Schmelzen von Flaschenglas

Glasschmelzen ist ein sehr komplexer Prozess. Die Ausgangsstoffe durchlaufen bei hohen Temperaturen eine Reihe physikalischer, chemischer und physikochemischen Veränderungen und Reaktionen. Die Ergebnisse dieser Veränderungen und Reaktionen verwandeln die mechanische Mischung verschiedener Rohstoffe in eine komplexe Schmelze, nämlich Glasflüssigkeit.
Entsprechend den Veränderungen und Reaktionen, die während des Glasschmelzprozesses in den Gemengematerialien auftreten, kann der Glasschmelzprozess in fünf Phasen unterteilt werden, nämlich Silikatbildung, Glasbildung, Klärung, Homogenisierung und Abkühlung.

Der Großteil des üblichen Flaschenglases besteht aus Silikat, und die Silikatbildungsreaktion findet größtenteils im festen Zustand statt. In dieser Phase erfährt die Zusammensetzung des Pulvers eine Reihe physikalischer und chemischer Veränderungen. Eine große Menge gasförmiger Substanzen im Pulver verflüchtigt sich. Dann beginnen das Siliziumdioxid und andere Komponenten zu interagieren. Am Ende dieser Phase endet die Hauptreaktion im festen Zustand und das Pulver wird zu einem Sinter aus Silikat und Siliziumoxid. Bei den meisten Gläsern endet diese Phase grundsätzlich bei 800 bis 900 Grad.

Bei fortgesetzter Erwärmung beginnt der im Stadium der Silikatbildung entstandene Sinter zu schmelzen. Zuerst beginnt die niedrigschmelzende Mischung zu schmelzen, und das Silikat und das verbleibende Siliziumdioxid schmelzen und diffundieren miteinander, und der Sinter wird zu einer transparenten Glasflüssigkeit. Dieser Vorgang wird als Glasbildungsphase bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt gibt es kein nicht umgesetztes Chargenmaterial, aber es sind noch viele Blasen und Streifen im Glas vorhanden und die chemische Zusammensetzung und Eigenschaften sind ebenfalls ungleichmäßig. Die Temperatur von gewöhnlichem Glas beträgt in diesem Stadium 1200 bis 1250 Grad.

Am Ende der Glasbildungsphase befinden sich noch viele Blasen und Streifen im Glas. Wenn die Glasflüssigkeit weiter erhitzt wird, nimmt die Viskosität der Glasflüssigkeit ab. Der Prozess der Beseitigung sichtbarer Blasen in der Glasflüssigkeit ist der Klärungsprozess der Glasflüssigkeit.
Während der Silikatbildungs- und Glasbildungsphasen wird aufgrund der Zersetzung der Chargenmaterialien, der Verflüchtigung einiger Komponenten, der Redoxreaktion von Oxiden, der Wechselwirkung zwischen Glas und Gasmedium und feuerfesten Materialien eine große Menge Gas abgeschieden. Die meisten dieser Gase entweichen in den Weltraum und die meisten verbleibenden Gase lösen sich in der Glasflüssigkeit auf. Ein kleiner Teil des Gases ist in Form von Blasen noch in der Glasflüssigkeit vorhanden. Es gibt drei Hauptzustände von Gas im Glas, nämlich sichtbare Blasen, gelöste Gase und Gase, die chemische Bindungen mit Glaskomponenten bilden. Die beiden letzteren sind unsichtbar und beeinträchtigen die optische Qualität des Glases nicht. Der Klärungsprozess der Glasflüssigkeit besteht hauptsächlich darin, sichtbare Blasen zu beseitigen.
Während des Klärungsprozesses werden sichtbare Blasen auf zwei Arten entfernt. 1. Das Blasenvolumen wird vergrößert, ihr Aufstieg wird beschleunigt, sie schweben aus der Glasoberfläche, platzen und verschwinden. 2. Die Gasbestandteile in den kleinen Blasen werden in der Glasflüssigkeit aufgelöst, die Blasen werden absorbiert und verschwinden.
Um die Klärung der Glasflüssigkeit zu beschleunigen, wird neben der Zugabe bestimmter Klärmittel zur Charge im Allgemeinen die Methode der Temperaturerhöhung der Glasflüssigkeit angewendet. Dieser Schritt ist bei den meisten Gläsern bei 1400 bis 1500 °C abgeschlossen, was häufig der höchste Temperaturbereich beim Glasschmelzen ist. Die Viskosität der Glasflüssigkeit während der Klärung beträgt 1 bis 10 Pa·s.

Die Aufgabe der Homogenisierung besteht darin, Streifen und andere Inhomogenitäten in der Glasflüssigkeit zu beseitigen, sodass die chemische Zusammensetzung jedes Teils der Glasflüssigkeit einheitlich ist. In dieser Phase verschwinden aufgrund der thermischen Bewegung und gegenseitigen Diffusion der Glasflüssigkeit die Streifen in der Glasflüssigkeit allmählich und die chemische Zusammensetzung jedes Teils der Glasflüssigkeit tendiert allmählich dazu, konsistent zu sein. Diese Einheitlichkeit wird häufig dadurch gekennzeichnet, ob der Brechungsindex jedes Teils der Glasflüssigkeit gleich ist. Diese Phase der meisten Gläser wird bei einer Temperatur abgeschlossen, die etwas niedriger ist als die Temperatur der Klärungsphase.

Die homogenisierte Glasflüssigkeit kann nicht sofort zu Produkten geformt werden, da die Temperatur der Glasflüssigkeit zu diesem Zeitpunkt hoch und die Viskosität niedriger ist als während des Formens, was für Glasformvorgänge ungeeignet ist. Sie muss gekühlt werden und die Temperatur der Glasflüssigkeit muss allmählich gesenkt werden, um die Viskosität der Glasflüssigkeit zu erhöhen und den Anforderungen des Formens gerecht zu werden. Der Wert der Temperatursenkung der Glasflüssigkeit variiert mit der Zusammensetzung des Glases und dem Formverfahren. Im Allgemeinen muss Kalknatronglas um 200 bis 300 °C gekühlt werden. Die gekühlte Glasflüssigkeit benötigt eine gleichmäßige Temperatur, um das Formen zu erleichtern.
Während des Abkühlens sollte die geklärte Glasflüssigkeit die erneute Bildung von Blasen verhindern. Die kleinen Blasen, die in diesem Stadium auftreten, werden als Sekundärblasen oder regenerierte Blasen bezeichnet. Die Sekundärblasen sind gleichmäßig in der gekühlten Glasflüssigkeit verteilt, haben im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 0,1 mm und ihre Anzahl kann Tausende pro Kubikzentimeter Glas erreichen. Da die Temperatur der Glasflüssigkeit in diesem Stadium gesenkt wurde, ist es sehr schwierig, die Sekundärblasen zu beseitigen. Daher sollte die Entstehung von Sekundärblasen während des Abkühlvorgangs besonders verhindert werden.
Die fünf Schritte im obigen Glasschmelzprozess unterscheiden sich voneinander, sind aber auch miteinander verbunden. Diese Schritte erfolgen nicht in einer strengen Reihenfolge, sondern oft gleichzeitig.

Die Temperatur ist an jedem Punkt entlang der Länge des kontinuierlich betriebenen Wannenofens unterschiedlich, bleibt jedoch im Laufe der Zeit konstant, sodass ein stabiles Temperatursystem eingerichtet werden kann. Die Richtigkeit des Schmelzprozesssystems beeinflusst nicht nur die Qualität des geschmolzenen Glases, sondern bestimmt auch die Leistung des geschmolzenen Glases. Abbildung 2-10 zeigt das Schmelztemperatursystem für Flaschenglas in einem kontinuierlich betriebenen Wannenofen.

Unabhängig davon, ob es sich um einen horizontalen oder einen Straßenofen mit Flammenbad handelt, hat das Temperatursystem Auswirkungen auf den Brenngrad der Glasflüssigkeit, den Fluss der Glasflüssigkeit, die Formvorgänge, den Brennstoffverbrauch und das Alter des Ofens. Was Flaschenglas betrifft, werden die auf dem Markt erhältlichen Glasflaschen und -dosen hauptsächlich nach Farbe in vier Kategorien unterteilt: farblos, hellblau, smaragdgrün und braun. Wenn sich die Farbe des Glases oder die Konzentration der Glasfarbe ändert, hat dies entscheidende Auswirkungen auf die Wärmeübertragungsform und die Wärmeübertragungseffizienz. In Bezug auf den Schmelzprozess sind die Auswirkungen von Glasfarbänderungen auf die Prozessbedingungen viel offensichtlicher und schwerwiegender als die Auswirkungen von Änderungen der Glaszusammensetzung. Es gibt große Unterschiede in der Temperaturverteilung von verschiedenfarbigem Glas im Ofen.

Aus Tabelle 2-24 ist ersichtlich, dass es bei gleicher Schmelztemperatur deutliche Unterschiede bei der Flüssigkeitsoberflächentemperatur und der Beckenbodentemperatur von Gläsern unterschiedlicher Farbe gibt. Im Glasschmelzofen gibt es drei Formen der Wärmeübertragung: Strahlung, Konvektion und Leitung. Bei Gläsern unterschiedlicher Farbe gilt: Je stärker die Fähigkeit zur Absorption von Strahlungslicht, d. h. je stärker die Fähigkeit zur Absorption von Strahlungswärme bei hohen Temperaturen, desto mehr Wärme absorbiert die Glasoberfläche und desto weniger Wärme wird in Form von Strahlung durch den Glaskörper übertragen. Aus Sicht der Flüssigkeitsoberflächentemperatur hat braunes Glas die stärkste Wärmeabsorptionskapazität und die höchste Flüssigkeitsoberflächentemperatur; smaragdgrünes Glas ist das zweithöchste und hellblaues Glas das dritthöchste. Aus Sicht der Beckenbodentemperatur wird das Problem etwas komplizierter: Hellblaues Glas hat eine schlechte Fähigkeit zur Absorption von Strahlungslicht und mehr Wärme wird in Form von Strahlung durch den Glaskörper auf den Beckenboden übertragen, deshalb ist die Beckenbodentemperatur höher; Smaragdgrünes Glas hat eine starke Fähigkeit, Strahlungslicht zu absorbieren, und weniger Wärme wird in Form von Strahlung durch den Glaskörper auf den Poolboden übertragen, sodass die Temperatur am Poolboden niedriger ist. Braunes Glas hat jedoch eine starke Fähigkeit, Strahlungslicht zu absorbieren, und die Temperatur am Poolboden ist viel höher als die von smaragdgrünem Glas. Der Grund kann sein: Das Glas im Pool ist in mehrere Flüssigkeitsschichten unterteilt. Da die Lichtdurchlässigkeit von braunem Glas gering ist, ist der Temperaturunterschied zwischen den Flüssigkeitsschichten groß und es sollte einen großen Temperaturgradienten entlang der Tiefe des Pools geben. Aufgrund der starken Wärmeabsorptionskapazität von braunem Glas steigt jedoch die Temperatur, nachdem die obere Glasflüssigkeit Wärme absorbiert hat, das Volumen dehnt sich aus und es wird ein Schub in horizontaler Richtung in Richtung der Umgebung erzeugt. Dieser Schub wird durch die Poolwand geändert und auf die untere Flüssigkeitsschicht übertragen, wodurch eine Konvektionskraft entsteht. Die Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung gleicht den Mangel an Strahlungswärmeübertragung aus, sodass die Temperatur am Boden des braunen Glaspools höher ist.
Generell gilt: Bei gleichen Prozessbedingungen und Temperatursystemen kann bei Gläsern mit gleichen Komponenten, aber unterschiedlichen Farben durch das Schmelzen von braunem Glas eine bessere Glasgleichmäßigkeit und eine höhere Schmelzrate erreicht werden. Der Grund liegt genau in der starken Konvektion, die durch die starke Wärmeabsorptionskapazität von braunem Glas verursacht wird. Natürlich verändert der Einsatz des Sprudelgeräts die Wärmeübertragungsbedingungen. Wenn Sie beim Schmelzen von smaragdgrünem Glas die Bodentemperatur, die Glasgleichmäßigkeit und die Schmelzleistung verbessern möchten, ist die Installation eines Sprudelgeräts eine wirksame Maßnahme. Wenn Sie verschiedene Farben von Flüssigkeiten im selben Ofen ändern möchten, müssen die Prozesselemente des Schmelzteils, des Arbeitsteils und des Zufuhrkanals entsprechend angepasst werden, um sich an die Prozesszustandsänderungen anzupassen, die durch den „Wärmeübertragungsunterschied“ der Glasfarbe verursacht werden.