Brevet FR2007949A1 — publié le 19700116

La présente invention concerne et a essentiellement pour objet un procédé de fabrication d'articles ou de produits en Terre, notamment de tubes du type réfractaire et en particulier à des matériels sans stries ou analogues, tels que des tubes de quartz, 5 ainsi qu'un dispositif pour l'exécution dudit procédé et les diverses applications et utilisations résultant de leur mise en oeuvre* Les verres réfractaires fondent entre environ 1,500 et 2.200°C et sont des matériaux à base de silice, pouvant contenir 10 des oxydes métalliques à faible pression ou tension de vapeur, tels que l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de calcium et 1soxyde de magnésium. Le principal type de verre réfractaire est constitué par du verre de quartz ou quartz fondu qui est formé de silice pure ou de silice dopée avec des composés métalliques lourds tels 15 que le vanadium, le cérium, le titane, le. fer, le cuivre et le molybdène. Des tubes de verre réfractaire ont été fabriqués par des procédés variés. Cependant, de nombreuses techniques ont été conçues pour l'élimination des stries du produit fini. L'inclu-20 sion de telles stries est tout à fait indésirable dans beaucoup d'applications des tubes, en particulier dans la fabrication de lampes, puisque l'apparence n'est pas entièrement désirable et que la transmission de lumière est quelque peu réduite. Bas stries dans les tubes sont formés par l'inclusion de 25 bulles gazeuses dans la masse vitreuse fondue à partir de laquelle le tube est étiré. La masse fondue est tellement visqueuse que même un chauffage prolongé à des températures élevées ne l'expulsera ou ne la chassera pas vers l'extérieur. Un tel gaz est emprisonn^uaM on laisse tomber des matières réfractaires particulaires ou cris-30 tallines sur le dessus ou sommet de la masse fondue se trouvant dans le creuset ou l'appareil de fusion. Des portions rocailleuses ou anfractueuses des cristaux restent ou reposent sur le sommet de la masse fondue en formant des poches et en empêchant le gaz dans l'atmosphère de s'élever depuis l'interface jusqu'à la surface 35 de la masse fondue.Lorsque les cristaux fondent, le gaz est emprisonné dans ces poches et rentre dans la masse fondue sous forme de bulles qui ne peuvent pas s'échapper à cause de la viscosité du verre fondu. En outre, des gaz emprisonnés sont aussi naturellement contenus dans les cristaux eux-mêmes, de sorte qu'à mm'-ns qu'ils 40 ne soient éliminés avant d'être amenés dans le creuset, ils 69 14517 2 2007949 pénétreront dans la masse fondue sous forme de bulles. L'étirage subséquent de la masse fondue en tubes allonge les bulles en les transformant en stries. A mesure que des cristaux de quartz sont chauffés, ils 5 passent par une série d'inversions cristallines, En dessous de 573°C se forme du quartz î entre 575 et 870°C, du quartz j3 est formé. Entre 870 et 1 „470oC, il se forme dfe la tridymite; la cristobalite^ se forme entre 1.470 et 1 0625°C, tandis qu'au-dessus de 1.710°C se forme la silice fondue ou vitreuse non 1® cristalline ou verre de silice. Chacune de ces inversions impliquent une réorientation de la structure cristalline et des différence dans les vitesses ou taux de dilatation thermique des diverses espèceb cristallines produisent la fissuration des cristaux. Ils éclatent ou se désintègrent et se brisent en morceaux 15 en des cristaux plus petits en rendant ainsi leur utilisation dans un creuset ou appareil de fusion analogue même plus indésirable. L'éclatement, la désintégration ou la rupture en morceaux perturbe ou trouble le dessus de la masse fondue et introduit des bulles en créant des vides ou poches pour emprisonner ou occlure 20 des gaz. L'occlusion ou 1'emprisonnement de gaz dans la quartz fondu était déjà connu antérieurement comme posant un problème. ïar exemple, le brevet américain ÎT° 1.537.036 au noin de Miller divulgue un procédé de fabrication de lingots de quartz clair ou 25 transparent en fondant la matière sous vide et en la soumettant ensuite à une pression pour éliminer les bulles. De tels procédés nécessitent des techniques de vide, sont intermittents et ne se prêtent pas eux-même à une fabrication ou production continue. En outrep des creusetçfcoûteux doivent être mis au rebut après que 30 chaque lingot a été formé. Le brevet américain N° 3.261 «676 au nom de Morelock divulgue une méthode dans laquelle un tube de quartz est rempli de sable et le tube et le sable sont ramollis ensemble. Pendant que le tube est ramolli et pendant;qu'il est sous vide, la masse fondue est 35 étirée: pour former un tube- de quartz. Le processus opératoire est intermittent par conception» • Conformément à la présente invention, un tube de verre réfrac-.taire vitreux, en particulier' de quartz, comportant une èxtrémité fermée, est rempli avec une matière réfractaire granulaire, telle 40 que du.sable de quartz. Le prix de ce sable est très bas en 69 14517 3 2007949 comparaison avec le cristal de haute qualité et des économies substantielles de dépenses peuvent être réalisées par son emploi. Quand il est rempli, le tube est fixé à une conduite de mise sous vide et mis sous vide. l'extrémité du tube est chauffée jusqu'au 5 ramollissement, pendant que le vide est maintenu. Pendant le chauffage, le sable de quartz fond et est converti en une forme vitreuse ...qui est exempte de gaz occlus ou emprisonnés. Quand le sable et le tube sont ramollis et vitreux, des corps plus petits sont formés à partir de ceux-ci, de préférence en les cisaillant 10 ou en les découpant dans le tube ramolli. Comme ils sont toujours ou encore ramollis et plastiques, lorsqu'ils tombent après avoir été découpés où séparés du tube, ils se transforment en des corps lisses et arrondis de verre sensiblement dépourvus de gaz. Au point de lance un bord tranchant ou une arê,te vive peut se produite, 15 mais n'affecte pas défavorablement l'emploi de tels corps dans le creuset. les corps (soit chauds ou froids) sont ensuite amenés dans un creuset de conception classique suivant un écoulement continu, comme cela est décrit dans la demande de brevet américain en 20 instance 1T°572.110 déposée le 12 Aô&t 1966 auxnoms de Loughridge et al et cédée au même cessionnaire que la présente demande de brevet. Là, ils sont de nouveau chauffés jusqu'à se transformer en une masse fondue et le tube est étiré. Le creusetjôëut être maintenu à la pression atmosphérique dans une atmosphère proteetri-25 ce de gaz et un système de mise sous vide spécial n'a pas besoin d'être employé. Le tube, qui est étiré, est exempt de stries dues aux bulles gazeuses parce que la matière vitreuse amenée est dépourvue de gaz. En outre, aucune quantité substantielle de gaz protecteur n'est occluse entre les corps qui sont utilisés pour 30 former la matière amenée, car ils restent au sommet de la masse fondue dans le creuset. Une telle occlusion est empêchée parce que le gaz protecteur peut s'écouler autour des surfaces lisses et arrondis des corps de quartz qui sont exempts de poches et de fissures qui pourraient produire l'occlusion. De cette manière, le 35 gaz s'échappe facilement de l'interface entre la masse fondue et les corps. Les épaisseurs de paroi du tube et le diamètre sont contrôlés ou réglés en modifiant la température du creuset, la vitesse d'étirage et la grandeur de l'brif ice à travers lequel le tube est étiré. 40 L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, -■ 69 14517 4 2007949 caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant un mode de réalisation de l'invention 5 et dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique de l'équipement qui peut être utilisé pour former des corps à formes lisses et les étirer ensuite en'tubes; - la figure 2 représente une vue du creuset et de l'inter-10 face entre le quartz fondu et la matière d'alimentation. Dans un but de représentation, une moitié du creuset est représentée avec une alimentation en quartz cristallin, comme dans la technique antérieure, tandis que l'autre moitié montre la position des corps vitreux sur la masse fondue, 1 5 Conformément à la présente invention, un tube de quartz 1 est sensiblement rempli avec du sable de quartz 2, Le sommet du tube 1 est raccordé à une conduite de mise sous vide 3 à travers laquelle les gaz contenus dans le tube 1 sont évacués. Le maintien en place du tube 1 dans le four 4 est assuré par un sup-20 port 5. Le four 4 peut être chauffé électriquement ou au gaz et est d'une conception classique, excepté pour des cisailles 6 et 7 qui seront décrites plus loin. Le tube 1 est progressivement abaissé ou descendu"dans le four et chauffé, de façon que l'extrémité inférieure 8 et le sable contenu dans celle-ci sont ramollis 25 et convertis en une masse vitreuse. Quand il est ramolli, un segment du tube 1 est repéré entre les cisailles 6 et 7 qui sont actionnées pour en détacher une portion. Comme cette portion est molle, elle se transforme en un corps vitreux 9 dans lequel la majeure partie de la surface est 30 lisse. Ces surfaces sont crées par la tension superficielle du verre à l'état fondu, La forme en laquelle est converti le corps 9, n'est pas trop critique, tant que la majorité de la surface est lisse et ne contient aucune poche rentrante. Par exemple, des formes sphériques peuvent être utilisées pour le présent procédé, 35 cependant des corps généralement cylindriques sont également applicables. Les extrémités des corps cylindriques peuvent être pincées et même être quelque peu brutes de cisaillement. Le diamètre d'un cylindre n*a pas besoin d'être uniforme 'd'une extrémité à l'autre, comme cela serait le cas avec une configura— 40 tion en forme de goutte ou de larme. Comme la totalité deé gaz 69 14517 5 2007949 a été éliminée du tube, les corps sont sensiblement exempts de gaz, bien que quelques poches de gaz microscopiques puissent être présentes. Ces corps 9 sont ensuite déposés dans une trémie d'alimen-5 tation 10. Une alimentation continue est représentée sur la figure et les corps tombent des cisailles 6 et 7 dans la trémiej cependant, cette méthode n'est pas essentielle, ^ar exemple, les corps 9 peuvent être fabriqués, stockés et ensuite amenés dans la trémie 10 selon les besoins. 10 De la trémie 10, les corps tombent par vin couloir ou une gou- lotte de glissement 11 à travers une vanne d ' interverrouillage ou analogue 12 (qui empêche l'oxygène d'entrer dans le creuset) et finalement dans le creuset 14» la structure du creuset est décrite dans la demande de brevet américain précitée auxnomssLoughridge et aL. 15 Le creuset fonctionne avec une atmosphère protectrice de gaz naissant (90 i= d'azote Ng -10 % d'hydrogène I^), de sorte que les parties intérieures ne s'oxydent pas en raison des températures extrêmement élevées impliquées, généralement aux environs de 2.000°C. Une pression de gaz suffisante est utilisée, de façon que 20 l'air ne s'infiltrera pas dans le creuset. Les corps sont ramollis par le four et forment une masse fondue extrêmement visqueuse 1 5 maintenue par un récipient 18. Sur le. dessus de la masse fondue 15 flottent les corps 16 qui sont graduellement ramollis et s^tondent dans la masse fondue 15. Comme cela est représenté en plus grand 25 détail sur la figure 2,'en raison des côtés sensiblement lisses et arrondis des corps, des gaz, qui sont présents au-dessus du bain 15 et entre les corps 16, sont libres de monter et ne sont pas empri-... sonnés sous forme de bulles. En conséquence, le bain sera sensiblement exempt de bulles et ainsi des stries n'apparaîtront pas quand 30 le tube 17 est étiré. En se reportant maintenant à la figure 2, le récipient et l'interface entre le bain et la matière amenée sont représentés en . plus grand détail. Quand des cristaux 20 sont amenés dans le , récipient, des bulles gazeuses 21 peuvent'être emprisonnées dans 35 le bain 22 à cause des surfaces rocheuses , poches et fissures qui sont impliquées. Les gaz ne peuvent pas librement s'échapper du bain et deviennent progressivement occlus en raison des poches qui sont présentes. Quand les corps" 24 de la présente invention sont utilisés, les gaz ne peuvent cependant pas être occlus parce qu'ils 40 sont libres de se mouvoir autour des surfaces lisses et de > 69 14517 6 2007949 s'échapper à l'atmosphère vers le creuset. le "corps 25 par exemple est partiellement fondu dans le "bain avec la partie inférieure (non représentée) constituant déjà une partie intégrante de celui-ci. Tous les gaz peuvent facilement s'écouler entre les 5 côtés des corps 25 et les autres corps non fondus ou partiellement fondus. Comme cela a été indiqué précédemment, lorsque des cristaux sont employés, iïl passent par une série d'inversions cristallines. Ceci produit des criques et des fissures qui peuvent emprisonner 10 davantage de bulles. Par l'emploi de corps vitreux, .ces étapes d'inversions ne se produisent pas. les corps sont déjà sous la forme vitreuse à faible dilatation et ne subissent pas d'autres inversions. l'exemple suivant est exposé pour illustrer l'invention, mais 15 n'est pas destiné à être limitatif relativement aux revendications. Un tube de quartz, de 22 mm de diamètre et 1 ;21 9 mm de long, comportant une extrémité scellée ou fermée hermétiquement, est rempli avec des fines particules de sable de quartz ayant une grosseur granulometrique telle qu'elles traversent un tamis de 20 20 mailles par pouce carré anglais et sont refusées par un tamis de 1 50 mailles par pouce carré anglais. Une conduite de mise sous vide est fixée à l'extrémité ouverte du tube rempli qui est ensuite disposé verticalement dans un four, le tube rempli est ensuite chauffé dans le four jusqu'à ce que les particules de quartz 25 fondent et forment une masse vitreuse, la température est généralement d'environ 1 .950°C. Pendant le ramollissement, le vide est maintenu, de sorte que les gaz, qui sont présents, sont éliminés. Un corps d'environ 1 9 mm de long est détaché par cisaillement 30 du tube ramolli et on le laisse tomber dans un récipient. Grâce à l'action formante des cisailles et en raison de la chute libre, les côtés ou faces du corps peuvent devenir lisses et arrondis. Au point où la cisaille découpe ou sectionne le quartz ramolli, un bord ou une arête légèrement grossier ou rugueux peut se former, 35 mais une telle rugosité n'empêche pas l'écoulement libre du gaz autour des corps dans le creuset. les corps sont ensuite amenés dans un creuset où ils flottent sur le dessus du bain visqueux vitreux^ Une pression positive de gaz naissant (90 % d'azote Kg - 10 % d'hydrogène Hg) 40 est maintenue dans le four pour empêcher l'entrée d'air qui OQ^y 69 14517 7 2007949 oxyderait les composants fortement chauffés. Le gaz naiasant sort par la portion de sortie du four à travers laquelle le quartz est tiré. Les corps se ramollissent et se fondent avec la masse fondue d'une manière telle que l'occlusion de bulles 5 de gaz dans le four est substantiellement empêchée. Le tube de quartz est ensuite étiré d'une façon continue à partir du fond du creuset. Le tube est essentiellement exempt de gaz mécaniquement emprisonnés et par suite sensiblement dépourvu de stries. •10. - Bien entendu,l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné'qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit 15 de' l'invention. 69 14517 8 2007949 RE V E H D I CATIONS 1.- Procédé de fabrication d'articles en verre réfractaire ou analogue, caractérisé en ce qu'il consiste : à placer une matière réfractaire granulaire, ayant une structure cristalline, dans un récipient en verre; à évacuer les gaz dudit récipient 5 et à chauffer l'extrémité jusqu'au ramollissement en transformant ainsi la.matière cristalline contenue dana celle-ci en un état vitreux; à éliminer des corps vitreux dudit récipient ramolli et à transformer lesdits corps en des formes ayant des côtés ou faces sensiblement lisses et arrondis; à amener lesdits 10 corps vitreux dans un creuset ou analogue et à les chauffer de façon qu'ils soient incorporés au bain; à enlever les articles de verre vitreux dudit bain, lesdits articles en verre vitreux étant sensiblement exempts de gaz occlus. 2.- Procédé de fabrication d'un tube de verre réfractaire, 15 caractérisé en ce qu'il consiste : à remplir un tube de verre réfractaire avec une matière réfractaire granulaire possédant une structure cristalline; à évacuer, les gaz dudit tube et à chauffer l'extrémité jusqu'au ramollissement en transformant ainsi •la matière cristalline contenue dans celle-ci en un état vitreux; 20 à sectionner des portions dudit tube ramolli, dfe façon à constituer des formes de verre vitreux possédant des côtés ou faces sensiblement lisses ou arrondis ; à amener lesdits corps dans un creuset ou analogue et à les chauffer, de façon qu'ils soient incorporés au bain; à étirer du tube de verre réfractaire à 25 partir du bain, ledit tube étant sensiblement exempt de stries causées pqr des gaz occlus. 3«- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube précité est en quartz et que la matière dè remplissage est du sable. 30 4o- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce*!*1® le sable précité possède des particules d'une vgrosseur granulo-métrique telle qu'elle traversent un tamis de 20 mailles par pouce carré anglais et sont refusées par un tamis de 150 mailles par pouce carré anglais. 35 5.- Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les corps précités sont de forme généralement sphérique. 69 14517 9 2007949 6.- Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'une atmosphère gazeuse existe dans le creuset précité. 7.- Procédé de fabrication de tubes de quartz, caractérisé en ce qu'il consiste î à remplir un tube en verre de quartz avec 5 du sable de quartz; à évacuer les gaz dudit tube et à chauffer l'extrémité jusqu'au ramollissement et à convertir le sable cristallin en un état de verre vitreux fondu; à sectionner des portions dudit tube ramolli, de façon à former des corps de verre vitreux ayant des côtés ou faces sensiblement lisses et 10 arrondis; à amener lesdits corps dans un creuset ou analogue et à les chauffer, de façon qu'ils soient incorporés au bain; à étirer du tube de quartz à partir dudit bain; ledit tube étant sensiblement dépourvu de stries causées par des gaz occlus. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que 11 le sable possède une grosseur granulometrique de particules telle qu'il traverse un tamis de 20 mailles par pouce carré anglais et est refusé par un tamis de 150 mailles par pouce carré anglais. 9.- Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les corps précités sont de forme généralement sphérique. 12 10,- Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par la présence d'une atmosphère gazeuse dans le creuset précités 11,- Articles de verre, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués par le procédé selon l'une des revendications 1 à 10.