Brevet FR3023550A1 — publié le 20160115

DISPOSITIF DE FUSION DU VERRE COMPRENANT UN FOUR, UN CANAL ET UN BARRAGE L'invention concerne un dispositif de fusion de verre comprenant un four électrique à voûte froide pour la préparation de verre fondu. Le dispositif selon l'invention comprend un four électrique muni d'électrodes en contact avec la masse de matières vitrifiables, un canal reliant le four à un dispositif de transformation du verre fondu, et un barrage plongeant dans le verre empêchant la matière première non fondue et surnageante de passer par le canal et d'aller jusqu'au dispositif de transformation du verre. Dans ce type de dispositif, le barrage est habituellement placé dans le canal. Cependant, on s'est aperçu que le barrage pouvait retenir du verre figé pour le larguer ensuite de façon incontrôlée sous forme de particules solides dans le verre fondu. Un tel comportement est nuisible à la qualité du verre produit, notamment lorsque celui-ci doit alimenter des filières de fibrage. Pour pallier ce défaut, on a eu l'idée de placer le barrage non pas dans le canal, mais plus en amont, juste à la sortie du four. A cet endroit, le verre est plus chaud et est le siège de courants de convection, ces deux facteurs empêchant la formation de verre figé sur le barrage. La qualité du verre s'en trouve ainsi améliorée. Le four utilisé dans le cadre de l'invention est un four dit à voûte froide permettant de fondre des matières vitrifiables par la chaleur dégagée par effet Joule à partir d'électrodes plongeant dans les matières vitrifiables. La composition solide de matières vitrifiables est apportée par le dessus et forme une couche supérieure, également appelée croûte, recouvrant complètement le bain de matières en fusion. Selon l'art antérieur, les matières fondues sont extraites par la sole ou latéralement par une gorge pour passer dans un canal de distribution alimentant des dispositifs de fibrage. Un fibrage peut avoir lieu en continu directement après la fusion des matières vitrifiables. Lorsqu'une gorge est utilisée entre le four et le canal de distribution, on observe l'usure rapide des réfractaires délimitant la gorge, en particulier la partie supérieure de celle-ci. En effet, malgré l'utilisation de systèmes de refroidissement permettant de limiter l'attaque des réfractaires par les matières fondues à haute température, ces réfractaires doivent généralement être remplacés plus rapidement que les autres éléments en 3 0 2 3 5 5 0 2 réfractaire du four. Un tel remplacement nécessite en outre l'arrêt du four. De plus, une gorge est plus facilement sujette à la formation d'un bouchon lorsque le four est mis en mode veille pour maintenance ou en cas de coupure électrique. L'élimination du bouchon de verre solidifié est souvent impossible et nécessite 5 souvent la destruction et reconstruction de la gorge. Ce type de fabrication fonctionne généralement avec des tirées comprises entre 5 et 100 tonnes par jour. C'est le passage du verre dans les filières de fibrage qui limite la tirée. La transformation en fibres est donc l'étape déterminante du flux de verre au travers de tout le procédé (tirée). Ce type de four aux 10 dimensions relativement modestes (surface interne de sole comprise entre 1 m2 et 30 m2) est très flexible et peut être arrêté facilement à tout moment selon les circonstances. Il peut généralement fonctionner sans discontinuer entre 24 heures et 6 mois, voire plus. Le US6314760 enseigne un four circulaire à électrodes et à sole conique 15 alimentant un canal de distribution, le flux de verre entre le four et le canal passant par un tube en molybdène entouré d'une enveloppe parcourue par de l'eau de refroidissement. Le US3912488 enseigne un four circulaire à électrodes et à sole conique comprenant un orifice d'extraction des matières fondues au niveau du sommet du 20 cône de la sole, ledit orifice étant refroidi par une circulation d'eau. Le W02013098504 enseigne un procédé de fabrication de fibres minérales, le flux de matière vitrifiable fondue entre le four et le canal de distribution passant sous un barrage métallique réglable en hauteur comprenant une enveloppe refroidie par un courant de fluide de refroidissement. Le réglage de la hauteur du 25 barrage permet d'influer sur la température du verre à fibrer pour l'amener dans la plage de viscosité souhaitée pour le fibrage. La hauteur du barrage ne régule que la température et pas le débit de verre. Le US2002/0000101 enseigne un dispositif de fusion du verre comprenant un four circulaire muni d'une ouverture constituée par un tube en molybdène. 30 L'invention concerne en premier lieu un dispositif de fusion du verre comprenant un four muni d'électrodes en contact avec la masse de matières vitrifiables, ledit four comprenant une ouverture latérale reliée à un canal de distribution du verre fondu, un barrage amovible plongeant dans le verre dans le four. Selon l'invention, le barrage est à proximité de l'ouverture, dans le four devant l'ouverture ou dans l'ouverture et dans ce cas juste en sortie du four. Si l'on considère le plus grand cercle horizontal pouvant s'inscrire dans le four, hors barrage, et le plus en son aval, alors un plan vertical passant par la face amont du barrage touche ce cercle. Ce cercle est pris dans le plan horizontal passant par la plus haute côte de la sole du canal. Pour trouver le placement de ce cercle, on ne prend pas en compte le barrage, d'où l'expression « hors barrage ». Notamment, le barrage est de préférence dans le four et devant l'ouverture, en appuis contre les parois latérales du four de part et d'autre de l'ouverture. Le barrage est alors plus large que l'ouverture du four. Les réfractaires de part et d'autre de l'ouverture peuvent être qualifiés de « jambage » et constituent de bons appuis pour la face aval du barrage. Si la face amont du barrage n'est pas verticale mais un peu inclinée par rapport à la verticale, il suffit qu'il existe au moins un plan vertical passant par la face amont du barrage et touchant ce cercle précédemment défini pour que la condition sur la position du barrage selon l'invention soit remplie. Le positionnement du barrage selon l'invention est idéal pour éviter les dépôts de verre non fondu sur le barrage du fait de sa proximité avec les électrodes, ledit barrage étant en une zone plus chaude que dans le canal, et du fait qu'il est dans des mouvements de convection du verre fondu dans le four. L'utilisation du barrage amovible selon l'invention permet de fonctionner en mode stop & go, c'est-à-dire que l'on peut arrêter le dispositif et le redémarrer sans avoir à fracturer des réfractaires pour la remise en route. Le fait que le barrage soit dans la zone de fusion permet de développer une courroie de convection entre les électrodes et les parois du four, barrage inclus. Des modélisations ont prouvé qu'il n'y avait pas suffisamment de courroie de convection lorsque le barrage est trop loin dans le canal. L'ouverture du four servant à la coulée du verre par le canal est latérale, ce qui signifie qu'elle se trouve dans une paroi latérale du four, ladite paroi étant généralement verticale. Le barrage peut être en acier et refroidi par un fluide tel que de l'air ou de l'eau. Il peut aussi être en molybdène, en un alliage de métaux réfractaires, en céramique, en platine, en céramique ou réfractaire revêtue de platine, en alliage de métaux réfractaires revêtu de platine, en molybdène revêtu de platine, étant 3023 5 50 4 entendu qu'avec ces matériaux, il peut être non refroidi ou refroidi par un courant intérieur d'un fluide de refroidissement comme de l'air ou de l'eau. Le barrage est amovible au moins verticalement. Généralement, on le fait plonger dans le verre d'une hauteur hl à partir du dessous de la croûte de 5 matières premières, hl étant de préférence d'au moins 150 mm. La croûte de matière première a généralement une épaisseur comprise entre 80 et 350 mm. La hauteur h2 de verre sous le barrage est de préférence d'au moins 100 mm. Le barrage est avantageusement amovible latéralement, ce qui facilite son décollement d'avec la paroi latérale du four contre laquelle il est en contact. 10 Vu du dessus, le four peut avoir une forme polygonale, notamment carrée ou rectangulaire, ou être circulaire. La sole du four peut être plate ou peut comprendre une surface inclinée. La surface inclinée de la sole permet d'entrainer la matière vitrifiable fondue vers le point le plus bas de la sole en début de fusion. En effet, il est avantageux de rassembler le faible volume de matière vitrifiable 15 fondue au début du remplissage du four pour former un point chaud accumulant la chaleur. Cela permet d'aller plus vite en début de remplissage et en quelque sorte d'amorcer le fonctionnement du four. La surface inclinée peut-être celle d'un cône renversé dont le sommet est le point le plus bas de la sole du four. Il peut également s'agir d'un plan incliné dont l'intersection avec la paroi cylindrique du 20 four constitue une ligne courbe, laquelle présente un point le plus bas de la sole. D'autres formes sont possibles. De préférence, les électrodes sont à proximité de l'endroit où sont introduites les matières premières. Ainsi, si celles-ci sont susceptibles d'être introduites successivement en plusieurs endroits, on prévoit avantageusement de pouvoir déplacer les électrodes afin de pouvoir leur faire 25 suivre l'endroit d'introduction des matières premières. L'intérieur du four est muni de réfractaires venant en contact avec les matières vitrifiables, tant au niveau de la sole que de la paroi latérale. La paroi latérale comprend généralement une enveloppe métallique extérieure en contact avec l'air ambiant. Cette enveloppe métallique comprend en général deux cloisons 30 entre lesquelles circule un fluide de refroidissement comme de l'eau de refroidissement. Des électrodes sont au contact des matières vitrifiables pour les chauffer par effet joule. Les électrodes peuvent arriver dans le verre au travers de la sole, 3023 5 50 5 ou plonger par le dessus. Ces électrodes comprennent généralement une partie en molybdène au contact des matières vitrifiables. Pour le cas d'électrodes plongeant dans le verre par le dessus, elles peuvent de plus comprendre une partie en acier non en contact avec le verre, au-dessus des matières vitrifiables, 5 reliées à une tension électrique. L'introduction des électrodes par le dessus présente plusieurs avantages par rapport à la configuration selon laquelle les électrodes passeraient par la sole. Notamment, le passage par la sole nécessite la réalisation de blocs d'électrodes faisant le lien entre l'électrode et la sole, blocs particulièrement délicats à réaliser du fait que la sole est aussi refroidie par une 10 enveloppe métallique. Le nombre d'électrodes est adapté en fonction de la taille et de la tirée du four. Le four est équipé de moyens d'introduction des matières vitrifiables, ce qui inclut le calcin. Celles-ci sont généralement en poudre, voire en granulés, généralement jusqu'à un diamètre de 10 mm, ce qui signifie que plus de 90% du 15 poids de la matière vitrifiable est composé de particules, les deux points les plus éloignés de chaque particule étant inférieur à 10 mm. Les matières vitrifiables sont réparties de façon homogène sur toute la surface interne du four pour former une croûte recouvrant les matières fondues. Comme moyen d'introduction des matières vitrifiables, on peut utiliser une enfourneuse alimentant le four par le 20 dessus. Les matières vitrifiables sont projetées de façon uniforme sur toute la surface interne du four. Les matières vitrifiables non encore fondues forment une croûte en surface au-dessus des matières vitrifiables fondues. Cette croûte forme un écran thermique limitant les pertes thermiques par le dessus. Le four n'est généralement pas équipé de moyens d'agitation des matières vitrifiables (pas 25 d'agitateur mécanique ni de brûleur immergé) sauf éventuellement du type bouillonneur. La surface de verre dans le four en contact avec l'atmosphère du four, est généralement comprise entre 1 et 30 m2. En fonctionnement, la profondeur de matières vitrifiables (fondues + non fondues) est généralement comprise entre 200 30 et 1000 mm, et de préférence entre 300 et 800 mm, voire entre 400 et 600 mm. La tirée en fonctionnement du dispositif peut généralement être comprise entre 5 et 100 tonnes par jour. Le canal de distribution peut comprendre au moins un orifice en sa sole. Il peut en comprendre 2 ou 3 ou plus selon le nombre de dispositifs de transformation, notamment de fibrage, à alimenter simultanément. Le filet de matières vitrifiables fondues tombant au travers de cet orifice peut ensuite être orienté vers une machine de fibrage. Le flux de verre dans le canal est laminaire. La transformation en fibres peut être réalisée par un dispositif dit de centrifugation interne. Le principe du procédé de centrifugation interne est bien connu en lui-même de l'homme du métier. Schématiquement, ce procédé consiste à introduire un filet de matière minérale fondue dans un centrifugeur, encore appelé assiette de fibrage, tournant à grande vitesse et percé à sa périphérie par un très grand nombre d'orifices par lesquels la matière fondue est projetée sous forme de filaments sous l'effet de la force centrifuge. Ces filaments sont alors soumis à l'action d'un courant annulaire d'étirage à température et vitesse élevées longeant la paroi du centrifugeur, courant qui les amincit et les transforme en fibres. Les fibres formées sont entraînées par ce courant gazeux d'étirage vers un dispositif de réception généralement constitué par un tapis perméable aux gaz. Ce procédé connu a fait l'objet de nombreux perfectionnements dont notamment ceux enseignés dans les demandes de brevet européen EP0189534, EP0519797 ou EP1087912. Le dispositif selon l'invention est adapté à la fusion de tous types de verre. Le dispositif selon l'invention peut notamment être utilisé pour fondre des verres pour fibres aux compositions décrites dans l'un ou l'autre des documents W099/57073, W099/56525, W000/17117, W02005/033032, W02006/103376. La température de fibrage idéale dépend de la composition de la matière fondue. Généralement, on cherche à ce que sa viscosité soit comprise entre 25 Pa.s et 120 Pa.s. Ainsi, l'invention concerne également un procédé de préparation de verre comprenant la fusion de matières vitrifiables par le dispositif selon l'invention. Selon ce procédé, le canal du dispositif peut alimenter un dispositif de fibrage de laine de verre. Le verre final peut avoir une composition (composition A) comprenant : 5i02: 35 à 80% en poids, A1203: 0 à 30% en poids, Ca0+Mg0 : 5 à 35% en poids, Na20+K20 : 0 à 20% en poids, étant entendu qu'en général, Si02+A1203 est compris dans le domaine allant de 50 à 80% en poids et que Na20+K20+B203 est compris dans le domaine allant de 5 à 30% en poids. Les matières vitrifiables introduites peuvent correspondre à la composition d'une laine de verre (composition B) et comprendre: Si02 : 50 à 75% en poids A1203: 0 à 8% en poids Ca0+Mg0 : 5 à 20% en poids Oxyde de fer : 0 à 3% en poids Na20+K20 : 12 à 20% en poids B203: 2 à 10% en poids. Les matières vitrifiables introduites peuvent aussi correspondre à la composition d'une laine de verre laine de verre riche en alumine (composition C) et comprendre: Si02 : 35 à 50% en poids A1203: 10 à 30% en poids Ca0+Mg0 : 12 à 35% en poids Oxyde de fer : 2 à 10% en poids Na20+K20 : 0 à 20% en poids. Le verre dans le four a généralement une température supérieure à 1200°C. Il a par ailleurs généralement une température inférieure à 1700°C. Si le verre a la composition d'une laine de verre riche en alumine comme il vient d'être donné (composition C), alors sa température dans le four est généralement comprise entre 1350 et 1700°C. Si le verre a la composition d'une laine de verre classique (composition B), alors sa température dans le four est généralement comprise entre 1200 et 1420°C. La température est avantageusement suffisamment élevée pour que la viscosité n en poise du verre à 1 cm de la face amont du barrage soit telle que log10 i REVENDICATIONS1. Dispositif de fusion du verre comprenant un four muni d'électrodes en contact avec la masse de matières vitrifiables, ledit four comprenant une ouverture latérale reliée à un canal de distribution du verre fondu, un barrage amovible plongeant dans le verre dans ou devant l'ouverture de sorte qu'un plan vertical passant par la face amont du barrage touche le plus grand cercle horizontal pouvant s'inscrire le plus en aval dans le four hors barrage, ledit plus grand cercle étant à la hauteur de la plus haute côte de la sole du canal. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le barrage est plus large que l'ouverture latérale du four. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que le barrage est dans le four et en appui contre les parois latérales du four de part et d'autre de l'ouverture. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que le barrage est amovible verticalement. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que le barrage est amovible latéralement. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que les électrodes plongent dans le verre par le dessus. 7. Procédé de préparation de verre comprenant la fusion de matières vitrifiables par le dispositif de l'une des revendications précédentes. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le canal alimente un dispositif de fibrage de laine de verre. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que le verre comprend : Si02 : 35 à 80% en poids, A1203: 0 à 30% en poids, Ca0+Mg0 : 5 à 35% en poids, Na20+K20 : 0 à 20% en poids. 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que Si02+A1203 est compris dans le domaine allant de 50 à 80% en poids etNa20+K20+B203 est compris dans le domaine allant de 5 à 30% en poids. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que le verre comprend les éléments suivants : Si02 : 50 à 75% en poids A1203: 0 à 8% en poids Ca0+Mg0 : 5 à 20% en poids Oxyde de fer : 0 à 3% en poids Na20+K20 : 12 à 20% en poids B203: 2 à 10% en poids. 12. Procédé selon revendication 9, caractérisé en ce que le verre comprend les éléments suivants : Si02 : 35 à 50% en poids A1203: 10 à 30% en poids Ca0+Mg0 : 12 à 35% en poids Oxyde de fer : 2 à 10% en poids Na20+K20 : 0 à 20% en poids. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que la température du verre est suffisamment élevée pour que la viscosité n en poise du verre à 1 cm de la face amont du barrage soit telle que log10 i 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que la température du verre dans le four est comprise entre 1200 et 1700°C. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que la tirée est comprise entre 5 et 100 tonnes par jour.