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Reaktionsformel
Beim Normalglas handelt es sich (natürlich je nach Sorte etwas unterschiedlich zusammengesetzt) um ein Natrium/Kalium/Calcium(meta)silicat. Geschrieben wird es
(2 Na, 2 K, Ca)SiO3
Mit der Klammer drückt man aus, daß die Metall-Ionen sich ersetzen und in wechselnden Mengen vorliegen können. Das ist ein gängiges Verfahren auch beim Beschreiben von Mineralien.
Die Herstellung von (Normal)Glas
Nachdem die Rohstoffe sorgfältig vorbereitet(gereinigt,kontrolliert) sind, werden sie vermischt und in entsprechende Öfen eingetragen. So genannte Hafenöfen bestehen z. B. aus 16 großen Schmelzgefäßen aus Ton (\"Glashäfen\"), die etwa 400 bis 800 Kilogramm Rohmaterial fassen können. Noch größere Gefäße sind die so genannten Wannenöfen mit einem Fassungsvolumen bis zu 300 Tonnen und mehr. In diesen Schmelzbehältnissen werden die Mischungen zunächst bei Temperaturen bis zu 1 000 °C geschmolzen und anschließend bei Temperaturen bis 1 450 bzw. 1 550 °C geläutert (Beseitigung von Glaseinschlüssen oder Fehlern). Die Öfen werden mit Erdgas, Heizöl und/oder Strom beheizt. Das Rohmaterial wird laufend (kontinuierlich) durch eine Öffnung in den Ofen befördert. Im Gegenzug wird das geschmolzene und verfeinerte Glas am anderen Ende abgezogen. In langen Kühlöfen oder Kühlkammern kühlt die geschmolzene Masse auf die richtige Bearbeitungstemperatur ab und wird anschließend zu den Verarbeitungsmaschinen weitergeleitet.
Schematische Darstellung der Glasherstellung
Möglichkeiten der Reinigung und Farbgebung
Verunreinigungen in den Rohstoffen trüben das Glas. Um eine klare, farblose Masse zu erzielen, fügen die Glashersteller Mangandioxid bei; die durch Eisen im Sand hervorgerufene Grün- und Braunfärbung wird damit entfernt. Allgemein lässt sich Glas färben, indem man bestimmte Metalloxide in das Gemenge mischt. Außerdem lassen sich andere Farbstoffe in mikroskopisch feiner Form in der Glasmasse verteilen. Eine Trübung des Glases erreicht man mit Hilfe von Calciumphosphat, Zinndioxid und Kryolith. Aber auch die Nachbehandlung durch Schleifen oder Sandstrahlen bzw. durch Ätzen (mit Flusssäure) ist üblich.
Hafenöfen
Eine der ältesten Glasschmelzofenkonstruktionen ist der Hafenofen.
Er arbeitet periodisch. Die Bauarten der Hafenöfen sind sehr verschieden. Sie wurden nach den unterschiedlichen örtlichen Bedürfnissen ausgeführt.
Dies ist auch ein Grund dafür, dass es verschiedene Sonderkonstruktionen gibt. Das Glas wird in zylindrischen Gefäßen, den Glasschmelzhäfen, geschmolzen, die im beheizten Ofenteil stehen. Der Ofenquerschnitt kann rechteckig, rund oder ellipsen-förmig sein, die Flammenführung
ist vertikal oder horizontal angeordnet. Hafenöfen werden zum Schmelzen von Sonder- und Spezialgläsern, Farbgläsern, Gläsern mit kleinen Auftragsmengen und Gläsern, die eine spezifische Behandlung
während der Schmelze erfordern, angewendet.
Wegen der unrationellen Ausnutzung der zugeführten Wärmeenergie werden sie immer mehr durch ein System von Kleinstwannen abgelöst.
Hafenöfen werden unterteilt nach:
- der Form des Ofens in Rund - und Rechtecköfen, Ofen mit gewölbten Seitenwänden
- der Anordnung der Brenner in Bütten - und Schlitzbrenner -, Oberflammen - und
Zentralbrennöfen
- dem Beheizungssystem in regenerativ -, rekuperativ - und ölbeheizte Hafenöfen und
Hafenöfen mit elektrischer Zusatzbeheizung
der Anzahl der Glasschmelzhäfen im Ofen
Arbeitsweise eines Hafenofens
Die Arbeitsperiode an einem Hafenofen besteht aus der Phase für die Glasschmelze und der Phase für die Glasverarbeitung.
Dadurch bedingt, dass die Schmelztemperaturen höher als die Verarbeitungstemperaturen sind, wird der Hafenofen, nach der Verarbeitung des Glases durch verstärkte Wärmezufuhr aufgeheizt.
Nach dem Aufheizen werden Gemenge und Scherben in die einzelnen Häfen eingelegt und geschmolzen. Um zu erreichen, dass die Häfen vollständig mit Glas gefüllt werden, ist es notwendig, mehr als zwei Scherben- und Gemengeeinlagen aufzufüllen.
Durch weitere Temperaturerhöhung sowie durch den Zusatz physikalischer und chemischer Mittel wird das noch blasige und inhornogene Glas geläutert. Ist das Glas blasenfrei , wird die Wärmezufuhr unterbrochen, wodurch sich das Glas auf die der Verarbeitungszähigkeit entsprechende Temperatur abkühlt. Während der Verarbeitungstemperatur wird das Glas aus den Häfen manuell mittels Glasmacherpfeife oder einer Schöpfkelle entnommen und verarbeitet, oder der gesamte Hafen wird aus dem Ofen genommen und ausgegossen. Die Temperatur wird während dieser Zeit konstant gehalten, um eine Veränderung der Viskosität zu verhindern sowie das Auftreten von Gispen zu vermeiden. Dauer einer gesamten Periode - Einschmelzen und Ausarbeiten - beträgt meistens 24 Stunden, bei schwerschmelzenden Gläsern entsprechend länger.
Hafenöfen sind feuerungstechnisch schwer zu beherrschen, da sich die Regulierung des Feuers innerhalb einer Periode (24 Stunden), bedingt durch Schmelzen, Abstehen und Ausarbeiten, laufend ändert. Glasschmelzhäfen unterliegen durch den Glasangriff und die hohe thermische Beanspruchung einem großen Verschleiß. Daher ist es erforderlich, dass sie nach etwa 50 bis 100 Schmelzen, abhängig natürlich von der zu schmelzenden Glasart und dem verwendeten Hafenmaterial, ausgewechselt werden.
Die verschlissenen Häfen werden manuell oder mit mechanischen Hilfsmitteln aus dem Hafenofen entnommen und auf die Halde gekippt. Zwischenzeitlich, in der Regel etwa acht Tage zuvor werden die einzusetzenden trockenen Häfen ein einem dem Hafenofen stehenden Temperofen nach einem von den Hafenofen abhängigen Aufheizprogramm auf Temperaturen bis etwa 900 o C getempert.
Nach einem Erneuern von verschlissenen Ofenteilen mit Stampf - und Flickmassen, werden die getemperten Häfen in den Schmelzofen übertragen und dort bis etwa 1500 o C sechs Stunden dichtgebrannt . Anschließend werden die Scherben zum schmelzen derartig eingelegt, dass an den Innenflächen des Hafens eine dünneschichtige Glasur einsteht. Erst danach ist nach einer erneuten Scherbeneinlage das Einlegen des Gemenges und der Beginn der ersten Schmelze möglich
Bearbeitungstechniken
Es gibt sechs grundlegende Verarbeitungsmethoden für Glas in plastischem Zustand: Gießen, Blasen, Ziehen, Pressen, Walzen und Floaten. Damit lässt sich eine unendliche Formenvielfalt erzielen. Die Formgebungstemperaturen liegen zwischen 900 und 1200 °C.
Gießen
Bei dieser bereits im Altertum bekannten Technik wird das geschmolzene Glas in eine Form gegossen. In einem besonderen Verfahren wird die Glasschmelze auf Walzen gegossen und zu einem langen Band gewalzt, das man anschließend langsam abkühlen lässt. Bei so genanntem Drahtglas wird ein Drahtgeflecht vor dem Abkühlen in die Schmelze eingelegt. Walzen mit einer besonderen Prägung auf der Oberfläche dienen zur Erzeugung von Ornamentgläsern. Auf diese Art wurden z. B. auch Kirchenfenster hergestellt. Beim so genannten Schleuderverfahren gießt man die noch geschmolzene Mischung in eine sich schnell drehende Form und erhält so die gewünschte Gestalt. Dieses Verfahren dient zur Produktion von Hohlglasartikel wie z. B. Fernsehbildröhren.
Glasblasen
Die revolutionäre Entdeckung, dass Glas aufgeblasen und in jede beliebige Form gebracht werden kann, wurde von den Phöniziern im 2. Jahrhundert v. Chr. gemacht. Die Glasbläserei verbreitete sich bald und blieb bis in das 19. Jahrhundert die wichtigste Technik zur Erzeugung von Glasgefäßen. Glasmacherpfeifen sind etwa 1,20 Meter lang und mit einem Mundstück versehen. Der Glasbläser nimmt mit dem Ende seiner Pfeife eine kleine Menge geschmolzenes Glas, den so genannten Glasposten, auf und wälzt ihn auf einer Holz- oder Metallplatte hin und her (Marbeln), um ihm die äußere Form zu geben und die Glasmasse etwas abkühlen zu lassen. Anschließend bläst er in die Pfeife und erweitert dadurch den Glasposten zu einer Blase, dem so genannten Külbel. Von da an kann er durch wiederholtes Erhitzen am Ofen, Blasen und Marbeln das Stück so lange bearbeiten, bis es die gewünschte Form und Stärke hat. Heutzutage nutzt man außerdem so genannte pneumatische Pfeifen, die mit Pressluft betrieben werden. Zur Herstellung von Hohlglasprodukten lässt sich das Glas auch in eine entsprechende Form blasen: Dabei gibt es die Möglichkeit, dem Posten mit einer Form ein Muster aufzudrücken, die Form dann zu entfernen und das Glas zur gewünschten Größe aufzublasen. Oder man bläst den Posten ganz in eine Form hinein, wodurch er deren Größe, Gestalt und Dekor erhält. Danach lassen sich weitere Posten anbringen, die zu Stielen, Henkeln und Füßen modelliert oder in anderer Weise weiterbearbeitet werden. Indem man eine bereits geformte Blase in flüssiges, anders gefärbtes Glas taucht, kann man sie \"überfangen\". \"Eingeschlossenes\" Glas erhält man, wenn ein Posten in eine oder mehrere Schichten verschiedenfarbiges Glas eingeführt und damit verbunden wird. Für abschließende Arbeiten und die Feuerpolitur am Ofen wird das Kübel auf der Seite, die der Pfeife gegenüberliegt, mit einem Metallstab, dem Hefteisen, verbunden und von der Pfeife abgenommen. Nach dem Abschlagen des Hefteisens bleibt eine Heftnarbe zurück, die später weggeschliffen oder poliert wird.
Flüssiges Glas kann direkt am Ofen zu den verschiedensten Objekten gezogen werden: zu Röhren, Platten, Fasern und Stäben, die denselben Durchmesser haben müssen. Röhren werden hergestellt, indem man eine zylindrische Masse halbflüssigen Glases zieht und gleichzeitig durch das Zentrum des Zylinders einen Luftstrom schickt.
Walzen
Tafel- und vor allem Spiegelglas wurden ursprünglich erzeugt, indem man die Glasschmelze auf eine glatte Oberfläche goss, das Rohprodukt glatt strich und anschließend polierte.
Abkühlvorgang
Nach dem Formen werden die Glasgegenstände kontrolliert gekühlt, um innere Spannungen auszugleichen, die durch das unterschiedlich schnelle Erkalten der verschiedenen Schichten des Glases entstehen (siehe Glühen). Dazu wird das Glas in einem Ofen noch einmal erhitzt - diesmal auf eine Temperatur, die gerade so hoch ist, dass Spannungen abgebaut werden - und dann langsam abgekühlt. Spannungen können aber auch mit Absicht erzeugt werden, um das Glas widerstandsfähiger zu machen. Da Glas bricht, wenn die Zugbeanspruchung zu groß ist, komprimiert man die Oberfläche und vergrößert dadurch die Zugbeanspruchung, die das Material tolerieren kann. Mit dem so genannten Glastempeln erreicht man die gewünschte Spannung der Oberfläche, indem man das Glas so weit erhitzt, bis es fast weich ist, und dann durch einen Luftstoß oder Eintauchen in Flüssigkeit schockartig abkühlt. Die Oberfläche wird sofort hart, und die nachfolgende Kontraktion der inneren Schichten, die langsamer abkühlen, zieht die Oberfläche zusammen. Mit dieser Methode lassen sich in dicken Glasplatten Dichten bis zu 2 460 Kilogramm pro Quadratzentimeter erzielen. Daneben sind chemische Methoden entwickelt worden: Die Zusammensetzung oder die Struktur der Glasoberfläche wird durch Ionenaustausch so verändert, dass die Dichte des Materials zunimmt. Damit lässt sich eine Zugfestigkeit von über 7 000 Kilogramm pro Quadratzentimeter erreichen.
Floating
Die Glasschmelze schwimmt auf einem Zinnbad. Die Oberfläche des Glases wird so glatt, das es zur Herstellung von Spiegeln geeignet ist.
Physikalische Eigenschaften von Glas:
Je nach Zusammensetzung kann Glas bereits bei einer Temperatur von
500 °C, aber auch erst bei 1 650 °C schmelzen. Die Zugfestigkeit, die normalerweise zwischen 280 und 560 Kilogramm pro Quadratzentimeter beträgt, kann bei speziell behandeltem Glas 7 000 Kilogramm pro Quadratzentimeter überschreiten. Die relative Dichte geht von 2 bis 8 bzw. von einem Wert, der unter dem von Aluminium liegt, bis zu der Dichte von üblichem Stahl. Ähnlich weit auseinander liegende Werte gelten für die optischen und elektrischen Eigenschaften.
Ausgangsstoff: Normalglas
Druckfestigkeit: 900 N/mm²
Zugfestigkeit : 30 N/mm²
Biegefestigkeit 30 N/mm²
Temperaturwechselbeständigkeit: 40 K
Wärmedehnung: 0,01 mm * k * m
Vergleich: Alu 0,023 mm * k * m
Stahl 0,013 mm * k * m
Plexi 0,07 mm * k * m
Wärmeleitung: 0,81 W/m*K
Vergleich: Alu 204 W/m*K
Holz 0,14 W/m*K
Putz 0,87 W/m*K
Spezifische Wärme: 0,8 J/kgK
Vergleich
Wasser 4,2 J/kgK
Luft 1,3 J/kgK
Brechungsindex 1,52
Elek. Leitfähigkeit 109 - 1010 Ohm/cm
Wegen der geringen elektrischen Leitfähigkeit gilt Glas als Isolator
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