Glastechnische Fabrikationsfehler (eBook)

Hans Jebsen-Marwedel (verstorben) Rolf Brückner (verstorben)

Autorenverzeichnis 5
Vorwort 7
Inhaltsverzeichnis 9
Teil I: Werkstoll Glas und Verlahrenzur Auldeckung seiner Fehlererscheinungen 19
1 Einführung 20
1.1 Glas als Sonderzustand der Materie 20
1.1.1 Der Werkstoff Glas als selbständiger thermodynamischer Zustand 21
1.1.2 Verzögerungserscheinungen am technischen Glas 21
1.1.3 Glasfehler als Durchlaufstadien von Raumteilen selbständigerthermodynamischer Systeme 22
1.2 Fabrikationsfehler als Technologie "pathologischer" Ausnahmezustände 22
1.2.1 Fehler eines Werkstoffes als Quelle technologischer Erkenntnisse 23
1.3 Physikalischer Ablauf der Formgebung 24
1.3.1 Besonders relevante Bereiche des Zähigkeitsverlanfs("Länge" bzw, "Kürze" des Glases) 24
1.3.2. Praktische Auswertung 25
1.4 Systematik der Fehler 26
1.4.1 Schematische Übersicht "geduldeter" Fehler (Mängel) 26
1.4.2 Stufen der Glasherstellung und ihrer Störungsquellen 26
1.4.3 Untrennbarer Zusammenhang mehrerer Fabrikationsfehler (Beispiel) 28
1.4.4 Suche nach "potentiellen" Fehlerquellen 30
1.5 Einspielung des Glases auf optimale Beschaffenheit 30
1.5.1 Empirie und Methodik 30
1.5.2 Technisches Feld eines Mehrstoffsystems 31
Literatur zu Kapitell 31
2 Eigenschaften der Glasschmelze und des Glases als Werkstoff* 33
2.1 Eigenschaften der Schmelze als "potentielle" Fehlerquellen 33
2.1.1 Dichte und Auftrieb 33
2.1.2 Viskosität 36
2.1.2.1 Temperaturabhängigkeit der Viskosität 36
2.1.2.2 Zeitabhängigkeit der Viskosität 37
2.1.2.3 Viskosität und chemische Zusammensetzung 38
2.1.3 Viskoelastisches Verhalten bei rascher und großer Verformung 39
2.1.4 Oberflächenspannung, Grenzflächenspannung, Benetzungund Grenzflächenkonvektion 41
2.1.5 Diffusion, Löslichkeit und Konvektion 44
2.1.6 Verdampfung und Zersetzung 45
2.1.7 Phasentrennung 47
2.1.7.1 Entglasung (Kristallisation) 47
2.1.7.2 Entmischung 50
2.1.8 Einfrierverhalten, Einfrieren der Fehler mit dem Glas 52
2.2 Eigenschaften des Glases als "potentielle" Fehlerquellen 53
2.2.1 Dichte und thermische Ausdehnung 53
2.2.1.1 Eine einfache Beziehung zwischen ~ und der Kationenfeldstärke 55
2.2.1.2 Thermische Ausdehnung einfacher Gläser 55
2.2.2 Fließvorgänge unterhalb der Einfriertemperatur 57
2.2.3 Wärmeinhalt und Wärmetransport 58
2.2.3.1 Spezifische Wärme 58
2.2.3.2 Wärmetransport 59
2.2.4 Thermische Spannungen, Temperaturwechselbeständigkeitund Wärmespannungszahl 63
2.2.4.1 Entstehung von Kühlspannungen [88] 63
2.2.4.2 Der Entspannungsvorgang 66
2.2.5 Mechanik und Bruchfestigkeit 67
2.2.5.1 Das allgemeine Spannungs-Dehnungsverhalten 68
2.2.5.2 Die maximalen Spannungen für verschiedene Belastungsfälle 70
2.2.5.3 Die Spannungen an einem Riß 74
2.2.5.4 Festigkeitskriterien 75
2.2.6 Chemische Beständigkeit 78
2.2.6.1 Konstitution des Glases als Ursache für die Reaktionsbereitschaft der Oberfläche 78
2.2.6.2 Prinzip der chemischen Wechselwirkung von Glas mit der Umweltunter Beteiligung von Wasser 79
2.2.6.3 Veränderung der chemischen Beständigkeit durch thermische Belastung 81
2.2.7 Optische Eigenschaften 83
2.2.7.1 Lichtbrechung 83
2.2.7.2 Reflexion 84
2.2.7.3 Absorption bzw. Transmission 85
2.2.7.4 Lichtstreuung 87
Literatur zu Kapitel 2 87
3 Verfahren zur Erkennung und Untersuchung von GlasfehlernÜberwachung der Produktion 93
3.1 Verfahren zur Erfassung von Formfehlern 93
3.1.1 Grundlagen 93
3.1.2 Begriffsbestimmungen 95
3.1.3 Die Meßverfahren 96
3.1.3.1 Optische Verfahren 96
3.1.3.2 Optoelektronische Verfahren 103
3.1.3.3 Mechanische Verfahren 104
3.1.3.4 Elektromechanische Verfahren 104
3.1.3.5 Pneumatische Verfahren 105
3.1.3.6 Elektrische Verfahren 105
3.1.3.7 Strahlenverfahren 105
3.1.3.8 Mikroskopische Verfahren 106
3.2 Optische Verfahren zur Erfassung von Schlieren 106
3.2.1 Über den Begriff Schliere 106
3.2.2 Allgemeines über die optische Erfassung von Schlieren 106
3.2.3 Das Interferenzverfahren 108
3.2.4 Das Toeplersche Schlierenverfahren 112
3.2.5 Das Schattenverfahren 115
3.2.6 Die Untersuchungen von Querschliffen 120
3.2.7 Spannungsoptischer Nachweis von Schlieren 121
3.3 Verfahren zur Untersuchung von Spannungen * 123
3.3.1 Überblick über die Verfahren zur Untersuchung von Spannungen in Gläsern 123
3.3.2 Spannungsoptische Verfahren 124
3.3.3 Registrierende automatische Spannungsprüfung an Flachglas 133
3.4 Analyse von Schlieren und Identifizierung von Fremdkörpereinschlüssen Rohstoff-,Qualitäts- und Produktionskontrolle 138
3.4.1 Allgemeine Bemerkungen zur Analytik des Glases 138
3.4.2 Untersuchung von Schlieren 140
3.4.3 Untersuchung von Fremdkörpereinschlüssen 144
3.4.4 Merkmale für die mikroskopische Bestimmung von KristallenGrundlagen der Kristalloptik der Silicate 147
3.4.5 Röntgenographische Bestimmung von Kristallen 151
3.5 Analytische Untersuchungsmethoden - modernere Verfahren 156
3.5.1 Untersuchung von Glasfehlern mit dem Transmissions-Elektronenmikroskopund Raster-Elektronenmikroskop 156
3.5.2 Röntgenspektroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse [223 - 227] 165
3.5.3 Elektronenstrahlmikrosonde [237, 238] 168
3.5.4 Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) 172
3.5.5 Analysen von Gläsern, Glasoberflächen und -belägen sowie von Gasenmit Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und der Spektralanalyseangeregter Strahlung (IBSCA oder SCANIIR) 173
3.5.6 Analyse von Blasen und Gasen im Glas 179
Literatur zu Kapitel 3 196
Teil II: Fehler an der Schmelzmasse 207
4 Gase (Blasen) in der Glasschmelze 208
4.1 Allgemeines 208
4.2 Das Einschmelzen des Gemenges 208
4.2.1 Die Temperaturverteilung im einschmelzenden Gemenge 209
4.2.2 Gemengehaufenreaktion und Rauhschmelze 210
4.2.3 Gasabgabe beim Schmelzprozeß 210
4.2.4 Maßnahmen, um das Einschmelzen und Läutern zu beeinflussen 214
4.2.5 Bildung von Blasen im Glas 219
4.3 Löslichkeit und Diffusion von Gasen in Glasschmelzen 220
4.3.1 Physikalische Löslichkeit von Gasen in Glasschmelzen 221
4.3.2 Chemische Löslichkeit von Gasen in Glasschmelzen 222
4.3.3 Diffusion von Gasen in Glasschmelzen 234
4.4 Entfernung von Blasen und Gasen aus der Schmelze(Läuterung, Entgasung und Homogenisierung) 237
4.4.1 Das Aufsteigen der Blasen in der Glasschmelze 237
4.4.2 Das Austreten von Blasen aus der Glasschmelze 239
4.4.3 Die chemische Läuterung 239
4.4.4 Physikalische Läuterverfahren 250
4.4.5 Homogenisierung und Läuterung 252
4.4.6 Einfluß von Glasströmungen auf die Läuterung des Glases 252
4.5 Blasen im Glas 254
4.5.1 Definition der drei Blasentypen 254
4.5.2 Anwendung der Blasenfehlerdiagnose 255
4.5.3 Blasen aus der Läuterung 256
4.5.4 Blasen aus gelösten Gasen (Nachgasen, Reboil) 257
4.5.5 Blasen aus Verunreinigungen 264
Literatur zu Kapitel 4 276
5 Schmelzrelikte, Fremdkörper, "Steinehen" und Entglasungen* 284
5.1 Allgemeine Einführung 284
5.2 Kristallarten, die in Steinehen, Knoten und Entglasungenvorkommen können 286
5.2.1 Kieselsäure (Siliciumdioxid) Si02 286
5.2.2 Tonerde (Aluminiumoxid) AI~Oa 289
5.2.3 Zirkondioxid (Baddeleyit) ZrO~ und Zirkonsilicat (Zirkon) ZrO~ . Si02 290
5.2.4 Andere Metalloxide 292
5.2.5 Calciumsilicate 292
5.2.6 Aluminiumsilicate 295
5.2.7 Sulfate 299
5.2.8 Kristalle als Wegweiser zur Fehlerquelle 300
5.3 Herkunft der "Steinehen" und Knoten 301
5.3.1 Herkunft aus dem Gemenge und aus Scherbenverunreinigungen 301
5.3.2 Herkunft aus den feuerfesten Baustoffen 307
5.3.3 Herkunft aus der Glasschmelze (Entglasungen) 312
5.4 Störungen aus dem Bereich der optischen Gläser 321
Literatur zu Kapitel 5 323
6 Schlieren (Glas in Glas) 324
6.1 Grundsätzliches über Schlieren im Glas 324
6.1.1 Definition und Überblick 324
6.1.2 Entstehung der verschiedenen Schlierenarten 325
6.2 Homogenitätsstörungen in der Schmelze 326
6.2.1 Zum Begriff Homogenität 326
6.2.2 Homogenität des Gemenges 327
6.2.3 Inhomogenitäten der Rauhschmelzen 328
6.2.4 Homogenisierende Wirkung der Läuterung 331
6.2.5 Flüchtigkeit und Verstaubung als Schlierenquelle 333
6.2.6 Ofenatmosphäre als Ursache von Schlierenbildung 338
6.2.7 Durch Scherbenzusatz verursachte Schlieren 341
6.2.8 Gemengeumstellung als Schlierenursache 345
6.3 Schlieren von feuerfesten Wänden und Einbauten 346
6.4 Schlieren aus dem Oberbau der Öfen 348
6.4.1 Verschlackung des Oberofens als Schlierenquelle 348
6.4.2 Vom Gewölbe ausgehende Störungen 350
6.5 Einfluß von Konvektion und Verformung auf den Abbau von Schlieren 352
6.5.1 Weiträumige Strömungen: Homogenisierung durch Diffusion und Deformation(, ,Difformation'') 352
6.5.2 Systemeigene lokale Strömungen: Freie Dichte- und Grenzflächenkonvektion 354
6.6 Verhalten von Schlieren in der Schmelze und bei der Formgebung 356
6.6.1 Besondere Eigenschaften von Schlieren, die beim Erschmelzenund bei der Formgebung eine Rolle spielen 356
6.6.2 Durch die Formgebung fixierte Schlierenanordnungen 358
6.6.3 Verborgene Schlieren 364
6.6.4 Thermische Schlieren 365
Literatur zu Kapitel 6 366
7 Wechselwirkung zwischen Glasschmelze und feuerfestem Material 373
7.1 Feuerfestes Material 373
7.1.1 Eigenschaften der feuerfesten Steine und Massen 373
7.1.2 Einteilung der feuerfesten Steinqualitäten 374
7.1.3 Isolier- und FeuerIeichtsteine 376
7.1.4 Maße und Formate der feuerfesten Steine 376
7.1.5 Glasfehler, die vom Feuerfestmaterial herrühren 376
7.2 Die besondere Rolle der Grenzflächenkonvektion bei der Korrosionvon Feuerfestmaterial durch Glasschmelzen 377
7.2.1 Bevorzugte Korrosion horizontal ("Spülkantenerosion") 377
7.2.2 Bevorzugte Korrosion vertikal ("Blasen"- und "Metalltropfenbohren") 381
7.2.3 Hinweise zur Bekämpfung der bevorzugten Korrosion 385
7.3 Die Herkunft von Glasfeblern aus den feuerfesten Baustoffen 385
7.3.1 Fugen und Risse als Angriffsort für Korrosion 386
7.3.2 Eutektische Korrosion 388
Literatur zu Kapitel 7 399
8 Farbstich des Glases* 402
8.1 Was ist der Farbstich 402
8.2 Die Bedeutung des Farbstiches 402
8.2.1 Die Bedeutung des Farbstiches für den Gebrauchswert 402
8.2.2 Die schmelztechnische Bedeutung des Farbstiches 402
8.3 Die Beurteilung des Farbstiches 403
8.3.1 Die visuelle Beurteilung 403
8.3.2 Die Farbmessung als quantitatives Man 403
8.4 Ursachen der Färbung in Gläsern 406
8.4.1 Der Farbstich durch Eisen 407
8.4.2 Farbstich durch andere Verunreinigungen 411
8.4.3 Veränderungen des Farbstiches 411
8.4.4 Der Farbstich bei farbigem Glas 413
Literatur zu Kapitel 8 414
Teil III: Fehler am Erzeugnis 416
9 Form- und Oberflächenfehler an Hohl- und Preßglas * 417
9.1 Grundsätzliches zu Vorgängen bei der Formgebung 417
9.2 Die verschiedenen Teile eines Hohlglasbehältersund ihre wichtigsten Mündungsarten 418
9.3 Fertigungstechnische Grundlagen der Glasverarbeitungsmaschinen 419
9.3.1 Hohlglas 419
9.3.2 Preßglas 424
9.4 Oberflächenfehler 426
9.4.1 Runzeln (buckelige Unebenheiten und gehämmertes Aussehen) und Faltenan der Oberfläche 426
9.4.3 Herausgerissenes Glas an der Oberfläche ("angebackte") 429
9.4.4 "Rauhe" Mündungen 429
9.4.5 Abdrücke der Formftächen 430
9.4.6 Pegel- und Stempelkleber, Glasfäden 432
9.4.7 Abdrücke von Verunreinigungen 433
9.4.8 Kratzer und Schrammen 434
9.4.9 Brandflecken an der Oberfläche (Staubteilchen) 435
9.4.10 Glätten des Glases durch Verwärmen 435
9.4.11 Oberflächenfehler beim Bearbeiten und Veredeln 436
9.5 Risse und Brüche 443
9.5.1 Risse, die während der Formgebung entstehen 443
9.5.2 Kleben des Glases 445
9.5.3 Risse, die nach der Formgebung entstehen 446
9.5.4 Von der Mündung abgesprungene Glasteile 446
9.5.5 Bruch nach der Formgebung herrührend 447
9.6 Inhomogenität der Glasschmelzmasse 447
9.7 Wandstärkeverteilung 448
9.8 Nahtmarkierungen 451
9.8.1 Nahtmarkierungen an den Teilen des Glasbehälters 451
9.8.2 Messerschnittmarkierungen 453
9.8.3 Preßnähte 453
9.9 Gestaltfehler, Gewicht und Inhalt 455
9.9.1 Nicht fertiggeformte Teile von Hohl- und Preßgläsern 455
9.9.2 Gestaltfehler , entstehend nach der Formgebung 456
9.9.3 Maßhaltigkeit (Abmessungen, Gewicht, Inhalt) 457
9.10 Qualitätskontrolle 458
Literatur zu Kapitel 9 459
10 Formfehler an Flachglas 461
10.1 Einleitung 461
10.2 Formfehler, die allen Flachgläsern gemeinsam sind 462
10.3 Formfehler an Floatglas 466
10.4 Formfehler an gezogenen Flachgläsern (Maschinengläser) 467
10.4.1 Formfehler an Fourcault-Glas 468
10.4.2 Formfehler an Libbey-Owens-Glas 468
10.4.3 Formfehler an Pittsburgh-Glas 469
10.5 Formfehler an geschliffenem und poliertem Walzglas 470
10.5.1 Formfehler, die durch den Walzvorgang entstehen 470
10.5.2 Formfehler, die durch das Schleifen verursacht werden 471
10.5.3 Formfehler, die durch das Polieren verursacht werden 473
10.6 Formfehler an anderen Walzglasprodukten 475
10.6.1 Formfehler an Drahtglas 476
10.6.2 Formfehler an Ornamentglas 478
10.6.3 Formfehler an Guß-Walzglas mit einer feuerpolierten Oberfläche 479
10.7 Formfehler an gebogenem Flachglas 480
10.8 Formfehler an Sicherheitsgläsern 482
10.8.1 Formfehler an thermisch gehärtetem Sicherheitsglas 482
10.8.2 Formfehler an Verbund-Sicherheitsglas 483
10.9 Formfehler, die durch mechanische Verletzungender Oberflächen entstehen 484
10.10 Formfehler, die bei der Nacbbearbeitung durch Schleifen entstehen 485
Literatur zu Kapitel 10 489
11 Chemische Veränderungen an der Oberfläche des Glases * 490
11.1 Einleitung 490
11.2 Veränderungen an der Oberfläche als Folge chemischer Reaktionen 492
11.2.1 Veränderungen unter Beteiligung von Wasser 492
11.2.2 Veränderungen unter Beteiligung von Säuren 503
11.2.3 Veränderungen unter Beteiligung von Laugen 506
11.3 Spezielle unerwünschte chemische Wechselwirkungenmit der Glasoberftäche 507
11.3.1 Störungen der Benetzung der Glasoberfläche durch Wasser 507
11.3.2 Spezielle chemische Wechselwirkungen beim Floatglas 510
11.3.3 Reduktion von Schwermetalloxiden an der Oberfläche 512
11.3.4 Unerwünschte Abgaben von Ionen aus der Glasoberfläche ("Bleilässigkeit") 513
11.3.5 Veränderungen von Glasoberftächen nach Reinigung in Spülmaschinen 514
11.4 Technisch herbeigeführte chemische Veränderungen der Glasoberßäche 519
11.4.1 Ionenaustausch zur chemischen Härtung 519
11.4.2 Vergütung von Glas (besonders von Glasbehältnissen) durch Ionenaustauschmit Gasen (Erhöhung der Wasserbeständigkeit) 521
11.4.3 Vergütung von Glas durch Anlagern von Schichten 522
11.5 Veränderungen der Glasoberftäche nach thermischer Behandlung 528
Literatur zu Kapitel 11 531
12 Bruchentstehung und Bruchausbreitung im Glas 537
12.1 Theoretische Grundlagen aus der Bruchmechanik 537
12.1.1 Allgemeines über das Konzept der linearelastischen Bruchmechanik 537
12.1.2 Spannungen und Verschiebungen am Riß unter Beanspruchungsmodus I 539
12.1.3 Spannungen und Verschiebungen am Riß unter Beanspruchungsmodus II 540
12.1.4 Der Spannungsintensitätsfaktor K I für verschiedene Rißformen 540
12.2 Der elementare Prozeß der Bruchentstehung 547
12.3 Bruchentstehung unter verschiedenen statischen Belastungsarten 551
12.3.1 Bruchentstehung bei Zugversuchen an Glasfäden 551
12.3.2 Bruchentstehung durch Biegung 553
12.3.3 Bruchentstehung beim Bersten von Flaschen 554
12.3.4 Bruchentstehung unter Mitwirkung von vorübergehenden thermischinduzierten Spannungen 556
12.3.5 Bruchentstehung unter Mitwirkung von bleibenden thermischinduzierten Spannungen 562
12.3.6 Bruchentstehung durch Druckbelastung 567
12.4 Bruchentstehung unter Stoßbelastung 569
12.5 Die Bruchausbreitung 572
12.5.1 Die Richtung der Rißausbreitung Rißfiächenmodulation durch elastische Wellen
12.5.2 Die Größe der Rißausbreitungsgeschwindigkeit 579
12.6 Die Morphologie der Bruchfläche 580
12.6.1 Grenzlinien zwischen Teilrißfronten - Bruchhyperbeln und Bruchparabeln 580
12.6.2 Lanzettbrüche 582
12.6.3 Halte- und Übergangslinien 585
12.6.4 Bruchverzweigung 586
12.6.5 Einige Beispiele typischer Bruchbilder 588
12.7 Das "Schneiden" des Glases * 591
12.8 Schleifen und Polieren des Glases * 596
Literatur zu Kapitel 12 598
13 Glas"fehler" als Dekor 602
Literatur zu Kapitel 13 605
Sachverzeichnis 606