Brevet FR2148379A1 — publié le 19730323

La présente invention concerne d'une manière générale le travail d'un verre à haute teneur en silice et vise plus particulièrement le façonnage d'un quelconque corps creux à partir d'un tube en verre à haute teneur en silice ; il s'agit par exemple du façonnage d'un creuset, d'un ballon ou d'un tube de diamètre supérieur à celui du tube de départ. Par verre à haute teneur en silice on entend aussi bien les verres de silice pure, couramment appelés "quartz" que les verres spéciaux du type de ceux commercialisés sous la désignation llVycoRrt qui ont une teneur en silice très élevée, de l'ordre de 99% par exemple. De tels verres sont travaillés à la manière des verres ordinaires, c'est-à-dire en leur appliquant des opérations de chauffage, d'entrainement en rotation et de soufflage : le chauffage permet de conférer au corps creux une plasticité suffisante pour que par soufflage on puisse en augmenter progressivement le diamètre, et l'entrainement en rotation contrebalance par la force centrifuge qu'il induit les effets de cette plasticité sur la tenue et la configuration du dit corps creux. La seule différence entre le travail d'un verre ordinaire et le travail d'un verre à haute teneur en silice est qu'il est nécessaire de chauffer ce dernier à une température nettement supérieure, de l'ordre de 17000 à 20000 C, seule susceptible de lui conférer la plasticité requise. Les moyens de chauffage utilisés peuvent etre par exemple des chalumeaux utilisant un quelconque mélange gaz combustible oxygène, ou encore, suivant une technique plus récente, des torches à plasma. Dans tous les cas, le chauffage des corps creux à travailler se fait à ce jour, à l'air libre, et les moyens de chauffage utilisés n'intéressent qu'une zone déterminée réduite d'un tel corps creux, un mouvement relatif de translation étant alors imprimé à ce corps creux vis-à-vis des moyens de chauffage, ou vice-versa, afin que la zone de chauffage correspondante soit successivement déplacée tout au long du dit corps creux. Cette disposition présente de nombreux inconvénients. Tout d'abord, le chauffage à l'air libre des corps à façonner conduit rapidement à une limitation de la température que ces derniers peuvent atteindre. En effet, et ainsi qu'il est connu, la déperdition de température par rayonnement d'un quelconque corps est proportionnelle, d' une part à la surface de ce dernier, et d'autre part à la puissance quatrième de sa température absolue. Si donc le corps à façonner présente une surface notable, il s'établit rapidement un équilibre entre la chaleur qu'il perd par rayonnement et la chaleur que les moyens de chauffage sont capables de lui apporter. Or, l'évolution de la technique moderne, dans la métallurgie et le traitement des métaux semi-conducteurs notamment, exige de plus en plus de récipients à haute teneur en silice, seule susceptible de présenter une pureté suffisante pour éviter toute pollution de ces métaux, et les récipients à haute teneur en silice ainsi exigés, doivent avoir des dimensions de plus en plus grandes. Pour des raisons exposées ci-dessus, la réalisation de tels récipients de grand diamètre est en pratique assujettie aux possibilités de chauffage dont on dispose. De ce fait, au fur et à mesure qu'augmentent le diamètre et 1. épaisseur des récipients ou corps de verre à façonner, on est amena à augmenter la puissance des moyens de chauffage, et par exemple, a répartir autour du corps à chauffer, un nombre de plus en plus important de chalumeaux, de façon à pallier au mieux la déperdition de température des zones de ce corps non soumis directement à la flamme des chalumeaux. Mais il ne s'agit que d'un palliatif, et en pratique, il devient de plus en plus difficile avec la technique actuelle, de réaliser des recipients en verre à haute teneur en silice ayant un diamètre important, c' est-à-dire un diamètre supérieur par exemple à 200 mm. En outre, suivant la technique actuelle, les zones en cours de façonnage qui ne sont plus soumises aux moyens de chauffage se refroidissent brutalement à l'air libre, ce qui ne manque pas de dcn- ner naissance à des tensions internes au sein du dit corps, et il est nécessaire ensuite de faire subir un recuit à ce dernier à une température suffisante pour faire disparaitre ces tensions. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant de pallier ces inconvénients. Elle a plus précisément pour objet un procédé et un dispositif qui d'une part permettent le façonnage d'un quelconque corps creP9 en verre à haute teneur en silice de grand diamètre avec un gain notable de temps et de puissance calorifique vis-à-vis de la tedi- nique antérieure dans ce domaine, telle que succinctement rappelez ci-dessus, et qui d'autre part permettent le façonnage de corps creux en verre à haute teneur en silice de grands diamètres. Le procédé selon l'invention est donc du genre suivant lequel des opérations de chauffage à haute température, d'entrainement en rotation, et de soufflage sont appliquées au corps creux en verre à haute teneur en silice à façonner, et est caractérisé en ce que les dites opérations sont conduites à l'intérieur d'un volume de travail délimité au moins longitudinalement par une paroi réfractaire, ou moufle, disposée annulairement autour du dit corps creux. La paroi interne de ce moufle est portée indirectement à haute température par les moyens de chauffage associés, qui y pénètrent à la faveur d'une ouverture pratiquée à cet effet, et qui agissent directement sur le corps creux en cours de façonnage. Cette disposition limite de façon très efficace la déperdition de température par rayonnement de ce corps creux en cours de façonnage. De préférence cependant, le volume de travail dans lequel ce corps creux est placé, est en outre délimité transversalement par des flasques dont l'un au moins présente une ouverture centrale pour passage du corps creux ou d'un prolongement de celui-ci. Cette disposition complémentaire entrave au mieux la sortie des gaz chauds qui, issus des moyens de chauffage, baignent le corps creux, et créée ainsi avantageusement un effet de four. La présente invention a encore pour objet un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ce dispositif comporte un manchon ou moufle en matériau réfractaire, de préférence calorifugé, disposé annulairement autour du corps creux à façonner, des flasques en matériau réfractaire étant de préférence rapportés transversalement sur le dit moufle à chacune des extrémités longitudinales de celui-ci. Un tel dispositif présente de nombreux avantages Tout d'abord, il permet de traiter des corps creux de grande dimension et de forte épaisseur avec un apport de calories raisonnable, très inférieur en tout cas à celui nécessaire lorsque ce traitement est effectué à l'air libre. On peut préciser à cette occasion et à titre d'exemple, que l'application de l'invention à la réalisation d'une ampoule en verre de silice, d'un diamètre de 150 mm, d'une épaisseur de 4 mm et d'une longueur de 500 mm, à partir d'un tube de silice étiré d'un diamètre de 90 na et d'une épaisseur de 4 mm, a permis un gain de 50 % sur le temps de travail nécessaire et une économie de 7/8 de la puissance calorifique consommée, vis-à-vis de la technique antérieure comparable, dans les mêmes conditions. Le dispositif selon l'invention permet en outre de travailler le corps creux à façonner à une température homogène très élevée, ce qui est favorable k un affinage poussé de la matière constitutive de ce corps creux : on constate notamment une élimination par évaporation des impuretés volatiles qu'une telle matière contient inévitablement, telles que traces de chaux et de lithium par exemple, ainsi que la disparition par diffusion des inclusions gazeuses qu'un tel corps creux présente en général, notamment lorsqu'il s'agit d'un corps creux en verre de silice élaboré par fusion électrique à partir de poudre. I1 est évident qu'une telle élimination des impuretés de dart est particulièrement précieuse pour les corps creux à haute teneur en silice destinés à êtrejutilisés dans la métallurgie des semi-con ducteurs ; en outre c'est à une telle élimination qu'on peut sans doute imputer le fait que les verres façonnés selon l'invention ne donnant jamais lieu, au refroidissement, à une quelconque formation intempestive de cristobalite qui, ainsi qu'on le sait, conduit à une dévitrification au moins partielle du verre qui en est l'objet Le dispositif selon l'invention permettant par ailleurs de travailler à température homogène élevée, tel qu'exposé ci-dessus, le corps creux en cours de façonnage atteint un état de fusion vi- treuse particulièrement poussé pour lequel les phénomènes de ten, sion superficiels suffisent à assurer, compte tenu du mouvement de rotation appliqué au dit corps creux, une uniformisation avantagav- se de l'épaisseur de ce dernier, quels que soient les défauts initiaux de centrage de l'ébauche dont est issu ce corps creux, ou quels que soient les défauts éventuellement appliqués à ce corps creux au cours de son façonnage. Le dispositif selon l'invention permet encore de protéger le corps creux en cours de façonnage des chutes brutales de températu-- re et un tel corps creux n'a de ce fait pas besoin de subir ultérieurement le reciSt nécessaire à la disparition des tensions internes prenant naissance au cours d'une telle chute de température. Enfin, le dispositif selon l'invention agit avantageusement comme un écran thermique vis-a-vis des opérateurs ayant à façonner les corps creux concernes ainsi que vis-à-vis du matériel environ nuant. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention monté sur un tour la figure 2 est une vue en coupe axiale de ce dispositif, suivant la ligne II-II de la figure 1. Ces figures concernent l'application de l'invention à un tour spécial 10 prévu pour le façonnage de corps creux à haute teneur en silice. Dans 1' exemple représenté, un tel façonnage concerne une ébauche ll qui, en pratique, est un tube de diamètre relativement faible, 90 mm par exemple, et dont il s'agit d'augmenter localement le diamètre en vue de la réalisation, par exemple, d'une ampoule ou d'un créuset. Ce tube ou ébauche 11 est maintenu entre les deux mandrins 12 du tour spécial 10, tour dont un seul des dits mandrins est visible à la figure 1. Un tel tour est bien connu par lui-meme, et il n'est donc pas utile de le décrire ici plus complètement. Le tube 11 est fermé à une de ses extrémités, et, à l'autre extrémité, communique avec une canalisation 13 permettant de le souffler intérieurement. Selon l'invention, le chariot mobile 15 du tour 10 est équipé d'un moufle réfractaire 16 ; il porte à cet effet des montants 17 reliés par exemple par un berceau 18 auquel le dit moufle est fixé. Dans l'exemple représenté, et tel que visible à la figure 2, le moufle 16 porte un manchon intérieur 19 formé d1un tronçon de tube, ou encore de deux coquilles demi cylindriques. Le manchon intérieur 19 est par exemple en silice opaque ; l'emploi de ce dernier matériau est en fait avantageux parce que en cours de travail il ne donne pas lieu à des chutes de particules réfractaires susceptibles de polluer le corps travaillé. De préférence, tel que représenté, le manchon 19 est doublé ex térieurement par un revêtement calorifuge 20 maintenu par des frettes 21, 22. Ce revêtement peut par exemple autre en fibres d'alumine mélangées à du silicate de soude. De préférence également, et tel que représenté, sur le moufle 16 ainsi constitué sont rapportés deux flasques transversaux 23, 24 percés chacun d'une ouverture centrale, 25, 26 respectivement, pour passage du tube Il. Ces flasques sont par exemple en fibres d'alumine mélangées à du silicate de soude, et ils sont assujettis au moufle 16 par tout moyen approprié et par exemple, tel que représenté, par des clips métalliques longitudinaux 27. Le moufle 16, figure 1, est percé d'une première ouverture 28 permettant à une batterie de chalumeaux 29 d'accéder à son volume intérieur ; cette ouverture 28 est allongée suivant une génératrice du moufle et ces chalumeaux 29 sont alignés le long de celle-ciz Le moufle 16 est encore percé d'une deuxième ouverture 30, servant de fenêtre d'observation. Les chalumeaux 29 sont portés par une équerre 31 solidaire 15 du tour 10. Le tube 11 est de manière usuelle entrainé en rotation par les mandrins 12 du tour 10, ce qui empeche son effondrement quand il devient plastique sous l'effet de la température. La flamme des chalumeaux 29 ne porte en direct que sur une portion du dit tube, mais en raison de l'effet de four dA au moufle 16 selon l'invents ce tube reste dans sa totalité et de manière homogène à haute température ; cependant le tube ne présente qu'en regard des chalumeaux 29 une plasticité suffisante pour que son façonnage par soufflage puisse s'effectuer correctement, le chariot 15 étant alors déplatS le long du dit tube pour que ce façonnage intéresse successivement toute la longueur utile de celui-ci. Le façonnage se traduit par une augnentation en diamètre dii tube, qui pourra par exemple etre ultérieurement sectionné transversalement en deux, pour obtention de deux creusets. Bien entendu la présente invention ne se limite pas à la fonde de mise en oeuvre décrite et représentée mais englobe toute var;wneo d'exécution. En particulier, suivant une variante non représentée, les montants 17 sont articulés sur ce chariot 15 par des charnières permettant le basculement, et par conséquence l'effâcement du mmlf- 16 transversalement par rapport au d-it chariot : ou encore suivant une autre variante, le berceau 18 est dans le même but mobile trans- versalement par rapport au chariot 15 ; ou encore la même disposition peut être appliquée d'un mouvement de rotation autour d'un osw vertical et non plus horizontal, notamment dans le cas où le tour utilisé est un tour vertical. De plus à l'invention peuvent être associées toutes les diEpo- sitions usuelles dans le travail de soufflage du verre, et notam- ment celles prévoyant le façonnage définitif de la pièce travaillée dans un moule de graphite. REVERDICATIONS 1. Procédé pour le travail d'un corps creux en verre à haute teneur en silice, du genre suivant lequel des opérations de chauffage à haute température, d'entraînement en rotation et de souffta- ge sont appliquées au dit corps creux, un tel procédé caractérisé en ce que les dites opérations sont conduites à l'intérieur d'un volume de travail délimité au moins longitudinalement par une paroi réfractaire, ou moufle, disposée annulairement autour du dit corps creux. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le volume de travail est en outre délimité transversalement par des flasques dont l'un au moins présente une ouverture centrale pour passage du corps creux. 3. Dispositif pour le travail d'un corps creux en verre à haute teneur en silice auquel sont appliquées des opérations de chauffage, d'entraînement en rotation et de soufflage, caractérisé en ce qu'il comporte un manchon ou moufle en matériau réfractaire disposée annulairement autour du dit corps creux 4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte encore des flasques en matériau réfractaire rapportés transversalement sur le dit moufle, à chacune des extrémités longitudinales de celui-ci, l'un au moins des dits flasques comportant Une ouverture centrale pour passage du corps creux. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le moufle comporte au moins une ouverture pour passage d'au moins une source de chaleur telle que chalumeau, torche à plasma. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que cette ouverture est allongée suivant une génératrice du moufle pour mise en place d'une série de sources de chaleur alignées suivant cette génératrice. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3, 4 caractérisé en ce que le moufle est calorifugé. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendicatipns 2 à 7 caractérisé en ce que le moufle est en silice. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3, 4 et 5 caractérisé en ce que le moule et les sources de chaleur- asso- ciées sont portés par un chariot mobile, par exemple le chariot mobile d'un tour assurant l'entraînement en rotation du corps creux. 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le moufle est fixé à ce chariot mobile par l'intermédiaire de moyens adaptés a en permettre le basculement ou 1' effacement transversalement par rapport au dit chariot.