Brevet FR2617832A1 — publié le 19890113

1. Four de sphérulisation et procédé de fabrication de perles de verre La présente invention se rapporte à un four de sphérulisation pour la fabrication de perles de verre comprenant des moyens d'alimentation pour délivrer de la matière première sous forme de particules, une zone de sphéruli- sation dans laquelle les particules de matière première peuvent être chauffées et s converties en perles de verre, et des moyens pour collecter les perles de verre qui en résultent. L'invention concerne également un procédé de fabrication de perles de verre dans lequel de la matière première est délivrée à une zone de sphéruli- sation et la traverse de manière qu'elle soit chauffée et convertie en perles de verre qui sont ensuite collectées. L'invention s'étend à des perles de verre 0o fabriquées par un tel procédé. Dans les fours de sphérulisation dclassiques, de la matière première sous forme de particules est amenée à la base d'une enceinte de combustion cylindrique verticale o elle est entourée par une flamme de brûleur dans une zone de sphérulisation et entraînée vers le haut. Les particules de matière première se sphérulisent au contact de la flamme, et les perles de verre résultantes sont extraites du sommet de la chambre de combustion dans un courant de gaz chaud, et entraînées vers des cyclones o elles sont triées et collectées. Les particules de matière première sont amenées à la chambre de combustion dans un courant de gaz porteur, habituellement de l'air, ou un mélange d'air et de gaz combustible. Il est bien connu que la manière dont la matière première est chauffée est de première importance au point de vue de l'économie du procédé, et aussi de la qualité et du rendement des perles de verre produites, principalement lorsque ces perles doivent être cellulaires, par exemple monocellulaires. Un chauffage rapide est avantageux pour la sphérulisation et/ou la vitrification de la matière première, et ceci requiert un bon contact thermique entre la flamme et la matière première. Afin d'obtenir un produit de qualité uniforme, il importe que les perles formées par le procédé aient été traitées uniformément dans la chambre de combustion, et il importe également de réduire toute tendance de la matière solide à s'agglomérer. De ce fait, les particules doivent être délivrées de telle sorte qu'elles soient raisonnablement bien séparées, aussi bien pour réduire leur tendance à l'agglomération que pour éviter qu'elles ne se protègent mutuellement du chauffage, et de plus, la matière première doit être délivrée uniformément. 2. Pour introduire les particules de matière première dans un courant de gaz porteur qvi alimente la chambre de sphérulisation, différentes propositions ont été faites dans ce but, mais elles ne donnent pas entière satisfaction. Un des objets de la présente invention est de proposer un four de sphérulisation pourvu de moyens améliorés de distribution de matière première. La présente invention se rapporte à un four de sphérulisation pour la fabrication de perles de verre comprenant des moyens d'alimentation poui délivrer de la matière première sous forme de particules, une zone de sphéruli- sation dans laquelle les particules de matière première peuvent être chauffées el 1o converties en perles de verre, et des moyens pour collecter les perles de verre qu: en résultent, caractérisé en ce que les dits moyens d'alimentation comprennent ur réservoir adapté au maintien d'un lit fluidisé de particules de matière première, 1E réservoir étant pourvu d'au moins un orifice de sortie pour alimentation pal débordement par lequel des particules fluidisées peuvent s'écouler par gravité pour alimenter la zone de sphérulisation. Un tel four de sphérulisation est pourvu de moyens d'alimentation améliorés pour délivrer de la matière première. Les particules fluidisées dans 1e réservoir seront nécessairement bien séparées, et cette séparation est conservée parce qu'elles sont délivrées par gravité, en condition de fluidisation, dans la zone de sphérulisation du four o elles sont chauffées et sphérulisées. Il n'y a pas dz nécessité de courant substantiel de gaz porteur qui pourrait gêner cette séparation. L'alimentation en matière première peut s'effectuer selon un débi plus uniforme. L'uniformité de l'alimentation en matière première peut encore êtrt améliorée en maintenant la hauteur du lit fluidisé à un niveau constant Uni manière très simple d'obtenir cela est d'amener un excès de matière première ai réservoir et de permettre à l'excès de matière de s'écouler par débordement el vue de son recyclage. Pour cette raison, le dit réservoir est de préférence pourm d'au moins un orifice de sortie pour régulation par débordement situé à un niveai plus élevé que le ou chaque dit orifice de sortie pour alimentation pa débordement. Avantageusement, les dits moyens d'alimentation sont disposés pou délivrer des particules fluidisées substantiellement symétriquement à la section transversale de la dite zone de sphérulisation. Ceci favorise l'uniformité d 3s chauffage des particules, pour autant évidemment que le profil de température a travers de la zone de sphérulisation soit symétrique. De préférence, des moyens de chauffage du dit réservoir sont présent 26 1 7832 3. pour préchauffer les particules dans le dit lit fluidisé. Nous avons trouvé que ceci conduit à un chauffage plus efficace de la matière première pendant sa sphéruli- sation, ce qui favorise l'économie de combustible et le rendement de la production. Le réservoir peut être disposé à l'intérieur de la chambre contenant la s zone de sphérulisation, de sorte que les moyens de chauffage principaux du four servent également à préchauffer la matière première, ou il peut être disposé à l'extérieur de la chambre. Dans ce dernier cas, la matière première peut être préchauffée par le gaz de fluidisation seul, par exemple après que ce gaz ait traversé un échangeur de chaleur chauffé, par exemple, par les gaz brûlés du four. o En variante ou en complément, des moyens auxiliaires de chauffage de la matière première peuvent exister. L'invention s'étend à un procédé de fabrication de perles de verre dans lequel de la matière première est délivrée à une zone de sphérulisation et la traverse de manière qu'elle soit chauffée et convertie en perles de verre qui sont ensuite collectées, caractérisé en ce que les particules de matière première sont délivrées par gravité et par débordement fluidisé d'un réservoir à lit fluidisé, à la zone de sphérulisation o elles sont chauffées et converties en perles de verre. Ceci est un moyen très simple pour délivrer un courant bien séparé de particules de matière première, sous un débit uniforme. Ceci favorise le rendement et l'uniformité de la production, ainsi que l'économie de combustible. Dans des formes préférées de réalisation de l'invention, le dit lit fluidisé est maintenu à hauteur constante. Ceci favorise davantage l'uniformité du débit d'alimentation. De préférence, les particules fluidisées sont délivrées substantiel- lement symétriquement à la section transversale de la dite zone de sphérulisation. Ceci favorise l'uniformité du chauffage des particules pour autant évidemment que le profil de température au travers de la zone de sphérulisation soit symétrique. Avantageusement, les particules de matière première sont chauffées dans le dit lit fluidisé avant d'être délivrées. Ceci conduit à un chauffage plus efficace de la matière première pendant sa sphérulisation, ce qui favorise l'économie de combustible et le rendement de production. Un procédé selon l'invention est approprié à la fabrication de perles de verre au départ de matières premières de différentes compositions. Pour la fabrication de perles pleines, il convient d'utiliser du groisil (calcin) broyé de la composition souhaitée. Pour la fabrication de perles cellulaires, un matière première granulée contenant des formateurs de verre et des agents de cellulation 2617 8 3 2 4. d'une composition connue en soi peut être utilisée. Pour la fabrication d'un mélange de perles pleines et cellulaires, il convient d'utiliser de la matière première sous forme de particules de verre incomplètement vitrifié et/ou non affiné, par exemple ainsi qu'on l'a décrit dans la demande de brevet britannique s GB 2 176 774 A. En variante, des particules d'une composition formatrice de verre contenant de l'eau liée chimiquement peut être utilisée, par exemple ainsi qu'on l'a décrit dans les demandes de brevet britannique GB 2 177 082 A el GB 2 177 083 A. Un procédé selon l'invention convient également à la fabrication de o perles de verre de différentes dimensions. Par exemple, on peut utiliser le procédÉ pour fabriquer des perles pleines ayant des dimensions comprises entre 5pm e 800pm ou même davantage. L'invention inclut des perles de verre fabriquées par un procédé te que décrit ci-dessus. s1 Des formes préférées de réalisation de l'invention seront maintenan' décrites en se référant aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: La figure 1 est une coupe transversale d'une forme de réalisation d'ui four de sphérulisation selon l'invention, La figure 2 est une coupe transversale d'une seconde forme d, réalisation de moyens d'alimentation pour délivrer de la matière première, La figure 3 est une vue partielle en plan des moyens d'alimentation pour délivrer de la matière première de la figure 2, et La figure 4 est une coupe transversale d'un four de sphérulisatioi comprenant une telle forme de réalisation de moyens d'alimentation pour délivre de la matière première. Dans la figure 1, un four de sphérulisation 1 pour la fabrication d perles de verre comprend une chambre 2, des moyens 3 pour chauffer la chambr et des moyens d'alimentation 4 pour délivrer de la matière première sous forme d particules à une extrémité 5 de la chambre et des moyens 6 pour collecter di perles de verre à l'autre extrémité 7 de la chambre. La chambre 2 comprend de paires de parois opposées 8, 9 qui sont espacées les unes des autres d'une distanc inférieure à leur largeur pour délimiter une zone de sphérulisation et qui former un angle sur l'horizontale de manière que la chambre 2 possède des extrémité supérieure 5 et inférieure 7. Les moyens d'alimentation 4 sont disposés pot délivrer de la matière première à l'extrémité supérieure 5 de la chambre 2 de tel] manière que la matière première puisse traverser la chambre par gravité. L moyens de chauffage 3 sont disposés pour chauffer au moins une paroi 8, 9 de tel] 2 6 1 7 8 3 2 5. manière que la matière première traversant la zone de sphérulisation entre les parois soit chauffée par rayonnement La chambre 2 est verticale, et comprend une enveloppe extérieure 35 qui porte une structure divisée en quatre parties dont chacune comprend une structure support 36, des moyens de chauffage électrique 26 et des parois intérieures de chambnre 8, 9. Les quatre paires de parois intérieures opposées 8, 9 de la chambre 2 qui délimitent la zone de sphérulisation sont chacune constituées d'une paire de plaques verticales parallèles en graphite, et la distance entre ces plaques augmente en direction du bas de la chambre. La distance entre les parois 8, 9 de la chambre allant en augmentant en direction du bas de celle-ci permet aux particules de se disperser en tombant au travers de la zone de sphérulisation tout en maintenant à un niveau peu élevé le risque de contact entre les particules et les parois de la zone de sphérulisation. Dans un exemple spécifique, les parois 8, 9 sont distantes de 20cm dans leurs i5 parties supérieures et de 30cm dans leurs parties inférieures, et elles ont 1 mètfre de large. La hauteur optimale de la chambre 2 est régie par le temps de séjour souhaité des particules dans le four et ceci, à son tour, dépend de la dimension des perles à fabriquer. Pour produire des perles pleines à partir de groisil (calcin) broyé, des hauteurs souhaitables sont 1,5 à 2 mètres pour un diamètre moyen de perles de 200p1m, et 5 mètres pour un diamètre moyen de perles de 8001pnm. Il existe des interstices entre les plaques successives de chaque paroi et du gaz est entraîné vers le bas au travers de ces interstices pour former une couche limite. Ceci réduit également la tendance des particules à entrer en contact avec les parois de la zone de sphérulisation. En outre, parce que les parois de la zone de sphérulisation sont en graphite, matière qui n'est pas mouillée par de la matière vitreuse fondue, toutes particules qui entreraient en contact avec ces parois auraient peu de tendance à y adhérer. Les éléments chauffants 26 peuvent être des résistances électriques chauffantes, ou ils peuvent être des bobines d'induction pour chauffer les plaques de graphite par induction. En variante, les parois 8, 9 de la chambre 2 sont inclinées sur la verticale en sens opposés pour délimiter entre elles un espace s'évasant vers le bas. La disposition permet de chauffer différemment différentes régions le long de la zone de sphérulisation. Le chauffage différentiel présente un avantage particulier dans la fabrication de perles cellulaires et/ou vitrocéramiques, c'est-à- dire des perles de verre partiellement dévitrifié. A titre d'exemple, nous avons 26178 32 6. trouvé que pour certaines compositions de matière première, il est souhaitable de permettre aux particules de s'expanser alors qu'elles sont soumises à un( température comprise entre 400 C et 500 C, de les chauffer jusqu'à 800 C à 900 ( pour les sphéruliser, et de les chauffer jusqu'à environ 1200 C pour les dévitrifiei s partiellement. afin de fabriquer des perles vitrocéramiques cellulaires. Les moyens d'alimentation 4 comprennent un réservoir de matièr première 16 ayant une sole poreuse 17 et un conduit 18 pour amener du ga comprimé au travers de cette sole de manière à fluidiser la matière première dan le réservoir. Le conduit 18 traverse un échangeur de chaleur 19 pour préchauffe o le gaz de fluidisation et, ainsi, les particules de matière première dans le réseroi 16. Le réservoir 16 est disposé dans un compartiment 20 qui est clos, à l'exception de l'entrée de gaz de fluidisation, d'une entrée de matière première 21 et d'un fente 22 disposée symétriquement au centre de la zone de sphérulisation. C compartiment est donc pressurisé par le gaz de fluidisation, de sorte que l'alimer tation en particules au travers de la fente 22 n'est pas gênée par un tirage nature ascendant au travers de la zone de sphérulisation. Le réservoir 16 est pourvu d'un lèvre 23 disposée en alignement au-dessus de la fente 22, de sorte que la matièr première fluidisée peut s'écouler par-dessus cette lèvre et tomber au travers de 1 fente 22 dans la chambre de chauffage 2 pour y être sphérulisée. Des moyens d chauffage électrique auxiliaires 24 sont disposés dans le compartiment 20 pot préchauffer la matière première, et l'échangeur de chaleur 19 est disposé l'intérieur de ce compartiment 20. Pour un lit fluidisé de 500kg de capacité, il convient d'utiliser en tai que sole 17 du réservoir une plaque d'acier inoxydable de 2m2 ayant une porosil de 35prm. Les perles traitées sont collectées via une canalisation de collecte 2 Cette canalisation 25 débouche au-dessus d'un réservoir de collecte 27 pourn d'une sole poreuse 28 et d'un conduit 29 pour acheminer du gaz comprimé travers de la sole pour fluidiser les perles collectées dans le réservoir. L'empl d'un gaz de fluidisation à la température ambiante refroidit les perles sphérulisée de sorte qu'elles ne s'agglomèrent pas. Le réservoir 27 est disposé dans un compe timent 30 qui est clos, à l'exception de l'entrée de gaz de fluidisation, d'une entre de perles 25, d'une sortie de perles par débordement 31 et d'une entrée d'asl ration 32. le réservoir 27 est pourvu d'une lèvre 33 disposée de manière que 1 perles fluidisées puissent s'écouler par-dessus cette lèvre et tomber au travers de sortie des perles par débordement 31. Un aspirateur 34 est connecté à l'entr courants thermiques ascensionnels créés dans la zone de sphérulisation 2. Les perles s'écoulant par débordement dans la sortie 31 sont collectées dans un collecteur 37. Les perles plus légères et/ou moins denses s peuvent être aspirées au travers de l'entrée d'aspiration 32 o elles seront transportées le long du conduit 38 vers un cyclone 39 pourvu à sa base d'un autre collecteur 40. Des perles qui traversent le cyclone sont transportées via un autre conduit 41 à un filtre à manche 42 pourvu à sa base d'un collecteur final de perles 43. Le collecteur de débordement 37, le collecteur du cyclone 40 et le collecteur o du filtre à manche 43 peuvent être chacun pourvus d'une vanne tournante pour extraire des fractions de perles, quand on le désire. Le filtre à manche est connecté à l'aspirateur 34 par un conduit 44, et le gaz aspiré qui a été chauffé par échange calorifique avec les perles peut être acheminé via un conduit 45 au compartiment d'alimentation 20, et/ou il peut être refroidi dans un échangeur de chaleur 46 et retourner à la base de la chambre de chauffage 2 via un conduit 47. L'ensemble est un système substantiellement clos et il est de préférence rempli d'azote afin de prévenir ou de retarder I'oydation des plaques - de graphite formant les parois 8, 9 de la zone de sphérulisation et des éléments chauffants électriques 26. Le four de sphérulisation décrit ci-dessus et illustré dans la figure 1 peut faire usage de linvention décrite et revendiquée dans la demande de brevet déposée ce jour par la Demanderesse, intitulée "four de sphérulisation et procédé de fabrication de perles vitreuses" et revendiquant la priorité de la demande de brevet britannique n 87 16 188 du 9juillet 1987. En variante, le four illustré dans la figure 1 possède une zone de sphérulisation cylindrique. Les figures 2 et 3 représentent une variante de forme de réalisation des moyens d'alimentation 4 pour délivrer de la matière première destinée à être utilisée en conjugaison avec un four de sphérulisation tels que représenté à la figure 4. Dans les figures 2 et 3, les moyens d'alimentation 4 pour délivrer de la matière première comprennent quatre réservoirs à lit fluidisé conformés en quadrants 16 pourvus de soles poreuses 17 qui les séparent de chambres d'insuf- flation 49 alimentées en gaz comprimé de fluidisation via un conduit 18. Les s quatre réservoirs 16 sont disposés en cercle et les lits fluidisés sont interconnectés via des canalisations 50. Des conduits de sortie pour alimentation 51 sont prévus pour délivrer de la matière première fluidisée par débordement à une zone 26 1 7832 8. chauffée de sphérulisation, ainsi que des conduits de sortie pour régulation par débordement 52. Les conduits de sortie pour régulation par débordement sont disposés plus haut que les conduits de sortie pour alimentation 51, de sorte qu'un lit à niveau constant peut être facilement maintenu par simple chargement du lit s via des conduits 21 sous un débit qui est plus grand que le débit de déchargement du lit. En variante de la forme de réalisation représentée aux figures 2 et 3. les conduits de sortie pour alimentation en matidère première 51 sont remplacés par un entonnoir conique dirigé vers le bas par lequel les particules de matière 0o première peuvent s'écouler au départ des fentes formées dans les parois intérieures des quatre réservoirs fluidisés 16. La figure 4 représente un four vertical cylindrique 1 comprenant une chambre de combustion 2 contenant une zone de sphérulisation alimentée ei mélange combustible gazeux par un tube de brûleur 3. Deux emplacements 1s alternatifs 4A et 4B des moyens d'alimentation 4 pour délivrer de la matière première sont représentés dans les figures 2 et 3. Les conduits de sortie pou alimentation en matière première 51 de l'emplacement le plus bas 4A des moyen, d'alimentation pénètrent dans le tube de brûleur 3 et sont disposés avec uni symétrie circulaire de manière que la matière première soit délivrée au brûleur di façon régulière, d'o elle sera entraînée vers le haut par le mélange combustible gazeux pour être sphérulisée dans la chambre de combustion 2. L'emplacement le plus haut 4B des moyens d'alimentation se trouve; l'intérieur de la chambre de combustion 2 et la matière première contenue dan cette chambre sera donc préchauffée par les flammes du brûleur. On notera qu les conduits de sortie pour alimentation de ces moyens d'alimentation devront êtr plus longs afin de délivrer la matière première au tube de brûleur 3 au mêm niveau que les moyens d'alimentation inférieurs. 9. Revendications 1. Four de sphérulisation pour la fabrication de perles de verre comprenant des moyens d'alimentation pour délivrer de la matière première sous forme de particules, une zone de sphérulisation dans laquelle les particules de matière première peuvent être chauffées et converties en perles de verre, et des s moyens pour collecter les perles de verre qui en résultent, caractérisé en ce que les dits moyens d'alimentation comprennent un réservoir adapté au maintien d'un lit fluidisé de particules de matière première, le réservoir étant pourvu d'au moins un orifice de sortie pour alimentation par débordement par lequel des particules fluidisées peuvent s'écouler par gravité pour alimenter la zone de sphérulisation. 2 Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit réservoir est pourvu d'au moins un orifice de sortie pour régulation par débordement situé à un niveau plus élevé que le ou chaque dit orifice de sortie pour alimentation par débordement. 3. Four selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que s5 les dits moyens d'alimentation sont disposés pour délivrer des particules fluidisées substantiellement symétriquement à la section transversale de la dite zone de sphérulisation. 4. Four selon l'une des revendications 1 à3, caractérisé en ce que des moyens de chauffage du dit réservoir sont présents pour préchauffer les particules dans le dit lit fluidisé. Procédé de fabrication de perles de verre dans lequel de la matière première est délivrée à une zone de sphérulisation et la traverse de manière qu'elle soit chauffée et convertie en perles de verre qui sont ensuite collectées, caractérisé en ce que les particules de matière première sont délivrées par gravité et par débordement fluidisé d'un réservoir à lit fluidisé, à la zone de sphérulisation o elles sont chauffées et converties en perles de verre. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dit lit fluidisé est maintenu à hauteur constante. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les particules fluidisées sont Délivrées substantiellement symétriquement à la section transversale de la dite zone de sphérulisation. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les particules de matière première sont chauffées dans le dit lit fluidisé avant d'être délivrées. 10. 9. Perles de verre fabriquées par un procédé selon l'une des reven dications 5 à 8.