Brevet FR2004570A1 — publié le 19691128

"" 2004570 la présente invention concerne d'une façon générale la technique de fusion du verre et la formatio*)&e fibres et, plus particulièrement un pot ou creuset perfectionné pour la fusion du verre qui présente une multitude d'orifices en son fond pour 5 permettre d'en tirer une multitude de fibres ou filaments de verre continus. — Pendant des années, on a fabriqué des creusets de fusion du verre en platine ou en alliage de platine, dans lesquels on faisait fondre le verre par chauffage électrique par induction. Il 10 est également connu de fabriquer des creusets de fusion du verre en argile réfractaire et, en raison de leur faible prix et de leur facile disponibilité, les"creusets de fusion en argile ont 3oui d'une utilisation industrielle relativement répandue même au cours des toutes dernières années. "Un autre trait du creuset 15 de fusion en argile est qu'il permet l'utilisation de la flamme de combustion d'un gaz pour faire fondre le verre dans le creuset. Toutefois, la durée de vie utile relativement brève du creuset en argile réfractaire, combinée avec d'autres inconvénients d'ordre pratique bien connus des spécialistes, ont incité à un effort crois-20 sant en vue de découvrir un creuset de fusion perfectionné, pour remplacer les creusets classiques en argile réfractaire. Il n'est pas réalisable de fabriquer un creuset destiné à ce but entièrement en platine ou alliage de platine, parce que de tels creusets ont évidemment un prix relativement élevé et 25 le platine ne peut être amené au contact des brûleurs à gaz classiques en raison de l'action réductrice exercée par la flamme du gaz sur le platine. On a fait également bien d'autres propositions, mais elles souffrent toutes d'inconvénients d'ordre technique et/ou économique qui ont empêché totalement l'extension de 30 leur implantation dans l'industrie. l'un des buts principaux de la présente invention est donc de fournir un creuset parfectionné pour la fusion du verre du type utilisé pour l'étirage simultané d'une multitude de filaments de verre, qui assure une durée de vie utile bien plus longue que cel-35 le des creusets en argile réfractaire classiques et, en raison de cette durée de vie prolongée, à un prix qui en fait un moyen de remplacement intéressant des creusets en argile. A cet égard, la 69 08482 " 2004570 présente invention a plus particulièrement pour but de fournir un creuset de fusion de verre perfectionné qui présente une durée de vie utile d'une année ou plus, et peut être même de plusieurs années. 5 Un but apparenté de la présente invention est de fournir un creuset perfectionné pour la fusion du verre^ du type sus-indiqué, qui puisse être soumis à des arrêts répétés, par exemple des arrêts en fin de semaine qui ont souvent lieu dans une installation industrielle, sans aucun effet contrairesoit sur le •jO creuset, soit sur les filaments de verre qu'on en tire, et qui. puisse être remis en service rapidement et efficacement après un tel arrêt. Un autre but apparenté de la présente invention est de fournir un creuset de fusion parfectionné qui réduise les frais d'entretien et augmente la productivité en diminuant la fréquence ■j 5 du remplacement des creusets. l'invention a pour autres buts : dé fournir un creuset perfectionné pour la fusion du verre avec lequel on puisse utiliser * des brûleurs à gaz classiques pour faire fondre le verre ; de fournir un creuset perfectionné pour la fusion du verre qui 20 puisse recevoir une plus grande densité d'orifices ou d'ouvertures, ce qui fournit une autre augmentation importante de la productivité ; de fournir un creuset de fusion perfectionné qui as-sure des températures plus uniformes/reglables en tous points de la masse de verre fondu qu'il contient, ce qui améliore &'uni-25 formité et la qualité des filaments de verre étirés de cette masse. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais 30 nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention ; Sur ce.: dessin: : r la figure 1 est une vue en coupe-élévation d'un appareil de fusion du verre comportant un creuset de fusion du verre réa-35 lise conf omément à la présente invention, mais sans les manchons qui sont insérés dans les ouvertures du fond du creuset, comme représenté sur la figure/5', „ «n.no "3" 2004570 69 08482 la figure 2 est une vue en coupe horizontale suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe partielle passant par l'angle du fond du creuset de fusion du verre représenté sur la 5 figure 1, à plus grande échelle, montrant les manchons insérés dans les ouvertures du fond du creuset. En bref, la présente invention fournit un creuset perfectionné pour la fusion du verre, destiné à contenir une masse de verre fondu devant être étirée en filaments de verre à tra-10 vers une multitude d'ouvertures ménagées dans le fond du creuset, ce creuset de fusion étant fabriqué en un alliage à base de nickel, un alliage à base de nickel-chrome, un alliage à base de cobalt-nickel, ou en acier inoxydable, avec une garniture de protection en métal noble pour les surfaces intérieures •J5 de chacune des ouvertures. En se référant maintenant au dessin annexé, un creuset de fusion 10, présentant une paroi latérale cylindrique 10a et une paroi de fond plate 10b est illustré dans un appareil qui l'entoure, destiné à être utilisé dans la fabrication de fibres 20 ou de filaments de verre continus, la paroi latérale 10a s'étend verticalement vers le haut depuis la paroi inférieure 10b, puis se rétrécit en cône vers l'intérieur pour former un goulot d'admission vertical rétréci à la partie supérieure du creuset, à travers lequel les billes de verre ou autres matières vitreuses 25 peuvent être admises dans la chambre de fusion à l'intérieur du creuset 10. Selon une forme de réalisation préférée de la présente invention, la paroi inférieure 10b est fixée à la paroi latérale 10a jpair soudure. Toutefois, il est à noter que la paroi inférieure et la paroi latérale peuvent être réalisées d'une 30 seule pièce, l'appareil qui entoure le creuset comprend un caisson réfractaire cylindrique 11 qui est illustré comme étant composé de deux couches isolantes lia et 11b,.contenues dans une enveloppe métallique externe 12. Le caisson réfractaire 11, dont les dimensions offrent un espace annulaire ou chambre de chauf-35 fage autour de la surface exterieure di/creuset 10, est supporté sur un anneau de fond en métal 13, raccordé au bord inférieur de l'enveloppe métallique 12. Pour maintenir l'espace annulaire entre le creuset 10 et le caisson réfractaire 11, un anneau de 69 08482 -4- 2004570 support réfractaire 14 reposant sur la surface supérieure de l'anneau de fond 13, s'étend vers le haut sur une courte distance entre le creuset 10 et le caisson 11 et est fixé à la fois au creuset 10 et à la couche intérieure réfractaire lia 5 au moyen d'un adhésif approprié. Pour supporter le creuset 10 dans l'appareil qui l'entoure, l'anneau de support 14 s'étend vers l'intérieur sous la paroi inférieure du creuset 10 autour de sa périphérie extérieure, et un collet 14a faisant partie intégrante de l'anneau 14 et dirigé vers le "bas s'emboîte en 10 descendant le long du bord intérieur de l'anneau de fond 13, de sorte qu'il centre automatiquement l'anneau de support 14 et le creuset 10 support^ar cet anneau relativement "aux autres composants. A la partie supérieure de l'ensemble, un couvercle réfrac-15 taire annulaire 15 s'appuie sur le bord supérieur du boîtier réfractaire 11 et s'étend vers l'intérieur à proximité du goulot ou partie en forme de col du creuset 10. Pour étanchéifier le petit espace annulaire entre le col du creuset 10 et le bord intérieur du couvercle 15, un joint isolant 16 est enfilé sur le col 20 du creuset 10 et ^amené en contact étanche avec la surface supérieure du couvercle 15. ■ En vue de faire fondre le verre qui est chargé par la partie supérieure ouverte du creuset 10, sous la forme de billes ou sous une forme analogue, quatre brûleurs à gaz tangentiels 17 25 sont également espacés autour de la circonférence du creuset 10 dans la chambre de chauffage annulaire entre le creuset et le caisson réfractaire 11, juste au-dessus de l'anneau de support 14. Les flammes des quatre brûleurs 17 se déplacent dans une direction circonférentielle autour du creuset de fusion 10, 30 mais ne tombent pas directement sur lui, et les gaz de combustion chauds résultants montent à travers la chambre de chauffage jusqu'à ce qu'ils s'échappent par les orifices de sortie 18 formés dans le couvercle 15. Les brûleurs 17 sont réalisés de manière à chauffer la partie inférieure du creuset 10 à une température 35 supérieure au point de fusion du verre qui y est contenu, tandis que les gaz circulant vers le haut chauffent la portion supérieure du creuset à une température de préchauffage appropriée 6908482 2004570 pour le précliauffage des billes de verres ou autres matières d'alimentation entrant par l'ouverture supérieure. En vue de former une multitude de filaments de verre continus provenant à partir de la masse de verre fondu qui est 5 contenue dans le creuset 10, la paroi inférieure 10b présente une multitude d1 ouvertures 19 qui peuvent être disposées à volonté et, dans la forme de réalisation illustrée, les ouvertures sont disposées en trois cercles s1étendant autour dû fond près de sa périphérie extérieure. La pression de tête du 10 verre fondu dans le creuset force le verre fondu vers le bas, à -travers les rangées annulaires d'ouvertures, et les filaments résultants sont tirés en continu vers le bas et amincis par des cylindres d'étirage classiques, et travaillés conformément à tout processus désiré. En raison du gradient de température entre 15 les parois latérales chauffées du creuset 10 et sa portion centrale, les ouvertures du cercle le plus intérieur peuvent oêtre réalisées un peu plus grandes que celles qui se trouvent sur les cercles extérieurs, de sorte que les filaments qui sont étirés des trois cercles sont de poids et de dimensions pratiquement 20 uniformes. Conformément à la présente invention, le creuset de fusion de verre 10 est fabriqué en un alliage métallique à haut point de fusion choisi parmi les alliages à base de nickel, alliages à base de nickel-chrome, alliages à base de cobalt-nickel et l'a-25 cier inoxydable, et les ouvertures de formation de filament, au fond du creuset en alliage, sont garnies de manchons fabriqués en un ou plusieurs métaux nobles et s'étendent de préférence en dessous de la face inférieure du fond du creuset. Il convient en outre de noter que les parois latérales peuvent être 30 fabriquées en un type d'alliage quelconque, et que le fond peut être fabriqué en un autre alliage différent. Dans la forme de réalisation illustrée, le creuset 10 est fabriqué entièrement en un des alliages métalliques mentionnés ci-dessus, et un manchon 20 en métal noble (figure 3) est adapté à l'intérieur de cha-35 cune des ouvertures 19 de façon à garnir entièrement les surfaces intérieures des ouvertures avec le métal noble» Les manchons 20 ont des collets à leurs extrémités supérieures, de manière à 69 08482 "6" 2004570 les retenir dans le fond 10b, et leurs extrémités inférieures s'étendent en dessous de la face inférieure du fond, de manière que le verre fondu qui en sort ne vienne pas au contact du métal de la paroi du fond 10b. 5 Dans une forme de réalisation particulièrement préférée de la présente invention, le creuset est fabriqué en un alliage contenant au moins 72 environ en poids de nickel, au moins 14 en poids environ de chrome, et au moins environ 6 $ en poids de fer, tel que par exemple "Inconel 600", et les man-1 o chons sont fabriqués en alliage comprenant 90 $ de platine et 10 fi de rhodium. Il a été reconnu que chacun' de ces matériaux mentionnés à titre d'exemples a été individuellement utilisé dans un appareil antérieur destiné à la fusion du verre, mais la présente invention repose sur la découverte selon laquelle *15 l'utilisation de ces matériaux, dans la combinaison particulière ici décrite, conduit à une combinaison inattendue d'avantages techniques et économiques qui n'avait jusqu'à présent pas été atteinte dans la technique des fibres de verre. Bien qu'on ait utilisé jusqu'à présent divers alliages 20 métalliques de base dans les récipients pour verre fondu, alliages qui ont été considérés comme aptes à être utilisés en tant que manchons ou embouts pour garnir les ouvertures d'étirage des fitUaments de verre à partir de récipients de verre fondu, la Demanderesse a découvert de façon surprenante que ces matières 25 sont sujettes à une corrosion et une érosion sérieuses aux extrémités inférieures des ouvertures de formation de filaments. Plus particulièrement, la Demanderesse a découvert que les bords supérieurs des ouvertures formées dans le fond du creuset en alliage métallique de base demeurent nettes et propres pendant des 30 durées de service prolongées, comprenait des arrêts intermittents, et cependant les-extrémités inférieures des ouvertures se chan-freinent sérieusement par corrosion et érosion, au point que le verre fondu vienne mouiller le fond entre des ouvertures adjacentes, phénomène appelé "noyage" en pratique. On pense que cette 35 détérioration est due à l'existence d'un interface verre-métal-air aux extrémités inférieures des ouvertures lorsqu'on en tire les filaments de verre, et qu'il se produit une corrosion intergra- ~7~ ,2004570 69 08482 nulaire, au moins dans le cas de certains alliages, donnant lieu à une désagrégation ou â un écaillage de la matière en surface. Cette matière écaillée se détache graduellement et vient contaminer le verre fondu ifcaajfc en chanfreinant les bords des ouver-5 tures et en provoquant une réduction de l'épaisseur du fond du creuset. Cette détérioration est accrue par le travail intermittent du type souvent rencontré en production industrielle Conformément à la présente invention, la Demanderesse a découvert que la combinaison d'un creuset fabriqué en un alliage -10 métallique de base choisi avec des manchons en métal noble garnissant les ouvertures de formation des filaments, porte la durée de vie du creuset à une année ou plus, ce qui est en net contraste avec la vie moyenne de 30 jours des creusets classiques en argile réfractaire. En fait la durée de vie exacte des creusets ' 15 de fusion réalisés selon la présente invention n'est pas encore connue, parce que les tout premiers creusets mis en service n'ont pas encore présenté de signes de détérioration importante, les filaments de verre qui sont tirés de ces creusets sont extrêmement uniformes et ne varient pas avec l'âge du creuset. En outre, 20 la Demanderesse a découvert que la combinaison d'un fond en alliage et de manchons en métal noble réduit la température dans les ou-. vertures de formation de filaments, de sorte que la masse principale de verre fondu à l'intérieur du creuset est maintenue à une plus haute température, ce qui rend le verre plus fluide, de sorte 25 qu'il est uniformément distribué sur tout le fond du creuset et, en conséquence, produit des filaments plus uniformes à partir de la totalité des ouvertures ou rangées. En plus de 1'augmentation de la longévité et de l'uniformité , les creusets de fusion perfectionnés fournis par la présente invention permettent d'aug-30 menter la productivité eq^ssurant une densité d'ouvertures relativement grande dans le fond du creuset ; l'alliage métallique est si résistant que même un petit espace de métal entre des ouvertures adjacentes est suffisant pour éviter le fléchissement de la paroi de fond après avoir soutenu une opération à température 35 élevée. En outre, aucun support extérieur n'est requis pour la portion centrale de la paroi de fond, puisqu'elle est entièrement auto-supportée même avec une densité extrême d'ouverture, comme l'illustre la figure 2. -8- 69 08482 2004570 Les mandions en métal noble sont fabriqués de préférence en platine, mais d'autres métaux nobles, comme le palladium, de même des alliages de métaux nobles comme le palladium-ruthénium, le platine-palladium et le platine-rhodium et alliages analogues, sont également appropriés. L'alliage préféré pour le creuset est lr"Inconel 600" qui présente une composition chimique nominale de 76,0 % de nickel, 15,0 $ de chrome, 7,0 $ de fer, 0,25 $ de manganèse, 0,25 de silicium, 0,1 $ de cuivre et 0,06 $ de carbone, en poids. D'autres alliages appropriés sont les suivants : 10 25 20 25 Carbone Manganèse Silicium Chrome Nickel Oxyde de thorium Aluminium Titane Durnickel N° 501 trace trace trace 94,0 4,5 0,5 DuPont TD DuPont TD ÎTic 98,0 2,0 20,0 78,0 2,0 Inoxydable 510 Inoxydable N° 514 Hastelloy Nichrome 150 _V Carbone Manganèse Silicium Chrome Hickel Fer Cobalt 0,25 max. *fo 0,25 max.$£ 2,00 max. $ 1,50 max. $ 1,5 à 3,0 24,0 à 26,0 23,0 à 26,0 19,0 à 22,0 19,0 à 22,0 Complément 50 Complément 52,0 20,0 50,2 0,08 0,65 0,75 28,0 20,0 80,0 30 . Le creuset en alliage métallique peut être fabriqué à par tir d'un alliage ou bien forgé, ou bien coulé. Dans le cas des alliages forgés, les ouvertures de la paroi inférieure peuvent être formées par perçage et dans le cas des alliages coulés, les ouvertures peuvent être formées au cours de la coulée. Comme dé-35 crit ci-dessus, la paroi du fond du creuset peut être formée comme élémènt-Séparé de manière qu'on puisse la remplacer comme unité séparée, tout en préservant la portion de paroi latérale -9- 2004570 69 08482 du creuset, et elle peut aussi être fabriquée en une matière différente de celle de la paroi latérale. Conformément à un autre aspect de la présente invention, on peut monter un disque réfractaire isolant séparé 30 sur la face 5 inférieure de la portion centrale de lâ paroi de fond du creuset de fusion, comme le montre la figure 1. Ce disque sert à retenir la chaleur au sein de la portion centrale du creuset, ce qui -.élève ainsi la température du verre en fusion au centre du creuset et réduit le gradient thermique entre le centre du creuset et ses 10 parois latérales. Dans la forme de réalisation particulière illustrée, le disque isolant 30 est monté sur une tige filetée 31, s'é-tendant depuis la paroi de fond du creuset, et fixée au moyen d'un écrou à oreilles 32 vissé contre une rondelle de support 33 sur la face inférieure du disque 30. La Demanderesse a découvert 15 que la portion centrale de la paroi de fond du creuset est suffisamment cohérente pour supporter le poids de ces éléments supplémentaires San» aucun effet contraire sur sa longévité ou son comportement. Bien que la présente invention ait été décrite en se réfé-20 rant typiquement à un creuset de fusion du type utilisé pour produire des filaments primaires de verre qui sont ensuite amincis à la flamme pour produire des fines fibres utilisables â.des fins d'isolement et des fins analogues, il est bien entendu que la présente invention est également applicable à d'autres types de creu-25 sets de fusion- du verre, tels que ceux qui sont utilisés pour la production de fibres textiles et analogues. De même, il est entendu que le récipient n'a pas besoin d'être fabriqué en totalité avec les alliages particuliers qui ont été cités ci-dessus ; par exemple, il peut être désirable de ne prévoir 30 les ouvertures de formation de filaments e*}Zl!alliage à base de métal que sur une portion de la paroi du récipient. 69 08482 "10~ 2004570 REVENDICATION 1. Creuset perfectionné pour la fusion du verre, destiné à contenir une masse de verre fondu qu'on étire en filaments de verre à travers une multitude d'ouvertures dans le fond du creu-5 set, caractérisé par le fait que : (.a) le creuset est fabriqué en un alliage à base de nickel, un alliage à base de nickel-chrome, un alliage à base de cobalt-nickel, ou un acier inoxydable, (.b) une garniture de protection en métal noble est pré-10 vue pour les surfaces intérieures de chacune des ouvertures, (c) la garniture est fabriquée en platine, palladium, alliage de palladium-ruthénium, ou alliage de platine-rhodium, et (d) un disque réfractaire isolant est monté sur la face inférieure du fond en dedans de rangées annulaires d'ouvertures.