DE102020119006A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Glasbarrens aus einer optischen Glaszusammensetzung - Google Patents

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Lenka Deneke
Johann Faderl
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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Glasbarren (2) nach dem Stranggießverfahren, wobei aus einem Speiser (3) schmelzflüssiges optisches Glas in eine Form (4) eingespeist und ein Glasstrang (6) gebildet wird, der über ein Transportband (7) einer Kühlvorrichtung (9) und anschließend einer Schnittvorrichtung zugeführt wird, in der der abgekühlte Glasstrang (6) in einzelne Glasbarren (7) zerteilt wird, wobei spätestens vor dem Zuführen des Glasstrangs (6) in die Kühlvorrichtung (9), die Projektion einer äußeren Hülle des Glasstrangs (6) mittels einer berührungslosen Messeinrichtung (10) kontinuierlich ermittelt wird, und anhand der erhaltenen Werte die Parameter Speisertemperatur und/oder Transportbandgeschwindigkeit eingestellt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur kontinuierlichen Herstellung eines Glasbarrens, insbesondere bestehend aus einer optischen Glaszusammensetzung. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Glasbarren sowie die Verwendung des Glasbarrens zur Herstellung optischer Elemente.
  • Die Barrenfertigung von Gläsern, insbesondere von optischen Gläsern, ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt und erfolgt typischerweise durch ein horizontales Stranggießverfahren, bei dem das aus einem Speiser entnommene schmelzflüssige Glas in eine Form, den sog. Barren-Ziehschacht, eingespeist wird. Das zumeist mittig in den Barren-Ziehschacht eingespeiste schmelzflüssige Glas läuft breit aus und bildet einen Glasstrang aus, der im weiteren Verlauf über eine Transporteinrichtung, z.B. ein Transportband, einer Kühlvorrichtung zugeführt wird.
  • Hinsichtlich der Qualitätsanforderung sind bei der Barrenfertigung die Aspekte der Formhaltigkeit des Barrenquerschnitts, Vermeidung von Rissen und Einzügen sowie eine möglichst hohe optische Homogenität ohne Schlieren von besonderer Bedeutung.
  • Insbesondere das Erreichen einer möglichst hohen optischen Homogenität ist derzeit - rein verfahrenstechnisch - nicht umsetzbar, da es an Messeinrichtungen fehlt, die eine unmittelbare Steuerung des Prozesses erlauben.
  • Die bisher aus dem Stand der Technik bekannten Messmethoden erlauben lediglich eine diskontinuierliche Messung am Ende des Fertigungsprozesses, d.h. nach dem der Glasstrang den Temperofen durchlaufen hat und in einzelne Glasbarren zerteilt wurde. Die Messung am kalten Ende des Glasstrangs bedingt jedoch, aufgrund Durchlaufzeiten von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden durch den Temperofen, eine Totzeit der Messwerte.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren sowie eine Anlage bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Anlage bereitzustellen, mit dem Glasbarren herstellbar sind, die eine möglichst hohe Homogenität aufweisen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur kontinuierlichen Herstellung von Glasbarren, die aus einer Glaszusammensetzung bestehen, geeignet und erfolgt nach dem Stranggießverfahren. Dabei wird zunächst aus einem Speiser schmelzflüssiges Glas in eine Form eingespeist und ein Glasstrang gebildet, der über eine Transporteinrichtung, insbesondere ein Transportband, einer Kühlvorrichtung und anschließend einer Schnittvorrichtung zugeführt wird, in der der abgekühlte Glasstrang in einzelne Glasbarren zerteilt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass spätestens vor dem Zuführen des Glasstrangs in die Kühlvorrichtung, die Projektion einer äußeren Abmessung des Glasstrangs mittels einer berührungslosen Messeinrichtung kontinuierlich ermittelt wird, und anhand der erhaltenen Werte die Parameter Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit, insbesondere Transportbandgeschwindigkeit, eingestellt werden.
  • In gleicher Weise sieht die Erfindung eine Anlage zur kontinuierlichen Herstellung von Glasbarren vor, die aus einer Glaszusammensetzung bestehen. Die Anlage umfasst einen Speiser zur Einspeisung von schmelzflüssigem Glas in eine Form, vorzugsweise eine Wanne oder eine Rinne, so dass ein Glasstrang gebildet wird, eine Transporteinrichtung, insbesondere ein Transportband, zum Transportieren des Glasstrangs, eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Glasstrangs sowie eine Schnittvorrichtung, in der der abgekühlte Glasstrang in einzelne Glasbarren zerteilbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anlage eine vor der Kühlvorrichtung angeordnete Messeinrichtung umfasst, mit der die Projektion einer äußeren Abmessung des, insbesondere auf der Transporteinrichtung befindlichen, Glasstrangs berührungslos und kontinuierlich ermittelbar ist, so dass anhand der erhaltenen Werte die Parameter Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit einstellbar sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, dass durch die kontinuierliche Überwachung der maximalen Ausdehnung des heißen Glasstrangs eine Stabilisierung des Verfahrens durch direkte Nachjustierung der Parameter soweit möglich ist, dass Glasbarren mit einer besonders hohen Homogenität, insbesondere hinsichtlich der Barrenhöhe und des Brechungsindex, erzielbar sind.
  • Vorzugsweise weisen die einzelnen Glasbarren eine Varianz des Brechungsindex' nD für den Index bei 589 nm von maximal 0,001, mehr bevorzugt maximal 6*10-4, und ganz besonders bevorzugt maximal 3*10-4 pro Barren oder sogar maximal 0,0001 pro Barren auf. Die Varianz des Brechungsindex ist die Differenz des größten gemessenen Brechungsindex und des kleinsten gemessenen Brechungsindex innerhalb eines Barrens. Der Brechungsindex kann beispielsweise durch Messung des Brechungsindex an wenigstens vier, wenigstens acht, wenigstens zwölf oder wenigstens 20 Stellen, insbesondere in gleichem Abstand über den Barren verteilt, gemessen werden. Ein möglichst homogener Brechungsindex ist besonders für optische Anwendungen des Glases vorteilhaft, da sich aus einem solchen Barren optische Elemente von besonderer Präzision fertigen lassen.
  • In einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der Projektion der äußeren Abmessung des Glasstrangs mittels der erfindungsgemäß eingesetzten Messeinrichtung. Wenn der geformte Glasstrang eine ausreichende Eigenbeleuchtung aufweist und Licht emittiert, kann dieses von der Messeinrichtung detektiert werden. Bei Gläsern, die keine ausreichende Eigenbeleuchtung aufweisen, kann vorteilhafterweise ein Beleuchtungsmittel eingesetzt werden. Hierbei ist im visuellen Bereich zwischen transparenten und opaken optischen Gläsern zu unterscheiden.
  • In einer Ausführungsform, etwa bei transparenten Gläsern, wird eine fokussierende Lichtquelle, z.B. eine Weißlicht-LED-Lichtquelle, derart ausgerichtet, dass sie etwa am Punkt des Speisers fokussiert ist. Dadurch, dass das Glas transparent ist, kann die Lichtleiterfähigkeit ausgenutzt werden. Das von der Lichtquelle in den Glasstrang eingebrachte Licht koppelt aus und ist somit detektierbar.
  • In einer anderen Ausführungsform, z.B. bei opaken Gläsern, also Gläsern, die Licht im visuellen Bereich absorbieren, wird die Lichtquelle derart ausgerichtet, dass eine streifende Beleuchtung ermöglicht wird und insbesondere der Kontrast zwischen Hintergrund und dem beleuchteten Glasstrang maximiert wird.
  • Unter „opaken“ Gläsern werden Gläser verstanden, die an der Beobachtungsposition unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Transmission von weniger als 10% über den Spektralbereich von 380 bis 780 nm aufweisen. Die Transmission ist die Intensität des an der Messeinrichtung einfallenden Lichtes im Verhältnis zu der Intensität des von der Lichtquelle in Richtung der Messeinrichtung emittierten Lichtes. Die Transmission des Glases an der Beobachtungsposition kann bei bekannter Reintransmission des Glases leicht ermittelt werden. Gläser mit einer höheren Transmission werden hierin als „transparent“ betrachtet.
  • Alternativ können auch Beleuchtungsmittel im Nahinfrarot- oder im Ultraviolett-Bereich zur Beleuchtung des Glasstrangs eingesetzt werden, insbesondere wenn die Gläser im jeweiligen Wellenlängenbereich unter den genannten Bedingungen eine Transmission von wenigstens 10% aufweisen.
  • Vorzugsweise ist die Messeinrichtung bzw. die Messrichtung im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des Glasstrangs angeordnet, so dass die Höhenausdehnung des Glasstrangs ermittelbar ist. Es können eine oder mehrere Messeinrichtungen eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Messeinrichtung mit Messrichtung im Wesentlichen quer zur Längsachse des Glasstrangs kann eine zweite Messeinrichtung eingesetzt werden. Die zweite Messeinrichtung kann eine Messrichtung ebenfalls im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des Glasstranges aufweisen. Es sind aber auch andere Anordnungen einer oder mehrerer Messeinrichtungen erfindungsgemäß. Insbesondere lässt sich bei Einsatz von zwei oder mehr Messeinrichtungen eine Triangulationsmessung durchführen. Beispielsweise kann die Dicke des Glasstranges über die Breite, also an verschiedenen Messpunkten entlang der Breitenrichtung des Glasstrangs ermittelt werden.
  • In einer Ausführungsform ist wenigstens eine Messeinrichtung so ausgerichtet, dass sie die Breite des Glasstranges erfassen kann. Beispielsweise kann eine Messeinrichtung im Wesentlichen oberhalb des Glasstranges angeordnet sein.
  • In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die berührungslose Messeinrichtung eine optische Messeinrichtung ist, die besonders bevorzugt in Form einer CMOS-Kamera ausgebildet ist.
  • Eine weitere optische Messeinrichtung zum Ermitteln der Projektion der äußeren Abmessung des Glasstrangs umfasst vorzugsweise ein konfokales Interferometer oder eine Lasereinrichtung, die in einer Ausführungsform nach dem Triangulationsprinzip die Projektion der äußeren Abmessung des Glasstrangs ermittelt. Die Lasereinrichtung kann eine oder mehrere Wellenlängen verwenden, deren Projektionsbild optional als Punkt oder Linie ausgeformt sein kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Messeinrichtung eine radiometrische Messeinrichtung zur Messung einer Absorption von Beta-Strahlung und/oder eine ultraschall-basierte Messeinrichtung, wie beispielsweise Ultraschall-ToF.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird die äußere Abmessung des Glasstrangs mittels einer Bildverarbeitung unter Benutzung von Schwellwert-Differenzierung von Kontrasten ermittelt. Die ermittelten Daten können beispielsweise einem Werker dargestellt werden.
  • Das Vermessen der äußeren Abmessungen des Glasstrangs bzw. dessen Ausdehnung spätestens vor dem Zuführen des heißen Glasstrangs in die Kühlvorrichtung, also direkt vor oder nach der Formgebung, erlaubt somit die Ableitung direkter Messgrößen, wie der maximalen Ausdehnung des Glasstrangs quer zur Zieh- bzw. Transportrichtung oder der zeitlichen Veränderung der maximalen Ausdehnung des Glasstrangs im kontinuierlichen Prozess, und/oder indirekter Messgrößen unter Annahme weiterer Randbedingungen. Indirekte Messgrößen sind, unter Vorgabe von Glasstrangbreite und Transportgeschwindigkeit, der Volumenstrom und, unter Vorgabe der Dichte, der Massenstrom. Die kontinuierliche Überwachung erlaubt somit den Volumenstrom, den Massenstrom und/oder den Durchsatz konstant zu halten.
  • In einer Ausführungsform werden die äußeren Abmessungen des Glasstranges in einem Abschnitt des Herstellungsprozesses ermittelt, in dem das Glas eine Temperatur aufweist, die einer Viskosität zwischen 104 und 1013 dPas entspricht. Die Viskosität eines Glases ist von der Temperatur abhängig. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur wird unter Verwendung der VFT-Kurve (Vogel-Fulcher-Tammann-Gleichung) beschrieben. Wenn dieser Zusammenhang für ein Glas nicht bekannt ist, kann die Messung der Viskosität nach dem auf den jeweiligen Viskositätsbereich anwendbaren Abschnitt der DIN ISO 7884 ermittelt werden.
  • Durch die kontinuierliche Überwachung der Ausdehnung des Glasstrangs wird somit eine Produktion von Übermaß reduziert und die Unterschreitung der Glasstrangausdehnung verhindert, sowie zusätzlich die Höhenschwankung entlang des Barrens verringert.
  • Die Messeinrichtung erlaubt somit aufgrund der Reduzierung der Totzeit die Regelung der Größe Ausdehnung mit den Steuergrößen Transport- bzw. Ziehgeschwindigkeit und/oder Speisertemperatur. Somit ist eine unmittelbare Steuerung möglich, die zu einer besonders hohen Brechwertkonstanz und geringer Schlierenbildung in dem Glasbarren führt. Weiterhin zeigt sich, dass die Glasbarren eine besonders geringe Bruchanfälligkeit aufweisen.
  • Unter dem Begriff „Bruchanfälligkeit“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Sprödigkeit verstanden, die an dem noch heißen und auf der Transporteinrichtung befindlichen Glasstrang ermittelt wird. Zur Bestimmung der Bruchanfälligkeit wird mittels eines metallischen Messtasters ein Riss in dem noch heißen Glasstrang erzeugt, indem dieser mit dem Messtaster angetastet wird. Der Riss entsteht hierbei aufgrund der spontanen Temperaturdifferenz zwischen dem auf Raumtemperatur temperierten metallischen Messtaster und dem ca. 300°C heißen Glasstrang. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass der mittels des metallischen Messtasters erzeugte Riss um bis zu 15 %, vorzugsweise um bis zu 25 %, gegenüber einem Glasstrang reduzierbar ist, der gemäß einem konventionellen Verfahren hergestellt worden ist.
  • Da es bei Verwendung eines Messtasters zum Bruch des Barrens kommen kann, wird in dem Verfahren dieser Erfindung vorzugsweise kein solcher Taster eingesetzt. Vielmehr ist es ein Vorteil dieses Verfahrens, dass die Abmessungen des Barrens ohne Messtaster bestimmt werden können. Dadurch wird das in den Barren zwar reduzierte aber doch vorhandene Bruchrisiko weiter reduziert.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird der Glasstrang vor der Vermessung mittels der berührungslosen Messeinrichtung durch eine Walzeinrichtung mit zumindest einer Unter- und zumindest einer Oberwalze geführt, so dass ein gewalzter Glasstrang gebildet wird. In dieser Ausführungsvariante wird von dem gewalzten Glasstrang die Projektion der äußeren Abmessungen mittels der berührungslosen Messeinrichtung kontinuierlich ermittelt. Anhand der erhaltenen Werte wird neben den Parametern Speisertemperatur und/oder Transportbandgeschwindigkeit zusätzlich der Parameter Abstand zwischen Unter- und Oberwalze eingestellt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird die ermittelte Ausdehnung des Glasstrangs, beispielsweise einem Werker, dargestellt, der einen der Parameter Speisertemperatur, Transportbandgeschwindigkeit und/oder Abstand zwischen Unter- und Oberwalze sodann (z.B. manuell) anhand einer Regelkarte einstellt. Alternativ können einer oder mehrere der Parameter automatisiert über eine Regelschleife eingestellt werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Glasbarren, der insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Der Glasbarren weist eine Varianz des Brechungsindex' nD für den Index bei 589 nm von maximal 0,001, mehr bevorzugt maximal 6*10-4, und ganz besonders bevorzugt maximal 3*10-4 pro Barren oder sogar maximal 0,0001 pro Barren auf. Die Varianz des Brechungsindex ist die Differenz des größten gemessenen Brechungsindex und des kleinsten gemessenen Brechungsindex innerhalb eines Barrens. Der Brechungsindex kann beispielsweise durch Messung des Brechungsindex an wenigstens vier, wenigstens acht, wenigstens zwölf oder wenigstens 20 Stellen, insbesondere in gleichem Abstand über den Barren verteilt, gemessen werden. Ein möglichst homogener Brechungsindex ist besonders für optische Anwendungen des Glases vorteilhaft, da sich aus einem solchen Barren optische Elemente von besonderer Präzision fertigen lassen. Vorzugsweise ist der Glasbarren nach dem hierin beschriebenen Verfahren herstellbar.
  • Der erfindungsgemäße Glasbarren zeichnet sich vorteilhafterweise durch eine exzellente geometrische Eigenschaft aus. Dazu zählt insbesondere eine Formatvarianz des Glasbarrens über die Breite als auch über die Länge. Die Breitenvarianz Bv ist die Differenz zwischen maximaler Breite Bmax und minimaler Breite Bmin eines Barrens. Die Längenvarianz Lv ist die Differenz von maximaler Länge Lmax und minimaler Länge Lmin eines Barrens. Die relative Breitenvarianz ist BV/(0,5*(Bmax+Bmin)). Die relative Längenvarianz ist LV/(0,5*(Lmax+Lmin)).
  • Vorzugsweise weist der Glasbarren eine Breitenvarianz von maximal 4,0 mm, mehr bevorzugt maximal 3,0 mm, und ganz besonders bevorzugt maximal 2,0 mm oder maximal 1,0 mm auf. Eine relative Breitenvarianz beträgt vorzugsweise weniger als 2,0%, insbesondere weniger als 1,0%. Über die Länge zeigt sich vorteilhafterweise eine Längenvarianz von maximal 4,0 mm, mehr bevorzugt maximal 3,0 mm und am meisten bevorzugt maximal 2,0 mm. Eine relative Längenvarianz beträgt vorzugsweise weniger als 1,0%, insbesondere weniger als 0,7% oder weniger als 0,5%.
  • In einer Ausführungsform beträgt die mittlere Breite des Barrens (0,5*(Bmax+Bmin)) wenigstens 50 mm, insbesondere wenigstens 70 mm oder wenigstens 100 mm. Die mittlere Breite kann maximal 500 mm, maximal 300 mm oder maximal 200 mm betragen. In einer Ausführungsform beträgt die mittlere Länge des Barrens (0,5*(Lmax+Lmin)) wenigstens 100 mm, insbesondere wenigstens 150 mm oder wenigstens 200 mm. Die mittlere Länge kann maximal 2000 mm, maximal 1000 mm oder maximal 500 mm betragen.
  • In dem Herstellungsverfahren dieser Beschreibung kann die Länge der Barren leicht durch geeignete Trennung des produzierten Stranges auf die gewünschte Länge erreicht werden. Die Breite kann aufgrund der Breite des Barrenschachtes ebenfalls relativ leicht nach Wunsch eingestellt werden. Die Höhe zu kontrollieren bzw. eine möglichst konstante Höhe einzustellen, ist hingegen wesentlich anspruchsvoller und wird erstmals durch Verwendung der hierin beschriebenen Steuerung des Verfahrens basierend auf der berührungslosen Messung ermöglicht. Somit sind mit dem Verfahren Barren erhältlich, die eine extrem geringe Höhenvarianz aufweisen. Die Höhenvarianz Hv ist die Standardabweichung der Barrenhöhe eines Barrens. Sie kann beispielsweise durch Messung der Barrendicke an wenigstens vier, wenigstens acht, wenigstens zwölf oder wenigstens 20 Stellen, insbesondere in gleichem Abstand über den Barren verteilt, gemessen werden. Die relative Höhenvarianz ist der Quotient aus der relativen Höhenvarianz und der durchschnittlichen Höhe des Barrens (angegeben in %). Die durchschnittliche Höhe ist der arithmetische Mittelwert der zur Ermittlung der Standardabweichung gemessenen Höhenwerte. In einer Ausführungsform beträgt die relative Höhenvarianz des Barrens nicht mehr als 3,0%, nicht mehr als 2,0%, nicht mehr als 1,5% oder nicht mehr als 1,25%. Optional kann die relative Höhenvarianz in einem Bereich von 0,1 bis 3,0%, oder mindestens 0,5% betragen. Ein Barren mit derartig geringer relativen Höhenvarianz eignet sich hervorragend für optische Anwendungen. Die Höhe des Barrens kann beispielsweise wenigstens 10 mm oder wenigstens 15 mm betragen. Optional beträgt die Höhe bis 400 mm, insbesondere bis zu 300 mm oder bis zu 200 mm.
  • Das Glas ist vorzugsweise ein optisches Glas. Das bedeutet, dass das Glas für optische Anwendungen bestimmt ist. In anspruchsvollen optischen Anwendungen können bereits kleine Varianzen in den Eigenschaften eines Glases zu erheblichen Fehlern führen.
  • Vorzugsweise ist die Glaszusammensetzung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus fluorhaltigen Gläsern, phosphathaltigen Gläsern, Fluorphosphatgläsern, Phosphatgläsern, borhaltigen Gläsern, siliziumhaltigen und/oder bleihaltigen Gläsern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist der Glasbarren, oder die daraus hergestellten Gläser, die folgenden Komponenten (in Gew.-%, auf Oxidbasis) auf:
    P2O5 1 -60
    Al2O3 0-30
    B2O3 0-10
    SiO2 0-10
    Alkalimetalloxide 0-15
    MgO 0-10
    CaO 0-25
    BaO 1 -60
    SrO 0-30
    La2O3 0-10
    Gd2O3 0-15
    Y2O3 0-15
    Nb2O3 0-10
    F 0-50
    CuO 0-10.
  • Die Gläser können Sb2O3 und/oder As2O3 in geringen Mengen enthalten, zum Beispiel in Gehalten von jeweils weniger als 0,1 Gew.-%, weniger als 0,03 Gew.-% oder weniger als 0,01 Gew.-%.
  • Die folgende Tabelle zeigt bevorzugte Anteilsbereiche für die erfindungsgemäß einsetzbaren Gläser.
    erster Bereich zweiter Bereich
    P2O5 45-60 50-58
    Al2O3 0,5-5 0,5-5
    B2O3 0-5 0-1
    SiO2 0-10 0-1
    Na2O 1 - 10 3-7
    K2O 1 - 10 5-10
    MgO 5-10 5-10
    CaO 5- 15 8- 12
    BaO 1 -5 1 - 5
    SrO 0-1 0-0,1
    La2O3 0-10 0-1
    Gd2O3 0-15 0-1
    Y2O3 0-15 0-1
    Nb2O3 0-10 0-1
    F 1 - 10 2-5
    CuO 1 - 7 2-5
  • Die Gläser enthalten bevorzugt P2O5 in einem Gehalt von wenigstens 1 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 5 Gew.-% oder wenigstens 10 Gew.-%. Hinsichtlich des maximalen Gehalts P2O5 sind die Gläser jedoch bevorzugt limitiert. Daher enthalten die Gläser bevorzugt höchstens 60 Gew.-%, bevorzugt höchstens 30 Gew.-% und mehr bevorzugt höchstens 25 Gew.-% oder höchstens 15 Gew.-% P2O5.
  • Die Gläser enthalten weiterhin bevorzugt BaO in einem Gehalt von wenigstens 1 Gew.-% oder wenigstens 5 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 10 Gew.-%. Hinsichtlich des maximalen Gehalts BaO sind die Gläser jedoch bevorzugt limitiert. Daher enthalten die Gläser bevorzugt höchstens 60 Gew.-%, bevorzugt höchstens 50 Gew.-% und mehr bevorzugt höchstens 45 Gew.-% BaO. Optional beträgt der Gehalt an BaO höchstens 30 Gew.-% oder höchstens 20 Gew.-%.
  • Ferner enthalten die Gläser bevorzugt Fluor in einem Gehalt von wenigstens 5 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 10 Gew.-%, wenigstens 15 Gew.-% oder wenigstens 25 Gew.-%. Hinsichtlich des maximalen Gehalts an Fluor sind die Gläser jedoch ebenfalls bevorzugt limitiert. Daher enthalten die Gläser bevorzugt höchstens 50 Gew.-%, bevorzugt höchstens 45 Gew.-% und mehr bevorzugt höchstens 40 Gew.-% oder höchstens 35 Gew.-% Fluor.
  • Die Gläser können SiO2 enthalten. Allerdings darf der Anteil nicht zu hoch sein, da es ansonsten zu Kristallisation und Entglasung kommen kann. Daher beträgt der Gehalt an SiO2 bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt höchstens 5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 1 Gew.-%. Ganz besonders bevorzugt sind die Gläser frei von SiO2.
  • Die Gläser können zudem Al2O3 enthalten. Vorzugsweise beträgt der Gehalt wenigstens 1 Gew.-%, weiter bevorzugt wenigstens 2 Gew.-%, wenigstens 5 Gew.-% oder wenigstens 10 Gew.-%. Der Al2O3-Gehalt soll aber auch nicht zu groß sein, da das Gemenge ansonsten nur schlecht aufschmilzt und auch die Kristallisationsneigung der Gläser erhöht ist. Die Gläser weisen daher bevorzugt einen Al2O3-Gehalt von höchstens 30 Gew.-%, bevorzugt höchstens 25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 20 Gew.-% oder höchstens 15 Gew.-% auf.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser B2O3 in einem Gehalt von 0 bis höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt 0 bis höchstens 5 Gew.-%. Mehr bevorzugt enthalten die Gläser B2O3 in einem Gehalt von höchstens 1 Gew.-%. Ganz besonders bevorzugt sind die Gläser frei von B2O3.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser Alkalimetalloxide in einem Gehalt von 0 bis höchstens 15 Gew.-%, bevorzugt 0 bis höchstens 10 Gew.-% oder bis 5 Gew.-%. Mehr bevorzugt enthalten die Gläser Alkalimetalloxide in einem Gehalt von höchstens 1 Gew.-%. Ganz besonders bevorzugt sind die Gläser frei von Alkalimetalloxiden.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser MgO in einem Gehalt von 0 bis höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt in einem Gehalt von 1 bis höchstens 5 Gew.-% oder von 2 bis 4 Gew.-%. Dadurch kann die Schmelztemperatur der Gläser erniedrigt werden.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser CaO in einem Gehalt von 0 bis höchstens 25 Gew.-%, bevorzugt in einem Gehalt von 1 bis höchstens 20 Gew.-% oder von 5 bis 10 Gew.-%, da es ansonsten zu Kristallisation kommen kann.
  • Die Gläser können SrO enthalten, bevorzugt jedoch in Mengen von höchstens 30 Gew.-%, weiter bevorzugt in einem Gehalt von 1 bis höchstens 25 Gew.-%, noch weiter bevorzugt in einem Gehalt von 5 bis höchstens 25 Gew.-%, da es ansonsten zu Kristallisation kommen kann. Optional kann der Gehalt an SrO wenigstens 10 Gew.-% oder wenigstens 15 Gew.-% und/oder höchstens 25 Gew.-% betragen.
  • In einer Ausführungsform enthalten die Gläser relativ hohe Anteile an Erdalkalimetalloxiden (MgO, CaO, BaO, SrO), insbesondere wenigstens 25 Gew.-%, wenigstens 30 Gew.-% oder wenigstens 35 Gew.-% Erdalkalimetalloxide. Der Anteil dieser Komponenten kann auf maximal 60 Gew.-% oder maximal 50 Gew.-%, begrenzt sein. Gläser mit derartigen Inhaltsstoffen eignen sich sehr gut als optische Gläser für anspruchsvolle Anwendungen.
  • Weiterhin können die Gläser CuO enthalten, bevorzugt jedoch in Mengen von höchstens 10 Gew.-%, weiter bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 5 Gew.-%, noch weiter bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 1 Gew.-%. Optional beträgt der Gehalt an CuO von 1 bis 7 Gew.-% oder von 2 bis 5 Gew.-%.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser La2O3 in einem Gehalt von 0 bis höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 1 Gew.-%.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser Gd2O3 in einem Gehalt von 0 bis höchstens 15 Gew.-%, bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 10 Gew.-%.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser Y2O3 in einem Gehalt von 0 bis höchstens 15 Gew.-%, bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 10 Gew.-%.
  • Bevorzugt enthalten die Gläser Nb2O3 in einem Gehalt von 0 bis höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt in einem Gehalt von 0 bis höchstens 5 Gew.-%.
  • Das Glas ist aufgrund der Toxizität und ökologischen Bedenklichkeit der folgenden Komponenten bevorzugt frei von Pb, Cd, Ni und/oder As.
  • Wenn es in dieser Beschreibung heißt, die Gläser seien frei von einer Komponente oder enthalten eine gewisse Komponente nicht, so ist damit gemeint, dass diese Komponente allenfalls als Verunreinigung in den Gläsern vorliegen darf. Das bedeutet, dass sie nicht in wesentlichen Mengen enthalten ist und/oder dem Glas nicht als Glaskomponente zugegeben wird. Nicht wesentliche Mengen sind erfindungsgemäß Mengen von weniger als 1000 ppm, bevorzugt weniger als 500 ppm und am meisten bevorzugt weniger als 100 ppm.
  • Bevorzugt sind die Gläser auch frei von in dieser Beschreibung nicht als Glasbestandteil genannten Komponenten.
  • Bevorzugt weist das Glas einen Brechungsindex nd von wenigstens 1,40, weiter bevorzugt einen Brechungsindex nd von wenigstens 1,45, weiter bevorzugt einen Brechungsindex nd von wenigstens 1,50 auf. Der Brechungsindex sollte jedoch bevorzugt einen Wert von 2,0, weiter bevorzugt einen Wert von 1,80, weiter bevorzugt einen Wert von 1,70 nicht überschreiten.
  • Bevorzugt weist das Glas einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,5 bis 13,7 ppm/K auf, weiter bevorzugt 4,5 bis 6,5 ppm/K, noch weiter bevorzugt 5,0 bis 6,0 ppm/K oder 6,0 bis 13,0 ppm/K auf. Der „thermische Ausdehnungskoeffizient“ oder „CTE“ ist der mittlere lineare thermische Ausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 20°C bis 300°C. Er wird bestimmt gemäß DIN ISO 7991:1987.
  • Die Reintransmission des Glases beträgt in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 600 nm bei einer Probendicke von 10 mm bevorzugt mehr als 60%, weiter bevorzugt mehr als 85%, weiter bevorzugt mehr als 90%, weiter bevorzugt mehr als 93%, weiter bevorzugt mehr als 95%. Unter dem Begriff Reintransmission (Englisch: „Internal Transmission“) wird die Lichttransmission ohne Reflexionsverluste verstanden. Die Reintransmission bzw. der Reintransmissionsgrad kann mit dem Fachmann geläufigen Methoden, zum Beispiel nach DIN 5036-1:1978 gemessen werden. In dieser Beschreibung beziehen sich die Angaben der Reintransmission auf eine Probendicke von 10 mm. Die Angabe einer „Probendicke“ bedeutet nicht, dass das Glas bzw. der Barren diese Dicke hat, sondern gibt lediglich an, auf welche Dicke sich die Angabe der Reintransmission bezieht.
  • Sofern nichts anderes angegeben oder für den Fachmann offensichtlich ist, werden hierin beschriebene Messungen bei 20°C und 101,3 kPa Luftdruck durchgeführt.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem die Verwendung des erfindungsgemäßen Glasbarrens zur Herstellung optischer Elemente ausgewählt aus der Reihe bestehend aus Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, Arrays, optischen Fasern, Gradientenbauteilen und optischen Fenster auf den Gebieten Abbildung, Sensorik, Mikroskopie, Medizintechnik, digitale Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik/Informationsübertragung, Optik/Beleuchtung im Sektor Automotive, für die Solartechnik, Photolithographie, Stepper, Excimerlaser, Wafer, Computerchips und/oder integrierte Schaltungen und elektronische Geräte, die solche Schaltungen und Chips enthalten.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
    • 1 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anlage in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung,
    • 2 einen Teilausschnitt der in 1 gezeigten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Darstellung, und
    • 3 einen Brechwertlauf über die Zeit in Minuten für einen Produktionslauf für ein hier beschriebenes Fluorphosphatglas.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematischer Natur sind und ausschließlich dem Verständnis der Erfindung dienen. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch sind die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombinierbar.
  • In 1 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anlage 1 in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung gezeigt.
  • Die Anlage 1 ist zur kontinuierlichen Herstellung von Glasbarren 2, die beispielsweise aus einer optischen Glaszusammensetzung bestehen, geeignet und umfasst einen Speiser 3 zur Einspeisung von schmelzflüssigem Glas 4 in eine Form 5, beispielsweise eine Wanne oder eine Rinne. Das schmelzflüssige Glas 4 wird in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante mittig in die Form 5 eingespeist und läuft in der Form breit aus, so dass ein Glasstrang 6 gebildet wird. Wie der 1 zu entnehmen ist, wird der Glasstrang 6 im weiteren Verlauf über ein Transportband 7 gemäß der Pfeilrichtung 8 einer Kühlvorrichtung 9, beispielsweise einem Temperofen, zugeführt, in der der noch heiße Glasstrang 6 heruntergekühlt wird. Die in 1 dargestellte Ausführungsvariante umfasst weiterhin eine Schnittvorrichtung (nicht dargestellt), in der der abgekühlte Glasstrang 6 sodann in einzelne Glasbarren 2 zerteilt wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anlage 1 eine vor der Kühlvorrichtung 9 angeordnete optische Messeinrichtung 10 aufweist, mit der die Projektion einer äußeren Hülle des Glasstrangs berührungslos und kontinuierlich ermittelbar ist, so dass anhand der erhaltenen Werte die Parameter Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit einstellbar sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Messeinrichtung 10 bzw. die Messrichtung quer zur Längsachse des Glasstrangs 6 angeordnet ist (2).
  • In 2 ist ein Teilausschnitt der in 1 gezeigten Ausführungsvariante in einer perspektivischen, schematischen und stark vereinfachten Darstellung gezeigt. Erkennbar ist hierbei insbesondere die Anordnung der Messeinrichtung 10, die vorzugsweise eine CMOS-Kamera umfasst, in Bezug auf den Glasstrang 6. Wie aus der 2 näher zu erkennen, ist die Messeinrichtung 10 seitlich des Glasstrangs 6 derart angeordnet, dass das Auge 11 der Messeinrichtung 10 rechtwinklig zur Längsachse des Glasstrangs 6 ausgerichtet ist, so dass die Messrichtung ebenfalls im Wesentlichen rechtwinklig zum Glasstrang 6 ist.
  • Das Ermitteln der Projektion der äußeren Hülle des Glasstrangs 6 mittels der Messeinrichtung 10, vorzugsweise in Form einer CMOS-Kamera, ist möglich, weil der geformte Glasstrang 6 eine ausreichende Eigenbeleuchtung aufweist und Licht 12 emittiert, welches von der Messeinrichtung 10 detektiert wird.
  • 3 zeigt beispielhaft einen Brechwertlauf über die Zeit (min) für einen Produktionslauf für ein hier beschriebenes Fluorphosphatglas. Erkennbar ist hierbei ein über mehrere Stunden stabiler und niemals außerhalb der Spezifikation liegender Verlauf der ermittelten Brechwerte.
  • Beispiel
  • Beispiel 1
  • In einem Barrenzugverfahren wurden zwei Fluorphosphatgläser gemäß dieser Beschreibung zu Barren gefertigt. Die Glaszusammensetzungen sind nachfolgend in Gewichtsprozenten angegeben.
    Glas 1 Glas 2
    Al2O3 12 13
    MgO 3 3
    CaO 8 8
    BaO 18 17
    SrO 17 18
    P2O5 17 12
    F 28 30
    Sb2O3 >0 >0
    As2O3 - >0
  • In beiden Fällen wurde das Verfahren zunächst ohne die hier beanspruchte berührungslose Messung der äußeren Abmessungen des Glasstrangs mit Regelung von Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit durchgeführt (Intervall 1). Anschließend wurde in dem Verfahren eine berührungslose Messung der äußeren Abmessungen des Glasstrangs mit Regelung von Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit durchgeführt (Intervall 2). Die nachfolgende Tabelle zeigt den Einfluss der Verfahrensführung auf die Homogenität des Brechungsindex des Glases. Es ist erkennbar, dass die hierin beschriebene Maßnahme zu einer erheblichen Verbesserung der Brechwerthomogenität führt. Die Brechwerthomogenität wird hier als Standardabweichung des Brechungsindex über 250 Messungen entlang des Glasstranges angegeben.
    σ n d Intervall 1 σ n d Intervall 2
    Glas 1 4,20*10-4 2,66*10-4
    Glas 2 6,04*10-4 3,18*10-4
  • Beispiel 2
  • Aus einem Glas einer Fluorphosphat-Zusammensetzung wurden nach dem unter Beispiel 1 für Intervall 2 beschriebenen Bedingungen Barren hergestellt. Die Barrendicke wurde ermittelt und die relative Höhenvariation bestimmt. Sie betrug 1,1%.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anlage
    2
    Glasbarren
    3
    Speiser
    4
    schmelzflüssiges Glas
    5
    Form
    6
    Glasstrang
    7
    Transporteinrichtung
    8
    Pfeil
    9
    Kühlvorrichtung
    10
    Messeinrichtung
    11
    Auge
    12
    Licht

Claims (15)

  1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Glasbarren (2) nach dem Stranggießverfahren, wobei aus einem Speiser (3) schmelzflüssiges Glas in eine Form (4) eingespeist und ein Glasstrang (6) gebildet wird, der über eine Transporteinrichtung (7), insbesondere ein Transportband, einer Kühlvorrichtung (9) und anschließend einer Schnittvorrichtung zugeführt wird, in der der abgekühlte Glasstrang (6) in einzelne Glasbarren (7) zerteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass spätestens vor dem Zuführen des Glasstrangs (6) in die Kühlvorrichtung (9), die Projektion einer äußeren Abmessung des Glasstrangs (6) mittels einer berührungslosen Messeinrichtung (10) kontinuierlich ermittelt wird, und anhand der erhaltenen Werte die Parameter Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit eingestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messrichtung rechtwinklig zur Längsachse des Glasstrangs (6) angeordnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die berührungslose Messeinrichtung (10) eine optische, eine radiometrische und/oder eine ultraschall-basierte Messeinrichtung (10) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Glasbarren (7) eine Varianz des Brechungsindex' nD von maximal 0,001 pro Barren aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Glasstrang (6) vor der Vermessung mittels der berührungslosen Messeinrichtung (10) durch eine Walzeinrichtung mit zumindest einer Unter- und zumindest einer Oberwalze geführt wird und anhand der erhaltenen Werte der Abstand zwischen der Unter- und Oberwalze eingestellt wird.
  6. Glasbarren (2), insbesondere herstellbar nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Varianz des Brechungsindex' nD von maximal 0,001 pro Barren.
  7. Glasbarren (2) nach Anspruch 6, aufweisend eine relative Höhenvarianz von nicht mehr als 3,0%.
  8. Glasbarren (2) nach Anspruch 6 oder 7, mit einer Glaszusammensetzung ausgewählt aus der Reihe fluorhaltige Gläser, phosphathaltige Gläser, Fluorphosphatgläser, Phosphatgläser, borhaltige Gläser und/oder bleihaltige Gläser.
  9. Glasbarren (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, enthaltend die folgenden Komponenten (in Gew.-%, auf Oxidbasis): P2O5 1-60 Al2O3 0-30 B2O3 0-10 SiO2 0-10 Alkalimetalloxide 0-15 MgO 0-10 CaO 0-25 BaO 1-60 SrO 0-30 La2O3 0-10 Gd2O3 0-15 Y2O3 0-15 Nb2O3 0-10 F 0-50 CuO 0-10
  10. Verwendung eines Glasbarrens (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Herstellung optischer Elemente ausgewählt aus der Reihe umfassend Linsen, Prismen, Lichtleitstäbe, Arrays, optischen Fasern, Gradientenbauteile und optischen Fenster auf den Gebieten Abbildung, Sensorik, Mikroskopie, Medizintechnik, digitale Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik/Informationsübertragung, Optik/Beleuchtung im Sektor Automotive, für die Solartechnik, Photolithographie, Stepper, Excimerlaser, Wafer, Computerchips und/oder integrierte Schaltungen und elektronische Geräte, die solche Schaltungen und Chips enthalten.
  11. Anlage (1) zur kontinuierlichen Herstellung von Glasbarren (2), umfassend: einen Speiser (3) zur Einspeisung von schmelzflüssigem Glas (4) in eine Form (5), so dass ein Glasstrang (6) gebildet wird, eine Transporteinrichtung (7), insbesondere ein Transportband, zum Transportieren des Glasstrangs (6), eine Kühlvorrichtung (9) zur Kühlung des Glasstrangs (6), und eine Schnittvorrichtung, in der der abgekühlte Glasstrang (6) in einzelne Glasbarren (2) zerteilbar ist, gekennzeichnet durch - eine vor der Kühlvorrichtung (9) angeordnete Messeinrichtung (10), mit der die Projektion einer äußeren Abmessung des Glasstrangs (6) berührungslos und kontinuierlich ermittelbar ist, so dass anhand der erhaltenen Werte die Parameter Speisertemperatur und/oder Transportgeschwindigkeit einstellbar sind.
  12. Anlage (1) nach Anspruch 11, wobei die Messeinrichtung (10) rechtwinklig zur Längsachse des Glasstrangs (6) angeordnet ist.
  13. Anlage (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Messeinrichtung (10) eine optische, eine radiometrische und/oder eine ultraschall-basierte Messeinrichtung (10) ist.
  14. Anlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei die Form (5) eine Wanne oder eine Rinne umfasst.
  15. Anlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, weiter umfassend eine vor der Messeinrichtung (10) angeordnete Walzeinrichtung mit zumindest einer Unter- und zumindest einer Oberwalze.
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