Brevet FR2787784A1 — publié le 20000630

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux fours de production et d'affinage du verre notamment en vue d'améliorer la qualité du verre produit, d'augmenter le tonnage de verre produit ou de diminuer les dimensions du four. Le problème technique résolu par l'invention pour obtenir les résultats ci- io dessus est d'augmenter le temps de séjour minimal des particules dans le four entre l'enfournement et le détournement et d'augmenter le brassage de la fonte dans le four. Avant d'exposer la solution apportée par l'invention au problème mentionné ci-dessus on rappellera l'état de la technique dans ce domaine en se référant a la figure 1 des dessins annexés qui illustre, de façon schématique, en perspective avec arrachement partiel un exemple de réalisation d'un four de verrerie de type connu. Sur la figure 1, on voit en 1 la zone de fusion et d'affinage du verre, en 2 le canal de communication entre la partie fusion-affinage et l'avant-bassin 3 (également appelé bassin de travail) destiné à l'homogénéisation en température du verre et en 4 le canal de sortie du verre produit par le four vers les équipements de formage de verre creux, plat ou autre. La référence 5 désigne la cuve du four contenant la masse de verre fondu désignée par la référence 6. La cuve 5 est couverte par une chambre composée des murs latéraux 7 et par la voûte 8. La référence 9 désigne les équipements d'enfournement conçus de façon à introduire la composition dans le four et à la répartir à la surface du bain de verre 6 et on a schématisé en 10 les équipements de combustion comportant des alimentations en carburant et en comburant ainsi que des évacuations des fumées vers des carneaux et la cheminée (non représentés). Le verre situé dans l'avant-bassin 3 est conditionné en température par chauffage ou refroidissement. Les écoulements de verre a l'intérieur des différentes enceintes du four mentionnées ci-dessus sont complexes et ils dépendent des caractéristiques géométriques du four, de sa tirée de verre ainsi que des distributions de température ou de pression hydrodynamique à l'intérieur de la masse vitreuse. On peut imaginer 2 2787784 que la composition introduite dans le four est composée de nombreux petits volumes de petites dimensions. Tous ces petits volumes ou les particules qui les composent ne suivent pas des chemins parfaitement identiques entre l'enfournement, en 9, et l'évacuation, en 4. Sur la figure 2 des dessins annexés qui est une représentation très schématique du bain de verre dans le four selon la figure 1, on a représenté en le chemin le plus court que peut suivre une particule de la composition du verre entre I'enfournement 9 et la sortie 4. Or, les effets de convection ou les modifications de la géométrie de la cuve 5 du four (variation de largeur par exemple ou modification de hauteur du verre) io peuvent induire des mouvements des particules suivant des directions verticales et/ou horizontales perpendiculaires à la tirée du verre suivant des mouvements de type linéaire schématisés en 1 1 sur la figure 2. Les mêmes causes peuvent produire des courants rotatifs sous la forme de rouleaux transversaux 12, horizontaux 13 ou longitudinaux 14. Le schéma suivi par une particule entre l'enfournement 9 et l'évacuation 4 est une combinaison de tous ces mouvements élémentaires. Le temps que met cette particule entre l'enfournement 9 et le canal d'évacuation 4 est appelé temps de résidence. Ce temps de résidence doit être suffisant pour assurer la fusion et l'affinage de ses composés pour obtenir un verre de la qualité souhaitée. Ainsi, le longueur du chemin parcouru par la particule, donc son temps de résidence dans le four, conditionne la qualité du verre produit. L'invention se propose donc d'allonger la durée du temps de résidence minimal pour notamment améliorer la qualité du verre produit. En conséquence, cette invention concerne des perfectionnements apportés aux fours de production et d'affinage du verre caractérisés en ce qu'ils consistent à augmenter le temps de résidence des particules de la composition du verre introduites dans le four de verrerie en leur faisant décrire une trajectoire sensiblement hélicoïdale autour de la direction principale de la tirée du verre dans le four. Grâce à l'invention, on augmente le temps de séjour minimal et le brassage des particules entre l'enfournement et l'évacuation du verre produit. Selon la présente invention, la trajectoire sensiblement hélicoïdale des particules de la composition de verre dans le four peut être obtenue par la mise en oeuvre, séparément ou en combinaison des caractéristiques suivantes: 3 2787784 i) la géométrie du four: la forme de ce dernier, de sa zone d'enfournement, des entrée et sortie du verre sont déterminées de manière à limiter la création de courants dans le bain de verre qui seraient susceptibles de s'opposer à l'obtention de la trajectoire hélicoïdale des particules en créant des circulations des particules dans une direction différente. ii) un régime hydrodynamique adapté dans le bain de verre obtenu grâce à la création d'un gradient de température transversal. iii) des actions mécaniques opérées directement sur le bain de verre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront io de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent divers exemples de réalisation et de mise en oeuvre dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques se référant à l'état antérieur de la technique et discutées ci-dessus. Les figures 3 à 5 sont des vues schématiques d'un four selon l'invention en coupe par un plan vertical transversal destinées à illustrer l'invention. Les figures 6 et 7 sont des vues schématiques partielles, en coupe axiale verticale représentant deux exemples de réalisation des moyens de séparation entre la zone de fusion et la zone d'affinage du four, réalisés selon l'invention de manière à limiter l'influence, dans la zone d'affinage, des courants de convection générés dans la zone de fusion par l'introduction de la composition du verre. La figure 8 est également une vue schématique partielle, en coupe axiale verticale, illustrant un autre exemple de réalisation des moyens prévus par l'invention pour assurer la séparation hydrodynamique du verre, de la zone de fusion de la zone d'affinage. Ainsi qu'on l'a précisé ci-dessus, I'invention consiste à augmenter le temps de résidence des particules de la composition de verre introduites dans le four de verrerie lors de leur fusion et/ou affinage en leur faisant décrire une trajectoire sensiblement hélicoïdale dans le bain de verre afin d'augmenter la longueur du chemin que les particules ont parcouru entre l'enfournement (en 9 sur la figure 1) et l'évacuation du verre produit (en 4, figure 1); cette invention étant applicable à tout type de fours de fusion et/ou d'affinage du verre. 4 2787784 Selon l'invention, la trajectoire hélicoïdale des particules dans le four est construite autour de la direction principale du mouvement de la tirée du verre parallèle au chemin 15 (Figure 2), quelle que soit la direction de cette tirée en fonction des caractéristiques de la matière fondue ou du type de construction du four. En particulier, le mouvement de la tirée du verre peut être horizontal ou vertical ou une combinaison de ces deux directions. Selon l'invention, on communique aux particules de la composition du verre un mouvement additionnel du type " rouleau transversal " tel qu'illustré en 12 sur la figure 2, situé dans un plan perpendiculaire à la direction de la tirée. io Le mouvement hélicoïdal des particules est donc constitué par la combinaison de la translation longitudinale de la tirée du verre et de la rotation dudit rouleau. Le mouvement hélicoïdal peut être décrit sur tout ou partie du four. Sur la figure 3, on a illustré deux trajectoires en hélicoïde symétriques par rapport à l'axe du four. Il demeure bien entendu que l'invention s'applique également à tout régime de fonctionnement à un ou plusieurs chemins en hélicoïde dans le four avec, pour chaque mouvement, une rotation des particules en sens horaire ou anti- horaire. Selon l'invention, on peut contrôler la longueur de la, ou des trajectoires hélicoïdales des particules, par modification du pas de l'hélice. Le chemin en hélicoïde suivi par les particules limite le risque de formation de chemins tels que celui illustré en 15 sur la figure 2, qui produisent des défauts de fusion et/ou d'affinage dans le verre. On exposera maintenant a titre d'exemple non limitatif, des moyens prévus par l'invention pour obtenir la circulation en hélicoïde des particules. On a précisé ci-dessus que cette circulation pouvait être obtenue notamment par les moyens suivants pris isolément ou en combinaison: la géométrie du four, un régime hydrodynamique adapté dans le bain de verre et des actions mécaniques opérées sur le verre. En ce qui concerne la géométrie du four on a déjà mentionné que la forme de ce dernier, des entrées et sorties du verre peuvent être réalisées de façon à limiter la création de courants dans le bain de verre susceptibles de s'opposer à l'obtention d'une trajectoire hélicoïdale des particules en créant des circulations de particules dans une direction différente de celle du chemin hélicoïdal. 2787784 La circulation en rouleau transversal du verre peut être obtenue également par un régime hydrodynamique adapté, obtenu grâce a la création d'un gradient de température transversal. On donnera ci-après quelques exemples non limitatifs de moyens permettant de réaliser un tel gradient de température. Un tel gradient de température peut être obtenu, selon l'invention en contrôlant les pertes thermiques des parois latérales de la cuve 5 ou de la sole du four en adaptant les matériaux et/ou leurs épaisseurs en fonction des températures de verre souhaitées. Sur la figure 3 on a représenté un exemple de réalisation de cette solution qui consiste à mettre en place sur la sole du four et/ou sur les parois 0o de la cuve 5 de ce dernier, des moyens d'isolation renforcés ou d'isolation réduite schématisés par la référence 17 qui créent des zones plus chaudes ou plus froides dans le bain de verre 6. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 4, le gradient de température est obtenu par un appoint de chaleur localisé, parallèlement à l'axe de l'hélicoïde, ou aux axes des hélicoïdes, cet apport étant produit par un ou plusieurs brûleurs disposés dans la ou les parois latérales du four et dont la flamme se développe parallèlement à l'axe de l'hélicoïde ou aux axes des hélicoldes. Sur cette figure 4, on a représenté respectivement en 18 et 19 un tel brûleur et sa flamme. Sur cette même figure 4, on a représenté un autre exemple de réalisation du gradient de température obtenu par des électrodes telles que 20., implantées dans la sole du four, parallèlement à l'axe de l'hélicoide ou aux axes des hélicoïdes, ces électrodes, situées dans le bain de verre et réchauffant ce dernier par effet Joule en apportant l'appoint de chaleur nécessaire à la formation de ce gradient de température. Le gradient de température peut également être obtenu selon l'invention, en prévoyant des refroidisseurs positionnés sur ou sous la surface du verre ou dans les parois du four. L'apport de chaleur permettant d'obtenir le gradient de température transversal peut être également assuré par rayonnement, notamment par l'implantation de résistances dans la voûte du four, ou par induction. Tous ces moyens mis en oeuvre pour créer le gradient de tempéture transversal peuvent être associés à une répartition égale des températures dans la direction longitudinale du four afin de limiter l'apparition de rouleaux longitudinaux 6 2787784 tels que 13 ou 14 qui pourraient perturber la formation de la circulation en hélicoïde des particules. D'une façon générale, I'invention prévoit dans le four des moyens de chauffage et/ou de refroidissement implantés, dans la zone de fusion et/ou d'affinage 1 (figure 1) du verre de manière à produire un champ de température dans le bain de verre 6 facilitant la création de rouleaux transversaux 12 (figure 2) afin de générer la trajectoire hélicoïdale des particules et pour s'opposer à la création de rouleaux longitudinaux tels que 13 ou 14 (Figure. 2) pouvant perturber le mouvement hélicoïdal des particules ou créer des chemins courts tels que 15 sur la io Figure 2. La circulation en rouleau transversal du verre dans le four peut également être obtenue, selon l'invention, par une action mécanique directe sur le bain de verre lui-même. La figure 5 illustre un exemple de réalisation de cette action mécanique. i5 Celle-ci est provoquée par des poussoirs tels que 21 animés de mouvements sensiblement perpendiculaires à l'axe du four, les mouvements pouvant être synchronisés sur la longueur du four ou d'un côté à l'autre du four et ils peuvent être associés à un mouvement vertical provoquant une pénétration dans le bain de verre plus ou moins importante, ce qui permet de moduler l'effet et/ou l'action des poussoirs sur le verre entre leur course aller et leur course retour. Les poussoirs 21 peuvent être réchauffés ou refroidis afin de conjuguer un effet thermique à leur effet mecanique. Selon l'invention, l'action mécanique directe sur le bain de verre peut être également obtenue à l'aide d'agitateurs ou de mélangeurs mécaniques de type rotatif ou bien encore à l'aide de bouillonneurs 22 implantés dans la sole du four ou dans les parois de la cuve de ce dernier, selon une direction parallèle à l'axe du rouleau transversal à créer, produisant ainsi le courant illustré par la figure 5. Les exemples ci-dessus n'ont aucun caractère limitatif. L'action mécanique sur le bain de verre peut en effet être obtenue par d'autres moyens, notamment par l'application de champs magnétiques ou électromagnétiques ou par l'action de fluides. La poussée du tapis de la composition du verre à la surface du bain 6 par les équipements d'enfournement tels que représentés en 9 sur la figure 1, associée à la 7 2787784 présence de verre froid sous le tapis de la composition créé un rouleau longitudinal important qui perturbe le mouvement hélicoïdal des particules réalisé conformément à l'invention. Il est donc important de limiter l'influence, dans la zone de fusion de l'introduction du mélange vitrifiable, par exemple en positionnant la ou les enfourneuse(s) sur les parois du four de façon à ce que le mouvement d'entraînement du tapis de composition du verre ne puisse perturber la circulation en hélice des particules dans le four. L'invention prévoit des moyens qui peuvent être mis en oeuvre pour résoudre ce problème et qui consistent à prévoir une séparation entre la zone de fusion et la io zone d'affinage. Les figures 6 à 8 en illustrent quelques exemples de réalisation non limitatifs. Sur la figure 6, la composition 23 est poussée par l'enfourneuse 24 à la surface du bain et lesdits moyens de séparation sont réalisés sous la forme d'un muret 25, la communication entre les zones de fusion 27 et d'affinage 26 ainsi séparées étant assurée par un déversoir positionné au sommet du muret de séparation 25, La figure 7 illustre une variante de réalisation de la figure 6 dans laquelle le muret de séparation est réalisé de manière que son sommet soit situé au-dessus du niveau du bain de verre afin de garantir la séparation du verre entre les deux enceintes délimitées par le muret, la composition flottant à la surface du bain de la zone de fusion 27 ne pouvant gagner la zone d'affinage 26. Le mur de séparation peut présenter une hauteur variable entre le niveau du bain et celle de la voûte du four. Dans cette variante, la communication entre la zone de fusion 27 et la zone d'affinage 26 est assurée par une ou plusieurs ouvertures telles que 25 dont la position par rapport à la sole du four et les dimensions sont déterminées de façon à obtenir la ou lesdites trajectoires en hélicoïde des particules de la composition du verre. Cette communication peut également être réalisée suivant la technique connue de la gorge. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 8, la chambre du four 26 dans laquelle le verre est affiné est séparée hydrostatiquement de la zone de fusion qui l'alimente en verre fondu. Dans cet exemple non limitatif, cette chambre de fusion est constituée d'une enceinte 27, d'une enfourneuse 28 alimentant le four en composition de verre 29 et de moyens de combustion 30. Le verre fondu est 8 2787784 déversé dans la chambre d'affinage 26 par l'intermédiaire d'un canal 31 pouvant être muni d'un dispositif de contrôle 32 du débit de verre ainsi transféré. Selon l'invention, la géométrie de l'orifice de sortie du four peut être conçue de manière à ne pas perturber l'écoulement en hélice du verre dans le four, par exemple en orientant cet orifice de sortie de façon tangentielle à ladite hélice. Parmi les avantages apportés par l'invention, on peut citer notamment les suivants: - augmentation de la tirée du verre dans des fours existants, - diminution de la taille d'un four pour une tirée donnée, - augmentation de la qualité du verre produit. Les perfectionnements selon l'invention peuvent être mis en oeuvre sur tout four existant de façon a obtenir les avantages mentionnés ci-dessus. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 9 2787784 REVENDICATIONS 1 Perfectionnements apportés aux fours de fusion et/ou d'affinage du verre caractérisés en ce qu'ils consistent à augmenter le temps de résidence des particules de la composition de verre (6) introduite dans le four en leur faisant décrire une trajectoire sensiblement hélicoïdale autour de la direction principale de la tirée du verre dans le four, entre l'enfournement (9) de la composition et l'évacuation (4) du verre produit. 2 Perfectionnements selon la revendication 1 caractérisés en ce que ladite trajectoire est obtenue en déterminant la géométrie du four, la forme de ce dernier, de ses zones d'enfournement (9) et d'évacuation (4) du verre de manière à limiter la création dans le bain de verre de courants s'opposant à l'obtention de ladite trajectoire hélicoïdale. 3 Perfectionnements selon les revendications 1 ou 2, caractérisés en ce que ladite trajectoire est obtenue par un régime hydrodynamique adapté dans le bain de verre, réalisé par l'ajustement du gradient de température transversale du verre. 4 Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que ladite trajectoire est obtenue par des actions mécaniques opérées directement sur le bain de verre (6). Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que les particules de la composition de verre décrivent une ou plusieurs trajectoires hélicoïdales dans le four, dans une rotation des particules en sens horaire ou anti-horaire. 6 Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'ils consistent à prévoir, dans le four, des moyens de chauffage et/ou de refroidissement implantés dans la zone de fusion et/ou d'affinage (1) du verre, de manière à produire un champ de température dans le bain de verre (6), facilitant la création de rouleaux transversaux (12) générant ladite trajectoire hélicoïdale. 1O 2787784 7 Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on contrôle la longueur de la trajectoire hélicoïdale par modification du pas de l'hélice. 8 Perfectionnements selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit gradient de température transversal est obtenu par la mise en place sur la sole et sur les parois latérales de la cuve (5) du four d'une isolation renforcée ou réduite (17). 9 Perfectionnements selon la revendication 3 caractérisé en ce que le gradient de température transversal est obtenu par un apport de chaleur localisé io parallèlement à l'axe de l'hélicoïde ou aux axes des hélicoides. Perfectionnements selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit apport de chaleur est assuré par un ou plusieurs brûleurs (18) implantés dans la ou les parois latérales du four et dont la flamme se développe parallèlement à l'axe de l'hélicoide ou aux axes des hélicoides. 1 1 Perfectionnements selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit apport de chaleur est assuré par une ou plusieurs électrodes (20), implantées dans la sole du four, parallèlement à l'axe de l'hélicoide ou aux axes des hélicoïdes de ce dernier, situées dans le bain de verre et réchauffant ce dernier par effet Joule. 12 Perfectionnements selon la revendication 3, caractérisés en ce que ledit apport de chaleur est obtenu par rayonnement, notamment par la mise en oeuvre de résistances implantées dans la voûte du four. 13 Perfectionnements selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit apport de chaleur est obtenu par induction. 14 Perfectionnements selon la revendication 3, caractérisés en ce que ledit gradient de température transversal est obtenu en positionnant des refroidisseurs sur ou sous la surface du bain de verre (6) ou dans les parois latérales (7) du four. Perfectionnements selon la revendication 4 caractérisés en ce que lesdites actions mécaniques sont obtenues à l'aide de poussoirs (21) animés de mouvements sensiblement perpendiculaires à l'axe du four, les mouvements pouvant être synchronisés soit sur la longueur du four soit d'un côté à l'autre du four. 16 Perfectionnements selon la revendication 15, caractérisés en ce que le mouvement horizontal des poussoirs (21) est associé à un mouvement vertical. 17 Perfectionnements selon l'une des revendications 15 ou 16 caractérisés en ce que lesdits poussoirs (21) sont refroidis ou réchauffés. 18 Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisés en ce que lesdites actions mécaniques sont obtenues a l'aide d'agitateurs ou de mélangeurs mécaniques rotatifs. 19 Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisés en ce que lesdites actions mécaniques sont obtenues à l'aide de bouillonneurs (22) implantés io dans la sole du four ou dans les parois de la cuve de ce dernier. Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites actions mécaniques sont obtenues par application de champs magnétiques ou électromagnétiques. 21 Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisés en ce que lesdites actions mécaniques sont obtenues par des fluides 22 Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'on prévoit des moyens assurant une séparation entre la zone de fusion (27) et la zone d'affinage (26). 23 Perfectionnements selon la revendication 22 caractérisée en ce que lesdits moyens de séparation sont constitués d'un muret (25) interposé entre lesdites zones de fusion (27) et d'affinage (26), la communication entre lesdites zones étant assurée par un déversoir positionné au sommet dudit muret. 24 Perfectionnements selon la revendication 22 caractérisés en ce que lesdits moyens de séparation sont constitués par un mur dont le sommet est situé à un niveau supérieur à celui du bain de verre, la communication entre les zones de fusion (27) et d'affinage (26) étant assurée par une ou plusieurs ouvertures (25) dont les dimensions et la position par rapport à la sole du four sont adaptées à la formation d'une ou de plusieurs trajectoires hélicoïdales des particules de la composition du verre. 25 Perfectionnements selon la revendication 22 caractérisés en ce que la zone de fusion (27) est séparée hydrostatiquement de la zone d'affinage (26), la communication entre lesdites zones pour assurer le déversement du verre fondu dans le four d'affinage étant réalisée par un canal (31) entre lesdites zones, pouvant être muni d'un moyen de contrôle (32) du débit de verre transféré a la zone d'affinage. 26 Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que l'orifice de sortie du verre du four est orientée tangentiellement à l'hélice de ladite trajectoire hélicoïdale.