Brevet FR2818269A1 — publié le 20020621

L'invention concerne un procédé et un dispositif de céra- misation du verre de départ d'une vitrocéramique. Le verre de départ est alors aussi appelé verre cru. ETAT DE LA TECHNIQUE On sait céramiser un tel verre de départ dans un four à convection ou dans un four à radiation conventionnel. Le verre a géné- ralement une forme de disque. Il est placé sur une plaque de support qui peut être constituée d'une poudre ou d'un sable de verre de quartz, fritté un matériau poreux. Au cours de l'opération de chauffage, le matériau vitreux se dilate de tous les côtés alors que la plaque de support reste relative- ment stable quant à ses dimensions du fait de son faible coefficient de dilatation. De la sorte, un mouvement relatif a lieu entre le verre de dé- part et la plaque de support, ce qui est susceptible de rayer le verre et donc de réduire la qualité du produit. La plus grande partie du mouve- ment relatif (cause des rayures) est due à la contraction. Le chauffage du verre de départ demande en outre des quantités considérables de chaleur et prend un temps relativement important. BUT DE L'INVENTION Le but de la présente invention est d'obtenir un procédé de céramisation du verre de départ d'une vitrocéramique tel que la quantité d'énergie nécessaire puisse être significativement réduite et que les défauts de surface dus au contact avec une plaque de support puissent être évités. Ce but est atteint par un procédé selon lequel - on fabrique le verre cru; - le verre cru est mis en état de suspension sur une base ou mem- brane de lévitation en amenant un gaz de lévitation; - le verre cru en état de suspension est chauffé par un rayonnement infrarouge jusqu'à ce qu'on ait obtenu la céramisation désirée. On produit ainsi une lévitation sur film gazeux au moyen d'un coussin gazeux qu'il est possible de constituer entre le verre de dé- part et une base de support. Le verre de départ se trouve en suspension au cours de toute la durée de la céramisation, de sorte qu'aucune em- preinte ou aucun mouvement relatif de la base de support ne peut avoir d'effet indésirable sur le verre cru. En outre, on évite l'adhérence du verre sur la base de support. En utilisant pour le chauffage un rayonnement infra- rouge à ondes courtes comme le décrit le document DE 2 990 538 5 U 1, on peut réduire considérablement la durée nécessaire au chauffage et donc aussi à la céramisation. Par conséquent la durée de la lévitation et donc la dépense en énergie nécessaire à la lévitation sont également ré- duites. On peut aussi employer le gaz utilisé pour la lévitation afin de créer une atmosphère définie. Le gaz de lévitation peut aussi servir à homogénéiser la température. Le procédé selon l'invention est auto-stabilisant, très ra- pide et très homogène. Le produit présente une qualité supérieure cor- respondante. Selon une autre conception de l'invention, le verre de dé- part est d'abord fabriqué de façon conventionnelle puis transporté sur une base de lévitation, préchauffé dans la base de lévitation par exem- ple au moyen d'un rayonnement infrarouge, et cela à une température inférieure à la température d'adhésion du verre. On soumet le verre de départ à un choc thermique au moyen d'un rayonnement infrarouge tout en amenant du gaz de telle manière que le verre de départ se trouve en état de suspension et enfin - éventuellement après dépasse- ment de la température critique d'adhésion et l'achèvement de la céra- misation souhaitée - on le transmet à une étape de traitement ultérieur. Selon cette conception, le chauffage du verre de départ a lieu en deux phases. Au cours de la première phase de chauffage, le verre de départ est porté à une température inférieure à la température critique d'adhésion. Au cours de la deuxième phase de chauffage, on dépasse la température critique d'adhésion et on atteint la valeur élevée de température nécessaire à la céramisation. La deuxième phase peut aussi avoir lieu au-dessous de la température d'adhésion. Selon d'autres caractéristiques du procédé, le verre cru est mis en mouvement au-dessus d'une base de lévitation, et il peut être en forme de bande. L'invention présente les avantages suivants: - la première phase de chauffage du verre cru ne pose pas de pro- blème technique. Le type et la durée de la première phase de chauf- fage présentent peu d'importance et donc peu de problèmes. Pendant la première phase de chauffage, aucune lévitation gazeuse n'est né- cessaire. - La deuxième phase de chauffage a lieu avec une rapidité particulière du fait du moyen de chauffage choisi - en l'occurrence un dispositif de rayonnement infrarouge. Cette deuxième phase de chauffage de- mande en général moins d'une minute. De la sorte, ne sont nécessai- res que des temps de séjour assez faibles sur la membrane de lévitation gazeuse (la céramisation à cette température prend consi- dérablement plus de temps). D'éventuels contacts, s'il en existe, en- tre le verre cru et la paroi de la membrane sont donc réduits au minimum, de sorte qu'il n'y a pas d'adhérence ou alors dans une très faible mesure. Surtout, il ne se produit pas de rayures. - L'énergie nécessaire à la lévitation est faible, du fait de la faible durée de la deuxième phase de chauffage. - La perte d'énergie due au transfert de la chaleur provenant du verre cru alors très chaud sur le voisinage (membrane) relativement froid est elle aussi faible, du fait que la conduction de chaleur est réduite par la couche d'air. - Contrairement à l'état de la technique, c'est le verre cru qui est ex- clusivement chauffé et non pas le voisinage ni par conséquent la membrane, de sorte qu'on obtient une nouvelle économie d'énergie par rapport au procédé et au dispositif conventionnels. La combinaison des deux éléments en accord avec l'invention - la lévitation d'une part et l'utilisation de rayonnement in- frarouge d'autre part- est déterminante. Si l'on ne réalisait le chauffage qu'avec un chauffage conventionnel sur une base normale (sans lévita- tion), il y aurait des problèmes d'adhérence puisque, dans ce cas, la base absorbe la température du verre à chauffer du fait de la conduc- tion et du transfert de chaleur. Selon l'invention, le dispositif est caractérisé par - une base de lévitation destinée à recevoir le verre cru et à amener le gaz de lévitation; - une installation de rayonnement infrarouge destinée à chauffer le verre cru jusqu'à ce qu'on atteigne la céramisation souhaitée. Selon d'autres caractéristiques avantageuses, on place en amont de l'installation de rayonnement infrarouge une installation des- tinée à chauffer le verre cru à une température inférieure à la température d'adhérence. De préférence, l'installation de rayonnement infrarouge comprend une chambre de rayonnement munie d'émetteurs infrarouges à halogène à ondes courtes avec une température de cou- leur de 2 000 K de préférence, en particulier de 2 400, 2 700, 3 000 K, et les parois de la chambre de rayonnement ont une réflectivité de plus de 80 %, en particulier de plus de 90 %. De même avantageusement la base de lévitation est fortement réfléchissante, avec une réflectivité de plus de 80 %, de préférence de plus de 90 %. Enfin, on peut aussi envisager une chambre allongée qui reçoit la base de lévitation, le verre cru ainsi que l'installation de rayon- nement infrarouge, avec une amenée sur le côté frontal et une sortie sur l'autre côté frontal destinées au passage du verre cru. Le gaz utilisé pour la lévitation peut en même temps être utilisé pour créer une atmosphère définie ainsi que pour homogénéiser la température (cf. fours à haute convection). Pour la membrane que doit traverser le gaz, on utilise des matériaux poreux ou des plaques perforées. À cet effet, d'une part il faut s'assurer qu'il y ait une perméa- bilité suffisante au gaz et d'autre part il faut que la membrane réflé- chisse suffisamment le rayonnement infrarouge. Un matériau adapté à une telle combinaison est par exemple une mousse de quarzal poreux. Ce matériau présente une perméabilité au gaz suffisante, de sorte qu'une plaque en verre ou en vitrocéramique peut être amenée à l'état de suspension, et il possède une grande réflectivité pour le rayonnement infrarouge. On peut aussi utiliser une plaque perforée, par exemple en quarzal. Selon une forme de réalisation avantageuse, la base de lévitation est formée d'un matériau de membrane constitué de maté- riaux poreux choisis parmi A1203, BaF2, BaTiO3, CaF2, CaTiO3, MgO, 3. 5A1203, SrF2, SiO2, SrTiO3, TiO2, la spinelle, la cordiérite, la vitrocéramique frittée-cordiérite. Mais on peut aussi utiliser comme matériau de mem- brane un matériau perforé auto-réfléchissant pour les rayons infrarou- ges, ou revêtu d'un matériau réfléchissant les rayons infrarouges. DESSINS L'invention est expliquée à l'aide des dessins annexés qui montrent trois phases déterminantes de l'opération de chauffage en ac- cord avec l'invention. Dans les dessins: - la figure 1 montre une forme de réalisation pour la céramisation d'un corps plan, - la figure 2 montre l'évolution de la température dans le temps, - la figure 3 est une représentation schématique d'une installation de céramisation en vue latérale, - la figure 4 représente l'évolution de la température pour la méthode de céramisation, - la figure 5 représente une autre installation de céramisation. La figure 6 représente l'évolution correspondante de la température pour la méthode de céramisation. Sur la figure 1, on distingue une plaque de support 1 en tant que base de lévitation. La plaque de support 1 porte une mem- brane 1.2 faite en un matériau poreux. La plaque de support 1 et la membrane 1.2 se trouvent dans un carter 2 muni d'une arrivée d'air 2.1 et d'une sortie d'air 2.2. La plaque de support 1 présente un raccorde- ment au gaz 1.1. Au-dessus de la membrane 1.2 se trouve un verre de départ 3 sous forme de plaque de verre. Le carter 2 comprend les parois 2.3 qui présentent de fortes propriétés réfléchissantes pour le rayonnement infrarouge. Le dispositif comprend une série d'émetteurs à infrarouge qui ne sont pas représentés ici. Grâce au raccordement au gaz 1.1, on introduit un gaz qui pénètre les pores ouverts de la membrane 1.2. Entre la surface su- périeure de la membrane 1.2 et la surface inférieure de la préforme 3 se forme un coussin d'air. La préforme est en état de suspension sur ce coussin d'air jusqu'à ce que la céramisation soit achevée. Le dispositif est adapté aussi bien à un fonctionnement par charges successives qu'à un fonctionnement continu. Pour cela, le carter 2 peut être réalisé sous forme de chambre allongée avec une amenée sur le côté frontal et une sortie sur l'autre côté frontal. Les deux côtés frontaux sont munis de fentes d'arrivée qui correspondent à la disposition et à la forme de la préforme. Il n'est pas absolument nécessaire que la plaque de verre 3 soit plane. Elle peut aussi avoir une forme d'auge ou de coupe, comme on l'a représenté en pointillés, comme le désigne de verre 3.1. Dans ce cas, la surface supérieure de la membrane 1.2 a une forme géométriquement comparable. Là aussi, un fonctionnement par charges successives et un fonctionnement continu sont possibles. La figure 2 montre l'évolution de la température du verre dans le temps. La ligne en pointillés montre l'évolution de la tempéra- ture quand on opère sur une masse fondue. Le gaz de lévitation retenu est un gaz inerte qui a un comportement neutre par rapport au matériau du verre ainsi qu'au matériau de la membrane de lévitation. L'installation que montre la figure 3 sert à céramiser une bande de verre 3 suite à un façonnage par laminage, par flottage, par étirage ou autre. Les éléments les plus importants sont de nouveau une membrane poreuse 1.2, un grand nombre d'émetteurs à infrarouge 4 ainsi qu'un carter 2. Le carter présente une fente d'arrivée 2.4 et une fente de sortie 2.5 qui servent à introduire et à retirer la bande de verre. Comme on le voit, la zone de céramisation proprement dite est précédée d'une distance de transport qui comprend deux cylin- dres d'introduction 5.1, 5.2 ainsi qu'une série de cylindres de guidage 5.3, 5.4, 5.5. En direction de transport, une installation de coupe 5 qui débite la bande de verre 3 en segments distincts se trouve derrière la zone de céramisation. La figure 4 représente l'évolution de la température pour la méthode de germination avec céramisation consécutive, la tempéra- ture étant indiquée en ordonnées et le parcours en abscisse. L'installation selon la figure 3 se distingue par les avan- tages suivants. On utilise la chaleur de façonnage que contient encore la bande de verre, de sorte que le rendement de l'énergie est optimal. De plus, l'installation permet de réaliser une opération en continu au cours de laquelle ce ne sont pas des plaques particulières mais une bande de verre entière qui est céramisée. Même en cas de contraction du maté- riau vitreux dans la zone des cylindres de guidage, le matériau n'est pas endommagé. Contrairement à la forme de réalisation représentée aux figures 3 et 4, l'installation de céramisation selon la figure 5 consiste à faire passer des plaques distinctes 3.1 dans la zone de céramisation. Comme on utilise un rayonnement infrarouge grâce aux émetteurs à infrarouge 4, le chauffage à température de germination a lieu très ra- pidement. Il ne dure généralement qu'une minute. On est en présence d'un chauffage de volume qui permet une durée de céramisation réduite parce qu'on obtient une bonne homogénéité au moyen d'une chambre qui réfléchit plusieurs fois le rayonnement. Il s'agit généralement de traiter au moyen de l'invention des matériaux à deux dimensions, que ce soit des corps plats ou incur- vés, par exemple des corps en forme de coupe. Mais cela n'est pas ab- solument nécessaire. On peut aussi traiter des corps de configuration différente par le procédé selon l'invention ou par le dispositif selon l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Procédé pour la céramisation d'un verre de départ d'une vitrocéra- mique (3) (appelé verre cru), selon lequel - on fabrique le verre cru (3); - le verre cru (3) est mis en état de suspension sur une base ou membrane de lévitation (1.2) en amenant un gaz de lévitation; - le verre cru (3) en état de suspension est chauffé par un rayonne- ment infrarouge (IR) jusqu'à ce qu'on ait obtenu la céramisation dé- sirée. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre cru (3) est soumis à un préchauffage à une température infé- rieure à la température d'adhésion, préalablement au chauffage qui a lieu en état de suspension. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que le verre cru est mis en mouvement au-dessus d'une base de lévitation (1.2). 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le verre cru (3) est en forme de bande. ) Dispositif pour la céramisation d'un verre de départ d'une vitrocéramique (appelé verre cru) comprenant: - une base de lévitation (1.2) destinée à recevoir le verre cru (3) et à amener le gaz de lévitation; une installation de rayonnement infrarouge (IR) destinée à chauffer le verre cru (3) jusqu'à ce qu'on atteigne la céramisation souhaitée. 6 ) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on place en amont de l'installation de rayonnement infrarouge (IR) une installation destinée à chauffer le verre cru (3) à une température infé- rieure à la température d'adhérence. 7 ) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par les points suivants: - l'installation de rayonnement infrarouge (IR) comprend une chambre de rayonnement munie d'émetteurs infrarouges à halogène à ondes courtes avec une température de couleur de 2 000 K de préférence, en particulier de 2 400, 2 700, 3 000 K, et - les parois de la chambre de rayonnement ont une réflectivité de plus de 80 %, en particulier de plus de 90 %. 8 ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la base de lévitation (1.2) est fortement réfléchissante, avec une réflecti- vité de plus de 80 %, de préférence de plus de 90 %. 9 ) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu' - une chambre allongée (2) reçoit la base de lévitation (1.2), le verre cru (3) ainsi que l'installation de rayonnement infrarouge (IR), et - présente une amenée sur le côté frontal et une sortie sur l'autre côté frontal destinées au passage du verre cru (3). ) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la base de lévitation (1.2) est composée d'un matériau de membrane constitué de matériaux poreux choisis parmi A1203, BaF2, BaTiO3, CaF2, CaTiOs, MgO, 3.5A1203, SrF2, SiO2, SrTiO3, TiO2, la spinelle, la cordiérite, la vi- trocéramique frittée-cordiérite. 1l1 ) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' on utilise comme matériau de membrane un matériau perforé auto- réfléchissant pour les rayons infrarouges, ou revêtu d'un matériau ré- fléchissant les rayons infrarouges.