Rollen aus Quarzglas werden häufig zum Transport von Glas in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt, wobei der Temperofen zu den anspruchsvollsten Vorgängen zählt.

Laut Gilbert Rancoule führt die Entwicklung der SO2-Injektion zu einzigartigen Arbeitsbedingungen, die den Walzenbetrieb beeinflussen und ein Verständnis der erzeugten chemischen Reaktionen erfordern.

Beim thermischen Vorspannen wird das Glas auf eine Temperatur knapp unter dem Erweichungspunkt erhitzt und anschließend an der Luft schnell abgeschreckt.Die Außenseite des Glases kühlt schnell ab, während sich die Innenseite zusammenzieht und langsamer abkühlt.Wenn das Glas schließlich eine gleichmäßige Temperatur erreicht, hat sich in der Oberfläche eine Druckspannung aufgebaut und eine kompensierende innere Zugspannung entwickelt.

Die tatsächlichen Werte der Oberflächendruckspannung hängen von Faktoren wie der Glasdicke und dem Wärmeübergangskoeffizienten sowie dem Wärmebehandlungsplan ab.Das Ziel der Branche war es schon immer, externe Faktoren zu begrenzen, die die Qualität der Glasoberfläche verändern könnten, und gleichzeitig Prozessflexibilität zu ermöglichen.

Durch die Reaktion zwischen Na-Ionen und injiziertem SO2 entsteht auf der Glasoberfläche eine Sulfatoberfläche, die unter normalen Arbeitsbedingungen stabil ist.Während der Handhabung der Glasscheibe wird das Natriumsulfatpulver in die Glasscheibenumgebung übertragen.

Verschlechterung der Walzenoberfläche infolge der Bildung von Metallsulfat.

An der Grenzfläche zwischen Glas und Förderrollen wird eine Sulfatablagerung beobachtet, die als potenziell vorteilhaft für die Langlebigkeit der Kontaktoberfläche angesehen wird.Tatsächlich entwickelt sich das Natriumsulfat langsam in einer kontinuierlichen Grenzfläche neutraler Reaktivität gegenüber der Glaschemie.Die kontinuierliche Gaswechselwirkung führt zur Bildung eines festen Schmiermittels Na2SO4, das bei Temperaturen stabil ist, die bei der Wärmebehandlung von Glas üblich sind.Anlass- oder Glühzonen.

Die Ausbeute der Na2SO4-Bildung hängt direkt vom Feuchtigkeitsgehalt, der Konzentration und der Temperatur ab;Wenn die Wirkung von Natriumsulfat gut bekannt ist, könnten einige Reaktionsprodukte negative Auswirkungen auf die Qualität des Glaskontakts haben, vor allem im Übergangsbereich bei niedrigen Temperaturen.Metastabile Formen von Natriumsulfat könnten in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen entstehen und zu komplexen Reaktionen führen, die zu unerwarteten Ergebnissen in Bezug auf die Temperatur führen können.

Es könnten sich instabile Natriumsulfatspezies bilden und mit der Ofenumgebung und dem Glas interagieren, um Partikel und Staub einzufangen, die zu Glasfehlern führen können, wenn keine Korrekturmaßnahmen zur Vermeidung unerwünschter Betriebsbedingungen ergriffen werden.Die Glasqualität und die Effizienz der ZYAROCK®-Walze werden durch Beobachtung der Ofeneinstellungen verbessert.

GLASFEHLERMODI

Die Beobachtung der Glasoberfläche liefert umfassende Informationen über die Arbeitsumgebung und die Betriebsbedingungen des Ofens.Die Verschlechterung des Ofens im Laufe der Zeit und der Temperatur führt zu Qualitätsbeeinträchtigungen, die sich entweder im Ofen oder im Glas bemerkbar machen.Die Wartung des Ofens ist der Schlüssel zur Glasqualität, aber wir könnten auch die Entwicklung des Glasbedarfs in Abhängigkeit von den anspruchsvollsten Anwendungen analysieren.

Der Zusammenhang zwischen effektiven Glasreinigungsverfahren, Ofen- und Fabriksauberkeit, Wartungsbedingungen und Glasoberflächenqualität ist sicherlich eine wiederkehrende Untersuchung, die bei der Analyse des Betriebs durchgeführt werden muss.

(1) Glaseinlage;(2) Mechanische Einkerbung;(3) Farbablagerung

Gute Quarzglaswalzenoberflächen werden durch eine strenge Kontrolle der Arbeitsumgebung aufrechterhalten, um eine Beschädigung der Kontaktoberfläche zu vermeiden.Wichtige Regeln sollten beachtet werden, um eine Natriumkontamination zu vermeiden, die nicht nur bei der Handhabung, dem Transport und der Reinigung der Rollen, sondern auch bei der Glasvorbereitung vor dem Tempern auftritt.

Wenn die Walzenreinheit erreicht ist, sollte der nächste Schritt darin bestehen, das Eindringen von Partikeln in den Ofen durch Stauberzeugung und Luftstromkontrolle zu verhindern, bevor die thermische Konsistenz des Ofens erreicht wird.

Natriumsulfat-Stabilitätsfunktion der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre.

Thermodynamische Analyse des Natriumsulfatsystems – Na-OS-Phasenstabilitätsdiagramm bei 300.000 °C.

Thermodynamisches Gleichgewicht für die Glaschemie in einer SO2-Dampfumgebung.

THERMISCHES PROFIL UND GLASWECHSELWIRKUNG

Die Qualität der thermischen Konstanz im Ofen bestimmt nicht nur die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von der Ofenumgebung auf das Glas, sondern auch die relative physikalische Stabilität der Glasscheibe während der Übertragung im Ofen.Die Glasart und -chemie sowie die Glasdicke sollten berücksichtigt werden, um die besten Betriebsbedingungen am Ofeneingang zu definieren.

Die Temperatur der Walzen und der Wärmefluss am Ofeneingang sind wichtige Arbeitsparameter, die definiert werden, um die beste Homogenität auf den oberen und unteren Glasoberflächen zu gewährleisten.Die minimale Verformung der Glasscheibe sollte durch die Anpassung des Wärmeflusses in der Anfangsphase des Heizprofils berücksichtigt werden:

· Wärmeabsorption des Glases (Dicke, Chemie, Beschichtung, Textur).

· Temperaturgradient unten/oben (statischer oder turbulenter Wärmefluss, Konvektionsmodus, Rollentyp).

· Reflektierende Wärmeübertragung (feuerfeste Materialien).

· Ofendesign nach Art der Glashärtung (Technik und Wärmekontrolle).

· Glaskanteneffekt.

Die geometrische Stabilität des Glases hängt direkt vom thermischen Profil ab, da die thermische Ausdehnung des Glases von der Glasleitfähigkeit und der IR-Absorption abhängt.Ein schwieriges Gleichgewicht wird am Rand der Glasscheibe erreicht, wo aufgrund der Konvektion und Strahlungswärmeleitung eine höhere Wärmeübertragung erzielt wird.

Die Qualität der Isolierung ist ein vorrangiges Ziel bei der Betrachtung der Arbeitsumgebung des Ofens, da sie oft mit der Staubentwicklung von Fasern oder Partikeln zusammenhängt (wenn es sich nicht um chemische Veränderungen handelt, wenn nach möglichen Reaktionen mit der Ofenatmosphäre gesucht wird).

Der Abbau der Auskleidung ist auch eine Frage von Zeit und Temperatur.Die Konsistenz der Walzendichtungen ist ein wichtiger Parameter zur Erzielung maximaler thermischer Stabilität und zur Reduzierung von Staub, der durch mechanischen Verschleiß und Wärmelecks entsteht.Die perfekte Isolierung verhindert eine Überhitzung der Rollenendkappe, was zu Transport- und Hot-TIR-Problemen führen kann.

ATMOSPHÄRE UND GAS-WECHSELWIRKUNG

Einflussparameter sind für das Verständnis der Natriumsulfatstabilität von entscheidender Bedeutung.Wenn wir bedenken, dass die Bildung von Natriumsulfat einen echten Vorteil für die Anwendung darstellt, ist es wichtig zu verstehen, wie sich Änderungen der Umgebung und Konzentration auf die Bildung von Na2SO4 auswirken.

Zu den verschiedenen Parametern für die Bildung von Na2SO4 gehören der kollektive Einfluss von Feuchtigkeit, Behandlung bei niedriger Temperatur, hochkonzentriertes SO2, Wechselwirkungen zwischen Glaschemie und Walzenkonditionierung.

FEUCHTIGKEIT UND NIEDRIGE TEMPERATUR

Feuchtigkeit wirkt sich direkt auf die Stabilität von SO2 im Ofen aus, während die doppelte Wirkung von Temperatur und Feuchtigkeit direkten Einfluss auf die SO2-Konzentration hat.Wenn dem SO2 im Inneren des Ofens Feuchtigkeit (maximal 10 % Wasser in der Luft) beigemischt wird, entsteht in der Niedertemperaturzone Natriumsulfathydroxyl.Dies kann zur Bildung einer metastabilen Na2S2O7-Phase im mittleren Temperaturbereich führen, bevor sie bei höheren Temperaturen zu Na2SO4 dissoziiert.

Bei derselben Reaktion ist die mögliche Bildung von Schwefelsäure in der Tieftemperaturzone zu beobachten, die mit der Änderung der Hydroxylgruppe zusammenfällt.

SO2-KONZENTRATION

Niedrige SO2-Konzentrationen und Hochtemperaturbetriebe sind erforderlich, um die Umwandlung in Natriumsulfat mit höherer Oxidationsstufe zu reduzieren.Natriumbiphat ist nur im unteren Temperaturbereich stabil und weist ein viskoses Verhalten auf, das die Bedingungen dafür schafft, dass Oxide und Metalle aus der Arbeitsumgebung am Glas und an den Walzen haften.

Das Vorhandensein von Feuchtigkeit bei gleichzeitig hoher Schwefelkonzentration in der Atmosphäre ist die unerwünschteste Konfiguration für die Stabilität der Sulfatphase.Um einen sauberen Betrieb zu gewährleisten, sollte die Bildung von Na2SO4 Vorrang vor anderen Natriumphasen haben.

WECHSELWIRKUNG DER GLASCHEMIE

Natriumdämpfe im Ofen hängen eindeutig von der Temperatur und der Glaschemie ab.Es wird empfohlen, die Verteilung der Ofenatmosphäre und den Gasfluss durch SO2-Diffusion und den im Ofen erzeugten Wärmegradienten zu steuern, um stabile Betriebsbedingungen für die Bildung von Na2SO4 zu erreichen.

Elemente aus dem Glas reagieren auch mit SO2, es kann jedoch nachgewiesen werden, dass die Stabilität der verschiedenen Sulfate bei hohen Temperaturen möglich ist.Aufgrund der Stabilität der ionischen Spezies im Vergleich zur Mobilität der Natriumionen ist es jedoch schwierig, diese Reaktivität im Inneren des Glases zu erreichen.

Bei der am weitesten verbreiteten Reaktion sollten im Ofen vorhandene freie Metallelemente als Staub betrachtet werden, der entweder von den Ofeneinfassungswänden oder durch Niedertemperatur-Kondensationszonenreaktionen erzeugt wird, die einen Schwefel- und Feuchtigkeitsaustausch beinhalten.

Die Keramikrolle schafft keine Voraussetzungen für Ablagerungen und sollte unter den meisten Bedingungen als neutrale Oberfläche betrachtet werden.Hohe Temperaturen und stabile atmosphärische Bedingungen sind nur teilweise Gründe für einen sauberen Betrieb und sollten niemals die Wartung des Ofens ersetzen.

Betrachtet man eine Metallrolle in der SO2-Umgebung, sind zahlreiche Reaktionen möglich, die zu einer Instabilität des Metalls bei hohen Temperaturen und zur Bildung von Schwefelphasen der Metallspezies (Fe, Ni) führen.Wenn Feuchtigkeit im Spiel ist, erhöht sich die Reaktivität der Walze aufgrund des korrosiven Angriffs des Metalls exponentiell.

Das Vorhandensein von Natrium auf der Oberfläche einer Quarzglas-Keramikwalze hat keine negativen Auswirkungen auf die Keramik, sofern die Chemie von Natriumsulfat berücksichtigt wird.Wenn die Betriebsumgebung jedoch die Bedingungen für metastabile Natriumsulfate, Schwefelwasserstoff, Bisulfat oder Natriumoxid schafft, haben wir alle Elemente für eine langsame Reaktion der Keramikoberfläche, die mit physikalischem Abbau einhergeht.

Die kristalline Umwandlung des Quarzglases führt zu irreversiblen Oberflächenschäden an der Walze und sollte in der Anfangsphase des Linienbetriebs durch eine gute Wartung der Walzen verhindert werden, um die Keramikoberfläche von Natriumoxid zu reinigen.Die Beobachtung der Rolle wird durch die Entfernung unerwarteter Ablagerungen erreicht, wenn andere Ablagerungen als Natriumsulfat festgestellt werden.

Staub- und Oxidablagerungen auf den Walzen müssen entfernt werden, bevor sie sich fest im reaktiven Natriumoxid festsetzen.Solche Vorgänge werden durch Klarwasserreinigung außerhalb des Ofens durchgeführt, und zwar so oft wie nötig, um die Chemie der Keramikoberfläche zu stabilisieren und zur normalen Walzenkonditionierung zurückzukehren.

ABSCHLUSS

Die Glasqualität hängt von der Sauberkeit der Ofenumgebung ab.Die Staubkontrolle wird durch gute Isolationseigenschaften mit Rollendichtungen und einem in den Ofen eingeführten Luftstrom erreicht.Die thermische Konsistenz der Temperumgebung verknüpft die Glaseigenschaften mit der Ofenfähigkeit und den Anforderungen an die Produktflexibilität.

Wenn die Betriebsbedingungen optimiert sind, sorgt die Einführung von SO2 im Ofen für den letzten Schliff der Kontaktcharakteristik mit der Bildung einer Natriumsulfat-Zwischenschicht, um extreme Bedingungen in Bezug auf Glasgröße und -typ zu vermeiden.

Eine strenge Kontrolle des Atmosphäreneinschlusses und des Gasflusses im Ofen sollte durchgeführt werden, um die Bildung hoher Oxidationsstufen für das Sulfat zu vermeiden, die zu viskosen Flüssigkeiten führen und in der Übergangsphase des Betriebs zu Betriebsproblemen führen könnten.

Zu berücksichtigen ist die Ofenumgebung mit Sekundärreaktionen wie Staub und Partikeln aus der Auskleidung, Oxidreduktion und Korrosion, die unter normalen Betriebsbedingungen die Glasqualität beeinträchtigen.
 

Autor: Gilbert Rancoule, Direktor der Forschungs- und Entwicklungsabteilung Vesuvius Fused Silica

Der Artikel wurde zum ersten Mal im GLASS WORLDWIDE MAGAZINE – JULI/AUGUST 2011 veröffentlicht