Brevet FR2553754A1 — publié le 19850426

La présente invention concerne la fusion du verre et, plus précisément, l'utilisation de harboteurs pour contrôler les courants de verre fondu dans un four de fusion. Dans un four de fusion du verre du type continu, une 5 nappe de verre fondu est maintenue dans le four et les matières premières d'enfournement sont introduites, par une entrée à l'une des extrémités du four, sur la surface du bain de verre en fusion. A cet endroit, les matières d'enfournement forment une couche non fondue ou "couche de couverture" sur la surface du bain de verre 10 en fusion, couche de couverture qui peut s'étendre sur une distance importante dans le four avant de fondre et de s'incorporer dans le bain de verre en fusion La chaleur destinée à fondre les matières d'enfournement est fournie, à l'intérieur du four, par des brûleurs à combustion disposés au- dessus du niveau du verre 15 fondu, parfois aidés par des éléments chauffants électriques immergés A l'extrémité opposée du four par rapport à l'extrémité d'entrée, du verre fondu est extrait du bain de verre en fusion à travers une ouverture de sortie. La couche de couverture des matières d'enfournement, à 20 l'extrémité d'entrée du four de fusion, est relativement froide: elle se comporte comme un piège de chaleur et, en même temps, soustrait la partie sousjacente du bain de verre en fusion à l'action de la chaleur rayonnante provenant de la combustion dans le haut du four D'autre part, la région du bain de verre en fusion 25 juste en aval du point o la couche de couverture des matières d'enfournement est fondue a tendance à être la zone la plus chaude du bain de verre en fusion Ces conditions de température créent deux cellules de circulation tournant en sens inverses dans le bain de verre en fusion La tendance du verre chaud à remonter 30 dans la région située juste au-delà de la couche de couverture des matières d'enfournement et la tendance du verre relativement 2 2553754 froid à redescendre à proximité de l'extrémité d'entrée établis, sent, audessous de la couche de couverture de matières d'enfournement, un modèle de circulation d'après leauel le verre dans la partie haute du bain audessous de la couche de couverture s'écou5 le en direction de l'extrémité d'entrée (c'est-à-dire en direction de l'amont) et le verre dans la partie basse du bain audessous de la couche de couverture de matières d'enfournement s'écoule vers la sortie (c'est-à-dire en direction de l'aval) Entre l'extrémité de la couche de couverture de matières d'enfour10 nement et l'extrémité de sortie du four, le modèle de circulation est dans le sens opposé, la partie superficielle du verre s'écoulant dans la direction de l'aval et le verre à proximité du fond s'écoulant dans la direction de l'amont A la jonction de ces deux cellules de convection, il se produit un fort jaillissement de verre fondu vers le haut et, pour cette raison, cette région est connue sous le nom de "zone de source" Le verre fondu à proximité de la surface dans la zone de source est typiquement la partie la plus chaude du verre fondu dans le four de fusion et il est donc désirable que le courant total de verre passe par cette région, afin d'assurer une fusion et un affinage complets et uniformes du verre Toutefois, cet objectif n'est pas toujours atteint, en raison du fait que l'effet de zone de source peut ne pas être suffisamment fort et que des parties du verre fondu peuvent contourner la zne de source L'invention a pour but d'améliorer le courant 25 de verre à travers le régime de haute température de la zone de source. On connaît l'usage de barboteurs dans des fours de fusion du verre, dans le but d'agiter le verre fondu et de contrôler les modèles de circulation On peut trouver des exemple de barboteurs, 30 utilisés dans des fours de fusion du verre, dans les brevets US na 2 890 548 (Wright), 3 294 509 (Soubier et al), 3 305 340 (Atkeson), 3 330 639 (Boettner et al), 3 558 297 (Carney et al). Mais aucun des dispositifs connus ne fournit, dans et autour de la zone de source, le degré de contrôle du courant qui est souhaité. 35 Un tel dispositif est fourni par la présente invention. Sous l'un des aspects de la présente invention, un four de fusion du verre est équipé d'une ou de plusieurs rangées de barboteurs, s'étendant transversalement sur toute l'étendue du bain de verre en fusion dans la région de la zone de source ou un peu en amont de celle-ci Un ou les deux groupes extérieurs (c'est-à-dire ceux qui sont voisins des parois latérales du four) fonctionnent avec un effet de barbotage plus vigoureux que les barboteurs dans les parties centrales L'injection de gaz dans le verre en fusion fait remonter celui-ci, ce qui accentue l'effet de zone de source En outre, le taux de barbotage plus élevé dans les régions des parois latérales crèe un obstacle à l'écoulement vers l'aval dans ces régions, ce qui empêche le verre fondu qui longe les parois latérales d'éviter la zone de source. Sous un autre aspect de l'invention, plusieurs rangées transversales de barboteurs sont placées dans la zone de source ou juste en amont de celle-ci Les tubes des barboteurs d'une rangée aval se terminent à une hauteur plus élevée que ceux d'une rangée amont De cette manière, les tubes de barboteurs se conforment à l'allure du courant d'une partie du verre fondu qui entre dans la zone de source et ils crèent ainsi un effet ascendant cumulatif sur cette partie du verre fondu, ce qui renforce 20 l'effet de zone de source Cet effet cumulatif provient de ce qu'une partie donnée du verre fondu a sa flottabilité augmentée par le barbotage dl à la première rangée de barboteurs, et que cette même partie remonte et s'écoule vers l'aval, ce qui fait que sa flottabilité est encore augmentée par une seconde rangée 25 de barboteurs En d'autres termes, en donnant aux tubes de barboteurs un profil qui correspond approximativement à celui du courant, on fait en sorte que du gaz est injecté plusieurs fois dans la même portion de verre le résultat est une accentuation de l'effet de zone de source plus marquée que si les barboteurs 30 étaient à la même hauteur. la fig 1 est une vue en coupe horizontale d'un four de fusion du verre à chauffage latéral, représentant un système de barboteurs suivant un mode de réalisation préféré de la présente invention. la fig 2 est une vue en coupe verticale du four de fusion du verre de la fig 1, faite suivant la ligne 2-2 et montrant une disposition étagée de barboteurs. A titre d'illustration, l'invention sera décrite à propos d'un four à récupération, à chauffage par orifices latéraux, du type employé typiquement pour la fonte de verre plat, tel que représenté sur les fig 1 et 2, mais il est bien entendu que l'invention est également applicable à d'autres types de fours de fon5 te du verre Le four représenté sur les dessins est pourvu de sept paires d'orifices de chauffage 10 opposés, mais un four de ce genre peit comporter plus ou moins de sept paires d'orifices. Un bain de verre fondu 11 est contenu dans un bassin réfractaire 12 et des matières d'enfournement supplémentaires sont introduites 10 dans le four par une ouverture d'entrée 13 Les matières d'enfournement se répandent dans le four, de manière à former une couche flottante ou " couche de couverture" de matières d'enfournrent 14 sur la surface du bain 11 Dans ce type de four, des flammes de combustion, sortant alternativement des orifices situés d'un côté et de 15 l'autre du four, fournissent la chaleur nécessaire pour fondre les matières d'enfournement A l'extrémité-aval du four, du verre en fusion est extrait du four par un déversoir 15 qui conduit vers une section d'affinage et, de là, vers un dispositif de façonnage. Comme indiqué sur la vue en coupe de la fig 2, la cellule de convection au-dessous de la couche de couverture 14 de matières d'enfournement est dirigée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et la cellule de convection à l'extrémité aval du four est dirigée dans le sens des aiguilles d'une montre Là o ces cellules se rencontrent se trouve la zone de source 16. Dans la forme de réalisation représentée, il est prévu deux rangées de barboteurs, une rangée amont 20 et une rangée aval 21. La forme de réalisation préférée utilise deux rangées, mais une seule rangée est suffisante pour la réalisation de certaines caractéristiques de l'invention D'autre part, il peut être avan30 tageux dans certains cas de prévoir trois rangées ou pluÉ Les rangées de barboteurs s'étendent transversalement sur toute la largeur dugour, d'une paroi latérale à l'autre Opportunément, ces rangées peuvent être pratiquement droites comme on l'a représenté, mais il n'est pas essentiel que les rangées soient recti35 lignes Les barboteurs d'extrémité doivent être situés à une distance suffisante de la paroi latérale voisine pour éviter une accélération excessive de l'érosion de la paroi latérale, due à l'agitation produite par le barbotage. On peut utiliser des tubes de barboteur de forme classique, connue en soi dans la technique Par exemple, chaque barboteur peut être fait d'un tube de molybdène de 3/4 de pouce ( 1,9 cm) ayant une lumière centrale de 9/32 de pouce ( 7 mm) Chaque tube traverse verticalement le fond du bassin 12 et est relié par son extrémité inférieure à une source de gaz pour barbotage, tel que l'azote ou un forming gaz (mélange d'azote avec une petite quantité d'hydrogène). Le nombre des tubes de barboteur dépendra de la largeur de 10 chaque four Un barboteur exerce son effet sur les courants dans une région du verre fondu qui s'étend latéralement à une distance importante autour du barboteur Par exemple, un barboteur typique du genre ici décrit a une zone d'influence qui, comme on a pu le constater, mesure environ 18 pouces ( 46 cm) de diamètre Bien qu'il ne soit pas nécessaire, pour tirer pleinement avantage de l'invention, que le courant passant entier soit soumis à l'influence des barboteurs, on obtient les meilleurs résultats lorsque les barboteurs sont espacés de manière à produire une zone continue d'influence combinée s'étendant sur toute la largeur du four De préférence, les zones d'influence individuelles se chevauchent Ainsi, dans l'exemple d'un barboteur ayant une zone d'influence de 18 pouces ( 46 cm) de diamètre, l'intervalle entre barboteurs peut être de préférence de l'ordre de 12 pouces ( 30 cm). La hauteur des barboteurs à l'intérieur du bain en fusion 25 dépend d'un certain nombre de facteurs Les barboteurs doivent se terminer à une distance suffisante au-dessus du fond réfractaire du bassin 12 pour éviter une accélération excessive de l'érosion du fond par convection En raison des hautes températures à la surface de la zone de source, on peut prolonger la durée utile des barboteurs en faisant se terminer les tubes des barboteurs à distance au-dessous de la surface Des barboteurs de molybdène par exemple ont une durée utile relativement brève lorsqu'ils sont exposés à des températures de plus de 2600 F ( 1425 O C) et il est donc préférable de placer les extrémités supé35 rieures des tubes de barboteurs au-dessous du niveau auquel on doit normalement observer une telle température Par conséquent, pour ces considérations pratiques, il est préférable que les extrémités supérieures des tubes de barboteurs se trouvent en dehors du sixième supérieur et du sixième inférieur de la profondeur du bain, le mieux étant qu'ils se trouvent en dehors du quart supérieur et du-quart inférieur En outre, pour avoir les meilleurs résultats, il est préférable que les extrémités des barboteurs soient situées au niveau ou au-dessous du "plan neutre" Le "plan neutre" est le plan horizontal, au milieu des cellules de convection dans le verre fondu, o le courant n'est ni vers l'amont, ni vers l'aval, mais pratiquement statique Lorsque les barboteurs sont disposés au niveau ou au-dessous du plan o 10 neutre, ils exercent leur effet d'entraînement ascendant sur la part maximum du courant supérieur Par exemple, dans un four ayant une profondeur de verre d'environ 60 pouces ( 1,5 m), il est préférable que les extrémités des barboteurs soient situées à une hauteur comprise entre 15 pouces et 35 pouces ( 38 cm et 89 cm) de 15 la surface du verre Dans un autre exemple particulier, un bain de verre de 53 pouces ( 1,35 cm) de profondeur peut contenir une rangée de barboteurs à 30 pouces ( 76 cm) au-dessous de la surface du verre et une seconde rangée de barboteurs, en aval de l'autre rangée, à 20 pouces ( 51 cm) au-dessous de la surface du ver20 re. En cas d'utilisation de deux rangées de barboteurs ou plus, les rangées n'ont pas besoin d'être assez proches pour que leurs zones d'influence se chevauchent, comme tel est le cas pour l'espacement transversal entre barboteurs, mais l'intervalle en25 tre rangées doit être suffisamment petit pour qu'il soit tiré profit de l'influence cumulative Un espacement d'environ 18 pouces à 24 pouces ( 46 cm à 61 cm) s'est révélé approprié pour les grands fours typiques de fusion du verre Si l'on veut obtenir l'effet cumulatif de deux injections de gaz ou plus dans le même 30 courant de verre, les extrémités des barboteurs doivent être approximativement parallèles à un trajet de courant du verre dans la zone de source Par exemple, dans le cas représenté sur la figure 2,les extrémités des barboteurs 20 et 21 sont disposées de manière à suivre le trajet du courant 22 qui a, à la fois, une composante vers le haut et une composante vers l'aval Du fait que la rangée aval 21 est plus haute que la rangée amont 20, une portion donnée de verre suivant le trajet de courant 22 recevra tout d'abord du gaz injecté à partir de la rangée de barboteurs 20, puis passera au voisinage des extrémités des barboteurs 21 de la rangée aval, o cette même portion recevra de nouveau du gaz injecté directement Il va de soi que la situation exacte desextrmités des barboteurs dépendra des modèles de circulation d'une opération particulière de fusion et qu'elle-pourra varier quel5 que peu, même dans un four particulier, en fonction des conditions d'exploitation Dans la présente forme de réalisation, les barboteurs sont dans la cellule de convection amont, à son extrémité aval, là o le courant inférieur remonte dans la zone de source A cet endroit, le barbotage accentue l'effet de zone 10 de source du c Oté amont et, par suite, renforce la vitesse de circulation vers l'amont Cela augmente à son tour la quantité de chaleur véhiculée par le courant supérieur de verre qui s'écoule en arrière, à partir de la région chaude au haut de la zone de source, au-dessous de la couche de matières d'enfournement, ce 15 qui améliore l'efficacité dela fusion. L'autre aspect de l'invention fait intervenir un gradient d'intensité de barbotage entre les côtés et le milieu, de manière à amener les portions latérales du courant passant à se diriger vers le chauffage intensifié de la zone de source centrale Comme on peut le voir sur la fig 1, la zone de source 16 est située d'une manière générale dans la partie centrale du four, laissant le long des parois latérales des trajets par lesquels des courants 23 de verre peuvent parfois se diriger vers la partie aval du four sans passer par la zone de source Si les barboteurs peuvent en soi aider à entrainer d'une manière générale vers la surface le verre du courant passant, le barbotage classique ne contrarie pas efficacement ces trajets de dérivation 23 En conséquence, dans la présente forme de réalisation de l'invention, une partie des barboteurs, à proximité de l'une ou 30 des deux parois latérales, injecte du gaz, dans la région de l'un ou des-deux courants latéraux 23, avec une intensité plus grande que l'intensité de barbotage dans la partie centrale de la rangée de barboteurs Cela peut être réalisé avec une ou plusieurs rangées de barboteurs La partie d'extrémité qui pro35 duit la plus grande intensité de barbotage peut constituer à peu près le tiers de la rangée de barboteurs (ou des deux tiers dans les cas o les deux extrémités font en même temps l'objet du barbotage accéléré) Le barbotage plus vigoureux sur les côtés du four, juste en amont de la zone de source, crée une résistance au courant passant qui suit le trajet 23 et, par contre, amène cette portion à suivre un trajet 24 vers le centre de la zone de source. L'intensité de barbotage sera déterminée en fonction des nécessités d'une opération de fusion particulière, mais dans le cas typique, un tube individuel de barbotage injecte environ 0,5 à 10 pieds cubiques par heure ( 14 à 280 l/h) Un barboteur latéral fonctionnant à vitesse accélérée peut injecter un volume de 10 gaz de l'ordre de 10 à 200 " supérieur à celui d'un barboteur individuel situé au centre De préférence, un barboteur latéral injecte un volume qui est à peu près supérieur de 100 S à celui d'un barboteur central. La présence d'un courant de dérivation 23 peut être transi15 toire et ne toucher qu'un seul côté de la zone de source En conséquence, la vitesse de barbotage accélérée sur les côtés peut être établie périodiquement et seulement d'un côté du four, en fonction des nécessités Toutefois, les variations des modèles d'écoulement se produisent de manière relativement lente, sur des 20 périodes de plusieurs heures ou même de plusieurs jours, ce qui fait que le barbotage latéral accéléré peut être pratiqué de manière pratiquement continue, pendant un grand nombre de périodes d'inversion de chauffage du four. L'exemple qui précède a été décrit en détail dans le but 25 d'illustrer un mode de réalisation particulier et préféré de l'invention, mais il est bien entendu que des variantes, de la compétence du spécialiste, entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fusion du verre comprenant les opérations qui consistent à introduire une couche de matières premières du verre sur un bain de verre fondu à une extrémité amont d'un four, à extraire du verre fondu à une extrémité aval du four, située à distance longitudinale de l'extrémité amont, à délivrer de la chaleur au four au-dessus du bain de verre fondu de manière à fondre le verre, d'o il résulte qu'une zone de courants ascendants de verre s'établit dans le bain entre l'extrémité aval de la couche de matières premières et l'extrémité aval du four, 10 zone du côté amont de laquelle du gaz est injecté dans le verre fondu en plusieurs points qui s'étendent transversalement sur la largeur du four, de manière à renforcer les courants ascendants de verre, caractérisé en ce que l'injection de gaz dans l'une au moins des régions latérales est entretenue à une vitesse plus grande que la vitesse d'injection de gaz dans la partie centrale du four. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 ' injection de gaz dans ladite région latérale est effectuée à une vitesse qui est supérieure de 10 à 200 % à la vitesse 20 d'injection de gaz dans les parties centrales du four, 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région latérale constitue environ le tiers de la largeur du four. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en 25 ce que la vitesse d'injection de gaz dans ladite région latérale est supérieure de 10 % à 200 % à la vitesse d'injection dans les parties centrales du four. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est injecté dans le verre à partir de tubes qui pé30 nètrent verticalement dans le bain de verre fondu à partir du fond du four, l'injection se produisant à partir des tubes à une hauteur qui est distante de la surface du bain de verre fondu d'au moins un sixième de la profondeur de verre et qui est distante du fond du bain de verre fondu d'au moins un sixième de la profon5 deur de verre. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les multiples points o le gaz est injecté constituent plusieurs rangées qui s'étendent transversalement sur la largeur du four. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les rangées au niveau desquelles le gaz est injecté comprennent une rangée amont et une rangée aval, l'injection dans la rangée aval se produisant à une hauteur plus élevée que l'injection dans la rangée amont. 8 Procedé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaleur de combustion est délivrée au four par plusieurs orifices espacés le long des côtés du four. 9. Procédé de fusion du verre comprenant les opérations qui consistent à introduire une couche de matières premiè20 res du verre sur un bain de verre fondu à une extrémité amont d'un four, à extraire du verre fondu à une extrémité aval du four, située à distance longitudinale de l'extrémité amont, à délivrer de la chaleur au four au-dessus du bain de verre fondu de manière à fondre le verre, d'o il résulte qu'une zone de courants ascen25 dants de verre s'établit dans le bain entre l'extrémité aval de la couche de matières premières et l'extrémité aval du four, caractérisé en ce que dans la zone du côté amont du gaz est injecté dans le verre fondu en plusieurs points situés dans une première rangée transversale et en plusieurs points situés dans une seconde 30 rangée transversale, la seconde rangée transversale étant en aval de la première rangée transversale et l'injection de gaz dans la seconde rangée aval s'effectuant à une hauteur plus élevée que dans la première rangée, de telle manière que du gaz soit injecté dans la même portion du courant de verre par la première et la seconde 35 rangées, ce qui fait que les courants ascendants sont renforcés. 10. Procédé selon la revendication 9, dans laquelle l'injection de gaz est effectuée par des tubes barboteurs qui l 2553754 s'étendent verticalement dans le verre fondu à partir du fond du four, caractérisé en ce que l'injection se produit, à partir des tubes, à une hauteur cui est distante de la surface du bain de verre d'au moins un sixième de la profondeur de verre et qui est distante du fond du bain de verre d'au moins un sixième de la profondeur de verre. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la chaleur de combustion est délivrée par plusieurs orifices espacés le long du côté du four. 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le gaz est injecté par la première rangée dans une partie du courant de verre qui entre dans la zone de courants ascendants et le gaz est injecté par la seconde rangée dans la même partie du courant, de manière à renforcer l'écoulement de celle-ci vers le 15 haut. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le gaz injecté est composé essentiellement d'azote. 14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz injecté est composé essentiellement d'azote. 15 Dispositif de fusion de verre, comprenant une enceinte réfractaire propre à contenir un bain de verre fondu, des moyens pour introduire des matières premières du verre sur le bain de verre fondu à une extrémité amont du four, une ouverture de sortie pour extraire du verre fondu du bain à une extrémité aval du four, située à distance longitudinale de l'extrémité amont, des moyens pour délivrer de la chaleur au four audessus du niveau du bain de verre fondu pour fondre les matières premières du verre, caractérisé par plusieurs tubes barboteurs ( 20,21) qui s'étendent verticalement dans le bain de verre fondu ( 12) en for30 mant une première rangée s'étendant transversalement sur la largeur-du four, plusieurs tubes barboteurs qui s'étendent verticalement dans le bain de verre fondu en formant une seconde rangée s'étendant transversalement sur la largeur du four, la seconde rangée transversale étant en aval de la première rangée transver35 sale et pénétrant dans le bain de verre fondu jusqu'à une hauteur plus élevée que la première rangée. 16, Dispositlf selon la revendication 15, caractérisé en ce que les tubes barboteurs sont essentiellement faits de molybdène. 17. Dispositif selon la revendication 15, caracté5 risé en ce que les moyens pour délivrer de la chaleur comprennent plusieurs dispositifs à combustion espacés sur la longueur de l'enceinte réfractaire.