt werden. Je grober das Gemenge und insbesondere die mittlere
Korngröße der schwer schmelzenden Komponenten gewählt wird, desto länger ist dann
auch die Verweildauer t
1 zu wählen.
[0060] SnO
2 wird bevorzugt in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Gew% zugesetzt, besonders bevorzugt
von 0,1 bis 0,25 Gew%.
[0061] Unter 0,02 Gew.% SnO
2 erfolgt keine ausreichende Sekundärläuterung und die erforderliche Blasenkonzentration
< 2 Blasen/kg ist bei weitem nicht erreichbar. SnO
2-Konzentrationen > 0,5 Gew.% erhöhen das Risiko unerwünschter Kristallisation bei
der Heißformgebung (Walzen, Floaten). Außerdem verschlechtern sich die Lichttransmission
Y und die Buntheit C* infolge der Bildung färbender Sn-Titanatkomplexe bei transparenten
farblosen Gläsern und Glaskeramiken über ein tolerierbares Maß hinaus.
[0062] Das als Läutermittel eingesetzte SnO
2 kann nach der Sekundärläuterung vorteilhaft als O
2-Puffer genutzt werden, um die Entstehung von O
2-Blasen an Edelmetall-Bauteilen zu unterdrücken.
[0063] Es ist von Vorteil, dass bei Anwendung dieses zweistufigen Läuterprozesses mit Sulfatverbindung
und SnO
2 auf eine Hochtemperatur-Läuterung ganz verzichtet werden kann.
[0064] Die Hochtemperatur-Läuterung ist nur für spezielle Qualitätsanforderungen in Verbindung
mit SnO
2-Gehalten von unter 0,1 Gew. %, bevorzugt bei SnO
2-Gehalten von 0,02 bis < 0,1 Gew% zweckmäßig. Dies ist dann der Fall, wenn Blasenzahlen
< 1/kg gefordert werden und wenn besonders hohe Anforderungen an Transmission/Helligkeit
und Farbe gestellt werden.
[0065] Vorzugsweise wird die Hochtemperaturläuterung in Form einer chemischen und physikalischen
Läuterung durch weitere Freisetzung von O
2-Läutergas aus SnO2 und durch Viskositätserniedrigung der Schmelze durchgeführt.
[0066] Die Hochtemperaturläuterung wird vorzugsweise bei Temperaturen > 1750 °C bis ca.
1950°C durchgeführt. Die Verweildauer bei der Hochtemperatur-Läuterung liegt bei mindestens
12 min, vorzugsweise bei 12 bis 20 min und besonders bevorzugt bei mindestens 15 min.
[0067] Vorzugsweise wird das Glasgemenge im ersten Bereich oxidierend eingeschmolzen. Das
oxidische Einschmelzen wird durch die Einstellung der fossilen Brenner ebenso bewirkt
wie durch die Sulfatverbindung selbst und hat den Vorteil, dass ein möglichst großer
Anteil der Sulfatverbindung als SO
3 vor seiner Zersetzung gelöst wird.
[0068] Vorzugsweise wird dem Glasgemenge Nitrat in einer Menge von 0 bis 3 Gew.-% zugesetzt.
Die Zugabe von Nitrat als Oxidationsmittel, insbesondere von NaNO
3, verbessert die Schwefellöslichkeit in der Schmelze, was sich insofern positiv auswirkt,
als dadurch die allzu frühzeitige Zersetzung der Sulfatverbindung gehemmt wird. Darüber
hinaus wird die Absenkung des O
2-Partialdruckes in der Schmelze durch etwaige Reste reduzierender Verunreinigungen
(z.B. organische Verbindungen im Gemenge) vermieden.
[0069] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl transparente farblose als auch
transparente eingefärbte Glaskeramiken hergestellt werden.
[0070] Eine Glaskeramik wird als transparent bezeichnet, wenn bei einer Schichtdicke von
4 mm der Transmissionsgrad im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 2450 nm mehr als
80% beträgt.
[0071] Eine Glaskeramik wird als farblos bezeichnet, wenn die Buntheit C* im CIE-LAB-Farbsystem
< 10 bei einer Glasdicke von 4mm beträgt.
[0072] Eine Glaskeramik wird als eingefärbt bezeichnet, wenn C* ≥ 10 bei einer Glasdicke
von 4 mm beträgt.
[0073] Das Verfahren kann mit einer kontinuierlichen oder einer diskontinuierlichen Betriebsweise
durchgeführt werden.
[0074] Unter einer kontinuierlichen Betriebsweise wird das Schmelzen von Glas in Glasschmelzwannen
verstanden. Eine kontinuierliche Betriebsweise liegt vor, wenn die Zuführung von Rohstoffen
dauerhaft und quasi-konstant erfolgt, diese in Glas umgewandelt werden und das Glas
ebenso dauerhaft und quasi-konstant am Ausgang des Schmelzaggregats abgezogen wird,
so dass sich im Inneren der Schmelzanlage ein Fließgleichgewicht mit einem weitgehend
konstanten Volumenstrom einstellt.
[0075] Eine diskontinuierliche Betriebsweise liegt vor, wenn eine Schmelzanlage mit Rohstoffen
gefüllt, diese in Glas umgewandelt werden und zu einem anderen Zeitpunkt ein vorgegebenes
Glasvolumen abgezogen wird, das höchstens dem Volumen der Schmelzanlage entspricht,
typischerweise wird eine bestimmte Menge Glas in eine Form gegossen.
[0076] Lichttransmission und Farbe (Buntheit) der Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken werden
entscheidend durch die Menge an SnO
2 in der Glaskeramik beeinflusst (siehe auch Fig. 4 und 5).
[0077] Es ist ein Vorteil, dass durch Zugabe von Sulfat der SnO
2-Gehalt reduziert werden kann, wodurch die Lichttransmission von Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken
verbessert und die Buntheit (Färbung) verringert wird.
[0078] Die zweistufige Läuterung mit einer Sulfatverbindung und SnO
2 hat den großen Vorteil, dass die Läutermittelmengen an Sulfat und SnO
2 variiert werden können. Geringe Mengen SnO
2 beispielsweise bis <0,1 Gew% werden durch größere Mengen Sulfatverbindungen ausgeglichen.
Umgekehrt erfordern SnO
2-Mengen > 0,25 Gew% weniger Sulfatverbindungen.
[0079] Die Zugabe der konkreten Mengen beider Läutermittel hängt von der geforderten Blasen-
und Glasspezifikation sowie den vorhandenen Möglichkeiten der Schmelzaggregate ab,
d. h. wie die Primär- und Sekundärläuterung durchgeführt werden können, z. B. mit
und ohne Einbauten.
[0080] Mit der Konzentration von SnO
2 wird außerdem die Kristallisationsfestigkeit bei der Heißformgebung und Heißnachverarbeitung
beeinflusst. Eine SnO
2-Reduzierung ist vorteilhaft zur Vermeidung von Kristallen an formgebenden Werkzeugen
und im Floatprozess sowie zur Verbesserung der Lichttransmission und Buntheit.
[0081] Ein weiterer positiver Einfluss auf die Blasenkonzentration wird vorzugsweise durch
weitere Läuterzusätze wie Halogenide, z.B. Chloride, Fluoride und/oder Bromide erzielt,
die vorzugweise bis zu 1 Gew.% dem Glasgemenge zugegeben werden.
[0082] Zur weiteren Erleichterung des Aufschmelzens können dem Gemenge bis zu 70 Gew.% Scherben
zugegeben werden, die vorzugsweise der jeweiligen Glaszusammensetzung des Gemenges
entsprechen.
[0083] Ein nicht erfindungsgemäßes Lithium-Alumo-Silicat-Glas oder alkalifreies Alumosilikat-Glas
oder Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik ist dadurch gekennzeichnet,
- dass das Glas oder die Glaskeramik bis auf unvermeidliche Rohstoffverunreinigungen
frei von As und Sb ist und mindestens eine Sulfatverbindung und SnO2 als Läutermittel aufweist,
- eine Blasenkonzentration < 2/kg aufweist, wobei eine Blase einen Gaseinschluss mit
einem Durchmesser > 100 µm bezeichnet, und
- einen Anteil an SO3 < 0,002 Gew.% aufweist.
[0084] Der Anteil von SO
3 kann bei ≤ 0,0018 Gew.%, insbesondere bei ≤ 0,0015 Gew.% liegen.
[0085] Der SnO
2-Anteil des nicht erfindungsgemäßen Glases oder der Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik
kann 0,02 bis 0,5 Gew.%, besonders bevorzugt 0,05 bis 0,3 Gew.% und insbesondere 0,1
bis 0,25 Gew.% betragen.
[0086] Dieses nicht erfindungsgemäße Glas oder diese nicht erfindungsgemäße Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik
kann folgende Zusammensetzung (in Gew.%) aufweisen:
| Li2O |
2,5 - 5,5 |
| Na2O |
0 - 3,0 |
| K2O |
0 - 3,0 |
| ∑Na2O+K2O |
0 - 4,0 |
| MgO |
0 - 3,0 |
| CaO |
0 - 5,0 |
| SrO |
0 - 2,0 |
| BaO |
0 - 4,0 |
| ZnO |
0,1 - 4,0 |
| Al2O3 |
15 - 27 |
| SiO2 |
52 - 75 |
| TiO2 |
0 - 5,5 |
| ZrO2 |
0,1 - 4,0 |
| B2O3 |
0 - 4,0 |
| ∑ TiO2+ZrO2 |
0,1 - < 6,0 |
| P2O5 |
0 - 8,0 |
| Nd2O3 |
0 - 0,4 |
| SnO2 |
≥ 0,02 |
| TiO2 + ZrO2 + SnO2 |
0,1 - 6,0 |
[0087] Eine weitere bevorzugte Zusammensetzung dieses nicht erfindungsgemäßen Glases oder
dieser Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik kann wie folgt (in Gew.%) sein:
| Li2O |
3,0 - 5,5 |
| Na2O |
0 - 1,5 |
| K2O |
0 - 1,5 |
| ∑Na2O+K2O |
0,2 - 2,0 |
| MgO |
0 - 2,0 |
| CaO |
0 - 4,5 |
| SrO |
0 - 1,5 |
| BaO |
0 - 2,5 |
| ∑ MgO+CaO+SrO+BaO |
0,5 - 5,0 |
| ZnO |
0,2 - 3,0 |
| Al2O3 |
17 - 25 |
| SiO2 |
55 - 72 |
| TiO2 |
0 - 4,0 |
| ZrO2 |
0,1 - 3,0 |
| B2O3 |
0 - 4,0 |
| ∑ TiO2+ZrO2 |
0,5 - 6,0 |
| P2O5 |
0 - 8,0 |
| Nd2O3 |
0 - 0,3 |
| SnO2 |
0,02 - 0,5 |
| TiO2 + ZrO2 + SnO2 |
0,5 - 6,0 |
[0088] TiO
2 ist zwingend in der Zusammensetzung des Glases oder der LAS-Glaskeramik enthalten.
Der Anteil an TiO
2 beträgt insbesondere > 0,1 Gew. %.
[0089] Das nicht erfindungsgemäße Glas kann durch Walzen oder vorzugsweise im Floatverfahren
einer Heißformgebung unterworfen werden.
[0090] Vorzugsweise ist die Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik transparent farblos und weist
bei einer Schichtdicke von 4 mm eine Lichttransmission Y (Helligkeit) > 83 % gemäß
des CIE-Farbsystems und eine Buntheit C* < = 6 gemäß des CIE-LAB-Farbsystems auf.
Das gilt für rohstoff- und prozessbedingte Verunreinigungen an Fe
2O
3 <= 0,024 Gew%.
[0091] Die spektrale Lichttransmission Y wird an keramisierten und polierten LAS-Proben
einer Dicke von 4 mm in einem Perkin-Elmer Lambda 9000 gemessen. Anschließend erfolgt
die Umrechnung auf die Lichttransmission Y (Helligkeit) bei Normlicht C gemäß der
Norm ASTM 1925/70.
[0092] Die Buntheit (Chromizität) C* im CIE-LAB-System ist definiert durch

wobei A* und B* die Farbkoordinaten in diesem System sind. Die Farbkoordinaten L*,
A*, B* im CIE-LAB-System lassen sich in bekannter Weise in die Farbkoordinaten x und
y und die Lichttransmission Y (Helligkeit) des CIE-Farbsystems umrechnen.
[0093] Die Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik kann mindestens einen Zusatz aus der Gruppe
der färbenden Komponenten V-, Cr-, Mn-, Fe-, Co-, Cu-, Ni-, Ce-, Se-Verbindungen mit
Anteilen bis zu 1,5 Gew.% aufweisen, wodurch transparent gefärbte Glaskeramiken hergestellt
werden.
[0094] Verwendungen von transparenten, gefärbten Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken sind
für Glaskeramik-Kochplatten vorgesehen.
[0095] Verwendungen der transparenten, farblosen Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramiken sind
für Sicherheitsverglasungen im Gebäude-, Fahrzeug- und Personenschutzbereich, für
Sichtscheiben für Displays, für Festplattensubstrate, für Glaskeramik-Kochplatten
und für Kaminsichtscheiben vorgesehen.
[0096] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
[0097] Es zeigen:
- Figur 1
- schematisch eine Schmelzwanne mit nachgeordnetem Hochtemperaturaggregat, und
- Figur 2
- ein Gasfluss/Temperaturdiagramm bei einer Läuterung mit dem Läutermittel SnO2 (Vergleichsmessung) und
- Figur 3
- ein Gasfluss/Temperaturdiagramm bei einer zweistufigen Läuterung mit den Läutermitteln
SO3 und SnO2,
- Figur 4
- die Abhängigkeit der Lichttransmission Y vom SnO2- und Nd2O3-Gehalt bei transparent farblosen Glaskeramiken mit 4 mm Schichtdicke und einem Fe2O3-Gehalt von 0,020 Gew%, und
- Figur 5
- die Abhängigkeit der Buntheit C* vom SnO2- und Nd2O3-Gehalt bei transparent farblosen Glaskeramiken mit 4 mm Schichtdicke und einem Fe2O3-Gehalt von 0,020 Gew%.
[0098] In der Figur 1 ist eine Schmelzwanne 1 mit Einlegewand 2, Bodenwand 3 und Auslauf
4 dargestellt. Als bevorzugter Wannentyp wird eine konventionell fossil beheizbare
Wanne mit oder ohne elektrische Zusatzbeheizung eingesetzt.
[0099] Die Schmelzwanne ist in einen ersten Bereich 10 und einen zweiten Bereich 20 unterteilt.
Im ersten Bereich 10 wird das Gemenge aufgegeben, so dass sich dort zunächst eine
Rauschmelze mit einem porösen Gemengeteppich 12 ausbildet. Unterhalb des Gemengeteppichs
12 befindet sich aufgeschmolzenes Gemenge, in dem noch teilweise nicht aufgeschmolzene
Partikel, insbesondere die schwer schmelzenden Komponenten vorhanden sind.
[0100] Es bildet sich unter dem Gemengeteppich 12 eine linksdrehende Hauptströmungswalze
13 aus, die unterhalb des Gemengeteppichs vorbeistreicht und kontinuierlich Material
aufnimmt und in die Schmelze überführt.
[0101] Diese Hauptströmungswalze 13 erstreckt sich bis etwa in den mittleren Bereich der
Schmelzwanne 1, wobei sich Teilströme 14 von der Hauptströmungswalze 13 ablösen und
in den zweiten Bereich 20 strömen. Die Bereiche 10 und 20 können optional durch ein
Einbauteil z. B. einen Wall 5, mit dem die heiße Glasschmelze zwangsweise an die Oberfläche
der Schmelzwanne geführt wird, abgetrennt werden.
[0102] Beide Bereiche werden durch den so genannten Quellpunkt 15 getrennt, der auch als
Hotspot bezeichnet wird. Dies ist ein Bereich mit einer hohen lokalen Temperatur der
Schmelze.
[0103] In dem ersten Bereich 10 wird eine Primärläuterung durchgeführt. Die mittlere Temperatur
T
1 in diesem Bereich 10 liegt oberhalb von 1560 °C. Im zweiten Bereich 20 liegt die
mittlere Temperatur T
2 deutlich höher, nämlich über 1640 °C. In diesem zweiten Bereich wird die Sekundärläuterung
durchgeführt.
[0104] Die mittlere Verweildauer t
1 im Bereich 10 beträgt mehr als zwei Stunden. Die mittlere Verweildauer kann durch
verschiedene Parameter, wie z. B. durch die geometrischen Abmessungen, insbesondere
die Länge der Wanne entsprechend eingestellt werden.
[0105] Dies gilt auch für die mittlere Verweildauer t
2 im zweiten Bereich 20, wo die mittlere Verweildauer t
2 mindestens eine Stunde betragen soll.
[0106] Der Auslauf 4 ist optional mit einem Hochtemperatur-Aggregat 6 verbunden, wo die
Hochtemperaturläuterung stattfindet. Die Hochtemperaturläuterung wird bei Temperaturen
> 1750°C durchgeführt. Da der SO
3-Anteil < 0,002 Gew.% beträgt, kann der unerwünschte Reboil-Effekt aufgrund des niedrigen
SO
3-Gehaltes nicht auftreten, so dass am Ende des Hochtemperatur-Aggregat 6 ein blasenfreies
Glas (< 2 Blase/kg, vorzugsweise < 1 Blase/kg) erzeugt werden kann.
[0107] In der Figur 2 ist der freigesetzte Gasfluss (Evolved Gas Analysis-Messungen, abgekürzt
mit EGA-Messungen) von O
2 für die reine SnO
2-Läuterung als Funktion der Temperatur für die beiden Bereiche 10 und 20 einer Lithium-Alumo-Silicat
Glaszusammensetzung aufgetragen. Für die Messung wird 50g Gemenge mit 8K/min von Raumtemperatur
auf 1680°C aufgeheizt und die freigesetzten Gase in Abhängigkeit von der Temperatur
mittels Massenspektrometer analysiert. Es ist zu sehen, dass eine nennenswerte O
2-Freisetzung ab etwa 1500 °C einsetzt und bei ca. 1620 °C das Maximum von 0,5 ml/100g
Gemenge erreicht; es handelt sich um eine typische Gasfreisetzungskurve von O
2 aus der thermischen Zersetzung von SnO
2 in SnO.
[0108] Die in Figur 2 erkennbare geringfügige SO
2 und O
2-Freisetzung zwischen 1100 °C und 1300 °C ist auf unvermeidliche Verunreinigungen
von Sulfat in den Rohstoffen zurückzuführen und ist läutertechnisch nicht relevant.
[0109] In der Figur 3 ist der freigesetzte Gasfluss von SO
2 und O
2 für die zweistufige Sulfat-Zinn-Läuterung als Funktion der Temperatur für die beiden
Bereiche 10 und 20 einer Lithium-Alumo-Silicat-Glaszusammensetzung aufgetragen. Ab
etwa 1100 °C beginnt im porösen Gemengeteppich die Freisetzung von O
2 und SO
2 auf Grund der Zersetzung von BaSO
4. Dadurch werden zwischen den Gemengepartikeln befindlichen Gase wie z. B. Luft aus
dem Gemengeteppich entfernt. Mit weiter zunehmender Temperatur geht der poröse Gemengeteppich
in eine Glasschmelze über. Nachdem die SO
2-Freisetzung stark abgeklungen ist, beginnt ab etwa 1550 °C die Sekundärläuterung
mit der Freisetzung von O
2 aus der Zersetzung von SnO
2. Obwohl die gleiche SnO
2-Konzentration mit 0,2 Gew.-% wie in Figur 2 vorliegt, ist zu erkennen, dass im Vergleich
zur reinen Zinn-Läuterung das Maximum an O
2 im Sekundärläuterbereich auf 0,7 ml/100g Gemenge ansteigt, und zwar weil die O
2-Freisetzung aus dem Sulfat den O
2-Umsatz aus dem SnO
2 während der Primärläuterung hemmt.
[0110] Die Temperaturen der eben beschriebenen Gasflüsse (EGA-Messungen) sind nicht direkt
auf Wannenverhältnisse übertragbar, da sich Aufheizraten und Oberflächen-Volumenverhältnisse
zwischen Labormessungen und Wanne unterscheiden, die Messungen zeigen die Temperaturbereiche
der Läutergasfreisetzung unter Laborbedingungen an. Die tatsächlichen Temperaturen
der Gasfreisetzung wurden im Kleinwannenversuch ermittelt und sind im Vergleich zu
den EGA-Messungen nach höheren Temperaturen verschoben.
[0111] Die Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Lichttransmission Y vom SnO
2- und Nd
2O
3-Gehalt von transparent farblosen Glaskeramiken mit 4 mm Schichtdicke. Zusammensetzung
1 aus der Tabelle 1 wurde in einer Kleinwanne mit verschiedenen SnO
2-Gehalten geschmolzen. Die analysierten SnO
2-Werte liegen zwischen 0,23 Gew% und 0,003 Gew% und die analysierten Fe
2O
3-Gehalte betragen jeweils 0,020 Gew%. Mit fallendem SnO
2-Gehalt von 0,23 Gew% auf 0,003 Gew% wurde der Nd
2O
3-Gehalt auch von 0,048 Gew% auf < 0,005 Gew% zurückgenommen.
[0112] Die Grafik in Figur 4 zeigt eine sehr starke Abhängigkeit der Lichttransmission Y
vom SnO
2- und Nd
2O
3-Gehalt. Je höher der SnO
2- und Nd
2O
3-Gehalt ist, umso schlechter ist die Lichttransmission Y. Die Lichttransmission Y
liegt zwischen 83,3% bei 0,23 Gew% SnO
2 und 0,048 Gew% Nd
2O
3 und 88,2% bei 0,02 Gew% SnO
2 und < 0,005 Gew% Nd
2O
3. Die eingezeichnete Kurve ist die logarithmische Regressionskurve an die Messpunkte.
[0113] Figur 5 zeigt die Abhängigkeit der Buntheit C* vom SnO
2- und Nd
2O
3-Gehalt von transparenten, farblosen Glaskeramiken mit 4 mm Schichtdicke. Die Zusammensetzung
1 aus Tabelle 1 wurde in einer Kleinwanne mit verschiedenen SnO
2-Gehalten geschmolzen. Die analysierten SnO
2-Werte liegen zwischen 0,23 Gew% und 0,003 Gew% und die analysierten Fe
2O
3-Gehalte betragen jeweils 0,020 Gew%. Je höher der SnO
2-Gehalt ist, umso schlechter ist die Buntheit C*. Mit der Zugabe von Nd
2O
3 kann die Buntheit C* verbessert werden. Deshalb wurden bei 0,23 Gew% SnO
2 0,048 Gew% Nd
2O
3 zugegeben. Mit fallendem SnO
2-Gehalt von 0,23 Gew% auf 0,003 Gew% wurde der Nd
2O
3-Gehalt auch von 0,048 Gew% auf < 0,005 Gew% zurückgenommen. Die Grafik zeigt eine
sehr starke Abhängigkeit der Buntheit C* vom SnO
2- und Nd
2O
3-Gehalt. Die Buntheit C* liegt zwischen 6 bei 0,23 Gew% SnO
2 und 0,048 Gew% Nd
2O
3 und 3,9 bei 0,02 Gew% SnO
2 und < 0,005 Gew% Nd
2O
3. Die eingezeichnete Kurve ist die Regressionsgerade an die Messpunkte.
[0114] Die Erfindung wird anhand von Beispielen näher erläutert:
Tabelle 1: Glaszusammensetzungen aus den nachfolgenden Beispielen
| SO3-Synthese bedeutet: Menge an SO3 in Gew%, aus der Menge SO3 wird die Menge BaSO4 errechnet, das dem Gemenge zugesetzt wird. Alle anderen Angaben sind analytisch ermittelte
Werte im Glas. |
| in Gew% |
Zusammensetzung 1 |
Zusammensetzung 2 |
Zusammensetzung 3 |
Zusammensetzung 4 |
Zusammensetzung 5 |
Zusammensetzung 6 (Vergleichsbeispiel 2) |
Zusammensetzung 7 (Vergleichsbeispiel 1) |
| |
|
|
|
|
|
|
|
| SiO2 |
66,9 |
66,9 |
65,0 |
65,1 |
65,2 |
65,2 |
66,9 |
| Al2O3 |
21,2 |
21,3 |
22,2 |
20,9 |
20,8 |
20,8 |
21,2 |
| Fe2O3 |
0,02 |
0,02 |
0,019 |
0,085 |
0,12 |
0,087 |
0,02 |
| Na2O |
0,4 |
0,4 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
| K2O |
0,07 |
0,07 |
--- |
0,22 |
0,24 |
0,16 |
0,07 |
| CaO |
0,12 |
0,12 |
--- |
0,42 |
0,44 |
0,42 |
0,12 |
| MgO |
0,83 |
0,83 |
0,59 |
0,37 |
0,34 |
0,34 |
0,83 |
| SrO |
0,48 |
0,48 |
|
0,02 |
0,10 |
0,02 |
0,48 |
| BaO |
0,73 |
0,73 |
2,02 |
2,3 |
2,19 |
2,22 |
0,73 |
| TiO2 |
2,13 |
2,13 |
2,26 |
3,1 |
3,11 |
3,11 |
2,36 |
| ZnO |
1,60 |
1,60 |
1,76 |
1,5 |
1,52 |
1,52 |
1,6 |
| ZrO2 |
1,70 |
1,70 |
1,76 |
1,34 |
1,38 |
1,41 |
1,7 |
| Li2O |
3,54 |
3,54 |
3,8 |
3,71 |
3,61 |
3,95 |
3,54 |
| Nd2O3 |
0,048 |
0,028 |
--- |
--- |
0,015 |
--- |
--- |
| SnO2 |
0,25 |
0,15 |
0,10 |
0,24 |
0,24 |
0,22 |
--- |
| SO3 Synthese |
0,26 |
0,26 |
0,53 |
0,26 |
0,53 |
--- |
0,26 |
| MnO2 |
--- |
--- |
--- |
0,01 |
0,02 |
0,01 |
--- |
| V2O5 |
--- |
--- |
--- |
0,026 |
0,024 |
0,023 |
--- |
Beispiel 1 (Kleinwanne)
[0115] Eine Nd
2O
3-haltige Lithium-Alumo-Silicat-Glaszusammensetzung (Zusammensetzung 1) mit 0,25 Gew%
SnO
2 wurde in einer Kleinwanne geschmolzen. Das Gemenge enthielt 0,26 Gew% SO
3, zugesetzt als Ba-Sulfat. Verwendet wurden handelsübliche technische Rohstoffe (Quarzmehl,
Al
2O
3, Al-Hydroxid, Na-Nitrat, K-Carbonat, Li-Carbonat, MgO, TiO
2, Zirkonsilicat, ZnO, Ca-, Sr-, Ba-Carbonat, Nd
2O
3, SnO
2, Ba-Sulfat) mit einem Gesamt-Gehalt an Fe
2O
3 von 0,02 Gew%. Dem Gemenge wurden keine Farboxide zugesetzt. 0,4 Gew% Na
2O wurden als Na-Nitrat zugegeben. Nach mittleren Schmelztemperaturen von ca. 1580
°C bis 1600 °C für die Primärläuterung wurde die mittlere Schmelztemperatur für die
Sekundärläuterung auf 1640 °C erhöht. Die mittleren Verweilzeiten lagen jeweils >
4h. Probennahmen nach der Wanne zeigten, dass das Glas reliktfrei geschmolzen wurde.
Die Blasenkonzentrationen lagen je nach Schmelzparameter (Schmelztemperatur und Verweilzeit)
zwischen 10 und 100 Blasen/kg. Der Gehalt an SO
3 am Ende der Wanne betrug in jedem Fall weniger als 0,0012 Gew%; die analysierte Konzentration
von SnO
2 im Glas lag bei 0,23 Gew%. Es wurden ca. 40 % bis 50 % SnO
2 zu SnO umgesetzt.
[0116] Die anschließende Hochtemperaturläuterung bei Temperaturen zwischen 1760 °C und max.
1850 °C mit mittleren Verweilzeiten von 15 min führte zu transparentem farblosem Glas
mit Blasenkonzentrationen stabil < 1 Blase/kg. Das so hergestellte farblose Nd
2O
3-haltige Lithium-Alumo-Silicat-Glas wurde durch Keramisierung in eine Glaskeramik
umgewandelt und dessen Transmission und Farbe gemessen. Die Glaskeramik hatte bei
einer Schichtdicke von 4 mm eine Lichttransmission Y gemäß des CIE-Farbsystems von
83,5 % und eine Buntheit C* im CIE-LAB-Farbsystem von 6,0.
Beispiel 2 (Kleinwanne ohne Hochtemperaturläuterung)
[0117] Wie in Beispiel 1 wurde die Nd
2O
3-haltige Lithium-Alumo-Silicat-Glaszusammensetzung 1 mit 0,25 Gew% SnO
2 und 0,26 Gew% SO
3, zugesetzt als Ba-Sulfat in einer Kleinwanne mit vergleichbaren Rohstoffen geschmolzen.
Das Gemenge war ohne Zusatz von Farboxiden. Nach mittleren Schmelztemperaturen von
ca. 1600 °C und mittleren Verweilzeiten von > 5 h für die Primärläuterung wurde die
mittlere Schmelztemperatur für die Sekundärläuterung auf ca. 1660 °C erhöht. Die mittleren
Verweilzeiten lagen bei mehr als 3 h. Das Glas war reliktfrei geschmolzen. Der SO
3-Gehalt nach der Wanne lag unter 0,0012 Gew% und die Blasenkonzentration (Blasen >
100 µm) sank stabil unter 2 Blase/kg. Eine Hochtemperaturläuterung war nicht mehr
notwendig.
Beispiel 3 (Laborversuch mit wenig SnO2)
[0118] Im Gasofen wurden 1,4 kg Gemenge aus der Lithium-Alumo-Silicat-Zusammensetzung 3
mit konventionellen technischen Rohstoffen mit 0,10 Gew% SnO
2 und 0,53 Gew% SO
3 als BaSO
4 für 4 h bei 1600 °C geschmolzen. Anschließend wurde gerührt und die Temperatur auf
1680 °C erhöht und weitere 4 h bei 1680 °C gehalten. Nach dem Guss enthielt das Glas
ca. 50 Blasen/kg, der SO
3-Gehalt lag bei 0,0010 Gew%. Nach der Bewertung des Glases im kalten Zustand wurde
das Glas einer Hochtemperaturläuterung unterzogen. Dazu wurden zylindrische Bohrkerne
aus dem eben beschriebenen Glas passend für die Tiegel der Hochtemperaturläuterung
hergestellt. Ein 55 mm hoher Bohrkern wurde in einem Ir-Tiegel mit einem Volumen von
140 ml erneut auf 1600 °C aufgeheizt, zum gleichmäßigen Durchschmelzen 30 min bei
1600 °C gehalten und dann mit 975 K/h auf 1925 °C erhitzt und 12 min bei der hohen
Temperatur gehalten. Anschließend wurde das heiße Glas in ca. 8 min auf 1500 °C abgekühlt,
10 min gehalten und dann im Kühlofen auf Raumtemperatur thermisch entspannt.
[0119] Das Glas war völlig blasenfrei, alle Blasen wurden entfernt und es kam nicht zu einer
Neublasenbildung im Hochtemperaturläuteraggregat.
Das Glas wurde durch thermische Behandlung in eine Glaskeramik überführt. Die Glaskeramik
hatte bei einer Schichtdicke von 4 mm eine Transmission Y gemäß des CIE-Farbsystems
von 86,2 % und eine Buntheit C* im CIE-LAB-Farbsystem von 4,3.
Beispiel 4 (Kleinwanne mit wenig SnO2)
[0120] Die Transmission und insbesondere die Farbe der Lithium-Alumo-Silicat-Glaskeramik
sind stark abhängig vom SnO
2-Gehalt.
[0121] SnO
2-Gehalte von 0,15 Gew% neben 0,26 Gew% SO
3 im Gemenge (Zusammensetzung 2) führen nach der nach Beispiel 1 beschriebenen Wannenfahrweise
sowie nach der Keramisierung zu einer Lichttransmission Y gemäß des CIE-Farbsystems
von 83,8 % bei 4 mm Schichtdicke und zu einer Buntheit C* im CIE-LAB-Farbsystem von
5,0 bei 4 mm Schichtdicke. Die erreichten Blasenzahlen lagen < 2/kg.
[0122] Weiter abnehmende SnO
2-Gehalte verbessern die Lichttransmission und Farbe weiter. Mit Abnahme des SnO
2-Gehaltes wurde auch der Nd
2O
3-Gehalt reduziert. SnO
2-Gehalte von 0,02 Gew% neben 0,26 Gew% SO
3 im Gemenge (Grundzusammensetzung 2 allerdings ohne Nd
2O
3-Zusatz) führen nach der nach Beispiel 1 beschriebenen Wannenfahrweise sowie nach
der Keramisierung zu einer Lichttransmission Y gemäß des CIE-Farbsystems von 88,2
% und zu einer Buntheit C* im CIE-LAB-Farbsystem von 3,9 bei 4 mm Schichtdicke. Die
Abnahme des SnO
2-Gehaltes musste für eine ausreichende Läuterung durch höhere Schmelztemperaturen
sowohl für Primär- als auch Sekundärläuterung kompensiert werden. Bei SnO
2-Gehalten < 0,1 Gew% lag die mittlere Schmelztemperatur T
1 bei ca. 1630°C und T
2 bei 1680°C verbunden mit mittleren Verweilzeiten von > 4h.
Vergleichsbeispiel 1 (Läutermittel nur SO3)
[0123] Ohne gleichzeitige SnO
2-Zugabe, also bei reiner Sulfatläuterung fehlt der sekundäre Läuterschritt in der
Wanne und eine Hochtemperaturläuterung ist unbedingt notwendig.
[0124] Eine Nd
2O
3-freie LAS-Glaszusammensetzung 7 wurde in einer Wanne ohne SnO
2-Zusatz geschmolzen. Verwendet wurden handelsübliche technische Rohstoffe (Quarzmehl,
Al
2O
3, Al-Hydroxid, Na-Nitrat, K-Carbonat, Li-Carbonat, MgO, TiO
2, Zirkonsilicat, ZnO, Ca-, Sr-, Ba-Carbonat, Ba-Sulfat) mit einem Gesamt-Fe
2O
3-Gehalt von 0,02 Gew%. Das Gemenge enthielt 0,26 Gew% SO
3, zugesetzt als Ba-Sulfat. Dem Gemenge wurden keine Farboxide zugesetzt. 0,4 Gew%
Na
2O wurde als Na-Nitrat zugegeben. Nach Schmelztemperaturen von 1620 °C für die Primärläuterung
wurde die mittlere Schmelztemperatur für die Sekundärläuterung auf über 1650 °C erhöht.
Das Glas wurde reliktfrei geschmolzen. Die Blasenkonzentration am Ende des Wanne konnte
nicht auf ausreichend kleine Werte < 2 Blasen/kg reduziert werden, sie lag bei ca.
50 Blasen/kg, teilweise bis zu 500 Blasen/kg je nach gewählten Schmelzparametern (Schmelztemperatur
und Verweilzeit).
Beispiel 5 (Labor gefärbte Glaskeramik)
[0125] Im Labor wurden 1,4 kg Gemenge der LAS-Glaszusammensetzung 5 mit konventionellen
Rohstoffen (Quarzmehl, Al
2O
3, Al-Hydroxid, K-, Ca-, Sr- und Ba-Carbonat, Na-Nitrat, Li-Carbonat, Petalit/Spodumen,
MgO, TiO
2, Zirkonsilicat, ZnO, Nd
2O
3, SnO
2, Ba-Sulfat) und 0,53 Gew% SO
3 Läutermittel als Ba-Sulfat hergestellt.
[0126] Das Gemenge wurde im Gasofen bei Temperaturen von 1580 °C 4 h reliktfrei eingeschmolzen
und anschließend in einer mit 50Hz beheizten Spule im Kieselglastiegel gerührt und
3 h lang bei 1640 °C gehalten, um eine Sekundärläuterung durchzuführen. Nach Ende
der Schmelzzeit wurde das Glas gegossen und mit 20 K/h gekühlt. Das auf diese Weise
hergestellte Glas enthielt noch ca. 300 Blasen/kg Glas. Der analysierte SO
3-Gehalt lag bei 0,0015 Gew%. Nach der Bewertung des Glases im kalten Zustand wurde
das Glas einer Hochtemperaturläuterung bei 1860 °C mit Verweilzeiten von 12min unterzogen,
wobei die Durchführung vergleichbar mit Beispiel 3 war. Das Glas war völlig blasenfrei,
alle Blasen wurden entfernt und es kam nicht zu einer Neublasenbildung im Hochtemperaturläuteraggregat.
Beispiel 6 (Kleinwanne gefärbte Glaskeramik)
[0127] Eine Nd-freie Lithium-Alumo-Silicat-Glaszusammensetzung 4 mit 0,24 Gew% SnO
2 wurde in einer Wanne geschmolzen. Verwendet wurden handelsübliche technische Rohstoffe
(Quarzmehl, Al
2O
3, Al-Hydroxid, K-, Ca- und Ba-Carbonat, Na-Nitrat, Li-Carbonat, Petalit/Spodumen,
MgO, TiO
2, Zirkonsilicat, ZnO, SnO
2, Ba-Sulfat). Das Gemenge enthielt 0,26 Gew% SO
3, zugesetzt als Ba-Sulfat. Dem Gemenge wurden ca. 0,026 Gew% V
2O
5 und 0,09 Gew% Fe
2O
3 als Farboxide zugesetzt. 0,59 Gew% Na
2O wurden als Na-Nitrat zugegeben. Nach mittleren Schmelztemperaturen von ca. 1580
°C für die Primärläuterung wurde die mittlere Temperatur für die Sekundärläuterung
auf 1640 °C erhöht. Die mittleren Verweilzeiten für die Sekundärläuterung lagen zwischen
3 und 8 h. Probennahmen nach der Wanne zeigten, dass das Glas reliktfrei geschmolzen
wurde. Die Blasenkonzentrationen lagen bei ca. 20 Blasen/kg, je nach Schmelzparameter
(Schmelztemperatur und Verweilzeit) auch bis 300 Blasen/kg. Der SO
3-Gehalt lag zwischen 0,0010 und 0,0013 Gew%. Die anschließende Hochtemperaturläuterung
bei Temperaturen zwischen 1760 °C und ca. 1850 °C mit mittleren Verweilzeiten von
15 min führte zu Glas mit einer Blasenkonzentration < 1 Blase/kg.
[0128] Als die Schmelztemperaturen für Primär- und Sekundärläuterung um jeweils ca. 40 K
angehoben wurden, wurden nach der Wanne stabil Blasenkonzentrationen < 2 Blasen/kg
erreicht. Eine Hochtemperaturläuterung war nicht notwendig.
Vergleichsbeispiel 2 (Läutermittel nur SnO2)
[0129] Wird die Lithium-Alumo-Silicat-Zusammensetzung 6 in der Wanne unter vergleichbaren
Schmelzbedingungen wie in Beispiel 1, allerdings ohne Zusatz von Sulfat geschmolzen
(reine SnO
2-Läuterung), war es selbst mit der Hochtemperaturläuterung nicht möglich, Blasenkonzentrationen
stabil unter 2 Blasen/kg zu bekommen. Das Glas war nicht reliktfrei aufgeschmolzen;
immer wieder traten ZrO
2-haltige Einschmelzrelikte im Produkt auf, diese Restrelikte sind permanente Blasenquellen.
Besonders nachteilig ist dies, wenn nach Abschluss der Läuterung in der Wanne bzw.
im Verlauf der Hochtemperaturläuterung durch die Auflösung der Relikte ständig neue
relativ kleine Bläschen gebildet werden.
[0130] Höhere Einschmelztemperaturen können zwar die Einschmelzrelikte verringern, aber
es wird bereits in der Rauschmelze zu viel SnO
2 zu SnO umgesetzt. Bei der Sekundärläuterung steht dann nicht mehr ausreichend O
2 aus der SnO
2-Umsetzung zum Blasenwachstum zur Verfügung und die Blasen können nicht vollständig
entfernt werden.
[0131] Anhand dieser Beispiele ist deutlich zu sehen, dass mit einer kombinierten Sulfat-
und SnO
2-Läuterung bei farblosen und gefärbten Lithium-Alumo-Silicat-Glaszusammensetzungen
bei Einhaltung der beanspruchten Parameter ein blasenfreies Glas mit und ohne Hochtemperaturläuterung
hergestellt werden kann. Die Blasenkonzentration der Vergleichsversuche zeigen, dass
mit SnO
2 allein bzw. Sulfat allein ohne Einsatz der Hochtemperaturläuterung keine Blasenqualität
stabil < 2 Blasen/kg erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste
[0132]
- 1
- Schmelzwanne
- 2
- Einlegewand
- 3
- Bodenwand
- 4
- Auslauf
- 5
- Wall
- 6
- Hochtemperaturtiegel
- 10
- erster Bereich
- 12
- Gemengeteppich
- 13
- Hauptströmungswalze
- 14
- Teilstrom
- 15
- Quellpunkt
- 20
- zweiter Bereich