Brevet FR3148022A1 — publié le 20241025

Armaturage de four verrier L’invention concerne un four (1) verrier au moins en partie électrique comprenant une cuve (2) de fusion en matériaux réfractaires, adaptée pour contenir un bain (3) de matières vitrifiables en fusion, et une pluralité d’électrodes (4) de chauffage adaptées pour amener du courant électrique dans ledit bain, ladite cuve (2) étant maintenue en place par une armature (6) métallique, ledit four étant caractérisé en ce que ladite armature (6) comprend un ensemble d’isolants électriques (7) qui forment une barrière de confinement électrique de la cuve (2). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Armaturage de four verrier La présente invention appartient au domaine général de la production de verre. Elle concerne plus particulièrement un four verrier au moins en partie électrique adapté pour la fusion de matières vitrifiables. Elle concerne également un procédé de fusion de matières vitrifiables de sorte à pouvoir fabriquer du verre. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans la production de laine de verre, de laine de roche, de fils de verre textile et/ou de verre plat ou creux. Dans la présente description, on comprend par « matières vitrifiables », ou « matières premières », tous les matériaux, minerais naturels ou produits synthétisés, matériaux issus de recyclage du type calcin etc.., qui peuvent entrer dans la composition venant alimenter un four verrier. Cela inclut le sable silicique, mais également tous les additifs (carbonate de sodium, calcaire, dolomie, alumine…), les déchets (incluant des fibres minérales) qui peuvent être issus de la production desdites fibres ou de chantiers (construction ou déconstruction), tous les combustibles liquides ou solides éventuels (plastique de matériau composite ou non, matières organiques, charbons), et tout type de calcin. Sont également inclus des matériaux recyclables contenant des éléments combustibles (organiques) tels que par exemple, les fibres minérales ensimées, avec liant (du type de celles utilisées dans l’isolation thermique ou acoustique ou de celles utilisées dans le renforcement de matière plastique), les vitrages feuilletés avec des feuilles de polymère du type polyvinylbutyral tels que des parebrises, des bouteilles en verre (calcin ménager), ou tout type de matériau “ composite ” associant du verre et des matériaux plastiques tels que certaines bouteilles. Sont également recyclables les “ composites verre-métal ou composés métalliques ” tels que vitrages fonctionnalisés avec des revêtements contenant des métaux. Dans la description, le « bain de matières vitrifiables » ou « bain de verre » désigne le produit de la fusion de ces matières premières. De même, on comprend par « verre » le verre au sens large, c'est-à-dire englobant tout matériau à matrice vitreuse, vitrocéramique ou céramique. En outre, le terme de « fabrication » comprend l'étape de fusion indispensable des matières vitrifiables et, le cas échéant, toutes les étapes ultérieures/complémentaires visant à affiner/conditionner le verre en fusion en vue de sa mise en forme définitive, notamment sous forme de verre plat (vitrages), de verre creux (flacons, bouteilles), de verre sous forme de laine minérale (en particulier laine de roche ou laine de verre) utilisée pour ses propriétés d'isolation thermique ou phonique, ou même éventuellement de verre sous forme de fils dits textile utilisés dans le renforcement. On connaît de l’état de la technique différents exemples de conception de fours électriques dans lesquels le courant est conduit dans le bain de matières vitrifiables par des électrodes de chauffage. De telles électrodes peuvent être de type dit « immergées » - en étant disposées verticalement dans le bain à partir de la sole du four ou horizontalement, en passant au travers des parois latérales du four – et/ou être de type « plongeantes », en étant immergées à partir de la surface libre du bain. De manière surprenante, les inventeurs ont constaté l’existence de courants de fuite au travers de la cuve de fusion du four verrier en matériaux réfractaires, en dépit de la nature d’isolant électrique de ces derniers. Ceci s’explique par la réduction localisée de l’épaisseur de la cuve, du fait de la corrosion des réfractaires par le bain de verre au cours de la vie du four, et/ou par l’infiltration de verre liquide conducteur de courant dans l’épaisseur de la cuve. Ces courants de fuite non désirés donnent lieu à un échauffement localisé du réfractaire, ce qui nuit à sa tenue dans le temps. Ils constituent de plus une perte d’énergie inutile qui impacte le bilan énergétique du four. Les courts-circuits à la terre engendrés par ces courants de fuite peuvent de plus endommager le matériel. Enfin, ces courants de fuite augmentent les risques d’électrocution – d’une intensité potentiellement mortelle - pour un opérateur positionné à proximité du four dans l’hypothèse d’un contact accidentel avec une pièce mise sous tension. La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant. A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention concerne un four verrier au moins en partie électrique comprenant une cuve de fusion en matériaux réfractaires, adaptée pour contenir un bain de matières vitrifiables en fusion, et une pluralité d’électrodes de chauffage adaptées pour amener du courant électrique dans ledit bain, ladite cuve étant maintenue en place par une armature métallique, ledit four étant caractérisé en ce que ladite armature comprend un ensemble d’isolants électriques qui forment une barrière de confinement électrique de la cuve. Au sens de l’invention, l’armature métallique désigne un assemblage destiné à maintenir ensemble, à renforcer et à soutenir les différentes parties de la cuve en réfractaires. Au sens de l’invention, et conformément aux normes ISO/R836 ou AFNOR NF B 40-001, on désigne par matériaux « réfractaires » les matières et produits autres que les métaux et alliages (sans que soient exclus ceux contenant un constituant métallique), dont la résistance pyroscopique est équivalente à 1500 °C au minimum. Cette définition signifie que les matériaux réfractaires doivent résister à 1500 °C au minimum sans ramollir et sans s’affaisser sous leur propre poids selon la norme du test de résistance pyroscopique. L’invention repose d’une part sur le constat surprenant fait par les inventeurs de l’existence de courants de fuite au travers de la cuve de fusion du four verrier en matériaux réfractaires, en dépit de la nature d’isolant électrique de ces derniers, et d’autre part sur le concept nouveau et inventif consistant doter l’armature métallique qui maintient en place la cuve d’un ensemble d’isolants électriques dans l’objectif de confiner électriquement cette cuve de fusion et ainsi d’éviter ou au moins, de limiter la génération de ces courants de fuite. L’interdiction de ces courants de fuite permet de limiter les risques de dégradation prématurée de la cuve, de réduire la consommation énergétique du four ou au moins, d’optimiser sa capacité de fusion, de prévenir les courts-circuits à la terre pouvant endommager le matériel, et de limiter les risques d’électrocution d’un opérateur. Selon un mode de réalisation particulier, le four verrier comprend une voûte, préférentiellement froide, maintenue en place par ladite armature métallique, ledit ensemble d’isolants électriques formant également une barrière de confinement électrique de la voûte. Selon un mode de réalisation particulier, au moins un isolant électrique est agencé en contact direct avec la cuve ou la voûte. Un tel positionnement de l’isolant électrique permet de limiter spatialement l’étendue des zones pouvant être mises sous tension, et donc les risques d’électrocution. Selon un mode de réalisation particulier, au moins un isolant électrique est séparé de la cuve ou de la voûte par l’intermédiaire d’au moins un élément de ladite armature. Un tel montage dit « déporté » de l’isolant électrique est plus aisé à mettre en œuvre, mais a pour inconvénient d’étendre à une partie de l’armature la zone pouvant être mise sous tension. Selon un mode de réalisation particulier, ladite armature comprend au moins un poussoir de maintien d’une paroi latérale de la cuve ou de la voûte, préférentiellement par l’intermédiaire d’un caillebotis, d’un fer de type cornière ou en U, ou d’une plaque, et au moins un isolant électrique agencé entre le poussoir et la cuve ou la voûte, préférentiellement entre le poussoir d’une part et le caillebotis, le fer, ou la plaque d’autre part. Un tel poussoir constitue donc un exemple d’isolant électrique adapté pour être monté alternativement en contact direct avec la cuve ou la voûte, ou de manière « déportée » au sein de l’armature. Selon un mode de réalisation particulier, ledit ensemble d’isolants électriques comprend un manchon d’isolation électrique d’une plaque, ou d’un axe, destinée à être en contact électrique avec la cuve ou la voûte. Un tel manchon constitue donc un exemple d’isolant électrique adapté pour être monté de manière « déportée » au sein de l’armature. Selon un mode de réalisation particulier, ledit ensemble d’isolants électriques comprend une brique, préférentiellement en zircon, adaptée pour isoler électriquement une poutre et/ou un fer plat destiné à être en contact avec la cuve ou la voûte, ladite brique étant préférentiellement fixée au sein d’un fer oméga. Une telle brique constitue donc un exemple d’isolant électrique adapté pour être monté de manière « déportée » au sein de l’armature. Selon un mode de réalisation particulier, au moins un desdits isolants électriques appartient au groupe comprenant le zircon, les isolants à forte résistivité électrique et forte résistance à la compression, tels que l’Isoref 140, des plastiques haute performance, des fibres composites (verre epoxy, fibrociment), des matériaux à base de mica stratifié avec résines. Ce groupe de matériaux allie performances d’isolation électrique et mécaniques, et est donc particulièrement adapté à l’invention. Selon un mode de réalisation particulier, ledit ensemble d’isolants électriques forme également une barrière de confinement électrique desdites électrodes de chauffage. Les inventeurs ont en effet constaté l’existence de courants de fuite circulant par l’intermédiaire des électrodes de chauffage. L’isolation électrique de ces dernières fournit une réponse à ce risque. Selon un mode de réalisation particulier, le four verrier comprend au moins un instrument de mesure d’une variable physique au sein de la cuve et/ou de la voûte, préférentiellement un thermocouple, ledit ensemble d’isolants électriques formant également une barrière de confinement électrique dudit instrument de mesure. Les inventeurs ont en effet constaté l’existence de courants de fuite circulant par l’intermédiaire d’un tel instrument de mesure. L’isolation électrique de ce dernier fournit une réponse à ce risque. Selon un mode de réalisation particulier, le four verrier est caractérisé en ce qu’il est totalement électrique, en ce qu’il comprend préférentiellement une voûte froide, et en ce que ladite cuve de fusion est préférentiellement dimensionnée de sorte que ledit bain de matières vitrifiables en fusion présente en surface une aire supérieure à 6 m², préférentiellement supérieure à 13 m², préférentiellement supérieure à 19 m², préférentiellement supérieure à 25 m², préférentiellement supérieure à 40 m², préférentiellement supérieure à 60 m², préférentiellement supérieure à 100 m², et présente préférentiellement entre deux parois opposées de ladite cuve une distance supérieure à 2,5 m, préférentiellement supérieure à 3,1 m, préférentiellement supérieure à 5 m, préférentiellement supérieure à 6,5 m De telles dimensions se rapportent à des fours électriques dits de grande taille, pour lesquels la mise en œuvre d’un système diphasé est particulièrement avantageuse. Selon un mode de réalisation particulier, le four verrier est de type hybride et comprend des moyens de chauffe par combustion, préférentiellement des brûleurs immergés et/ou émergés, et une voûte chaude. Selon un mode de réalisation particulier, au moins une électrode de chauffage est plongeante à partir de la surface libre dudit bain et alimentée en courant électrique par une installation électrique adaptée pour générer un courant alternatif diphasé ou triphasé. En comparaison avec les électrodes dites de type « immergé », les électrodes plongeantes présentent un certain nombre d’avantages. Tout d'abord, elles évitent les difficultés liées au passage des électrodes immergées à travers le réfractaire, et, également, les problèmes de remplacement de ces électrodes lorsqu’usées, les problèmes d'étanchéité de la cuve de fusion ou encore d'usure des réfractaires, notamment dus à une température élevée qui favorise l'attaque du réfractaire et à de puissants courants de convection qui se développent à proximité des électrodes en cours de fonctionnement. Le courant triphasé présente de nombreux avantages, au premier rang desquels le fait que c’est là le courant dit « industriel » qui est communément distribué aux usines par les fournisseurs d’énergie, d’où l’adaptation des machines qui en découle. Le courant triphasé délivre de plus une puissance instantanée sans composante pulsée contrairement, par exemple, au courant monophasé. A noter cependant que le principe d’équilibre des phases tend à la mise en œuvre d’une disposition triangulaire ou hexagonale des électrodes à la surface du bain de verre. Si une telle contrainte géométrique ne semble a priori pas poser de problème rédhibitoire dans le contexte d’un four électrique de petite taille, il en pose en revanche dans le contexte d’un four électrique de grande taille, dont le bain de verre s’étend sur plus de 25 m², préférentiellement plus de 49 m², et dans lequel la largeur de bord à bord du bain de verre est supérieure à 5 m, préférentiellement supérieure à 7 m. Dans une telle configuration et au vu des contraintes géométriques précitées, le courant tend à se concentrer entre les électrodes d’un même bord de cuve et/ou de bords adjacents, réduisant ainsi la distance parcourue par le courant au sein du bain de verre et donc la résistance du bain de verre au passage de ce courant. Pour une puissance électrique prédéterminée correspondant à l’énergie nécessaire à la fusion des matières vitrifiables, et dans le contexte d’un bain de verre n’offrant qu’une résistance réduite, il est ainsi nécessaire d’accroître l’intensité du courant délivré. Or, l’usure des électrodes et des réfractaires constituant la cuve augmente avec l’intensité du courant délivré par électrode. Afin de pallier ce problème d’usure, la solution qui s’impose naturellement est de répartir le courant délivré entre un plus grand nombre d’électrodes, ce qui a cependant pour inconvénient d’augmenter les coûts d’exploitation de ces électrodes – ces dernières étant plus nombreuses - sans pour autant résoudre certains problèmes d’inhomogénéité de distribution du courant électrique au sein du bain de verre. Selon un mode de réalisation particulier, l’invention se rapporte à un procédé de fusion de matières vitrifiables mis en œuvre au moyen d’un tel four verrier, et caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de chauffage électrique dudit bain de matières vitrifiables en fusion au moyen de ladite pluralité d’électrodes. Selon un mode de réalisation particulier, l’invention se rapporte également à un procédé de fabrication de laine de verre, de laine de roche, de fils de verre textile et/ou de verre plat ou creux, caractérisé en ce qu’il met en œuvre un tel procédé de fusion. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : la représente schématiquement et selon une vue de profil un four verrier électrique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; la représente schématiquement et selon une vue de profil un type d’isolant électrique monté sur un poussoir de l’armature d’un four verrier électrique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; la représente schématiquement et selon une vue de profil un type d’isolant électrique, en l’espèce un manchon, monté sur l’armature d’un four verrier électrique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; la représente schématiquement et selon une vue de profil un type d’isolant électrique, en l’espèce une brique, monté sur l’armature d’un four verrier électrique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; la est un diagramme de flux illustrant les étapes successives d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation particulier de l’invention. La représente schématiquement et selon une vue de profil un four verrier électrique 1. Un tel four verrier 1 comprend une cuve 2 de fusion en matériaux réfractaires adaptée pour contenir un bain 3 de matières vitrifiables en fusion et une pluralité d’électrodes 4, dont des électrodes immergées (une seule est représentée sur la , à des fins de simplification illustrative) et des électrodes plongeantes, dont les bras sont de section carrée, qui sont immergées à partir de la surface libre dudit bain 3. Toutes ces électrodes 4 sont alimentées en courant électrique par une installation électrique. Un four verrier 1 selon l’invention est en particulier caractérisé en ce que ladite installation électrique est adaptée pour générer un courant alternatif diphasé. Selon le mode de réalisation particulier illustré à la , le four 1 est totalement électrique et est équipé d’une voûte froide 5. Selon des modes de réalisations alternatifs, un tel four verrier est de type hybride et comprend, en plus des électrodes, des moyens de chauffe par combustion, préférentiellement des brûleurs immergés et/ou émergés, et une voûte chaude. Tel qu’illustré par la , la cuve 2 et la voûte 5 sont maintenues en place par une armature 6 métallique. Cette armature 6 comprend un ensemble d’isolants électriques 7 qui forment une barrière de confinement électrique de la cuve 2 et de la voûte 5. Il est ainsi possible d’éviter ou au moins, de limiter la génération de courants de fuite depuis le bain de verre. Ces isolants électriques peuvent prendre différentes formes, et être mis en œuvre dans différents systèmes mécaniques au sein de l’armature métallique, tel que détaillé dans la suite de cette description. Selon un mode de réalisation particulier illustré à la , un tel isolant électrique 7 est monté sur un poussoir 8 de maintien d’une paroi latérale de la cuve 2 (ou de la voûte 5). Plus précisément, l’isolant électrique 7, sous la forme d’une plaque, est agencé au contact direct de la cuve 2, entre le poussoir 8 et cette dernière. Tel qu’illustré par la , un caillebotis, un fer de type cornière ou en U, ou une plaque 14, peut être agencé entre l’isolant électrique 7 et la cuve 8, notamment afin de répartir sur une plus grande surface de la cuve les forces de compression exercées par le poussoir 8. L’isolant électrique 7 est alors agencé selon un montage dit « déporté », puisque séparé de la cuve 2 par l’intermédiaire d’au moins un élément de l’armature 6 métallique. Selon un mode de réalisation particulier illustré à la , l’ensemble d’isolants électriques 7 comprend un manchon 9 d’isolation électrique agencé autour d’une plaque métallique 11 qui est elle-même en contact électrique avec la cuve 2 (ou la voûte 5). Le manchon 9 est alors agencé selon un montage dit « déporté », puisque séparé de la cuve 2 par l’intermédiaire d’au moins un élément de l’armature 6 métallique, en l’espèce, la plaque métallique 11. Selon un mode de réalisation particulier illustré à la , l’ensemble d’isolants électriques 7 comprend une brique 10 en zircon ou tout autre matériau réfractaire ou isolant de résistivité électrique et de résistance à la compression suffisantes, tel que l’Isoref C140 par exemple, qui est agencée entre un fer oméga 13 d’une part, et un fer plat 12 d’autre part, ce fer plat 12 étant lui-même en contact avec la sole de la cuve 2. La brique 10 est alors agencée selon un montage dit « déporté », puisque séparée de la cuve 2 par l’intermédiaire d’au moins un élément de l’armature 6 métallique, en l’espèce, le fer plat 12. La est un diagramme de flux illustrant les étapes successives d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation particulier de l’invention, qui comprend une première étape S1 de fusion de matières vitrifiables par chauffage électrique dudit bain 3 de matières vitrifiables au moyen d’un courant alternatif diphasé, et une deuxième étape S2 de fabrication de laine de verre, de laine de roche, de fils de verre textile et/ou de verre plat ou creux. Four (1) verrier au moins en partie électrique comprenant une cuve (2) de fusion en matériaux réfractaires, adaptée pour contenir un bain (3) de matières vitrifiables en fusion, et une pluralité d’électrodes (4) de chauffage adaptées pour amener du courant électrique dans ledit bain, ladite cuve (2) étant maintenue en place par une armature (6) métallique, ledit four étant caractérisé en ce que ladite armature (6) comprend un ensemble d’isolants électriques (7) qui forment une barrière de confinement électrique de la cuve (2). Four (1) verrier selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il comprend une voûte (5), préférentiellement froide, maintenue en place par ladite armature (6) métallique, ledit ensemble d’isolants électriques (7) formant également une barrière de confinement électrique de la voûte (5). Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’au moins un isolant électrique (7) est agencé en contact direct avec la cuve (2) ou la voûte (5). Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’au moins un isolant électrique (7) est séparé de la cuve (2) ou de la voûte (5) par l’intermédiaire d’au moins un élément de ladite armature (6). Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite armature (6) comprend au moins un poussoir (8) de maintien d’une paroi latérale de la cuve (2) ou de la voûte (5), préférentiellement par l’intermédiaire d’un caillebotis, d’un fer de type cornière ou en U, ou d’une plaque (14), et au moins un isolant électrique (7) agencé entre le poussoir (8) et la cuve (2) ou la voûte (5), préférentiellement entre le poussoir (8) d’une part et le caillebotis, le fer, ou la plaque d’autre part. Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit ensemble d’isolants électriques (7) comprend un manchon (9) d’isolation électrique d’une plaque (11), ou d’un axe, destinée à être en contact électrique avec la cuve (2) ou la voûte (5). Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit ensemble d’isolants électriques (7) comprend une brique (10), préférentiellement en zircon, adaptée pour isoler électriquement une poutre et/ou un fer plat (12) destiné à être en contact avec la cuve (2) ou la voûte (5), ladite brique (10) étant préférentiellement fixée au sein d’un fer oméga (13). Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’au moins un desdits isolants électriques (7) appartient au groupe comprenant le zircon ou tout autre matériau réfractaire ou isolants , tels que l’Isoref C140, des fibres composites (verre epoxy, fibrociment), des matériaux à base de mica stratifié avec résines. Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit ensemble d’isolants électriques (7) forme également une barrière de confinement électrique desdites électrodes (4) de chauffage. Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un instrument de mesure d’une variable physique au sein de la cuve (2) et/ou de la voûte (5), préférentiellement un thermocouple, ledit ensemble d’isolants électriques (7) formant également une barrière de confinement électrique dudit instrument de mesure. Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il est totalement électrique, qu’il comprend préférentiellement une voûte froide, et en ce que ladite cuve de fusion est préférentiellement dimensionnée de sorte que ledit bain de matières vitrifiables en fusion présente en surface une aire supérieure à 6 m², préférentiellement supérieure à 13 m², préférentiellement supérieure à 19 m², préférentiellement supérieure à 25 m², préférentiellement supérieure à 40 m², préférentiellement supérieure à 60 m², préférentiellement supérieure à 100 m², et présente préférentiellement entre deux parois opposées de ladite cuve une distance supérieure à 2,5 m, préférentiellement supérieure à 3,1 m, préférentiellement supérieure à 5 m, préférentiellement supérieure à 6,5 m. Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il est de type hybride et comprend des moyens de chauffe par combustion, préférentiellement des brûleurs immergés et/ou émergés, et une voûte chaude. Four (1) verrier selon l’une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu’au moins une électrode (4) de chauffage est plongeante à partir de la surface libre dudit bain (3) et alimentée en courant électrique par une installation électrique adaptée pour générer un courant alternatif diphasé ou triphasé. Procédé de fusion de matières vitrifiables mis en œuvre au moyen d’un four verrier selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape (S1) de chauffage électrique dudit bain (3) de matières vitrifiables en fusion au moyen de ladite pluralité d’électrodes (4). Procédé de fabrication (S2) de laine de verre, de laine de roche, de fils de verre textile et/ou de verre plat ou creux, caractérisé en ce qu’il met en œuvre un procédé de fusion selon la revendication 14.