DE10062187B4

DE10062187B4 - Verwendung einer Vorrichtung zum Keramisieren des Ausgangsglases einer Glaskeramik

Info

Publication number: DE10062187B4
Application number: DE10062187A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hahn; Andreas Dr. Langsdorf; Ullrich Dr. Fotheringham; Hauke Dr. Esemann; Bernd Hoppe; Sybill Dr. Nüttgens
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: FR2818269B1; DE10062187A1; US6710306B2; CN1232460C; CN1358681A; US20020096649A1; JP2002284539A; FR2818269A1

Abstract

Verwendung einer Vorrichtung zum Keramisieren eines Ausgangsglases einer Glaskeramik, sogenanntes Grünglas, umfassend
1.1 eine Leviationsunterlage (1.2) zum Aufnehmen des Grünglases (3) und zum Zuführen von Levitationsgas;
1.2 eine IR-Strahlungseinrichtung (B) zum Erwärmen des Grünglases (3) bis zum Erreichen der gewünschten Keramisierung.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Keramisierens des Ausgangsglases einer Glaskeramik. Dabei wird das Ausgangsglas auch Grünglas genannt.

Es ist bekannt, ein solches Ausgangsglas in einem herkömmlichen Konvektionsofen oder Strahlungsofen zu keramisieren. Das Glas ist meist scheibenförmig. Es wird auf eine Trägerplatte aufgelegt, die aus einem gesinterten Quarzglaspulver oder -gries bestehen kann, einem porösen Material.

Beim Aufheizvorgang dehnt sich das glasige Material allseitig aus, während die Trägerplatte infolge ihres kleinen Ausdehnungskoeffizienten relativ dimensionsstabil bleibt. Somit findet zwischen dem Ausgangsglas und der Trägerplatte eine Relativbewegung statt, was zu Kratzern am Glas und damit zu Qualitätsverschlechterungen des Produktes führen kann. Der größte Teil der Relativbewegung (Ursache der Kratzer) wird durch das Schrumpfen verursacht. Das Aufheizen des Ausgangsglases erfordert außerdem erhebliche Wärmemengen und beansprucht relativ große Zeiträume.

DE 28 03,455 A1 beschreibt ein Verfahren zum Keramisieren eines Ausgangsglases einer Glaskeramik. Dabei wird Grünglas hergestellt, auf einer Levitationsunterlage durch Zufuhr von Levitationsglas in einen Schwebezustand versetzt, und im Schwebezustand solange durch IR-Strahlung erwärmt, bis die gewünschte Keramisierung eingetreten ist.

DE 299 05 385 U1 behandelt das Keramisieren von Grünglas. Hierbei wird eine IR-Strahlung angewandt. Es wird eine Glasplatte auf eine Unterlage gelegt und von oben her bestrahlt.

Dabei wählt man gemäß der genannten Druckschrift eine Unterlage, die annähernd denselben Ausdehnungskoeffizienten wie das zu behandelnde Grünglas selbst hat. Diese Maßnahme soll dazu dienen, Beschädigungen der kontaktierenden Fläche der Grünglasplatte zu vermeiden. Dies gelingt mit der bekannten Maßnahme zwar auch, jedoch weist das behandelte Produkt Inhomogenitäten auf, deren Ursache nicht erkennbar war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Keramisierungsprozeß des Ausgangsglases einer Glaskeramik derart zu gestalten, daß die hierzu benötigte Energiemenge deutlich verringert werden kann, und daß Oberflächendefekte durch Kontakt mit einer Trägerplatte vermieden werden. Gleichzeitig soll das behandelte Glasprodukt eine möglichst perfekte Oberfläche ohne sogenannte Pits aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Es wird somit eine Gasfilmlevitation mittels eines Gaspolsters erzeugt, das sich zwischen dem Ausgangsglas und einer tragenden Unterlage aufbauen läßt. Das Ausgangsglas befindet sich während der gesamten Keramisierungszeitspanne in der Schwebe, so daß keine Abdrücke oder Relativbewegungen der tragenden Unterlage aufbauen läßt. Das Ausgangsglas befindet sich während der gesamten Keramisierungszeitspanne in der Schwebe, so daß keine Abdrücke oder Relativbewegungen der tragenden Unterlage störend auf das Grünglas einwirken können. Außerdem wird ein Kleben des Glases an der tragenden Unterlage vermieden.

Durch Anwenden kurzwelliger IR-Strahlung zur Erwärmung, wie in DE 299 05 385 U1 beschrieben, läßt sich die Zeitspanne zum Aufheizen und damit auch zum Keramisieren drastisch verringen. Die Folge davon ist, daß auch die Zeitspanne der Levitation verringert wird, und damit der für die Levitation erforderliche Energieaufwand.

Das zur Levitation verwendete Gas kann gleichzeitig dazu ausgenutzt werden, eine definierte Atmosphäre zu schaffen. Auch kann das Levitationsgas zur Homogenisierung der Temperatur dienen.

Der erfindungsgemäße Prozeß ist selbst-stabilisierend. Er läuft sehr schnell ab, sowie sehr homogen. Das Produkt wird entsprechend hochwertig.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird das Ausgangsglas zunächst auf konventionelle Weise hergestellt, sodann in eine Levitationsunterlage überführt, in der Levitationsunterlage vorgeheizt, beispielsweise mittels IR-Strahlung, und zwar auf eine Temperatur, die unterhalb der Klebetemperatur des Glases liegt. Sodann wird ein Wärmestoß auf das Ausgangsglas aufgebracht, und zwar mittels Infrarot-Strahlung bei gleichzeitiger Gaszufuhr, so daß sich das Ausgangsglas in der Schwebe befindet, und schließlich – gegebenenfalls nach Überschreiten der kritischen Klebetemperatur und Vollenden der erwünschten Keramisierung, an eine weiterverarbeitende Station abgegeben wird.

Bei diesem Gedanken erfolgt das Aufheizen des Ausgangsglases somit in zwei Phasen. In der ersten Aufheizphase wird das Ausgangsglas auf eine Temperatur aufgeheizt, die unterhalb der kritischen Klebetemperatur liegt. In der zweiten Aufwärmphase wird die Klebetemperatur überschritten und erreicht den zur Keramisierung hohen Temperaturwert. Die zweite Phase kann auch unterhalb der Klebetemperatur stattfinden.

Die Erfindung bringt die folgenden Vorteile mit sich:

– Die erste Aufheizphase des Grünglases verursacht keinerlei technische Probleme. Art und Dauer der ersten Aufheizphase sind unerheblich und daher unproblematisch. Während der ersten Aufheizphase bedarf es keiner Gaslevitation.
– Die zweite Aufheizphase erfolgt durch Wahl des Aufheizmittefs – nämlich einer IR-Strahlungseinrichtung – äußerst schnell. Diese zweite Aufheizphase bedarf im allgemeinen weniger als eine Minute. Somit sind entsprechend kürzere Haltezeiten auf der Gaslevitationsmembran notwendig (die Keramisierung bei dieser Temperatur dauert wesentlich länger). Etwaige Kontakte zwischen Grünglas und Wandung der Membran sind derart minimal, falls überhaupt vorhanden, daß Verklebungen nicht oder nur im geringsten Maße auftreten. Vor allem treten keine Kratzer auf.
– Die zur Levitation notwendige Energie ist wegen der geringen Zeitspanne der zweiten Aufheizphase gering.
– Der Energieverlust infolge des Überganges von Wärme von dem nunmehr sehr heißen Grünglas auf die relativ kalte Umgebung (Membran) ist wegen der durch den Luftspalt verringerten Wärmeleitung ebenfalls gering.

Im Gegensatz zu dem Stande der Technik wird ausschließlich das Grünglas aufgeheizt, nicht aber die Umgebung, und somit auch nicht die Membran, so daß sich eine weitere Energieeinsparung gegenüber konventionellen Verfahren und Vorrichtungen ergibt.

Die beiden erfindungsgemäßen Elemente – Levitation einerseits und Anwendung der IR-Strahlung andererseits – sind in ihrer Kombination entscheidend wichtig. Würde man das Aufheizen nur mit einer konventionellen Erwärmung auf einer normalen Unterlage (ohne Levitation) durchführen, so hätte man die Klebeproblematik, da in diesem Fall die Unterlage über Wärmeleitung und Wärmeübergang die Temperatur des zu erwärmenden Glases annimmt.

Das zur Levitation genutzte Gas kann gleichzeitig zur Schaffung einer definierten Atmosphäre und auch zur Temperaturhomogenisierung (vgl. Hochkonvektionsöfen) verwendet werden. Als Membran, durch die das Gas zugeführt wird, verwendet man poröse Materialien oder perforierte Platten. Hierbei muß zum einen gewährleistet sein, daß eine ausreichende Gasdurchlässigkeit vorliegt und zum anderen muß die Membran IR-Strahlung ausreichend reflektieren. Ein geeignetes Material für eine solche Kombination ist zum Beispiel ein poröser Quarzalschaum. Dieses Material hat eine ausreichende Gasdurchlässigkeit, so daß eine Glas- oder Glaskeramikplatte zum Schweben gebracht werden kann und besitzt eine ausreichende hohe Reflektivität für IR-Strahlung. Es kann jedoch auch eine perforierte Platte beispielsweise aus Quarzal, verwendet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Levitationsunterlage aus einem Membranmaterial besteht, gebildet aus porösen Materialien von Al₂O₃, BaF₂ , BaTiO₃ , CaF₂, CaTiO₃, MgO × 3.5Al₂O₃, SrF₂ , SiO₂, SrTiO₃, TiO₂, Spinell, Cordierit, Cordierit-Sinterglaskeramik.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen erläutert. Darin sind drei entscheidende Phasen des erfindungsgemäßen Aufheizprozesses veranschaulicht.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform zur Keramisierung ebener Körper.
2 veranschaulicht den Temperaturverlauf über der Zeit.
3 ist eine schematische Darstellung einer Keramisierungsanlage in Seitenansicht.
4 zeigt den Temperaturverlauf des Keramisierungsprozesses.
5 zeigt eine weitere Keramisierungsanlage.
6 zeigt den zugehörenden Temperaturverlauf des Keramisierungsprozesses.
In 1 erkennt man eine Trägerplatte 1 als Levitationsunterlage. Die Trägerplatte 1 trägt eine Membran 1.2 aus porösem Material. Trägerplatte 1 und Membran 1.2 befinden sich in einem Gehäuse 2 mit einem Lufteinlaß 2.1 und einem Luftauslaß 2.2. Die Trägerplatte 1 weist einen Gasanschluß 1.1 auf. Über der Membran 1.2 befindet sich ein Ausgangsglas 3 in Gestalt einer Glasscheibe.
Das Gehäuse 2 umschließt Wände 2.3, die stark IR-reflektierende Eigenschften haben. Die Vorrichtung umfaßt eine Reihe von IR-Strahlern, die aber hier nicht dargestellt sind.
Durch den Gasanschluß 1.1 wird ein Gas eingeleitet, das durch die offenen Poren der Membran 1.2 hindurchtritt. Zwischen der oberen Fläche der Membran 1.2 und der unteren Fläche des Vorformlings 3 bildet sich ein Luftpolster. Der Vorformling schwebt auf diesem Luftpolster so lange, bis die Keramisierung vollendet ist.
Die Vorrichtung ist sowohl für chargenweisen Betrieb geeignet, als auch für kontinuierlichen Betrieb. So kann das Gehäuse 2 als langgestreckte Kammer ausgeführt sein, mit einem Einlaß an der einen Stirnseite und einem Auslaß an der anderen Stirnseite. Die beiden Stirnseiten sind mit Einlaßschlitzen versehen, die in ihrer Anordnung und Gestalt dem Vorformling entsprechen.
Die Glasscheibe 3 muß nicht unbedingt eben sein. Sie kann auch eine Mulden- oder Schalenform aufweisen, so wie gestrichelt dargestellt, siehe die Glasschreibe 3.1. Die obere Fläche der Membran 1.2 hat in einem solchen Falle einen geometrisch ähnlichen Verlauf. Auch hier ist wiederum ein chargenweiser als auch ein kontinuierlicher Betrieb möglich.
2 veranschaulicht den Verlauf der Temperatur des Glases über der Zeit. Dabei zeigt die gestrichelte Linie den Temperaturverlauf dann, wenn man aus einer Schmelze arbeitet.
Als Levitationsgas kommt ein inertes Gas in Betracht, das sich gegenüber dem Material des Glases sowie auch gegenüber dem Material der Levitationsmembran unauffällig verhält.
Die in 3 dargestellte Anlage dient dem Keramisieren eines Glasbandes 3 nach Formgebung durch Walzen, Floaten, Ziehen oder dergleichen.
Die wichtigsten Elemente sind wiederum eine poröse Membran 1.2, eine Mehrzahl von IR-Strahlern 4 sowie ein Gehäuse 2. Das Gehäuse weist einen Einlaßspalt 2.4 und einen Auslaßspalt 2.5 für den Eintritt beziehungsweise den Austritt des Glasbandes auf.
Wie man sieht, ist der eigentlichen Keramisierungszone eine Förderstrecke vorgeschaltet, umfassend zwei Einzugswalzen 5.1, 5.2 sowie eine Anzahl von Leitwalzen 5.3, 5.4, 5.5.
In Förderrichtung hinter der Keramisierungszone befindet sich eine Trenneinrichtung 5, die das Glasband 3 in einzelne Abschnitte zerlegt.
4 veranschaulicht den Temperaturverlauf des Prozesses der Keimbildung mit anschließender Keramisierung, wobei auf der Ordinate die Temperatur und auf der Abszisse die Wegstrecke aufgetragen sind.
Die Anlage gemäß 3 zeichnet sich durch die folgenden Vorzüge aus:
Die Formgebungswärme, die noch im Glasband enthalten ist, wird ausgenutzt, so daß der Energiewirkungsgrad optimal ist. Weiterhin läßt sich mit der Anlage ein kontinuierlicher Prozeß durchführen, bei welchem nicht einzelne Platten, sondern ein zusammenhängendes Glasband, keramisiert wird. Auch bei Schrumpfung des Glasmateriales im Bereich der Leitwalzen findet keine Materialbeschädigung statt.
Im Gegensatz zu der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der Anlage gemäß 5 um den Durchlauf einzelner Platten 3.1 durch die Keramisierungszone. Infolge der Anwendung von IR-Strahlung durch die IR-Strahler 4 geht die Aufheizung auf Keimbildungstemperatur sehr rasch vonstatten. Sie dauert im allgemeinen nur etwa eine Minute. Es findet eine Volumenheizung statt, die eine kurze Keramisierungszeit ermöglicht, weil durch eine die Strahlung mehrfach-reflektierende Kammer eine gute Homogenität erreichbar ist.
Im allgemeinen wird es sich bei der Erfindung um die Behandlung von flächigen Materialien handeln, und zwar sowohl um ebene als auch um gekrümmte flächige Körper, beispielsweise schalenförmige Körper. Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Auch anders gestaltete Körper sind der Behandlung durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungweise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zugänglich.

Claims

Verwendung einer Vorrichtung zum Keramisieren eines Ausgangsglases einer Glaskeramik, sogenanntes Grünglas, umfassend 1.1 eine Leviationsunterlage (1.2) zum Aufnehmen des Grünglases (3) und zum Zuführen von Levitationsgas; 1.2 eine IR-Strahlungseinrichtung (B) zum Erwärmen des Grünglases (3) bis zum Erreichen der gewünschten Keramisierung.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der IR-Strahlungseinrichtung (B) eine Einrichtung zum Aufheizen des Grünglases (3) bis unter die Klebetemperatur vorgeschaltet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 3.1 die Infrarot-Strahlungseinrichtung (B) umfasst eine Strahlungskammer mit kurzwelligen Halogen-IR-Strahlern mit einer Farbtemperatur von vorzugsweise 2000K, bevorzugt 2400, 2700, 3000K; 3.2 die Wände der Strahlungskammer haben eine Reflektivität von mehr als 80 %, insbesondere mehr als 90 %.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Levitationsunterlage (1.2) ebenfalls stark reflektierend ist, mit einer Reflektivität von mehr als 80 %, vorzugsweise mehr als 90 %.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 5.1 es ist eine langgestreckte Kammer (2) vorgesehen, die die Levitationsunterlage (1.2), das Grünglas (3) sowie die IR-Strahlungsrichtung (B) aufnimmt; 5.2 die Kammer weist an ihrer Stirnseite einen Einlass und an ihrer anderen Stirnseite einen Auslass für das Hindurchführen des Grünglases (3) auf.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Levitationsunterlage (1.2) aus einem Membranmaterial besteht, gebildet aus porösen Materialien von Al₂O₃, BaF₂, BaTiO₃, CaF₂, CaTiO₃, MgO × 3.5Al₂O₃, SrF₂, SiO₂, SrTiO₃, TiO₂, Spinell, Cordierit, Cordierit-Sinterglaskeramik.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Membranmaterial perforiertes Material verwendet wird, das selbst IR-reflektierend oder mit IR-reflektierendem Material beschichtet ist.