Procédé d'affinage du verre et four pour la mise en #uvre de ce procédé La présente invention a pour objet un procédé d'affinage du verre et comprend également un four pour la mise en #uvre de ce procédé.
Dans des procédés connus, les matériaux de charge (c'est-à-dire les matières premières non fon dues et généralement à l'état pulvérulent à partir desquelles le verre est obtenu) sont chargés dans une chambre de fusion par le haut de cette dernière, de manière qu'ils soient absorbés progressivement dans la couche superficielle de verre fondu contenue dans la chambre, le verre étant entraîné vers le bas de la chambre (alors qu'il est traversé par un courant électrique passant d'un côté à l'autre de la chambre) sous l'effet de l'aspiration résultant d'un soutirage du verre effectué dans la partie la plus basse de la chambre,
par une ouverture de la paroi latérale ou du fond du four de section relativement petite par rapport à la surface en plan de la chambre.
L'un des problèmes de l'affinage du verre réside dans la suppression ou la diminution des grains n dans le verre qui est soutiré en vue de sa mise en forme, ces grains étant formés par de petites bulles d'air ou d'autres gaz qui se forment à l'intérieur du verre ou sont emprisonnées dans ce dernier.
Les procédés d'affinage connus n'empêchent pas dans une mesure suffisante la formation de ces grains. Ceci probablement du fait que les fours utilisés pour leur mise en #uvre sont agencés de sorte que le sou tirage du verre de la chambre de fusion est fait sur une relativement petite surface et que, si le four tra vaille avec une production élevée,
du verre qui n'a pas encore subi un affinage assez poussé peut être soutiré avec du verre déjà suffisamment traité du fait que le mouvement vers le bas résultant de l'ex traction du verre contrecarre le mouvement de cir- culation de certaines parties insuffisamment affinées de la masse de verre.
La présente invention vise à fournir un procédé d'affinage qui permette d'améliorer la qualité du verre produit en ce qui concerne sa teneur en grains.
Le procédé objet de l'invention dans lequel la masse de verre contenue dans une chambre de fusion est chauffée par un courant électrique alternatif pas sant entre des électrodes placées à des extrémités opposées de la chambre, ce chauffage ayant pour ef fet d'établir un flux de convection formé de verre chargé de bulles qui circule de bas en haut dans la partie centrale de la chambre,
est caractérisé en ce qu'on soutire le verre de ladite chambre de fusion par une ouverture percée dans le fond de cette cham bre et située sensiblement au centre de cette der nière, cette ouverture présentant une largeur mesu rée transversalement à la trajectoire du courant élec trique de chauffage au moins égale à la moitié de la largeur de la chambre mesurée dans cette même direction,
et une longueur mesurée parallèlement à ladite trajectoire suffisamment grande pour permet tre de soutirer du verre provenant exclusivement de la couche profonde de la masse de verre fondu, sans perturber le flux ascendant de verre chargé de bulles établi au-dessus de ladite ouverture.
L'invention comprend également un four pour la mise en #uvre de ce procédé, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de fusion présentant des électrodes principales disposées dans un plan hori- zontal de part et d'autre d'une ouverture de souti rage percée dans le plancher de cette chambre sous la partie centrale de la trajectoire d'un courant de chauffage principal établi entre lesdites électrodes,
caractérisé en ce que cette ouverture a une longueur dans la direction de cette trajectoire égale au maxi mum à la moitié de la longueur de ladite trajectoire, et a une largeur, transversalement à la direction de cette trajectoire, égale au minimum à la moitié de la largeur de la zone de la masse de verre traversée par ledit courant,
de manière que la poussée exer cée en direction du bas sur la couche de verre adja cente au plancher de la chambre se répartisse sur une surface relativement grande et ne gêne pas l'éta blissement du flux de convection ascendant formé de verre chargé de bulles situé au-dessus de cette couche de verre inférieure.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du four pour la mise en pauvre du procédé selon l'invention et illustre, schématique ment, une mise en aeuvre de ce dernier.
Les fig. 1, 2 et 3 sont respectivement des coupes longitudinale, horizontale et transversale du four. Les fig. 4 et 5 sont des schémas de l'équipement électrique du four.
Le four représenté' comprend une chambre de fusion 10 dans laquelle la fusion et l'affinage du verre sont effectués, les matériaux de charge sous forme solide étant chauffés dans cette chambre jus qu'à fusion et la masse de verre fondu subissant un affinage du fait de la température élevée à laquelle elle est maintenue.
La chambre 10 est de forme rectangulaire en plan et sa hauteur est déterminée par le volume de verre qu'il est nécessaire d'avoir dans cette chambre de fusion et d'affinage pour, d'une part, satisfaire au débit désiré du four et, d'autre part, que le verre reste pendant un temps suffisant à son affinage dans cette chambre. Pour un débit horaire du four de 450 kilos, cette chambre aura par exemple les di mensions suivantes : largeur 244 cm, longueur 274 cm et hauteur 76 cm.
Le long des parois 30 et 31 de cette chambre sont disposées des électrodes 13 et 14 qui présentent une surface de contact suffisante pour transmettre le courant nécessaire à la masse de verre sous une densité de courant prescrite d'environ 0,4 ampère par em2 par exemple, le courant effectivement fourni dépendant de la température à laquelle on désire maintenir le verre dans la chambre.
Les électrodes sont construites, par exemple, comme décrit dans le brevet 337590 et sont es pacées légèrement des parois 30 et 31, d'une dis- tance de 10 cm par exemple, pour permettre au verre fondu de passer derrière la face de contact de l'électrode afin de protéger cette face et la tige de l'électrode de l'oxydation. Les électrodes sont écar tées les unes des autres horizontalement et leurs faces de :contact sont disposées dans, des plans verticaux.
Avec cette disposition des électrodes et pour les dimensions de la chambre indiquées, on constate qu'il se produit deux flux de convection au voisinage des électrodes 13 et 14, comme représenté schémati- quement à la fig. 3 en 32 et 33. Ces deux flux s'éta blissent selon une trajectoire schématisée qui com prend une partie ascendante immédiatement voisine de la face de contact de l'électrode, une partie hori zontale voisine de la surface de la masse de verre fondu et qui s'écarte de l'électrode, une partie des cendante éloignée de l'électrode et une partie hori zontale de retour vers l'électrode au voisinage du fond 34 de la chambre.
Du fait que la température maximum se situe dans la région centrale de la tra jectoire du courant électrique établi entre les électro des, un autre flux de convection ascendant tend à s'établir dans cette région centrale, flux qui se divise en deux"branches au voisinage de la surface de la masse de verre en fusion de sorte qu'il engendre de nouveaux flux de circulation 35 et 36 qui s'écou lent en direction :apposée .au voisinage de la surface et qui présentent des parties descendantes adja centes âux parties descendantes des flux 32 et 33.
Une circulation selon ce schéma peut se produire même si les proportions de la chambre diffèrent no tablement de celles indiquées. On suppose cepen dant qu'il faut passablement écarter les électrodes op posées 13 et 14 de manière à avoir un espace suf fisant entre la région centrale de la trajectoire du courant électrique et les électrodes 13 et 14 pour que les parties descendantes des quatre flux de cir culation 32, 33, 35 et 36 aient la place de s'établir.
Les flux de verre ascendants voisins des électro des 13 ou 14 contiennent généralement une plus forte proportion de grains que le flux ascendant de la région centrale, d'une part, car les grains tendent à se former sur les faces de contact des électrodes et, d'autre part, parce qu'avant que le verre atteigne la région centrale, les grains ont de nombreuses possibilités de monter à la surface et de se dissiper.
C'est pourquoi le verre est soutiré de la chambre par une ouverture 37 de son fond qui est situé dans la région centrale. Le soutirage du verre par cette ou verture provoque une traction dirigée de haut en bas sur le verre situé au-dessus de cette ouverture, dans lequel existe un flux de convection ascendant.
Cette traction s'exerce sur une surface notable, vue en plan, du fait que l'ouverture 37 a des dimen sions relativement grandes. Il est estimé nécessaire que la longueur de cette ouverture mesurée parallè lement à la trajectoire du courant électrique entre les électrodes 13 et 14 soit au moins égale au hui tième de la longueur de cette trajectoire pour éviter une traction vers le bas par trop concentrée et brutale qui pourrait entrainer du verre contenant des grains dans l'ouverture.
Sa longueur ne sera de préférence pas supérieure à la moitié de cette trajectoire que l'on suppose être égale à la distance horizontale me surée entre les électrodes 13 et 14. Pour un four présentant les dimensions indiquées précédemment, la longueur de cette ouverture sera par exemple de 38 cm.
Dans le four représenté, cette ouverture s'étend sensiblement sur toute la largeur du fond du four. Elle pourrait être moins large mais doit cependant être égale au moins à la moitié de la largeur du four si l'on veut éviter qu'une traction trop brusque ou concentrée soit exercée sur le verre. On remarquera que si la longueur de l'ouverture est augmentée jus qu'à une valeur voisine de la moitié de la distance horizontale séparant les électrodes 13 et 14, la cir culation de convection peut en être modifiée, les par ties descendantes des flux étant ramenées plus près des électrodes 13 et 14.
Sous l'ouverture 37 se trouve l'extrémité amont d'un conduit 12 qui s'étend latéralement par rapport à la chambre 10. Ce conduit se prolonge sur toute la largeur de l'ouverture 37 et présente une largeur légèrement plus grande que la longueur de l'ouver ture. Le fond du conduit 12 est incliné comme re présenté en 38 de manière à se raccorder avec le bord latéral de l'ouverture 37.
Par son extrémité aval, le conduit 12 communi que avec une seconde chambre 11. Cette chambre 11 constitue un creuset qui pourra être équipé d'un dispositif d'alimentation non représenté, destiné à en sortir le verre affiné en vue de son travail par mou lage, soufflage, laminage ou étirage. Un dispositif d'alimentation peut fonctionner à différentes vitesses pour adapter le débit du four à la consommation de la machine qu'il alimente.
Dans des variantes, cette seconde chambre 11 pourrait constituer une chambre intermédiaire, ou chambre d'affinage, alimentée par une chambre de fusion (dans laquelle une partie de l'affinage peut déjà se faire) et suivie par un creuset distinct ou par une longue chambre en forme de tunnel d'où le verre sortira par un exutoire. Cette dernière disposition permet de mieux contrôler la température du verre à sa sortie de l'exutoire.
Le conduit 37 communique avec cette seconde chambre 11 par une ouverture 39 pratiquée dans le fond 40 de cette chambre, le fond du conduit re montant comme indiqué en 41 sous cette ouverture.
L'ouverture 39 est disposée au voisinage immé diat de la paroi latérale 42 de la seconde cham bre 11 qui se trouve la plus proche de la chambre 10 du four. Cette seconde chambre 11 est pourvue d'un bloc écumoire 46, le verre s'écoulant finalement vers un orifice de sortie indiqué en 47.
Au voisinage des faces opposées 48 et 49 de cette seconde chambre sont disposées des éIectro- des auxiliaires 15 qui sont placées symétriquement de part et d'autre de l'ouverture 39. Ces électrodes auxiliaires 15 sont destinées à coopérer avec les élec trodes principales 13 et 14 pour faire passer un cou rant électrique dans le verre en fusion contenu dans le conduit 12 et dans la seconde chambre 11.
La chambre 11 est recouverte par une voûte 52 et peut être équipée de brûleurs à gaz ou à huile qui seront de préférence dirigés légèrement vers le haut, en direction de la voûte, de manière qu'ils ne cau sent aucune perturbation sur la surface du verre con tenu dans cette chambre. La fi-. 4 représente le schéma électrique du four, la chambre du four 10, le conduit 12 et la seconde chambre 11 étant indiquée en trait mixte sur ce schéma.
Les résistances présentes entre les différentes électrodes sont représentées schématiquement : soit une première résistance 17 représentant la résis tance offerte par le verre en fusion contenu dans la chambre 10, une résistance 18 représentant la résistance offerte par le verre fondu contenu dans le conduit 12 et une résistance à deux branches 19 représentant la résistance offerte par le verre fondu contenu dans la chambre 11.
Les électrodes principales 13 et 14 sont alimen tées à partir d'une source de courant alternatif cons tituée par un transformateur monophasé Tl dont le primaire est branché sur des bornes 20 destinées à être reliées à une phase d'un réseau de distribution alternatif, et dont le secondaire est relié par des conducteurs 21 et 22 aux électrodes 13 et 14.
Les électrodes auxiliaires 15 sont mises en court- circuit par un conducteur 16 qui les relie également à l'un des pôles 23 de l'enroulement secondaire d'un transformateur T2, enroulement dont l'autre pôlé 24 est connecté en parallèle avec les électrodes prin cipales 13 et 14 entre les deux pôles du secondaire du transformateur T1.
Les bornes 26 du primaire du transformateur T2 seront branchées sur une autre phase du réseau d'alimentation alternatif, de tension déphasée de 901, par rapport à la phase servant à l'alimentation du transformateur Tl. On obtient ainsi un déphasage de 90() (ou d'environ 900) entre le courant électrique principal passant entre les électrodes principales 13 et 14 à travers le verre représenté par la résistance 17 et le courant auxiliaire passant des électrodes 15 au point d'équilibre 28 représentant la jonction de la résistance 18 et de la résistance 17.
Un dépha sage exactement de 900 assure qu'en tout temps les grandeurs (mais pas nécessairement les phases) des courants résultants totaux dans la résistance 17, c'est-à-dire dans le verre de la chambre de fusion, des deux côtés du point d'équilibre 28, sont égaux. Un écart limité peut toutefois être toléré sans qu'il en résulte une asymétrie préjudiciable dans l'effet de chauffage produit dans la chambre du four de part et d'autre du point 28.
C'est ainsi que si le cou rant auxiliaire est petit par rapport au courant prin cipal (dans le rapport de 1 à 16 par exemple), une avance ou un retard de phase de l'ordre de 30o par rapport au déphasage de 901) souhaité peut se pré senter sans qu'il en résulte une différence de chauf fage préjudiciable dans les deux moitiés de la cham bre 10 du four.
En parallèle avec la résistance 17 (électrodes 13, 14), est placée une inductance Ll munie de plu sieurs touches 27 disposées de part et d'autre de son point central. Un coulisseau 25 relié à la borne 24 du secondaire du transformateur T2 peut être amené à coopérer avec l'une quelconque de ces touches.
La touche centrale de l'inductance Ll corres pond au point d'équilibre électrique entre les élec trodes 13 et 14 et présente en tout temps un poten tiel égal à celui du point 28 où la résistance 18 peut être considérée comme rejoignant la résistance 17 et qui correspond au centre de l'ouverture par laquelle le verre accède de la chambre 10 au conduit 12.
Il peut se produire que le courant passant dans le conduit 12 tende à se concentrer sur l'un ou l'au tre des côtés de ce dernier en provoquant un re froidissement sur le côté du conduit d'où le courant s'éloigne et un chauffage asymétrique de la cham bre 10.
On peut constater si le courant se concentre sur l'un ou l'autre des côtés du conduit en comparant les grandeurs des courants passant par chacun des conducteurs 21 et 22 alimentant les électrodes 13 et 14 au moyen de transformateurs d'intensité CTl et CT2 disposés sur ces conducteurs et dont le se condaire alimente un ampèremètre différentiel Al qui indiquera directement la différence entre les deux courants indépendamment de leur déphasage.
On pourra corriger toute déviation, en déplaçant le coulisseau 25 de l'inductance Ll d'un côté ou de l'autre de manière à établir l'égalité- entre les cou rants passant par les conducteurs 21 et 22.
Il y a généralement un certain retard avant que l'effet de ce réglage se fasse sentir, de sorte que si l'ampère mètre Al présente un écart à partir de sa position de référence, il sera indiqué de déplacer le coulis- seau 25 puis de le laisser dans sa nouvelle position pendant un certain temps (15 à 30 minutes) avant de procéder à une nouvelle lecture de l'ampèremètre pour vérifier si l'inégalité entre les deux courants a bien été corrigée.
Des transformateurs d'intensité supplémentaires CT3 et CT4 permettent en outre de mesurer le cou rant principal et le courant auxiliaire.
Dans une variante les électrodes auxiliaires 15 pourraient être remplacées par une électrode unique disposée dans la chambre 11, de préférence dans le plan de symétrie de l'ouverture du conduit 12. Des électrodes auxiliaires supplémentaires pourraient en outre être prévues sur les côtés du conduit 12.
Le schéma de la fig. 5 concerne un dispositif de contrôle qui permet d'obtenir automatiquement l'é- quilibre des courants. Les transformateurs d'inten sité CT1 et CT2 sont reliés à un circuit de com paraison indiqué en 55 qui comprend deux transfor mateurs reliés l'un au transformateur CT1, et l'au tre au transformateur CT2,
ces transformateurs pré sentant le même rapport de transformation et leurs enroulements secondaires étant connectés à des cir cuits de redresseur couplés de manière que les ten sions redressées produites soient introduites en op position dans une résistance.
Les extrémités de cette résistance sont reliées par des conducteurs 56 et 57 à un relais 58 qui pré sente une armature susceptible d'être déplacée dans un sens ou dans l'autre à partir d'une position cen- trale de repos, selon que le conducteur 56 est positif ou négatif par rapport au conducteur 57.
Le relais 58 présente trois contacts auxquels sont reliés des conducteurs 59, 60 et 61. Les con ducteurs 59 et 61 sont reliés au moteur d'un régu lateur réversible 62 dont l'autre borne est reliée par un conducteur 63 à l'une des bornes d'une paire de bornes 64 reliées au réseau d'alimentation, l'autre de ces bornes étant reliée au conducteur 60.
Selon que le conducteur 56 est positif ou négatif par rapport au conducteur 57, le relais établit un circuit entre les conducteurs 59 et 60 ou 60 et 61, ce qui amène le moteur à tourner dans un sens ou dans l'autre.
Comme indiqué par la ligne mixte 65, le moteur est accouplé mécaniquement avec le coulisseau 25. Pour éviter un sur-réglage, on peut prévoir un in- terrupteur à temps retardé coopérant avec le cou- lisseau 25, cet interrupteur étant monté en série avec l'enroulement d'excitation du relais 58, c'est-à- dire en série dans les conducteurs 56 et 57,
de telle sorte que cet interrupteur soit ouvert lorsque le cou- lisseau se déplace d'une distance correspondant à l'écart entre deux touches successives 27. Le dispo sitif à temps retardé de cet interrupteur sera réglé de manière à l'empêcher de se refermer pendant un temps déterminé de manière que la nouvelle posi tion du coulisseau puisse se manifester dans le sens d'un retour à l'égalité entre les courants dans les conducteurs 21 et 22.
Dans une variante, le courant électrique auxi liaire parcourant le conduit 12 pourrait aussi être établi entre les électrodes aval 15 et des électrodes amont différentes des électrodes 13 placées dans la chambre de fusion 10.
Ces électrodes supplémentaires pourraient par exemple être disposées à côté des électrodes prin cipales et leur surface pourrait être plus petite que celle de ces dernières.
Le débit du four peut varier dans une mesure appréciable et se trouve déterminé par la quantité de verre qu'on soutire de la chambre 11. Le chauffage sera conduit en relation avec le débit de sorte que la température dans la chambre 10-reste suffisam ment élevée pour permettre, d'une part, l'affinage au degré voulu et, d'autre part, la sortie du verre de la chambre de fusion 10.
Pour un fort débit, la température de verre dans la chambre 10 devra être plus élevée que pour un petit débit, de manière à obtenir une diminution de la viscosité du verre qui pourra ainsi s'affiner plus rapidement, ce qui permettra d'obtenir un même de gré d'affinage bien que la durée du séjour du verre dans la chambre 10 soit plus courte.
Le degré d'affinage demandé variera considéra blement selon la destination du verre. Le verre pré paré pour la fabrication de vitres de fantaisie (vitres flamandes) peut sans inconvénient présenter des grains visibles. Les verres optiques, destinés à la fabrication de lentilles par exemple, doivent par con- tre être exempts de grains ou ne présenter que des grains pratiquement invisibles.
Grâce aux dimensions données à l'ouverture 37 et à la disposition générale du four représenté, le verre soutiré de la chambre de fusion 10, provient pour ainsi dire exclusivement de la couche profonde de la masse de verre fondu et son extraction ne crée pas de perturbations appréciables dans le flux ascen- dant de verre chargé de bulles qui s'établit au-dessus de l'ouverture 37, dans la partie la plus chaude de la chambre 10.
Pour renforcer cet effet de sélection, on a en outre prévu dans le four représenté des rampes de refroidissement 53 qui projettent de l'air froid sur la face postérieure d'éléments réfractaires 54 qui constituent les bords transversaux de l'ouverture 37.
A la suite du refroidissement de ces éléments, la couche de verre contiguë à ces éléments est légère ment refroidie et le courant électrique principal éta bli entre les électrodes 13 et 14, au lieu de se con centrer au voisinage du fond de la chambre 10, tend à suivre une trajectoire quelque peu surélevée (à la suite de l'accroissement de la résistance du verre re froidi).
La région de température maximum est ainsi légèrement déplacée vers le haut de sorte qu'elle se trouve nettement au-dessus du plan de l'ouverture 37 et que seul le verre légèrement refroidi de la couche profonde est entrainé dans le conduit 12, le verre plus fluide de la zone de température maximum étant sollicité par un fort courant de convection ascen dant sur lequel le soutirage reste pratiquement sans effet.
Lors du traitement normal d'un verre au boro- silicate, la température du verre dans la région cen trale de la chambre 10, légèrement au-dessus de l'ouverture, peut être de l'ordre de 16000 C et plus. La température du verre sera alors abaissée pendant son passage dans le conduit 12 selon un gradient dé terminé, qui dépendra du courant auxiliaire qui passe à travers le verre situé dans le conduit et dans la chambre 23, de manière que la température finale du verre, lorsqu'il atteint cette chambre, s'établisse aux environs de 1360 à 13800 C. Une telle tempé rature finale convient lorsque le verre soutiré de la chambre supplémentaire 23 est mis en forme par moulage à la presse par exemple.
Pour un tel mou lage ou d'autres opérations similaires, la viscosité du verre dans la chambre 23 devra être d'environ 103 poises.
La voûte de la chambre 23 ne doit pas être por tée à une température notablement supérieure à celle du verre contenu dans ladite chambre afin d'éviter toute formation de grains ou autres irrégularités dans ce verre. Cette température doit de préférence être d'au moins 300 C plus basse que la température du verre.
Le courant auxiliaire peut être réglé en fonc tion du débit du four de manière à maintenir la tem pérature du verre dans la seconde chambre 23 dans les limites prescrites, en modifiant la tension appli- quée aux bornes 46 du transformateur T2 au moyen d'un dispositif de réglage de tension quelconque. De même, la tension aux bornes 40 du transformateur T1 peut également être modifiée de manière que, en cas d'augmentation du débit, le courant principal entre les électrodes 13 et 14 soit également aug menté de manière que l'on ait une température un peu plus élevée dans la chambre 10.
L'intensité des courants principal et auxiliaire pour un four présentant les dimensions indiquées et pour atteindre les températures susmentionnées serait d'environ, par exemple, 1200 ampères pour le cou rant principal et d'environ 75 ampères pour le cou rant auxiliaire. Au lieu de corriger partiellement ou complètement les différences entre les courants vers les électrodes principales au moyen d'une impédance réglable branchée entre les électrodes,
par réglage de la position du coulisseau de cette impédance qui est relié au circuit d'alimentation de l'électrode auxi liaire d'un côté à l'autre du centre électrique, on pourrait également avoir recours à toute autre forme de circuit permettant un réglage du déphasage de la tension appliquée à l'électrode auxiliaire.
Par déphasage on entend bien entendu l'an gle compris entre le vecteur représentant la dif férence de potentiel entre les électrodes principales et le vecteur représentant la différence de potentiel entre l'électrode auxiliaire et l'une ou l'autre des électrodes principales.
Dans une variante, on pourrait par exemple sup primer l'inductance réglable Ll et alimenter les bor nes 26 du transformateur T2 sur la seconde phase du courant alternatif d'alimentation par l'intermé diaire d'un dispositif de déphasage quelconque.
Cette solution pourrait également être appliquée pour le transformateur Tl (ou pour les deux trans formateurs T2 et T1), bien qu'il soit généralement moins indiqué d'alimenter ainsi le transformateur T1 du fait de l'intensité plus grande du courant princi pal que du courant auxiliaire.