Viskositätsüberwachung beim Quarzglasschmelzen

In der modernen Glastechnologie ist die genaue Steuerung der Schmelzbedingungen von elementarer Bedeutung: Vor allem die Viskosität eines Schmelzes entscheidet maßgeblich über dessen Weiterverarbeitung, Qualität und Homogenität. Im Labor werden Viskositäten häufig mittels Rotationsviskosimetern bestimmt: Eine Spindel wird bei konstanter Drehzahl in der Probe gedreht, das erforderliche Drehmoment wird gemessen und daraus auf den viskosen Widerstand – also die Viskosität – geschlossen.

In industriellen Schmelzprozessen, insbesondere beim Glasschmelzen, ist diese Form der Messung oft nicht direkt praktikabel. Stattdessen kommen Verfahren zur Überwachung zum Einsatz, die in Echtzeit Daten liefern und somit eine unmittelbare Prozesssteuerung erlauben. 

Im aktuellen Projekt unseres Kunden betrifft dies die Schmelze von Quarzglas, bei dem die Viskosität nicht nur ein Maß für Fließfähigkeit ist, sondern auch Rückschlüsse auf den inneren Zustand der Schmelze – etwa auf Hohlräume (Luftbläschen) oder unvollständige Materialverbindung – erlaubt.

Bedeutung der Viskosität bei Quarzglas

Die Viskosität von Glasschmelzen spielt eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung, da sie die Fließfähigkeit und damit das Formverhalten sowie die Blasenauslagerung, das Entgasen und die Homogenisation bestimmt. Im Fall von Quarzglas gelten dabei besonders anspruchsvolle Bedingungen: hohe Temperaturen und Viskositäten sowie ein starker Einfluss von Temperatur und Zusammensetzung auf die Viskositätskurve. 

Zu den typischen Merkmalen:

• Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität stark ab, wodurch das Material fließfähiger wird.
• Kleine Unterschiede in der Zusammensetzung oder im Schmelzzustand (z. B. nicht vollständig aufgelöste Partikel, Lufteinschlüsse) können große Auswirkungen auf die Viskosität haben und somit indirekt auf Qualität und Verarbeitung.
• Bei Quarzglas ist eine präzise Kenntnis der Viskositätstemperaturkurve notwendig, zum Beispiel zur Definition von „Working Range“‑Temperaturen, in denen das Material sicher verarbeitet werden kann. 

Im Projekt wurde die Viskosität als Indikator genutzt, um die Homogenität der Schmelze sowie das Vorhandensein von unerwünschten Einschlüssen (z. B. Luftblasen) und die vollständige Verbindung mehrerer Materialchargen zu überwachen.

Anpassung auf die Anwendung

Der Sensor wurde mechanisch und thermisch auf die Schmelzbedingungen der Quarzglasschmelze ausgelegt. Eine Kalibrierung erfolgte mit Referenzproben bzw. mit Hilfe von Modellschmelzen, um die Beziehung Drehmoment ↔ Viskosität im spezifischen Prozesssetup detailliert abzubilden.

Der Sensor wurde in den Prozess integriert – typischerweise zwischen Motor / Rührwerk (oder Mischsystem der Schmelze) und Impeller (oder Schmelzrührer) – und in Echtzeit in das Prozessleitsystem eingebunden. Da Drehmomentaufnehmer empfindlich auf Seitenkräfte reagieren können, darf das Paddel nicht direkt an den Sensor gekoppelt werden. Stattdessen sollten doppelte Lager verwendet werden, um Querkräfte zu vermeiden.

Prozessimplementierung

Der konkrete Ablauf gliederte sich in mehreren Schritten:

1. Prozessanalyse & Zieldefinition
   Gemeinsam mit dem Kunden wurden die relevanten Zielwerte für die Viskosität definiert: z. B. ein Bereich von x bis y Pa·s bei Temperatur T, bei dem die Schmelze als homogen gilt und keine Blasen mehr mobil sind.
2. Sensorinstallation
   Der SGR541 wurde mechanisch so montiert, dass er zuverlässig das Drehmoment bzw. die Torsion im Rührsystem messen konnte. Eine Lagerung mit doppelten Lagern sorgte dafür, dass Querkräfte minimiert wurden.
3. Kalibrierung und Referenzierung
   Mithilfe Labor‑ oder Pilotschmelzen mit bekannter Zusammensetzung und bekannten Viskositätswerten wurden Referenzkurven erstellt. So konnte die Sensorausgabe auf absolute bzw. relative Viskosität abgebildet werden (siehe Grundlagen: „Drehmoment ↔ Viskosität“ bei konstanten Drehzahlbedingungen).
4. Echtzeitdatenerfassung & Prozessüberwachung
   Der Sensor lieferte kontinuierlich Drehmomentdaten, aus denen die Viskosität abgeleitet wurde. Über eine Trendanalyse war eine Früherkennung von Abweichungen möglich – etwa, wenn die Viskosität nicht in den Zielbereich sank, was auf eingeschlossene Blasen oder unvollständige Verbindung der Materialchargen hindeuten konnte.
5. Maßnahmen bei Abweichungen
   Sobald die gemessene Viskosität von der Sollkurve abwich, wurden sofort Maßnahmen eingeleitet: Anpassung der Temperatur, Verlängerung der Rührzeit, Zugabe von Entgasung (Refining) oder sogar Rückführung der Charge zur erneuten Aufbereitung.

Ergebnis und Nutzen

Durch die Einführung der Überwachung mittels SGR541 ergaben sich folgende positive Effekte:

Fazit

Dieses Projekt zeigt eindrucksvoll, wie das Zusammenspiel von Sensorik (SGR541), Viskositätswissen und Prozessintegration zur signifikanten Verbesserung von Qualitätsprozessen im Bereich Quarzglasherstellung führen kann. Für technische Testingenieure, Prozessverantwortliche sowie Qualitätssicherungsteams bietet diese Lösung eine robuste Grundlage zur Steigerung von Effizienz, Qualität und Sicherheit.