Brevet FR2473034A1 — publié le 19810710

L'invention concerne un appareil de fusion en verre quartzeux pour produire du verre quartzeux massif, comprenant, dans un tube extérieur ou fourreau, une ou plusieurs tuyères de propulsion alimentées en oxygène, entourées d'un courant d'hydrogène et dont l'extrémité avant ou sortie est en retrait par rapport à l'extrémité avant du fourreau, de même qu'un dispositif d'introduction de parti- cules de SiO2 prévu latéralement et en aval de l'extrémité avant des tuyères de propulsion dans le sens de l'écoulement des gaz. Les appareils de fusion de ce type sont notamment connus par le FIAT (Field Information Agency Technical) Final Report n0 536 page 16, édité le 29 novembre 1945 par le gouvernement des forces armées américaines pour l'Allemagne, o il est question des appareils de fusion employés par la demanderesse. Ces appareils servent à faire fondre de fines particules de SiO2 dans une flamme d'hydrogène/ oxygène et à déposer les particules fondues sur un corps porteur pour produire ainsi un corps de verre quartzeux massif. Ces appareils ont donné de bons résultats dans la pratique parce qu'ils évitent l'inclusion dans le corps de verre quartzeux massif d'impuretés, notamment d'impuretés de nature métallique ou de la nature des oxydes métalliques. Cependant, les appareils de fusion connus ne permettent pas d'adapter le flux de chaleur et le transport des particules de SiO2 jusqu'au point de dépôt à l'état fondu laisse également à désirer. L'invention vise à créer un appareil de fusion qui permette de produire des corps de verre quartzeux massif de manière bien plus économique et aussi plus rapide et de maintenir en plus la consommation d'énergie liée à cette production aussi faible que possible. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les tuyères de propulsion sont inclinées vers l'axe du fourreau, au moins par leur extrémité avant, elles sont entourées de plusieurs tuyères de chauffage alimentées en oxygène, dont les embouchures dépassent l'extrémité avant des tuyères de propulsion et qui forment une enveloppe de tuyères, elle-même entourée par le fourreau, et l'intervalle entre l'enveloppe de tuyères et le fourreau et l'espace entre les tuyères de propulsion et l'enveloppe de tuyères sont par- courus d'hydrogène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plu- sieurs exemples de réalisation préférés mais non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une coupe verticale d'un appareil de fusion selon l'invention; * - la figure 2 est une coupe transversale suivant le plan A-B de l'appareil de figure 1; - la figure 3 est une coupe verticale d'un appareil de fusion selon l'invention comprenant une double enveloppe de tuyères de chauffage; - la figure 4 est une coupe transversale suivant le plan C-D de l'appareil de figure 3; - la figure 5 est une coupe verticale d'un appareil de fusion selon l'invention comprenant un double jeu de tuyères de propulsion; - la figure 6 est une coupe transversale suivant le plan E-F de l'appareil de figure 5. L'appareil de fusion représenté sur la figure 1 pos- sède plusieurs tuyères de propulsion 1 qui sont alimentées en oxygène à travers des conduites d'alimentation 2. Les tuyères de propulsion sont entourées de plusieurs tuyères de chauffage 4 formant une enve- loppe de tuyères qui est elle-même entourée d'un tube extérieur ou fourreau 5. Les tuyères de chauffage 4 sont alimentées en oxygène à travers une conduite d'alimentation 6. Les tuyères de propulsion et les tuyères de chauffage sont séparées les unes des autres par un tube intermédiaire 7 fixé à demeure au fourreau 5. Les tuyères de propulsion 1 sont fixées sur une pièce de support 8 commune montée rotative sur un prolongement 9 du fourreau 5. L'espace entre les tuyères de propulsion 1 et le tube intermédiaire 7 est parcouru en service par de l'hydrogène qui est amené par la conduite d'arrivée 10; de la même façon, l'espace entre le tube intermédiaire 7 et le four- reau 5, c'est-à-dire l'espace dans lequel sont disposés les tuyères de chauffage 4, est parcouru par de l'hydrogène sortant d'une conduite d'arrivée 11. La figure 1 montre également que la partie avant des tuyères de propulsion est inclinée vers l'axe 3 du fourreau. Les em- bouchures des tuyères de chauffage 4 dépassent de l'extrémité avant des tuyères de propulsion 1. Sur l'extrémité de sortie - dans le sens de l'écoulement des gaz - du fourreau est emboîté un tube support 12 qui porte un dispositif 13 pour l'introduction dans le flux gazeux de fines particules de SiO2. L'embouchure de ce dispo- sitif fait saillie dans le tube support 12. Ce dernier pourrait être remplacé par un prolongement du fourreau 5, auquel cas le dis- positif d'introduction de particules de SiO2 serait monté dans le fourreau, dans lequel ferait saillie l'embouchure du dispositif. Sur le côté opposé à ce dispositif, le tube support 12 ou le prolon- gement du fourreau présente une ouverture d'aspiration d'air 14. Cette ouverture a pour but de laisser passer à travers le tube sup- port, ou le prolongement du fourreau, les fines particules de SiO2 non saisies par le courant d'oxygène issu des tuyères de propulsion 1, ce qui réduit le risque de colmatage de l'appareil de fusion par les particules de SiO2. Pendant le fonctionnement de l'appareil, les jets gazeux enflammés créent un appel d'air à travers l'ouverture 14 et cet appel d'air refroidit si intensément la partie inférieure du tube support 12, ou du fourreau prolongé, que les particules de SiO2 non saisies par les jets enflammés et qui ne sont pas tombées par l'ouverture 14 mais sur la paroi intérieure du tube ou du fourreau entre l'ouverture 14 et l'extrémité de l'appareil de fusion ne collent pas au verre quartzeux de ce tube ou de ce fourreau. La majeure partie de ces particules est emportée par l'appel d'air à travers l'ouverture 14 jusqu'au bout de l'appareil de fusion, o elles peuvent être recueillies après avoir quitté l'appareil. L'ouverture d'aspira- tion d'air a non seulement les avantages décrits, elle permet en plus, grâce aux effets décrits, le fonctionnement entièrement continu de l'appareil de fusion. Avec les appareils connus, le processus de fusion doit être interrompu de temps en temps. En beaucoup de cas, il faut même remplacer l'appareil par un nouvel appareil parce qu'il avait été colmaté par des particules de SiO2 agglomérées dans la zone comprise entre le dispositif d'introduction de particules et le bout avant de l'appareil. Un tube de concentration 15 peut en plus être emboîté sur le tube support 12 ou le fourreau 5 prolongé, principalement pour concentrer la flamme globale sur le corps 16 de verre quartzeux en cours de formation sur un support 17, lequel est également en verre quartzeux transparent ou opaque. Le support 17 est animé d'une rotation pendant cette formation, comme l'indique la flèche 18. Pendant le service de l'appareil de fusion, les tuyères de propulsion alimentées en oxygène ont pour fonction, outre le chauffage proprement dit, d'assurer le transport des particules de SiO introduites par le dispositif 13 jusqu'au point de dépôt à l'état fondu. Ce point est l'extrémité tournée vers l'appareil de fusion du corps 16 en cours de formation. A cet effet, l'oxygène est dirigé à une vitesse relativement élevée à travers lestuyères de propulsion, tandis que l'hydrogène constituant le combustible gazeux circule à une vitesse relativement basse autour des tuyères de propulsion. Comme déjà indiqué, les tuyères de propulsion sont fixées à une pièce de support 8 qui est montée rotative sur un prolongement arrière du fourreau 5 et qui permet donc d'ajuster les groupes de jetsgazeux enflammés issus des tuyères de propulsion en vue de l'obtention d'un transport optimal des particules de SiO2 introduites. L'énergie calorifique supplémentaire nécessaire à la fusion des particules de SiO2 introduitesest-fournie par les jets gazeux enflammés issus des tuyères de chauffage. Comme le montre la figure 2, ces jets entourent à la façon d'une enveloppe les jets enflammés issus des tuyères de propulsion, de sorte qu'il est égale- ment possible d'obtenir les conditions de fusion optimales du point de vue thermique. Les jets enflammés issus des tuyères de chauffage sont également des flammes à diffusion, comme les jets enflammés issus des tuyères de propulsion; comme pour ces dernières, l'oxygène parcourt les tuyères de chauffage 4 à une vitesse relativement élevée, tandis que l'hydrogène constituant le combustible gazeux circule à une vitesse relativement basse autour des tuyères de chauffage dans l'espace compris entre le fourreau 5 et le tube intermédiaire 7. Il est avantageux que l'extrémité avant des tuyères de chauffage soit également inclinée vers l'axe du fourreau, ce qui s'oppose également, comme l'inclinaison de l'extrémité avant dés tuyères de propulsion dans le même sens, à l'étalement naturel de l'ensemble de la flamme. L'appareil de fusion représenté en coupe longitudinale sur la figure 3 et en coupe transversale sur la figure 4 se distingue essentiellement de l'appareil des figures 1 et 2 par le fait qu'il comporte un deuxième groupe de tuyèresde chauffage 4', formant une seconde enveloppe de tuyères. Le groupe de tuyères de chauffage 4 et le groupe de tuyères de chauffage 4' sont séparés l'un de l'autre par un tube intermédiaire supplémentaire 7', également en verre quartzeux. Le groupe de tuyères de chauffage 4' est alimenté en oxy- gène à travers une conduite d'alimentation 19. L'intervalle entre le fourreau 5 et le tube intermédiaire supplémentaire 7' est alimenté par la conduite d'arrivée 20 en hydrogène, lequel circule donc aussi autour des tuyères de chauffage 4'. Cette exécution de l'appareil de chauffage selon l'invention permet une bonne optimisation du rendement énergétique dans la production d'un corps de verre quartzeux. Il est possible de disposer plusieurs tuyères supplémen- taires alimentées en oxygène dans l'espace entre les deux enveloppes de tuyères; ces tuyères supplémentaires peuvent être fixées sur la pièce supportant les tuyères de propulsion et leurs embouchures peuvent dépasser les embouchures des tuyères de propulsion, sans toutefois dépasser les embouchures des tuyères de chauffage. Les tuyères de chauffage peuvent être soudées sur un tube support en verre quartzeux. Les embouchures des tuyères de chauffage des deux enve- loppes peuvent être situé,es dans le même plan. L'appareil de fusion selon l'invention des figures 5 et 6 se distingue de celui des figures 1 et 2 par le fait qu'il pos- sède deux groupes de tuyères de propulsion, lesquels sont entourés d'une seule enveloppe de tuyères de chauffage 4. Dans cette exécution, les pertes de transport de particules de Sio2 entre le dispositif d'introduction et le point de dépôt à l'état fondu, c'est-à-dire la face avant libre du corps 16 en cours de formation, sont réduites encore plus. La production d'un corps de verre quartzeux avec un appareil de fusion selon l'invention se déroule comme décrit ci- après. L'appareil de fusion en verre quartzeux est disposé à l'intérieur d'un four conventionnel pourvu d'une évacuation des 2473034- gaz de combustion, de manière que l'axe 3 du fourreau soit sensible- ment horizontal. L'extrémité côté flaimesde l'appareil de fusion, c'est-à-dire l'extrémité d'o sortent les flammes pendant le fonction- nement, est dirigée vers l'extrémité d'un support rotatif 17 et se trouve à une certaine distance de celui-ci. L'axe de rotation du support 17 et l'axe 3 du fourreau coïncident au moins à peu près. Après l'allumage des flammes, on ajuste à peu près les débits gazeux suivants pour un appareil de fusion comme celui de la figure 1 oxygène pour les tuyères de propulsion 3,8 Nm /h oxygène des tuyères de chauffage 2,0 Nm /h hydrogène circulant autour des tuyères de propulsion 10,0 Nui3/h hydrogène circulant autour des tuyères de chauffage 5,8 Nm /h débit gazeux global 21,8 Nm /h On chauffe tout d'abord, par les flammes, la face frontale du support tournant, pour la porter à la température de fusion. Par le dispositif d'introduction 13, on ajoute ensuite de fines particules de SiO2, d'une granulométrie d'environ 0,01 à 2,5 un et en quantité dosée, environ 2800 g/h. Les flammes de propulsion saisissent les particules de SiO2, les chauffent et les transportent ou propulsent à la façon de projectile sur la face frontale à la température de fusion du support tournant. Là, les particules portées à la température élevée sont fondues ensemble en un corps de verre quartzeux massif. Pendant le processus de fusion, le support 17 est éloigné de l'appareil de fusion pour compenser l'épaississement du dépôt formé sur lui, de telle manière que la face frontale du dépôt reste toujours à la même distance de l'extrémité avant de l'appareil de fusion. La formation du corps de verre quartzeux se poursuit en continu jusqu'à ce que le corps ait atteint une longueur désirée fixée d'avance. Environ 2,5 kg de verre quartzeux par heure peuvent être produits sous les conditions décrites ci-dessus. Cette quantité dépasse d'environ 70 7. celle que l'on pouvait jusqu'à présent obtenir avec les appareils de fusion connus sous le même débit gazeux global. R E V E N D I C A T I O N S 1. Appareil de fusion en verre quartzeux pour produire du verre quartzeux massif, comprenant, dans un tube extérieur ou fourreau, une ou plusieurs tuyères de propulsion alimentées en oxygène, entourées d'un courant d'hydrogène et dont l'extrémité avant ou sortie est en retrait par rapport à l'extrémité avant du fourreau, de même qu'un dispositif d'introduction de particules de dioxyde de silicium prévu latéralement et en aval de l'extrémité avant des tuyères de propulsion dans le sens de l'écoulement des gaz, caractérisé en ce que les tuyères de propulsion (1) sont incli- nées vers l'axe (3) du fourreau, au moins par leur extrémité avant, elles sont entourées de plusieurs tuyères de chauffage (4) alimentées en oxygène, dont les embouchures dépassent l'extrémité avant des tuyères de propulsion et qui forment une enveloppe de tuyères, elle- même entourée par le fourreau (5), et l'intervalle entre l'enveloppe de tuyères et le fourreau et l'espace entre les tuyères de propul- sion et l'enveloppe de tuyères sont parcourus d'hydrogène. 2. Appareil de fusion selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les tuyères de propulsion (1) sont fixées sur une pièce de support (8) commune qui est montée rotative sur un prolonge- ment (9) du fourreau (5). 3. Appareil de fusion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une seconde enveloppe de tuyères de chauffage (4') alimentées en oxygène est disposée entre l'enveloppe formée par les tuyères de chauffage (4) et le fourreau (5-), les intervalles ainsi formés sont également parcourus d'hydrogène et les embouchures des tuyères de chauffage (4') de la seconde enveloppe dépassent également de l'extrémité avant des tuyères de propulsion (1). 4. Appareil de fusion selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'espace entre les deux enveloppes de tuyères de chauffage contient plusieurs tuyères supplémentaires alimentées en oxygène, fixées sur la pièce de support des tuyères de propul- sion (1) et dont les embouchures dépassent des embouchures des tuyères de propulsion mais restent en retrait par rapport aux embouchures des tuyères de chauffage (4, 4'). 5. Appareil de fusion selon l'une quelconque des revendi- cations 2, 3 et 4, caractérisé en ce que les tuyères de chauffage (4, 4') sont soudées sur un tube support en verre quartzeux. 6. Appareil de fusion selon la revendication 3, caractérisé en ce que les embouchures des tuyères de chauffage (4, 4') des deux enveloppes sont situées dans le même plan. 7. Appareil de fusion selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'embouchure du dispositif (13) pour l'introduction des particules de dioxyde de silicium fait saillie dans le fourreau (5) ou dans un tube support (12) embolté sur le fourreau. 8. Appareil de fusion selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le fourreau (5) ou le tube support (12) présente une ouverture d'aspiration d'air (14) sur le côté situé à l'opposé du dispositif (13) pour l'introduction des particules de dioxyde de silicium.