Brevet FR2922883A1 — publié le 20090501

La présente invention se rapporte à une installation de synthèse de verres, du type réalisée en trois étapes respectivement de fusion, de trempe et de recuit. Elle concerne également un procédé de synthèse de verre. L'installation précitée comprend, de manière connue, un premier four de fusion et un second four de recuit. Après une première étape de fusion du verre, on réalise sa trempe, c'est-à-dire un refroidissement brutal, ce traitement ayant pour effet de figer l'état non cristallin ou désordonné du produit verrier. La troisième étape de recuit a, quant à elle, pour but de diminuer les tensions internes résiduelles au sein du verre. La deuxième étape de trempe qui, dans la pratique est mise en oeuvre lors du transfert du verre entre le four de fusion et le four de recuit, est jusqu'ici réalisée à "l'air libre", c'est à dire dans le milieu ambiant environnant les fours, de sorte que des polluants et/ou des contaminants contenus dans l'air, notamment de l'oxygène et des molécules d'eau, sont susceptibles de se combiner avec le verre et d'en modifier les caractéristiques. La présente invention vise donc à résoudre ce problème en proposant une installation de synthèse de verre au sein de laquelle les étapes de fusion, de trempe, et recuit puissent être mises en oeuvre sans être affectées par le milieu ambiant. Elle vise également à atteindre l'objectif précité à l'aide de moyens simples et faciles à utiliser Cette invention concerne donc une installation de synthèse de verre, du type réalisée en trois étapes respectivement de fusion, de trempe et de recuit, cette installation comportant un premier four de fusion et un second four de recuit, caractérisée par le fait que lesdits premier four de fusion et second four de recuit communiquent, de manière étanche, avec une enceinte de transfert et de trempe, isolée de l'extérieur, de sorte que le verre en fusion peut être retiré dudit premier four de fusion, puis être introduit dans le four de recuit, via ladite enceinte de transfert et de trempe, sans contact avec l'extérieur. Ainsi, lors du transfert entre les deux fours et au cours de l'étape de trempe qui en résulte, d'éventuels polluants/contaminants en suspension dans l'air environnant ne peuvent pas atteindre le verre. Les étapes de fusion, de trempe, le transfert du four de fusion au four de recuit et le recuit se font préférentiellement sous atmosphère inerte, notamment sans contact avec l'oxygène et l'humidité de l'air ambiant. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de cette installation : - l'un des fours a une orientation généralement verticale, tandis que l'autre a une orientation généralement horizontale, ladite enceinte occupant la région d'intersection des axes de ces deux fours ; - ledit four de fusion a une orientation généralement verticale ; - ladite enceinte est pourvue d'au moins un des équipements suivants : - un hublot permettant un accès visuel à l'intérieur de l'enceinte ; 20 - au moins une ouverture apte à être obturée de manière étanche par un gant, permettant à un opérateur d'y introduire la main et de procéder à des manipulations à l'intérieur de l'enceinte ; - un sas à entrée et sortie étanches, qui communique d'une part avec l'extérieur et, d'autre part, avec l'intérieur de l'enceinte ; 25 - ladite enceinte est pourvue de moyens qui permettent d'en contrôler et d'en modifier l'atmosphère ; - les dits moyens comprennent des moyens d'extraction d'eau et d'oxygène ; - lesdits moyens comprennent des moyens d'introduction d'un 30 gaz, en particulier un gaz inerte vis-à-vis du verre ; - elle comporte une canne de support du verre à fondre, cette canne étant apte à être déplacée de manière à ce que son extrémité distale supportant ledit verre puisse être sélectivement amenée dans le four de fusion, puis dans ladite enceinte, ou inversement ; 35 - elle comporte une canne de support du verre à recuire, cette canne étant apte à être déplacée de manière à ce que son extrémité distale 15 supportant ledit verre puisse être sélectivement amenée de ladite enceinte au four de recuit, ou inversement. L'invention concerne également un procédé de synthèse de verres, du type réalisée en trois étapes respectivement de fusion, de trempe et de recuit, à l'aide d'une installation comportant un premier four de fusion et un second four de recuit. Il est remarquable en ce que ladite étape de trempe est réalisée au sein d'une enceinte de transfert et de trempe, isolée de l'extérieur et reliée de manière étanche auxdits fours, de sorte que le verre en fusion peut être retiré dudit premier four de fusion, puis être introduit dans le four de recuit, via ladite enceinte de transfert et de trempe, sans contact avec l'extérieur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : -la figure 1 est une vue en perspective d'une installation conforme à la présente invention ; - la figure 2 est une vue de face de l'installation, certains 20 équipements qu'elle renferme étant visibles par transparence ; - la figure 3 est une vue de dessus de l'installation des figures 2et3; -la figure 4 est un schéma montrant, de face, l'extrémité distale d'une canne qui forme partie intégrante de l'installation, cette 25 extrémité portant un creuset de réception des constituants d'un verre à synthétiser. L'installation selon '"invention comprend essentiellement un four de fusion 2, un four de recuit 3 et une enceinte de transfert et de trempe 4 (ci-après appelée "enceinte" pour plus de commodité). 30 Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures annexées, ces trois éléments de l'installation sont montés sur un cadre métallique 1 qui comprend une première partie généralement verticale 10 et une partie généralement horizontale. Le four de fusion 2 utilisé ici est de type vertical tubulaire 35 (d'axe X-X'). La température maximale qu'il permet d'atteindre est de 1800°C en pointe, ce qui implique un choix de matériaux � tout céramique �. Il s'agit par exemple d'une alumine très pure (>99,9%, fournie par la société AMTS) et dense, de manière à obtenir un milieu réactionnel étanche aux pollutions gazeuses extérieures. Ce matériau usinable autorise des positionnements dimensionnels et géométriques rigoureux nécessaires pour résoudre d'éventuels problèmes d'étanchéité au niveau des raccords possédant des joints. En effet, travailler à haute température impose un système de refroidissement efficace pour ne pas rencontrer de problème de dégradation thermique aux abords de la zone tubulaire chaude du four 2. Pour cela, sont disposées à chaque extrémité du tube vertical 21 des circulations externes 6 d'eau réfrigérée directement en contact avec l'alumine, couramment appelées � boîtes à eau � ou � water-jackets�, dont l'étanchéité est assurée par des joints toriques type Viton. Les tolérances dimensionnelles et de positionnement géométrique des pièces usinées sont réalisées au dixième de mm. Les éléments chauffants du four 2 sont en disiliciure de molybdène (SuperKanthal -marque déposée-, MoSi2), disposés en arcs de cercle centrés sur l'axe X-X', de manière à obtenir une température homogène sur une hauteur de 10 cm environ à +/- 5 °C. La gamme de température de synthèse décrite par l'appareillage est adaptable sous réserve du changement des éléments chauffants. Ainsi, pour de basses températures, on utilisera préférentiellement des éléments chauffants métalliques, alors qu'à haute température, les éléments en SuperKanthal sont davantage adaptés. La lecture et l'asservissement thermiques sont assurés à la fois par des thermocouples Pt/RI-00 û Pt/Rh40 à l'extérieur du tube, et par une canne pyrométrique située à l'intérieur du tube, juste au dessus du creuset qui contiendra la fonte verrière. Utilisant les mêmes matériaux que ceux du four 2, le four de recuit 3 est quant à lui horizontal (d'axe Y-Y'). Sa température maximale est de 1200°C. II possède également un système de circulations externes 6 d'eau réfrigérée à chacune de ses extrémités. La température est contrôlée par deux thermocouples de type S. Ce second four communique, à l'opposé de l'enceinte 4, avec un conduit tubulaire 80 dans lequel peut coulisser une canne de support de verre 8. L'enceinte 4 est en acier inoxydable. Elle présente une forme généralement cylindrique, d'axe vertical confondu avec l'axe X-X' du four 2. Elle communique avec les deux fours 2 et 3 grâce à deux raccords 20 et 30 en forme de conduits tubulaires. Cette implantation de l'enceinte 4 vis-à-vis des fours 2 et 3 est 10 particulièrement pratique en termes de manipulation et d'encombrement de l'espace. De manière générale, on préférera une implantation dans laquelle l'un des fours a une orientation généralement verticale, tandis que l'autre a une orientation généralement horizontale, ladite enceinte occupant 15 la région d'intersection des axes de ces deux fours. Par l'expression "intersection des axes", on entend non seulement le cas de figure dans lequel ces axes se coupent effectivement, mais également celui dans lequel, quand l'installation est vue de face, ces axes semblent se couper. C'est d'ailleurs le cas de la présente installation. 20 La partie supérieure bombée de l'enceinte 4 est équipée d'un hublot 41 étanche en verre de 10 mm d'épaisseur. II permet un accès visuel à l'intérieur de l'enceinte. La paroi verticale de l'enceinte est par ailleurs équipée de deux ouvertures 40 aptes à être obturées de manière étanche par un gant 25 non représenté, permettant à un opérateur d'y introduire la main et de procéder à des manipulations à l'intérieur de l'enceinte. Cette paroi est également pourvue d'un sas 44 d'entrée/sortie, qui s'étend horizontalement. Il permet notamment d'introduire des objets dans l'enceinte 4, directement de l'extérieur, tout en garantissant une 30 parfaite étanchéité de l'enceinte 4. A cet effet, il présente à chacune de ses extrémités des parois étanches. II est, par ailleurs, pourvu de moyens permettant d'y faire le vide, puis d'y injecter un gaz (en l'occurrence le même que celui résidant dans l'enceinte 4). Enfin, la paroi inférieure de l'enceinte 4 est ouverte en son 35 centre et communique avec un conduit tubulaire 70, dirigé vers le bas, dans lequel est introduite une canne de support de verre, ainsi que nous le verrons en détail plus loin dans la description. Un système de vis/écrous et joints toriques non représentés garantissent une parfaite étanchéité entre la canne et le conduit. Le caractère étanche de tous les équipements de l'enceinte autorise la mise en oeuvre de cycles de vide / remplissage en gaz. Plusieurs entrées, par exemple de type DN, sont également prévues pour l'approvisionnement en gaz, de l'enceinte, pour une sonde de mesure de pression reliée à un manomètre extérieur 43, et pour un bulleur. Un purificateur 5, seulement visible à la figure 1, est relié à l'enceinte 4. II a essentiellement pour fonction de permettre de travailler au sein de l'enceinte sous atmosphère, mais en l'absence (ou quasi-absence) de vapeur d'eau et d'oxygène. Le gaz sortant d'une bouteille type B50 de la société Air 15 Liquide passe sur un tamis de cuivre activé pour capter l'oxygène, et sur un tamis moléculaire d'alumine pour retenir l'eau par adsorption. Ainsi, les teneurs atteintes à l'intérieur de l'enceinte 4 peuvent atteindre 0,1 ppm O2 et 1 ppm H2O. De plus, cet appareil est utilisé pour la gestion de la circulation 20 interne de gaz sec et de la pression interne de l'enceinte 4. Pour éviter au maximum l'entrée d'espèces chimiques non désirées, une pression très légèrement positive (100 Pa) est maintenue constante par asservissement d'une électrovanne à un manomètre. Il est nécessaire de régénérer les tamis précités de temps en 25 temps, quand leur capacité adsorbante chute. On réalise cette opération en chauffant les tamis jusqu'à 300°C sous un flux de gaz réducteur de type RH4 (96% N2, 4% H2). Les autres gaz utilisés au cours des manipulations sont de l'azote et de l'argon. 30 Travailler à haute température (T>1500°C) requiert une attention particulière relative aux matériaux constitutifs de l'installation et des creusets utilisés pour recevoir la composition verrière 74. Ces creusets (non visibles sur les figures) sont déplacés au sein des deux fours à l'aide des cannes précitées 7 et 8. 35 La canne 7, elle est préférentiellement constituée de trois tronçons emboîtés les uns dans les autres. La partie inférieure en acier inoxydable est creuse, de manière à permettre une circulation interne d'eau réfrigérée 6. Sur cette pièce sont fixées deux tronçons en alumine, de qualité sensiblement différente de celle des fours. Une alumine possédant une porosité plus importante, ayant une susceptibilité moindre vis-à-vis des changements brusques de température, est préférée. La canne 7 est immobilisée en translation, de préférence à l'aide d'un système vis/écrou. L'extrémité de la canne horizontale 8 pénétrant dans le four 3 de recuit a été usinée dans un barreau de molybdène de haute pureté (TZM), de manière à résister jusqu'à 1200°C. Toutefois, il est nécessaire de travailler sous gaz neutre, le molybdène étant sujet à l'oxydation à haute température. Le matériau constituant les creusets est adapté en fonction du verre synthétisé. D'une manière générale, sous air, il est préférable d'utiliser de l'alumine, car elle ne craint pas l'oxydation lors de la fusion. Pour la synthèse de compositions de verre oxy-azotées, le creuset en alumine doit être maintenu sous atmosphère réductrice (N2) pour prévenir tout risque de corrosion par le verre fondu. On peut aussi utiliser du nitrure de bore pyrolytique, qui ne pose pas de problème de tenue aux chocs thermiques, en raison de sa bonne conductibilité de la chaleur. De plus, il est chimiquement plus inerte que l'alumine. Selon la nature chimique et la quantité de verre souhaitée, il était nécessaire d'avoir plusieurs formes de réalisation de creusets à 25 disposition. En plus des creusets classiques en alumine ou nitrure de bore, on peut disposer de creusets de plus petite taille, permettant de travailler avec des quantités de matière de 1 à 5 g. Ainsi, en référence à la figure 4, on fait usage de petits creusets 74 en nitrure de bore, posés sur de 30 la poudre 73 de nitrure de bore, elle-même en place dans un grand creuset 72 disposé sur un porte-creuset 71. Les grands creusets peuvent être fabriqués manuellement par pliage d'une feuille de molybdène. Sous atmosphère azotée, on peut utiliser des moules en 35 graphite recouvert d'une fine couche de poudre de nitrure de bore pour leur propriétés de non-mouillabilité et d'inertie chimique, ce qui facilite le démoulage du produit de coulée. Ci-après sont décrites les différentes étapes mises en oeuvre pour la synthèse d'un verre : On procède d'abord à la désorption des poudres constitutives du verre, ainsi qu'à la décarbonatation des carbonates (800 °C, une nuit). Les réactifs sont ensuite pesés, puis co-broyés dans un broyeur à boulets, le creuset et les billes étant en alumine corindon. La poudre broyée est alors pastillée puis placée dans un creuset (alumine ou nitrure de bore selon l'atmosphère de synthèse). On ouvre alors le sas 44 pour y introduire le creuset, puis on le referme. On procède alors à sa mise sous vide, puis à l'injection d'un gaz identique à celui utilisé dans l'enceinte 4. Une fois la pression équilibrée entre le sas 44 et l'enceinte 4, on ouvre la communication qui les sépare et on transfère le creuset dans l'enceinte 4. Une fois le creuset placé dans l'enceinte 4, les gants sont mis en place et le balayage de gaz commence. Le four de fusion 2 est mis sous tension en suivant une rampe de montée en température à 5°C/min maximum, la canne verticale 7 en 20 alumine étant placée en position haute. Le four de recuit 3 est lui aussi mis en chauffe, avec une consigne de montée comparable. Le moule de coulée en graphite est placé sur une pelle, à l'extrémité de la canne horizontale 8 en molybdène. Une fois le four 2 parvenu à la température désirée, on 25 descend la canne 7 brièvement pour installer le creuset sur son support. On replace alors l'ensemble dans la chambre chaude du four 2. La fusion étant réalisée, la pelle de coulée est amenée dans l'enceinte 4, et la canne verticale 7 est abaissée. On saisit le creuset à l'aide de pinces de manipulation (préalablement mises en place dans l'enceinte) 30 pour le verser dans le moule, toujours sous atmosphère contrôlée. Tous les éléments sont rapidement replacés dans leur four respectif. Le maintien à la température de transition vitreuse dure une trentaine de minutes dans le four 3, moment à partir duquel la température du four de recuit 3 amorce une descente jusqu'à l'ambiante à une vitesse 35 de 1 à 2°C/min. Le verre est extrait de l'enceinte 4 par le sas 44. 5 Bien entendu, bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, l'installation selon l'invention pourrait être pourvue de moyens automatisés permettant de déplacer la composition verrière du four 2 vers l'enceinte, et de l'enceinte vers le four 3. Par ailleurs, une disposition des fours, autre que celle décrite ici, peut être envisagée. Ainsi, on peut prévoir un agencement exclusivement horizontal des fours. 15 20 25 30 REVENDICATIONS 1. Installation de synthèse de verre, du type réalisée en trois étapes respectivement de fusion, de trempe et de recuit, cette installation comportant un premier four de fusion (2) et un second four de recuit (3), caractérisée par le fait que lesdits premier four de fusion (2) et second four de recuit (3) communiquent, de manière étanche, avec une enceinte de transfert et de trempe (4), isolée de l'extérieur, de sorte que le verre en fusion peut être retiré dudit premier four de fusion (2), puis être introduit dans le four de recuit (3), via ladite enceinte de transfert et de trempe (4), sans contact avec l'extérieur. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'un (2) des fours (2, 3) a une orientation généralement verticale, tandis que l'autre (3) a une orientation généralement horizontale, ladite enceinte (4) occupant la région d'intersection des axes (X-X' ; Y-Y') de ces deux fours (2, 3). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit four de fusion (2) a une orientation généralement verticale. 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ladite enceinte (4) est pourvue d'au moins un des équipements suivants : - un hublot (41) permettant un accès visuel à l'intérieur de l'enceinte ; - au moins une ouverture (40) apte à être obturée de manière étanche par un gant, permettant à un opérateur d'y introduire la main et de procéder à des manipulations à l'intérieur de l'enceinte ; - un sas (44) à entrée et sortie étanches, qui communique d'une part avec l'extérieur et, d'autre part, avec l'intérieur de l'enceinte. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ladite enceinte (4) est pourvue de moyens (5) qui permettent d'en contrôler et d'en modifier l'atmosphère. 9. Installation selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que les dits moyens (5) comprennent des moyens d'extraction d'eau et d'oxygène.7. Installation selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée par le fait que lesdits moyens (5) comprennent des moyens d'introduction d'un gaz, en particulier un gaz inerte vis-à-vis du verre. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte une canne (7) de support du verre à fondre, cette canne (7) étant apte à être déplacée de manière à ce que son extrémité distale (71) supportant ledit verre puisse être sélectivement amenée dans le four de fusion (2), puis dans ladite enceinte (4), ou inversement. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte une canne (8) de support du verre à recuire, cette canne (8) étant apte à être déplacée de manière à ce que son extrémité distale (81) supportant ledit verre puisse être sélectivement amenée de ladite enceinte (4) au four de recuit (3), ou inversement. 10. Procédé de synthèse de verre, du type réalisée en trois étapes respectivement de fusion, de trempe et de recuit, à l'aide d'une installation comportant un premier four (2) de fusion et un second four (3) de recuit, caractérisé par le fait que ladite étape de trempe est réalisée au sein d'une enceinte (4) de transfert . et de trempe, isolée de l'extérieur et reliée de manière étanche auxdits fours (2 ; 3), de sorte que le verre en fusion peut être retiré dudit premier four de fusion (2), puis être introduit dans le four de recuit (3), via ladite enceinte (4) de transfert et de trempe, sans contact avec l'extérieur.25