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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Flachglas nach
dem Floatverfahren sowie eine Gießlippe (Spout Lip) für das Floatverfahren.
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Die
Herstellung von Flachglas nach dem Floatverfahren ist seit dem vorigen
Jahrhundert wohlbekannt. Dabei lässt
man flüssiges
Glas, das mittels einer Rinne aus der Arbeitswanne herbeigeführt wird, auf
ein Bad aus geschmolzenem Metall, im allgemeinen Zinn, fließen. Der
Mengenstrom des Glases wird über
einen beweglichen Schieber (Tweel) geregelt, mit dessen Einstellung
u. a. auch die Glasdicke eingestellt wird. In Flussrichtung des
Glases gesehen hinter dem Schieber befindet sich die Gießlippe (Spout
Lip), von der aus die Glasschmelze kontinuierlich auf die Metallschmelze
fließt,
dort zu einem dimensionsstabilen Glasband geformt wird und erstarrt,
wobei anschließend
das erstarrte Glasband von dem Metallbad entfernt wird.
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Der
Verschleiß der
Gießlippe
und damit verbundene flächige
Auswaschungen in ihrer Oberfläche
führen
zu Fehlern im abgezogenen Glasband. Dies können u. a. feste Glasfehler
(kristalline Einschlüsse),
unterschiedliche Dicken oder auch Welligkeiten im Glasband sein.
Ebenfalls kann auch an der Grenzfläche FF-Material/Glasschmelze
Blasenbildung eintreten. Dies ist besonders bei sehr hochwertigen
Dünngläsern nicht
zulässig
und reduziert die Ausbeute stark. Werden durch einen verschlissenen Lippenstein
zu viele Glasfehler erzeugt, die eine wirtschaftliche Produktion
stark negativ beeinflussen, muss der Lippenstein gewechselt werden,
was meist mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
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Als
Lippenmaterial für
Kalk-Natron-Glas wird Quarzglas oder schmelzgegossenes Al
2O
3 als geeignet
beschrieben (
DE 27
47 549 C3 ). Auch schmelzgegossene Lippen mit einem hohen
Anteil an Al
2O
3 und
ZrO
2 (Handelsname Zac) sind aus
DE 21 22 702 A bekannt.
Obwohl diese Gießlippen
für Kalk-Natron-Glas
sehr brauchbar sind und Standzeiten von bis zu 3 Jahren erreichen,
sind sie doch den Anforderungen, die von aggressiven und höher schmelzenden
Gläsern
gestellt werden, nur noch unzulänglich gewachsen
und unterliegen einem hohen Verschleiß. Folgen dieses Verschleißes sind
Welligkeiten im Glas sowie eine erhöhte Anzahl von Löchern und
Streifen auf der Unterseite des Glases.
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In
JP 33 85 539 B2 wird
eine Spout Lip beschrieben, die aus HZFC-Material (HZFC: High Zirconia Fused
Cast) besteht mit einem ZrO
2-Gehalt von 85–97% und
einem Rest aus einem glasigen Material. Durch diese Materialien
wird die Anzahl von Streifen und Löchern auf der Unterseite des
Glasbandes reduziert und die Standzeit der Spout Lip bei der Herstellung
höher schmelzender
Gläser
kann auf etwa ein Jahr erhöht
werden. Nachteilig bei dem HZFC-Material ist seine geringe Temperaturwechselbeständigkeit,
so dass es bei Temperaturwechseln leicht zu Abplatzungen in der
Oberfläche
kommen kann, im Extremfall sogar zu Rissen, die zu Qualitätsfehlern
im Glas führen.
Nachteilig ist ferner der hohe Preis für HZFC.
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Aus
US 2005/0130830 A1 ist
ein ZrSiO
4-Feuerfestmaterial für das Overflow-Fusion-Verfahren
bekannt, dem zur Verbesserung des Durchbiegeverhaltens Fe
2O
3 (zusätzlich zu
den bereits vorhandenen Verunreinigungen) zugesetzt worden ist.
Dieses Material zeigt jedoch bei hohen Glastemperaturen ab etwa
1250°C eine
deutlich verstärkte
Wechselwirkung mit der Glasschmelze.
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In
DE 42 43 538 A1 ist
ein Zirkonmaterial beschrieben, das bei hohen Temperaturen eine
gute Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
Borsäurehaltigen
Glasschmelzen besitzt. Dieses Material wird durch Zugabe von Phosphorverbindungen
und TiO
2 als Sinterhilfsmittel hergestellt.
Nachteil dieses Materials ist seine geringe Temperaturwechselbeständigkeit.
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Aus
DE 102 09738 A1 ist
eine Spout Lip beschrieben, die aus einer SiO
2-Keramik
besteht, die auf ihrer mit dem Glasfluss in Kontakt kommenden Seite
mit einer Metallschicht aus Molybdän oder Wolfram versehen ist.
Zwischen der SiO
2-Keramik und der Metallschicht
ist noch eine keramische Schicht vorgesehen, die den rückseitigen
Angriff durch diffundierenden Sauerstoff auf das Metall verhindern
soll. Die Handhabung dieser Spout Lip mit ihrer an Luft oxidationsempfindlichen
Metallschicht ist schwierig, insbesondere wenn die Spout Lip in
heißem
Zustand, z. B. bei einer Reparatur, ersetzt werden muss.
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In
DE 103 08 031 A1 wird
eine Gießlippe
aus Magnesiumaluminatspinell beschrieben, die auf ihrer Oberseite
mit einem edlen refraktären
Metall, im allgemeinen Platin oder einer Platin-Legierung überzogen ist. Zwischen dem
Metall und dem Spinell ist ebenfalls eine gasdichte Diffusionssperre
angeordnet. Der Metallüberzug
muss sehr präzise
gefertigt werden, damit beim Aufheizen der Gießlippe keine Falten oder Verwerfungen
im Edelmetall entstehen, die zu Streifen an der Unterseite des Glasbandes
und damit zum Ausfall der Produktion führen. Unterhalb des Lippensteines
ist eine Düse
zum Spülen
dieses Bereiches mit Stickstoff angebracht, um zu vermeiden, dass
das Formiergas aus dem Floatbad Bestandteile oder Verunreinigungen
des feuerfesten Materials reduziert, die mit dem Edelmetall zu niedrig schmelzenden
Legierungen reagieren oder zur Versprödung des Edelmetalls führen. In
beiden Fällen bedeutet
dies eine Schädigung
der Spout Lip, die zu Glasfehlern führt. Wenn die Stickstoffspülung ausfällt, ist
der Schutz gegen die reduzierende Floatbadatmosphäre nicht
mehr gegeben.
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Aufgrund
der genannten Probleme sowie wegen der hohen Kosten werden immer
noch Lippensteine ohne Metallüberzug
bevorzugt. Allerdings hat es sich gezeigt, dass schmelzgegossene
Lippensteine häufig
dann Probleme bereiten, wenn sie aus einem schmelzgegossenen Block
herausgearbeitet werden oder wenn sie für eine hohe Präzision des
zu erzeugenden Glasbandes auf exaktes Maß geschliffen werden sollen.
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Es
ist an sich bekannt, dass schmelzgegossene keramische Materialien
infolge der zonalen Erstarrung beim Herstellungsprozess Inhomogenitäten im Gefügeaufbau
aufweisen. Z. B. weisen schmelzgegossene AZS-Materialien (Al2O3-ZrO2-SiO2) mit einem Anteil von 41 Gew.-% ZrO2 im Bereich des Kokillenbodens einen deutlich
höheren
Anteil an Zirkonoxid auf als im Kopf des Steines. Der Unterschied kann
mehr als 10 Gew.-% betragen. An den Kokillenwänden bildet sich infolge der
schnellen Abkühlung ein
meist sehr feinkörniges
Gefüge
aus. Im Innern des erstarrenden Blocks verzögert sich die Erstarrung, so
dass dort meist ein grobes Gefüge
gebildet wird, das teilweise mit Poren durchsetzt ist und in dem
die mit den aus Rohstoffen stammenden Verunreinigungen angereicherte
Glasphase in größeren Mengen
vorliegt, siehe Bild 1 und Bild 2 (lichtmikroskopische Aufnahmen
von Anschliffen). Bild 1 zeigt das sich in Nähe der Kokillenwand ausbildende
feine Gefüge
eines HZFC-Materials
bei einem schmelzgegossenen Block, während Bild 2 das deutlich gröbere Gefüge im Inneren
desselben Blocks zeigt. Man erkennt deutlich die Inhomogenitäten im Gefüge und die
Anreicherung der (schwarz erscheinenden) Glasphase (”worm tracing”).
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Besonders
polyvalente Verunreinigungen wie TiO2 und
Fe2O3 können im
Glaskontakt zu Blasenbildung führen.
Wird der Lippenstein aus einem schmelzgegossenem Block herausgearbeitet,
so ist es unvermeidlich, dass Flächen
freigelegt werden, die sich im Gefüge und in der Zusammensetzung
der Glasphase unterscheiden. An Stellen mit lokal erhöhtem Glasphasengehalt
erfolgt ein verstärkter
korrosiver Abtrag. Ebenfalls stellen Bereiche im Feuerfest-Material,
die Poren oder Porenansammlungen aufweisen, Orte verstärkter Korrosion
dar, die auch zur Glasfehlerbildung beitragen können. Diese Nachteile treten
verstärkt
bei höher
schmelzenden Gläsern
auf.
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Eine
Verringerung des Anteils der glasigen Phase ist nur bis zu einer
gewissen Grenze möglich, da
die glasige Phase für
den Guss notwendig ist und eine Verfeinerung des groben Gefüges durch
schnelleres Abkühlen
neue Probleme, z. B. Spannungen im Gussteil, nach sich zieht. Man
ist daher darauf angewiesen, die gewünschte Form der Spout Lip möglichst
präzise
zu gießen,
um eine die Eigenschaften verschlechternde Nacharbeit so gering
wie möglich zu
halten.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung
von Flachglas nach dem Floatverfahren zu finden, mit dem sich auch
bei dem Einsatz von höher
schmelzenden Gläsern
sehr hochwertige Qualitäten
erzielen lassen sowie eine Gießlippe
(Spout Lip) bereitzustellen, die mit einer hoch präzisen Oberflächenform
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Gießlippe gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Es
konnte gefunden werden, dass eine Gießlippe (Lippenstein, Spout
Lip) aus gepreßtem
und gesintertem Feuerfestmaterial aus der Gruppe ZrO2, Al2O3, ZrSiO4, mit einem Fe2O3-Gehalt von weniger als 0,08 Gew.-%, wenn
das Feuerfestmaterial aus ZrO2 oder ZrSiO4 und von weniger als 0,2 Gew.-%, wenn das
Feuerfestmaterial aus Al2O3 besteht,
besonders geeignet ist, da diese Materialien ein sehr gleichmäßiges Gefüge hinsichtlich
Korngrößen-, Glasphasen-
und Porenverteilung aufweisen. Bevorzugt wird bei ZrO2-
und ZrSiO4-Material ein Fe2O3-Gehalt von höchstens 0,05 Gew.-% und bei Al2O3-Feuerfestmaterialien
von höchstens
0,1, insbesondere von höchstens
0,08 Gew.-%.
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Es
zeigen:
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Bild
1: Mikrostruktur/Gefüge
von HZFC-Material, feinkristalliner Bereich;
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Bild
2: Mikrostruktur/Gefüge
von HZFC-Material im Bereich von sog. „worm tracing”: Inhomogenitäten im Gefüge-Anreicherung von
Glasphase;
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Bild
3: Mikrostruktur/Gefüge
von gepresstem und gesintertem Aluminiumoxid, sehr feinkörniges und
homogenes Gefüge;
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Bild
4: Mikrostruktur/Gefüge
von gepresstem und gesintertem Zirkoniumoxid, sehr homogenes Gefüge;
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Bild
5: Mikrostruktur/Gefüge
von schmelzgegossenem α/β-Aluminiumoxid, relativ
grobkristalline Struktur;
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Bild
6: Blasenbildungsverhalten von gepresstem und gesintertem Material
im Vergleich zu schmelzgegossenem α/β-Aluminiumoxid (T = 1380°C/alkalifreies
Glas);
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Bild
7: Blasenbildungsrate an Zirkonsilikat-Material mit unterschiedlichem
Fe2O3-Gehalt im Kontakt
mit einer Glasschmelze bei 1400°C.
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Bild
3 zeigt einen Anschliff von einem gepreßten und gesinterten α-Aluminiumoxid
und Bild 4 einen Anschliff von einem gepreßten und gesinterten Zirkoniumoxid.
Man erkennt deutlich das gegenüber den
schmelzgegossenen Körpern
wesentlich feinere und homogenere Gefüge.
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Die
Herstellung von feuerfesten keramischen Produkten durch Pressen
und Sintern von entsprechend zusammengestellten Massen ist an sich bekannt
und wird auch zum Teil in industriellem Maßstab durchgeführt. Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Gießlippe kann
ebenfalls nach diesen wohlbekannten Verfahren erfolgen.
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Das
Pressen kann uniaxial erfolgen, bevorzugt wird jedoch das isostatische
Pressen, mit dem bei komplizierten Formen bessere Ergebnisse erzielt werden.
Das heiß isostatische
Pressen (HIP-Verfahren)
ist auch mit gutem Erfolg möglich,
wegen der Größe der zu
pressenden Gießlippen
jedoch im Allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen nicht angesagt.
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Das
zu verpressende Material soll eine solche Korngrößenverteilung besitzen, daß beim Verpressen
ein sehr gleichmäßiges Gefüge entsteht.
Je kleiner die Korngröße des zu
verpressenden Materials ist, desto homogener ist die Struktur des
daraus erzeugten Körpers
und desto besser sind seine mechanischen Eigenschaften. In der Praxis
werden aber vielfach insbesondere bei sehr großen Körpern größere Körner im Gemisch mit feinerem
Material eingesetzt, um die Sinterschwindung zu reduzieren. Dem
zu verpressenden Material können
ggfls. noch bekannte Sinterhilfsmittel wie z. B. SiO2,
TiO2 und Stabilisierungsmittel wie z. B.
Oxide aus der Gruppe der Lanthaniden, insbesondere Y2O3 oder auch CaO oder MgO zugesetzt werden.
Insbesondere bei einer ZrO2–Keramik
ist die Stabilisierung üblich
und für eine
Vollstabilisierung werden bis zu 10 Gew.-% Y2O3 zugesetzt. Es sind aber auch teilstabilisierte
Massen mit einem entsprechend geringeren Anteil an stabilisierenden
Oxiden üblich.
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Nach
dem Sintern besitzt das Material eine offene Porosität von bis
zu 12%. Bevorzugt ist eine offene Porosität von bis zu 7%, insbesondere
von bis zu 2%. Erreichbar sind offene Porositäten von etwa 0,5%. Materialien
mit höherer
Porosität
besitzen eine bessere Stabilität
gegenüber
Temperaturwechselbeanspruchungen, Materialien mit geringerer Porosität besitzen
ein geringeres Blasenbildungspotential und eine höhere Korrosionsbeständigkeit.
Eine Blasenbildung kann z. B. durch aus den Poren freigesetzte Luft
entstehen. Da bei der chemischen Korrosion (Auflösung in der Glasmasse) der
Spout Lip immer neue Poren angeschnitten werden, ist eine Spout
Lip mit kleinen Poren/niedrigerem Porenanteil klar im Vorteil. Der
Fachmann muß daher
je nach den Betriebsbedingungen seines Floatglas-Prozesses bzw. seiner
Spout Lip den für
seinen Prozeß günstigsten Kompromiß zwischen
den Eigenschaften wie Porenanteil/Porengröße und der Temperaturwechselbeständigkeit
wählen.
Generell wird bevorzugt, dass Zirkonsilikat-Materialien für die Verwendung
als Spout-lip eine maximale Dichte von 4,15 g·cm–3 mit dementsprechender
Porosität
besitzen, um eine gute Temperaturwechselbeständigkeit zu gewährleisten.
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Zur
Vermeidung möglicher
Rückwirkungen auf
das Glas sollen die Materialien, aus denen die Spout Lip hergestellt
ist, möglichst
rein sein. Verunreinigungen sind nicht immer vollständig auszuschließen. TiO2 oder P2O5 können
im allgemeinen jeweils etwa bis zu 1 Gew.-% toleriert werden. Der P2O5-Gehalt soll bevorzugt
0,4 Gew.-% und der TiO2-Gehalt 0,8 Gew.-%, insbesondere 0,5
Gew.-% nicht überschreiten.
Die Gesamtmenge der oben genannten Verunreinigungen soll allerdings
1 Gew.-% nicht überschreiten.
Auch erweisen sich isostatisch gepresste, gesinterte Zirkoniumoxid-
bzw. Zirkoniumsilikat-haltige Materialien mit einem Anteil an ZrO2 von über
60% und Aluminiumoxid mit einem Anteil von Al2O3 von mindestens 90% im Glaskontakt als geeignet.
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Die
natürlichen
Vorkommen von Zirkonium als Zirkoniumoxid oder als Zirkoniumsilikat
enthalten immer einen geringen Anteil (üblicherweise 1,5–2,5 Gew.-%)
an Hafniumoxid bzw. -silikat. Bei der Angabe des Zirkoniumoxid-
oder des Zirkoniumsilikatanteils wird daher immer der Zirkoniumoxid-Anteil
einschließlich
des Hafniumoxid-Anteils verstanden.
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Brauchbar
ist auch ein gepresstes und gesintertes Aluminiumoxid mit einem
Anteil von bis zu 20 Gew.-%, insbesondere bis zu 10 Gew.-% Zirkoniumoxid.
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Falls
aufgrund der örtlichen
Gegebenheiten wegen vagabundierender elektrischer Ströme mit erhöhter elektrochemischer
Blasenbildung auf der Spout Lip gerechnet werden muss, werden Materialien
mit geringer elektrischer Leitfähigkeit,
z. B. Zirkoniumsilikat oder α-Aluminiumoxid
als Material für
die Spout Lip bevorzugt.
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Hinsichtlich
des Blasenbildungsverhaltens können
gepreßte
und gesinterte Keramiken z. B. aus Zirkoniumoxid oder aus Aluminiumoxid
ein niedrigeres Blasenbildungspotential im Vergleich mit schmelzgegossenem α/β-Aluminiumoxid
aufweisen, welches sehr häufig
als Spout Lip Material eingesetzt wird. Bild 5 stellt einen Schliff
durch ein schmelzgegossenes α/β-Aluminiumoxid
dar. Man erkennt deutlich die vergleichsweise relativ grobkristalline
Struktur, in der neben α-Al2O3-Kristallen auch β-Al2O3-Kristalle und
kleine Bereiche von Glasphase erkennbar sind. Dieses Material weist
im Vergleich zu gepreßtem
und gesintertem Material ein höheres
Blasenbildungspotential auf. Der Unterschied hinsichtlich des Blasenbildungsverhaltens
zwischen schmelzgegossenem α/β-Aluminiumoxid-Material
und gepreßt
und gesintertem α-Aluminiumoxid-Material im Kontakt
mit alkalifreiem Glas bei einer Temperatur von 1380°C ist in
Bild 6 dargestellt. Die Blasenbildung wurde nach der Methode von
Dunkl et al.: A Novel Method for the Determination of the Blistering
Rate at the Refractory/Glass Interface; UNITECR '89: Proc. Unified Int Techn. Conf. an
Refractories, Annaheim CA, 1–4 Nov.
1989, Westerville, 1989, 795–806
bestimmt.
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Bild
7 zeigt den positiven Einfluss eines niedrigen Fe2O3-Gehalts auf die Blasenbildungsrate an Zirkonsilikatmaterialien
im Kontakt mit einer Glasschmelze bei einer Temperatur von 1400°C.
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Ein
besonderer Vorteil der gefundenen Spout Lip besteht darin, dass
sie durch Schleifen und/oder Polieren bearbeitet werden kann, ohne dass
ihre guten Eigenschaften beeinträchtigt
werden. Es ist daher möglich,
eine Spout Lip aus dem Vollen, d. h. einem gepressten und gesinterten
Materialblock herauszuarbeiten und es ist auch möglich, eine gepresste und gesinterte
Spout Lip durch Fräsen, Schleifen
und/oder Polieren auf ein gewünschtes Maß zu bringen
bzw. eine besonders glatte und ebene Oberfläche zu erzeugen. Eine Spout
Lip mit einer auf Maß geschliffenen
(gefrästen)
und/oder polierten Oberfläche
wird wegen der besonders guten Qualität des erzeugten Glasbandes
besonders bevorzugt. Eine Behandlung der Oberfläche durch Schleifen und/oder
Polieren ist im Allgemeinen nur für die mit dem flüssigen Glas
in Kontakt kommende Oberfläche erforderlich.
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Die
gefundene Spout Lip eignet sich besonders für die Herstellung von Glas,
an das besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Oberflächengüte gestellt
werden und/oder das einen höheren Schmelzpunkt
hat als Natron-Kalk-Glas.
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Solche
Gläser
sind insbesondere Borosilikatgläser,
alkalifreie Gläser,
Alumosilikatgläser,
Alumolithiumsilikatgläser
und Vorläufergläser für Glaskeramik.
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Besonders
geeignet ist die Spout Lip zur Herstellung von Borosilikatglas mit
einer Zusammensetzung von (in Gew.-% auf Oxidbasis): 55–65 SiO2, 12–20
Al2O3, maximal 5
B2O3, 0–5 BaO,
3–9 CaO, 1–5 MgO und
1–5 SrO;
zur Herstellung von Displayglas mit einer Zusammensetzung von 55–70 SiO2, 12–20
Al2O3, 5–15 B2O3, 0–6 BaO,
0–12 CaO,
0–7 MgO,
0–10 SrO.
Sie ist ferner besonders geeignet zur Herstellung von verschiedenen
Grüngläsern für Glaskeramik,
so z. B. mit 55–69
SiO2, 19–25 Al2O3, 3–5
Li2O, 0–1,5
Na2O, 0–1,5
K2O, ΣNa2O + K2O 0,2–2, MgO
0,1–2,2,
CaO 0–15,
SrO 0–1,5,
BaO 0–2,5, ΣMgO + CaO
+ SrO + BaO unter 6, ZnO 0–1,5, TiO2 1–5,
ZrO2 1–2,5,
SnO2 0– unter
1, ΣTiO2 + SrO2 + SnO2 2,5–5,
P2O5 0–3 oder
eines Glaskeramikvorläuferglases
mit einer Zusammensetzung von SiO2 55–75, Al2O3 15–30, Li2O 2,5–6, ΣNa2O + K2O kleiner 6, ΣMgO + CaO
+ SrO + BaO kleiner 6, B2O3 0
bis kleiner 4, ΣTiO2 + ZrO2 kleiner
2 oder eines Glaskeramik-Vorläuferglases
mit einer Zusammensetzung von SiO2 60–72, Al2O3 18–28, Li2O 3–6, ΣNa2O + K2O 0,2–2, ΣMgO + CaO
+ SrO + BaO kleiner 6, ZnO 0–1,5,
B2O3 0–kleiner
4, SnO 0,1–1,5, ΣTiO2 + ZrO2 kleiner
2, P2O5 0–3, F 0–2.
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Durch
den mit der Erfindung verwirklichbaren Einsatz von Materialien mit
geringen Porengrößen und
offenen Porositäten
von im günstigen
Fall weniger als 1% stellt das Material auch bei durch Schleifen/Polieren
oder durch Korrosion freigelegten Poren im Glaskontakt kein Risiko
hinsichtlich einer Blasenbildung im Glas dar. Die isostatisch gepressten
hoch zirkoniumoxid-haltigen Materialien weisen trotz ihrer geringen
Porosität
ein besseres Temperaturwechselverhalten bezogen auf die Änderung
der Rohdichte und des Volumens auf als herkömmliches schmelzgegossenes
HZFC-Material. Ein besonderer Vorteil gegenüber den bisher für Spout
Lips verwendeten Materialien besteht auch darin, dass man aus sehr
feinkörnigen
Ausgangsstoffen gesintertes Material benutzen kann, das unter Beibehaltung
der hervorragenden Gebrauchseigenschaften der so hergestellten Spout
Lip bezüglich
Blasenbildung und Welligkeit auf Maß geschliffen und/oder poliert
werden kann.