Dieses Kapitel behandelt die folgenden Produktbereiche:

• Glas
• synthetische Glasfasern
• Keramik
• Fliesen
• industrielle Keramik
• Ziegel und Fliesen
• feuerfeste Materialien
• synthetische Edelsteine
• optische Fasern.

 

Interessanterweise haben die meisten dieser Sektoren nicht nur Wurzeln in der Antike, sondern teilen auch eine Reihe gemeinsamer allgemeiner Prozesse. So basieren alle grundsätzlich auf der Verwendung natürlich vorkommender Rohstoffe in Pulver- oder Feinstaubform, die durch Hitze in die gewünschten Produkte umgewandelt werden. Daher ermöglichen diese gemeinsamen Prozesse trotz der Bandbreite an Prozessen und Produkten, die in dieser Gruppe enthalten sind, einen gemeinsamen Überblick über potenzielle Gesundheitsgefahren, die mit diesen Branchen verbunden sind. Da die verschiedenen Sektoren des verarbeitenden Gewerbes sowohl aus kleinen, fragmentierten Segmenten (z. B. Ziegelherstellung) als auch aus großen, technisch anspruchsvollen Produktionsstätten mit Tausenden von Arbeitnehmern bestehen, wird jeder Sektor separat beschrieben.

Allgemeine Prozesse und Gefahren

Bei der Herstellung von Produkten in diesen Geschäftsbereichen treten häufig Gefahren für Sicherheit und Gesundheit auf. Die Gefahren und Kontrollmaßnahmen werden in anderen Abschnitten der beschrieben Enzyklopädie. Prozessspezifische Gefahren werden in den einzelnen Abschnitten dieses Kapitels behandelt.

Batch-Rohstoffprozesse

Die meisten industriellen Herstellungsverfahren erhalten trockene feste Rohstoffe in loser Form oder in einzelnen Säcken. Schüttgut-Rohstoffe werden durch Schwerkraft, pneumatische Transferleitungen, Schneckenförderer, Becherwerke oder andere mechanische Transfers aus Trichterschienenwagen oder Straßenlastwagen in Behälter, Trichter oder Mischer entladen. Paletten mit eingesackten Rohstoffen (20 bis 50 kg) oder große Stoffsackcontainer (0.5 bis 1.0 Tonnen) werden von LKW-Anhängern oder Eisenbahnwaggons mit angetriebenen Industriehubwagen, Kränen oder Hebezeugen entladen. Einzelne Säcke oder Rohstoffe werden manuell oder mit motorisierter Hebehilfe von Paletten entfernt. Abgesackte Rohstoffe werden typischerweise in eine Sackentleerungsstation oder direkt in Lagertrichter oder Waagentrichter geladen.

Mögliche Gefahren für Sicherheit und Gesundheit im Zusammenhang mit dem Entladen, der Handhabung und dem Transport von festen Rohstoffen umfassen:

• Lärmbelastungen im Bereich von 85 bis 100 dBA. Pneumatische Vibratoren, Kompressoren, Ventilbetätiger, Mischantriebsmotoren, Gebläse und Staubsammler sind einige der Hauptgeräuschquellen.

• Exposition gegenüber lungengängigen Partikeln in der Luft aus dem Umfüllen und Mischen von körnigen festen Rohstoffen. Expositionen hängen von der Zusammensetzung der Rohstoffe ab, können jedoch üblicherweise Kieselsäure (SiO₂), Ton, Tonerde, Kalkstein, alkalische Stäube, Metalloxide, Schwermetalle und lästige Partikel.

• ergonomische Gefahren im Zusammenhang mit dem manuellen Heben oder Handhaben von Rohmaterialsäcken, Vibratoren oder Transferleitungen und Systemwartungsaktivitäten

• körperliche Gefahren B. beim Manövrieren von Schienenfahrzeugen oder Lastkraftwagen, motorbetriebenem Lkw-Verkehr, Arbeiten in großer Höhe, Betreten beengter Räume und Kontakt mit elektrischen, pneumatischen oder mechanischen Energiequellen – z. B. Klemmpunkten, rotierenden Teilen, Antriebszahnrädern, Wellen, Riemen und Riemenscheiben.

 

Brenn- oder Schmelzprozesse

Die Herstellung von Produkten in diesen Geschäftsfeldern umfasst Trocknungs-, Schmelz- oder Brennprozesse in Öfen oder Hochöfen. Die Wärme für diese Prozesse wird durch Verbrennung von Propan, Erdgas (Methan) oder Heizöl, Lichtbogenschmelzen, Mikrowelle, dielektrische Trocknung und/oder Widerstandsheizung mit Strom erzeugt. Mögliche Gefahren durch Brenn- oder Schmelzprozesse umfassen:

• Exposition gegenüber Verbrennungsprodukten wie Kohlenmonoxid, Stickoxide (NO_x) und Schwefeldioxid

• Dämpfe und Partikel aus luftgetragenen Rohstoffen (z. B. Kieselsäure, Metalle, Alkalistäube) oder Nebenprodukten (z. B. Fluorwasserstoff, Cristobalit, Schwermetalldämpfe)

• Feuer oder Explosion in Verbindung mit Kraftstoffsystemen, die für Prozesswärme oder Kraftstoff für Gabelstapler verwendet werden; potenzielle Feuer- oder Explosionsgefahren in Verbindung mit Lagertanks für brennbare Kraftstoffe, Rohrleitungsverteilungssystemen und Verdampfern. Backup- oder Standby-Kraftstoffsysteme, die selten für Erdgasbegrenzungen verwendet werden, können ähnliche Brand- oder Explosionsprobleme aufwerfen.

• Belastung durch Infrarotstrahlung aus geschmolzenem Material, was das Risiko von Hitzekatarakten oder Hautverbrennungen erhöhen kann

• Strahlungsenergie und Hitzestress. Die Arbeitsumgebung um Öfen oder Brennöfen kann extrem heiß sein. Erhebliche Hitzebelastungsprobleme können auftreten, wenn Notreparaturarbeiten oder routinemäßige Wartungsarbeiten in der Nähe oder oberhalb von Brenn- oder Schmelzprozessen durchgeführt werden. Schwere thermische Verbrennungen können durch direkten Hautkontakt mit heißen Oberflächen oder geschmolzenen Materialien entstehen (siehe Abbildung 1).

 

Abbildung 1. Qualitätskontrolltechniker

• Gefahren durch elektrische Energie. Der direkte Kontakt mit elektrischer Hochspannungsenergie, die für die Widerstandsheizung zur Ergänzung brennstoffbefeuerter Prozesse verwendet wird, birgt die Gefahr eines Stromschlags und mögliche gesundheitliche Bedenken aufgrund der Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern (EMF). Starke magnetische und elektrische Felder können möglicherweise Herzschrittmacher und andere implantierte medizinische Geräte stören.

• Lärmbelastungen über 85 bis 90 dBA von Verbrennungsgebläsen, Chargentrichtern oder Mischern, Beschickungsprozessen und Förderbändern.

 

Handling in Produktion, Fertigung, Verpackung und Lagerhaltung

Materialhandhabung, Konfektionierung und Verpackung sind in diesem Geschäftsbereich ebenso unterschiedlich wie Größe, Form und Gewicht der Produkte. Die hohe Materialdichte in diesem Sektor oder sperrige Konfigurationen stellen allgemeine Gefahren bei der Materialhandhabung dar. Das manuelle Heben und Handhaben von Materialien in Produktion, Fertigung, Verpackung und Lagerhaltung in dieser Branche ist für viele behindernde Verletzungen verantwortlich. (Siehe Abschnitt „Verletzungs- und Krankheitsprofil“ weiter unten.) Die Bemühungen zur Reduzierung von Verletzungen konzentrieren sich auf die Reduzierung des manuellen Hebens und der Materialhandhabung. Beispielsweise werden in ausgewählten Teilen dieses Geschäftsbereichs innovative Verpackungsdesigns, Robotik zum Stapeln und Palettieren von Fertigprodukten und fahrerlose Transportfahrzeuge für die Lagerhaltung eingesetzt, um die manuelle Materialhandhabung und die damit verbundenen Verletzungen zu vermeiden. Die Verwendung von Förderbändern, bemannten Hebehilfen (z. B. Vakuumhebern) und Scherenplattformen zum Handhaben und Palettieren von Produkten sind derzeit gängige Materialhandhabungspraktiken (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2. Vakuumhebehilfe im Einsatz

Der Einsatz von Robotik zur Eliminierung der manuellen Materialhandhabung spielt eine wichtige Rolle bei der Prävention von ergonomischen Verletzungen. Die Robotik hat ergonomische Belastungen und schwere Schnittverletzungen reduziert, die in der Vergangenheit mit der Materialhandhabung (z. B. Flachglas) bei der Produktionsbelegschaft in Verbindung gebracht wurden (siehe Abbildung 3). Der zunehmende Einsatz von Robotik und Prozessautomatisierung führt jedoch zu Gefahren durch sich bewegende Maschinen und elektrische Energie, wodurch sich die Arten von Gefahren verändern und Risiken auch auf andere Arbeitnehmer übertragen werden (von Produktions- auf Wartungspersonal). Korrekte Konstruktionen elektronischer Steuerungen und logischer Sequenzen, Maschinenschutzvorrichtungen, vollständige Energiesperrpraktiken und die Einrichtung sicherer Betriebs- und Wartungsverfahren sind grundlegende Möglichkeiten, um Verletzungen von Wartungs- und Produktionsarbeitern zu kontrollieren.

Abbildung 3. Robotik in Flachglas

Umbauten und Umbaumaßnahmen

Bei regelmäßigen größeren Umbauten oder Kaltreparaturen an Öfen oder Öfen treten zahlreiche potenzielle Gefahren für Gesundheit und Sicherheit auf. Im Zusammenhang mit Bautätigkeiten können zahlreiche Gefahren auftreten. Beispiele umfassen: ergonomische Gefahren bei der Materialhandhabung (z. B. feuerfeste Steine); Exposition gegenüber Kieselsäure, Asbest, feuerfesten Keramikfasern oder schwermetallhaltigen Partikeln in der Luft während des Abrisses oder Nebenprodukten des Schneidens und Schweißens; Hitzestress; Arbeiten in erhöhter Höhe; Rutsch-, Stolper- oder Sturzgefahr; Gefahren in beengten Räumen (siehe Abbildung 4); und Kontakt mit gefährlichen Energiequellen.

Abbildung 4. Zugang zu beengten Räumen

Glas

Allgemeines Profil

Glas wurde auf natürliche Weise aus gewöhnlichen Elementen in der Erdkruste gebildet, lange bevor irgendjemand daran dachte, mit seiner Zusammensetzung zu experimentieren, seine Form zu formen oder es den unzähligen Verwendungen zuzuführen, die es heute genießt. Obsidian zum Beispiel ist eine natürlich vorkommende Kombination von Oxiden, die durch intensive vulkanische Hitze verschmolzen und durch schnelle Luftkühlung verglast (zu einem Glas verarbeitet) wurden. Seine undurchsichtige, schwarze Farbe kommt von den relativ hohen Mengen an Eisenoxid, die es enthält. Seine chemische Beständigkeit und Härte schneidet im Vergleich zu vielen handelsüblichen Gläsern gut ab.

Die Glastechnologie hat sich über 6,000 Jahre entwickelt, und einige moderne Prinzipien stammen aus der Antike. Der Ursprung der ersten synthetischen Brille ist in der Antike und Legende verloren. Fayence wurde von den Ägyptern hergestellt, die Figuren aus Sand (SiO₂), das beliebteste glasbildende Oxid. Es war mit Natron beschichtet, den Rückständen des überschwemmten Nils, die hauptsächlich aus Kalziumkarbonat (CaCO) bestanden₃), Soda (Na₂CO₃), Salz (NaCl) und Kupferoxid (CuO). Das Erhitzen auf unter 1,000 °C erzeugte eine glasartige Beschichtung durch die Diffusion der Flussmittel CaO und Na₂O in den Sand und ihre anschließende Festkörperreaktion mit dem Sand. Das Kupferoxid verlieh dem Artikel eine ansprechende blaue Farbe.

Gemäß der von Morey gegebenen Definition: „Glas ist ein anorganischer Stoff in einem Zustand, der mit dem flüssigen Zustand dieses Stoffes kontinuierlich und analog ist, der jedoch durch eine reversible Änderung der Viskosität während des Abkühlens erreicht wurde ein so hoher Viskositätsgrad, dass er für alle praktischen Zwecke starr ist. ASTM definiert Glas als „ein anorganisches Schmelzprodukt, das zu einem starren Zustand abgekühlt ist, ohne zu kristallisieren“. Sowohl organische als auch anorganische Materialien können Gläser bilden, wenn ihre Struktur nicht kristallin ist – das heißt, wenn ihnen eine Fernordnung fehlt.

Eine der wichtigsten Entwicklungen in der Glastechnologie war die Verwendung eines Blasrohrs (siehe Abbildung 5), das erstmals etwa 100 Jahre v. Chr. verwendet wurde. Von da an gab es eine rasante Entwicklung in der Technik der Glasherstellung.

Abbildung 5. Das Blasrohr

Das erste Glas war aufgrund des Vorhandenseins verschiedener Verunreinigungen wie Eisen- und Chromoxiden gefärbt. Nahezu farbloses Glas wurde erstmals vor etwa 1,500 Jahren hergestellt.

Zu dieser Zeit entwickelte sich die Glasherstellung in Rom und zog von dort aus in viele andere Länder Europas. In Venedig wurden viele Glashütten gebaut, und dort fand eine wichtige Entwicklung statt. Im 13. Jahrhundert wurden viele der Glasfabriken von Venedig auf die nahe gelegene Insel Murano verlegt. Murano ist immer noch ein Zentrum für die Herstellung von handgefertigtem Glas in Italien.

Bis zum 16. Jahrhundert wurde Glas in ganz Europa hergestellt. Jetzt ist böhmisches Glas aus der Tschechischen Republik für seine Schönheit bekannt und Glasfabriken in Großbritannien und Irland produzieren hochwertiges Geschirr aus Bleikristallglas. Schweden ist ein weiteres Land, in dem die künstlerische Herstellung von Glaskristallwaren beheimatet ist.

In Nordamerika war die erste Produktionsstätte jeglicher Art eine Glasfabrik. Englische Siedler begannen Anfang des 17. Jahrhunderts in Jamestown, Virginia, mit der Glasherstellung.

Heute wird Glas in den meisten Ländern der Welt hergestellt. Viele Produkte aus Glas werden in vollautomatischen Verarbeitungslinien hergestellt. Obwohl Glas eines der ältesten Materialien ist, sind seine Eigenschaften einzigartig und noch nicht vollständig verstanden.

Die Glasindustrie besteht heute aus mehreren großen Marktsegmenten, darunter der Flachglasmarkt, der Haushaltswarenmarkt, der Glasbehältermarkt, die optische Glasindustrie und das Marktsegment für wissenschaftliche Glaswaren. Die Märkte für optisches und wissenschaftliches Glas sind in der Regel sehr geordnet und werden in den meisten Ländern von einem oder zwei Anbietern dominiert. Diese Märkte haben auch ein viel geringeres Volumen als die verbraucherbasierten Märkte. Jeder dieser Märkte hat sich im Laufe der Jahre durch Innovationen in der spezifischen Glastechnologie oder Fertigungsfortschritte entwickelt. Die Behälterindustrie wurde zum Beispiel durch die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Flaschenherstellungsmaschinen vorangetrieben, die in den frühen 1900er Jahren entwickelt wurden. Die Flachglasindustrie wurde Anfang der 1960er Jahre durch die Entwicklung des Floatglasverfahrens entscheidend vorangebracht. Beide Segmente sind heute weltweit Geschäfte im Wert von mehreren Milliarden Dollar.

Haushaltswaren aus Glas fallen in vier allgemeine Kategorien:

1. Geschirr (einschließlich Essgeschirr, Tassen und Becher)
2. Trinkgeschirr
3. Backgeschirr (oder Ofengeschirr)
4. Kochgeschirr auf dem Herd.

 

Während weltweite Schätzungen schwierig zu erhalten sind, liegt der Markt für Haushaltswaren aus Glas allein in den Vereinigten Staaten zweifellos in der Größenordnung von 1 Milliarde US-Dollar. Je nach Kategorie konkurrieren verschiedene andere Materialien um Marktanteile, darunter Keramik, Metalle und Kunststoffe.

Fertigungsprozesse

Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das zu einem starren Zustand abgekühlt ist, ohne zu kristallisieren. Glas ist typischerweise hart und spröde und hat einen Muschelbruch. Glas kann gefärbt, durchscheinend oder undurchsichtig hergestellt werden, indem die vorhandenen gelösten amorphen oder kristallinen Materialien variiert werden.

Wenn Glas aus dem heißen geschmolzenen Zustand abgekühlt wird, nimmt seine Viskosität ohne Kristallisation über einen weiten Temperaturbereich allmählich zu, bis es seine charakteristische harte, spröde Form annimmt. Die Kühlung wird gesteuert, um eine Kristallisation oder eine hohe Spannung zu verhindern.

Während jede Verbindung, die diese physikalischen Eigenschaften aufweist, theoretisch ein Glas ist, fallen die meisten kommerziellen Gläser in drei Haupttypen und haben eine breite Palette chemischer Zusammensetzungen.

1. Soda-Kalk-Silica-Gläser sind die wichtigsten Gläser in Bezug auf die produzierte Menge und die Vielfalt der Verwendung, darunter fast alle Flachgläser, Behälter, kostengünstige Haushaltsglaswaren in Massenproduktion und elektrische Glühbirnen.
2. Blei-Kali-Silica-Gläser enthalten einen unterschiedlichen, aber oft hohen Anteil an Bleioxid. Die optische Glasherstellung macht sich den hohen Brechungsindex dieser Glasart zunutze; mundgeblasene Haushalts- und Dekorationsglaswaren nutzen die Leichtigkeit des Schneidens und Polierens; elektrische und elektronische Anwendungen nutzen seinen hohen elektrischen Widerstand und Strahlenschutz.
3. Gläser aus Borosilikat haben eine geringe Wärmeausdehnung und sind temperaturwechselbeständig, was sie ideal für Haushaltsofen- und Laborglaswaren und für Glasfasern für Kunststoffverstärkungen macht.

Ein handelsübliches Glasgemenge besteht aus einer Mischung mehrerer Zutaten. Der größte Anteil der Charge besteht jedoch aus 4 bis 6 Bestandteilen, ausgewählt aus Materialien wie Sand, Kalkstein, Dolomit, Sodaasche, Borax, Borsäure, Feldspatmaterialien, Blei- und Bariumverbindungen. Der Rest der Charge besteht aus mehreren zusätzlichen Zutaten, die aus einer Gruppe von etwa 15 bis 20 Materialien ausgewählt werden, die üblicherweise als Nebenbestandteile bezeichnet werden. Diese letztgenannten Zusätze werden im Hinblick auf die Bereitstellung einer bestimmten Funktion oder Qualität hinzugefügt, wie z. B. Farbe, die während des Glasherstellungsverfahrens realisiert werden soll.

Abbildung 6 veranschaulicht die Grundprinzipien der Glasherstellung. Die Rohstoffe werden gewogen, gemischt und nach Zugabe von Glasbruch (Scherben) zum Schmelzen in den Ofen gebracht. Für das Schmelzen von Glas für mundgeblasene Kristallwaren und Spezialgläser, die in geringer Menge benötigt werden, werden noch kleine Schmelztiegel bis 2 Tonnen Fassungsvermögen verwendet. In einer Brennkammer werden mehrere Töpfe gemeinsam erhitzt.

Abbildung 6. Die beteiligten Prozesse und Materialien

In den meisten modernen Fertigungsverfahren findet das Schmelzen in großen Regenerativ-, Rekuperativ- oder Elektroöfen statt, die aus feuerfestem Material gebaut und mit Öl, Erdgas oder Strom beheizt werden. Elektrisches Boosten und elektrisches Kaltschmelzen wurden kommerzialisiert und in den späten 1960er und 1970er Jahren weltweit umfassend eingesetzt. Die treibende Kraft hinter dem elektrischen Cold-Top-Schmelzen war die Emissionskontrolle, während das elektrische Boosten im Allgemeinen verwendet wurde, um die Glasqualität zu verbessern und den Durchsatz zu erhöhen.

Die wichtigsten wirtschaftlichen Faktoren in Bezug auf die Verwendung von Elektrizität zum Schmelzen von Glasöfen hängen mit den Kosten für fossile Brennstoffe, der Verfügbarkeit verschiedener Brennstoffe, Stromkosten, Kapitalkosten für Ausrüstung und so weiter zusammen. In vielen Fällen ist jedoch der Hauptgrund für die Verwendung von elektrischem Schmelzen oder Boosten die Umweltkontrolle. An verschiedenen Orten weltweit gibt es entweder bereits Umweltvorschriften oder es werden voraussichtlich bald solche sein, die den Ausstoß verschiedener Oxide oder Feinstaub im Allgemeinen streng einschränken. Daher stehen Hersteller an vielen Standorten vor der Möglichkeit, entweder den Glasschmelzdurchsatz zu reduzieren, Sackhäuser oder Abscheider zu installieren, um Abgase zu handhaben, oder den Schmelzprozess zu modifizieren und elektrisches Schmelzen oder Boosten einzubeziehen. Die Alternativen zu einer solchen Modifikation können in einigen Fällen Anlagenstillstände sein.

Der heißeste Teil des Ofens (Überbau) kann 1,600 bis 2,800 °C betragen. Durch kontrolliertes Abkühlen wird die Glastemperatur auf 1,000 bis 1,200 °C an der Stelle reduziert, an der das Glas den Ofen verlässt. Darüber hinaus werden alle Glassorten in einem speziellen Ofen oder Kühlofen einer weiteren kontrollierten Abkühlung (Temperung) unterzogen. Die weitere Verarbeitung hängt von der Art des Herstellungsverfahrens ab.

Auf Maschinen zur Herstellung von Flaschen und Lampenkolben kommt neben dem traditionellen mundgeblasenen Glas auch das automatische Blasen zum Einsatz. Einfache Formen wie bei Isolatoren, Glasbausteinen, Linsenrohlingen usw. werden eher gepresst als geblasen. Einige Herstellungsverfahren verwenden eine Kombination aus mechanischem Blasen und Pressen. Draht- und Strukturglas wird gewalzt. Flachglas wird durch einen vertikalen Prozess aus dem Ofen gezogen, wodurch es eine feuerveredelte Oberfläche erhält. Aufgrund der kombinierten Wirkung von Zug und Schwerkraft ist eine geringfügige Verzerrung unvermeidlich.

Flachglas läuft durch wassergekühlte Walzen auf einen Kühlofen. Es ist frei von Verzerrungen. Oberflächenschäden können nach der Fertigung durch Schleifen und Polieren entfernt werden. Dieses Verfahren wurde weitgehend durch das in den letzten Jahren eingeführte Floatglasverfahren abgelöst (siehe Abbildung 7). Das Floatverfahren hat die Herstellung eines Glases ermöglicht, das die Vorteile von Folie und Platte vereint. Floatglas hat eine feuerveredelte Oberfläche und ist verzugsfrei.

Abbildung 7. Kontinuierlicher Floatprozess

Beim Floatverfahren bewegt sich ein kontinuierliches Glasband aus einem Schmelzofen und schwimmt entlang der Oberfläche eines Bades aus geschmolzenem Zinn. Das Glas passt sich der perfekten Oberfläche des geschmolzenen Zinns an. Beim Durchgang über das Zinn wird die Temperatur verringert, bis das Glas ausreichend hart ist, um auf die Walzen des Kühlofens geführt zu werden, ohne seine Unterseite zu markieren. Eine inerte Atmosphäre im Bad verhindert die Oxidation des Zinns. Das Glas erfordert nach dem Glühen keine weitere Behandlung und kann durch automatisches Schneiden und Verpacken weiterverarbeitet werden (siehe Abbildung 8).

Abbildung 8. Band aus Floatglas, das den Kühlofen verlässt

Der Trend in der neuen Wohn- und Geschäftsarchitektur hin zu mehr Verglasungsfläche und die Notwendigkeit, den Energieverbrauch zu senken, hat die Verbesserung der Energieeffizienz von Fenstern verstärkt in den Vordergrund gerückt. Dünne Filme, die auf der Oberfläche des Glases abgeschieden werden, sorgen für niedrige Emissionsgrade oder Sonnenschutzeigenschaften. Die Kommerzialisierung solcher handelsüblich beschichteter Produkte erfordert eine kostengünstige, großflächige Abscheidungstechnologie. Infolgedessen sind immer mehr Floatglas-Fertigungslinien mit ausgeklügelten Online-Beschichtungsverfahren ausgestattet.

Bei allgemein verwendeten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) wird ein komplexes Gasgemisch mit dem heißen Substrat in Kontakt gebracht, wo es pyrolytisch reagiert, um eine Beschichtung auf der Oberfläche des Glases zu bilden. Im Allgemeinen besteht die Beschichtungsanlage aus thermisch gesteuerten Strukturen, die über die Breite des Glasbandes aufgehängt sind. Sie können sich im Zinnbad, im Kühlspalt oder im Kühlofen befinden. Die Aufgabe der Coater besteht darin, die Precursorgase temperaturgeregelt gleichmäßig über die Bandbreite zuzuführen und die Abgasnebenprodukte sicher aus dem Abscheidebereich abzusaugen. Bei mehreren Beschichtungsstapeln werden mehrere Beschichter in Reihe entlang des Glasbandes verwendet.

Für die Behandlung der bei solchen großtechnischen Prozessen anfallenden Abgasnebenprodukte sind in der Regel Nasswäschetechniken mit einer konventionellen Filterpresse ausreichend. Wenn die Abgase nicht leicht mit wässrigen Lösungen umgesetzt oder benetzt werden, ist die Verbrennung die primäre Option.

Einige optische Gläser werden durch Verfahren chemisch verstärkt, bei denen das Glas mehrere Stunden lang in Hochtemperaturbäder getaucht wird, die geschmolzene Salze von typischerweise Lithiumnitrat und Kaliumnitrat enthalten.

Sicherheitsglas ist von zwei Haupttypen:

1. Verstärktes Glas wird durch Vorspannen durch Erhitzen und anschließendes schnelles Abkühlen von Flachglasstücken der gewünschten Form und Größe in speziellen Öfen hergestellt.
2. Verbundglas wird gebildet, indem eine Kunststofffolie (normalerweise Polyvinylbutyral) zwischen zwei dünne Flachglasscheiben geklebt wird.

 

Synthetische Glasfasern

Allgemeines Profil

Synthetische Glasfasern werden aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt. Sie sind amorphe Silikate, die aus Glas, Gestein, Schlacke oder anderen Mineralien hergestellt werden. Die hergestellten Fasern sind sowohl kontinuierliche als auch diskontinuierliche Fasern. Im Allgemeinen sind die Endlosfasern Glasfasern, die durch Düsen gezogen und zur Verstärkung anderer Materialien wie Kunststoffe verwendet werden, um Verbundmaterialien mit einzigartigen Eigenschaften herzustellen. Die diskontinuierlichen Fasern (allgemein bekannt als Wollen) werden für viele Zwecke verwendet, am häufigsten für die thermische und akustische Isolierung. Synthetische Glasfasern wurden für die Zwecke dieser Diskussion in Endlosglasfasern unterteilt, wobei Isolierwollen aus Glas-, Gesteins- oder Schlackefasern bestehen, und feuerfeste Keramikfasern, die im Allgemeinen Aluminiumsilikate sind.

Die Möglichkeit, wärmeerweichtes Glas zu feinen Fasern zu ziehen, war den Glasmachern schon in der Antike bekannt und ist eigentlich älter als die Technik des Glasblasens. Viele frühe ägyptische Gefäße wurden hergestellt, indem man grobe Glasfasern auf einen passend geformten Tondorn wickelte, dann die Anordnung erhitzte, bis die Glasfasern ineinander flossen, und nach dem Abkühlen den Tonkern entfernte. Auch nach dem Aufkommen des Glasblasens im 1. Jahrhundert n. Chr. wurde die Glasfasertechnik noch angewendet. Venezianische Glasmacher im 16. und 17. Jahrhundert verwendeten es zum Dekorieren von Glaswaren. In diesem Fall wurden Bündel aus undurchsichtigen weißen Fasern auf die Oberfläche eines einfachen transparenten geblasenen Glasgefäßes (z. B. eines Bechers) gewickelt und dann darin durch Erhitzen eingeschmolzen.

Trotz der langen Geschichte allgemein dekorativer oder künstlerischer Verwendungen von Glasfasern kam es erst im 20. Jahrhundert wieder zu einer weit verbreiteten Verwendung. Die erste kommerzielle US-Produktion von Glasfasern erfolgte in den 1930er Jahren, während die erste Verwendung in Europa einige Jahre früher erfolgte. Stein- und Schlackenwolle wurden einige Jahre früher hergestellt.

Die Herstellung und Verwendung von synthetischen Glasfasern ist eine globale Multi-Milliarden-Dollar-Industrie, da diese nützlichen Materialien zu einem wichtigen Bestandteil der modernen Gesellschaft geworden sind. Ihre Verwendung als Dämmstoffe hat zu einer enormen Verringerung des Energiebedarfs zum Heizen und Kühlen von Gebäuden geführt, und diese Energieeinsparungen haben zu einer erheblichen Verringerung der mit der Energieerzeugung verbundenen globalen Umweltverschmutzung geführt. Die Zahl der Anwendungen von Endlosglasfilamenten als Verstärkung für eine Vielzahl von Produkten, von Sportartikeln über Computerchips bis hin zu Luft- und Raumfahrtanwendungen, wurde auf über 30,000 geschätzt. Die Entwicklung und weit verbreitete Kommerzialisierung von feuerfesten Keramikfasern erfolgte in den 1970er Jahren, und diese Fasern spielen weiterhin eine wichtige Rolle beim Schutz von Arbeitern und Ausrüstung in einer Vielzahl von Hochtemperatur-Fertigungsprozessen.

Fertigungsprozesse

Kontinuierliche Glasfäden

Glasfilamente werden gebildet, indem das geschmolzene Glas durch Edelmetalldüsen zu feinen Filamenten mit nahezu einheitlichem Durchmesser gezogen wird. Aufgrund der physikalischen Anforderungen an die Fasern beim Einsatz als Armierung sind deren Durchmesser im Vergleich zu denen der Dämmwolle relativ groß. Nahezu alle Endlosglasfäden haben Durchmesser von 5 bis 15 µm oder mehr. Diese großen Durchmesser in Verbindung mit dem engen Durchmesserbereich, der während der Herstellung hergestellt wird, eliminieren alle potenziellen chronischen Auswirkungen auf die Atemwege, da die Fasern zu groß sind, um in die unteren Atemwege eingeatmet zu werden.

Kontinuierliche Glasfasern werden durch die schnelle Dämpfung von Tropfen aus geschmolzenem Glas hergestellt, die unter Schwerkraft durch Düsen austreten und an ihnen hängen. Das dynamische Gleichgewicht zwischen den Kräften der Oberflächenspannung und der mechanischen Dämpfung führt dazu, dass der Glastropfen die Form eines Meniskus annimmt, der an der ringförmigen Öffnung der Düse gehalten wird und sich auf den Durchmesser der gezogenen Faser verjüngt. Damit das Faserziehen erfolgreich ist, muss das Glas innerhalb eines engen Viskositätsbereichs liegen (dh zwischen 500 und 1,000 Poise). Bei niedrigeren Viskositäten ist das Glas zu flüssig und fällt als Tropfen von den Düsen ab; in diesem Fall dominiert die Oberflächenspannung. Bei höheren Viskositäten ist die Spannung in der Faser während des Verdünnens zu hoch. Die Fließgeschwindigkeit des Glases durch die Düse kann auch zu niedrig werden, um einen Meniskus aufrechtzuerhalten.

Die Funktion der Düse besteht darin, eine Platte bereitzustellen, die mehrere hundert Düsen bei einer einheitlichen Temperatur enthält, und das Glas auf diese einheitliche Temperatur zu konditionieren, so dass die gezogenen Fasern einen einheitlichen Durchmesser haben. 9 zeigt ein schematisches Diagramm der Hauptmerkmale einer Direktschmelzdüse, die an einem Vorherd befestigt ist, von dem sie eine Zufuhr von geschmolzenem Glas sehr nahe der Temperatur nimmt, bei der das Glas durch die Düsen hindurchtritt; in diesem Fall ist also die Grundfunktion der Buchse auch ihre alleinige Funktion.

Abbildung 9. Schema der Direktschmelzdüse

Im Fall einer mit Murmeln arbeitenden Düse ist eine zweite Funktion erforderlich – nämlich zuerst die Murmeln zu schmelzen, bevor das Glas auf die richtige Faserziehtemperatur gebracht wird. Eine typische Marmorbuchse ist in Abbildung 10 dargestellt. Die unterbrochene Linie innerhalb der Buchse ist eine perforierte Platte, die die ungeschmolzenen Murmeln zurückhält.

Abbildung 10. Schema einer Marmorbuchse

Die Auslegung von Buchsen ist weitgehend empirisch. Aus Gründen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen durch geschmolzenes Glas und der Stabilität bei den zum Faserziehen erforderlichen Temperaturen werden Buchsen aus Platinlegierungen hergestellt; es werden sowohl 10 % Rhodium-Platin als auch 20 % Rhodium-Platin verwendet, wobei letzteres bei erhöhten Temperaturen widerstandsfähiger gegen Verformung ist.

Bevor die einzelnen Fasern, die aus einer Düse gezogen werden, gesammelt und zu einem Strang oder einer Vielzahl von Strängen konsolidiert werden, werden sie mit einer Faserschlichte beschichtet. Diese Fasergrößen sind grundsätzlich zwei Arten:

1. Stärkeölschlichten, die normalerweise auf Fasern aufgebracht werden, die zum Weben zu feinen Stoffen oder ähnlichen Verfahren bestimmt sind
2. Haftvermittler plus Filmbildner-Schlichten, die auf Fasern aufgebracht werden, die für die direkte Verstärkung von Kunststoffen und Gummi bestimmt sind.

 

Nachdem die Faser geformt ist, wird eine Schutzschicht aus organischer Schlichte an einem Applikator aufgetragen und die kontinuierlichen Filamente werden zu einem Multifilamentstrang zusammengeführt (siehe Abbildung 11), bevor sie auf eine Wickelhülse gewickelt werden. Applikatoren funktionieren, indem sie es dem Faserfächer ermöglichen, wenn er etwa 25 bis 45 mm breit ist und sich auf seinem Weg zum Sammelschuh unterhalb des Applikators befindet, über eine sich bewegende Oberfläche zu laufen, die mit einem Film aus Faserschlichte bedeckt ist.

Abbildung 11. Textile Glasfäden

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Anwendungen:

1. Walzenauftragsgeräte aus Gummi, Keramik oder Graphit, bei denen die Faser über die Oberfläche der Walze läuft, die mit einem Film aus Faserschlichte beschichtet ist
2. Bandapplikatoren, bei denen das Band an einem Ende über eine angetriebene Walze läuft, die das Band in die Faserschlichte eintaucht, und am anderen Ende über eine feststehende Stange aus hartem Chromstahl läuft, an der die Fasern das Band berühren, um die Schlichte aufzunehmen.

 

Die Schutzbeschichtung und der Fasersammelprozess können je nach Art der herzustellenden Textil- oder Verstärkungsfaser variieren. Das grundlegende Ziel besteht darin, die Fasern mit Schlichte zu beschichten, sie zu einem Strang zusammenzufassen und sie mit der minimal erforderlichen Spannung auf einem abnehmbaren Rohr an der Spannzange anzuordnen.

Abbildung 12 zeigt den Prozess der kontinuierlichen Glasherstellung.

Abbildung 12. Herstellung von Endlosfilamentglas

Herstellung von Isolierwolle

Im Gegensatz zu kontinuierlichen Filamenten werden die Fasern der Isolierwolle und der feuerfesten Keramikfasern in sehr hochenergetischen Prozessen hergestellt, bei denen geschmolzenes Material entweder in sich drehende Scheiben oder eine Reihe rotierender Räder fallen gelassen wird. Diese Verfahren führen zur Herstellung von Fasern mit einem Durchmesserbereich, der viel breiter ist als bei kontinuierlichen Filamenten. So enthalten alle Dämmwollen und Keramikfasern einen Anteil der Fasern mit Durchmessern kleiner 3.0 µm; diese könnten atembar werden, wenn sie in relativ kurze Längen zerbrochen werden (weniger als 200 bis 250 μm). Über Expositionen gegenüber lungengängigen synthetischen Glasfasern am Arbeitsplatz liegen umfangreiche Daten vor.

Zur Herstellung kommen mehrere Verfahren zum Einsatz Glaswolle, einschließlich des Dampfblasverfahrens und des Flammenblasverfahrens; Am beliebtesten ist jedoch das Rotationsformverfahren, das Mitte der 1950er Jahre entwickelt wurde. Die Rotationsverfahren haben direkte Blasverfahren für die kommerzielle Herstellung von Glasfaser-Dämmprodukten weitgehend ersetzt. Diese Rotationsprozesse verwenden alle eine hohle Trommel oder Schleuder, die mit vertikaler Achse montiert ist. Die senkrechte Wand des Spinners ist mit mehreren tausend Löchern gleichmäßig über den Umfang verteilt perforiert. Geschmolzenes Glas wird mit kontrollierter Geschwindigkeit in die Mitte der Schleuder fallen gelassen, von wo ein geeigneter Verteiler es in die Innenseite der vertikalen perforierten Wand drückt. Aus dieser Position treibt die Zentrifugalkraft das Glas radial nach außen in Form von diskreten Glasfilamenten, die aus jeder Perforation austreten. Eine weitere Verfeinerung dieser Primärfilamente wird durch ein geeignetes Blasfluid erreicht, das aus einer Düse oder Düsen austritt, die um die Spinnvorrichtung herum und konzentrisch zu dieser angeordnet sind. Das Nettoergebnis ist die Herstellung von Fasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von 6 bis 7 mm. Das Blasfluid wirkt nach unten und lenkt somit nicht nur die Enddämpfung, sondern auch die Fasern zu einer unterhalb des Spinners angeordneten Sammelfläche ab. Auf dem Weg zu dieser Auffangfläche werden die Fasern mit einem geeigneten Bindemittel besprüht, bevor sie gleichmäßig über die Auffangfläche verteilt werden (siehe Abbildung 13).

Abbildung 13. Das Rotationsverfahren zur Herstellung von Glaswolle

In einem Rotationsverfahren werden Glaswollefasern hergestellt, indem man geschmolzenes Glas durch eine Reihe kleiner Öffnungen laufen lässt, die sich in einer rotierenden Spinnvorrichtung befinden, und dann das Primärfilament durch Luft- oder Dampfblasen verfeinert.

Mineralwollekann jedoch nicht im Drehspinnverfahren hergestellt werden und wurde historisch in einem Verfahren mit einer Reihe von horizontalen Spinndornen hergestellt. Das Mineralwolleverfahren besteht aus einer Reihe von Rotoren (Dornen), die in einer Kaskadenanordnung montiert sind und sich sehr schnell drehen (siehe Abbildung 14). Ein Strom geschmolzenen Steins wird kontinuierlich zu einem der oberen Rotoren übertragen und von diesem Rotor auf den zweiten verteilt und so weiter. Die Schmelze wird gleichmäßig auf der Außenfläche aller Rotoren verteilt. Aus den Rotoren werden Tröpfchen durch die Zentrifugalkraft herausgeschleudert. Die Tröpfchen werden durch längliche Hälse an der Rotoroberfläche befestigt, die sich unter weiterer Dehnung und gleichzeitiger Abkühlung zu Fasern entwickeln. Auf die Dehnung folgt natürlich eine Durchmesserabnahme, die wiederum eine beschleunigte Abkühlung bewirkt. Somit gibt es eine untere Grenze für den Durchmesser unter den in diesem Verfahren hergestellten Fasern. Eine Normalverteilung der Faserdurchmesser um den Mittelwert ist daher nicht zu erwarten.

Abbildung 14. Mineralwolleprozess (Stein und Schlacke)

Feuerfeste Keramikfasern

Keramische Fasern werden hauptsächlich durch Blasen und Spinnen mit Verfahren hergestellt, die denen ähneln, die für die Isolierwollen beschrieben wurden. Beim Dampfblasverfahren werden Rohmaterialien wie Aluminiumoxid und Siliziumoxid in einem Elektroofen geschmolzen, und das geschmolzene Material wird abgezogen und entweder mit unter Druck stehendem Dampf oder einem anderen heißen Gas geblasen. Die produzierten Fasern werden dann auf einem Sieb gesammelt.

Ähnlich wie beim Spinnverfahren für Gesteins- und Schlackenfasern entsteht bei Keramikfasern ein hoher Anteil an langen, seidigen Fasern. Bei diesem Verfahren wird ein Strom aus geschmolzenem Material auf sich schnell drehende Scheiben getropft und tangential abgeschleudert, um Fasern zu bilden.

Töpferindustrie

Allgemeines Profil

Das Töpfern ist eines der ältesten Handwerke der Menschheit. Im Laufe der Jahrhunderte haben sich in verschiedenen Teilen der Welt verschiedene Stile und Techniken entwickelt. Im 18. Jahrhundert wurde eine florierende Industrie in vielen Teilen Europas stark durch den Import feiner und hochverzierter Waren aus Fernost beeinflusst. Japan hatte die Keramikkunst etwa 400 Jahre zuvor von China gelernt. Mit der industriellen Revolution und der allgemeinen Veränderung der Bedingungen in Westeuropa wuchs die Produktion schnell. Gegenwärtig stellt fast jedes Land einige Waren für den häuslichen Gebrauch her, und Töpferwaren sind ein wichtiger Exportartikel aus einigen Ländern. Die Produktion erfolgt heute in vielen Teilen der Welt im Fabrikmaßstab. Während sich die Grundprinzipien der Herstellung nicht geändert haben, gab es beträchtliche Fortschritte in der Art und Weise, wie die Herstellung durchgeführt wird. Dies gilt insbesondere für das Formen oder Formen von Geschirr, sein Brennen und die verwendeten Dekorationstechniken. Der zunehmende Einsatz von Mikroprozessoren und Robotern führt zur Einführung hoher Automatisierungsgrade in Produktionsbereichen. Es gibt aber auch noch überall viele kleine handwerkliche Töpfereien.

Methoden des Formens

Die früheste Methode zur Herstellung von Töpferwaren war die Handarbeit. Tonrollen werden übereinander gewickelt und durch Drücken mit den Händen zusammengeklebt. Der Ton wird zunächst in einen weichen Zustand gebracht, indem er mit Wasser bearbeitet wird. Das Objekt wird dann von Hand geformt und geformt, sobald die Spulen verklebt sind.

Die Töpferscheibe ist zu einem Werkzeug zur Herstellung von Töpferwaren geworden. Bei dieser Formungsmethode wird ein Tonhaufen auf eine sich drehende kreisförmige Platte gelegt und von den nassen Händen des Töpfers geformt. Das Wasser verhindert, dass die Hände des Töpfers am Ton kleben und hält den Ton feucht und bearbeitbar. Griffe, Tüllen und andere Vorsprünge aus dem sich drehenden Ton werden kurz vor dem Brennen des Objekts angebracht.

Casting wird heute oft verwendet, wenn Töpferwaren von hoher Qualität gewünscht werden und wenn die Wände des Gefäßes sehr dünn sein sollen. Eine Ton-Wasser-Mischung, Schlicker genannt, wird in eine Gipsform gegossen. Der Gips nimmt das Wasser auf, wodurch sich rund um die Innenseite der Form eine dünne Lehmschicht ablagert. Wenn die Tonablagerung dick genug ist, um die Wände der Vase zu bilden, wird der Rest des Schlickers ausgegossen, wobei das nasse Geschirr auf der Innenseite der Form zurückbleibt. Beim Trocknen schrumpft es etwas und kann aus der Form genommen werden. Üblicherweise sind die Formen so konstruiert, dass sie zerlegt werden können.

Wenn das Stück vollständig trocken ist, wird es geglättet und für den Brennvorgang vorbereitet. Es wird in eine Schamottebox namens a gelegt schlaffer, die das Stück vor den Flammen und Gasen schützt, die während des Prozesses entstehen, so wie ein Ofen einen Brotlaib schützt, der gebacken wird. Die Brennkapseln werden in a übereinander gelegt Ofen. Der Ofen ist eine große Struktur, die aus Schamottesteinen gebaut und von Kaminen umgeben ist, so dass die Flammen des Feuers das Geschirr vollständig umgeben können, aber nie wirklich mit ihnen in Kontakt kommen. Rauch würde die Stücke verfärben, wenn sie nicht auf diese Weise geschützt wären.

Die meisten Stücke werden mindestens zweimal gebrannt. Das erste Mal durch den Ofen heißt das Fischcremesuppe Brennen, und das Stück Keramik heißt a Keks or Biskuitstück. Nach dem Brennen wird die Biskuitware glasiert. Eine Glasur ist eine glasige, glänzende Beschichtung, die die Keramik attraktiver und brauchbarer macht. Glasuren enthalten Kieselsäure, ein Flussmittel zur Senkung der Schmelztemperatur (Blei, Barium usw.) und Metalloxide als Farbstoffe. Wenn die Glasur auf die Keramik aufgetragen und vollständig trocken ist, wird sie wieder in den Ofen gelegt und bei einer so hohen Temperatur gebrannt, dass die Glasur schmilzt und die gesamte Oberfläche der Keramik bedeckt.

Arten von Töpferwaren

• Steinzeug ist eine Keramik aus hellem oder dunklem Ton. Es wird entweder vor dem Brennen oder während des Brennvorgangs mittels Salz auf den unverbrannten Scherben glasiert und zu einem dichten, harten Zustand gebrannt.

• Porzellan ist eine weiße, glasierte Ware. Es ist durchscheinend. Beim Porzellan werden Scherbe und Glasur durch ein und denselben Brand, der bei sehr hoher Temperatur stattfindet, zur Vollendung und Reife gebracht.

• China ist eine porzellanähnliche Ware. Masse und Glasur werden im selben Brand bei extrem hohen Temperaturen zur Vollendung und Reife gebracht.

• Bone China ist eine Porzellansorte, bei der verbrannter Knochen als Zutat verwendet wird, der etwa 40% der Masse ausmacht.

• Steingut hat einen weißen oder fast weißen Körper. Es wird wie Porzellan durch zwei Brände hergestellt, aber sein Körper bleibt porös. Die Glasur ähnelt der von Porzellan, besteht jedoch aus einem billigeren Material.

• Fayence ist ein feines glasiertes Steingut, das für Zier- und Dekorationszwecke verwendet wird. Normalerweise wird nicht versucht, einen weißen Scherben herzustellen, und die Glasuren sind häufig farbig.

 

Fertigungsprozesse

Die physikalischen Eigenschaften von Keramik variieren je nach Zusammensetzung des Scherbens und den Brennbedingungen. Die Masse für eine bestimmte Verwendung wird hauptsächlich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften ausgewählt, aber weiße Masse wird am häufigsten für Tafelgeschirr ausgewählt.

Industrielle Produkte (z. B. feuerfeste Materialien, elektrische Isolatoren, Katalysatorträger usw.) haben je nach Verwendungszweck ein breites Spektrum an Eigenschaften.

Rohstoffe. Die Grundbestandteile in einem Keramikkörper sind in Tabelle 1 gezeigt, die auch typische Proportionen in Musterkörpertypen angibt.

Tabelle 1. Typische Körperbestandteile (%)

 

Nephelin-Syenit wird manchmal als Flussmittel verwendet, und Aluminiumoxid kann einen Teil oder den gesamten Quarzfüllstoff in einigen porzellanartigen Körpern ersetzen. Cristobalit (kalzinierter Sand) wird als Füllstoff in einigen Keramikkörpern verwendet, insbesondere in der Wandfliesenindustrie.

Die Körperzusammensetzung wird teilweise durch die geforderten Eigenschaften des Endprodukts und teilweise durch das Herstellungsverfahren bestimmt. Für feucht geformte Ware ist eine Kunststoffunterlage unabdingbar, nicht jedoch für nicht plastische Formgebungsverfahren, wie z. B. Staubpressen. Die Kunststoffbasis ist nicht wesentlich, obwohl Ton immer noch der Hauptbestandteil der meisten Keramikprodukte ist, einschließlich der durch Staubpressen hergestellten.

Industriekeramiken sind in Tabelle 1 nicht aufgeführt, da ihre Zusammensetzung von Kugelton oder Schamotte ohne zusätzliches Flussmittel oder Füllmittel bis fast ausschließlich Tonerde mit einer minimalen Tonmenge und ohne Flussmittelzusatz reicht.

Während des Brennens schmilzt das Flussmittel zu einem Glas, um die Zutaten miteinander zu verbinden. Wenn die Flussmittelmenge zunimmt, wird die Verglasungstemperatur gesenkt. Füllstoffe beeinflussen die mechanische Festigkeit des Tongeschirrs vor und während des Brennens; Bei der Herstellung von Geschirr wird traditionell Quarz (als Sand oder kalzinierter Feuerstein) verwendet, mit der Ausnahme, dass Knochenasche zur Herstellung von Knochenporzellan verwendet wird. Die Verwendung von Aluminiumoxid oder anderen kieselsäurefreien Füllstoffen, die bereits bei der Herstellung von Industriekeramik verwendet werden, wird auf die Herstellung anderer Waren, einschließlich Haushaltsprodukten, ausgeweitet.

In Bearbeitung. Zu den grundlegenden Prozessen bei der Herstellung von Keramik gehören:

• Zubereitung der Körperinhaltsstoffe

• formen und gestalten

• Biskuitbrand

• Auftragen von Glasur

• Glattbrand

• Dekoration.

 

Die vorbereitenden Prozesse des Kalzinierens, Zerkleinerns und Mahlens von Feuerstein oder Stein können in einem separaten Betrieb durchgeführt werden, aber es ist üblich, dass alle nachfolgenden Prozesse in derselben Fabrik durchgeführt werden. Im Gleithaus werden die Körperinhaltsstoffe in Wasser gemischt; plastischer Ton wird dann durch Filtern und Stopfen hergestellt; Anschließend wird die Gießmasse durch Aufschlagen zu einer cremigen Konsistenz gebracht. Pressstaub wird durch Trocknen und Mahlen aufbereitet.

Traditionelle Einteilungen von Formgebungsverfahren sind in Tabelle 2 dargestellt. Beim Gießen wird eine Wassersuspension des Körpers in eine saugfähige Form gegossen und der Abguss nach teilweiser Trocknung entfernt. Plastische Tonformung durch Werfen ist heute in der industriellen Produktion selten geworden; mechanisches Streichen über oder in einer Gipsform (Jiggering und Jolly) mit Trennung von der Form nach dem Trocknen ist nahezu universell in der Geschirrherstellung. Das Pressen von plastischem Ton oder die Extrusion ist hauptsächlich auf Industriekeramik beschränkt. Staubgepresste Artikel werden durch Kompaktieren von vorgetrocknetem Körperstaub von Hand oder durch mechanisches Pressen hergestellt.

Tabelle 2. Herstellungsverfahren

 

Nach dem Formen kann die Ware getrocknet und durch Putzen, Schleppen oder Schwammen fertiggestellt werden. Dann ist es bereit für den Schrühbrand.

Nach dem Schrühbrand wird die Glasur durch Tauchen oder Sprühen aufgetragen; Das Eintauchen kann von Hand oder mechanisiert erfolgen. Anschließend wird die glasierte Ware erneut gebrannt. Manchmal, wie bei Sanitärkeramik, wird Glasur auf den getrockneten Tonartikel aufgetragen und es gibt nur einen Brand.

Die Dekoration kann entweder unter oder über Glasur aufgebracht werden und kann von Hand bemalt, maschinell bedruckt oder übertragen werden; Überglasurdekoration erfordert einen dritten Brand; und manchmal sind separate Brände für verschiedene Farben erforderlich.

In der Endphase wird die Ware sortiert und für den Versand verpackt. Abbildung 15 identifiziert die verschiedenen Wege, denen verschiedene Arten von Töpferwaren und Keramiken während ihrer Herstellung folgen.

Abbildung 15. Flussdiagramm nach Keramiktyp

Keramische Fliesen

Allgemeines Profil

Keramik ist ein Begriff, von dem man dachte, dass er sich nur auf die Kunst oder Technik der Herstellung von Töpferwaren bezieht. Die Etymologie des Begriffs zeigt, dass er aus dem Griechischen stammt Keramos, was „ein Töpfer“ oder „eine Töpferei“ bedeutet. Das griechische Wort ist jedoch mit einer älteren Sanskrit-Wurzel verwandt, die „brennen“ bedeutet; Wie von den Griechen selbst verwendet, war seine primäre Bedeutung einfach „verbranntes Zeug“ oder „verbrannte Erde“. Der in dem Begriff enthaltene grundlegende Begriff war der eines Produkts, das durch die Einwirkung von Feuer auf erdige Materialien gewonnen wird.

Eine traditionelle Keramik bezieht sich im Kontext dieses Artikels auf die Produkte, die üblicherweise als Baumaterialien oder im Haushalt und in der Industrie verwendet werden. Obwohl die Tendenz besteht, traditionelle Keramik mit Niedrigtechnologie gleichzusetzen, werden in dieser Branche häufig fortschrittliche Fertigungstechnologien eingesetzt. Der harte Wettbewerb zwischen den Herstellern hat dazu geführt, dass die Technologie durch den Einsatz komplexer Werkzeuge und Maschinen in Verbindung mit einer computergestützten Prozesssteuerung effizienter und kostengünstiger geworden ist.

Die ältesten keramischen Produkte entstanden aus tonhaltigen Materialien. Frühe Töpfer fanden die plastische Natur von Ton nützlich, um Formen zu formen. Aufgrund ihrer Neigung zu starkem Schrumpfen wurden Tonkörper durch Zugabe von grobem Sand und Steinen modifiziert, wodurch Schrumpfung und Rissbildung verringert wurden. In modernen Körpern auf Tonbasis sind die typischen Nicht-Ton-Zusätze Quarzmehl und Alkalimineralien, die als Flussmittel hinzugefügt werden. In traditionellen Keramikformulierungen wirkt Ton als Weichmacher und Bindemittel für andere Bestandteile.

Entwicklung der Branche

Die Herstellung von getrockneten und gebrannten Tonziegeln hat sehr alte Ursprünge, die auf die Bevölkerung des Nahen Ostens zurückgehen. Die Fliesen-Weißwarenindustrie entwickelte sich in Europa erheblich, und zu Beginn des 20. Jahrhunderts erreichte die Boden- und Wandfliesenproduktion industrielle Maßstäbe. Eine weitere Entwicklung auf diesem Gebiet erfolgte nach dem Zweiten Weltkrieg. Europa (insbesondere Italien und Spanien), Lateinamerika und der Ferne Osten sind heute die wichtigsten Gebiete der industriellen Fliesenproduktion.

Der Sektor der Boden- und Wandfliesen der Weißwarenindustrie hat sich seit Mitte der 1980er Jahre durch die Einführung neuer Technologien, die Automatisierung und die Integration des Produktionsflusses in den Herstellungsprozess stark weiterentwickelt. In der Folge wurden Produktivität und Effizienz gesteigert, während Energieverbrauch und Kosten gesenkt wurden. Die Fliesenherstellung erfolgt jetzt kontinuierlich sowohl in der Nass- als auch in der Trockenfliesenproduktion, und viele Werke sind heute zu fast 100 % automatisiert. Zu den wichtigsten Innovationen in der Fliesenindustrie während des letzten Jahrzehnts gehören Nassschleifen, Sprühtrocknung, Hochdruck-Trockenpressen, Walzentrocknung und Schnellbrandtechnologien.

Der Wert der Versorgung des US-Keramikfliesenmarktes (US-Fabriklieferungen plus Importe) stieg zwischen 9.2 und 1992 jährlich um geschätzte 1994 %. Der Umsatz in Dollar wurde 1.3 auf 1994 Milliarden US-Dollar geschätzt. Gleichzeitig stieg der Volumenumsatz um 11.9 % jährlich auf 1.3 Milliarden Quadratfuß. Dies steht im Vergleich zu einer Marktwachstumsrate von 7.6 % basierend auf Dollarumsätzen und 6.9 % basierend auf Volumenverkäufen zwischen 1982 und 1992.

Klassifikationen von Keramikfliesen

Redware und Whiteware

Viele Arten von Keramikfliesen sind auf dem Markt erhältlich. Sie unterscheiden sich nach Oberflächenbeschaffenheit, Körperfarbe (weiß oder rot), Fertigungstechnologie, Rohstoffen und Verwendungszweck. Der Unterschied zwischen „roten“ und „weißen“ Fliesen liegt in der Menge der im Körper enthaltenen Eisenmineralien. Durch die Reaktion mit den anderen Massebestandteilen können sie mehr oder weniger Färbung ergeben und das Verhalten der Masse während des Brennens verändern.

Eine vollständige und erschöpfende Klassifizierung ist aufgrund der extremen Heterogenität der Fliesenprodukte, ihrer Verarbeitung und späteren Eigenschaften sehr schwierig. In diesem Kapitel werden europäische (EN) und ASTM-Normen berücksichtigt.

EN-Normen klassifizieren Keramikfliesen ausschließlich nach Wasseraufnahme (die direkt mit der Porosität korreliert) und Formgebungsverfahren (Extrusion oder Pressen). Die Formgebungsverfahren werden klassifiziert als:

• Formgebungsverfahren A (extrudierte Bodenfliesen). Dieser Prozess umfasst gespaltene Fliesen und einzeln extrudierte Fliesen.

• Umformprozess B (trockengepresste Boden- und Wandfliesen).

 

Die im November 87 verabschiedete Europäische Norm EN 1981 legt fest: „Keramische Wand- und Bodenfliesen sind Baumaterialien, die im Allgemeinen zur Verwendung als Boden- und Wandbeläge im Innen- und Außenbereich bestimmt sind, unabhängig von Form und Größe“.

Die Spezifikation des American National Standards Institute (ANSI) für Keramikfliesen (ANSI A 137.1) enthält die folgenden Definitionen:

• Mosaikfliese aus Keramik wird entweder durch das Staubpressen oder das Plastikverfahren geformt, ist normalerweise 6.4 bis 9.5 mm (1/4 bis 1/8 Zoll) dick und hat eine Gesichtsfläche von weniger als 39 cm² (6 in² ). Keramische Mosaikfliesen können entweder Porzellan oder eine natürliche Tonzusammensetzung sein, und sie können entweder glatt oder durchgehend mit einer abrasiven Mischung sein.

• Dekorative Wandfliese ist eine glasierte Fliese mit einem dünnen Scherben, die normalerweise nicht aus Steingut besteht und für die Verwendung als dekorative Wohnwand im Innenbereich geeignet ist, wo Bruchfestigkeit nicht erforderlich ist.

• Pflasterfliese ist eine glasierte oder unglasierte Porzellan- oder Naturtonfliese, die im Staubpressverfahren mit 39 cm geformt ist² (6 in² ) oder mehr Gesichtsbereich.

• Porzellan Fliese ist eine keramische Mosaikfliese oder Pflasterfliese, die im Allgemeinen durch das Staubpressverfahren hergestellt wird, wobei die resultierende Fliesenzusammensetzung dicht, undurchlässig, feinkörnig und glatt ist, mit einer scharf geformten Oberfläche.

• Steinbruchfliese ist eine glasierte oder unglasierte Fliese, die im Extrusionsverfahren aus natürlichem Ton oder Schiefer hergestellt wird und normalerweise 39 cm hat² (6 in²) oder mehr Gesichtsbereich.

• Wandfliese ist eine glasierte Fliese mit einem Körper, der für den Innenbereich geeignet ist und normalerweise nicht aus Steingut besteht und nicht übermäßigen Stößen standhalten oder Frost- und Taubedingungen ausgesetzt sein muss.

• Individuelle Fliesen-Whiteware-Sorten umfassen unglasierte Fliesen (Keramik-Mosaikfliesen, Steinbruchfliesen, Pflasterfliesen) und glasierte Fliesen (glasierte Wandfliesen, glasierte Keramikmosaikfliesen, glasierte Steinbruchfliesen, glasierte Pflasterfliesen) (ANSI 1988).

 

Die Fliesen werden durch keramische Standardverfahren hergestellt. Keramische Wand- und Bodenfliesen werden aus einer Mischung von Kugelton, Sand, Flussmitteln, Farbstoffen und anderen mineralischen Rohstoffen hergestellt und einer Verarbeitung wie Mahlen, Sieben, Mischen und Benetzen unterzogen. Sie werden normalerweise bei Raumtemperatur durch Pressen, Strangpressen, Gießen oder andere Verfahren geformt und anschließend getrocknet und schließlich bei hoher Temperatur gebrannt. Fliesen können glasiert, unglasiert oder engobiert sein. Glasuren sind glasähnliche, undurchlässige Beschichtungen und Engoben sind matte Beschichtungen auf Tonbasis, die auch porös sein können. Glasierte Wand- und Bodenfliesen werden entweder durch ein- oder zweistufigen Brand hergestellt.

Traditionelle Keramikkörper werden mit vielen verschiedenen Techniken in Formen gebracht. Der spezifische Umformprozess wird von zahlreichen Faktoren bestimmt, darunter Materialeigenschaften, Größe und Form des Teils, Teilespezifikationen, Produktionsausbeute und anerkannte Praktiken in der geografischen Region.

Körper auf Tonbasis sind heterogene Mischungen aus einem oder mehreren Tonen und einem oder mehreren Nicht-Ton-Pulvern. Bevor diese Pulver ihre endgültige Form annehmen, werden sie einer Reihe von Einheitsoperationen, Brenn- und Nachbrennoperationen unterzogen (siehe Abbildung 17).

Bei den meisten herkömmlichen Körpern können die Umformtechniken in weiche plastische Umformung, steife plastische Umformung, Pressen und Gießen eingeteilt werden.

Angewandter Druck wird angewendet, um die Rohmaterialien in eine besser gepackte Konfiguration umzuordnen und neu zu verteilen. Das rheologische Verhalten von Massen auf Tonbasis ergibt sich aus der Wechselwirkung von Tonmineralien mit Wasser, die der Charge Plastizität verleihen. In Nicht-Ton-Körpern kann die gleiche Art von Verhalten durch Zugabe von Weichmachern erreicht werden.

Industriekeramik

Allgemeines Profil

Keramik unterscheidet sich von anderen technischen Werkstoffen (Metalle, Kunststoffe, Holzprodukte, Textilien) durch eine Reihe von Einzeleigenschaften. Der vielleicht auffälligste Unterschied für einen Designer oder potenziellen Benutzer von Keramikwaren ist die einzigartige Form und Größe jedes einzelnen Keramikstücks. Keramiken lassen sich nach dem Brennen nicht ohne weiteres formen oder bearbeiten, außer durch sehr kostspieliges Schleifen; folglich müssen sie normalerweise so verwendet werden, wie sie sind. Abgesehen von einigen einfachen Fliesen-, Stangen- und Rohrformen begrenzter Größe kann Keramik nicht fuß- oder meterweise vermarktet oder für die Arbeit passend zugeschnitten werden.

Alle nützlichen Eigenschaften, einschließlich Form und Größe, müssen im Voraus bereitgestellt werden, beginnend mit den sehr frühen Phasen der Keramikverarbeitung. Die strukturelle Integrität jedes Teils muss durch eine Vielzahl von thermischen und mechanischen Beanspruchungen während der Verarbeitung und bis das Teil schließlich installiert und in Betrieb genommen wird, bewahrt werden. Wenn eine Keramik aufgrund verschiedener Ursachen (Sprödbruch beim Aufprall, Temperaturschock, dielektrischer Durchschlag, Abrieb oder Schmelzschlackenkorrosion) ausfallen sollte, ist sie wahrscheinlich nicht reparabel und muss normalerweise ersetzt werden.

Bedeutende Fortschritte wurden beim grundlegenden Verständnis und der technologischen Kontrolle der Eigenschaften von Keramik und ihrer Verwendung in vielen neuen, anspruchsvollen, hochtechnischen Anwendungen gemacht. Die Industrie im Allgemeinen und die Bereiche der technischen und elektronischen Keramik im Besonderen haben Produktions- und Kontrolltechniken zur Massenproduktion komplexer Formen in Körpern entwickelt, die sorgfältig kontrollierte elektrische, magnetische und/oder mechanische Eigenschaften aufweisen, während sie ausreichend gute Maßtoleranzen beibehalten ermöglichen eine relativ einfache Montage mit anderen Komponenten.

Viele Keramiken werden in großen Mengen als Standardartikel hergestellt. Feuerfeste Steine ​​und Formen, Tiegel, Muffeln, Ofenrohre, Isolatoren, Thermoelement-Schutzrohre, Kondensatordielektrika, hermetische Dichtungen und Faserplatten werden routinemäßig von einer Reihe von Keramikherstellern in einer Vielzahl von Zusammensetzungen und Größen auf Lager gehalten. Es ist in der Regel schneller und billiger, wenn immer möglich auf Lagerartikel zurückzugreifen. Wenn Lagerartikel den Bedarf nicht decken, sind die meisten Hersteller bereit, Artikel nach Maß herzustellen. Je strenger die Anforderungen für eine gegebene Eigenschaft der Keramik oder je restriktiver die Anforderungen für spezifische Kombinationen von Eigenschaften, Größen und Formen sind, desto begrenzter sind die akzeptierten Zusammensetzungs-, Mikrostruktur- und Konfigurationsparameter für die Keramik. Daher sind die Kosten und die Schwierigkeit der Herstellung größer. Die meisten Keramikhersteller haben erfahrene Ingenieure und Designer, die gut qualifiziert sind, um mit potenziellen Kunden an Details des Keramikwarendesigns zu arbeiten.

Märkte

Der Hauptmarkt für hochmoderne Keramiken war und ist die Elektronik, aber energische weltweite Forschungs- und Entwicklungsprogramme suchen ständig nach neuen Anwendungen und identifizieren Wege zur Verbesserung der keramischen Eigenschaften, so dass neue Märkte erschlossen werden können.

Hochleistungskeramik wird in Japan, den Vereinigten Staaten und Westeuropa hergestellt. Die in der Industrie verwendeten Rohstoffe werden international hauptsächlich als Pulver gehandelt, aber es gibt auch einen erheblichen Anteil an eigener Verarbeitung.

Die Hauptanwendungen von Industriekeramik sind:

• Oxides. Die heute hauptsächlich verwendeten Oxidmaterialien sind Aluminiumoxid in Zündkerzen, Substraten und Verschleißanwendungen; Zirkonoxid (ZrO₂) in Sauerstoffsensoren, als Komponente in Piezoelektrika aus Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), Verschleißanwendungen und Wärmedämmschichten; Titanate in Bariumtitanat-Kondensatoren und PZT-Piezoelektrika; und Ferrite in Permanentmagneten, Magnetaufzeichnungsköpfen, Speichergeräten, Temperatursensoren und Elektromotorteilen.

• Karbide und Nitride. Karbide (hauptsächlich Siliziumkarbid und Borkarbid) werden in Verschleißanwendungen verwendet, während Nitride (hauptsächlich Siliziumnitrid und Sialon) in Verschleißanwendungen und Schneidwerkzeugen verwendet werden. Aluminiumnitrid ist mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit das Hauptkonkurrenzmaterial für einen Teil des Marktes für Elektroniksubstrate, der derzeit von Aluminiumoxid dominiert wird.

• Mischoxidkeramik. Die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen für Keramik konzentrieren sich auf eine Reihe neuer Anwendungen für Keramik, die alle ein enormes Potenzial haben. Drei bedeutende Anwendungen sind: (1) keramische Supraleiter, (2) Keramiken für Festoxidbrennstoffzellen und (3) keramische Komponenten für Wärmekraftmaschinen.

 

Keramische Supraleiter basieren auf einer Reihe von Mischoxidsystemen, zu denen Yttrium, Barium, Kupfer, Strontium und Kupfer (YBa₂Cu₃O_7-8, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) mit Bleioxid stabilisiert. Festoxid-Brennstoffzellenkeramiken basieren auf Ionenleitern, bei denen hochreines stabilisiertes Zirkonoxid derzeit das Material der Wahl ist. Die untersuchten keramischen Wärmekraftmaschinenkomponenten bestehen aus Siliziumkarbid, Sialonen und Zirkonoxid, entweder als einphasige Keramiken, Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffe oder Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMCs).

Fertigungsprozesse

Entwicklung der Fertigungstechnologie

Verarbeitungsinnovationen. Die Forschungs- und Entwicklungstätigkeit generiert neue Technologien für die Herstellung von keramischen Materialien. Von Vorläufern abgeleitete Keramiken hatten 2 einen geschätzten Marktwert von 1989 Millionen US-Dollar, wovon der größte Teil auf CVD entfiel (86 % des gesamten Marktwerts). Weitere Segmente dieses wachsenden Marktes sind chemische Dampfinfiltration (CVI), Sol-Gel- und Polymerpyrolyse. Zu den Produkten, die auf diese Weise erfolgreich hergestellt werden, gehören kontinuierliche Keramikfasern, Verbundstoffe, Membranen und ultrahochreine/hochaktive Pulver.

Die Prozesse, die verwendet werden, um diese Rohmaterialien in fertige Produkte umzuwandeln, umfassen eine zusätzliche Pulververarbeitung (z. B. Mahlen und Sprühtrocknen) vor der Bildung von Grünlingen, die dann unter kontrollierten Bedingungen gebrannt werden. Die Umformverfahren umfassen Gesenkpressen, isostatisches Pressen, Schlickerguss, Bandguss, Extrusion, Spritzguss, Heißpressen, heißisostatisches Pressen (HIP), CVD und so weiter.

Chemische Zusätze zur Unterstützung der Keramikverarbeitung. Jeder Schritt im Herstellungsprozess erfordert eine sorgfältige Kontrolle, damit die Eigenschaften des Endprodukts bei maximaler Produktionseffizienz erhalten werden und Schlüsseleffektchemikalien verwendet werden, um die Pulverbehandlung und die Grünformung zu optimieren. Zu den Effektchemikalien gehören Mahlhilfsmittel, Flockungsmittel und Bindemittel, Schmiermittel, um die Produktfreisetzung während des Pressens zu bewirken und den Verschleiß der Formteile zu minimieren, und Weichmacher, um die Extrusion und das Spritzgießen zu unterstützen. Eine Liste solcher Chemikalien ist in Tabelle 3 aufgeführt. Während diese Materialien eine wichtige wirtschaftliche Rolle in der Produktion spielen, werden sie während des Brennens ausgebrannt und spielen keine Rolle in der Chemie des Endprodukts. Der Ausbrennprozess muss sorgfältig kontrolliert werden, um Restkohlenstoff in den Endprodukten zu vermeiden, und die Prozessforschung und -entwicklung untersucht kontinuierlich Möglichkeiten zur Minimierung der verwendeten Effektchemikalien.

Tabelle 3. Ausgewählte chemische Additive zur Optimierung der Pulverbehandlung und Grünformung von Keramik

 

Neben der Entwicklung keramischer Produkte und keramischer Fertigungstechnologien für neue Anwendungen sollte der Einfluss der Hochleistungskeramikindustrie auf die traditionelle Keramikindustrie nicht übersehen werden. Es wird erwartet, dass viele High-Tech-Materialien und -Prozesse in der traditionellen Keramikindustrie Anwendung finden werden, da letztere bestrebt ist, die Herstellungskosten zu senken, die Qualität zu verbessern und dem Endverbraucher einen besseren Service zu bieten.

Rohstoffe

Es gibt bestimmte Schlüsselmaterialien, die entweder direkt von der Keramikindustrie verwendet werden oder die den Ausgangspunkt für die Herstellung von Mehrwertmaterialien darstellen:

• Kieselerde

• Lehm

• Aluminiumoxid

• Magnesia

• Titandioxid

• Eisenoxid

• Zirkon/Zirkonia.

 

Diese Diskussion konzentriert sich auf die Eigenschaften von Siliziumoxid, Aluminiumoxid und Zirkon/Zirkonoxid.

Silicaist neben der Verwendung in Feuerfest- und Weißwaren auch Ausgangspunkt für die Herstellung von elementarem Silizium, Siliziumkarbid und Siliziumtetrachlorid. Silizium wiederum ist der Ausgangspunkt für Siliziumnitrid, und Siliziumtetrachlorid ist die Vorstufe für eine breite Palette organischer Siliziumverbindungen, die unter kontrollierten Bedingungen zu hochwertigem Siliziumkarbid und Siliziumnitrid pyrolysiert werden können.

Siliziumnitrid und seine Sialon-Derivate sowie Siliziumkarbid haben trotz ihrer Neigung zur Oxidation das Potenzial, viele der vom Wärmekraftmaschinenmarkt gesetzten Eigenschaftsziele zu erreichen. Ein Merkmal von Kieselsäure und den von Kieselsäure abgeleiteten keramischen Materialien ist, dass alle Elemente in der Erdkruste leicht verfügbar sind. Insofern bieten diese Materialien das Potenzial einer einfachen Versorgung in allen Teilen der Welt. In der Praxis ist jedoch ein erheblicher Energieaufwand erforderlich, um Silizium und Siliziumkarbid herzustellen. Folglich ist die Herstellung dieser Materialien im Großen und Ganzen auf Länder mit billiger und leicht verfügbarer elektrischer Energie beschränkt.

Aluminiumoxide kommt in der gesamten Erdkruste als Bestandteil von Alumosilikatmineralien vor. Aus wirtschaftlichen Gründen muss Aluminiumoxid aus Bauxit nach dem Bayer-Verfahren extrahiert werden. Bauxit ist im Äquatorgürtel in verschiedenen Reinheitsstufen weit verbreitet und wird in zwei Klassen eingeteilt: feuerfestes Erz und metallurgisches Erz.

Bauxit in feuerfester Qualität wird von China und Guyana als Hochtemperaturkalzinat des natürlich vorkommenden Minerals geliefert: Diaspor (Al₂O₃· H.₂O) in China und Gibbsit (Al₂O₃· 3H₂O) in Guyana. Beim Kalzinieren bildet sich eine komplexe Phasenansammlung von Korund (Al₂O₃), Mullit, Quarzglas und geringe Mengen an Aluminiumtitanat gebildet. Der Verbrauch an feuerfestem Bauxit übersteigt weltweit 700,000 Tonnen pro Jahr.

Bauxit in metallurgischer Qualität wird in Australien, Jamaika und Westafrika abgebaut und weist unterschiedliche Aluminiumoxidgehalte in Verbindung mit Hauptverunreinigungen wie Eisenoxid und Siliziumdioxid auf. Das Aluminiumoxid in den metallurgischen Erzen wird aus dem Erz extrahiert, wenn es durch Natriumhydroxid gelöst wird, was eine Natriumaluminatlösung ergibt, die von Eisenoxid und Siliziumdioxid getrennt wird, die als Abfallprodukt in Form von Rotschlamm zurückgewiesen werden. Im Wesentlichen wird reines Aluminiumhydroxid aus dem Natriumaluminat ausgefällt und dann zu einer Reihe von Aluminiumoxidqualitäten kalziniert.

Die hochreinen Aluminiumoxide, die in der Keramikindustrie verwendet werden und durch das Bayer-Verfahren gewonnen werden, werden als tafelförmiges Aluminiumoxid, geschmolzenes Aluminiumoxid oder speziell kalziniertes Aluminiumoxid klassifiziert.

Tafeltonerde wird durch Hochtemperatur-Kalzinierung (~2,000 °C oder 3,630 °F) von bei niedriger Temperatur kalzinierter Tonerde in großen, ölbefeuerten Drehrohröfen hergestellt. Geschmolzenes Aluminiumoxid wird durch elektrisches Schmelzen von kalziniertem Aluminiumoxid hergestellt. Tabulares und geschmolzenes Aluminiumoxid werden an die Feuerfestindustrie in zerkleinerter und sortierter Form zur Verwendung in einer breiten Palette hochwertiger Produkte verkauft, wie z. B. in Feuerfestmaterialien für Strangguss (z. B. einseitig gekerbte oder SEN/Schieber), monolithische Feuerfestmaterialien für den Einsatz in Hochöfen und der petrochemischen Industrie.

Spezielle kalzinierte Aluminiumoxidpulver sind die wichtigsten Rohstoffe, die in der Hochleistungskeramikindustrie sowohl für elektronische als auch für technische Anwendungen verwendet werden. Die Pulver werden in einer Vielzahl von Qualitäten nach genauen Spezifikationen in Bezug auf Chemie, Partikelgröße und Kristalltyp hergestellt, um für eine Vielzahl von Endproduktanwendungen geeignet zu sein.

Es gibt einen etablierten internationalen Handel mit hochwertigen Tonerden. Viele der Keramikhersteller verfügen über eigene Mahl- und Sprühtrocknungsanlagen. Es gibt eindeutig eine Begrenzung für das Wachstum des Angebots an sprühgetrockneten Systemen und einen anhaltenden Bedarf, Tonerden zu liefern, die zu den Kundenanlagen passen, so dass deren Verwendung zu einem akzeptablen Preis optimiert werden kann. Aluminiumoxid ist ein bedeutendes keramisches Material, das mit einem hohen Reinheitsgrad verfügbar ist. Die dominierende Stellung von Aluminiumoxid als keramisches Rohmaterial ergibt sich aus der Tatsache, dass es wünschenswerte Eigenschaften bei relativ geringen Kosten aufweist. Diese Kosteneffektivität ist der Rohstoffnatur des Geschäfts zuzuschreiben, die sich aus der großen Nachfrage nach Aluminiumoxid durch die Aluminiumindustrie ergibt.

Zirkon und Zirkonia. Die Hauptquelle für Zirkonoxid ist das Mineral Zirkon (ZrO₂  SiO₂), das in Strandsand hauptsächlich in Australien, Südafrika und den Vereinigten Staaten vorkommt. Aus Strandsand gewonnener Zirkon enthält etwa 2 % Hafniumoxid und Spuren von Al₂O₃ (0.5 %), Fe₂O₃ (0.1 %) und TiO₂ (0.1 %). Außerdem enthalten alle Zirkone Spuren von Uran und Thorium. Zirkon wird durch Feinmahlen zu einer Reihe von Mahlprodukten mit definierter Partikelgröße verarbeitet. Diese Produkte haben Verwendung in Feinguss, Gießereien, feuerfesten Produkten und als Trübungsmittel in Glasuren für Weißwaren gefunden.

Zirkon ist auch die Hauptquelle für Zirkonoxid. Zirkon kann in Gegenwart von Kohlenstoff chloriert werden, um Zirkonium- und Siliciumtetrachloride zu ergeben, die dann durch Destillation getrennt werden. Das hergestellte Zirkoniumtetrachlorid kann zur direkten Herstellung von Zirkoniumdioxid oder als Ausgangsmaterial für andere Zirkoniumchemikalien verwendet werden. Das Sintern mit Alkali- oder Erdalkalioxiden wird auch zum Zersetzen von Zirkon verwendet. Siliciumdioxid wird aus den Zersetzungsprodukten mit Wasser ausgelaugt, wobei Zirkoniumhydroxid zurückbleibt, das durch Säureauflösung und Umfällung weiter gereinigt werden muss. Zirkonoxid wird dann durch Calcinieren des Hydroxids erhalten. Zirkon wird auch in einem Plasma bei 1,800 °C (3,270 °F) mit schnellem Abkühlen in Zirkondioxid und Siliziumdioxid umgewandelt, um eine Reassoziation zu verhindern. Die freie Kieselsäure wird durch Auflösen in Natriumhydroxid entfernt. Geschmolzenes Zirkonoxid wird in Elektrolichtbogenöfen entweder aus Baddeleyit- oder Zirkon/Kohlenstoff-Ausgangsmaterialien hergestellt. Im letzteren Verfahren wird die Silikakomponente von Zirkon carbothermisch zu Siliziummonoxid reduziert, das sich vor dem Schmelzen des restlichen Zirkonoxids verflüchtigt.

Zusammenfassung

Die industrielle Keramikindustrie ist sehr vielfältig und es gibt viel Inhouse-Verarbeitung. Viele der abschließenden Fertigungsvorgänge finden in gießereiähnlichen Atmosphären statt. Die Materialhandhabungssysteme in diesen Betrieben fördern feine Rohstoffe, bei denen Staub ein Problem darstellen kann. Die Materialien werden dann auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und zu Formen geschmolzen oder verschmolzen, die für die endgültigen Teile benötigt werden. Daher bestehen viele der Sicherheitsprobleme, die in jeder Hochtemperaturindustrie bestehen, auch in der industriellen Keramikindustrie.

Ziegel und Fliesen

Allgemeines Profil

Ziegel und Ziegel aus Ton werden seit frühester Zeit in vielen Teilen der Welt als Baumaterial verwendet. Wenn sie richtig hergestellt und gebrannt werden, sind sie haltbarer als manche Steine, beständig gegen Witterungseinflüsse und große Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen. Der Ziegel ist ein Rechteck von Standardgröße, das von Region zu Region leicht variiert, aber im Wesentlichen bequem für die Handhabung mit einer Hand durch einen Maurer ist; Dachziegel sind dünne Platten, entweder flach oder gebogen; Tonfliesen können auch für Fußböden verwendet werden.

Die Ziegelindustrie ist sehr fragmentiert. Es gibt viele kleine Anbieter auf der ganzen Welt. Aufgrund der Versandkosten für das fertige Produkt werden in der Regel lokale Lieferanten und lokale Märkte an der Ziegelherstellung beteiligt. 1994 gab es in den Vereinigten Staaten 218 Ziegelfabriken, und 1992 wurde die Zahl der Hersteller von Bautonprodukten in Großbritannien beispielsweise mit 182 angegeben. Ziegelhersteller befinden sich im Allgemeinen in der Nähe der Tonvorkommen, um die Versandkosten für die Rohmaterialien zu senken.

In den Vereinigten Staaten werden Ziegel hauptsächlich im Wohnungsbau entweder als tragendes Material oder als Fassadenmaterial verwendet. Da die Ziegelindustrie so eng mit der Wohnungswirtschaft gekoppelt ist, hängt die Produktionstätigkeit stark von der Wohnungsbauindustrie und fast vollständig von der kombinierten Wohnungs- und Nichtwohnungsbauindustrie ab.

Fertigungsprozesse

Materialien und Verarbeitung

Das Grundmaterial ist Ton verschiedener Art mit Mischungen aus Lehm, Schiefer und Sand, je nach lokaler Versorgung und Bedarf, um die erforderlichen Eigenschaften von Textur, Plastizität, Regelmäßigkeit und Schrumpfung sowie Farbe zu erzielen.

Die Gewinnung von Ton ist heute oft vollständig mechanisiert; Die Herstellung erfolgt normalerweise neben dem Abbauloch, aber in großen Werken wird der Ton manchmal in Kufen auf Seilbahnen transportiert. Die Weiterverarbeitung des Tons variiert je nach Beschaffenheit und Endprodukt, umfasst aber im Allgemeinen Brechen, Mahlen, Sieben und Mischen. Siehe Abbildung 16 für einen typischen Ziegelherstellungsvorgang.

Abbildung 16. Die Herstellung von Ziegeln und Fliesen

Ton für Drahtschnittziegel wird durch Walzen gebrochen; Wasser wird in einem Mischer hinzugefügt; Die Mischung wird erneut gewalzt und dann durch einen horizontalen Mischer geführt. Der extrudierte plastische Ton wird dann auf einem Drahtschneidetisch zugeschnitten. Halbtrockenes und steifes Kunststoffmaterial wird durch Walzen und Sieben hergestellt und dann mechanischen Pressen zugeführt. Einige Ziegel werden noch von Hand geformt.

Bei Verwendung von Kunststoffmaterial müssen die Ziegel vor dem Brennen entweder durch Sonne und Luft oder häufiger in geregelten Öfen getrocknet werden; Ziegel aus halbtrockenem oder steifem Kunststoff können sofort gebrannt werden. Das Brennen kann in Ringöfen erfolgen, die oft von Hand beschickt werden, oder in Tunnelöfen, die mechanisch beschickt werden. Die verwendeten Brennstoffe variieren je nach lokaler Verfügbarkeit. Auf einige dekorative Ziegel wird eine abschließende Glasur aufgetragen.

Feuerfest

Allgemeines Profil

Feuerfeste Materialien werden traditionell als Nichtmetalle betrachtet, die einer Zersetzung durch korrosive Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe bei erhöhten Temperaturen widerstehen. Diese Materialien müssen einem durch schnelles Erhitzen oder Abkühlen verursachten thermischen Schock, einem durch thermische Spannungen verursachten Versagen, einer mechanischen Ermüdung aufgrund des Kontakts anderer Materialien mit dem feuerfesten Material selbst und einem durch die Hochtemperaturumgebung aktivierten chemischen Angriff standhalten. Diese Materialien werden für die Herstellung der meisten keramischen Produkte benötigt und insbesondere in Öfen, Trocknern, Hochöfen und hochtemperaturbeaufschlagten Motorteilen benötigt.

Feuerfeste Materialien blieben bis weit ins 20. Jahrhundert fast ausschließlich auf mineralischer Basis. Doch in Mineralogie bewanderte Technologen achteten darauf. Metallurgen hatten seit dem Mittelalter mit sauren und basischen Verschlackungspraktiken experimentiert und einige der Vorteile von jedem katalogisiert. Feuerfeste Handwerker hatten entsprechend mit Ganister, mit anderen fast reinen Kieselmineralien und mit Magnesit, einem überwiegend MgCO, experimentiert₃ Mineral, das zu MgO kalziniert wurde. Als 1856 der Bessemer-Konverter zur Stahlherstellung erfunden wurde, der Arbeitstemperaturen von über 1,600 °C mit korrosiver Säureverschlackung kombinierte, waren „saure“ feuerfeste Kieselsäuren so gut wie fertig. Als 1857 der Siemens-Herdofen bei noch höheren Temperaturen folgte und die Stahlherstellung in beiden Fällen auf korrosive basische Verschlackung überging, wurden bald „basische“ Magnesitauskleidungen eingeführt. Grundlegende feuerfeste Materialien aus Dolomit (MgO-CaO) wurden während des Ersten Weltkriegs entwickelt, als die europäische Magnesitversorgung von den Alliierten abgeschnitten wurde. Später, mit der Erschließung anderer Bodenschätze weltweit, behauptete sich Magnesit wieder.

Tabelle 4. Einsatz von feuerfestem Material nach Industrie in den Vereinigten Staaten

 

In der Zwischenzeit wurden im Vereinigten Königreich ab 1863 gebundene Kohlenstoffziegel hergestellt, die schließlich ihren Weg in den Hochofen der Eisenschmelze fanden, als dessen Arbeitstemperaturen noch höher stiegen. Sie gingen auch schnell in die Hall-Héroult-Zellen zur Herstellung von Aluminium (1886).

Kalk wurde etwa 5,000 Jahre lang in Ton- und dann in Schamotteöfen hergestellt. Mit der Einführung von Drehrohröfen nach 1877 erforderte die Herstellung von Portlandzement erstmals ein innovatives Feuerfestmaterial. Die ersten widerstandsfähigen Auskleidungen bestanden aus zementgebundenem Zementklinker. Später kehrten haltbarere kommerzielle Feuerfestmaterialien in diese Industrie zurück.

Rekuperations- und Regenerativöfen, die ihren Ursprung in der neugeborenen Stahlherstellung in den 1850er Jahren hatten, wurden Ende des 19. Jahrhunderts in die Nichteisenmetallurgie und Glasherstellung eingeführt. Auch dort mussten Schamotte-Feuerfeststoffe ersetzt werden. Magnesitauskleidungen wurden ab 1909 in Kupferkonvertern und etwa 10 Jahre später in den ersten modernen Glastanks verwendet. Elektrolichtbogenöfen wurden erstmals 1853 für die Stahlherstellung erprobt und wurden nach 1990 üblich. Eine ungefähr 100-Tonnen-Einheit, die 1927 in den Vereinigten Staaten installiert wurde, verwendete eine Magnesitauskleidung.

Vor 1950 gab es Drehstrom-Lichtbogenöfen; erst dann entstand eine ernsthafte Nachfrage nach anspruchsvolleren feuerfesten Materialien. Im gleichen Zeitraum wurde in den 1940er Jahren das Sauerstoffblasen in Bessemer- und Herdöfen eingeführt. Der Basic Oxygen Furnace (BOF) übernahm buchstäblich Ende der 1950er Jahre die Stahlherstellung. Das Sauerstoffblasen veranlasste die Feuerfestindustrie aufgrund ihrer schieren wirtschaftlichen Bedeutung erstmals dazu, synthetische Materialien in erheblichem Umfang in ihre Produkte einzuführen.

Ein weiterer Faktor, der zum Verständnis der Leistung eines Feuerfestmaterials wesentlich ist, ist die Dimensionsstabilität. Während der industriellen Verwendung werden feuerfeste Materialien Erwärmungs-/Abkühlungszyklen ausgesetzt, die bewirken, dass sich die feuerfesten Einheiten entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Große Änderungen in den Abmessungen verringern die Stabilität und können schließlich zum Versagen der feuerfesten Struktur führen.

Ein verwandtes Phänomen, das häufig bei feuerfesten Materialien beobachtet wird, ist das Abplatzen. Absplittern wird im Allgemeinen als Bruch, Spalten oder Abplatzen des feuerfesten Materials angesehen, was zum Freilegen der inneren Masse des Materials führt. Abplatzungen werden in der Regel durch Temperaturgradienten innerhalb des Materials, Stauchung im Gefüge durch großvolumige Ladungen und Schwankungen des Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des Steins hervorgerufen. Bei der Feuerfestherstellung werden alle Anstrengungen unternommen, um Abplatzungen zu vermeiden, da dies die Wirksamkeit des Feuerfestmaterials verringert.

Feuerfeste Materialien werden in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, die von der umfangreichen Verwendung in der Eisen- und Stahlindustrie bis hin zu Anwendungen in geringen Mengen in der Zement- und öffentlichen Versorgungsindustrie reichen. Grundsätzlich werden feuerfeste Materialien in allen Branchen eingesetzt, in denen hohe Temperaturen zum Erhitzen und Trocknen oder Verbrennen von Material verwendet werden. Tabelle 4 enthält eine aktuelle Aufschlüsselung der Verwendung von Feuerfestmaterial nach Branche in den Vereinigten Staaten.

Wie in Tabelle 4 gezeigt, ist die Stahlindustrie der Bereich, in dem über 50 % der in den USA produzierten feuerfesten Materialien verwendet werden. Daher haben die Bedürfnisse der Stahlindustrie in hohem Maße die aufgetretenen Feuerfestentwicklungen vorangetrieben.

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Moderne feuerfeste Materialien

Die Keramik hatte sich wesentlich vom Handwerk zur angewandten Wissenschaft entwickelt. Die American Ceramic Society wurde 1899 gegründet, die British Ceramic Society 1901. Oxidphasendiagramme tauchten erstmals in den 1920er Jahren in der Literatur auf. Die Techniken der Petrographie waren gut entwickelt, und die detaillierten Mechanismen der feuerfesten Degradation und des Verschleißes begannen verstanden zu werden. Die amerikanischen Feuerfestproduzenten waren weitgehend reorganisiert, konsolidiert und in der Lage, ihre eigene Forschung durchzuführen. Sowohl die Werkzeuge der feuerfesten Synthese als auch die Untersuchungsinstrumente blühten auf.

Synthetische Industriekohlen waren natürlich nicht neu. Koks wurde erstmals in den 1860er Jahren kommerziell aus Kohle und kurz darauf aus Erdöl hergestellt. Synthetisches Graphit und Siliziumkarbid tauchten fast gleichzeitig um die Jahrhundertwende auf, nachdem Acheson 1896 den selbstwiderstandsbeheizten Elektroofen erfunden hatte. Diese Produkte, deren Eigenschaften ganz anders als die von Oxiden waren, belebten schnell ihre eigenen Anwendungen und Märkte.

Synthetisches Aluminiumoxid, Al₂O₃, war verfügbar, seit das Bayer-Verfahren um 1888 begann, die Aluminiumproduktion zu speisen. Synthetisches Magnesia (MgO) wurde erstmals 1937 im Vereinigten Königreich und 1942 in den Vereinigten Staaten aus Meerwasser hergestellt, angeregt durch den Kriegsbedarf an Magnesium. Zirkonoxid war verfügbar geworden, auch durch das Militär angespornt. Kalk war seit Jahrhunderten ein wichtiges Handelsgut. Als feuerfeste Komponenten oder als geringfügige Zusatzstoffe und Bindemittel kamen eine Vielzahl anderer Chemikalien in Frage. Die einzige wichtige Komponente von oxidischen Feuerfestmaterialien, die sich zum größten Teil dem Ersatz durch Kunststoffe widersetzt hat, ist Kieselsäure (SiO₂) Hochreine Kieselsteine ​​und -sande sind reichlich vorhanden und werden in dieser Industrie sowie in der Glasformulierung verwendet.

Die Verwendung von Kunststoffen in der Feuerfestherstellung war enorm hilfreich; mineralische Rohstoffe sind aber keineswegs verdrängt worden. Kunststoffe kosten mehr, und diese Kosten müssen gerechtfertigt sein. Einige synthetische Materialien verursachen schwerwiegende Probleme bei der Feuerfestverarbeitung, und es müssen neue Wege gefunden werden, um diese zu überwinden. Optimale Ergebnisse werden oft durch Kombinationen von synthetischen und mineralischen Rohstoffen sowie kreativem Input bei deren Verarbeitung erzielt.

Mischungen aus Ton mit Kohlenstoff wurden verwendet, um Tiegel und Pfannen auszukleiden, seit Eisen gegossen wurde; und kohlenstoffhaltige Silicasteine ​​wurden in den 1860er Jahren in Frankreich hergestellt. Seit 1960 haben sich sowohl die Techniken als auch die Kompositionen dramatisch verändert. Die Verwendung von feuerfesten Materialien aus kohlenstoffhaltigen Oxiden hat, beginnend mit MgO+C, stark zugenommen. Der erste wirkliche Impuls dürfte von der BOF ausgegangen sein; aber heute gibt es kaum einen fortgeschrittenen feuerfesten Oxidtyp, der nicht entweder mit oder ohne zugesetztem Kohlenstoff oder einem Kohlenstoffvorläufer für überlegene Leistung in bestimmten Anwendungen erhältlich ist.

Seit den frühen 1900er Jahren wurden lichtbogengeschmolzene feuerfeste Körner oder Aggregate hergestellt, und in den zwanziger und dreißiger Jahren folgten schmelzgegossene feuerfeste Steine ​​verschiedener Zusammensetzungen, insbesondere aus Mullit, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid-Aluminiumoxid-Siliziumoxid und Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Siliziumoxid. Häufig wurden diese Produkte vollständig aus mineralischen Rohstoffen hergestellt.

Tatsächlich sind vollmineralische Feuerfeststoffe auch heute noch ein wichtiger Bestandteil der Produktpalette. Sie sind insgesamt billiger, haben oft eine bewundernswerte Leistung und es gibt immer noch viele Anwendungen mit geringerem Bedarf sowie solche mit kritischem Bedarf an höchster Feuerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Feuerfeste Industrie

Feuerfeste Materialien werden in vielen Industriezweigen zum Auskleiden von Kesseln, Brennöfen und Hochöfen aller Art verwendet, aber der größte Prozentsatz wird bei der Herstellung von Metallen verwendet. In der Stahlindustrie kann ein typischer Hoch- oder Offenherdofen viele verschiedene Arten von feuerfesten Materialien verwenden, einige aus Silica, einige aus Chrom und/oder Magnesit und andere aus Schamotte.

Wesentlich kleinere Mengen werden auch in folgenden Industrien verwendet: Gas, Koks und Nebenprodukte; Stromerzeugungsanlagen; Chemikalien; Backöfen und Herde; Zement und Kalk; Keramik; Glas; Emaille und Glasuren; Lokomotiven und Schiffe; Kernreaktoren; Ölraffinerien; Müllentsorgung (Verbrennungsanlagen).

Fertigungsprozesse

Die Art des feuerfesten Materials, das in einer bestimmten Anwendung verwendet wird, hängt von den kritischen Anforderungen des Prozesses ab. Beispielsweise erfordern Prozesse, die Beständigkeit gegen Gas- oder Flüssigkeitskorrosion erfordern, geringe Porosität, hohe physikalische Festigkeit und Abriebfestigkeit. Bedingungen, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit erfordern, können völlig andere feuerfeste Materialien erfordern. Tatsächlich werden im Allgemeinen Kombinationen mehrerer feuerfester Materialien verwendet. Es gibt keine gut etablierte Abgrenzungslinie zwischen solchen Materialien, die feuerfest sind, und jenen, die nicht feuerfest sind, obwohl die Fähigkeit, Temperaturen über 1,100 °C ohne Erweichung zu widerstehen, als eine praktische Anforderung an industrielle feuerfeste Materialien genannt wurde.

Die technischen Ziele der Herstellung eines gegebenen feuerfesten Materials sind in seinen Eigenschaften und seiner Leistung in einer beabsichtigten Anwendung verkörpert. Die Herstellungswerkzeuge bestehen aus der Wahl zwischen Rohstoffen und Verarbeitungsmethoden und -parametern. Die Anforderungen an die Herstellung haben mit den durch die Verarbeitung entstehenden Merkmalen Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur – zusammenfassend Materialcharakter genannt – zu tun, die ihrerseits für Produkteigenschaften und -verhalten verantwortlich sind.

Rohstoffe

In der Vergangenheit wurden feuerfeste Rohstoffe aus einer Vielzahl verfügbarer Lagerstätten ausgewählt und als bergmännische Mineralien verwendet. Der selektive Abbau lieferte Materialien mit den gewünschten Eigenschaften, und nur bei teuren Rohstoffen wie Magnesit war ein Aufbereitungsprozess erforderlich. Heute werden jedoch zunehmend hochreine natürliche Rohstoffe und synthetisch aufbereitetes Feuerfestkorn aus Kombinationen von hochreinen und angereicherten Rohstoffen nachgefragt. Das Material, das beim Brennen von Rohmineralien oder synthetischen Mischungen entsteht, wird Getreide, Klinker, Co-Klinker oder Schrot genannt.

Feuerfeste Materialien werden normalerweise in vier Typen eingeteilt: Alumosilikat, Kieselsäure (oder Säure), basisch und verschieden.

Zu den Materialien, die im Allgemeinen in den vier Arten von feuerfesten Materialien verwendet werden, gehören:

1. Feuerfeste Materialien aus Alumosilikat. Schamotte bestehen hauptsächlich aus dem Mineral Kaolinit [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2SiO₂ 2H₂O) mit geringen Mengen anderer Tonmineralien, Quarzit, Eisenoxid, Titandioxid und Alkaliverunreinigungen. Tone können im Rohzustand oder nach Kalzinierung verwendet werden. Rohtone können zur Einarbeitung in eine feuerfeste Mischung grob klassiert oder fein gemahlen werden. Einige hochreine Kaoline werden aufgeschlämmt, klassiert, getrocknet und luftgefloatet, um eine gleichbleibend hohe Qualität zu erreichen. Die klassierten Tone können auch gemischt und extrudiert oder pelletiert und dann kalziniert werden, um gebrannten synthetischen kaolinitischen Ton zu erzeugen, oder grob zerkleinerter roher Kaolinit kann gebrannt werden, um Ton zu erzeugen. Beim Kalzinieren oder Brennen zersetzt sich Kaolinit zu Mullit und einem kieselsäurehaltigen Glas, das mit der Tonablagerung verbundene mineralische Verunreinigungen (z. B. Quarzit, Eisenoxid, Titandioxid und Alkalien) enthält, und wird bei hohen Temperaturen zu dichtem, hartem, körnigem Schrot verfestigt.
2. Silica- oder Säure-Feuerfestmaterialien verwenden Sie hauptsächlich Kieselsäure in Form von gebrochenem und gemahlenem Quarzit (Ganister) (92 bis 98 %), dem ein geeignetes Bindemittel wie Kalk (CaO) zugesetzt wird. Quarzsteine ​​werden im Allgemeinen zweimal erhitzt, weil sie sich beim Erhitzen ausdehnen (Schamottesteine ​​schrumpfen), und es ist wünschenswert, dass die Ausdehnung abgeschlossen ist, bevor die Wand oder Auskleidung gebaut wird.
3. Grundlegende feuerfeste Materialien verwenden Dolomit, Magnesit (MgO), Chromoxid, Eisen und Aluminium.
4. Verschiedene feuerfeste Materialien. Von der großen Vielfalt von Materialien, die derzeit verwendet werden, sind die üblicheren Karbide wie Siliziumkarbid, Graphit, Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Uranoxid, Asbest und Zirkoniumoxid.

 

Mehrere Revolutionen in der Branche sind aufgetreten. Eingeschlossen in diese Revolutionen sind weitere mechanisierte Methoden zur Handhabung von Feststoffen in großen Mengen, erhöhte Fähigkeiten und Automatisierung von Verarbeitungsgeräten und Techniken für die schnelle Erfassung und Analyse von Kontrolldaten während des Prozesses. Diese Fortschritte haben die Praxis der Feuerfestherstellung verändert.

Abbildung 17 zeigt, wie verschiedene Arten von feuerfesten Materialien hergestellt werden. Die Figur ist im „Entscheidungsbaum“-Stil gezeichnet, wobei die divergierenden Zweige zur Identifizierung mit Nummern versehen sind. Es gibt verschiedene Wege, die jeweils eine bestimmte Art von feuerfestem Produkt herstellen.

Abbildung 17. Flussdiagramm der Feuerfestherstellung

Diese generischen Flussdiagramme stellen Tausende spezifischer Prozesse dar, die sich beispielsweise durch ihre Rohstofflisten, die Art der Zubereitung und die Dimensionierung und Dosierung (dh die abgewogene Menge) jedes einzelnen, die Reihenfolge und Art des Mischens usw. unterscheiden. Auslassungen sind zulässig – zum Beispiel werden einige ungeformte feuerfeste Materialien trocken gemischt und bis zur Installation nie benetzt.

Feuerfeste Materialien oder Produkte können vorgeformt (geformt) oder vor Ort geformt und installiert werden, werden aber im Allgemeinen in den folgenden Formen geliefert:

Backstein. Die Standardabmessungen eines feuerfesten Steins sind 23 cm lang, 11.4 cm breit und 6.4 cm dick (gerade Steine). Ziegel können extrudiert oder auf mechanischen oder hydraulischen Pressen trocken gepresst werden. Geformte Formen können vor der Verwendung gebrannt oder, im Fall von Pech, Harz oder chemisch gebundenem Ziegel (gehärtet) werden.

Schmelzgegossene Formen. Feuerfeste Zusammensetzungen werden im Lichtbogen geschmolzen und in Formen gegossen (z. B. Glastank-Fluxblöcke mit einer Größe von 0.33, 0.66, 1.33 m). Nach dem Gießen und Glühen werden die Blöcke präzise geschliffen, um eine genaue Passung zu gewährleisten.

Gegossene und handgeformte feuerfeste Materialien. Große Formen, wie Brennerblöcke und Flussmittelblöcke, und komplizierte Formen, wie Glasspeiserteile, Brennkapseln und dergleichen, werden entweder durch Schlicker- oder hydraulisches Zementgießen oder durch Handformtechniken hergestellt. Da diese Techniken arbeitsintensiv sind, sind sie Gegenständen vorbehalten, die auf andere Weise nicht zufriedenstellend geformt werden können.

Isolierende feuerfeste Materialien. Feuerfeste Isoliermaterialien in Form von Ziegeln sind aufgrund der Ziegelporosität viel leichter als herkömmliche Ziegel der gleichen Zusammensetzung.

Feuerbetone und Spritzmassen. Feuerbetone bestehen aus feuerfesten Körnern, denen ein hydraulisches Bindemittel zugesetzt wird. Beim Mischen mit Wasser reagiert das Hydraulikmittel und bindet die Masse zusammen. Spritzmassen sind so konzipiert, dass sie unter Wasser- und Luftdruck durch eine Düse versprüht werden. Die Mischung kann aufgeschlämmt werden, bevor sie durch die Pistole geschossen wird, oder an der Düse mit Wasser gemischt werden.

Feuerfeste Kunststoffe und Stampfmassen. Feuerfeste Kunststoffe sind Mischungen aus feuerfesten Körnern und plastischen Tonen oder Weichmachern mit Wasser. Stampfmischungen können Ton enthalten oder nicht und werden im Allgemeinen mit Formen verwendet. Die bei diesen Produkten verwendete Wassermenge variiert, wird aber auf ein Minimum beschränkt.

Arbeitsgefahren und Vorsichtsmaßnahmen

Tabelle 5 enthält Informationen zu vielen potenziellen Gefahren in diesem Industriesektor.

Tabelle 5. Mögliche Gefahren für Gesundheit und Sicherheit bei der Herstellung von Glas, Keramik und verwandten Materialien

 

Sicherheits- und Gesundheitsprobleme und Krankheitsmuster

Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über branchenweit dokumentierte oder vermutete Sicherheits- und Gesundheitsprobleme. Internationale Daten zu Verletzungen und Erkrankungen in diesem Wirtschaftszweig wurden bei Literaturrecherchen und Recherchen im Internet (1997) nicht gefunden. Informationen, die vom US-Arbeitsministerium, der Arbeitsschutzbehörde (OSHA) und dem Bureau of Labor Statistics (BLS) zusammengestellt wurden, wurden verwendet, um häufige Gefahren am Arbeitsplatz zu identifizieren und Merkmale von Verletzungen und Krankheiten zu beschreiben. Diese Daten sollten repräsentativ für die Situation weltweit sein.

Bei Inspektionen festgestellte Gefahren

Inspektionen zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften von Unternehmen in der Herstellung von Stein-, Ton-, Glas- und Betonprodukten (Standard Industrial Classification (SIC) Code 32, entspricht ISIC-Code 36) zeigen einige der häufigsten Gefahren in diesem Sektor auf. Von OSHA herausgegebene Zitate zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften weisen darauf hin, dass allgemeine Gesundheits- und Sicherheitsprobleme wie folgt gruppiert werden können:

• Gefahrenkommunikation von physikalischen und gesundheitlichen Gefahren durch chemische Stoffe am Arbeitsplatz

• Kontrolle gefährlicher Energie—Sperr- und Kennzeichnungsverfahren zur Kontrolle von Aktivitäten in der Nähe von Maschinen oder Geräten, bei denen eine unerwartete Aktivierung oder Freisetzung gespeicherter Energie zu Verletzungen führen könnte. Gefährliche Energie umfasst elektrische, mechanische, hydraulische, pneumatische, chemische, thermische Strahlung und andere Quellen.

• elektrische Sicherheit, einschließlich elektrische Ausrüstung oder Systemdesign, Verdrahtungsmethoden, sichere Arbeitspraktiken und Schulungen

• Erlauben Sie den erforderlichen Zugang zu beengten Räumen—Identifizierung, Bewertung und sichere Einreiseverfahren

• Persönliche Schutzausrüstung—Bewertung, Auswahl und Verwendung von Augen-, Gesichts-, Hand-, Fuß- und Kopfschutz

• Schutz von Maschinen, Geräten und Werkzeugen zum Schutz von Bedienern und in der Nähe befindlichen Arbeitern vor Gefahren an der Arbeitsstelle, an eintretenden Klemmpunkten und vor rotierenden Teilen, umherfliegenden Spänen oder Funken; umfasst ortsfeste Maschinen, tragbare Maschinen und tragbare Elektrowerkzeuge sowie die Einstellung von Schutzvorrichtungen und Arbeitsauflagen an Schleifscheibenmaschinen (Schleifmaschinen) (siehe Abbildung 18)

 

Abbildung 18. Maschinenschutz schützt Bediener

• Atemschutz—Auswahl, Verwendung, Wartung, Schulung, ärztliche Freigabe und Dichtsitzprüfung von Atemschutzgeräten

• berufliche Lärmbelastung—Kontrolle der Exposition durch technische, administrative oder Gehörschutzmaßnahmen und Durchführung von Gehörschutzprogrammen

• Brandverhütung und Notfallvorsorge und -reaktion, einschließlich Feuerlöscher, Fluchtwege, Pläne und Lagerung oder Verwendung entflammbarer/brennbarer Materialien

• Geh- und Arbeitsflächen, einschließlich Schutz von Boden- und Wandöffnungen und Löchern; Haushaltsführung; und Freihalten von Gängen und Durchgängen von Bedingungen, die Rutsch-, Stolper- oder Sturzgefahren darstellen (siehe Abbildung 19)

 

Abbildung 19. Stolper- und Rutschgefahr

• angetriebene Flurförderzeuge— Konstruktions-, Wartungs-, Verwendungs- und andere Sicherheitsanforderungen für Gabelstapler, Plattformwagen, Traktoren, motorbetriebene Sackkarren oder andere spezialisierte Flurförderzeuge, die von Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren angetrieben werden

• ortsfeste und tragbare Leitern, Treppen und Gerüste—Konstruktion, Inspektion oder Wartung und sichere Verwendung

• Fallschutz—Verwendung von Absturzsicherungen und Auffanggeräten für Arbeiten in der Höhe

• Schneiden und Schweißen—sichere Verwendung und Verfahren für Sauerstoff/Acetylen oder Brenngas oder Lichtbogenschneid- oder Schweißgeräte

• Ausrüstung für den Materialtransport– einschließlich Brücken- und Portalkräne, Hebezeuge, Ketten und Schlingen

• Kontrolle der Exposition gegenüber giftigen oder gefährlichen Stoffen, einschließlich Luftverunreinigungen oder speziell regulierter Chemikalien (z. B. Kieselerde, Blei, Asbest, Formaldehyd, Kadmium oder Arsen).

 

Verletzungs- und Krankheitsprofil

Inzidenzraten von Verletzungen

Basierend auf Aufzeichnungen des US-Arbeitsministeriums haben Hersteller von Stein-, Ton- und Glasprodukten (SIC 32) eine „meldepflichtige“ Gesamtinzidenzrate von nicht tödlichen Arbeitsunfällen und Berufskrankheiten von 13.2 Fällen pro 100 Vollzeitbeschäftigten pro Jahr. Diese Inzidenzrate ist höher als die entsprechenden Raten für das gesamte verarbeitende Gewerbe (12.2) und die gesamte Privatindustrie (8.4). Etwa 51 % der Fälle „meldepflichtiger Verletzungen“ in der Herstellung von Stein-, Ton- und Glasprodukten führen nicht zu Arbeitsausfällen (Arbeitsausfall).

Die Inzidenzraten der „Gesamtzahl der Fälle von Arbeitsausfall“, basierend auf der Anzahl der arbeitsunfähigen Verletzungen oder Krankheiten, die dazu führen, dass einem Arbeitnehmer Arbeitstage pro 100 Vollzeitbeschäftigten fehlen, sind ebenfalls vom US-Arbeitsministerium erhältlich. Die Gesamthäufigkeitsrate für verlorene Arbeitstage umfasst Fälle, in denen Arbeitstage ausfallen und der Arbeitnehmer nicht in der Lage ist, den vollen Umfang der Arbeit (eingeschränkter oder leichter Dienst) auszuführen. Hersteller von Stein-, Ton- und Glasprodukten haben eine Gesamtinzidenzrate von 6.5 Fällen pro 100 Arbeiter pro Jahr mit Arbeitsausfällen. Dies ist höher als die entsprechenden Raten für das gesamte verarbeitende Gewerbe (5.5) und für die gesamte Privatindustrie (3.8). Etwa 93 % der Fälle von Arbeitsausfällen in der Herstellung von Stein-, Ton- und Glasprodukten resultieren eher aus Verletzungen als aus Berufskrankheiten.

Tabelle 6 enthält detailliertere Informationen zu Inzidenzraten für Verletzungen und Krankheiten (kombiniert) oder Verletzungen (allein) für verschiedene Arten von Herstellungsprozessen in der Herstellung von Stein-, Ton- und Glasprodukten (SIC-Code 32). Inzidenzraten und demografische Daten sind möglicherweise nicht repräsentativ für globale Informationen, aber es handelt sich um die vollständigsten verfügbaren Informationen.

 

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Tabelle 6. Inzidenzraten nicht tödlicher Arbeitsunfälle und Berufskrankheiten¹ pro 100 Vollzeitbeschäftigte für US-Unternehmen im SIC-Code 32, Privatindustrie und verarbeitendes Gewerbe, 1994

 

ang = nicht anderweitig klassifiziert
- = Daten nicht verfügbar

¹ Die Inzidenzraten stellen die Anzahl der Verletzungen und Erkrankungen pro 100 Vollzeitbeschäftigten dar und wurden berechnet als Anzahl der Verletzungen und Erkrankungen dividiert durch die von allen Beschäftigten im Kalenderjahr geleisteten Arbeitsstunden mal 200,000 (das Basisäquivalent für 100 Beschäftigte bei 40 Stunden pro Woche). für 52 Wochen pro Jahr).

² Standard Industrial Classification Manual Ausgabe 1987.

³ Die Beschäftigung wird als Jahresdurchschnitt ausgedrückt und wurde hauptsächlich aus dem Programm BLS State Current Employment Statistics abgeleitet.

⁴ Die Summe der Fälle umfasst Fälle mit ausschließlich eingeschränkter Arbeitstätigkeit, zusätzlich zu arbeitsfreien Tagen Fälle mit oder ohne eingeschränkter Arbeitstätigkeit.

⁵ Als Fehltage gelten Fälle, die sich aus Fehltagen mit oder ohne eingeschränkter Arbeitstätigkeit ergeben.

Quelle = Quelle: Basierend auf einer nationalen Erhebung über arbeitsbedingte Verletzungen und Erkrankungen in der Privatwirtschaft des US-Arbeitsministeriums, Bureau of Labor Statistics.

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Demographie von Verletzungen und Krankheitsfällen

Auf Arbeiter im Alter von 25 bis 44 Jahren entfielen etwa 59 % der 23,203 Arbeitsunfälle oder Krankheitsfälle mit Ausfallzeiten im US-Sektor der Herstellung von Stein-, Ton- und Glasprodukten. Die nächsthöhere betroffene Gruppe waren Arbeitnehmer im Alter von 45 bis 54 Jahren, die 18 % der Fälle von Arbeitsunfällen oder Krankheit mit Ausfallzeit hatten (siehe Abbildung 20).

Abbildung 20. Verletzungen und Krankheiten mit Ausfallzeit nach Alter; UNS

Ungefähr 85 % der Arbeitsunfallfälle mit Ausfallzeit durch Verletzungen und Krankheiten im SIC-Code 32 waren Männer. In 24 % der Fälle von Arbeitsausfall (beide Geschlechter) hatten Arbeitnehmer weniger als 1 Jahr Betriebszugehörigkeit. Arbeitnehmer mit 1 bis 5 Jahren Betriebszugehörigkeit machten 32 % der Fälle aus. Erfahrene Mitarbeiter mit mehr als 5 Dienstjahren machten 35 % der Arbeitsausfallfälle aus.

Natur. Die Analyse von Unfallprofilen mit Ausfallzeiten charakterisiert die Art der behindernden Verletzungen und Krankheiten und hilft bei der Erklärung ursächlicher oder beitragender Faktoren. Zerrungen und Verstauchungen sind die häufigsten Verletzungen und Krankheiten in der Herstellung von Stein-, Ton- und Glasprodukten. Wie Abbildung 23 zeigt, machen Zerrungen und Verstauchungen etwa 42 % aller Arbeitsausfallfälle aus. Schnitte und Stiche (10 %) waren die zweithäufigste Art von behindernden Verletzungen oder Krankheiten. Andere Hauptkategorien von Verletzungen waren Prellungen (9 %), Frakturen (7 %) und Rücken-/andere Schmerzen (5 %). Hitzeverbrennungen, Verätzungen und Amputationen waren weniger häufig (1 % oder weniger).

Abbildung 21. Arbeitsunfälle und Berufskrankheiten

Ereignisse oder Expositionen. Abbildung 22 zeigt, dass Überanstrengung beim Heben zu allen anderen behindernden Verletzungsereignissen oder Expositionen führt. Überanstrengung beim Heben war in etwa 17 % der Fälle von Behinderung ein ursächlicher Faktor; wiederholte Bewegungen waren die Exposition in weiteren 5 % der Fälle von Behinderungen. Von einem Gegenstand getroffen zu werden, war das zweithäufigste Ereignis, das zu 16 % der Fälle führte. 10 % der Fälle verursachten Ereignisse, die gegen ein Objekt geschlagen wurden. Andere wichtige Ereignisse wurden in einem Objekt aufgefangen (9 %), Stürze auf die gleiche Ebene (9 %), Stürze auf eine niedrigere Ebene (6 %) und Ausrutschen/Stolpern ohne Sturz (6 %). Die Exposition gegenüber schädlichen Stoffen oder der Umwelt war nur in 5 % der Fälle ein ursächlicher Faktor.

Abbildung 22. Ereignis oder Exposition bei Arbeitsunfällen

Körperteil. Am häufigsten betroffen war der Rücken (24 % der Fälle) (siehe Abbildung 23). Verletzungen der oberen Extremitäten (Finger, Hand, Handgelenk und Arm kombiniert) traten in 23 % der Fälle auf, Verletzungen des Fingers in 7 % der Fälle. Verletzungen der unteren Extremitäten waren ähnlich (22 % der Fälle), wobei das Knie in 9 % der Fälle betroffen war.

Abbildung 23. Körperteil, der von einer Verletzung durch einen verlorenen Arbeitstag betroffen ist

Quellen. Die häufigsten Ursachen für Invaliditätsverletzungen oder Krankheitsfälle waren: Teile und Materialien (20 %); Position oder Bewegung des Arbeitnehmers (16 %); Fußböden, Gehwege oder Bodenflächen (15 %); Container (10%); Maschinen (9%); Fahrzeuge (9%); Handwerkzeuge (4%); Möbel und Einrichtungsgegenstände (2%); und Chemikalien und chemische Erzeugnisse (2 %) (siehe Abbildung 24).

Abbildung 24. Quellen von Arbeitsunfällen

Prävention und Kontrolle von Krankheiten

Kumulatives Trauma im Zusammenhang mit sich wiederholenden Bewegungen, Überanstrengung und übermäßigen Kräften ist ein häufiger Befund in diesem Fertigungssektor. Robotergeräte sind in einigen Fällen verfügbar, aber manuelle Handhabungspraktiken dominieren immer noch. Kompressoren, Gebläse, Spinner, pneumatische Vibratoren und Verpackungsanlagen können Geräusche von über 90 bis 95 dBA erzeugen. Gehörschutz und ein gesundes Gehörschutzprogramm verhindern dauerhafte Veränderungen des Gehörs.

Diese Industrie verbraucht große Mengen an kristallinem Siliziumdioxid. Die Exposition muss während der Handhabung, Wartung und Reinigung begrenzt werden. Eine gute Haushaltsführung mit einem geeigneten Staubsaugersystem oder Nassreinigungsmethoden reduziert potenzielle Expositionen. Wenn eine übermäßige Exposition gegenüber Kieselsäure aufgetreten ist, sollte ein regelmäßiges Screening mit Lungenfunktionstests und Brustfilmen durchgeführt werden. Die Exposition gegenüber Schwermetallen, die in Rohstoffen, Glasuren oder Pigmenten vorkommen, sollte ebenfalls minimiert werden. Die Verwendung von Ersatzstoffen für in Glasuren enthaltene Schwermetalle beseitigt auch gesundheitliche Bedenken hinsichtlich des Auslaugens von Metallen in Lebensmittel oder Getränke. Gute Haushaltspraktiken und Atemschutz werden verwendet, um Nebenwirkungen zu vermeiden. Eine medizinische Überwachung, die eine biologische Überwachung umfasst, kann erforderlich sein.

Die Verwendung von Bindemitteln, die Formaldehyd, Epoxide und Silane enthalten, ist bei der Herstellung von glasartigen Fasern üblich. Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, um Haut- und Atemwegsreizungen zu minimieren. Formaldehyd wird in vielen Ländern als Karzinogen reguliert. Einatembare Fasern werden während der Herstellung, Herstellung, des Schneidens und des Einbaus von Glas-, Gesteins-, Schlacke- und feuerfesten Keramikfaserprodukten produziert. Obwohl die Exposition gegenüber luftgetragenen Fasern für die meisten dieser Materialien im Allgemeinen recht gering war (weniger als 1 Faser pro Kubikzentimeter), sind lose Einblasanwendungen in der Regel viel höher.

Gestein, Schlacke und Glas gehören zu den am intensivsten untersuchten kommerziellen Isolierprodukten, die heute verwendet werden. Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass das Rauchen von Zigaretten einen großen Einfluss auf die Sterblichkeit durch Lungenkrebs bei Beschäftigten in der Produktion hat. Gut durchgeführte Querschnittsstudien haben nicht gezeigt, dass die Fasern eine übermäßige Lungenmortalität oder -morbidität hervorrufen. Kürzlich durchgeführte chronische Inhalationsstudien an Ratten haben gezeigt, dass die Dauerhaftigkeit von Glasfasern eine entscheidende Determinante des biologischen Potenzials dieser Fasern ist. Die Zusammensetzung, die die Haltbarkeit dieser Fasern bestimmt, kann erheblich variieren. Um Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Gesundheit zu vermeiden, hat ein Technischer Ausschuss der Europäischen Kommission kürzlich vorgeschlagen, die Biobeständigkeit von Glasfasern durch kurzzeitige Inhalation zu testen. Als Referenzfaser wird eine Isolierwollzusammensetzung vorgeschlagen, die bei der maximal tolerierten Dosis durch chronisches Einatmen bei Ratten gründlich getestet wurde und bei der festgestellt wurde, dass sie keine irreversible Krankheit hervorruft.

Umwelt- und Gesundheitsfragen

Der primäre Luftschadstoff, der bei der Herstellung von Glas, Keramik, Töpferwaren und Ziegeln emittiert wird, ist Feinstaub. Maximal erreichbare Regeltechnik, bestehend aus Schlauchfiltern und Nass-Elektrofiltern, steht zur Verfügung, um die Emissionen bei Bedarf zu reduzieren. Gefährliche Luftschadstoffe, die beim Mischen, Auftragen und Aushärten von Bindemitteln entstehen, werden genau unter die Lupe genommen. Zu diesen Substanzen gehören Styrol, Silane und Epoxidharze, die für kontinuierliche Glasfäden verwendet werden, sowie Formaldehyd, Methanol und Phenol, die während der Gesteins-, Schlacken- und Glasproduktion verwendet werden. Formaldehyd ist der gefährliche Luftschadstoff, der die Kontrollstandards für die letztgenannten Fertigungslinien bestimmt. Gefährliche Luftschadstoffe durch Schwermetalle wie Chrom treiben die Standards für Glasschmelzöfen voran, während NO_x und so_x bleiben in einigen Ländern Probleme. Fluorid- und Boremissionen sind bei der Herstellung von kontinuierlichen Glasfilamenten von Bedeutung. Bor kann auch zu einem Umweltproblem werden, wenn in einigen Ländern hochlösliche glasartige Glaswollefasern benötigt werden.

Aufgrund des hohen Luftaustrittsvolumens und der Formgebung und Glasschmelze verdunstet die Industrie erhebliche Mengen an Wasser. Viele Einrichtungen, wie zum Beispiel in den Vereinigten Staaten, haben keine Abwassereinleitung. Recyceltes Abwasser, das organisches Material enthält, kann am Arbeitsplatz zu biologischen Gefahren führen, wenn keine Behandlung durchgeführt wird, um biologisches Wachstum zu verhindern (siehe Abbildung 25). Der von diesem Industriesektor erzeugte Abfall umfasst Schwermetalle, ätzende Stoffe, einige Bindemittel und verbrauchte Lösungsmittel. Die Glasfaserindustrie ist zu einem wichtigen Punkt für das Recycling von Glasflaschen und Flachglas geworden. Beispielsweise enthalten aktuelle Glaswolleprodukte 30 bis 60 % recyceltes Glas. Verbrauchte feuerfeste Materialien werden ebenfalls zurückgewonnen und vorteilhaft wiederverwendet.

Abbildung 25. Aerosole von wiederverwendetem Abwasser

Danksagung: Besonderer Dank gilt Dan Dimas, CSP, Libbey-Owens-Ford, für die Bereitstellung von Fotos, und Michel Soubeyrand, Libbey-Owens-Ford, für die Bereitstellung von Informationen zur chemischen Gasphasenabscheidung für den Abschnitt über Glas.

 

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Optische Fasern sind haarfeine Glasstränge, die Lichtstrahlen entlang ihrer Achse übertragen sollen. Leuchtdioden (LEDs) or Laserdioden wandeln elektrische Signale in optische Signale um, die durch einen inneren zylindrischen Kern des optischen Faserkabels übertragen werden. Die geringeren Brechungseigenschaften des äußeren Mantels ermöglichen die Ausbreitung von Lichtsignalen durch interne Reflexion entlang des inneren zylindrischen Kerns. Optische Fasern werden so konstruiert und hergestellt, dass sie sich entweder als einzelner Lichtstrahl oder als mehrere Lichtstrahlen gleichzeitig ausbreiten, die entlang des Kerns übertragen werden. (Siehe Abbildung 1.)

Abbildung 1. Optische Single- und Multimode-Fasern

Singlemode-Glasfaser wird hauptsächlich für Telefonie, Kabelfernsehanwendungen und Campus-Backbones verwendet. Multimode-Fasern werden üblicherweise für die Datenkommunikation und in Gebäudenetzwerken verwendet.

Herstellung von Glasfasern

Spezielle Materialien und Prozesse sind erforderlich, um optische Fasern herzustellen, die die grundlegenden Designkriterien erfüllen: (1) ein Kern mit einem hohen Brechungsindex und eine Ummantelung mit einem niedrigen Brechungsindex, (2) eine geringe Signaldämpfung oder einen geringen Leistungsverlust und (3) eine geringe Streuung oder Verbreiterung des Lichtstrahls.

Hochreines Quarzglas mit anderen Glasmaterialien (dh Schwermetallfluoridgläser, Chalkogenidgläser) sind die Hauptmaterialien, die derzeit zur Herstellung optischer Fasern verwendet werden. Es werden auch polykristalline Materialien, einkristalline Materialien, Hohlwellenleiter und polymere Kunststoffmaterialien verwendet. Rohstoffe müssen relativ rein sein mit sehr geringen Konzentrationen an Übergangsmetallen und Hydroxyl-bildenden Gruppen (unterhalb der Teile pro Milliarde). Verarbeitungsverfahren müssen das sich bildende Glas vor Verunreinigungen in der Herstellungsumgebung schützen.

Optische Fasern werden unter Verwendung einer nicht-konventionellen Dampfphasenpräparation einer Glasvorform hergestellt, die dann zu Fasern gezogen wird. Flüchtige Kieselsäureverbindungen werden in SiO umgewandelt₂ B. durch Flammenhydrolyse, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Hochtemperaturoxidation. Dem Glas werden dann weitere Dotierstoffe zugesetzt, um die Glaseigenschaften zu verändern. Variationen im Dampfabscheidungsprozess beginnen mit demselben Material, unterscheiden sich jedoch in der Methode, die verwendet wird, um dieses Material in Siliziumdioxid umzuwandeln.

Eines der folgenden Gasphasenabscheidungsverfahren wird verwendet, um optische Fasern auf Siliziumdioxidbasis herzustellen: (1) modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (MCVD), (2) plasmachemische Gasphasenabscheidung (PCVD), (3) äußere Gasphasenabscheidung (OVD), und (4) axiale Gasphasenabscheidung (VAD) (siehe Fig. 2). Siliziumtetrachlorid (SiCl₄), Germaniumtetrachlorid (GeCl₄) oder andere flüchtige flüssige Halogenide wandeln sich aufgrund ihres hohen Dampfdrucks bei leichtem Erhitzen in Gas um. Gasförmiges Halogenid wird einer Reaktionszone zugeführt und in Glaspartikel umgewandelt (siehe auch Kapitel Mikroelektronik und Halbleiter.)

Abbildung 2. Flussdiagramm für die Herstellung von Glasfasern

MCVD und PCVD anpassen. Ein hochwertiges Quarzglasrohr wird an einer Glasbearbeitungsdrehmaschine befestigt, die mit einem Wasserstoff-/Sauerstoffbrenner ausgestattet ist, der seine Länge durchquert. An einem Ende des Glasrohrs ist eine Halogenidmaterialversorgung und am gegenüberliegenden Ende ein Wäscher angebracht, um überschüssiges Halogenidmaterial zu entfernen. Die Oberfläche des Glasrohrs wird zuerst durch Feuerpolieren gereinigt, während der Brenner die Länge des Rohrs durchquert. Je nach herzustellendem Produkt werden dem Dampfsystem verschiedene Reagenzien zugesetzt. Eine chemische Reaktion findet statt, wenn die Halogenide den zu erwärmenden Rohrabschnitt passieren. Die Halogenide wandeln sich in Silica-„Ruß“-Partikel um, die sich an der inneren Glasrohrwand stromabwärts des Brenners ablagern. Abgelagerte Partikel werden in die Glasschicht gesintert. Das PCVD-Verfahren ähnelt MCVD, außer dass die Halogenide durch ein Sprudlersystem zugeführt werden und Mikrowellen anstelle eines Brenners verwendet werden, um das Halogenidmaterial in Glas umzuwandeln.

Feuerwehroffizier und VAD anpassen. In der ersten Stufe des Faserherstellungsprozesses wird die Core und Verkleidung Gläser werden um einen rotierenden Zielstab herum aufgedampft, um eine „Ruß“-Vorform zu bilden. Zuerst wird das Kernmaterial aufgebracht, gefolgt von der Umhüllung. Der gesamte Vorformling muss extrem rein sein, da sowohl der Kern als auch der Mantel aufgedampft werden. Die Fasergeometrie wird während der Ablegephase der Herstellung bestimmt. Nachdem der Zielstab entfernt wurde, wird die Vorform in einen Ofen gegeben, wo sie zu einem festen, klaren Glas verfestigt und das Mittelloch verschlossen wird. Gas wird durch die Vorform geleitet, um Restfeuchtigkeit zu entfernen, die die Dämpfung der Faser nachteilig beeinflusst (Verlust des optischen Signals, wenn Licht entlang der Faserachse übertragen wird). Die Vorformlinge werden dann mit Flusssäure gewaschen, um die Reinheit des Glases sicherzustellen und Verunreinigungen zu entfernen.

Die konsolidierte Glasvorform wird in einen Ziehturm gegeben, um einen kontinuierlichen Glasfaserstrang zu bilden. Zuerst wird der Vorformling oben in einen Ziehofen geladen. Als nächstes wird die Spitze des Vorformlings erhitzt und ein Stück geschmolzenes Glas beginnt zu fallen. Während dieses Teil gezogen (gezogen) wird, durchläuft es eine Inline-Durchmesserüberwachung, um sicherzustellen, dass die Faser einen exakt spezifizierten Durchmesser hat (normalerweise in Mikron gemessen). Der Manteldurchmesser der Faser muss den genauen Spezifikationen entsprechen, um den Signalverlust an den Verbindungen gering zu halten . Der Außenmanteldurchmesser wird als Richtlinie zum Ausrichten der Faserkerne während der Endverwendung verwendet. Die Kerne müssen ausgerichtet sein, damit die Lichtübertragung effizient erfolgt.

Acrylpolymer oder andere Beschichtungen werden aufgetragen und mit UV-Lampen ausgehärtet. Die Beschichtungen sollen die optische Faser während der Endverwendung vor der Umgebung schützen. Die optischen Fasern werden getestet, um die Übereinstimmung mit Herstellungsstandards für Festigkeit, Dämpfung und Geometrie sicherzustellen. Spezifische Faserlängen werden nach Kundenspezifikation auf Rollen gewickelt.

Während der Herstellung optischer Fasern treten eine Reihe potenzieller Gefahren auf. Dazu gehören: (1) Kontakt mit Flusssäure (beim Reinigen von Glasvorformen), (2) Strahlungsenergie und Hitzestress im Zusammenhang mit Arbeitsumgebungen in der Nähe von Drehmaschinen und Aufdampfprozessen, (3) direkter Kontakt mit heißen Oberflächen oder geschmolzenem Material (Glasvorformen). ), (4) Exposition gegenüber Acrylatpolymerbeschichtungen (Hautsensibilisatoren), (5) Hautstiche und -verletzungen während der Faserhandhabung und (6) eine Vielzahl von zuvor beschriebenen physikalischen Gefahren.

 

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