Brevet FR2816936A1 — publié le 20020524

La présente invention concerne un dispositif de fusion pour fabriquer des verres à fort coefficient de transmission des rayonnements ultra-violets comprenant: - une cuve de fusion pour recevoir un bain de fusion, - un orifice d'alimentation pour l'alimentation ou l'introduction de ma- tière première très pure destinée au bain, - un orifice de soutirage pour soutirer la matière fondue de la cuve, - une voûte au-dessus de la cuve, l'orifice d'alimentation de la cuve se trouvant au-dessus du bain au niveau de la voûte, et l'orifice de souti- rage se trouvant au niveau du fond de la cuve, et - une installation de chauffage. L'invention concerne également un procédé de fabrication de verre à transmission élevée des rayons ultra-violets. La production de verres optiques homogènes se fait actuel- lement à l'aide d'un dispositif de fusion comprenant une cuve de fusion, un orifice d'alimentation ainsi qu'un orifice d'extraction et une voûte au- dessus de la cuve de fusion. L'apport en énergie au bain se fait par chauffage direct du bain par exemple à l'aide d'électrodes ou par des brûleurs qui chauffent la surface du bain. Selon l'état de la technique, pour produire un verre optique homogène, on fournit une quantité très homogène de matière première extrêmement pure, par portion à travers l'orifice d'alimentation à la sur- face du bain. Pour l'alimentation en matière première on veille à ne pas créer une couverture fermée car celle-ci s'oppose à une bonne homogé- néité de l'indice de réfraction si le verre optique comme cela est habituel dans l'état de la technique est fondu sans être homogénéisé par un agita- teur. L'apport en énergie se fait d'une part directement dans le bain par exemple à l'aide d'électrodes et d'autre part selon le procédé de l'état de la technique et avec le dispositif de fusion connu, on chauffe la surface du bain à l'aide de brûleurs installés au-dessus de cette surface. L'apport en énergie par les deux dispositifs de chauffage à savoir l'apport direct dans le bain et l'apport par le chauffage au-dessus de la surface du bain, se commande à l'aide d'installations de mesure de température prévues au fond de la cuve de fusion et dans la voûte de façon que la température de la voûte corresponde sensiblement à la température du fond. La tempé- rature de la voûte est d'environ 1300 C et celle du fond d'environ 1350 C. Une répartition relativement homogène de la température dans le dispositif de fusion garantit la fusion régulière du mélange. Cela aboutit à une bonne homogénéité optique de la matière fondue. La matière fondue passe par l'orifice de soutirage ou un trop-plein dans un système de tube en platine et ainsi dans la chambre d'affinage. Le verre fondu dans le dispositif de fusion selon l'état de la technique présente une excellente homogénéité mais sa transmission est significativement abaissée notamment dans le domaine des rayons ultra- violets. La faible transmission dans le domaine des rayons ultra- violets est toutefois un inconvénient pour l'utilisation de tels verres par exemple dans le domaine des télécommunications, de la micro- lithographie ou de la projection de forte puissance par exemple la projec- tion à forte puissance R-LCD OU T-LCD. Cela est particulièrement impor- tant pour des familles de verres contenant du plomb dont la teneur en plomb produit en soi une absorption intrinsèque relativement élevée dans le domaine des rayons ultra-violets. En particulier le défaut de transmission suffisant dans le domaine de l'ultraviolet des verres contenant du plomb a bloqué leur utili- sation dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides par réflexion (af- ficheur R-LCD) bien que ces types de verres conviendraient remarquablement pour une telle application à cause de leur très faible coefficient de tension optique. La présente invention a pour but de développer un dispositif de fusion et un procédé de fusion pour des verres optiques permettant la fabrication de verres fortement transmissifs dans le domaine des rayons ultra-violets remédiant aux inconvénients des solutions connues. Comme de tels verres peuvent s'utiliser dans de nombreux domaines en plus de la technique des afficheurs à cristaux liquides R- LCD, en particulier pour les fibres de verres et les amplificateurs à fibres ainsi qu'en micro-lithographie notamment pour les objectifs HL, il est né- cessaire que le procédé et le dispositif de fusion selon l'invention présen- tent une grande souplesse vis-à-vis des types de verres susceptibles d'être fondus. Il faut en outre que les verres soient extrêmement homogènes et que cette homogénéité corresponde au moins à celle des verres obtenus par des procédés de fusion classiques. Le dispositif et le procédé selon l'invention doivent égale- ment être plus simples que les moyens connus. A cet effet l'invention concerne un dispositif de fusion du type cidessus caractérisé en ce que l'installation de chauffage comprend des éléments chauffants notamment des électrodes équipant la cuve au niveau du bain, et une installation d'agitation agite le bain en fusion, in- troduit et mélange régulièrement dans le bain la matière à partir de la masse flottant à la surface du bain. De façon avantageuse la cuve a une géométrie extérieure circulaire. Suivant une autre caractéristique avantageuse l'installation d'agitation comprend un agitateur avec un premier, un second et un troi- sième segment, le premier segment étant placé dans l'axe de la cuve, le second segment de l'agitateur se trouve juste en dessous de la surface du bain en étant recourbé à 90 et se prolonge sur une longueur correspon- dant sensiblement aux 2/3 du rayon extérieur de la cuve pour se poursui- vre par le troisième segment lui-même replié à 90 vers le bas. Une telle réalisation de l'agitateur assure un mélange régu- lier à la fois pour l'introduction de la matière et de la matière ellemême en partant de la masse arrivée à la surface du bain. A la fois le fond et la voûte peuvent comporter des installa- tions de mesure de température pour contrôler et commander la tempé- rature. A côté du dispositif, l'invention concerne également un pro- cédé de fabrication de verre fortement transmissif dans le domaine des rayons ultra-violets. Ce procédé est caractérisé en ce qu'une masse très homo- généisée de matière première de verre très pure pour fondre des verres à très fort coefficient de transmission, est fournie en permanence par un orifice d'alimentation à la cuve, pour former une couverture de matière fermée à la surface du bain, on fournit de l'énergie au bain de verre, cet apport d'énergie se faisant toujours sous la surface du bain au volume situé sous la surface du bain alors qu'à la surface du bain on ne fournit pas d'énergie, on agite le bain de verre fondu, et on mélange régulièrement la matière en la prenant de la masse flottant à la surface du bain pour l'introduire dans le bain et la mélanger. Selon l'invention on a trouvé de manière surprenante que dans le procédé, en agitant pendant la fusion on peut accélérer la fusion sans rencontrer les inconvénients normalement liés à l'agitation. Ainsi le procédé selon l'invention évite notamment que la matière constituant le creuset soit sollicitée par des particules de la masse à fondre car selon l'invention l'agitation n'est effectuée que sous la couverture constituée par cette masse Le procédé selon l'invention peut s'appliquer à la fabrication de verre de type Pb contenant du plomb et aboutir à une forte améliora- tion de la transmissivité du rayonnement UV. Le procédé peut également s'appliquer à la fabrication de verre usuel avec une meilleure transmissi- vité du rayonnement UV. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation explicités dans les dessins an- nexés dans lesquels: - la figure 1 montre un dispositif de fusion selon l'état de la technique, - la figure 2 est une vue de dessus d'un dispositif de fusion selon l'état de la technique, - la figure 3 montre un dispositif de fusion selon l'invention, - la figure 4 est une vue de dessus d'un dispositif de fusion selon l'invention. La figure 1 est une section d'une cuve de fusion selon l'état de la technique utilisée pour de faibles volumes de fusion dans un ensem- ble de fusion en continu à trois cuves. Partant de la cuve de fusion 1, la masse de matière fondue ou verre 3, est extraite par l'orifice de soutirage 5 pour passer par un système de tubes en platine 7 dans la chambre d'affinage non représentée et de là dans le creuset d'agitation non repré- senté puis dans un dispositif d'alimentation et ensuite dans le poste de mise en forme à chaud. Le débit d'un tel dispositif est de l'ordre de 150- kg/h. Le dispositif de fusion selon l'état de la technique comprend à côté de la cuve de fusion 1, une voûte 9 et un orifice d'alimentation 11 ainsi qu'une cheminée 13. Le bain de verre 13 a une surface de bain 15 sur laquelle on place les matières premières extrêmement pures, sous la forme de lots ou en continu par l'orifice d'alimentation ou d'apport 11. Selon l'état de la technique on évite ainsi de constituer une couverture fermée avec la masse introduite. L'opération de fusion propre- ment dite se fait par le chauffage à l'aide des 2 x 4 électrodes 17.1, 17. 2, 17.3 et 17.4 placées sous la surface du bain; de plus on chauffe la sur- face 15 du bain 3 avec deux brûleurs 19 croisés. L'apport en énergie res- pectif par les deux dispositifs de chauffage à savoir les électrodes 17.1, 17.2, 17.3 et 17.4 et par les brûleurs 19 est commandé par les thermo- éléments 23, 25 placés dans la voûte 9 et dans le fond 21 de la cuve 1 pour assurer une commande électronique de façon que la température au niveau de la voûte soit d'environ 1300 C et sensiblement au niveau du fond d'environ 1350 C. Cela garantit la fusion régulière de la masse et ainsi l'homogénéité optique de la matière. La figure 2 est une vue de des- sus du dispositif selon l'état de la technique. On remarque clairement les deux brûleurs à gaz 19.1, 19.2 décalés l'un par rapport à l'autre ainsi que le thermoélément 23 placé au fond 21, la cheminée 13, l'orifice d'alimentation 11 ainsi que l'orifice de io soutirage 5 vers la goulotte d'affinage 7. La figure 3 montre un dispositif selon l'invention. Pour ce dispositif on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes élé- ments que dans le dispositif de l'état de la technique représenté aux figu- res 1 et 2. La figure 3 montre une section de la structure de la cuve de fusion selon l'invention. Contrairement au dispositif selon l'état de techni- que, le dispositif selon l'invention comporte des moyens pour apporter de l'énergie uniquement directement dans le bain 3 c'est-à-dire en dessous de la surface 15 du bain. L'apport en énergie est assuré exclusivement par les 2 x 4 électrodes 17.1, 17.2, 17.3, 17.4. Ni la voûte 9 ni la surface 15 du bain ne sont chauffées par exemple par des brûleurs. On arrive ainsi à une superstructure ou une voûte froide. La température au- dessus de la surface 15 du bain est de l'ordre de 500 à 700 C. De plus on introduit une masse très homogène par l'orifice d'alimentation 11 pour que la matière première ainsi fournie soit répartie régulièrement à la surface 15 du bain et forme une couverture close. Cette couverture fermée constituée par la masse introduite s'opposerait dans le procédé de l'état de technique à une fusion continue rapide et à l'obtention d'un indice de réfraction très homogène car dans le procédé connu la fu- sion se fait sans homogénéiser à l'aide d'un agitateur. Au contraire, dans le dispositif selon l'invention il est prévu un agitateur 30. Cet agitateur se compose d'un premier segment 30.1 in- troduit au milieu de la cuve de fusion 1. Ce premier segment se poursuit par un second segment 30.2 faisant un angle de 90 par rapport au pre- mier segment, juste en dessous de la surface 15 du bain et ce second segment se poursuit par un troisième segment 30.3 qui se situe à environ 2/3 du rayon extérieur de la cuve de fusion 1 et fait un angle de 90 des- cendant sous le second segment. Une telle réalisation de l'agitateur ga- rantit le mélange régulier à la fois pour l'introduction de la matière et le mélange de celle-ci à partir de la surface du bain pour introduire la masse flottant sous la forme d'une couverture fermée, pour passer dans le bain et fondre ainsi régulièrement bien que la couverture formée par la masse soit fermée. L'absence de chauffage de la voûte produit globalement une température plus faible dans l'ensemble du bain qui est de l'ordre de 1250 C. La couverture fermée réalisée par la masse évite l'abaissement non homogène de la température en direction de la super structure froide du four. Du fait de l'absence de chauffage de la surface 15 du bain, l'apport en énergie du dispositif de fusion selon l'invention est beaucoup plus faible et en même temps le procédé selon l'invention permet d'améliorer de manière extrêmement importante avec le dispositif de fu- sion, la transmission des rayons UV des verres fondus et dans le cas des verres de type SF on améliore ainsi considérablement les caractéristiques de fluorescence. L'homogénéité optique d'un verre fondu à l'aide d'un dis- positif tel que représenté à la figure 3 selon le procédé décrit cidessus, correspond à celle d'un verre fabriqué selon le procédé classique dans un dispositif de l'état de la technique. La figure 4 est une vue de dessus du dispositif de fusion selon l'invention. Les mêmes parties que celles de la figure 3 portent les mêmes références. Cette figure montre tout particulièrement l'agitateur 30 composé de son premier segment 30.1, de son second segment 30.2 et de son troisième segment 30.3. Des exemples de réalisation de verres fabriqués à l'aide du procédé et du dispositif selon l'invention seront explicités ci-après. Ces exemples montrent que les verres obtenus sont meilleurs que les verres fabriqués selon les procédés connus du point de vue de leur transmission des rayons UV. Le tableau 1 montre les compositions des types de verres en pourcentage pondéraux pour des verres fabriqués de façon habituelle pour permettre leur comparaison avec les verres selon l'invention. TABLEAU 1: Composition des verres examinés Composants Verre 1 Verre 2 Verre 3 Verre 4 SiO2 24,4 61,2 52,15 45,75 PbO 74,3 25,7 34,05 45,20 Na2O 0,4 4,8 6,6 3,7 K20 0,6 8,2 7,0 5,1 As203 0,3 0,2 0,25 0,05 nd 1,84666 1,54814 1,548144 1,62004 Vd 23,83 45, 75 40,85 36,37 Dans ce tableau nd représente l'indice de réfraction et Vd le nombre d'ABBE. s Le tableau 2 donne les paramètres de fusion pour les verres fabriqués selon les procédés classiques par comparaison avec le procédé de l'invention TABLEAU 2: Paramètres de fusion Brûleur Voûte T Bain T Agitateur SW Type de verre m3/h C C Tmin ma/h oC oC T/min Verre 1 6 1020 960 - Verre 1 HT - 780 960 5 Verre 2 16 1350 1300 Verre 2 HT - 1050 1300 5 Verre 3 12 1320 1280 Verre 3 HT - 1050 1280 5 Verre 4 10 1280 1250 Verre 4HT 1000 1250 5 Le tableau 3 donne le degré de transmission pure des verres fabriqués selon les différents modes de fabrication à savoir selon les mo- des de fabrication classiques et selon l'invention. TABLEAU 3: Degré de transmission pure Longueur d'onde [nm] - Transmission pure (100 mm d'épaisseur de couche) Tlype de p de 365 380 390 400 420 verre Verre 1 14 42 76 Verre 1 HT 21 53 83 Verre 2 94 97 98 98,5 Verre 2 HT 97 98 98,7 99 Verre 3 92 96,5 97,8 98,4 Verre 3 HT 96,5 98,3 98,8 99,1 Verre 4 77 91 94 96 Verre 4HT 87 95 96,8 98 _ Dans les tableaux 2 et 3 les types de verre portant simple- ment un numéro sont ceux fabriqués selon le procédé classique alors que les verres selon l'invention portent un numéro suivi du suffixe HT. On a également indiqué la consommation de gaz par les brûleurs du procédé connu et la vitesse de rotation de l'agitateur dans le procédé selon l'invention pour expliciter les différences. La suppression des brûleurs c'est-à-dire de la consommation de gaz représente une partie importante de l'économie d'énergie pour les verres fabriqués selon le procédé de l'invention à côté des températures plus faibles et de meilleurs coefficients de transmission. Le tableau 4 ci-après donne les plages de composition en particulier les verres de type Flint et Flint léger selon les pourcentages pondéraux. TABLEAU 4 Composants SiO2 19 - 67 PbO 20 - 80 Na2O 0 - 9 K20 0- 10,5 As203 0- 1 Les plages données dans le tableau 5 ci-après sont les pla- ges préférentielles. TABLEAU 5 Composants SiO02 40 - 67 40 - 58 47 - 67 PbO 20 - 51 29 - 51 20 - 39 Na2O 1,5 - 9 1,5 - 9 2 - 9 K20 3- 10,5 3- 9 6- 10,5 AS203 0- 1 0- 1 0- 1 Les plages de composition des verres 1, 2, 3 4 sont de préfé- rence de type Flint et Flint léger, données en pourcentages pondéraux dans le tableau 6 ci-après. 5 TABLEAU 6 Type de verre Composants Verre 1 Verre 2 Verre 3 Verre 4 SiO2 19 - 30 56 - 67 47 - 58 40 - 51 PbO 69 - 80 20- 31 29- 39 40-51 Na2O 0- 2,5 2 - 7 4,5 - 9 1,5-6 K20 0- 2,5 6- 10,5 5 - 9 3 - 7 As2O3 0- 0-1 - 0-1 0o-1 Le procédé selon l'invention permet également de fondre de nombreux autres types de verres. On l'évoquera à l'aide du tableau 7 à titre d'exemples des compositions de tels verres. TABLEAU 7: Autres compositions de verres contenant par exemple10 Ba mais pas de plomb Pb Type de verres Composants SiO2 25 - B203 2- 12 A1203 0 - 4 Na2O 0 - 11 K20 0 - 10 CaO 0- 10 BaO 3 - 45 ZnO 0 - 20 TiO2 1- 12 ZrO2 0- 7 Sb203 0- 1 On utilise de préférence les plages suivantes TABLEAU 8 Type de verres Composants SiO2 25 - 60 45 - B203 3- 12 2- 12 A1203 0 - 4 Li2O Na2O 0 - 9 1 - 11 K20 0 - 8 3- 10 MgO CaO 0- 10 BaO 8 - 45 3 - 22 SrO ZnO 0 - 9 0 - 20 Tio2 3 - 12 1 - 7 ZrO2 0 - 7 0 - 2 Sb203 0- 1 0- 1 Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent de fonder des types de verres différents en agitant sans rencontrer les incon- vénients liés à l'agitation. On réduit ainsi l'apport en énergie, on accélère le procédé de fusion et on obtient des verres à fort coefficient de transmis- sion dans la plage du rayonnement ultra-violet. Suivant une caractéristique avantageuse, les verres à fort coefficient de transmission sont des verres Flint ayant un nombre d'ABBE telque Vd Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'alimentation de matiè- res premières très pures du verre se fait par l'eau ou en continu. Dans le procédé, la température du bain en fusion est de l'ordre de 1 100 C - 1 300 C et de préférence cette température se situe dans la plage comprise entre 1 230 C et 1 280 C. Enfin, il convient de remarquer que, selon le procédé, on agite à une vitesse de rotation de l'ordre de 30 à 100 Tours/minute. Le procédé selon l'invention s'applique à la fabrication de verres destinés à des afficheurs à cristaux liquides à réflexion (R-LCD) pour des systèmes de lentilles, pour des fibres de verre et des amplifica- teurs de fibres de verres. ]l REVEND I CATIONS 1 ) Dispositif de fusion pour fabriquer des verres à fort coefficient de transmission des rayonnements ultra-violets comprenant: - une cuve de fusion (1) pour recevoir un bain de fusion, s - un orifice d'alimentation (11) pour l'alimentation ou l'introduction de matière première très pure destinée au bain, - un orifice de soutirage (5) pour soutirer la matière fondue de la cuve, - une voûte (9) au-dessus de la cuve (1), l'orifice d'alimentation (11) de la cuve (1) se trouvant au-dessus du bain au niveau de la voûte (9), et l'orifice de soutirage (5) se trouvant au niveau du fond de la cuve, et - une installation de chauffage, caractérisé en ce que l'installation de chauffage comprend des éléments chauffants notamment des électrodes (17.1, 17.2, 17.3, 17.4) équipant la cuve au niveau du bain, et une installation d'agitation (30) agite le bain en fusion, et introduit et mélange régulièrement dans le bain la matière à partir de la masse flottant à la surface du bain. 2 ) Dispositif de fusion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' la cuve a une géométrie extérieure circulaire. 3 ) Dispositif de fusion selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'installation d'agitation comprend un agitateur (30) avec un premier (30. 1), un second segment (30.2) et un troisième segment (30.3), le premier segment étant placé dans l'axe de la cuve, le second segment de l'agitateur se trouve juste en dessous de la surface du bain en étant re- courbé à 90 et se prolonge sur une longueur correspondant sensiblement aux 2/3 du rayon extérieur de la cuve pour se poursuivre par le troisième segment lui-même replié à 90 vers le bas. 4 ) Dispositif de fusion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par des installations de mesure de température équipant la voûte et/ou le fond. ) Procédé de fabrication de verre à fort coefficient de transmission dans le domaine du rayonnement ultra-violet à l'aide d'un procédé de fusion exécuté dans une cuve de fusion (1) dans laquelle se trouve un bain de verre ayant une surface (15), caractérisé par les étapes suivantes: - on fournit une masse très homogénéisée de matière première de verre très pure pour fondre des verres à très fort coefficient de transmission, en permanence par un orifice d'alimentation (11) à la cuve pour former une couverture de matière fermée à la surface (15) du bain, 0o - on fournit de l'énergie au bain de verre, cet apport d'énergie se faisant toujours sous la surface (15) du bain au volume situé sous la surface du bain alors qu'à la surface du bain on ne fournit pas d'énergie, - on agite le bain de verre fondu, et - on mélange régulièrement la matière en la prenant de la masse flottant à la surface du bain pour l'introduire dans le bain et la mélanger. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les verres à fort coefficient de transmission sont des verres Flint ayant un nombre d'ABBE tel que Vd 7 ) Procédé selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que l'alimentation des matières premières très pures du verre se fait par l'eau ou en continu. 8 ) Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la température du bain en fusion est de l'ordre de 1 100 C - 1 300 C et de préférence dans la plage comprise entre 1 230 C et 1 280 C. 9 ) Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le volume au-dessus de la surface du bain est à une température de l'ordre de 500 C à 700 C. ) Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu' on agite à une vitesse de rotation de l'ordre de 30 à 100 T/min. 11 ) Application du procédé selon l'une des revendications 5 à 10, pour la fabrication de verres destinés à des afficheurs à cristaux liquides à réflexion (R-LCD) pour des systèmes de lentilles, pour des fibres de verre et des amplificateurs de fibres de verre.