Die verschiedenen Substanzen, die zur Herstellung von Glaskomplexen verwendet werden, werden zusammenfassend als Glasrohstoffe bezeichnet. Der Hauptrohstoff ist derjenige, der verschiedene Oxide in das Glas einbringt und so die Grundstruktur des Glases bildet. Diese bestimmt die grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften des Glases. Zu den Hauptrohstoffen zählen Quarzsand, Feldspat, Kalkstein, Dolomit, Soda usw. Diese Rohstoffe werden heutzutage üblicherweise in Pulverform geliefert. (1) Siliciumdioxid-Rohstoffe: Der Hauptrohstoff für Siliciumdioxid ist Quarzsand (auch bekannt als Quarzsand). Dieser lässt sich je nach seinem natürlichen Vorkommen in natürlichen und verarbeiteten Quarzsand unterteilen. Aufgrund der Komplexität seines Entstehungsprozesses schwankt die chemische Zusammensetzung von natürlichem Quarzsand oft stark, seine Korngrößenverteilung ist jedoch relativ einheitlich. Für die Qualität von natürlichem Quarzsand ist es wichtig, die chemische Zusammensetzung, deren Schwankungen und den Anteil an feuerfesten Mineralien zu kontrollieren. Die chemische Zusammensetzung bestimmt hauptsächlich den Gehalt an Fez 03 und wird entsprechend seiner Qualität klassifiziert und verwendet. Die Qualitätsklassifizierung von Quarzsand ist in Tabelle 2-16.2) Quarzsandaufbereitung: Quarzsand wird aus Quarzgestein oder Sandstein durch ein bestimmtes Aufbereitungsverfahren zu siliziumhaltigen Rohstoffen verarbeitet. Da Quarzit- oder Sandsteinerze im Allgemeinen eine höhere Reinheit aufweisen, ist der Verunreinigungsgehalt geringer und stabiler, wodurch die Qualität des aufbereiteten Quarzsandes höher und stabiler ist. Allerdings ist es schwierig, die Korngröße von Quarzit- oder Sandsteinerzen zu Quarzsand mit einer bestimmten Korngröße zu kontrollieren, was die Kosten erhöht. Quarzsand wird üblicherweise nass aufbereitet und weist daher einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt auf. Quarzsand ist das am schwersten zu schmelzende Material. Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Partikelform haben einen wichtigen Einfluss auf das Mischen, Schmelzen und die Homogenisierung des Verbundmaterials. Eine Verringerung der Partikelgröße ist vorteilhaft für das Schmelzen von Quarzsand, wobei feinere Partikel besser geeignet sind. Aufgrund von Agglomeraten und Lücken in großen Mengen kann Quarzsandpulver entstehen. Die Anzahl der durch Schmelzschwierigkeiten verursachten Mikrobläschen sowie die Anwesenheit von Quarzsandpulver können zu einer vorzeitigen Reaktion mit anderen Materialien wie Natrium, Calcium und Magnesium führen. Dies beeinflusst die Dichte und Viskosität der Primärschmelze und begünstigt die Schichtung des Ofenmaterials, was wiederum andere feuerfeste Rohstoffe in der Charge beeinträchtigen kann. Kantige Sandkörner sind vorteilhaft, da sie eine große Oberfläche und somit bessere Kontaktmöglichkeiten mit dem Flussmittel bieten. Dadurch wird die Schichtung während des Misch- und Transportprozesses erschwert. Der Quarzsand muss im Abbaugebiet geprüft und freigegeben werden. Der Feuchtigkeitsgehalt des Quarzsandes muss bei der Erzgewinnung unter 8 % und bei der Einlagerung im Werk unter 5 % liegen. Der Feuchtigkeitsschwankungswert beträgt 0,4 %. Tabelle 2-17 zeigt die Qualitätsanforderungen an siliziumhaltige Rohstoffe. (2) Der Gehalt an Al₂O₃ in normalem Flaschenglas liegt üblicherweise zwischen 2,0 % und 5,0 %. Hochwertiges Weißglas, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid besteht, um Al₂O₃ zu gewinnen, weist niedrigere Qualitätsanforderungen an Behälterglas und Farbglas auf. Alternativ können Natriumfeldspat, Kalifeldspat oder Calciumfeldspat verwendet werden, um die Al₂O₃-Konzentration zu erhöhen. Gleichzeitig kann ein Teil des Feldspats (Na₂O oder K₂O) Soda ersetzen, was sich positiv auf das Glasschmelzsystem auswirkt. Der Eisengehalt in normalem Feldspat ist jedoch hoch (Fe₂O₃ liegt bei unter 0,1 %), weshalb er nur für normales Flaschen- und Dosenglas geeignet ist und nicht für höherwertiges Flaschen- und Dosenglas. Feldspat lässt sich je nach chemischer Zusammensetzung in vier Arten unterteilen: Kaliumfeldspat und Kaliumfeldspat. Feldspat, Natriumfeldspat, Calciumfeldspat und Bariumfeldspat. In der Natur kommen die vier Feldspatarten nur selten als reine Vorkommen vor; meist sind sie mit anderen Mineralien in unterschiedlichen Anteilen vermischt. Tabelle 2-18 listet die Qualitätsanforderungen für Feldspatmaterialien auf. (3) Na₂O, der Rohstoff für Natriumoxid, ist ein gutes Flussmittel für Glas. Daher hängt der Na₂O-Gehalt in der chemischen Zusammensetzung von Glasflaschen und -dosen eng mit den Schmelzbedingungen des Glases zusammen und liegt derzeit meist im Bereich von 14 % bis 16 %. Na₂O im Flaschenglas wird hauptsächlich durch Soda eingebracht. Soda ist ein chemischer Rohstoff, dessen Hauptbestandteil Na₂CO₃ ist. Man unterscheidet zwischen kristalliner Soda (Na₂CO₃·10H₂O) und kalzinierter Soda (Na₂CO₃). Der Großteil der in der Glasindustrie verwendeten Soda ist kalzinierte Soda ohne Kristallwasser, hergestellt nach dem Ammoniak-Alkali-Verfahren. Kalzinierte Soda ist ein weißes Pulver, leicht wasserlöslich, neigt jedoch zur Wasseraufnahme aus der Luft, was zu Zerfließen und Verklumpen führen kann. Daher muss sie trocken gelagert werden. Soda ist einer der wichtigsten Kostenfaktoren bei der Glasherstellung. Für Flaschenglas ist schweres Alkali vorzuziehen. Im Vergleich zu leichtem Alkali zeichnet sich schweres Alkali durch eine bessere Lockerheit, geringere Hygroskopizität und eine geringere Neigung zum Absetzen und zur Schichtbildung aus. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit und Schmelzgeschwindigkeit der Mischung. Zu grobe Sodapartikel können jedoch nicht effektiv mit anderen feuerfesten Materialien im Material interagieren und so die Schmelze nicht gleichmäßig fördern. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Mischung mit dem Material selbst und beeinträchtigt die Qualität des Glasschmelzens und der Klarheit. Daher ist ein Partikelgrößenbereich von 0,22 bis 0,42 mm optimal. Da Soda oft 5–8 % Wasser enthält, muss der Feuchtigkeitsgehalt bei der Verwendung regelmäßig bestimmt werden. Die Verflüchtigung von Soda beim Glasschmelzen beträgt 0,5–3,2 %. Kalzinierte Soda enthält häufig geringe Mengen an NaCl, da Chlor sehr reaktiv ist und die Erosion des feuerfesten Materials stark beeinträchtigt. Die große Menge an Soda und die Anreicherung von Chlor in der Glasschmelze haben in letzter Zeit die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich gezogen. (4) Die Rolle von Kaliumoxid (K₂O) in Glas ist ähnlich der von Natriumoxid (Na₂O). Bei der Herstellung von Flaschen- und Dosenglas wird ein kleiner Teil des Natriums (Na₂O) durch Kaliumcarbonat (K₂O) ersetzt. Dies erhöht den Brechungsindex des Glases und verbessert Glanz und Lichtdurchlässigkeit. Die chemische Stabilität von zwei Alkalioxiden im Glas ist höher als die eines einzelnen Alkalioxids. Das optimale Verhältnis der beiden Oxide wird als Mischbaseneffekt bezeichnet. Kaliumcarbonat beeinflusst den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas stärker als Natriumcarbonat. Daher muss der Einfluss auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten berücksichtigt werden, wenn Natriumcarbonat teilweise durch Kaliumcarbonat ersetzt wird. Kaliumcarbonat wird Flaschenglas üblicherweise durch Kalzinierung von Kaliumcarbonat zugesetzt. Beim Schmelzen von Kaliumcarbonat in Glas beträgt der Verlust an flüchtigen Bestandteilen von K₂O etwa 12 % seiner Eigenmasse. Die Qualitätsanforderungen an Kaliumcarbonat sind: K₂CO₃ < 96 %, Na₂O ≥ 0,2 %, KCl + K₂SO₄ ≥ 3,5 %, wasserunlöslich < 0,3 %, Wasser < 3 %. Kaliumcarbonat ist teurer als Soda. Daher wird, abgesehen von Flaschen- und Dosenglas mit besonderen Anforderungen, meist kein Kaliumcarbonat direkt zur Gewinnung von Kaliumoxid verwendet, sondern Kaliumoxid mit Feldspat. (5) Zugabe von Calciumoxid: Calciumoxid (CaO) dient im Glas hauptsächlich als Stabilisator, d. h. es erhöht die chemische Stabilität und die mechanische Festigkeit des Glases. Ein zu hoher Gehalt kann jedoch die Kristallisationsneigung des Glases erhöhen und es spröde machen. Der CaO-Gehalt in normalem Flaschenglas liegt zwischen 7 % und 11 %, in der Regel nicht über 12,5 %. Bei hohen Temperaturen kann CaO die Viskosität von Das Schmelzen und Klären von Glas wird durch die Zugabe von Calciumoxid (CaO) gefördert. Sinkt die Temperatur jedoch, steigt die Viskosität rapide an, was das Formen erschwert. Daher ist neben dem Einfluss von CaO auf die Glaseigenschaften auch das Formverfahren und andere Faktoren entscheidend für den Calciumgehalt. Glas mit hohem CaO-Gehalt sollte schnell in den Kühlofen gegeben werden, da es sonst leicht platzt. Beim Schmelzen von Natrium-Calcium-Glas ist ein Verhältnis von Na₂O zu Ca₂O von 21 optimal. Die wichtigsten Rohstoffe für Gefäßglas sind Kalkstein, Kalzit und Kreide. Kalkstein mit einem Fe₂O₃-Gehalt von 40,015 % wird für die Herstellung von Gebrauchsgegenständen und weißen Materialien verwendet. Kalkstein mit einem Fe₂O₃-Gehalt von unter 0,04 % dient der Herstellung von farbigem Glas. Der Wassergehalt von Kalkstein sollte unter 1 % liegen. Wenn die Glaszusammensetzung einen sehr strengen Eisenoxidgehalt erfordert, kann dieser durch Kalzit ersetzt werden, der deutlich reiner als Kalkstein, aber auch wesentlich teurer ist. (6) Der Anteil an Magnesiumoxid (MgO) in der chemischen Zusammensetzung von Glasflaschen und -dosen liegt im Allgemeinen unter 2 %. Durch den teilweisen Ersatz von Calciumoxid (CaO) durch MgO kann die Viskosität der Glasschmelze bei hohen Temperaturen erhöht, die Aushärtungsgeschwindigkeit verlangsamt und die Gelierzeit verlängert werden. Dies verbessert die Glasformeigenschaften und reduziert die Kristallisationsneigung. Calcium-, Magnesium- und zweiwertige Erdalkalimetalloxide verbessern die chemische Stabilität des Glases und verhindern, dass das Produkt bei längerer Einwirkung von Feuchtigkeit schimmelt. Im Allgemeinen sollte der Ersatzanteil unter 3 % liegen, da ein Anteil über 3 % das Schmelzen und Formen des Glases beeinträchtigt. Früher ging man davon aus, dass Dolomit und Kalkstein aufgrund ihrer feinen Partikel besser schmelzen. Mit zunehmender Erforschung des Mechanismus der Hochtemperatur-Glasherstellung wird deutlich, dass sich Dolomitpartikel um die großen Siliciumdioxidpartikel anlagern und so die Teilnahme des Sandes an der Reaktion verhindern. Gleichzeitig werden die gröberen Kalksteinpartikel zu Beginn der Silikatreaktion nicht von der Primärphase benetzt. Dadurch kann die Primärschmelze ungehindert durch die Zwischenräume zwischen den großen Dolomit-, Kalkstein- und Siliciumdioxidpartikeln fließen und die umgebenden Partikel benetzen, was die Silikatreaktionsgeschwindigkeit weiter erhöht. Im späteren Verlauf tragen die bei ihrer schnellen Zersetzung und ihrem Schmelzen freigesetzten Gase zur Klärung und Homogenisierung der Glasschmelze bei. Es wurde festgestellt, dass sich die Schmelz- und Klärungseigenschaften des Glases deutlich verbessern, wenn die Partikelgröße beider Mineralien auf 2,5 mm ansteigt. Bei einer Partikelgröße über 3 mm verschlechtern sich diese Eigenschaften hingegen deutlich. Daher sollte die maximale Partikelgröße von Dolomit und Kalkstein in einem bestimmten Bereich gehalten werden. Derzeit geht der Trend zur Verwendung von grobkörnigem Dolomit und Kalkstein. In der praktischen Produktion wird bei der Berechnung der Glasrezeptur Dolomit zur Anreicherung mit Magnesiumoxid (MgO) verwendet, während fehlendes Calciumoxid (CaO) durch Kalkstein oder Calcit ergänzt wird. Enthält die Glaszusammensetzung kein CaO, kann Dolomit nicht zur Anreicherung von MgO im Glas eingesetzt werden; stattdessen sollte Magnesiumcarbonat zur Anreicherung von MgO verwendet werden. Die Qualitätsanforderungen für Dolomit sind: MgO ≥ 20 %, CaO < 32 %, Fe₂O₃ < 0,15 %. (7) Einführung von Bariumoxid-Rohmaterial: Bariumoxid (BaO) hat in der Glasherstellung im Wesentlichen die gleiche Funktion wie CaO und MgO. Bariumhaltiges Glas zeichnet sich durch guten Glanz und eine hohe Dichte aus. In der Regel enthält farbiges Flaschenglas 0,5 % bis 1 % BaO, um den Glanz zu verbessern. BaO beschleunigt das Schmelzen und die Klärung und verhindert die Kristallisation des Glases. Bei zu hoher Dosierung kann es jedoch aufgrund der Reaktion 2BaO + 10O₂ → 2BaO₂ zu Problemen bei der Glasklärung kommen, und Tiegel und feuerfeste Materialien weisen eine stärkere Erosion auf. Natürliches Bariumsulfat (BaSO₄), auch bekannt als Baryt, weist starke Schwankungen und einen hohen Verunreinigungsgehalt auf und wird nur für Glas verwendet, das bestimmte Qualitätsanforderungen erfüllt. Industrielles BaSO₄ wird hauptsächlich in Fluorglas und Imitationsglas für Flaschen verwendet, um eine relativ schwache Opazität zu erzielen. Bei zu hoher Dosierung kann es jedoch zu unerwünschten Nebenwirkungen kommen, beispielsweise bei der Herstellung von Wasserglas, feuerfesten Materialien, Tiegeln, Formen und der Produktqualität. Für die Herstellung von Flaschen und Dosen wird üblicherweise industrielles Bariumcarbonat verwendet. Da bariumhaltige Rohstoffe eine gewisse Toxizität aufweisen, ist beim Mischen besondere Vorsicht geboten. Die Qualitätsanforderungen für industrielles Bariumcarbonat sind: BaSO₄ 97 %, Fe₂O₃ 40,1 % und säureunlösliche Bestandteile 3 %.
Veröffentlichungsdatum: 14. April 2020