Brevet FR2840602A1 — publié le 20031212

disposees a l'interieur d'au moins une chambre annulaire de diffusion (27, 28). Dispositif d'affnage de verre fondu L' invention a pour objet un dispositif d' affinage de verre fondu comportant une unite d'affinage qui presente au moins un parcours horizontal d'affinage permettant aux bulles de gaz, en montant, de s'echapper du verre fondu s'ecoulant sur le parcours d'affinage. Quand on fait fondre du verre, il se produit a la suite de la transformation chimique des produits de base formant le melange des quantites importantes de gaz. Une evaluation grossiere indique qu'l,2 kilo de melange produit environ 1 kilo de verre, c'est-a-dire que pendant la fusion environ 1/S du poids du melange est libere sous forme de gaz. D'autres gaz peuvent etre entraines physiquement par le melange ou peuvent etre introduits dans le verre qui fond par les sources de chaleur fonctionnant par combustion. La plus grande partie du gaz s'evacue en fait pendant le debut de la fusion du verre mais une quantite importante reste emprisonnee dans le verre fondu. Une partie du gaz emprisonne est dissoute dans le verre fondu tandis que l'autre partie subsiste sous forme d'inclusions locales de gaz, ce quton appelle des bulles, dans le verre fondu. Ces bulles s'expansent ou se contractent selon que leur pression interne est superieure ou inferieure a la pression d'equilibre des gaz dissous. Les bulles de gaz ont done des grandeurs differentes. Comme ces bulles de gaz porteraient atteinte a la qualite d' un corps ou d' une ceramique de verre fabrique a partir du verre fondu, celui-ci est debarrasse du gaz par affinage. On entend par affinage du verre une etape du procede de fusion effectuee apres ['operation de fusion proprement cite dans ce qu'on appelle des zones d'affinage situees en aval. Pour l'affinage il existe differentes methodes connues. Les bulles de gaz ont a l'origine, du fait de la poussee ascensionnelle resultant de la difference de densite entre les bulles de gaz et le verre fondu, tendance a monter dans le verre fondu pour s'evacuer a l'air libre. Mais sans intervention externe, cette operation demande un temps important qui rendrait tres onereux le processus de production a cause de longs temps de sejour. I1 est connu de produire dans la zone d'affinage des temperatures plus elevees pour ainsi reduire la viscosite du verre fondu et par consequent augmenter la vitesse ascensionnelle des bulles de gaz. Cette elevation supplementaire de la temperature demande toutefois une energie importante ayant egalement pour effet d'augmenter fortement le cout de production. Un autre inconvenient est que, dans la fabrication de nombreux verres des temperatures elevees augmentent le risque de vaporisation de composants provenant du verre fondu. Cela peut avoir des consequences diverges indesirables et genantes. Une autre possibilite d'accro^tre la vitesse ascensionnelle des bulles de gaz est d'augmenter le diametre de celles-ci. Les seules elevations de temperature usuelles lors de l'affnage n'entranent pas une augmentation sensible du diametre des bulles. Pour cela la methode de l'affinage chimique du verre utilisant des oxydes a des etapes d'oxydation dependent de la temperature a fait ses preuves et a ete largement optimisee. On utilise en particulier comme moyens d'affinage les oxydes de Sb(V), de As(V) et de Sn(IV). Les moyens chimiques d'affinage liberent dans le verre fondu des gaz qui par des operations de transport de matiere parviennent aux bulles de gaz. Ces quantites de gaz venant ainsi stadditionner aux gaz des bulles entranent la croissance desiree de celles-ci. On conna^t egalement des procedes d'affinage dits physiques qui ne portent pas atteinte de maniere sensible a la chirnie du verre. L'affinage physique d'un verre fondu consiste a "forcer" par des methodes physiques, les bulles a monter a la surface du bain. Alors les bulles eclatent en liberant leur contenu gazeux, ou se dissolvent dans le verre fondu. Un procede d'affinage physique largement developpe est celui appele affinage par depression, qui est decrit dans de nombreuses publications specialisees. Un exemple en est donne dans le document EP 0 908 417 A2. Dans l'affinage par depression il y a egalement un accroissement des bulles presentes dans le verre fondu. D'une part cet accroissement est soumis a la loi de Boyle-Mariotte "p.V = constante" c'est-a-dire que quand la pression p diminue le volume V augmente, d'autre part la pression partielle des gaz presents dans les bulles est amenee en dessous de la pression partielle des gaz dans le verre fondu. Par ces effete, les bulles grossissent et moment plus facilement a la surface du verre fondu, elles eclatent ou vent "aspirees" vers l'exterieur. Il faut egalement prendre en consideration le fait que les gaz dissous engendrent spontanement de nouvelles bulles sur ce qu'on appelle des germes (parois, minibulles) avec formation en general d'une mousse que l'on peut- combattre par des methodes approprlees. En plus de la methode consistent a accelerer la croissance des bulles pour ainsi accelerer par une augmentation du diametre des bulles de gaz leur montee a la surface du verre fondu, est egalement important le guidage de l'ecoulement du verre fondu a epurer, dans les banes d'affinage correspondents, comme ceux decrits par exemple dans le document EP 0 949 210 A1 c'est-a-dire les parcours d'affinage horizontaux constituent ce qui sera appele globalement par la suite unites d'affinage. L'ecoulement du verre fondu est regle le plus possible de maniere a favoriser egalement la montee des bulles de gaz. Dans des unites d'affinage connues, cette montee des bulles a la surface du verre fondu est favorisee par une faible hauteur, par rapport aux bacs d'affinage contenant le verre fondu, de la couche de ce verre comprise entre le fond de ['unite d'affinage et sa surface. lS Dans les parcours d'affinage des unites d'affinage connues, ctest-adire dans les banes d'affinage et dans les parcours d'affinage horizontaux des appareils d'affinage par depression, a lieu essentiellement un ecoulement en canal ouvert. Cet ecoulement est caracterise par le fait que le verre fondu adhere aux parois laterales et au fond du parcours d'affinage. En partant de ces parois et de ce fond les vitesses d'ecoulement du verre fondu vont en croissant en direction du milieu de ['unite d'affinage et de la surface du verre fondu. La Fig. S montre un profil d'ecoulement connu de ce genre dans le canal ouvert d'une unite d'affinage, la partie A de la Fig. representant une coupe longitudinale et la partie B une vue en plan du canal d'ecoulement ouvert. En general il se produit des courants de convection supplementaires. Mais avec les hauteurs de bains de verre usuellement faibles et la bonne isolation thermique, les courants de convection vent petite par rapport au debit et peuvent ici etre negligee. Mais ce profil connu d'ecoulement n'est pas favorable a ltelimination des bulle s de gaz du verre fondu car il nec es site un relativement grand volume d'appareil d'affinage. La cause en est que la montee des bulles de gaz fait que le verre fondu situe pres du fond se trouve deja debarrasse de ses bulles apres un ecoulement relativement court dans ['unite d'affinage. Ce verre fondu proche du fond continue a stecouler mais a une vitesse relativement lente en direction de la sortie de ['unite. Par contre le verre fondu proche de la surface s'ecoule rapidement vers la sortie. I1 est alimente tout d'abord par les bulles provenant du verre fondu situe en dessous. La dimension de ['unite d'affinage ctest-a-dire la longueur du parcours d'affinage est done definie par la vitesse d'ecoulement du verre situe pres de la surface. L'invention se propose dans le dispositif deja expose servant a affiner du verre fondu, de regler un profil d'ecoulement faisant que le verre est deja debarrasse de ses bulles apres un parcours plus court que dans l'etat de la technique, c'est-a-dire que toutes les bulles de gaz ont ete eliminees du verre fondu par l'effet d'un diametre de bulle au moins egal a la valeur critique de ce diametre. Des bulles de gaz ayant des diametres inferieurs a cette valeur critique peuvent encore exister dans le verre fondu. S'il ntexiste plus de bulles ayant un diametre au moins egal au diametre critique dans le verre fondu celui-ci est appele par la suite sans bullet Cet objectif, dans un dispositif d'affinage de verre fondu comportant une unite d'affinage presentant au moins un parcours d'affmage horizontal pour ['elimination des bulles de gaz issues du verre s'ecoulant dans le parcours d'affinage, est atteint selon ['invention en donnant au parcours d'affinage une configuration telle que par rapport a un ecoulement en canal ouvert, pour un meme debit la vitesse d'ecoulement est augmentee pres du fond et/ou diminuee pres de la surface. En modifiant selon ['invention le profil de l'ecoulement du verre fondu dans ['unite d'affinage par rapport au profil d'ecoulement dans un canal ouvert on obtient une meilleure separation des bulles de gaz sur un parcours plus court ce qui permet de donner aux unites d'affinage un volume plus petit que dans les realisations usuelles. On doit considerer cela comme un avantage essentiel par rapport a ces realisations. On doit considerer comme un autre avantage le fait qu'il est possible dans des unites d'affinage existantes, en leur apportant des modifications d'obtenir une augmentation du rendement, par exemple un debit plus eleve. Dans une unite d' affinage on obtient un profil d' ecoulement optimal quand d'une part le verre fondu debarrasse de ses bulles par la montee de celles-ci 3 0 parvient a la sortie de ['unite d' affinage avec la plus grande vitesse d' ecoulement possible, et que d'autre part le verre fondu qui n'est pas debarrasse de ses bulles s'ecoule par contre le plus lentement possible en direction de la sortie. I1 est connu de disposer dans le parcours d'affinage des chicanes qui vent plongees dans le verre fondu pres de la surface et ainsi agissent sur l'ecoulement. Mais toutes ces chicanes ont en commun de n' influencer l'ecoulement que d'une maniere localisee, alors que par contre dans le cas de ['invention ['action sur l'ecoulement s'exerce dans le sens de celui-ci sur une longueur importante du parcours d'affinage. C'est seulement ainsi que les profies d'ecoulement representes a la Fig. 5 vent modifies dans le sens desire par ['invention. Le document EP 0 908 417 A2 represente un bane horizontal d'affinage comportant des barrieres plongees dans la bande de verre fondu afin de bloquer les bulles de gaz qui moment. Ces barrieres servent ainsi de barrieres de mousse et vent disposees transversalement a l'ecoulement du verre fondu. Wiles realisent done localement une modification des conditions d'ecoulement mais qui ne correspond pas a l'apport technique de la presente invention. Les documents US 5 433 765 A et PAJ-Abstract du JP 06-321-547 A montrent chacun un appareil dans lequel s'ecoule du verre fondu et qui comporte des agitateurs allant de la surface du verre jusque pres du fond de l'appareil. Si les agitateurs ne vent pas en service, il n'agissent que localement sur l'ecoulement et non pas sur une longueur importante du parcours du bain de fusion. Comme ces agitateurs descendent pres du fond, ils n'ont pas pour effet d' augmenter specifiquement les vitesses d'ecoulement pres de la surface du bain. Le profil d'ecoulement revendique par ['invention ne peut done eke obtenu au moyen de ces agitateurs. En service, les agitateurs servent a realiser l'homogeneisation du verre fondu. Cela signifie egalement que les bulles de gaz vent melangees au verre fondu dans les appareils. L'objectif des chicanes selon ['invention est par contre de separer le verre fondu et les bulles. Le document AT 23 00 33 represente un appareil contenant un bain de fusion contenant des corps flottants pour influencer l'ecoulement du verre. Ainsi ces corps flottants egalement appeles corps de barrage vent montes comme un barrage a peu pres perpendiculairement a la direction principale de l'ecoulement. De cette maniere ces corps flottants n'agissent sur le profil d'ecoulement dans le sens d'ecoulement que localement et non pas sur une longueur importante. Cela est insuffisant pour obtenir un effet de separation significatif supplementaire des bulles et du verre fondu. Le document DE 27 43 289 A1 presente un dispositif d'homogeneisation pour un bain de verre fondu comportant deux sections d'agitateurs, avec enke ces sections une chicane a plaques disposee dans l'avant-creuset. Le bord inferieur des plaques est en contact avec le fond de l'avant-creuset et forme en liaison avec les parois laterales delimitant l'avant-creuset des plans de cisaillement du verre qui s'ecoule. Le but de ces chicanes est done de provoquer dans le bain de verre un certain cisaillement sur toute la hauteur entre le fond et la surface du bain. Entre les plaques il s'etablit dans des plans horizontaux un profil d'ecoulement en forme de parabole. Dans des plans verticaux situes entre les plaques et parallelement a celles-ci, on trouve un profil d'ecoulement dans loquel la vitesse d'ecoulement le long du fond de l'appareil est nulle (par adherence) pour cro^ltre ensuite avec la hauteur dans le bain selon une parabole. En fonction de l'espacement des plaques et de la hauteur du bain de verre la vitesse maximale d'ecoulement se trouve au niveau de la surface du bain ou deja en dessous de cette surface pour rester alors constante jusqu'a la surface. La disposition selon ['invention des chicanes destinees a regler le prof1 d'ecoulement recherche avec des vitesses pres de la surface inferieures a celles pres du fond ne correspond done pas a la disposition des corps d'ecoulement decrits dans le document cite DE 27 43 289. Dans la mesure ou il s'agit d'agitateurs cela est valable de maniere correspondante pour le document US 5 433 765 A. Des configurations et des developpements de ['invention vent indiques dans les revendications secondaires et exposes en detail dans la description des exemples de realisation, representes par le dessin annexe. La Fig. 1 represente, en coupe longitudinale dans sa partie A et en plan dans sa partie B un profil d'ecoulement ameliore pour eliminer des bulles issues d'un bain de verre fondu au cours d'un parcours d'affinage horizontal La Fig. 2 represente en coupe longitudinale un canal d'ecoulement servant de parcours d'affnage, equipe sur l'essentiel de sa longueur d'un couvercle qui est en contact avec la surface de l'ecoulement de verre fondu et presente une ouverture pour la sortie des bulles de gaz La Fig. 3 represente un canal d'ecoulement servant de parcours d'affinage pour du verre fondu a surface libre, qui comporte des chicanes servant a egaliser l'ecoulement et constituees de plusieurs barres disposees pres de la surface et parallelement a la direction de ltecoulement, ces barres etant reliees entre elles par des baguettes et chaque chicane etant fixee au fond de l'appareil d'affinage par les deux barres exterieures La Fig. 4 represente un canal d'ecoulement servant de parcours d'affinage et comportant, pour egaliser ltecoulement, des chicanes sous forme de plusieurs plaques paralleles a la direction d'ecoulement, ces plaques etant immergees partiellement dans le bain de verre et fixees au plafond de l' appareil d' affinage La Fig. 5 represente le profil d'ecoulement connu dans un canal ouvert, la partie A presentant une coupe longitudinale et la partie B une vue en plan. La Fig. 1 represente le profil d'ecoulement, ameliore par les dispositions selon ['invention, d'un ecoulement de verre fondu a affiner dans un parcours horizontal d' affnage d'une unite d' affinage. Des dispositifs d'affinage de ce genre, servant a eliminer des bulles de gaz contenues dans le verre fondu en les faisant monter par l'effet de la difference de densite, vent connus sous de multiples formes, par exemple, selon le document US 1 598 308 pour le Pike-Process et n'ont done pas a etre decrits davantage. Comparativement au profil d'ecoulement dans un canal ouvert tel que represente a la partie A de la Fig. 5, la vitesse d'ecoulement est augmentee sur l'essentiel de la longueur du parcours d'affinage a proximite du fond du canal tandis qu'elle est abaissee a proximite de la surface du bain de verre. On obtient ainsi que d'une part le verre fondu situe pres du fond et qui a ete debarrasse de ses bulles par la montee de celles-ci, gagne avec une vitesse relativement plus grande la sortie du parcours d'affinage tandis que d'autre part le verre fondu qui n'est pas encore debarrasse de ses bulles dans les couches superieures se deplace avec une vitesse relativement plus faible en direction de la sortie. De plus, comrne le montre la partie B de la Fig. 1 il se produit une egalisation avantageuse des vitesses d'ecoulement dans des plans horizontaux, mesurees sur une perpendiculaire a la direction de l'ecoulement dans le parcours d'affinage. L'attribution d'un profil d'ecoulement comme indique a la Fig. 1 peut etre realisee typiquement, mais pas exclusivement par les mesures representees aux Fig. 2 et 4, prises individuellement ou en combinaison. La Fig. 2 represente un canal d'ecoulement 1 horizontal formant parcours d'affinage, qui est constitue de materiaux resistant a la chaleur (pierres refractaires, platine etc.) et qui comporte un puits ascensionnel par loquel arrive selon la direction de la fleche le verre fondu a affiner et un puits de descente 3 pour ltecoulement du verre fondu affine. Pour modifier le profil d'un ecoulement dans un canal ouvert, ce canal d'affinage presente sur l'essentiel de sa longueur un couvercle 4 fait d'un materiau approprie par exemple des pierres refractaires, du platine, de sorte que la surface du verre fondu est en contact avec le couvercle. Celui-ci presente au moins une ouverture 5 creant sur le verre fondu une surface libre. Cette ouverture est disposee de maniere que toutes les bulles qui moment jusqutau couvercle peuvent atteindre la surface libre. Au dessus de celle-ci se trouve une chambre des gaz 6 dans laquelle aboutissent les bulles pour de la sortir de l'appareil et rejoindre ['atmosphere. Du fait que le couvercle 4 est en contact direct avec le verre fondu, celui-ci s'ecoule plus lentement dans cette zone de contact de sorte que les conditions d'ecoulement vent equilibrees comme le montre le profil d'ecoulement 7 quand on le compare au profil d'ecoulement de la partie A de la Fig. 5. Un autre avantage de cette realisation comportant un couvercle 4, comparee a une realisation avec un bain a surface libre, est que ce couvercle reduit le courant massique des composants vaporises a partir du verre fondu. Une autre possibilite de modifier le profil d'ecoulement dans le sens represente a la Fig.1 peut 8tre obtenue en installant dans la zone du bain de verre fondu proche de sa surface une chicane faite d'un materiau approprie comme le platine, le molybdene, une ceramique refractaire etc. D'une maniere generale la disposition doit etre telle que - le ou les chicanes influencemt) l'ecoulement du verre sur l'essentiel de la longueur du parcours d'affinage - le ou les chicanes plonge(nt) en tout ou en partie dans le verre fondu et done - se trouve(nt) dans la zone du verre fondu proche de la surface avec - une orientation de preference parallele ou peu inclinee par rapport a la direction principale de l'ecoulement. Les chicanes doivent: - etre de preference verticales ou peu inclinees par rapport a la verticale - etre fixees dans ['unite d'affinage d'une maniere appropriee quelconque c'est a-dire qu'elles peuvent etre fixees au fond et/ou au plafond et/ou au couvercle et/ou a plusieurs parois laterales avec eventuellement liaison entre elles de plusieurs chicanes, chaque chicane pouvant etre reliee rigidement ou de maniere flexible, par exemple par des elements de chame, a ['unite d'affinage. La chicane peut egalement etre un corps qui flotte sur le verre fondu et qui done est plonge en partie dans celui-ci. De plus pour la chicane on doit veiller a ce que les distances entre celle-ci, les parois laterales et le fond et ainsi qu'eventuellement entre plusieurs chicanes, soient choisies de maniere a obtenir la modification desiree du profil d'ecoulement. La chicane doit presenter, dans la geometric necessaire a sa fonction, un volume aussi faible que possible, elle doit done etre par exemple mince afin que, le volume de cette unite soit reduit le plus possible, comparativement a la realisation de ['unite d'affinage sous forme de canal ouvert depourvu de chicane. Les Fig. 3 et 4 presentent deux formes de realisation typiques de chicanes montees dans le canal d'ecoulement, et cela en coupe longitudinale (partie gauche de la Fig.) et en coupe transversale (partie droite de la Fig.). La Fig. 3 presente une unite d'affinage comportant un fond 8 des parois laterales 9 et un plafond 10, et dans laquelle vent disposes plusieurs cinq ici chicanes l la et l lb ay ant la forme de barres essentiellement paralleles a la direction de l'ecoulement, les deux chicanes externes lla etant fixees par leurs extremites dans le fond 8 tandis que les autres chicanes 1 lb vent reliees entre elles ainsi qutaux chicanes 1 la par des baguettes 12. Le frottement sur les chicanes 1 la et llb ralentit l'ecoulement dans la zone proche de la surface et realise son egalisation par l'utilisation de plusieurs chicanes reparties sur la largeur de ['unite d' affinage de sorte que le profil d' ecoulement initial dans un canal ouvert selon les Fig. 5A et B est modifie pour donner le profil d'ecoulement des Fig. 1A et B. La Fig. 4 montre une autre realisation possible d'une unite d'affinage. Dans cette realisation plusieurs - ici trots - corps d'ecoulement 13, orientes selon la direction d'ecoulement, vent fixes au plafond 10 et immerges partiellement dans le verre fondu, ces chicanes, prevues dans la zone d'ecoulement situee proche de la surface ayant pour effet de ralentir l'ecoulement dans cette zone. Au lieu des formes prevues aux Fig. 3 et 4, les chicanes peuvent en principe avoir des formes geometriques quelconques, elles peuvent en particulier presenter des surfaces courbes ou avec des evidements tels que des fentes et des trous. Les chicanes peuvent en particulier 8tre utilisees dans des unites d'affinage par depression et dans des banes d'affinage mais egalement dans des bacs a verre fondu et dans des bacs d'affinage. Revendications 1. Dispositif d'affmage de verre fondu comportant une unite d'affinage qui presente au moins un parcours horizontal d'affinage permettant aux bulles de gaz, en montant, de s'echapper du verre fondu stecoulant sur le parcours d' affnage, caracterise en ce que le parcours d' affinage est constitue de maniere que par rapport a un ecoulement a canal ouvert, pour un meme debit, la vitesse d' ecoulement, sur l' essentiel de la longueur du parcous, est augmentee pres du fond etlou diminuee pres de la surface 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que de plus les vitesses d'ecoulement dans des plans horizontaux vent egalisees sur l'essentiel de la longueur du parcours d'affinage, perpendiculairement a ce parcours 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, avec un parcours d'affinage ayant la forme d'un canal d'ecoulement horizontal, caracterise en ce que ce canal presente en partie un couvercle superieur 4 fait d'un materiau refractaire de 1S maniere que la surface du verre fondu qui s'ecoule est en contact avec le couvercle 4 sur l'essentiel de la longueur du parcours d'affinage, ce couvercle comportant au moins une ouverture 5 ou le verre fondu presenteune surface superieure libre pour la sortie des bulles 4. Dispositif selon une des revendications 1 a 3 comportant un parcours d'affinage sous la forme d'un canal d'ecoulement horizontal, caracterise en ce que au moins une chicane (l l a, b;13) est disposee dans le canal d'ecoulement 5. Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce que la chicane (lla, b; 13) est disposee de maniere a plonger au moins en partie dans le verre fondu 6. Dispositif selon les revendications 4 et 5, caracterise en ce que la chicane (1 la, b; 13) est montee dans la zone de la surface du verre fondu 7. Dispositif selon une des revendications 4 a 6, caracterise en ce que la chicane (lla, b; 13) est orientee parallelement ou avec un faible angle par rapport a la direction principale d'ecoulement du verre fondu 8. Dispositif selon une des revendications 5 a 7, caracterise en ce que la chicane (lla, b; 13) est orientee verticalement ou avec une falble inclinaison par rapport a la verticale 9. Dispositif selon une des revendications 5 a 8, caracterise en ce que la chicane (1 la, b; 13) est fixee de maniere rigide dans le canal d'ecoulement 10. Dispositif selon une des revendications 5 a 8, caracterise en ce que la chicane 3 5 (11 a, b; 13) est montee de maniere flexible dans le canal d'ecoulement 11. Dispositif selon une des revendications 5 a 10, caracterise en ce que la chicane (lla, b) est constitute par plusieurs barres (lla, b) paralleles a la direction d'ecoulement et reliees entre elles par des baguettes (12) 12. Dispositif selon une des revendications 5 a 10, caracterise en ce que la chicane est constituee par plusieurs corps d'ecoulement tons orientes parallelement a la