Brevet FR2563244A1 — publié le 19851025

PERFECTIONNEMENTS AUX CENTRIFUGEURS POUR LA FORMATION DE FIBRES L'invention est relative aux centrifugeurs utilisés dans les techniques de formation de fibres et notamment de fibres minérales, le centrifugeur faisant office de filière. Dans ces techniques appliquées tout particulièrement a la formation de fibres minérales, le matériau a fibrer, a l'état fondu, est envoyé dans un dispositif de centrifugation dont l'organe principal est constitué par un tambour creux ou centrifugeur percé a sa périphérie d'une multitude d'orifices. Le matériau, sous l'effet de la force centrifuge, est projeté hors du tambour, par ces orifices, sous forme de filaments. Un courant gazeux chaud à grande vitesse longeant la paroi périphérique externe du centrifugeur achève l'étirage des fibres. Des centrifugeurs de ce type ont été décrits de façon détaillée dans des publications antérieures et notamment dans la demande de brevet français n" 2 443 436 et dans la demande de brevet européen n" 83 400699.1. Le choix des caractéristiques des centrifugeurs est de première importance pour la mise en oeuvre de ces techniques. Les caractéristiques les plus étudiées jusqu'a présent sont celles dont dépend directement la production des fibres, notamment les dimensions des orifices a la périphérie des centrifugeurs, leur nombre, leurs dispositions relatives, la forme particulière de la paroi péri phérique, etc... Par ailleurs, et principalement pour des raisons de productivité, les dimensions des centrifugeurs ont été également considérées avec attention. Diverses mesures ont également été proposées pour renforcer la résistance mécanique de ces centrifugeurs, notamment de ceux qui sont soumis aux efforts centrifuges les plus violents. Ces dernières sont motivées par la nécessité d'assurer un maximum de longévité aux centrifugeurs en question. Il s'agit en effet de matériels dont la production nécessite un travail important et dont le cout est élevé. Le remplacement du centrifugeur, indépendamment de la perturbation qu'il occasionne, constitue un élément non négligeable entrant dans le calcul du cout de production. La présence d'un renfort annulaire disposé a la base du centrifugeur est l'une des mesures envisagées les plus utiles pour renforcer la structure du centrifugeur. Des améliorations sensibles de longévité ont été obtenues en utilisant des centrifugeurs tels que ceux décrits dans les demandes antérieures citées. Cependant, des améliorations supplémentaires sont toujours souhaitables, tout particulièrement pour les centrifugeurs soumis aux efforts les plus intenses. A ce propos, il faut rappeler que les efforts supportés par les centrifugeurs ne viennent pas seulement de l'accélération centrifuge. Les centrifugeurs subissent aussi des contraintes thermiques tres importantes. A l'origine de ces contraintes se trouve bien entendu le matériau fondu qui nappe la paroi périphérique interne du centrifugeur et passe par les orifices de cette paroi, mais il faut aussi tenir compte des échanges thermiques qui s'opèrent au contact des gaz d'étirage ou des gaz ambiants, ou encore avec les moyens supplémentaires utilisés pour contrôler efficacement les températures de la bande périphérique du centrifugeur tels que des moyens de chauffage par induction. A l'expérience, il semble que les contraintes thermiques jouent un r5le prépondérant dans les facteurs qui limitent la durée d'utilisation des centrifugeurs. Jusqu'a présent, les efforts pour maitriser les effets néfastes de la température sur la résistance du centrifugeur ont été tres restreints. Tous les efforts étant dirigés d'abord vers l'obtention de conditions satisfaisantes pour la bonne formation des fibres, il s'agissait de faire en sorte que la paroi périphérique soit maintenue a une température suffisante et bien uniforme, quelles que soient les conséquences du point de vue des contraintes imposées au centrifugeur. L'invention se propose de fournir des centrifugeurs dont la structure permette non seulement d'absorber lès chocs thermiques dans les phases de changement du fonctionnement (démarrage ou arrêt de la production), mais surtout de réduire les contraintes au cours du fonctionnement. Les mesures effectuées par les inventeurs ont permis d'établir des écarts de température considérables entre différents points du cen trifugeur, points qui peuvent être relativement proches. Il en résulte des contraintes d'autant plus fortes que pour des raisons tenant notamment a des impératifs de conditions de fibrage, les structures choisies conduisent ordinairement a des déformations aussi faibles que possible. La maitrise des contraintes thermiques est donc particulièrement souhaitable. Les conditions de température étant difficilement modifiables, au moins en ce qui concerne la périphérie du centrifugeur, les inventeurs se sont efforcés de fournir un centrifugeur qui par sa structure soit moins sensible a ces contraintes thermiques tout en gardant des propriétés mécaniques satisfaisantes. Les centrifugeurs selon l'invention se distinguent des centrifugeurs traditionnels par la partie joignant la bande périphérique a celle servant a la fixation sur les moyens d'entrainement, constitués par le moyeu disposé a l'extrémité de l'arbre moteur.Cette partie intermédiaire ou flasque présente des évidements traversant la paroi du flasque et disposés de façon régulière, ces évidements s'étendant dans une direction inclinée par rapport aux directions radiales L'invention est décrite de façon plus détaillée dans la suite du présent mémoire, qui fait référence aux planches de dessins dans lesquelles : - la figure 1 présente, en coupe, une installation pour la production de fibres comprenant un centrifugeur de type traditionnel fonctionnant sur le mode de ceux faisant l'objet de l'invention, - la figure 2 montre, en vue de dessus, un centrifugeur selon l'invention, - la figure 3 est une vue partielle agrandie de la figure 2, - la figure 4 montre une vue de dessus partielle d'un autre centrifugeur selon l'invention. La figure 1 présente un ensemble pour la formation de fibres formé principalement de moyens de centrifugation et de moyens de soufflage. Les moyens de centrifugation comprennent un centrifugeur 10 dont les parties principales sont une paroi périphérique 12 et un flasque 18. Le centrifugeur 10 est fixé sur un arbre vertical 22 par l'intermédiaire d'un moyeu 20. Le flasque 18 est maintenu attaché au moyeu 20 par des vis et écrous non représentés. Le moyeu 20 est vissé a l'extrémité filletée de l'arbre 22. L'arbre 22 est soutenu d'une façon bien connue au moyen de paliers appropriés fixés à un bâti. Un mateur électrique et un entrainement à courroie non représentés assurent la rotation de l'ensemble. L'arbre 22 est creux, permettant au filet de matériau en fusion 24 de s'écouler, à partir d'un creuset ou de l'avant-corps d'un four, dans un panier 26 fixé au moyeu 20 au-dessous de I'extrémité inférieure de l'arbre par des vis et écrous 32. Le panier 26 comprend une paroi cylindrique 34 pourvue de nombreux orifices 36 par lesquels passe le matériau en fusion transformé sous l'influence de la force centrifuge en filets 38 qui sont di rigés à l'intérieur de la paroi 12 du centrifugeur. En grand nombre, des orifices 40 percés dans la paroi périphérique 12 du centrifugeur servent à former autant de filets de matériau fondu 41 au fur et à mesure que le matériau en fusion traverse les orifices sous l'effet de la force centrifuge. Les moyens de soufflage sont essentiellement constitués par un brûleur annulaire à combustion interne 42. Le brûleur est disposé au-dessus du centrifugeur et comprend une tuyère 44 formant le jet annulaire au-dessus de la paroi périphérique 12 du centrifugeur. Le jet annulaire adjacent à la paroi 12 entraîne et étire les filets de matériau 41 sortant des orifices 40. Le brûleur 42 comprend un carter de métal 46 enveloppant une chemise réfractaire 48 délimitant une chambre de combustion annulaire 50 dans laquelle un mélange air-combustible est introduit. a tuyère 44 communique avec la chambre de combustion 50 et est formée par les lè- vres internes et externes de la tuyère 54 et 56. Ces lèvres 54 et 56 comprennent respectivement des circuits de refroidissement internes 54a et 56a dans lequel s'on introduit un liquide de refroidissement tel que l'eau. Afin de maintenir les conditions thermiques du centrifugeur et du matériau à fibrer pendant l'étirage, une couronne de chauffage à induction à haute fréquence 62 est installée juste au-dessous du centrifugeur concentriquement à ce dernier son diamètre interne est un peu plus grand que celui du centrifugeur pour éviter ltinterference avec le flux descendant des fibres entraînées par le jet annulaire. Un jet auxiliaire est créé par une couronne de soufflage annulaire 64 disposée à l'extérieur des lèvres du brûleur et branchée sur une source de gaz comprimé tel que l'air, vapeur ou produits de combustion. L'arbre creux 22 comprend plusieurs tubes concentriques fixes. La paire la plus profonde de ces tubes délimite un passage annulaire de refroidissement 66 par lequel l'eau de refroidissement circule tandis que la paire la plus à l'extérieur délimite un passage annulaire 68 par lequel un mélange combustible peut passer et être enflammé pour préchauffer le panier 26 avant de faire démarrer le centrifugeur. Le fonctionnement de ce type d'équipement est le suivant Le centrifugeur 10 comprenant le panier 26 est préchauffé en utilisant la combustion des gaz passant à travers le passage 68, la chaleur du brûleur 50, la couronne de chauffage 62 et éventuellement des sources supplémentaires analogues. Le centrifugeur tournant à une vitesse prédéterminée, et le brûleur étant réglé de façon à fournir une pression dans la chambre 50 provoquant une vitesse du jet suffisante pour donner l'étirage et la finesse des fibres voulus, le filet de matériau en fusion 24 entre dans l'arbre creux 22 du centrifugeur à partir d'un avant-corps de four, ou d'une autre source de matériau en fusion. Le filet de matériau en fusion atteignant le panier 26 coule sur le fond de ce panier sous l'in- fluence de la force centrifuge et passe par les orifices 36 du panier sous la forme de filets de matériau 38 qui sont dirigés vers la paroi périphérique 12. Sous l'influence de la force centrifuge plus intense exercée sur la paroi 12, le matériau passe par les multiples petits orifices 40 et sort à l'extérieur de la paroi périphérique, sous la forme de multiples filets 41 qui sont soumis immédiatement à l'effet d'étirage du jet venant du brûleur à combustion interne 50 dirigé sur l'extérieur de la paroi. Les filets de matériau 41 sont maintenus à l'état étirable par la température élevée du jet pendant un temps suffisant à leur étirage. La finesse des fibres étirées est réglée notamment par le contrôle de la vitesse du jet qui à son tour est fonction de la pression du brûleur. Même si une certaine quantité de chaleur est transmise par rayonnement ou convection à l'ensemble du centrifugeur, il va de soi que la partie présentant la température la plus élevée est la paroi périphérique 12 qui est simultanément exposée au matériau en fusion, au gaz de combustion émis par la chambre 50 et également est chauffée par induction au moins dans sa partie inférieure. Des mesures ont montré par exemple pour la formation de fibres de verre à partir d'un matériau de composition traditionnelle, une température de paroi 12 de l'ordre de 1050"C. Cette température selon les conditions de fonctionnement et la nature du verre servant à former les fibres peut même s'élever jusqu'à 1200"C. Même si l'on s'efforce d'opérer à des températures aussi basses que possible pour assurer une meilleure longévité du centrifugeur, la formation de fibres de verre suffisamment fines ne permet généralement pas de descendre à une température de paroi 12 sensiblement inférieure à 900oC. Dans le même temps, dans la partie du flasque 18 fixée au moyeu 20, dans les conditions traditionnelles de fonctionnement, la température se situe habituellement entre 200 et 600"C. Ainsi les différences de température entre la bande 12 et la partie la plus centrale du flasque atteignent couramment et même dépassent 500"C. La distance séparant les parties du centrifugeur ou règnent ces températures est normalement de l'ordure de quelques centimètres, de sorte que le métal constituant le centrifugeur est soumis à des gradients thermiques tres élevés. Dans le centrifugeur selon l'invention, le flasque 18 porte des évidements 14 régulièrement espacés. Ces évidements traversent le flasque sur toute son épaisseur. Ils sont de forme allongée et leur direction est tres inclinée par rapport à la direction radiale au point considéré. Les évidements 14 délimitent ainsi des "bandes" 16 dans le flasque. Ces bandes 16 présentent une longueur moyenne L tres supérieure à la largeur radiale d de la bande de flasque sur laquelle s'étendent les évidements. L'inclinaison des bandes par rapport à la direction radiale, inclinaison qui correspond sur la figure 3 à l'angle A, de façon approximative est avantageusement supérieure à 45 et de préférence supérieure à 60 et peut aller jusqu'à 90". Avantageusement, l'inclinaison des évidements par rapport à la direction radiale est telle que le rapport L/d soit au moins égal à 1,5 et de préférence supérieur à 2 et avantageusement de l'ordre de 3 à 6. Pour que la "longueur moyenne" de la bande ait un sens, il faut bien entendu que la distance 1 séparant deux évidements consécutifs, soit tres inférieure à la longueur moyenne. Cette distance I ne doit pas être supérieure à L/4 dans sa plus grande valeur. Pour avoir un effet certain les évidements doivent aussi recouvrir une part importante du flasque. La distance radiale d doit représenter de préférence plus de la moitié de la largeur H du flasque 18. La présence de ces évidements équivaut à répartir la différence de température existant entre la paroi périphérique 12 et celle de la bride de fixation 15 sur une plus grande longueur, autrement dit à réduire l'influence du gradient de température. Les températures relatives de la paroi 12 et de la bride 15 ne sont pas sensiblement modifiées par la présence des évidements, bien que la conduction soit modifiée, mais les contraintes thermiques sont réorientées et leurs effets moindres sur la résistance du centrifugeur. La largeur des évidements est de préférence faible par rapport à leur longueur. Il apparait en effet préférable d'éviter une circulation de gaz trop intense au niveau de ces ouvertures pour éviter de perturber les conditions d'écoulement du matériau fondu entre le panier 34 et le centrifugeur ou encore risquer de refroidir ce matériau. Par ailleurs, des évidements trop importants conduiraient à une certaine fragilisation du flasque, contraire au but recherche. Ces évidements sont donc aussi étroits que le permettent les impératifs de fabrication. En pratique. la largeur des évidements est comprise entre 0,2 et 5 mm et, de préférence, elle est inférieure a 3 mm. fl va de soi que les évidements ne doivent pas compromettre la tenue du centrifugeur aux efforts mécaniques auxquels 9 est soumis. Pour cela, il est nécessaire de maintenir une certaine distance entre deux évidements consécutifs. ie rapport L/1 est avantageusement infé- rieur à 20 et de préférence inférieur à 15. Il est préférable également, pour ne pas risquer de projection de matériau par ces évidements, de laisser une certaine distance entre l'extrémité des évidements et le bord le plus proche de la paroi 12. De toute façon, cettE distance doit être suffisante pour permettre la rétention de la nappe de matériau qui s'accumule sur la paroi tinter ne dc centrifugeur comme représente a la figure 1. Les formes des évidements 4 peuvent être diverses. Aux figures 2 et 3, les évidements ont la forme d'arcs de cercles, mais d'autres formes conviennent également a exemple des arcs ou de développantes de cercles ou même simplement des segments rectili gnes, comme dans l'exemple représenté à la figure 4. On comprend que la présence des évidements puisse modifier, dans certaines limites, le comportement du centrifugeur lorsqu'il est soumis à des efforts tres intenses. En particulier, et ceci est confirmé par l'observation, les centrifugeurs portant un grand nombre d'evidements, par rapport à ceux qui n'en comportent pas; sont moins "rigides". Aux tres fortes accélérations centrifuges, on constate un très léger déplacement de la paroi périphérique vers l'exterieur. Ce déplacement est un peu plus important qu'avec un centrifugeur dont le flasque ne porte pas d'évidements. il est donc nécessaire de tenir compte de cette "souplesse" relative dans l'agencement des différents éléments participant à l'elaboration des fibres.On en tiendra compte notamment pour établir les posi-tior!s relatives de la paroi 32 du centrifugeur et de la tuyère 44 émettant e courent gazeux d'étirage. A l'inverse, la position relative des éléments dans us sens axial est très stable. Elle demeure pratiquement identique au repos et en fonctionnement. Dans le centrifugeur en rotation, les efforts ne sont pas dirigés uniquement de façon radiale. IZs présentent une certaine composante tangentielle. Le sens de l'.nclinaison des évidements n'est donc pas indifférent. Pour minimiser les efforts de cisaillement auxquels sont soumises les bandes 16, on fait en sorte que la composante tangentielle des efforts conduise à une "traction" dans le sens de la longueur des éléments 16. Les ridements permettent également une diminution des contraintes en offrant une relative liberté de "rotation" de la paroi 12 et de la bride 15. Le sens de ro-LatBon préféré pour chacune des dispositions d'évidements des figures 2 à 4 est indiqué par une flèche. A titre d'exemple, sur un centrifugeur de diamètre extérieur 600 mm et dont le diamètre de la bride 15 est 400 mm, 30 évidements en forme d'arcs de cercles (rayon 220 mm) sont ménagés. Les évidements sont d un peu plus de 2 mm de largeur et ont ne longueur de 150 mm. Leur disposition conduit à une distance minimale de 10 mm entre deux évidements voisins. Ce centrifugeur essayé dans les mêmes conditions que les centrifugeurs identiques mais ne comportant pas d'évidements montre une longévité accrue de façon sensible. REVENDICATIONS 1. Centrifugeur pour la formation de fibres minérales comprenant une paroi périphérique (12) sensiblement cylindrique percée de multiples orifices (40), cette paroi (12) se prolongeant par un flasque (18) jusqu'à une bride (15), bride par laquelle le centrifugeur est fixé aux moyens l'entrainant en rotation, caractérisé en ce que le flasque (18) présente des évidements (14) traversant la paroi du flasque, la direction des évidements étant inclinée par rapport à la direction radiale correspondante. 2. Centrifugeur selon la revendication 1 dans lequel l'incli- naison des évidements par rapport à la direction radiale est supérieure à 45". 3. Centrifugeur selon la revendication 2 dans lequel l'inclinaison est supérieure à 60 . 4. Centrifugeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la longueur moyenne L des évidements est telle que le rapport de cette longueur à la largeur radiale d de la bande de flasque sur laquelle ces évidements s'étendent est au moins égale à 1,5. 5. Centrifugeur selon la revendication 4 dans lequel le rapport L/d est au moins égal à 2. 6. Centrifugeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la distance I séparant deux evidements voisins est au plus égale au quart de la longueur moyenne L des évidements. 7. Centrifugeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la largeur d sur laquelle s'étendent les évidements est au moins la moitié de la largeur H du flasque (18). 8. Centrifugeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le minimum de largeur 1 des bandes (16) délimitées par deux évidements (14) voisins est tel que le rapport Lil soit inférieur à 20. 9. Centrifugeur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la direction d'inclinaison des évidements (14) par rapport au sens de rotation imposé est telle que les bandes (16), délimitées par deux évidements consécutifs, travaillent en traction.