Brevet FR2673175A1 — publié le 19920828

BLOC EN MATERIAU REFRACTAIRE, ET DISPOSITIF COMPRENANT UN TEL BLOC, UTILISE LORS DE LA FABRICATION DE RUBANS DE VERRE. La présente invention concerne les blocs en matériau réfractaire utilisés lors de la fabrication de rubans de verre, et un dispositif comprenant de tels blocs, lesdits blocs étant de forme sensiblement parallélépipédique et propres & supporter un bain de métal en fusion sur lequel le verre se nappe en plaque. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine des installations industrielles utilisant le procédé dit procédé du verre flotté ("float" en terminologie anglo-saxonne) et comprenant une cuve de fabrication d'un ruban de verre en continu sur un bain d'étain en fusion, ladite cuve étant munie de blocs en matériau réfractaire, fixés les uns à côté des autres sur le fond du boitier métallique ("casing" en terminologie anglo-saxonne) de la cuve. Les blocs situés dans la zone du bain d'étain la plus chaude, c'est-à-dire de température supérieure à de l'ordre de 700"C, sont notamment plus particulierement concernés par l'invention. De façon connue, les blocs utilisés dans les installations de fabrication de ',float" présentent une forme parallélépipédique. Ils sont fixés à froid sur le fond du boîtier métallique de la cuve avec, entre eux, un espace interstitiel suffisant pour permettre la dilatation des blocs, puis leur jonction étanche en surface (du fait de la dilatation) lorsque le bain d'étain en fusion nappe le dessus des blocs. Les contraintes thermiques subies par les blocs sont importantes et difficiles à maîtriser, la température d'un bloc pouvant notamment varier, sur son épaisseur verticale, entre de l'ordre de 1000il au niveau du bain d'étain, et de l'ordre de 100*C au niveau du boîtier métallique refroidi par ventilateur. Ces conditions de fonctionnement provoquent à terme la dégradation des blocs réfractaires qui se traduit par des incidents de fabrication pouvant aller jusqu'à l'arrêt de l'installation. Cette dégradation peut se manifester de différentes manieres, notamment par la formation de blocs nageurs et la formation d'écailles. La dénomination de bloc "nageur" se rapporte à la partie du bloc qui remonte à la surface du bain d'étain à la suite de la propagation d'une fissure horizontale sur toute sa section droite. Le terme d'écaille désigne un morceau de la partie supérieure du bloc qui se détache sous forme de lame. Ce défaut résulte à la fois d'une modification chimique de la partie supérieure du bloc en contact avec le bain d'étain, et des contraintes qui s'exercent dans cette zone. I1 a déjà été suggéré que les dimensions des joints de dilatation prévus entre les blocs lors de leur montage pouvaient jouer un rôle important dans l'apparition des blocs "nageurs". L'adoption de joints de dimension différentes n'a toutefois pas permis de maîtriser l'apparition de ce type de défaut de manière véritablement satisfaisante. I1 en est de même pour l'apparition des écailles. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients. Elle vise à fournir des blocs en matériau réfractaire et un dispositif comportant de tels blocs, pour la fabrication de ruban de verre, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet d'éviter, ou de réduire sensiblement, de façon simple, peu coûteuse et aisée à mettre en oeuvre, les risques de formations de blocs "nageurs" et d'écailles, dans le procédé de fabrication de ruban de verre flotté sur bain d'étain en fusion. Pour ce faire, elle part d'une conception géométrique entièrement nouvelle des blocs en matériau réfractaire, prenant véritablement en compte la dilatation différentielle existante entre la partie supérieure et la partie inférieure d'un même bloc réfractaire. Une telle conception était nullement évidente pour l'homme du métier confronté de longue date avec les inconvénients mentionnés ci-dessus, sans qu'il n'ait pu y trouver de solution satisfaisante, du fait notamment de la complexité des phénomenes à la fois thermiques, chimiques et mécaniques à prendre en compte. Dans ce but, l'invention propose essentiellement un bloc en matériau réfractaire pour dispositif de fabrication de ruban de verre, ledit bloc étant de forme sensiblement parallèlépipèdique et propre a supporter un bain de métal en fusion sur lequel le verre se nappe en plaque, caractérisé en ce que, au moins en partie supérieure, il présente au moins une de ses deux sections droites, transversale ou longitudinale, de forme trapézoïdale constante, ladite section ayant sa base de plus grande dimension pour base inférieure du trapèze. Dans des modes de réalisation avantageux, on a, de plus, recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - la section trapézoïdale constante est isocèle; - les deux sections droites constantes, transversale et longitudinale, sont trapézoïdales isocèles. - le rapport L1/L2 entre les longueurs des bases supérieure L1 et inférieure L2, de la section droite transversale et/ou entre les longueurs des bases supérieure L1 et inférieure k de la section droite longitudinale, est compris entre 0,988 et 0,997, et avantageusement sensiblement égal à 0,9945. - le rapport L1/ de la section droite longitudinale est compris entre 0,992 et 0,997. - le rapport entre la hauteur h de la partie supérieure du bloc présentant au moins une section droite trapézoïdale, et la hauteur totale H du bloc, est compris entre 0,5 et 1, et avantageusement sensiblement égal à 0,83. L'invention propose également un dispositif de fabrication de ruban de verre, caractérisé en ce qu'au moins plusieurs des blocs réfractaires sont constitués selon les modes de réalisation indiqués ci-dessus. Avantageusement, les blocs sont situés dans la zone de la cuve où le métal en fusion est à une température comprise entre environ 750-C et environ 1000 C. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux tableaux et aux dessins qui l'accompagnent, dessins dans lesquels La figure 1 est une vue de dessus d'une partie de la cuve appartenant à un dispositif pour la fabrication de ruban de verre flotté, comprenant des blocs en matériau réfractaire constitués et disposés de façon connue. La figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II, d'une partie de la cuve de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective d'un bloc connu, de la figure 1. La figure 4 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un bloc selon l'invention. Les figures 5a et 5b sont respectivement, une vue latérale longitudinale, et une vue latérale transversale, d'un autre mode de réalisation d'un bloc selon l'invention. La figure 6 est un exemple de représentation graphique des températures mises en oeuvre lors des essais de comportement des blocs, notamment dans le cadre d'essais des modes de réalisation de dispositifs dont la configuration des blocs est montrée partiellement sur les figures 7, 8 et 9. Les figures 7, 8 et 9 sont des vues partielles, en coupe, de blocs pour dispositif selon deux modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue de dessus d'une partie de cuve 1, munie d'un boîtier 2, de grande longueur (plusieurs dizaines de mètres). La cuve est munie d'un fond 3 de support d'un bain d'étain en fusion, utilisé dans le cadre du procédé de fabrication de verre flotté. La masse de verre est chauffée à de l'ordre de 1500 C par un four (non représenté) puis introduite en 4 dans la cuve, directement au dessus du bain d'étain en fusion, sur lequel le verre s'écoule par gravité dans la direction indiquée par la flèche 5. Le verre, de poids spécifique inférieur à celui de l'étain, flotte en surface de ce dernier 6 et forme une plaque 7 de verre flotté (voir figure 2). Le ruban de verre 7 obtenu, présente une épaisseur constante et des faces rigoureusement parallèles. En fonction d'une part, des lois physiques régissant la tension superficielle et d'autre part, du poids spécifique du verre, par exemple 2500 Kg/m3 l'épaisseur du verre ainsi flotté (exagérément agrandie en proportion sur la figure 2), se stabilise à une valeur déterminée, par exemple égale à environ 6mm. De façon connue, la cuve présente une grande longueur pour permettre un refroidissement du verre, lent et progressif, d'une température de l'ordre de 1100vu à l'entrée à une température de l'ordre de 6000C à la sortie. Une installation de découpe automatique (non représentée) du ruban aux dimensions souhaitées, est par ailleurs disposée en fin de chaîne, après les zones de recuit et de refroidissement du verre. La cuve 1 est munie de blocs 10 en matériau réfractaire, de forme parallélépipédique, propres à supporter le bain d'étain 5 en fusion. Les blocs sont disposés en rangée les uns à côté des autres, dans les sens transversal et longitudinal, et sont agencés pour former une surface 11, continue et étanche, de support du bain d'étain en fusion. Des blocs d'extrémités transversales 12, de plus grande hauteur que les blocs 10, empêchent transversalement l'étalement du bain d'étain et le contact de celui-ci avec les bords 13 du boîtier 2. Le fond 13' de 1' enceinte est refroidi de façon connue, par des moyens de ventilation (non représentés). Les blocs 10 sont fixés sur le fond 13', par exemple par l'intermédiaire de vis de fixation 14. Des logements 15 sont prévus à cette effet dans les blocs. Chaque vis 14 traverse, via à un évidement cylindrique 16, la partie inférieure 17 du bloc. Elle réalise ainsi la fixation de ce dernier en prenant appui sur le fond 18 de l'évidement, par vissage dans le fond 13' du boîtier. L'évidement est ensuite comblé par du matériau réfractaire, pour redonner son homogénéité au bloc. On a représenté, sur la figure 3, un bloc de type connu en perspective, percé de quatre évidements de fixation. De tels évidements sont également utilisés pour fixer les blocs selon l'invention sur le fond d'un boîtier, de façon à constituer un dispositif du type de celui qui vient d'être décrit pour des blocs connus. Des modes de réalisation de blocs selon l'invention vont maintenant être décrits plus précisément en référence aux figures 4, 5a et 5b. La figure 4 montre un premier mode de réalisation d'un bloc 20 selon l'invention. Le bloc est de forme sensiblement parallélépipédique, et présente des sections droites, transversale et longitudinale, trapézoïdales constantes et isocèles. Les longueurs des bases supérieures 21 et 22 des dites sections étant désignées par L1, , et les longueurs des bases inférieures 23 et 24 des dites sections par L2, le bloc est réalisé de façon à ce que le rapport L/L2 soit compris entre 0,988 et 0,997. Sur les figures 5a et 5b, on a représenté en vue latérale transversale et longitudinale, un second mode particulier de réalisation d'un bloc 30 selon l'invention. Le bloc 30 de hauteur totale H, comprend une partie supérieure 31 de hauteur h, de section transversale et longitudinale trapézoïdale isocèle constante, la dite partie supérieure étant solidaire et prolongée d'une partie inférieure 32 parallélépipédique, de côtés supérieurs constitués par les côtés inférieurs 33 et 34 de ladite partie supérieure. Le rapport h/H est donc inférieur à 1. A titre d'exemple non limitatif, les dimensions d'un bloc tel que représenté sur les figures 5a et 5b peuvent être les suivantes Dimension de la base inférieure 33 de la section longitudinale du bloc : k = 960mm Dimension de la base inférieure 34 de la section transversale du bloc : 4 = 608mm Dimension de la hauteur h : h = 250mm Dimension de la hauteur H : H = 305mm Dimension e (voir figure 5a): e = 2,6mm Dimension e' (voir figure Sb): e' = 1,65mm. On va maintenant examiner plus précisément le comportement de blocs réfractaires selon le mode de réalisation de 11 invention plus particulièrement décrit ici, en le comparant au comportement de blocs de forme connue et disposés de façon connue. Les essais ont été réalisés sur un dispositif pilote qui comprend un boîtier rectangulaire sur lequel sont fixés, comme indiqué précédemment, les blocs à tester, un module de chauffage qui permet d'opérer sous atmosphère inerte et des moyens de ventilation qui assurent le refroidissement du fond du boîtier. Les blocs à tester peuvent être ainsi soumis à des cycles thermiques au cours desquels, par exemple, la partie supérieure des blocs est alternativement portée à des températures de 600-C et de l000C, le fond du boîtier passant successivement à 70C et à 160'C. Un exemple des cycles thermiques utilisés est représenté figure 6 où figurent, en abscisse les jours d'essai et, en ordonnée, les températures des faces supérieures des blocs (ligne 35) et du boîtier (ligne 36). A l'issue d'une telle série de cycles, les blocs sont examinés un à un et la longueur des fissures visibles à l'extérieur est mesurée. Le degré de fissuration de l'ensemble des blocs, testés au cours d'un essai, est quantifié par la formule suivante s t tfm = ------ x 100 nxP avec: Z L = somme des longueurs totales des fissures mesurées. n = nombre de blocs considérés P = périmètre d'un bloc. Un premier essai comparatif a permis de montrer que les blocs selon 1'invention se comportaient de façon plus satisfaisantes que les blocs ordinaires. Dans cet essai, les blocs étaient répartis en alternant trois rangees transversales de blocs classiques et deux rangées transversales de blocs selon l'invention. Les figures 7 et 8 montrent en coupe transversale et longitudinale, la forme et la disposition des deux dernières rangées transversales formées de blocs selon l'invention. Les blocs de forme connue étaient montés, quant à eux, en respectant des joints de dilatation de 2 mm/m. Enfin, le matériau réfractaire utilisé pour la fabrication des blocs testés lors de cet essai, est commercialisé par la Société DIDIER sous la dénomination SUPRAL 40 F (voir tableau 1 ci-après). Plus précisément, les figures 7 et 8, montrent les blocs 40 et 41 selon l'invention, bordés dans le sens longitudinal du dispositif d'essai, d'une rangée de blocs réfractaires 42 de plus grande hauteur, et dans le sens transversal du dispositif d'essai, de deux rangées de blocs réfractaires, à savoir une rangée de blocs 43 de même hauteur, et une rangée de blocs 44 de plus grande hauteur (voir figure 8). Le bloc 50, représenté sur la figure 7, est, par ailleurs, un bloc de type connu. Les dimensions des différents blocs et espaces interstitiels (mesurés & froid) retenues pour l'essai, sont donnés ci-après en référence aux figures L'1 = 960mm; L'2 = 608mm; H' = 305mm; h' = 55mm; i' = 3,3mm; j' = 2,6mm; b = 0,6mm; b' = 1,2mm. A l'issue de cet essai, les blocs selon l'invention présentent un pourcentage moyen de fissuration de 5,9 % contre 38 % pour les blocs de forme connue. D'autres essais ont été réalisés en n'utilisant que des blocs selon 1'invention. Par exemple, les figures 8 et 9 montrent en coupe longitudinale et transversale la forme et l'implantation des blocs testés lors d'un deuxième essai. Les blocs 45 sont de section transversale rectangulaire, et les blocs 46, 47 sont de section tranversale trapézoïdale sensiblement isocèle. Les sections longitudinales (voir figure 8) des blocs 45, 46, 47 sont quant à elles, trapézoïdales et sensiblement isocèles, une rangée de blocs 48 de plus grande hauteur (voir figure 9) bordant la rangée de blocs 47. Les distances, de même valeur que les distances des figures 7 et 8, sont repérées de façon identique (L'1, L'2...) sur la figure 9. Les blocs sont, par ailleurs, sensiblement en contact en partie basse sur une hauteur de 55mm, comme représenté sur les figures 7, 8 et 9. Le deuxième essai a été réalisé, d'une part, avec des blocs en un matériau connu sous la dénomination SUPRAL 40 F MIX 6 et, d'autre part, avec des blocs en un matériau connu sous la dénomination SUPRAL 40 FX, tous deux commercialisés par la Société DIDIER (voir tableau 1) Après une série de cycles thermiques conformes å la figure 6, aucune fissure n'a été observée, dans aucun des blocs selon l'invention, fabriqués en de tels matériaux et disposés comme indiqué sur les figures 8 et 9. Tableau 1 CARACTERISTIQUES SUPRAL 40F SUPRAL 40 FX SUPRAL 40 F MIX 6 1. ANALYSE CHIMIQUE (%) : Si O2 50'58 50 51'75 Al2O3 + TiO2 46'7 47,5 46'2 Fe2O3 (total) 1'22 1,2 1'09 CaO 0'34 0,1 0'34 MgO 0'08 0,1 0'04 Na2O 0'29 0,1 0'05 K2O 0'62 0,1 0'38 P 2. DENSITE . DENSITE APPARENTE (g/cm3) 2'21 2,28 2'13 . DENSITE REELLE (g/cm3) 2'76 2'78 . POROSITE APPARENTE % 19'0 19 22'5 3. DILATATION A 1000 C (%) 0'62 0,62 X A 1400 C 0,8 4. VARIATION PERMANENTE DE DIMENSIONS (%) - 0'09 + 0'04 5.1. RESISTANCE A L'ECRASEMENT A FROID N/mm2 40,5 40 23,0 5.2. RESISTANCE A L'AFFAISSEMENT SOUS CHARGE A CHAUD 1520 1450 1490/1500 POINT ta EN C 5.3. MODULE DE RUPTURE PAR FLEXION A FROID N/mm2 6'8 7 3'1 5.4. MODULE DE RUPTURE PAR FLEXION A CHAUD A 800 C N/mm2 10'8 11 5'7 5.5. RESISTANCE A LA TRACTION N/mm2 2'55 - 2'08 REVENDICATIONS 1. Bloc (20, 30) en matériau réfractaire pour dispositif de fabrication de ruban de verre, ledit bloc étant de forme sensiblement parallélépipèdique et propre à supporter un bain (6) de métal en fusion sur lequel le verre (7) se nappe en plaque, caractérisé en ce qu'au moins en partie supérieure (31), il présente au moins une de ses deux sections droites, transversale ou longitudinale, de forme trapézoïdale constante, ladite section ayant sa base de plus grande dimension pour base inférieure du trapeze. 2. Bloc selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite section trapézoïdale constante est isocèle. 3. Bloc selon la revendication 2, caractérisé en ce que ses deux sections droites constantes, transversale et longitudinale, sont trapézoïdales isoceles. 4. Bloc selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport L1/ entre les longueurs des bases superieure L1 et inférieure L2 de la section droite transversale et/ou entre les longueurs des bases supérieure L1 et inférieure k de la section droite longitudinale, est compris entre 0,988 et 0,997, et avantageusement sensiblement égal à 0,945. 5. Bloc selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport L1/L2 de la section droite longitudinale est compris entre 0,992 et 0,997. 6. Bloc selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur h de ladite partie supérieure du bloc et la hauteur totale H du bloc, est compris entre 0,5 et 1, et avantageusement sensiblement égal à 0,82. 7. Dispositif de fabrication de ruban de verre comprenant une cuve allongée munie de blocs réfractaires (20, 30) fixés sur le fond de ladite cuve, propres à supporter un bain de métal en fusion sur lequel le verre se nappe avant d'être étiré en plaque, caractérisé en ce que au moins plusieurs desdits blocs réfractaires sont constitués selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits blocs sont situés dans la zone de la cuve où le métal en fusion est à une température comprise entre environ 750 C et environ 1000"C.