Brevet FR2112327A1 — publié le 19720616

L'invention concerne un four de fusion rotatif pour verre, de préférence pour la fusion des mélanges de verre, des scories et des roches, qui après refroidissement présentent une structure vitreuse ou partiellement vitreuses D'une façon générale9 on connaît des fours de fusion pour verre avec revêtement céramique solide ou en matière réfractaire coulée, de différentes compositions. La composition chimique et minéralogique de la matière réfractaire est déterminée en fonction de la fusion de verre avec laquelle elle vient en contact. Malgré cela, elle est plus ou moins fortement attaquée pendant le fonctionnement du four et dissoute par le verre en fusion. D'autre part, on connaît des fours de fusion pour verre avec revêtement de graphite, pour la fusion notamment du verre siliceux et de la silice, à température élevée.On connaît également des fours de fusion rev8tus de métal noble . en particulier de platine pour la fusion des verres spéciaux qui doivent satisfaire des exigences élevées de pureté et d'uniformité de composition. En outre, on utilise des fours avec revêtement métallique solide, refroidis par liteau ou par d'autres agents, où ii se forme à la surface venant en contact avec la matière en fusion une couche vitreuse qui protège le métal de la corrosion. Tous ces genres de revetement sont utilisés dans les fours de fusion à creusets9 à pots, à cuves, à turbulence ou à cyclone ainsi que pour le revêtement des fours rotatifs pour la fusion des silicates. L'inconvénient des fours de fusion connus est que la matière en fusion s'attache à leur revêtement et ne glisse pas sans frottement sur la surface du four. Dans les procédés de fusion en continu la durée de séjour dans le four de la partie du flux qui est en contact avec le revêtement est ainsi supérieure à celle des autres parties de la matière en fusion. On ne peut donc pas obtenir un écoulement parfaitement uniforme de la matière à fondre à travers le four. La composition chimique de la partie de la fusion qui est en contact avec le revêtement est différente de celle des autres parties, en raison de la durée de con- tact prolongée d'une partie de la masse en fusion avec le revêtement ainsi qu'en raison de la corrosion des revêtements céramiques ou coulés du four.Si les conditions de l'écoulement varient et les parties s'attach.ant au revêtement passent dans la masse en fusion, l'homogénéité de celle-ci peut être affectée notamment lors de la fabrication des verres de qualité supérieure ainsi que de cérames vitrifiée. Dans les procédés de fusion intense tels que la fusion en couche mince, en fours à cyclone, rotatifs ou centrifuges de fortes érosions se produisent dans le revêtement en raison de gran des différences de vitesse existant entre le levêtement et le flux en fusion fortement chauffé qui abaissent la qualité du verre et sont la cause de la faible durée de fusion qu'on est obligé de maintenir et qui mettent en question la rentabilité de ces procédés. Les revêtements de graphite offrent un meilleur effet de glissement, mais ils s'usent rapidement et encrassent la masse de verre.Les fours revêtus de platine, qui sont très chers, sont relativement solides à la corrosion, mais n'interdisent pas complètement l'adhésion dune partie du flux en fusion aux parois du four. L'inconvénient des fours à revêtement métallique est lalforte perte d'énergie par transmission de la chaleur. L'objet de l'invention est la réalisation des fours rotatifs pour la fusion du verre servant, de préférence à la fusion des mélanges de verre, des scories et des roches et assurant, par l'élimination des inconvénients de l'état de la technique décrits, la réalisation des procédés de fusion intense en couche mince, par rotation et à cyclone. L'objet de l'invention est la réalisation des fours de fusion pour verre ayant des revêtements auxquels la masse en fusion n'adhère pas et où celle-ci puisse stécou- ler pratiquement sans frottement en une couche assez épaisse ou passer éventuellement par une zone spéciale du four. L'invention concerne à cet effet un four du type ci-dessus caractérisé en ce qu'il est pourvu d'une couche métallique en fusion dont le poids spécifique est supérieur à celui de la matière à fondre qui, par suite de la rotation du four, se dépose d'une façon circulaire sur la paroi intérieure du manteau réfractaire ou sur la paroi métallique fixe du four, qui est maintenue en équilibre par la force centrifuge en formant par suite de la rotation un espace vide symétrique servant de surface de fusion. I1 est évident que la couche métallique en fusion peut pénétrer dans les pores et les fissures du manteau réfractaire et servir de paroi métallique fixe entourant celui-ci pour séparer la couche de métal en fusion. La rotation de la couche métallique en fusion peut steffectuer aussi bien autour d'un axe horizon- tal que d'un axe vertical ou oblique. Lorsque larotation sgeffec- tue autour d'un axe horizontal, il se forme un espace vide cylindrique. Avec un axe vertical, il se forme un espace vide parabo loidal dont la forme dépend de la vitesse de rotation. Suivant le diamètre et la vitesse de la couche métallique en fusion la surface de l'espace vide peut être plate, en forme de cuve ou presque cylindrique. Selon l'invention les fours peuvent avoir des digues en forme de cercles qui divisent partiellement ou entièrement la couche métallique en rotation ou qui diminuent sa section. Grâce à ces digues la transmission de la chaleur de la couche métallique en fusion est diminuée dans ia direction de l'axe de rotation et la formation de zones thermiques est facili tée. La couche métallique en fusion est ainsi divisée en plusieurs tronçons qui se suivent et peuvent présenter lorsqu'ils sont complètement séparés différentes compositions ou différents potentiels électriques. I1 est ainsi possible d'utiliser les couches métalliques en fusion comme des électrodes de grande surface et obtenir par liaison avec une source électrique de courant réglable une circulation déterminée de courant continu ou alternatif à travers la matière à fondre dans l'intervalle des digues circulaires. De cette manière, une zone thermique se crée dans la couche de matière à fondre comprise dans l'intervalle des digues circulaires qui peut servir pour la purification de la matière.De plus, grâce à la circulation du courant et la différence de potentiel, un échange réglable entre la couche métallique en fusion et la matière à fondre est possible dans le but, par exemple, de colorer la matière à fondre ou pour introduire d'une façon réglable des ions métalliques de faible concentration dans des verres spéciaux. l'utilisation de la couche métallique en rotation comme électrode peut s'effectuer en liaison avec une contre-électrode plongeant dans la masse à fondre, dans la zone du dispositif d'écou liement. Un autre four tournant pour la fusion du verre, selon l'invention, est caractérisé par au moins un dispositif d'arrivée et un dispositif d'écoulement pour le métal fondu travaillant par intermittence ou en continu. Ges dispositifs sont nécessaires lorsque on doit faire circuler la couche métallique en fusion afin d'éliminer les impuretés provenant de l'opyda- tion, ou régénérer la composition, en particulier, pour ajouter des composants d'alliage qui pourraient passer dans la matière à fondre ainsi que pour renouveler les dispositifs correspondants. Les dispositifs d'arrivée et d'écoulement plongent dans la couche de métal en fusion, dans l'intervalle des collecteurs circulaires. Ces collecteurs sont séparés de la matière à fondre par des écrans circulaires pourvus de passages pour le métal en fusion. Dans i'intervalle des collecteurs circulaires la couche métallique en fusion est protégée contre l'oxydation par un gaz ou par des couches de sel fondu nageant sur sa surface ainsi que par des oxydee métalliques ou de la poudre de graphite. Les couches de métal en fusion, dans la mesure ou elles ne sont pas constituées par des métaux nobles, doivent être complètement isolées de l'atmosphère du four.Dans la zone de la surface de fusion la couche de métal est isolée par la matière à fondre, de même que dans la zone d'alimentation du mélange par suite de la.bonne conductibilité thermique du métal à la surface de contact avec la couche du métal en fusion. I1 est évident que l'arrivée du métal fondu peut également s'effectuer directement à travers la cou dhe de la matière à fondre et l'écoulement peut avoir lieu par débordement par dessus les digues du four. Généralement, la rotation de la couche de métal fondu est maintenue par la rotation de l'enveloppe du four. Cependant, il est possible de, faire tourner' la couche de métal fondu avec une enveloppe immobile grave à un champ tournant électro-magnétique qui est obtenu à l'aide d'un stator refroidi disposé autour de l'enveloppe du four, ou par un agitateur plongeant dans la couche métallique et actionné mécaniquement. Ces pos sibilités entrent en ligne de compte pour des axes de rotation verticaux et permettent l'alimentation et l'écoulement du métal fondu par des conduits directement reliés avec l'enveloppe du four. Le four de fusion pour verre selon l'invention est caractérisé par un revêtement de métal fondu en rotation de préférence du groupe de métaux tels que Sn, Pb, Sb, Cu, Ag, Au, Al, Fe, Co, Ni et leurs alliages entre eux ou avec d'autres métaux, qui peuvent passer dans le flux de la matière à fondre. La couche de métal fondu peut, suivant sa composition, être très résistante par rapport à la matière à fondre et ne changer que faiblement la composition de celle-ci ou, au contraire, y passer en quantité considérable et provoquer un changement voulu de ses propriétés. L'invention comprend des fours de fusion rotatifs avec chauffage par combustion, énergie électrique (chauffage direct et indirect par résistances, arc électrique, induction, plasma) et par combinaison de ces genres de chauffage. L'avantage de l'invention est que la matière à fondre glisse pratiquement sans frottement sur la surface de fusion à travers le four rotatif ou à travers une zone de celui-ci sans s'attacher à enveloppe réfractaire du four et sans provoquer de corrosion. Ainsi, il est possible de faire passer la matière à fondre en une couche mince sur la surface de fusion du four. On peut réaliser une fusion intense en couche mince de plusieurs milimètres à plusieurs centimètres d'épaisseur, avec un débit et un rendement thermotechnique élevés de l'installation de fusion. La fusion en couches minces, en liaison avec la rotation9 influe très favorablement sur la purification de la matière à fondre. L'invention permet effectivement la miEe en oeuvre de différents fours rotatifs pour la fusion du verre avec axe de rotation vertical ou horizontal dont le principe de fonctionnement est déjà connu selon l'état de la technique9 mais qui, en raison de la forte usure du revêtement réfractaire9 ne se sont pas avérés pratiques. En comparaison avec les fours à cuve connus la surface de fusion de ces fours rotatifs par rapport à la capacité du four, est trois fois plus grande et le rendement thermique est en conséquence plus élevé. L'alimentation de la matière à fondre sur une surface de fusion tournante et l'enlèvement du flux en fusion de cette surface de fusion tournante par un dispositif d'enlèvement immobile, provoque une torsion réitérée de la masse en fusion et sa parfaite homogénéisation.L'effet de glissement avec peu de frottement des flux de silicates en fusion sur le revêtement de métal fondu en rotation, selon l'invention, peut être utilisé pour lthomogénéisation de la matière à fondre. La rotation relative ds dela matière à fondre est réalisée à l'aide d'éléments plongeants qui freinent son mouvement ou qui tournent en sens opposé. Les dispositifs selon l'invention peuvent ainsi être actionnés aussi bien lors de l'alimentation de la matière à fondre déjà fondue que comme des dispositifs spéciaux d'homogénéisation ou de rectification. Lcinvention peut en outre être ap pliquée dans les procédés de fusion connus par turbulence et à cyclone à effets élevés, et évite l'usure exagérée du revêtement réfractaire des dispositifs de ce genre connus jusqu'ici, de même que la perte de chaleur entraînée par le froidissement intense du manteau du four. Etant donné que la couche métallique en fusion tourne en même temps que la matière à fondre, cette variante pré- sente une combinaison intéressante des procédés de fusion à cyclone, en couche mince et par rotation.L'invention s'avère particulièrement avantageuse pour la fusion des verres difficilement fu sigles où l'on fait passer la matière à fondre en dispersion dans le brûleur en présence d' oxygène et on la fait fondre directement sur la surface de fusion au contact d'une flamme chaude. La couche métallique fondue en rotation présentant à la matière à fondre une surface de fusion en creux a encore pour avantage que le rayonnement traversant la matière à fondre est réfléchi en grande partie par sa surface lisse vers l'intérieur du four et permet une fusion en couche mince sans perte de chaleur excessive. Cet avantage acquiert une grande importance lorsqu'on utilise des sources de chaleur comprenant un rayonnement élevé et de courte longueur d'onde qui sont disposées à l'intérieur de l'espace vide en rotation formé par la couche de métal fondu et la matière à fondre. L'invention permet dans de nombreux cas le remplacement d'alliagesde platine cottes, en particulier dans les installations de fusion pour verres spéciaux, et une augmentation notable du rendement thermique des installa tisons. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés qui représentent trois exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la figure 1 est une coupe d'un revêtement métallique en fusion dans un four de fusion tubulaire pour verre, tournant autour d'un axe horizontal et travaillant à contre-courant. - la figure 2 est une coupe d'un revêtement métallique en fusion dans un four de fusion paur verre, tournant autour d'un axe vertical. - la figure 3 est une coupe d'un revêtement métallique en fusion dans un four à cyclone, tournant autour d'un axe horizontal avec chauffage électrique supplémentai- re direct. Le four de fusion tubulaire pour verre représenté sur la figure 1 tournant avec une vitesse réglable est garni d'une enveloppe ou manteau réfractaire 6 soutenu à l'aide d'une couche métallique en fusion 2 d'étain, le recouvrant de l'intérieur par la rotation du four, en formant une surface cylindrique. A chaque extrémité du four est disposé un écran 10 pour délimiter la couche métallique en fusion 2 et la matière à fondre 1, et qui est pourvu d'un passage 9 assurant la communication entre la couche de métal en fusion 2 avec le collecteur 11 et le tuyau ohauffable pour l'arrivée 4 et l'écoulement 5 de la couche métallique en fusion. Le tuyau d'écoulement 5 conduit vers un dispositif de purification et de régénération de la couche métallique 2 non représenté sur la figure 1, d'où le tuyau d'arrivée 4 conduit à nouveau vers le four.La quantité de métal en fusion 2 alimentée et écoulée est réglée par l'épaisseur de la couche de métal dans le four. Le métal en fusion dans le collecteur circulaire 11 est recouvert par une couche de protection anticorrosive 7 constituée par une fusion eutectique de NaCl-ECl dans laquelle sont disposés l'arrivée 4 et l'écoulement 5 plongeant dans le métal en fusion. À l'avant du four se trouvent le tuyau d'évacuation de la fumée 12 et le dispositif d'alimentation du mélange 13, et de 1' au- tre côté se trouvent au moins un brdleur 14 et un racleur 15 qui pénètrent tangentiellement par un écran d'isolation thermique 16 dans le four rotatif et sont disposés de manière à être déplaçables axialement. La matière à fondre 1 introduite dans le four rotatif par le dispositif d'alimentation 13 refroidi par l'eau, telle par exemple un mélange pour soie de verre, est fondue en couche mince sur la surface de métal en fusion 2 et pu rifiée, et le glissement de la matière à fondre 1 dans la direction de l'écoulement est pratiquement non empêché en raison du faible frottement entre la fusion métallique et la fusion de verre. Une partie de la couche de la matière à fondre 1 est captée à la sortie par le racleur 15 constitué de préférence par un alliage de platine et est amené par l'extrémité tubulaire ou en forme de rigole de celui-ci à un dispositif d'homogénéisation ou de formage venant à la suite, qui n'est pas représenté sur la figure.La disposition d'au moins un brûleur 14 à l'extrémité d'écoulement et d'un tuyau d'évacuation des gaz de fumée 12 à l'extrémité opposée maintient en contre-courant les gaz de combustion et la matière à fondre. Le réglage de l'écoulement par le racleur 15 et le dispo sitif d'alimentation du mélange 13 détermine le débit du four et l'épaisseur de la couche de la matière à fondre. Le four centrifuge, tournant autour d'un axe vertical représenté sur la figure 2 est pourvu à l'intérieur d'une couche métallique de fer en fusion 2, qui en raison de l'axe vertical forme une surface intérieure paraboloSda- le qui dépend de la vitesse de rotation. Dans un écran d'isolation thermique 16 recouvrant par en haut espace intérieur du four, qui est déplaçable suivant l'axe du four mais ne tourne pas, sont disposés au moins un dispositif d'alimentation du mélange 13 refroidi de préférence par l'eau, au moins un brûleur 114 et au moins un conduit d'évacuation de la fumée 12, qui pénètrent à l'intérieur du four.Au centre, le four présente un tuyau d'écoulement 17 réglable verticalement, constitué de préférence par un alliage de platine, qui, si nécessaire, est chauffé par une bobine d'induction 18. Entre la crapaudine 19 disposée autour du tuyau d'écoulement 17 et la bobine d'induction 18 se trouve un dispositif de refroidissement à l'eau circulaire 20 qui forme écran contre la chaleur. Sur le bord supérieur du four en forme de cuve est disposé un écran circulaire 21 qui délimite la couche de métal en fusion 2 et la matière à fondre 1. Une flamme tournante est obtenue dans le dispositif décrit par la disposition tangentielle du brt- leur et l'évacuation centrale de la fumée. L'alimentation de la matière à fondre s'effectue par le dispositif d'alimentation 13 à la périphérie de la surface de fusion en forme de cuve formée par la couche de métal en fusion 2. La matière à fondre 1, par exemple, une matière de départ broyée pour fibre de roche, s'écoule par la couche de métal en fusion vers l'intérieur du four ; elle est fondue et purifiée chemin faisant et est conduite, par le tuyau d'écoulement 17 dans les dispositifs de traitement ultérieurs. L'épaisseur de la couche de la matière à fondre 1 est réglée par le déplacement vertical du tuyau d'écoulement 17.Si le tuyau d'écoulement 17, selon une modification du dispositif représenté sur la figure 2, est disposé de manière à ne pas tourner avec le four, l'écoulement de la matière à fondre 1 est freiné au centre de la surface de fusion ce qui imprime à la matière une torsion relative et provoque une homogénéisation supplémentaire. Le m8me effet est obtenu en plongeant par en haut une bague de freinage ou un piston plongeur, dans la zone centrale de la matière à fondre 1.Le courant des gaz de combustion des fours de fusion représentés sur lesfiguresî et 2 peut éventuellement être renversé, après modification correspondante de la disposition des brûleurs 14 et du tuyau d'évacuation de la fumée 12 ; et des dispositifs de chauffage supplémentaires tels que arc électrique, plasma, résistances électriques de chauffage etc. peuvent être installés. Dans le four cylindrique représenté sur la figure 3 tournant autour d'un axe horizontal, la couche de métal en fusion 2 est partagée complètement par une digue circulaire 3. Les deux couches de métal en fusion sont reliées par des contacts à friction avec une source de courant électrique 8 réglable. Dans un écran d'isolation thermique 16 qui ne tourne pas et est disposé de manière à être déplaçable axialement par rapport au four, est monté tangentiellement en pénétrant dans le four au moins un brûleur spécial 22 pour l'insufflation combinée des gaz de combustion et de la matière à fondre en dispersion.Du côté frontal oppo sé du four se trouve le tuyau d'évacuation des gaz de fumée 12 et un racleur 15 pénétrant dans la matière à fondre 1 déplaçable tangentiellement à travers l'écran circulaire 21 La matière à fondre 1, par exemple un mélange de verre plombeux, est introduite par un dispositif d'alimentation spécial et dispersée dans les gaz de combustion du brûleur 22 ou à faible distance derrière sa bouche d'entrée. La rotation rapide des gaz de combustion entretenue par l'insufflation tangentielle des gaz de combustion et la rotation du long four cylindrique provoque une séparation des particules de matière à fondre chauffées préalablement dans le courant des gaz, sur la surface intérieure de la zone de fusion 23 se trouvant dans la direction du courant de la matière, avant la digue circulaire 3. Les particules de la matière à fondre sont complètement fondues en couche mince sur la couche de métal en fusion 2 constituée par exemple de plomb. La matière à fondre s'écoule par-dessus la digue circulaire 3 dans la zone d'homogénéisation 24 où elle s'étale en couche épaisse sur la même couche de métal en fusion 2. Une zone de rectification 25 pour la matière à fondre 1 s'écoulant en couche mince par-dessus la digue circulaire 3 et chauffée directement par le passage dtun courant alternatif est créée, grâce à la disposition d'une source de courant électrique 8 réglable avec contacteurs de frottement circulaires, sur les couches de métal en fusion 2 servant d'électrodes. La matière à fondre 1 est prélevée en quantités réglables dans la zone de l'écran 21 par le racleur 15 ou par un autre dispositif approprié pour titre traitée ultérieurement. Par exemple, dans la zone de fusion longue de 3 m., le diamètre intérieur de la couche en fusion est de 0,5 m. et dans la zone d'homogénéisation de 1 m. de long, il est de 0,6 m., l'épaisseur de la couche du revêtement métallique est de 0,03 m et de la matière à fondre dans la zone de fusion d'environ 0,02 m, et la vitesse de rotation du four est de 450 tours/min. Le démarrage du four s'effectue à froid avec de la grenaille métallique qui se dépose facilement, par la rotation du four, sur le manteau intérieur 6 de celui-ci. Pendant qu'on chauffe, on applique d'abord sur la couche métallique 2 une fritte vitrifiable ou un sel facilement fusible, comme couche anti-corrosive, et après avoir atteint la température de fonctionnement, on introduit le mélange proprement dit. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessue décrits et repré sentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Four de fusion rotatif pour verre, caractérisé en ce qutil comporte un revêtement constitué par une couche métallique en fusion formant un espace vide cylindrique maintenu en équilibre par la rotation du four et servant de surface de fusion pour la matière à fondre. 20) Four de fusion rotatif pour verre selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche métallique en fusion tourne autour d'un axe horizontal et forme un espace vide cylindrique servant de surface de fusion pour la matière à fondre. 30) Four de fusion rotatif pour verre selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche métallique en fusion tourne autour d'un axe vertical et forme une pace vide parabololdal servant de surface de fusion pour la matière à fondre. 40) Four de fusion rotatif pour verre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que plusieurs couches de métal en fusion sont disposées l'une derrière l'autre suivant l'axe de rotation et sont séparées lune de l'autre partiellement ou complètement par des digues circulaires. 50) Four de fusion rotatif pour verre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qui il comporte au moins un dispositif d'arrivée et un dispositif d'écoulement pour les couches métalliques en fusion travaillant par intermittence ou en continu. 60) Four de fusion rotatif pour verre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'une couche anti-corrosive isole les couches de métal en fusion de l'atmosphère, cette couche étant constituée par la matière à fondre elle-même ou par d'autres matières, en fusion ou solides, qui ne réagissent pas dans une mesure indésirable, ni avec la couche de métal en fusion, ni avec l'atmosphère. 70) Four de fusion rotatif pour verre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'une source de courant continu ou alternatif réglable est reliée avec la ou les couches de métal en fusion. 80) Four de fusion rotatif pour verre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la couche de métal en fusion tournante appartient au groupe de métaux tels que Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Al, Fe, Co, Ni et leurs alliages avec eux-mêmes ou avec d'autres métaux dont le poids spécifique est supérieur à celui de la matière à fondre.