WO2024105247A1 - Four verrier électrique - Google Patents

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WO2024105247A1
WO2024105247A1 PCT/EP2023/082229 EP2023082229W WO2024105247A1 WO 2024105247 A1 WO2024105247 A1 WO 2024105247A1 EP 2023082229 W EP2023082229 W EP 2023082229W WO 2024105247 A1 WO2024105247 A1 WO 2024105247A1
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WO
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electrodes
glass furnace
glass
phase
bath
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2023/082229
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English (en)
Inventor
Michel Lismonde
Stéphane Maugendre
Romain SANTAMARIA
Philippe DE DIANOUS
Joel Gervais
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Saint Gobain Isover SA France
Original Assignee
Saint Gobain Isover SA France
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Publication date
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Priority to EP23809527.7A priority patent/EP4619348A1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/02—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating
    • C03B5/027—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating by passing an electric current between electrodes immersed in the glass bath, i.e. by direct resistance heating
    • C03B5/03—Tank furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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    • C03B5/02—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating
    • C03B5/027—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating by passing an electric current between electrodes immersed in the glass bath, i.e. by direct resistance heating
    • C03B5/03—Tank furnaces
    • C03B5/031—Cold top tank furnaces

Definitions

  • the present invention belongs to the general field of glass production. It relates more particularly to an at least partly electric glass furnace adapted for the fusion of vitrifiable materials. It also relates to a process for melting vitrifiable materials so as to be able to manufacture glass.
  • the invention finds a particularly advantageous application, although in no way limiting, in the production of glass wool, rock wool, textile glass threads and/or flat or hollow glass.
  • the term "vitrifiable materials”, or “raw materials”, is understood to mean all materials, natural ores or synthesized products, materials resulting from recycling of the cullet type, etc., which can be used in the composition used to supply a furnace glassmaker.
  • recyclable materials containing (organic) combustible elements such as, for example, sized mineral fibers with binder (of the type used in thermal or acoustic insulation or those used in plastic reinforcement), laminated glazing with polyvinyl butyral type polymer sheets such as windshields, glass bottles (household cullet), or any type of “composite” material combining glass and plastic materials such as certain bottles.
  • “Glass-metal composites or metal compounds” such as glazing functionalized with coatings containing metals are also recyclable.
  • the “bath of vitrifiable materials” or “glass bath” designates the product of the fusion of these raw materials.
  • glass means glass in the broad sense, that is to say encompassing any material with a vitreous, glass-ceramic or ceramic matrix.
  • the term "manufacturing” includes the essential melting step of the vitrifiable materials and, where applicable, all subsequent/complementary steps aimed at refining/conditioning the molten glass with a view to its final shaping, in particular in the form of flat glass (glazing), hollow glass (flasks, bottles), glass in the form of mineral wool (in particular rock wool or glass wool) used for its thermal or sound insulation properties, or even possibly of glass in the form of so-called textile threads used in reinforcement.
  • mineral wool in particular rock wool or glass wool
  • diving electrodes have a number of advantages. First of all, they of course avoid the difficulties linked to the passage of immersed electrodes through the refractory of the base or side walls, and, also, the problems of replacing these electrodes when worn, as well as sealing problems. of the melting tank or even wear of the refractories, in particular due to a high temperature which favors the attack of the refractory and to powerful convection currents which develop near the electrodes during operation.
  • these diving electrodes are supplied with three-phase current.
  • Three-phase current has many advantages, first and foremost the fact that it is the so-called “industrial” current which is commonly distributed to factories by energy suppliers, hence the resulting adaptation of machines.
  • Three-phase current also delivers instantaneous power without a pulsed component unlike, for example, single-phase current. Note, however, that the principle of phase equilibrium tends to implement a triangular or hexagonal arrangement of the electrodes on the surface of the glass bath.
  • the present invention aims to remedy all or part of the disadvantages of the prior art, in particular those set out above.
  • the invention relates to a glass furnace at least partly electric, comprising a melting tank made of refractory materials adapted to contain a bath of molten vitrifiable materials and a plurality of plunging heating electrodes , which are immersed from the free surface of said bath and supplied with electric current by an electrical installation, said oven being characterized in that said electrical installation is adapted to generate a two-phase alternating current.
  • two-phase alternating current designates a system with two phases of the same frequency and the same amplitude which are in quadrature, that is to say out of phase with each other by 90° or ⁇ /2 radians.
  • a two-phase system offers a glass furnace designer the possibility of moving the electrodes powered by the same phase further apart, for example by positioning them near opposite edges of the melting tank.
  • the resistance generated by the glass bath — which increases with the distance traveled by the current within it – is greater, which implies a reduction in electrical intensity to be delivered. It is then possible to distribute this intensity between a reduced number of electrodes and/or to limit the intensity delivered to each electrode, which makes it possible to increase their lifespan.
  • said electrical installation comprises at least one two-phase transformer adapted to generate two groups of single-phase output with a phase difference of 90° between each output group, each output group supplying at least one pair of said electrodes.
  • an output group designates a set of outputs of the two-phase transformer which are in phase matching.
  • an output group comprises only a single output which is connected to a plurality of pairs of electrodes (three in the embodiment illustrated in ), which it supplies with single-phase alternating current.
  • At least one output group of said at least one two-phase transformer supplies a bundle of at least two electrode pairs, preferably three electrode pairs.
  • At least one output group of said at least one two-phase transformer comprises one or more outputs.
  • an output group comprises several outputs, connected for example in parallel, each output being connected to one or more pairs of electrodes.
  • the single-phase current delivered to each of these electrodes is in phase matching.
  • each bundle of electrodes is arranged in the bath of molten vitrifiable materials so as to respect central symmetry along a theoretical horizontal plane.
  • Respecting such axial symmetry makes it possible to obtain a more uniform distribution of current between the electrodes, and therefore to limit the probability of seeing one of these electrodes wear out more quickly than the others.
  • the electrodes of the same output group are arranged near opposite walls of the tank.
  • This advantageous geometric arrangement of the pairs of electrodes is particularly suited to the two-phase regime, in which the distance between electrodes connected to the two terminals of the same group of outputs can be increased without the risk of seeing electrodes placed close to the same wall. exchange with each other.
  • said pairs of electrodes supplied by the same two-phase transformer are arranged in a quadrilateral according to a theoretical horizontal plane, preferably in a rectangle, preferably in a square, in the bath of molten vitrifiable materials.
  • This advantageous geometric arrangement of the pairs of electrodes is particularly suited to the two-phase regime, and makes it possible to balance the intensities.
  • Such a quadrilateral arrangement contrasts in particular with the arrangements of triangular or hexagonal shapes, which are specific to three-phase systems.
  • the minimum distance between each electrode and the wall of the nearest tank is greater than 450 mm, preferably greater than 600 mm, preferably greater than 800 mm, preferably greater than 950 mm, preferably greater than 1075 mm.
  • such a minimum distance is measured according to the normal to the wall of the tank closest to the electrode, and which passes through the latter. Note that the convection movements of the glass bath generated near each electrode tend to corrode the adjoining wall of the tank. The distance of the electrode from the tank therefore makes it possible to limit this premature wear of the tank wall.
  • each of said electrodes comprises a horizontal projection arm, preferably of square section, whose horizontal extent is greater than 2000 mm, preferably greater than 2500 mm, preferably greater than 3000 mm, preferably greater than 3500 mm , preferably greater than 3700 mm, preferably greater than 3900 mm.
  • a square section electrode arm gives the latter better resistance to bending. This is all the more useful as the electrode arm is long.
  • a long electrode arm in particular makes it possible to move the electrode further away from the adjoining tank wall, in order to limit wear of the latter.
  • This distance of the electrode from the wall of the tank is all the more advantageous in the event of an increase in the power of the oven. Indeed, the power depends on the voltage and the current, these two parameters are then adjusted with increasing values with the increase in power. This results in an intensification of the convection movements of the glass bath generated near each electrode which tend to corrode the adjoining wall of the tank. Moving the electrode away from the tank wall limits this premature wear of the tank wall.
  • said electrical installation is adapted so that all the pairs of electrodes connected to the same output group of said two-phase transformer are supplied with an electric current of the same voltage.
  • the glass furnace is completely electric, and preferably comprises a cold vault (5).
  • a furnace is said to be “totally electric” in the sense that all of the heating energy supplied to the glass bath is of an electrical nature. Such an oven is thus devoid of heating burners.
  • the glass furnace comprises a plurality of said two-phase transformers, preferably three.
  • the implementation of a plurality of two-phase transformers is particularly suitable for supplying electricity to large ovens, for which the implementation of a two-phase system is particularly advantageous.
  • said melting tank is sized so that said bath of molten vitrifiable materials has a surface area greater than 25 m2, preferably greater than 40 m2, preferably greater than 60 m2, preferably greater than 100 m2 , and preferably presents between two opposite walls of said tank a distance greater than 5 m, preferably greater than 6.5 m.
  • Such dimensions relate to so-called large electric ovens, for which the implementation of a two-phase system is particularly advantageous.
  • the first obstacle is the need for greater electrical power for the fusion of vitrifiable materials. This greater electrical power leads to an increase in current and voltage values at the electrodes, an intensification of the convection movements of the glass bath generated near each electrode which tend to corrode the adjoining wall of the tank.
  • the second obstacle is that if the area of these ovens is large, it results in a basin with a greater length and width. It is therefore necessary to be able to provide heating energy at any point, including the center of the oven, the area farthest from the wall.
  • the present invention solves these obstacles by synergistically combining the use of a two-phase system with arms whose horizontal extent is greater than 2000 mm, preferably greater than 2500 mm, preferably greater than 3000 mm, preferably greater than 3500 mm, preferably greater than 3700 mm, preferably greater than 3900 mm.
  • This synergy is based on the fact that a two-phase system allows, at a given power, to have less current at the electrodes than a three-phase system. We then understand that it is possible to obtain, for an identical current, a higher power. This possibility of having greater power or even greater current is associated with arms having a greater horizontal extent.
  • the number of electrodes per square meter is between 0.1 and 0.45, preferably between 0.15 and 0.4 and even more preferably between 0.2 and 0.35.
  • these so-called large ovens are obtained by adding several elementary modules.
  • an elementary module is the equivalent of an oven whose tank has a length and width of a defined value, this elementary module comprising a series of heating electrodes having a defined arrangement.
  • the elementary module has a square shape.
  • a so-called large oven then comprises at least two elementary modules arranged contiguously, that is to say it comprises a tank whose dimensions in length and width are multiples of the defined value of the elementary module. It is then possible to simply obtain a so-called large oven, this oven being able to have various shapes such as a rectangular, square, L or T shape.
  • said two-phase transformer supplies a number of electrodes less than or equal to 16, preferably less than or equal to 12, preferably less than or equal to 8.
  • each output group supplies two times four electrodes, two times three electrodes or two times two electrodes
  • the total number of electrodes supplied by the same two-phase transformer thus varies respectively between 16, 12 and 8 electrodes.
  • the two-phase system offers the possibility of reducing the number of electrodes used in the oven.
  • the invention relates to a process for melting vitrifiable materials implemented by means of such a glass furnace, characterized in that it comprises at least one step of electrical heating of said bath of materials vitrifiable in fusion by means of said plurality of electrodes, and by application within said bath of a two-phase alternating current.
  • all the pairs of electrodes connected to the same output group of said two-phase transformer are supplied with an electric current of the same voltage.
  • the invention relates to a process for manufacturing glass wool, rock wool, textile glass threads and/or flat or hollow glass, characterized in that it implements such a fusion process.
  • Such a glass furnace 1 comprises a melting tank 2 made of refractory materials adapted to contain a bath 3 of molten vitrifiable materials and a plurality of electrodes (An, Bn, Cn, Dn) immersion heaters (only one is shown on the , for purposes of simplification), whose arms are of square section, and which are immersed from the free surface of said bath 3 and supplied with electric current by an electrical installation 4.
  • the part of the electrode in contact with the glass bath is composed of molybdenum.
  • a glass furnace 1 according to the invention is in particular characterized in that said electrical installation 4 is adapted to generate a two-phase alternating current.
  • oven 1 is completely electric and is equipped with a cold top 5.
  • said electrical installation comprises a two-phase transformer 6 adapted to generate two single-phase output groups (AB, CD) with a phase difference of 90° between each output group (AB, CD).
  • the electrode bundles are arranged in the bath 3 in a substantially square shape and so as to respect central symmetry along a theoretical horizontal plane, with respect to a point O located in the center of the bath 3.
  • the single-phase current delivered to each of these electrodes is in phase matching.
  • a first single-phase current is generated by the transformer 6 at the terminals of a first output group A-B and passes through the glass bath between the electrodes A1, A2, A3 on the one hand, and the electrodes B1, B2, B3 on the other hand, thus heating the bath 3 of vitrifiable materials by the Joule effect.
  • a second single-phase current of the same frequency and the same amplitude as the first current, but phase shifted by 90° or ⁇ /2 radians with respect to the latter, is generated by the transformer 6 at the terminals of a second group of outlet C-D and passes through the glass bath between the electrodes C1, C2, C3 on the one hand, and the electrodes D1, D2, D3 on the other hand, thus heating the bath 3 of vitrifiable materials by the Joule effect.
  • the electrical installation 6 is thus adapted to generate a two-phase alternating current within the glass bath 3.
  • the electrical installation only includes a two-phase transformer 6 which supplies a “block” of electrodes (An, Bn, Cn, Dn).
  • the electrical installation comprises a plurality of two-phase transformers which respectively supply a plurality of electrode blocks covering the surface of the glass bath 3.
  • FIG. 1 There is a flow diagram illustrating the successive stages of a manufacturing process according to a particular embodiment of the invention, which comprises a first step S1 of melting vitrifiable materials by electrical heating of said bath 3 of vitrifiable materials by means of a two-phase alternating current, and a second step S2 of manufacturing glass wool, rock wool, textile glass threads and/or flat or hollow glass.

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Abstract

L'invention concerne un four verrier (1) 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 (An, Bn, Cn, Dn) de chauffage plongeant, qui sont immergées à partir de la surface libre dudit bain (3) et alimentées en courant électrique par une installation électrique (4). L'installation électrique (4) est adaptée pour générer un courant alternatif diphasé. Ceci permet de chauffer des fours de plus grande taille / de réduire le nombre d'électrodes.

Description

Four verrier électrique
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, et notamment du brevet EP0671116B1, différents exemples de conception de fours électriques dans lesquels le courant est conduit dans le bain de matières vitrifiables par des électrodes dites « plongeantes », qui sont immergées à partir de la surface libre du bain. Ce type d’électrode plongeante se distingue en particulier des électrodes dites « immergées », qui sont disposées verticalement dans le bain à partir de la sole du four ou horizontalement, en passant au travers des parois latérales du four. En comparaison avec ces dernières, les électrodes plongeantes présentent un certain nombre d’avantages. Tout d'abord, elles évitent bien entendu les difficultés liées au passage des électrodes immergées à travers le réfractaire de sole ou de parois latérales, et, également, les problèmes de remplacement de ces électrodes lorsqu’usées, ainsi que 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.
De manière usuelle, ces électrodes plongeantes sont alimentées en courant triphasé. 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 40 m², voire plus de 100m2 et dans lequel la largeur de bord à bord du bain de verre est supérieure à 5 m, préférentiellement supérieure à 6,5 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.
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 plongeantes, qui sont immergées à partir de la surface libre dudit bain et alimentées en courant électrique par une installation électrique, ledit four étant caractérisé en ce que ladite installation électrique est adaptée pour générer un courant alternatif diphasé.
Au sens de l’invention, l’expression « courant alternatif diphasé » désigne un système à deux phases de même fréquence et de même amplitude qui sont en quadrature, c’est-à-dire déphasées entre elles de 90° ou π/2 radians.
Dans un contexte contemporain où le courant est distribué par les fournisseurs d’énergie sous forme triphasée, la mise en œuvre d’une installation électrique adaptée pour transformer ce courant triphasé en un courant diphasé implique une complexification technique a priori inutile et une augmentation non négligeable du coût initial de cette installation technique.
En dépit de ces inconvénients a priori rédhibitoires et dans le contexte spécifique de l’alimentation d’électrodes plongeantes de fours verriers, les inventeurs ont constaté qu’un tel système diphasé permet à un concepteur de four verrier de se libérer de certaines contraintes géométriques propres aux systèmes triphasés et des inconvénients techniques qui y sont liés, dont le nombre important d’électrodes à mettre en œuvre et la distribution inhomogène du courant électrique au sein du bain de matières vitrifiables.
Par contraste, un système diphasé offre à un concepteur de four verrier la possibilité d’éloigner davantage les électrodes alimentées par une même phase, en les positionnant par exemple à proximité de bords opposés de la cuve de fusion. En comparaison avec un système triphasé, et pour une puissance électrique donnée, la résistance générée par le bain de verre – qui augmente avec la distance parcourue par le courant en son sein - est plus importante, ce qui implique une réduction de l’intensité électrique à délivrer. Il est alors possible de répartir cette intensité entre un nombre réduit d’électrodes et/ou de limiter l’intensité délivrée à chaque électrode, ce qui permet d’accroître leur durée de vie.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite installation électrique comprend au moins un transformateur diphasé adapté pour générer deux groupes de sortie monophasée avec une différence de phase de 90° entre chaque groupe de sortie, chaque groupe de sortie alimentant au moins une paire desdites électrodes.
Au sens de l’invention, l’expression « groupe de sortie » désigne un ensemble de sorties du transformateur diphasé qui sont en adéquation de phase. De manière classique, et tel qu’illustré à la et dans la description pour un mode de réalisation particulier de l’invention, un groupe de sortie ne comprend qu’une unique sortie qui est connectée à une pluralité de paires d’électrodes (trois dans le mode de réalisation illustré à la ), qu’elle alimente en courant alternatif monophasé.
Selon un mode de réalisation particulier, au moins un groupe de sortie dudit au moins un transformateur diphasé alimente un faisceau d’au moins deux paires électrodes, préférentiellement trois paires électrodes.
Le fait de connecter un groupe de sortie à un faisceau ou en d’autres termes, à une pluralité de paires d’électrodes, permet de répartir l’intensité du courant entre elles, et ainsi de limiter dans le temps l’usure de chacune d’elles. A contrario, la mise en œuvre d’une unique paire d’électrode alimentée par un groupe de sorties permet de limiter le coût initial de l’installation.
Selon un mode de réalisation particulier, au moins un groupe de sortie dudit au moins un transformateur diphasé comprend une ou plusieurs sorties.
Selon ce mode de réalisation alternatif illustré notamment à la , un groupe de sortie comprend plusieurs sorties, montées par exemple en parallèle, chaque sortie étant connectée à une ou plusieurs paires d’électrodes. Dans tous les cas, le courant monophasé délivré à chacune de ces électrodes est en adéquation de phase.
Selon un mode de réalisation particulier, chaque faisceau d’électrodes est agencé dans le bain de matières vitrifiables en fusion de manière à respecter une symétrie centrale selon un plan théorique horizontal.
Le respect d’une telle symétrie axiale permet d’obtenir une distribution plus homogène du courant entre les électrodes, et donc de limiter la probabilité de voir une de ces électrodes s’user plus rapidement que les autres.
Selon un mode de réalisation particulier, les électrodes d’un même groupe de sortie sont agencées à proximité de parois opposées de la cuve.
Cette disposition géométrique avantageuse des paires d’électrodes est particulièrement adaptée au régime diphasé, dans lequel la distance entre électrodes connectées aux deux bornes d’un même groupe de sorties peut être augmentée sans risque de voir des électrodes disposées à proximité d’une même paroi échanger entre elles.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdites paires d’électrodes alimentées par un même transformateur diphasé sont agencées en quadrilatère selon un plan théorique horizontal, préférentiellement en rectangle, préférentiellement en carré, dans le bain de matières vitrifiables en fusion.
Cette disposition géométrique avantageuse des paires d’électrodes est particulièrement adaptée au régime diphasé, et permet d’équilibrer les intensités. Une telle disposition en quadrilatère contraste notamment avec les dispositions de formes triangulaires ou hexagonales, qui sont propres aux systèmes triphasés.
Selon un mode de réalisation particulier, la distance minimale entre chaque électrode et la paroi de la cuve la plus proche est supérieure à 450 mm, préférentiellement supérieure à 600 mm, préférentiellement supérieure à 800 mm, préférentiellement supérieure à 950 mm, préférentiellement supérieure à 1075 mm.
Au sens de l’invention, une telle distance minimale est mesurée selon la normale à la paroi de la cuve la plus proche de l’électrode, et qui passe par cette dernière. A noter que les mouvements de convection du bain de verre générés à proximité de chaque électrode tendent à corroder la paroi attenante de la cuve. L’éloignement de l’électrode de la cuve permet donc de limiter cette usure prématurée de la paroi de cuve.
Selon un mode de réalisation particulier, chacune desdites électrodes comprend un bras de projection horizontale, préférentiellement de section carrée, dont l’étendue horizontale est supérieure à 2000 mm, préférentiellement supérieure à 2500 mm, préférentiellement supérieure à 3000 mm, préférentiellement supérieure à 3500 mm, préférentiellement supérieure à 3700 mm, préférentiellement supérieure à 3900 mm.
La mise en œuvre d’un bras d’électrode de section carrée confère à cette dernière une meilleure résistance à la flexion. Ceci est d’autant plus utile que le bras d’électrode est long. Un bras d’électrode long permet en particulier d’éloigner davantage l’électrode de la paroi de cuve attenante, afin de limiter l’usure de cette dernière. Cet éloignement de l’électrode de la paroi de la cuve est d’autant plus intéressant en cas d’augmentation de la puissance du four. En effet, la puissance dépend de la tension et du courant, ces deux paramètres sont alors ajustés avec des valeurs en hausse avec l’augmentation de puissance. Il en résulte une intensification des mouvements de convection du bain de verre générés à proximité de chaque électrode qui tendent à corroder la paroi attenante de la cuve. L’éloignement de l’électrode de la paroi de la cuve permet de limiter cette usure prématurée de la paroi de cuve.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite installation électrique est adaptée de sorte que toutes les paires d’électrodes connectées à un même groupe de sortie dudit transformateur diphasé sont alimentées en un courant électrique de même tension.
Selon un mode de réalisation particulier, le four verrier est totalement électrique, et comprend préférentiellement une voûte froide (5).
Au sens de l’invention, un four est dit « totalement électrique » au sens que la totalité d’énergie de chauffage apportée au bain de verre est de nature électrique. Un tel four est ainsi dépourvu de brûleurs de chauffage.
Selon un mode de réalisation particulier, le four verrier comprend une pluralité desdits transformateurs diphasés, préférentiellement trois.
La mise en œuvre d’une pluralité de transformateurs diphasés est particulièrement adaptée pour l’alimentation en électricité de fours de grande taille, pour lesquels la mise en œuvre d’un système diphasé est particulièrement avantageuse.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite cuve de fusion est dimensionnée de sorte que ledit bain de matières vitrifiables en fusion présente en surface une aire 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 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.
La réalisation de ces fours électriques dits de grande taille se heurte habituellement à des obstacles techniques pour l’Homme du métier.
Le premier obstacle tient au besoin d’une puissance électrique supérieure pour la fusion de matières vitrifiables. Cette puissance électrique supérieure entraine une hausse des valeurs de courant et de tensions au niveau des électrodes une intensification des mouvements de convection du bain de verre générés à proximité de chaque électrode qui tendent à corroder la paroi attenante de la cuve.
Le second obstacle est que si l’aire de ces fours est importante, il en résulte un bassin avec une longueur et une largeur plus importante. Il est donc nécessaire de pouvoir apporter l’énergie de chauffage en tout point, y compris au centre du four, la zone la plus éloignée de la paroi.
La présente invention solutionne ces obstacles en combinant avec synergie l’utilisation d’un système diphasé avec des bras dont l’étendue horizontale est supérieure à 2000 mm, préférentiellement supérieure à 2500 mm, préférentiellement supérieure à 3000 mm, préférentiellement supérieure à 3500 mm, préférentiellement supérieure à 3700 mm, préférentiellement supérieure à 3900 mm. Cette synergie est basée sur le fait qu’un système diphasé permet, à puissance donnée, d’avoir moins de courant au niveau des électrodes qu’une système triphasé. On comprend alors qu’il est possible d’obtenir, pour un courant identique, une puissance supérieure. Cette possibilité d’avoir une puissance supérieure voire un courant supérieur est associée aux bras ayant une étendue horizontale plus importante. Ces bras ayant une étendue horizontale plus importante permet d’éloigner les électrodes des parois ce qui permet de diminuer le risque de corrosion des parois de la cuve tout en permettant le chauffage de zones éloignées. Par ailleurs, l’utilisation d’un système diphasé permet de diminuer le nombre d’électrodes et donc de diminuer le coût de l’installation. Le nombre d’électrodes par mètre carré (m2) est compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.15 et 0.4 et encore plus de préférence entre 0.2 et 0.35.
Selon un mode de réalisation particulier, ces fours dits de grande taille sont obtenus par addition de plusieurs modules élémentaires. On considère alors que qu’un module élémentaire est l’équivalent d’un four dont la cuve présente une longueur et une largeur d’une valeur définie, ce module élémentaire comprenant une série d’électrodes de chauffage ayant une disposition définie. De préférence, le module élémentaire a une forme carrée. Un four dit de grande taille comprend alors au moins deux modules élémentaires agencés de façon contigüe c’est-à-dire qu’il comprend une cuve dont les dimensions en longueur et largeur sont des multiples de la valeur définie du module élémentaire. Il est alors possible d’obtenir simplement un four dit de grande taille, ce four pouvant avoir des formes diverses comme une forme rectangulaire, carrée, en L ou en T.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit transformateur diphasé alimente un nombre d’électrodes inférieur ou égal à 16, préférentiellement inférieur ou égal à 12, préférentiellement inférieur ou égal à 8.
Selon que chaque groupe de sortie alimente deux fois quatre électrodes, deux fois trois électrodes ou deux fois deux électrodes, le nombre total d’électrodes alimentées par un même transformateur diphasé varie ainsi respectivement entre 16, 12 et 8 électrodes.
En comparaison avec un système triphasé et pour un module de bain de verre de surface équivalente - et donc à puissance électrique équivalente - le système diphasé offre la possibilité de réduire le nombre d’électrodes mises en œuvre dans le four.
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, 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, et par application au sein dudit bain d’un courant alternatif diphasé.
Selon un mode de réalisation particulier, toutes les paires d’électrodes connectées à un même groupe de sortie dudit transformateur diphasé sont alimentées en un courant électrique de même tension.
Selon un mode de réalisation particulier, l’invention se rapporte 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 ;
la représente schématiquement et selon une vue de haut le bain de verre et les électrodes plongeantes d’un four électrique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ;
la représente schématiquement et selon une vue de haut le bain de verre et les électrodes plongeantes d’un four électrique selon un mode de réalisation alternatif 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 (An, Bn, Cn, Dn) de chauffage plongeantes (une seule est illustrée sur la , à des fins de simplification), dont les bras sont de section carrée, et qui sont immergées à partir de la surface libre dudit bain 3 et alimentées en courant électrique par une installation électrique 4. De manière connue, la partie de l’électrode en contact avec le bain de verre est composée de molybdène. Un four verrier 1 selon l’invention est en particulier caractérisé en ce que ladite installation électrique 4 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 un mode de réalisation particulier, et tel qu’illustré par la , ladite installation électrique comprend un transformateur diphasé 6 adapté pour générer deux groupes de sortie (A-B, C-D) monophasée avec une différence de phase de 90° entre chaque groupe de sortie (A-B, C-D). Selon ce mode de réalisation particulier, un groupe de sortie ne comprend qu’une unique sortie (A-B, C-D) qui est connectée à un faisceau de trois paires d’électrodes ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn) avec n=1,2,3), qu’elle alimente en courant alternatif monophasé. Les faisceaux d’électrodes sont agencés dans le bain 3 selon une forme sensiblement en carré et de manière à respecter une symétrie centrale selon un plan théorique horizontal, par rapport à un point O localisé au centre du bain 3.
Selon ce mode de réalisation alternatif illustré à la , le premier groupe de sortie comprend plusieurs sorties (A-B, A’-B’) montées en parallèle, la première sortie A-B étant connectée à un faisceau de deux paires d’électrodes ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn) avec n=1,2), tandis que la deuxième sortie A’-B’ est connectée à une unique paire d’électrodes (A3 ; B3). Dans tous les cas, le courant monophasé délivré à chacune de ces électrodes est en adéquation de phase.
Dans la pratique, un premier courant monophasé est généré par le transformateur 6 aux bornes d’un premier groupe de sortie A-B et traverse le bain de verre entre les électrodes A1, A2, A3 d’une part, et les électrodes B1, B2, B3 d’autre part, chauffant ainsi le bain 3 de matières vitrifiables par effet joule. En parallèle, un deuxième courant monophasé, de même fréquence et de même amplitude que le premier courant, mais déphasé de 90° ou π/2 radians par rapport à ce dernier, est généré par le transformateur 6 aux bornes d’un deuxième groupe de sortie C-D et traverse le bain de verre entre les électrodes C1, C2, C3 d’une part, et les électrodes D1, D2, D3 d’autre part, chauffant ainsi le bain 3 de matières vitrifiables par effet joule. De manière globale, l’installation électrique 6 est ainsi adaptée pour générer au sein du bain 3 de verre un courant alternatif diphasé.
Selon les modes de réalisations illustrés aux figures 2 et 3, l’installation électrique ne comprend qu’un transformateur diphasé 6 qui alimente un « bloc » d’électrodes (An, Bn, Cn, Dn). Selon des modes de réalisations alternatifs non illustrés, se rapportant en particulier à des fours électriques de grande taille, l’installation électrique comprend une pluralité de transformateurs diphasés qui alimentent respectivement une pluralité de blocs d’électrodes couvrant la surface du bain 3 de verre.
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.

Claims (18)

  1. Four verrier (1) 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 (An, Bn, Cn, Dn) de chauffage plongeantes, qui sont immergées à partir de la surface libre dudit bain (3) et alimentées en courant électrique par une installation électrique (4), ledit four (1) étant caractérisé en ce que ladite installation électrique (4) est adaptée pour générer un courant alternatif diphasé.
  2. Four verrier (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite installation électrique comprend au moins un transformateur diphasé (6) adapté pour générer deux groupes de sortie (A-B, C-D) monophasée avec une différence de phase de 90° entre chaque groupe de sortie (A-B, C-D), chaque groupe de sortie (A-B, C-D) alimentant au moins une paire ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn)) desdites électrodes.
  3. Four verrier (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’au moins un groupe de sortie (A-B, C-D) dudit au moins un transformateur diphasé (6) alimente un faisceau d’au moins deux paires électrodes ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn)), préférentiellement trois paires électrodes ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn)).
  4. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu’au moins un groupe de sortie (A-B, C-D) dudit au moins un transformateur diphasé (6) comprend une ou plusieurs sorties.
  5. Four verrier (1) selon l’une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que chaque faisceau d’électrodes ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn)) est agencé dans le bain (3) de matières vitrifiables en fusion de manière à respecter une symétrie centrale selon un plan théorique horizontal.
  6. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les électrodes d’un même groupe de sortie (A-B, C-D) sont agencées à proximité de parois opposées de la cuve (2).
  7. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdites paires ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn)) d’électrodes alimentées par un même transformateur diphasé (6) sont agencées en quadrilatère selon un plan théorique horizontal, préférentiellement en rectangle, préférentiellement en carré, dans le bain (3) de matières vitrifiables en fusion.
  8. Four verrier (1) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la distance minimale (dmin) entre chaque électrode (An, Bn, Cn, Dn) et la paroi de la cuve (2) la plus proche est supérieure à 450 mm, préférentiellement supérieure à 600 mm, préférentiellement supérieure à 800 mm, préférentiellement supérieure à 950 mm, préférentiellement supérieure à 1075 mm.
  9. Four verrier (1) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chacune desdites électrodes (An, Bn, Cn, Dn) comprend un bras de projection horizontale, préférentiellement de section carrée, dont l’étendue horizontale est supérieure à 2000 mm, préférentiellement supérieure à 2500 mm, préférentiellement supérieure à 3000 mm, préférentiellement supérieure à 3500 mm, préférentiellement supérieure à 3700 mm, préférentiellement supérieure à 3900 mm.
  10. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite installation électrique (4) est adaptée de sorte que toutes les paires d’électrodes connectées à un même groupe de sortie (A-B, C-D) dudit transformateur diphasé (6) sont alimentées en un courant électrique de même tension.
  11. Four verrier (1) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il est totalement électrique, et comprend préférentiellement une voûte froide (5).
  12. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend une pluralité desdits transformateurs diphasés (6), préférentiellement trois.
  13. Four verrier (1) selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite cuve (2) de fusion est dimensionnée de sorte que ledit bain (3) de matières vitrifiables en fusion présente en surface une aire 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 (2) une distance supérieure à 5 m, préférentiellement supérieure à 6,5 m.
  14. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que ledit transformateur diphasé (6) alimente un nombre d’électrodes inférieur ou égal à 16, préférentiellement inférieur ou égal à 12, préférentiellement inférieur ou égal à 8.
  15. Four verrier (1) selon l’une des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que le nombre d’électrodes par mètre carré est compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.15 et 0.4 et encore plus de préférence entre 0.2 et 0.35.
  16. Procédé de fusion de matières vitrifiables mis en œuvre au moyen d’un four verrier (1) selon l’une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de chauffage électrique dudit bain (3) de matières vitrifiables en fusion au moyen de ladite pluralité d’électrodes (An, Bn, Cn, Dn), et par application au sein dudit bain (3) d’un courant alternatif diphasé.
  17. Procédé de fusion de matières vitrifiables selon la revendication 16 mis en œuvre au moyen d’un four verrier (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que toutes les paires ((An ; Bn) ; (Cn ; Dn)) d’électrodes connectées à un même groupe de sortie (A-B, C-D) dudit transformateur diphasé (6) sont alimentées en un courant électrique de même tension.
  18. 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 procédé de fusion selon l’une des revendications 16 et 17.
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