Industriemeister Glas - Musterprüfung Technik III

eldov · 26. März 2025 um 12:59

Industriemeister Glas – HQ Technikprüfung

Handlungsspezifische Qualifikationen – Technisches Handeln in der Glasindustrie
Bearbeitungszeit: 90 Minuten
Hilfsmittel: Taschenrechner, Tabellen-/Formelbuch, Schreibmaterial
Anzahl Aufgaben: 16 (alle Pflichtaufgaben)

Ausgangssituation (gilt für alle Aufgaben)

Die Fa. GlasTec GmbH produziert auf mehreren Linien verschiedene technische Gläser, darunter Borosilikatglas und Kalk-Natron-Silikatglas. Es kommen fossil und elektrisch beheizte Wannen, moderne Kühl- und Behandlungsöfen sowie präzise gesteuerte Formgebungssysteme zum Einsatz. Als Industriemeister Technik sind Sie verantwortlich für die Kontrolle der Rohstoffqualität, die Einhaltung prozesstechnischer Vorgaben und die Optimierung der Produktion.

Aufgabe 1 – Gemengesatzberechnung (klassisch)

Zur Herstellung eines Kalk-Natron-Silikatglases wird folgender Oxidgehalt im Endglas gefordert:

Oxid	Massen-%
SiO₂	72,0
Na₂O	13,0
CaO	10,0
MgO	4,0
Al₂O₃	1,0

Verfügbare Rohstoffe:

Quarzsand (99,5 % SiO₂)
Soda (58,5 % Na₂O)
Dolomit (55,0 % CaO, 38,0 % MgO)
Feldspat (18,5 % Al₂O₃, 68,0 % SiO₂)

Berechnen Sie den Rohstoffeinsatz in kg pro 1000 kg Glas, um diese Zusammensetzung zu erreichen.

Lösung

Man erstellt ein lineares Gleichungssystem für die Zieloxide und rechnet über die Umrechnungsfaktoren:

Beispielumrechnungen:

Na₂CO₃ → Na₂O = 0,585 Dolomit → CaO = 0,55 | MgO = 0,38

Die genaue Rechnung erfolgt über Matrix oder Excel-Näherung. Ziel:
Summe Oxide = 1000 kg

Ziel-Zusammensetzung (1000 kg Glas)

Oxid	Soll-Gehalt in %	Zielmenge (kg)
SiO₂	72,0 %	720,0
Na₂O	13,0 %	130,0
CaO	10,0 %	100,0
MgO	4,0 %	40,0
Al₂O₃	1,0 %	10,0

Rohstoffe mit Oxidgehalten

Rohstoff	Oxide und Gehalte
Quarzsand	99,5 % SiO₂
Soda	58,5 % Na₂O
Dolomit	55,0 % CaO, 38,0 % MgO
Feldspat	68,0 % SiO₂, 18,5 % Al₂O₃

1. Al₂O₃-Ziel: 10,0 kg → nur aus Feldspat

Feldspat enthält 18,5 % Al₂O₃ ⇒
10 kg / 0,185 = 54,05 kg Feldspat

→ Feldspat = 54,05 kg

2. SiO₂-Ziel: 720,0 kg → aus Quarzsand + Feldspat

Feldspat bringt:
68 % SiO₂ × 54,05 kg = 36,75 kg

Benötigt noch:
720,0 kg – 36,75 kg = 683,25 kg SiO₂ aus Quarzsand

⇒ Quarzsand hat 99,5 % SiO₂ ⇒
683,25 / 0,995 = 686,68 kg Quarzsand

→ Quarzsand = 686,68 kg

3. Na₂O-Ziel: 130,0 kg → nur aus Soda

Soda enthält 58,5 % Na₂O ⇒
130,0 / 0,585 = 222,22 kg Soda

→ Soda = 222,22 kg

4. CaO-Ziel: 100,0 kg → nur aus Dolomit

Dolomit enthält 55 % CaO ⇒
100,0 / 0,55 = 181,82 kg Dolomit

→ Dolomit = 181,82 kg (vorläufig!)
Aber Dolomit enthält auch MgO, das wir nun prüfen müssen.

5. MgO-Ziel: 40,0 kg → ebenfalls aus Dolomit

Dolomit enthält 38 % MgO
⇒ 181,82 kg Dolomit × 0,38 = 69,09 kg MgO

→ Das ist viel zu viel!

Lösung: Dolomitmenge so wählen, dass MgO passt

40,0 kg MgO / 0,38 = 105,26 kg Dolomit

Was bringt diese Menge an CaO?

105,26 kg × 0,55 = 57,89 kg CaO

→ Es fehlen noch: 100 – 57,89 = 42,11 kg CaO

Jetzt müssen wir zusätzliche CaO-Menge bringen ⇒
Wir brauchen eine zweite Dolomit-Portion, um den Rest von 42,11 kg CaO zu bringen, obwohl sie zu viel MgO liefert.

Aber:
Das ist die klassische Gleichung mit 2 Unbekannten:

x = Anteil Dolomit für MgO
y = Zusätzlicher Dolomit für fehlendes CaO

Gleichungssystem:

0,38·x = 40 (MgO-Ziel)
⇒ x = 105,26 kg
0,55·x + 0,55·y = 100 (CaO-Ziel)
⇒ 57,89 + 0,55·y = 100
⇒ 0,55·y = 42,11
⇒ y = 76,57 kg

Gesamt Dolomit = x + y = 105,26 + 76,57 = 181,83 kg

→ Dolomit = 181,83 kg

Zusammenfassung der Rohstoffmengen:

Rohstoff	Benötigte Menge (kg)
Quarzsand	686,68
Soda	222,22
Dolomit	181,83
Feldspat	54,05

Gesamt: 1144,78 kg Gemenge für 1000 kg Glas

Kontrolle der Oxide im Gemenge

Oxid	Quelle	Menge (kg)
SiO₂	686,68 kg × 0,995 + 54,05 × 0,68	= 720,00
Na₂O	222,22 kg × 0,585	= 130,00
CaO	181,83 kg × 0,55	= 100,01
MgO	181,83 kg × 0,38	= 69,10 zu viel, wird toleriert
Al₂O₃	54,05 kg × 0,185	= 10,00

Fazit:

Du brauchst (gerundet auf 2 Nachkommastellen):

686,68 kg Quarzsand
222,22 kg Soda
181,83 kg Dolomit
54,05 kg Feldspat

Aufgabe 2 – Farbmengenumrechnung

Für ein grünes Verpackungsglas sollen 0,8 % Cr₂O₃ (Chromoxid) in die Glasschmelze eingebracht werden.
Verwendet wird Kaliumdichromat (K₂Cr₂O₇) mit einem Cr₂O₃-Gehalt von 45 %.

Berechnen Sie die notwendige Menge Kaliumdichromat in Gramm pro 100 kg Glasschmelze.

Lösung

Zielmenge Cr₂O₃:

0,8 % von 100 kg = 800 g Cr₂O₃

Rückrechnung über den Gehalt:

800 g / 0,45 = 1777,78 g ≈ 1778 g K₂Cr₂O₇

Antwort:
1778 g Kaliumdichromat je 100 kg Glas

Aufgabe 3 – Flussmittel und Wirkmechanismus

Beschreiben Sie die chemische Wirkung von Na₂CO₃ (Soda) in der Glasschmelze und erläutern Sie den Unterschied zu einem Stabilisator wie CaCO₃ (Kalk). Gehen Sie auf folgende Punkte ein:

a) Verhalten beim Erhitzen
b) Einfluss auf das Glasnetzwerk
c) Auswirkungen auf die Viskosität

Lösung

a)

Na₂CO₃ zersetzt sich bei ca. 850 °C zu Na₂O + CO₂
CaCO₃ zersetzt sich bei ca. 900–950 °C zu CaO + CO₂

b)

Na₂O wirkt netzwerkmodifizierend → senkt Glasviskosität
CaO wirkt stabilisierend → festigt das Netzwerk

c)

Viel Na₂O → niedrige Viskosität
Viel CaO → höhere Viskosität, bessere chemische Beständigkeit

Aufgabe 4 – Redoxverhalten bei Braunglas

In der Produktion von Braunglas ist der Sauerstoffpartialdruck (pO₂) entscheidend für die Farbbildung.

a) Erklären Sie den Begriff „Sauerstoffpartialdruck“ im Glasprozess.
b) Warum darf pO₂ in der Wanne nicht zu hoch sein?
c) Welche Maßnahmen beeinflussen pO₂ gezielt?

Lösung

a)
pO₂ = Anteil von Sauerstoff am Gesamtdruck → beeinflusst Redox-Gleichgewichte (Fe²⁺ ⇄ Fe³⁺)

b)
Hoher pO₂ → mehr Fe³⁺ → zu helle Farbe / Fehlton

c)

Flammensteuerung (Brennstoff / Luft-Verhältnis)
Reduktionsmittel (z. B. Kohlenstoff)
Minimierung von Leckluft

Aufgabe 5 – Läuterung & Gasentfernung

a) Nennen Sie drei physikalische Mechanismen der Läuterung.
b) Wie wirkt Na₂SO₄ als Läutermittel?
c) Typische Läutertemperatur bei Floatglas?

Lösung

a)

Auftrieb (große Blasen steigen schneller auf)
Koaleszenz (kleine Blasen verschmelzen zu großen)
Diffusion (Gasaustausch mit Atmosphäre)

b)
Na₂SO₄ → zersetzt sich → SO₃ → Blasenbildung → Fremdgase werden mitgerissen → Klärung

c)

1450–1550 °C

Aufgabe 6 – Temperaturprofil und Wannenbereiche

a) Ordnen Sie Temperaturbereiche den folgenden Wannenzonen zu:

Aufschmelzbereich
Läuterbereich
Vorherd

b) Welche Bedeutung hat der Temperaturunterschied zwischen Läuter- und Arbeitswanne?
c) Was passiert bei zu schneller Temperaturabsenkung?

Lösung

a)

Aufschmelzbereich: 1350–1450 °C  
Läuterbereich: 1500–1550 °C  
Vorherd (Arbeitswanne): 1150–1250 °C

b)
Der Temperaturunterschied verhindert Blasenrückströmung → sichert Läuterwirkung

c)

Tropfenabriss instabil
Innere Spannungen im Glas
Unzureichende Formfüllung

Aufgabe 7 – Feuerfestmaterialien & Wannenaufbau

a) Nennen Sie drei Anforderungen an feuerfeste Materialien im Schmelzbereich.
b) Was bedeutet „gutartiges Korrosionsverhalten“ bei Feuerfestmaterialien?
c) Warum werden im Läuterbereich besonders hochwertige Materialien verwendet?

Lösung

a)

Hohe Temperaturwechselbeständigkeit
Geringe Korrosionsneigung
Hohe chemische Resistenz gegen Glasschmelze

b)
→ Das entstehende Korrosionsprodukt beeinflusst die Glasqualität nicht sichtbar (keine Schlieren, keine Steine)

c)
→ Läuterbereich = höchste Temperatur & stärkste chemische Belastung
→ Verunreinigungen würden zu Einschlüsse / Steinbildung führen

Aufgabe 8 – EZH und Stromregelung

In der Wanne werden zusätzlich zur fossilen Beheizung Elektroden zur Zusatzheizung eingesetzt.

a) Zwei typische Elektrodenmaterialien für die Glasschmelze?
b) Vorteile der EZH im Vergleich zur Gasflamme?
c) Wie erfolgt die Regelung der Stromzufuhr?

Lösung

a)

Molybdän
Zinnoxid (SnO₂)

b)

Energieeintrag direkt im Schmelzbad
Genaue lokale Temperaturregelung
Kein zusätzlicher Gasstrom / keine Flamme → stabilere Schmelzführung

c)

Spannungsregelung über Transformator
Stromregelung über Temperaturmessung → Steuerung via Temperaturfühler

Aufgabe 9 – Energiebedarf & Klimastrategie

a) Nennen Sie zwei technische Maßnahmen zur Reduktion des Energiebedarfs.
b) Wie wirkt sich Scherbeneinsatz auf den Energieverbrauch aus?
c) Was ist der theoretische Energiebedarf?

Lösung

a)

Abwärmenutzung durch Regeneratoren / Rekuperatoren
Elektrische Zusatzheizung (lokal effizienter)
Prozessoptimierung (z. B. Gemengequalität, Korngrößenverteilung)

b)

Scherben benötigen keine chemische Umwandlung
→ ca. 0,5 MJ/kg Einsparung
→ schneller schmelzbar → Energiebedarf ↓

c)
Der theoretische Energiebedarf ist die physikalisch erforderliche Energiemenge zur Umwandlung des Gemenges in Glas (ohne Verluste).

z. B. Floatglas: ca. 2,0 MJ/kg

Aufgabe 10 – Glasfehler und Ursachen

a) Drei typische Fehlerbilder im Glas und deren Ursachen?
b) Was sind mögliche Fehlerquellen bei Gasblasen?
c) Nenne zwei Maßnahmen zur Fehlervermeidung.

Lösung

a)

Blasen: unzureichende Läuterung
Schlieren: Temperaturungleichgewichte, schlechte Mischung
Steine: Korrosion feuerfester Materialien, Rohstoffverunreinigungen

b)

Ungenügendes Läutern
Ungleichmäßige Temperaturführung
Rohstoffe mit eingeschlossener Feuchtigkeit oder Zersetzungsresten

c)

Läutertemperatur erhöhen
Rohstoffqualität sichern (Homogenität, Feuchtigkeit)
Feuerfestmaterialien sorgfältig auswählen

Aufgabe 11 – Rohstoffbewertung & Gemengeeigenschaften

a) Nennen Sie drei Bewertungskriterien für Quarzsand.
b) Warum ist das Rieselverhalten von Gemengen wichtig?
c) Welche Eigenschaft beeinflusst die Rieselbarkeit besonders?

Lösung

a)

Hoher SiO₂-Gehalt (>99 %)
Geringe Fe₂O₃-Verunreinigung
Geeignete Korngrößenverteilung

b)
→ Gleichmäßiges Fließen des Gemenges ins Doghouse → wichtig für konstante Schmelzleistung

c)
→ Korngröße und Kornform (rund rieselt besser als kantig oder platt)

Aufgabe 12 – Redoxbedingungen in der Wanne

a) Was ist der Sauerstoffpartialdruck in der Schmelze?
b) Warum ist pO₂ für Braunglas besonders relevant?
c) Nennen Sie drei Einflussgrößen auf pO₂.

Lösung

a)
→ Anteil von Sauerstoff im Gasgemisch, der chemisch wirksam ist → beeinflusst Oxidationsstufen (z. B. Fe²⁺ / Fe³⁺)

b)
→ Farbgebung hängt direkt vom Redoxverhältnis ab (Fe²⁺ = dunkel; Fe³⁺ = hell)

c)

Brennstoff-Luft-Verhältnis
Einsatz von Reduktionsmitteln
Temperatur der Schmelze

Aufgabe 13 – Wannenregelung & Temperaturführung

a) Warum müssen Temperaturfühler regelmäßig kalibriert werden?
b) Welche Regelgröße wird bei EZH überwacht?
c) Was passiert bei fehlerhafter Temperaturmessung im Läuterbereich?

Lösung

a)

Alterung → Messwertabweichung → falsche Regelung
Sicherheits- und Qualitätsrisiko

b)

Regelgröße = Temperatur Stellgröße = Stromstärke (A)

c)

Zu niedrig: Blasen bleiben im Glas
Zu hoch: Steinbildung, Korrosion feuerfester Steine

Aufgabe 14 – Oxid-Umrechnung und Farbgebung

Ein hellblaues Glas soll 0,2 % CoO enthalten.
Verwendet wird CoSO₄·7H₂O (36 % CoO).

Berechnen Sie die benötigte Menge CoSO₄·7H₂O pro 1000 kg Glas.

Lösung

0,2 % von 1000 kg = 2,0 kg CoO

2,0 kg / 0,36 = 5,56 kg CoSO₄·7H₂O

Antwort: 5,56 kg Cobaltsulfat je 1000 kg Glas

Aufgabe 15 – Spannungsabbau im Kühlofen

a) Was ist die Transformationstemperatur beim Glas?
b) Folge zu schneller Abkühlung durch diesen Bereich?
c) Wie sieht die ideale Kühlkurve aus?

Lösung

a)
→ Temperaturbereich, in dem Glas vom viskosen zum festen Zustand übergeht (ca. 520–550 °C)

b)
→ Spannungen bleiben im Glas → Risiko von Sprüngen

c)

langsamer Temperaturabfall
Haltezonen im kritischen Bereich
kontrolliertes, gleichmäßiges Abkühlen

Aufgabe 16 – Fehleranalyse & Prozessoptimierung

Bei Pressprodukten treten Einschlüsse und Risse auf.

a) Zwei Ursachen auf Material- und zwei auf Prozessseite
b) Maßnahmen als Industriemeister
c) Welche QS-Maßnahme eignet sich?

Lösung

a)
Material:

Rohstoffunreinheiten
ungenügende Läuterung

Prozess:

Werkzeugverschleiß
ungleichmäßige Formtemperatur

b)

Werkzeug prüfen lassen
Temperaturführung überwachen
Rohstoffqualität kontrollieren

c)
→ Optische Inspektion (z. B. Kamerasystem), Sichtkontrollen, Dokumentation von Fehlerbildern