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La présente invention est relative, de manière générale, à la production des silicates et, plus particulièrement, à un procédé et un appa- reil servant ài.appliquer de l'énergie à des silicates fondus en mouvement, de manière à régler l'écoulement du système de façon nouvelle et efficace et à provoquer une perturbation des caractéristiques hydrauliques du système, de façon à pbtenir des taux améliorés de fabrication et une matière de qua- lité supérieure.
Lorsqu'on fabrique du verre fondue ou matière analogue, il est courant d'utiliser des fours de fusion continus comportant deux ou plusieurs creusets ou canaux contenant les matières fondues. Dans le fonctionnement de ces fours, on introduit de manière continue les matières premières, par exemple la silice et des carbonates alcalins, en amont du four et on retire continuellement en aval de celui-ci les silicates fondus. Ces silicates fondus sont ainsi obtenus continuellement et transformés en produits utiles, par exemple des bouteilles.
Il est également de pratique courante de construire un creuset de four du type ci-dessus avec un compartiment d'amont appelé creuset de fusion ou avant-creuset qui est séparé par une double paroi appelée "pont" du com- partiment d'aval appelé creuset de travail. Il est prévu un passage ou "gor- ge" dans la paroi du pont de manière à laisser passer le silicate fondu d'un creuset à l'autre, le linteau ou le dessus de cette gorge étant disposé en dessous du niveau normal des silicates fondus. On chauffe le creuset de fu- sion de manière à faire fondre le mélange des matières premières solides de la fournée.
Du fait de la fusion des matières premières, il se forme des bulles dont certaines sont de petite dimension et qui sont les dernières à monter et à crever à la couche supérieure sous tension superficielle, et ce sont par suite les dernières bulles à sortir de la masse fondue. La présen- ce de ces petites bulle dans les produits finis obtenus à partir des sili- cates fondus diminue la qualité de ces produits. Etant donné que les peti- tes bulles viennent se placer dans les couches supérieures des silicates fon- dus, le pont dans lequel est ménagé le passage ci-dessus mentionné, disposé en dessous de la surface, sert à réduire le nombre des petites bulles dans l'avant-creuset, situé en amont de la paroi comprise entre les creusets.
Par suite, le creuset de travail ne devrait recevoir que des silicates fon- dus ne contenant relativement pas de bulles nuisibles. Ce résultat envisagé n'est cependant obtenu qu'en dessous de certaines vitesses d'écoulement cri- tiques, comme on va le voir.
Il est économiquement avantageux de faire fonctionner un four de fusion continu de ce genre à une vitesse aussi grande que possible, ce qui se fait en général en portant la température des fours chauffés par combus- tible à la limite correspondant à une durée économique de la matière réfrac- taire, malgré que l'utilisation du combustible et les frais soient une fonc- tion hyperbolique de la température obtenue. Ces vitesses de production sont en général exprimées en tonnes par jour de silicates fondus. Toutefois, lorsque le rendement d'un four de fusion ordinaire de ce genre augmente au delà d'un certain taux critique, des bulbes apparaissent relativement brus- quement dans le creuset de travail et par suite dans les silicates terminés qu'on retire pour fabriquer des produits.
Ces bulles cessent brusquement d'apparaître lorsque le rendement est ensuite réduit en dessous de ce taux critique, même d'une très petite quantité par rapport au taux de production total, Ceci ne pourrait pas se produire si les petites bulles étaient ré- parties dans toute la hauteur du bain. Ces phénomènes constituent une preu- ve nette du fait que les couches supérieures de l'avant-creuset, contenant les bulles, malgré qu'ellesoient plus chaudes et qu'elles aient par suite une plus faible densité que les couches inférieures ont tendance, d'une fa- çon qui sers expliquée plus loin, à descendre bien au-dessous de leur niveau normal et à passer par la gorge dans le creuset de travail.
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Quoiqu'une certaine quantité de petites bulles soit admissible, suivant la qualité exigée du produit à fabriquer, il existe un maximum de concentration acceptable de ces bulles, laquelle est exprimée par le nombre de bulles existant par unité de poids dans un produit donné. Par exemple, 140 petites bulles pour 100 gr est une moyenne acceptable dans l'industrie des bouteilles. De plus, la quantité de ces bulles augmente progressivement avec le taux de production au delà du taux critique ci-dessus mentionné.
Il est par suite évident que le maximum de vitesse de production pour lequel un four de fusion continu peut fonctionner est déterminé par le maximum de concentration acceptable des petites bulles entrant dans le creuset de tra- vail et apparaissant dans le produit.
Il est courant, dans la partie, d'utiliser des fours de fusion chauffés par combustible, dans lesquels les flammes sortent continuellement d'orifices de combustion et sont dirigées sur la surface d'une couche supé- rieure de matières premières, ainsi que sur la surface des silicates fondus venant de cette couche.
Dans d'autres cas, en particulier en des endroits où l'on dispose économiquement de force électrique, on a utilisé le chauffage par résistance électrique pour la fusion dans des fours complètement électriques, au lieu du procédé de chauffage à combustible ci-dessus, la chaleur étant engendrée dans le bain fondu par effet Joule résultant du passage de courant électri- que alternatif dans ce bain fondu.
Dans d'autres cas, on a utilisé de la même manière une surchauf- fe électrique dans des fours de fusion à combustible, en vue de fournir au bain fondu un supplément de chaleur.
Chacun de ces types de four de fusion courants est soumis à la limitation ci-dessus décrite de la production, pour laquelle il se produit un maximum acceptable dans le creuset de travail pour une certaine vitesse définie d'écoulement, pour la matière et le système particuliers.
On a découvert selon l'invention que la présence relativement brusque de petites bulles dans le creuset de travail d'un four de fusion, se produisant pour une vitesse de production critique définie, n'est pas et ne peut pas être due à une augmentation brusque de la vitesse de formation de ces bulles, car l'approche de la vitesse de production critique doit se faire selon des augmentations graduelles et relativement régulières. En fait, l'apparition brusque de bulles dans le creuset de travail n'est nulle- ment explicable par des phénomènes thermiques seuls. Cette apparition rela- tivement brusque de bulles dans le creuset d'aval ne peut être expliquée que par des phénomènes d'écoulement hydraulique se produisant dans la région de l'étranglement de la paroi séparant les deux creusets.
Suivant ces phénomè- nes, pour des vitesses inférieures à la vitesse critique, il y a beaucoup de bulles dans les couches superficielles chaudes de l'avant-creuset et prai- quement pas de bulles dans le creuset de travail. Lorsqu'on arrive à cette vitesse critique, conformément aux phénomènes hydrauliques indiqués plus en détail ci-dessous, on a découvert selon l'invention, qu'il se crée une cou- che d'écoulement nouvelle et anormale, passant dans la gorge, constituée par les couches superficielles chaudes contenant les huiles entraînées par elles.
Par suite, les vitesses de production maxima pour les fours de fusion actuels ne sont pas limitées par le maximum des silicates fondus qui peuvent passer par la gorge du pont, mais plutôt par une certaine vitesse d'écoulement, qui n'est que légèrement supérieure à la vitesse d'écoulement critique pour la- quelle les couches superficielles contenant les bulles plongent réellement par le passage de la gorge de manière brusque, pour créer dans ce passage une nouvelle couche d'écoulement au moyen de laquelle les bulles sont alors
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amenées continuellement dans le creuset de travail.
L'invention porte sur un procédé supprimant efficacement le pas- sage par la gorge de la couche d'écoulement, contenant des bulles ci-dessus mentionnées, à des vitesses de production élevées, qui jusqu'ici étaient su- périeures à la vitesse critique et ne donnaient qu'une matière inutilisable industriellement. On obtient cet avantage nouveau et intéressant surtout en réglant le comportement de l'écoulement du système, en permettant le pas- sage des couches inférieures sans bulles à travers la gorge à des vitesses fortement accélérées, en produisant et en concentrant un nouvel effet ther- mique profond sur la température, la viscosité et les vitesses d'écoulement en résultant de ces couches inférieures ne contenant pas de bulles.
On peut obtenir ces avantages ci-dessus décrits, conformément à l'invention, en appliquant une quantité relativement faible d'énergie élec- trique sur les silicates traversant cette gorge. Toutefois, le procédé de l'invention ne doit en aucune façon être confondu avec le mode de fusion complètement électrique, ni avec les modes habituels d'augmentation électri- que de la fusion. Le procédé de l'invention n'est relatif à ces modes habi- tuels que dans la mesure où l'on utilise de l'énergie électrique selon l'in- vention.
L'invention porte sur un procédé et un appareil de production continue de silicate fondu, dans lequel une application particulière d'une quantité relativement faible d'énergie électrique augmente sensiblement la vitesse de production, en donnant de grands rendements en silicate fondu pour une quantité donnée d'énergie dépensée et en donnant continuellement des si- licates fondus à des vitesses relativement élevées pour la dimension du four utilisé.
Les silicates fondus obtenus de façon continue avec ce procédé et cet appareil sont de meilleure qualité et de composition plus homogène que cela n'a été réalisé jusqu'ici dans des fabrications continues.
Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent d'augmenter la durée utile des fours de fusion de silicates. En fonctionnement d'un four de fusion, le linteau ou le dessus du passage reliant les deux creusets a toujours été une source de détérioration, étant donné qu'il est soumis à l'action destructive de silicates s'écoulant à température élevée, en parti- culier lorsque le four fonctionne avec de grandes vitesses de production.
La présente invention permet d'augmenter la durée du four et d'éviter des arrêts pour réparation en protégeant ce linteau et d'autres parties du four contre l'action destructive de silicates fondus excessivement chauds.
Dans le procédé et l'appareil de l'invention en vue de la produo- tion continue à grande vitesse de silicates fondus, on supprime la présence de bulles indésirables à des vitesse d'écoulement qui ont jusqu'ioi provequé la présence de bulles en quantité excessive dans les silicates fondus contenus dans le creuset de travail. De plus, dans les cas ordinaires pour lesquels les conditions imposées aux produits ne nécessitent pas la suppression vir- tuelle des bulles, la présente invention permet d'avoir des vitesses de pro- duction plus élevées pour une concentration donnée et tolérable en bulles.
Les silicates fondus, obtenus de manière continue avec le procédé et l'appareil de l'invention, sont beaucoup plus homogènes à la fois en ce qui concerne la composition et le vieillissement à chaud. Les caractéristi- ques physiques d'un lot particulier de silicates fondus sont une fonction de vieillissement à chaud de la matière. La présente invention donne un produit beaucoup plus homogène en réduisant les différences de vieillissement à chaud des différentes couches de silicate passant dans un four de fusion, en amélio-
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rant ainsi grandement le degré de réaction uniforme dans les opérations ul- térieures nécessaires pour faire le produit.
Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent de suppri- mer le risque de solidification dans les passages lorsque le four de fusion est inactif pendant un arrêt. Jusqu'ici, on évitait cette solidification en continuant à retirer du four de la matière fondue pendant les arrêts, en provoquant ainsi un écoulement dans la gorge de manière à la maintenir en activité et chaude. Toutefois, selon l'invention, on peut économiser les silicates fondus qui étaient jusqu'ici retirés pendant un arrêt, uniquement en vue de maintenir la gorge en activité et ouverte, au lieu de'les faire refondre comme rognures,
Selon l'invention, on utilise des électrodes pour appliquer de l'énergie électrique à des silicates fondus, les surfaces des électrodes étant soumises à des concentrations de courant relativement faibles, ce qui leur assure une longue durée.
Cet avantage est dû à ce qu'il suffit d'une puissance relativement faible pour obtenir les vitesses élevées de produc- tion selon la présente inventiono Selon celle-ci, l'espace compris entre les électrodes est relativement si faible que les calculs électriques ou au- tres sont grandement simplifiés pour une installation donnée. De plus, avec la tension relativement faible qui est nécessaire, la souplesse de l'appa- reillage électrique est fortement augmentée, de sorte que cet appareillage est compatible avec les différents besoins se produisant en fonctionnement lorsqu'on change la composition ou la couleur du verre. Les tensions relati- vement faibles nécessaires suppriment également toute possibilité de choc électrique sensible sur le personnel'.
La disposition des électrodes selon l'invention permet de concen- trer la puissance électrique sur des couches situées plus bas que cela n'était possible jusqu'ici, et les électrodes peuvent être facilement et efficacement protégées contre l'oxydation pendant le chauffage du four.
D'autres avantages et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-dessous, faite en se référant aux dessins annexés qui représentent une forme de réalisation préférée de l'invention et dans les- quels :
La figure 1 est une coupe longitudinale d'un four de verrerie du type utilisé dans la fabrication des bouteilles, récipients, objets en verre comprimé et matières analogues ce four étant représenté comme fonctionnant de façon continue. La coupe est faite suivant un plan vertical passant par l'axe longitudinal du four.
La figure 2 est une vue correspondant à celle de la figure 1, mais représentant le four fonctionnant avec une plus grande vitesse de production et un plus grand écoulement de silicate fondu que dans le cas de la figure 1.
La figure 3 est encore une vue correspondante représentant le four fonctionnant à une vitesse de production encore plus grande et avec un écou- lement encore plus rapide des silicates fondus que sur la figure 2.
La figure 4 est encore une vue analogue, mais représentant un four selon l'invention.
La figure 5 est une coupe longitudinale partielle du four de fu- sion des figures 1 à 3, montrant schématiquement les couches pour une condi- tion d'écoulement typique dans la gorge du pont. La coupe est faite suivant un plan vertical passant par l'axe longitudinal du four.
La figure 6 est un diagramme montrant le gradient de température dans les couches d'écoulement dans la gorge représentée sur la figure 5.
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La figure 7 est une coupe verticale partielle du four de la figu- re 4 selon l'invention, représentant schématiquement les conditions d'écou- lement dans la gorge. La coupe est faite suivant un plan vertical passant par l'axe longitudinal du four.
La figure 8 est un diagramme montrant le gradient de température dans l'écoulement dans la gorge représentée sur la figure 7.
La figure 9 est un diagramme correspondant à celui de la figure
8 et représentant un gradient de température différent pour l'écoulement dans la gorge de la figure 7
La figure 10 est encore un diagramme analogue, représentant un autre gradient de température.
La figure 11 est une coupe du four de fusion des figures 4 et 7, faite suivant un plan vertical perpendiculaire à la direction de l'écoule- ment dans le four.
La figure 12 est une vue en plan partielle d'un four selon l'in- vent ion .
La figure 13 est une coupe verticale partielle faite suivant l'axe de la figure 12.
La figure 1 représente un four de régénération à trois orifices à chauffage transversal, du type Siemens, le four étant désigné dans son ensemble par 20. En général, ce type de four comporte deux bassins ou cre sets reliés par des passages immergés.
Le four 20 comprend un creuset de fusion 21 et un creuset de tra- vail 22, un passage 23 étant ménagé entre un pont 24 et la sole 25 du four.
Ce dernier comporte également une paroi d'extrémité d'amont 28, une paroi d'extrémité d'aval 29 et une voûte 30. Dans une paroi latérale 32 sont mé- nagées trois ouvertures de chauffage 33, 34 et 15 Une ouverture d'alimen- tation 38, ménagée dans la paroi 28, permet d'introduire les matières pre- mières dans l'avant-creuset 21. Une ouverture de sortie 40, ménagée dans la paroi 29, permet de retirer du creuset 2%#les silicates fondus.
Lors de l'introduction des matières premières par l'ouverture 38, celles-ci forment ce que l'on peut appeler une couche de charge 42 se trou- vant sur la surface des silicates fondus, à l'extrémité d'amont de l'avant creuset, comme on le voit sur la figure 1. Cette couche, exposée au chauf- fage effectué par les orifices de chauffage, devient progressivement plus chaude dans le sens de l'écoulement.
En avançant à partir de l'ouverture 38, les matières se transfor- ment chimiquement de façon continue pour passer de l'état de matières pre- mières à celui de silicates fondus, une partie de la chaleur totale appli- quée servant à effectuer la transformation chimique. Par suite, en avan- çant dans le sens de l'écoulement, cette partie de la chaleur totale dispo- nible dépensée pour la transformation chimique devient progressivement de plus en plus faible et la partie restante disponible de la chaleur totale sert à augmenter la température des silicates fondus, qui deviennent de plus en plus chauds jusqu'à l'endroit le plus chaud 45 ou "source" qui a été re- connu et appelé ainsi dans le traité allemand de Gelhoff.
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L'ECOULEMENT RAPIDE DE SURFACE A L'ARRIERE DE LA SOURCE
ET L'ECOULEMENT LENT 'VERS L'AVAL DES COUCHES INFERIEURES.
Comme on l'a dit plus haut et comme on le voit sur la figure 1, il se produit un effet de source ou de fontaine en 45, qui est l'endroit où se produit normalement la température la plus élevée le long de l'axe longi- tudinal de l'avant-creuset. La source engendre une couche mince, se dépla- çant relativement rapidement, de silicates fondus circulant à la surface de l'avant-creuset dans toutes les directions à partir de la source. L'emplace- ment et le sens de la partie revenant vers l'arrière de cette couche sont désignés de façon générale par la flèche 50. On remarquera que la couche 50 est un courant induit thermiquement qui pousse en fait la couche 42 vers l'arrière, comme cela est bien connu dans la partie.
Si cet écoulement vers l'arrière n'existait pas, la couche de matières premières tendrait à recou- vrir toute la surface de la masse se trouvant dans l'avant creuset 21. La couche 50 en s'écoulant passe sous la couche 42 et elle devient plus froide car elle perd de la chaleur non seulement par radiation à travers la couche 32, mais elle est protégée par celle-ci de la chaleur rayonnée par les flam- mes. En conséquence, la viscosité et la densité de la couche augmentent et elle devient de plus en plus visqueuse en se déplaçant à une vitesse de plus en plus faible, pour finalement descendre au voisinage de la paroi 28, comme cela est indiqué par la flèche 52.
La couche en mouvement 50 se réunit alors à l'avance relativement lente des couches inférieures, indiquée par la flèche 54 D'après la figure 1, on voit que les couches inférieures 54 sont con- stituées par de la matière se déplaçant lentement, visqueuse et relativement froide, la vitesse avec laquelle les couches inférieures 54 avancent étant réglée par celle avec laquelle ces couches peuvent passer par la gorge 23.
L'ECOULEMENT SUPERFICIEL RAPIDE VERS L'AVAL A PARTIR DE LA SOURCE ET L'EFFET HYDRAULIQUE DE VITESSES CROISSANTES
DE PRODUCTION.
On voit sur la figure 1 que de la matière fondue montant à l'en- droit de la source 45 se déplace vers l'aval à partir de cette source, sui- vant un écoulement superficiel indiqué par la flèche 58. Lorsque le four fonctionne à une vitesse de production modérée, comme cela est représenté sur la figure 1, la couche 58 doit s'incurver vers le bas lorsqu'elle ren- contre le pont, comme le montre la flèche 59, puis elle doit revenir vers la source, comme le montre la flèche 60. Il y a lieu de noter que cet écou- lement doit atteindre une vitesse horizontale nulle du fait de la présence du pont et, étant donné qu'il reste très chaud, il n'existe pas de force l'obligeant à descendre dans les couches inférieures plus denses et plus froides.
On voit donc ainsi que les silicates fondus suivant le sens de circulation fermée représenté par les) flèches 58, 59 et 60, et ils doivent normalement le faire. Comme on l'a dit plus haut, du fait de la transforma- tion chimique des matières premières en silicates fondus, il se dégage con- tinuellement des bulles. Ces bulles tendent à monter à la surface et à y crever, mais certaines d'entre elles, en particulier les plus petites, sont entraînées le long de la couche superficielle venant de la source 45 avant de pouvoir crever. On a représenté par exemple une bulle 62 dans la couche superficielle 58.
Sur la figure 2, on voit encore le four de la figure 1, mais fonctionnant à une plus grande vitesse d'écoulement V2, supérieure à la vi- tesse moyenne Vl de la figure 1 Dans la condition d'écoulement modérée de
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la figure 1, tout le silicate fondu traversant la gorge 23 à la vitesse Vl est constitué par des silicates fondus, visqueux, se déplaçant lentement en venant de la couche inférieure 54. Une certaine partie de matière relative- ment plus chaude et de plus faible densité, provenant de la partie voisine 64, pénètre dans la gorge ou passage 23 puisque cette matière plus chaude et plus légère venant de la partie 64 tend à monter et reste en cet endroit au-dessus de la matière relativement dense de la couche 54.
Lorsque la vitesse moyenne dans le passage 23 augmente du fait de l'augmentation de la matière enlevée pour la production, en passant de la vitesse moyenne Vl de la figure 1 à la vitesse V2 de la figure 2, le verre relativement plus chaud et moins dense de la partie 64 tend à descen- dre et à entrer dans le passage 23, comme le montre la flèche 66.
il y a lieu de noter que la vitesse V2 pour laquelle la couche de matières chaudes provenant de la région 64 commence à se comporter ainsi de façon très anor- maie, dépend de facteurs tels que les caractéristiques particulières de con- struction du four, du type de matières à fabriquer, de la température de fonctionnement, du gradient de température et d'autres facteurs moins impor- tantso
Avec une nouvelle augmentation de la production du four jusqu'à un point pour lequel l'écoulement dans la gorge doit avoir une vitesse V3 pour assurer cette production, comme le montre la figure 3, l'écoulement chaud 58 descend même plus précipitamment en suivant la trajectoire indiquée par la flèche 70. Cette descente à partir de la région superficielle finale suivant la trajectoire 70 n'est que l'achèvement de la tendance décrite dans le paragraphe précédent.
Lorsque l'écoulement commence à descendre depuis la surface, les bulles 62 commencent à descendre avec cette couche 70 et el- les passent par la gorge 23 pour venir dans le creuset 22
On peut noter, de manière significative, que les bulles 62 n'exis- tent normalement que dans la couche supérieure du bain contenu dans l'avant- creuset. Le fait que les bulles n'existent pas en profondeur ressort du fait qu'en réduisant relativement peu la production, et par suite avec un écoulement lent, on arrête rapidement l'arrivée de bulles dans le creuset 22.
Cette apparition et cette disparition brusque des bulles dans le creuset 22 pour une condition d'écoulement typique, ne pourraient évidemment pas se produire si tout le verre contenu dans l'avant-creuset contenait des bulles.
Le verre de la couche superficielle 58 doit par suite, malgré sa plus forte température et sa plus faible densité, descendre et pénétrer dans le passa- ge 23 et, de ce fait, il crée l'écoulement anormal 70 qui traverse des cou- ches de verre de plus en plus froides et de plus en plus denses.
Le fait de cette descente est en outre vérifié par mesure de la température de l'é- coulement 74 qui monte depuis la gorge, comme on le voit sur la figure 30 C'est-à-dire que plus la vitesse de production est grande, plus la tempéra- ture du verre montant depuis le passage 74 se rapproche de celle de la cou- che 58 plutôt que de la température beaucoup plus basse existant en profon- deur en 52 Cette descente du verre de la couche supérieure suivant la tra- jectoire 70 est encore vérifiée par la disparité de l'usure des différentes parties du passage 230 Etant donné que le linteau 76 de la gorge 23 se dé- truit d'abord lorsqu'un four a fonctionné de manière continue avec l'appari- tion de bulles dans le creuset 22,
on ne peut expliquer cette destruction que par le fait que le linteau est exposé à l'action destructive de la ma- tière superficielle descendante, excessivement chaude, à laquelle ce linteau a été exposé. En même temps, les côtés et le bras du passage 23 ne sont ex- posés qu'à l'action d'une matière relativement froide, ce qui se vérifie par leur degré respectif d'usure.
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Pour assurer le type d'écoulement ci-dessus décrit, c'est-à-dire la descente de la matière superficielle chaude de la couche 58 dans la gor- ge et dans le creuset de travail, il faut une dépense d'énergie déterminée puisque de la matière à densité relativement faible descend en traversant des couches inférieures de matières progressivement plus froides et plus denses. En outre, pour assurer l'écoulement du type que l'on est en train de décrire, il est nécessaire qu'il y ait de grandes différences, lorsque la profondeur augmente, dans la résistance à l'écoulement des différentes couches.
L'énergie ci-dessus mentionnée, assurant cet effet de descente, doit conformément aux lois fondamentales de l'hydraulique provenir de la pression hydraulique statique créée par la différence des niveaux des sili- cates fondus à l'endroit des orifices d'entrée et de sortie du four. Etant donné que la totalité de la pression hydraulique disponible augmente avec la vitesse de production du four, l'énergie totale en un point de l'écoule- ment doit augmenter également conformément à la théorie de Bernoulli. En conséquence, lorsque la pression augmente, la vitesse d'écoulement des cou- ches inférieures visqueuses, suivant la trajectoire 54 et dans la gorge, augmente.
Comme ces couches inférieures sont lourdes et visqueuses, leur résistance totale à l'augmentation de la vitesse est de plus en plus grande à mesure que la production du four augmente, jusqu'à ce que l'on arrive à un point pour lequel il faut moins d'énergie pour déplacer une partie du vo- lume total nécessaire à partir des couches intermédiaires voisines de 64, pour les faire passer à travers la gorge, que pour déplacer le même volume de matières en augmentant la vitesse de la couche inférieure 54 seule.
Cet- te condition, suivant laquelle le verre de la couche intermédiaire descend depuis 64, est représentée sur la figure 2 Lorsque la résistance totale à l'augmentation de vitesse de la couche inférieure 54 devient encore plus grande, cette vitesse passant de V2 de la figure 2 à V3 de la figure 3, le verre de la surface est amené à descendre suivant la trajectoire 70 avec du verre provenant de la région 64,comme le montre la figure 3, puisqu'il faut moins d'énergie pour envoyer dans la gorge la matière 58 de la surface que cela n'est nécessaire pour augmenter la vitesse moyenne de la totalité des cou- ches infériéuaes qui se déplacent déjà à des vitesses qui sont à leur maxi- mum étant donné la pression hydraulique existante et leur viscosité moyenne élevée.
On voit donc que lorsque la vitesse de production d'un four de fusion donné augmente au delà d'un certain point critique, les silicates fon- dus relativement visqueux qui se trouvent en dessous du niveau de linteau de la gorge ne peuvent plus satisfaire à l'augmentation de la demande en avan- çant horizontalement pour passer par la gorge. En même temps, de l'énergie supplémentaire est disponible du fait de l'augmentation de la pression hy- draulique qui se produit lorsqu'on retire davantage du produit.
Cette éner- gie supplémentaire est dépensée pour faire passer-des silicates fondus de zones où ces silicates ont de moins en moins de résistance à l'écoulement, vers et à travers la gorgeo En conséquence, on retire de la matière de plus en plus des couches supérieures lorsque l'énergie disponible supplémentaire devient suffisamment grande pour surmonter la tendance qu'ont les couches supérieures moins denses à rester dans le haut. On voit donc que lorsque la vitesse de production augmente progressivement au-dessus du point criti- que, la matière qui passe dans la gorge contient de plus en plus celle pro- venant des couches supérieures qui, bien qu'elles soient moins denses, cou- lent plus facilement du fait de leur plus faible viscosité.
Une nouvelle augmentation de la vitesse de production aggrave davantage cet état jusqu'à ce que la partie supérieure de l'écoulement arrivant à l'entrée de la gorge atteigne son état final, c'est-à-dire en provenance de la couche supérieure du bain fondu contenu dans l'avant-creuset, cette couche entraînant les bul- les en question.
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Lorsqu'un four de fusion fonctionne à ces grandes vitesses de production, le phénomène que l'on vient de décrire commence à affecter l'é- tat, autrement tranquille, de la surface et provoque la descente dans la gorge de la matière de la surface contenant des bulles. Du fait de l'aug- mantatio de cet écoulement de surface en 58 (figure 3), la source 45 se dé- place un peu vers l'aval, comme indiqué en 46, sous l'action de la force d'entraînement de l'écoulement. En même temps, les courants de surface al- lant vers l'arrière à partir de la source, en 50, sont plus faibles, ce qui permet à la charge d'avancer davantage.
Ceci est un effet gênant, car il se produit au moment précis où les besoins de chaleur pour la fusion ont augmenté et où une charge supplémentaire arrive dans l'avant-creuset pour compenser l'augmentation de prélèvement de matière dans le creuset de tra- vail.
L'écoulement de matière fondue et les vitesses nettes ("nettes" servant à désigner la suppression des bulles) sont tous deux des fonctions du temps et des dimensions physiques en jeu. Le résultat net de la compo- sante horizontale dirigée vers l'avant, produite par le déplacement dû au prolongement du verre chaud de la surface en 70, est d'accélérer l'écoule- ment de la surface vers l'avant dans les dimensions fixes de la surface de l'avant-creuset, et ainsi de réduire le temps pendant lequel les bulles montent, crèvent et s'échappent. En outre, l'avance de la couche de matière première dont il a été fait mention ci-dessus, réduit encore la distance et, par suite, le temps disponible dans ce but. Des bulles en quantité excessi- ve restent ainsi entraînées et descendent en 70.
Cette série rapidement convergente de facteurs limitatifs arrête rapidement toute nouvelle tentative d'augmentation de la production après qu'une composante horizontale sensible d'un écoulement contenant des bulles s'est produit à la surface de l'avant-creuset.
Etant donné la description ci-dessus du fonctionnement hydrauli- que de l'écoulement superficiel à partir de la source et de l'écoulement le long du fond du four, on voit facilement que l'on peut augmenter la vitesse de production d'un four donné jusqu'au point pour lequel la plus grande par- tie de la matière se déplaçant dans la gorge est fournie par le courant min- ce, se déplaçant rapidement, de la matière de surface, laquelle passe par le haut de la gorge 23, au contact du linteau 76.
On voit également d'après la figure 3 que la vitesse du courant 70 sera d'autant plus grande qu'il sera plus chaud et fluide et que plus le déplacement des couches inférieures 54 dans le passage sera plus faible en conséquence. La raison en est que la somme volumétrique de ces deux dépla- cements doit être égale au volume total passant par le passage 23, pour sa- tisfaire à la loi de continuité.
LES EFFETS DE LA PRESENTE INVENTION SUR LES CARACTERISTI
QUES D'ECOULEMENT PAR LE PASSAGE IMMERGE D'UN FOUR DE FUSION.
En se reportant à la figure 4, on voit encore le four 20 des pré- cédentes figures, mais selon l'invention deux électrodes 80 et 81 situées à distance l'une de l'autre, montent à travers des trous 85 et 86 de la sole 25 du four. Les électrodes sont reliées à une source de courant alternatif, non représentée. Etant donné que les silicates fondus présentent la pro- priété de devenir conducteurs électriquement sous forme d'une résistance di- te de seconde classe, les silicates fondus servent d'agents conducteurs du courant entre les électrodes. Le courant alternatif passant entre les élec-
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trodes fournit de la chaleur, dans la gorge 23, aux couches inférieures visqueuses 54, comme on le voit sur la figure 4.
On a découvert selon l'invention qu'il suffit d'une quantité re- lativement faible de puissance fournie aux électrodes 80 et 81 pour réduire sensiblement la viscosité, et par suite, la résistance à l'écoulement des couches inférieures 54 Ceci permet à ces dernières de se déplacer à plus grande vitesse, sous la pression hydraulique existante, que cela ne serait possible si l'effet de chauffage des électrodes n'était pas appliqué selon l'inventiono De plus, selon celle-ci, le four peut fonctionner avec une plus grande vitesse de production sans passage excessif de bulles, étant donné que la vitesse critique pour laquelle les couches supérieures conte- nant les bulles commencent à passer par le passage 23 prend, avec la présen- te invention, une valeur supérieure.
On s'en rend compte facilement en con- sidérant que le passage de bulles dans la gorge et dans le creuset de tra- vail est le facteur limitant la production et en se rappelant que lorsqu'un four fonctionne selon l'invention, une plus grande partie de la matière pas- sant par la gorge vient des couches inférieures 54 ne contenant sensiblement pas de bulle. Par suite, il ne passe qu'une proportion faible, sinon nulle de la matière totale en provenance de la couche supérieure 58 contenant des bulles, suivant les conditions imposées au produit et suivant que l'opéra- teur désire ou non faire fonctionner le four à sa vitesse maximum.
On va comparer les figures 3 et 4 afin de montrer schématiquement comment la présente invention augmente la vitesse de production pour laquelle l'écoulement dans le passage devient critique.
On supposera que les vitesses de production sont identiques dans les fours des figures 1 et 4. Comme on l'a dit plus haut, les deux fours sont du même type et ont les mêmes dimensions, sauf que l'invention est ap- pliquée dans le four de la figure 4 Il doit passer dans la gorge 4 le mê- me volume de matière dans chacune des gorges et, comme les surfaces des gor- ges sont identiques, la vitesse moyenne sera dans les deux gorges égale à V3
Suivant les phénomènes hydrauliques ci-dessus indiqués, une vi- tesse V3 dans la gorge du four de la figure 3 donne un écoulement dépassant le point critique, de sorte que la couche supérieure contenant des bulles descend et passe dans la gorge.
Au contraire, la vitesse V3 est acceptable dans le cas du four de la figure 4 sans provoquer l'écoulement descendant anormal qui se produit au-dessus du point critique et sans passage de bulles dans le creuset de travail. Cet écoulement avantageux se produit avec le four de la figure 4 puisque la présente invention augmente la mobilité des couches inférieures visqueuses 54 et modifie la caractéristique hydraulique de l'écoulement, de sorte que ces couches inférieures fournissent la totalité de la matière pas- sant dans la gorge.
En outre, la vitesse de production de la figure 4 est identique à celle de la figure 30
On voit en outre facilement que l'on peut selon l'invention aug- menter la vitesse de production du four de la figure 4 au-dessus de la con- dition indiquée jusqu'à ce qu'une vitesse de fonctionnement critique soit atteinte, ou au-dessus de cette vitesse critique, suivant le nombre de bul- les qui peut être toléré.
En résumé, on peut utiliser sélectivement la présente invention pour supprimer la présence de bulles se produisant pour une vitesse de pro- duction donnée, comme on l'a expliqué par comparaison des figures 3 et 4, ou bien on peut utiliser la présente invention pour augmenter le maximum de vitesse de production acceptable industriellement.
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On comprendra mieux l'importance du fait qu'il suffit d'appliquer une faible quantité d'énergie électrique sur les électrodes 80 et 81 de la figure 4 en considérant qu'une augmentation de 28 par exemple de la tempé- rature de l'écoulement des couches inférieures 54 au droit des électrodes peut être accompagnée d'un facteur de changement de la viscosité de 1,3, c'est-à-dire que la viscosité au droit de la gorge 23 des couches 54 dimi nue d'environ 23% lorsque la température n'augmente que de 28 .
Etant donné l'analyse ci-dessus de l'écoulement, on comprend maintenant que les avantages principaux assurés par la présente invention sont obtenus en augmentant la mobilité des couches inférieures visqueuses
54 et en modifiant la caractéristique hydraulique de l'écoulement au droit de la gorge 23. La modification de ces phénomènes physiques n'est en aucune façon analogue à une augmentation de la vitesse de fusion. En conséquence, le mode de fusion nouveau et économique selon l'invention ne doit en aucune fagon être confondu avec la technique habituelle d'application de quantités relativement grandes d'énergie électrique dans le seul but d'augmenter la vitesse de fusion des matières premières.
Dans les fours ordinaires, cette application électrique ne se fait qu'aux dépens de quantités relativement grandes d'énergie électrique par rapport à ce qui a lieu selon la présente invention. L'augmentation de la vitesse des couches inférieures ainsi ob- tenue n'est accomplie de manière incidente et efficace qu'au prix d'une gran- de dépense de puissance. Cette dépense de puissance tient à ce que l'on chauffe tout le bassin en profondeur conformément à des dispositifs électri- ques antérieurs et qu'en conséquence, on augmente la perte de chaleur de la totalité du creuset de fusion.
En outre, en utilisant de l'énergie électri- que comme supplément pour effectuer la fusion, ce que l'on considérait jus- qu'ici comme étant une petite quantité d'énergie électrique appliquée sur un four chauffé par du combustible pour augmenter relativement fortement la vitesse de production, par comparaison avec l'augmentation de vitesse de production obtenue exigeait, pour chaque augmentation du taux de production, des quantités relativement grandes de puissance dépensées.
On voit donc que non seulement les' techniques habituelles sont inefficaces pour des taux peu élevés d'application de puissance supplémentaire, par comparaison avec la présente invention, mais encore que ces techniques habituelles obéissent à la loi des diminutions inverses et qu'elles deviennent de plus en plus inefficaces à mesure que la puissance électrique supplémentaire augmente.
Par exemple, si la quantité de puissance fournie en supplément pour la fu- sion à la manière habituelle augmentait indéfiniment, on comprend que l'on arriverait à un point pour lequel le fonctionnement équivaudrait à une fu- sion complètement électrique, pour laquelle la puissance électrique serait l'équivalent de celle qui est nécessaire pour la fusion et pour compenser les pertes totales de chaleur du four. Il y a lieu de noter que, dans l'e- xemple ci-dessus, les vitesses d'admission du combustible devraient être progressivement réduites à zéro pour empêcher une surchauffe du four.
En se reportant aux figures 5 et 7, on va indiquer une analyse simple utilisant une formule hydraulique de base pour montrer pourquoi l'ap- plication d'une quantité relativement faible de puissance électrique sur les couches inférieures visqueuses passant dans la gorge a un effet important dans l'augmentation de la capacité de production d'un four donné, et com- ment l'application de cette quantité relativement faible d'énergie électri- que sert à empêcher le passage de bulles dans la gorge et dans le creuset de travail du four.
Les figures 5 et 7 représentent des passages 23 de fours de fu- sion identiques, le dispositif selon l'invention n'étant appliqué que dans le deuxième.
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On a représenté sur la figure 5 la condition d'écoulement dans la gorge au-dessus du point critique et telle que la matière venant de la surface chaude descend de manière à former une couche supérieure 101. En même temps, de la matière du fond, relativement froide et visqueuse, avance dans le passage pour former une couche inférieure 103. La somme des volu- mes des couches 101 et 103 doit être égale au volume total d'écoulement dans le four, suivant l'équation de continuité.
Si Vf représente la vitesse de la couche rapide 101 et Vs celle de la couche lente 103, l'équation de con- tinuité pour la condition d'écoulement de la figure 3 peut être Vitesse d'écoulement = volume passant dans le passage 23. dans le four. = volume de la couche 103 + volume de la couche 101 = Vs (surface de la couche 103) + Vf (surface de la couche 101).
Etant donné que la valeur du facteur (surface de la couche 103) est relati- vement grand, on comprend qu'une faible augmentation de Vs suffit pour ame- ner la valeur de Vf (surface de la couche 101) à zéro si le volume total de circulation dans le four est maintenu constant.
Puisqu'il suffit d'une faible augmentation de Vs, il en résulte qu'il suffit d'une faible diminution de la viscosité de la couche 103 et, par suite, d'une faible quantité de puissance électrique pour passer de la condition d'écoulement de la figure 5 à celle de la figure 7, mais unique- ment si cette petite quantité de puissance est appliquée selon la présente invention.
Le graphique de la figure 6 représente un gradient de température typique pris verticalement en travers de la gorge 23 pour la condition d'é- coulement de la figure 5. On voit que les températures Ts de la couche in- fêrieure 103 sont relativement faibles par comparaison avec la température Tf de la couche supérieure chaude. En passant verticalement au travers de la couche limite 105, il y a une augmentation rapide de la température, com- me le montre la partie plate de la ligne de gradient de température de la figure 6. les figues 8 9 et 10 représentent différents gradients de tem- pérature pris verticalement dans le passage 23 pour les conditions d'écoule- ment de la figure 7 pour différents taux d'application de puissance par rapport aux vitesses d'écoulement.
On remarquera que la partie à haute tem- pérature de la ligne de gradient de la figure 6 a été supprimée dans chaque cas et que les gradients peuvent être modifiés ou inversés suivant la vites- se de chauffe du verre et la vitesse à laquelle elle peut monter suivant la composante horizontale due à l'écoulement dans la gorge. En outre, le lin- teau du passage n'est pas soumis à l'action de la couche supérieure à tem- pérature élevée qui existait avec la condition d'écoulement de la figure 5.
±'augmentation de verre chaud dans la région active et limitée de la gorge entrainen une convexion rapide et efficace qui assure une action de mélange intensive sur la totalité du verre en traitement, ce qui tend grandement à supprimer les cordons et l'hétérogénéité.
Il est en outre évident que le verre contenu dans la couche 70 et celui de la couche 54 de la figure 3, représentées à plus grande échelle en 101 et 103 sur la figure 5 ne peuvent avoir été dans le four que pendant des périodes de durée très variables, susceptibles d'introduire des diffé- rences dans le vieillissement par la chaleur et par conséquent dans- la struc- ture moléculaire, ainsi que des différences dans d'autres caractéristiques vitales.
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Par contre, la progression accélérée et régulière des couches inférieures exclusivement, vers et dans la gorge, comme le montrent les fi- gures 4 et 7, avec une vitesse de production relativement élevée selon l'in- vention, assure au verre passant dans la gorge un vieillissement par la cha- leur qui est beaucoup plus voisin de l'uniformité.
Les figures 12 et 13 représentent l'application de l'invention à un four comportant une gorge du type à fond surbaissé. Ce four comporte un avant-creuset 110 et un creuset de travail 111 reliés par un passage à fond surbaissé 112 qui est plus bas que le fond de l'avant-creuset.
Les figures 12 et 13 représentent en outre l'application de plu- sieurs électrodes 115, 116 et 117 du type à alimentation continue passant dans le fond 118 de la gorge et dans la couche inférieure de silicates fon- dus se trouvant au-dessus. Pour mettre en place les électrodes, le fond 112 de la gorge peut encore être abaissé comme on le voit en 120 de manière à augmenter la distance comprise entre les électrodes et le linteau 122.
Les figures 7 et 11 représentent deux électrodes 80 et 81 en for- me de T, présentant des éléments venant au contact de l'écoulement et s'éten- dant horizontalement. Comme on le voit sur la figure 11, l'électrode 81 comporte une tige 82 montant par le trou 86 et un élément transversal 83 disposé transversalement au sens de l'écoulement dans la gorge et logé dans une creusure 84 de la face supérieure de la sole 25 du four. Cette disposi- tion permet d'abaisser les électrodes et, en conséquence, elle tend à rédui- re le trajet du courant électrique dans le verre fondu, de sorte que l'effet de chauffage est appliqué plus directement sur les parties plus basses et plus visqueuses de la matière qui s'écoule. Il faut installer les électro- des en T dans le four vide froid et ensuite les chauffer en présence d'air lors de la mise en service du four.
Pour protéger les électrodes contre une oxydation rapide pendant cette période de chauffage, on a trouvé avan- tageux d'y appliquer des revêtements en silicates solubles dans l'eau ou ma- tière analogue et, après mise en place, de remplir la creusure de particu- les de silicates à bas point de ramollissement tels que de l'émail, de la fritte ou des débris de verre mou à l'état de fine division. Ainsi, lorsque la chaleur du four devient suffisante pour que ces silicates protecteurs se ramollissent et coulent, ils restent dans la creusure et recouvrent et pro- tègent l'électrode de l'air jusqu'à ce que la totalité soit ensuite recou- verte par les silicates fondus qui servent à remplir le four pour le faire fonctionner.
D'après ce qui précède, il est évident que la combinaison de la creusure 84 avec l'électrode s'étendant horizontalement donne l'emplace- ment d'électrode le plus bas possible et permet de maintenir un milieu pro- tecteur autour de l'électrode pendant la période de chauffage.
La combinaison ci-dessus décrite est particulièrement avantageuse dans la mise en pratique de l'invention puisqu'elle permet de manière sim- ple et efficace de disposer et de répartir uniformément l'énergie électrique conformément à ce qui a été dit ci-dessus.
Le facteur principal qui limite l'augmentation de la puissance électrique applicable sur une électrode de dimension donnée, immergée dans des silicates fondus chauds, est l'aptitude du verre intensément chauffé qui se trouve à son voisinage immédiat de s'échapper de la région de grande con- centration de puissance avant que l'augmentation progressive de température des silicates fondus atteigne un point pour lequel les silicates commencent à se désagréger en formant d'innombrables bulles.
Lorsque l'électrode est plongée dans des silicates fondus relati- vement tranquilles, cet échappement est à son tour limité par la vitesse d'ascension des courants de convection thermique résultant de ce chauffage,
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courants qui doivent passer à travers des silicates fondus relativement vis- queux.
D'après ce qui précède, il est évident que la vitesse de cet échappement de silicates du voisinage de l'électrode est augmentée si l'é- lectrode est placée dans une couche de silicates fondus qui eux-mêmes se déplacent relativement rapidement et dans un sens pour lequel l'énerige ci- nétique de leur déplacement crée une force supplémentaire qui contribue à augmenter la vitesse de déplacement en s'écartant du voisinage de l'électro- de.
Suivant l'invention, les électrodes sont disposées de manière à assurer l'avantage ci-dessus, étant donné que la vitesse de déplacement des silicates fondus de trouvant dans la gorge et dans sa région doit, dans tou- tes les conditions opératoires, être induite de manière positive et être re- lativement élevée.
On peut refroidir les électrodes de toute manière appropriée, par exemple en amenant dans les tiges des électrodes un liquide réfrigérant.
En résumé, la présente invention procure différents avantages in- téressants lorsqu'elle est appliquée à la production de silicates fondus utilisés dans la fabrication de produits utiles tels que de la verrerie et produits analogues. Quoique le principe de l'invention soit mis en oeuvre à l'aide d'un système relativement simple, les avantages intéressants ne peuvent être obtenus que par une application particulière et non évidente de ce dispositif pour assurer des caractéristiques d'écoulement anormales, comme on l'a dit plus haut.
De plus, le procédé de l'invention est souple du fait que le conducteur d'un four de fusion peut utiliser sélectivement les principes de l'invention pour augmenter les vitesses de production, ob- tenir des produits de meilleure qualité, prolonger la durée du four, rédui- re les températures de fonctionnement et les dépenses en combustible, ou pour obtenir différentes combinaisons de ces avantages.
Bien que la forme de réalisation de la présente invention décri- te ici constitue une forme préférée, il est bien évident que l'on peut en utiliser d'autres conformes à son esprit.
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The present invention relates generally to the production of silicates and more particularly to a process and apparatus for applying energy to moving molten silicates so as to control the flow. of the system in a new and efficient manner and to disturb the hydraulic characteristics of the system, so as to obtain improved rates of manufacture and higher quality material.
When making molten glass or the like, it is common to use continuous melting furnaces having two or more crucibles or channels containing the molten materials. In the operation of these furnaces, the raw materials, for example silica and alkali carbonates, are introduced continuously upstream of the furnace and the molten silicates are continuously withdrawn downstream of the latter. These molten silicates are thus continuously obtained and transformed into useful products, for example bottles.
It is also common practice to construct a furnace crucible of the above type with an upstream compartment called a melting crucible or fore-crucible which is separated by a double wall called a "bridge" from the downstream compartment called. working crucible. A passage or "groove" is provided in the wall of the bridge so as to allow the molten silicate to pass from one crucible to another, the lintel or the top of this groove being placed below the normal level of silicates. fades. The melting crucible is heated so as to melt the mixture of solid raw materials in the batch.
Due to the fusion of the raw materials, bubbles form, some of which are small and which are the last to rise and burst at the upper layer under surface tension, and these are consequently the last bubbles to come out of the melt. The presence of these small bubbles in the finished products obtained from the molten silicates decreases the quality of these products. Since the small bubbles come to be placed in the upper layers of the fused silicates, the bridge in which the above-mentioned passage is provided, disposed below the surface, serves to reduce the number of small bubbles in the body. the fore-crucible, located upstream of the wall between the crucibles.
As a result, the working crucible should receive only fused silicates relatively free of harmful bubbles. This envisaged result, however, is only obtained below certain critical flow speeds, as will be seen.
It is economically advantageous to operate such a continuous melting furnace at as high a speed as possible, which is generally done by raising the temperature of the fuel-heated furnaces to the limit corresponding to an economic life of the furnace. refractory material, although fuel use and costs are a hyperbolic function of the temperature obtained. These production rates are generally expressed in tonnes per day of molten silicates. However, when the efficiency of an ordinary melting furnace of this kind increases beyond a certain critical rate, bulbs appear relatively suddenly in the working crucible and consequently in the finished silicates which are removed for manufacture. some products.
These bubbles suddenly cease to appear when the yield is subsequently reduced below this critical rate, even by a very small amount compared to the total production rate. This could not happen if the small bubbles were distributed in the entire height of the bath. These phenomena constitute clear proof of the fact that the upper layers of the fore-crucible, containing the bubbles, despite being hotter and therefore having a lower density than the lower layers, tend to d 'a way which will be explained later, to descend well below their normal level and to pass through the groove in the working crucible.
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Although a certain quantity of small bubbles is permissible, depending on the quality required of the product to be produced, there is a maximum acceptable concentration of these bubbles, which is expressed by the number of bubbles existing per unit weight in a given product. For example, 140 small bubbles per 100g is an acceptable average in the bottle industry. In addition, the quantity of these bubbles gradually increases with the production rate beyond the critical rate mentioned above.
It is therefore evident that the maximum production rate at which a continuous melting furnace can operate is determined by the maximum acceptable concentration of small bubbles entering the working crucible and appearing in the product.
It is common in the party to use fuel-heated smelting furnaces, in which the flames continuously come out of combustion orifices and are directed on the surface of a top layer of raw materials, as well as on the surface of molten silicates coming from this layer.
In other cases, especially in places where electric power is economically available, electric resistance heating has been used for melting in fully electric furnaces, instead of the above fuel heating process. the heat being generated in the molten bath by the Joule effect resulting from the passage of alternating electric current in this molten bath.
In other cases, electric superheating has been used in the same way in fuel-fired melting furnaces to provide additional heat to the molten bath.
Each of these common types of melting furnace is subject to the above-described limitation of production, whereby an acceptable maximum occurs in the working crucible for a certain defined flow rate, for the material and the system. individuals.
It has been found according to the invention that the relatively abrupt presence of small bubbles in the working crucible of a melting furnace, occurring at a defined critical production rate, is not and cannot be due to an increase abrupt rate of formation of these bubbles, because the approach of the critical production rate must be done in gradual and relatively regular increases. In fact, the sudden appearance of bubbles in the working crucible cannot be explained by thermal phenomena alone. This relatively sudden appearance of bubbles in the downstream crucible can only be explained by hydraulic flow phenomena occurring in the region of the constriction of the wall separating the two crucibles.
According to these phenomena, for velocities below the critical velocity, there are many bubbles in the hot surface layers of the fore-crucible and hardly any bubbles in the working crucible. When this critical speed is reached, in accordance with the hydraulic phenomena indicated in more detail below, it has been discovered according to the invention that a new and abnormal flow layer is created, passing through the groove, formed by the hot surface layers containing the oils entrained by them.
Therefore, the maximum production rates for current melting furnaces are not limited by the maximum of molten silicates which can pass through the throat of the bridge, but rather by a certain flow rate, which is only slightly higher. at the critical flow speed at which the surface layers containing the bubbles actually plunge through the throat passage abruptly, to create in this passage a new flow layer by means of which the bubbles are then
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continuously fed into the working crucible.
Disclosed is a method of effectively suppressing throat passage of the flow layer, containing the above-mentioned bubbles, at high production speeds, which heretofore have been above the critical speed. and gave only material unusable industrially. This new and interesting advantage is obtained above all by regulating the behavior of the flow of the system, by allowing the passage of the lower layers without bubbles through the groove at strongly accelerated speeds, by producing and concentrating a new thermal effect. Deep mics on temperature, viscosity and flow velocities resulting from these bottom layers not containing bubbles.
These advantages described above can be obtained in accordance with the invention by applying a relatively small amount of electrical energy to the silicates passing through this groove. However, the process of the invention should in no way be confused with the completely electric melting mode, nor with the usual methods of electrically increasing the melting. The process of the invention relates to these usual modes only insofar as electrical energy is used according to the invention.
A method and apparatus for the continuous production of molten silicate, wherein a particular application of a relatively small amount of electrical energy significantly increases the production rate, giving high yields of molten silicate for an amount. given the energy expended and continuously giving molten silicates at relatively high rates for the size of the furnace used.
The fused silicates continuously obtained with this process and apparatus are of better quality and more homogeneous in composition than has heretofore been achieved in continuous manufacturing.
The method and apparatus according to the invention make it possible to increase the useful life of silicate melting furnaces. In the operation of a melting furnace, the lintel or the top of the passage connecting the two crucibles has always been a source of deterioration, since it is subjected to the destructive action of silicates flowing at high temperature, in especially when the furnace is operating at high production speeds.
The present invention makes it possible to increase the life of the furnace and to avoid downtime for repairs by protecting this lintel and other parts of the furnace against the destructive action of excessively hot molten silicates.
In the process and apparatus of the invention for the continuous high speed production of molten silicates, the presence of unwanted bubbles is suppressed at flow rates which have heretofore caused the presence of bubbles. excessive amount in the molten silicates contained in the working crucible. In addition, in ordinary cases where the conditions imposed on the products do not require the virtual suppression of bubbles, the present invention allows for higher production rates to be obtained for a given and tolerable bubble concentration.
The molten silicates, obtained continuously with the process and apparatus of the invention, are much more homogeneous both in composition and in heat aging. The physical characteristics of a particular batch of fused silicates are a function of heat aging of the material. The present invention gives a much more homogeneous product by reducing the differences in hot aging of the different layers of silicate passing through a melting furnace, thereby improving
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thus greatly improving the degree of uniform reaction in the subsequent operations necessary to make the product.
The method and apparatus according to the invention allow the risk of solidification in the passages to be eliminated when the melting furnace is inactive during a shutdown. Heretofore, this solidification has been avoided by continuing to remove molten material from the furnace during shutdowns, thereby causing flow in the throat to keep it active and hot. However, according to the invention, one can save the molten silicates which were heretofore removed during a shutdown, only with a view to keeping the throat active and open, instead of having them remelted as clippings,
According to the invention, electrodes are used to apply electrical energy to molten silicates, the surfaces of the electrodes being subjected to relatively low current concentrations, which ensures a long duration.
This advantage is due to the fact that relatively low power is sufficient to obtain the high production speeds according to the present invention. According to the latter, the space between the electrodes is relatively so small that the electrical calculations or others are greatly simplified for a given installation. In addition, with the relatively low voltage that is required, the flexibility of the electrical equipment is greatly increased, so that this equipment is compatible with the different requirements that arise in operation when the composition or color of the material is changed. glass. The relatively low voltages required also eliminate any possibility of appreciable electric shock to personnel.
The arrangement of the electrodes according to the invention allows the electric power to be concentrated on layers situated lower than hitherto possible, and the electrodes can be easily and effectively protected against oxidation during the heating of the furnace. .
Other advantages and features of the invention will emerge from the description below, made with reference to the appended drawings which show a preferred embodiment of the invention and in which:
Figure 1 is a longitudinal section of a glass furnace of the type used in the manufacture of bottles, containers, compressed glass articles and the like, this furnace being shown to be in continuous operation. The cut is made along a vertical plane passing through the longitudinal axis of the furnace.
Figure 2 is a view corresponding to that of Figure 1, but showing the furnace operating with a higher production speed and greater flow of molten silicate than in the case of Figure 1.
Fig. 3 is still a corresponding view showing the furnace operating at an even higher production rate and with an even faster flow of molten silicates than in Fig. 2.
FIG. 4 is still a similar view, but showing an oven according to the invention.
Figure 5 is a partial longitudinal section of the smelter of Figures 1 to 3, schematically showing the layers for a typical flow condition in the bridge groove. The cut is made along a vertical plane passing through the longitudinal axis of the furnace.
Figure 6 is a diagram showing the temperature gradient in the flow layers in the groove shown in Figure 5.
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FIG. 7 is a partial vertical section of the furnace of FIG. 4 according to the invention, schematically showing the flow conditions in the groove. The cut is made along a vertical plane passing through the longitudinal axis of the furnace.
Figure 8 is a diagram showing the temperature gradient in the flow in the throat shown in Figure 7.
Figure 9 is a diagram corresponding to that of figure
8 and showing a different temperature gradient for the flow in the throat of figure 7
FIG. 10 is yet another analogous diagram, showing another temperature gradient.
Figure 11 is a section through the melting furnace of Figures 4 and 7 taken along a vertical plane perpendicular to the direction of flow in the furnace.
FIG. 12 is a partial plan view of a furnace according to the invention.
Figure 13 is a partial vertical section taken along the axis of Figure 12.
FIG. 1 represents a regeneration furnace with three transversely heated ports, of the Siemens type, the furnace being designated as a whole by 20. In general, this type of furnace comprises two basins or cre sets connected by submerged passages.
Furnace 20 comprises a melting crucible 21 and a working crucible 22, a passage 23 being formed between a bridge 24 and the hearth 25 of the furnace.
The latter also comprises an upstream end wall 28, a downstream end wall 29 and an arch 30. In a side wall 32 are formed three heating openings 33, 34 and 15. Supply 38, made in wall 28, allows the introduction of raw materials into the fore-crucible 21. An outlet opening 40, made in wall 29, allows 2% # silicates to be removed from the crucible. fades.
When the raw materials are introduced through opening 38, they form what may be called a filler layer 42 located on the surface of the molten silicates, at the upstream end of the Before crucible, as seen in Fig. 1. This layer, exposed to the heating effected by the heating ports, becomes progressively hotter in the direction of flow.
As it advances from opening 38, the materials continuously change chemically from raw materials to molten silicates, with part of the total heat applied being used to effect the process. chemical transformation. As a result, advancing in the direction of flow, that part of the total available heat expended for the chemical transformation gradually becomes smaller and smaller, and the remaining available part of the total heat serves to increase the temperature. molten silicates, which get hotter and hotter up to the hottest place 45 or "source" which was recognized and so called in the German treatise of Gelhoff.
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FAST SURFACE FLOW AT THE REAR OF THE SOURCE
AND THE SLOW DOWNWARD FLOW OF THE LOWER LAYERS.
As said above and as seen in Figure 1, there is a source or fountain effect at 45, which is where the highest temperature normally occurs along the longitudinal axis of the fore-crucible. The source generates a thin, relatively fast moving layer of molten silicates flowing over the surface of the fore-crucible in all directions from the source. The location and direction of the rearward portion of this layer are generally designated by arrow 50. Note that layer 50 is a thermally induced current which in fact pushes layer 42 towards the back. rear, as is well known in the game.
If this backward flow did not exist, the layer of raw materials would tend to cover the entire surface of the mass located in the front crucible 21. The layer 50 by flowing passes under the layer 42 and it becomes colder because it loses heat not only by radiation through the layer 32, but it is protected by it from the heat radiated by the flames. As a result, the viscosity and density of the layer increase and it becomes more and more viscous as it moves at an increasingly slower speed, finally descending to the vicinity of the wall 28, as indicated by the arrow 52. .
The moving layer 50 then comes together in the relatively slow advance of the lower layers, indicated by arrow 54 From Fig. 1, it is seen that the lower layers 54 are made up of slowly moving, viscous material. and relatively cold, the speed with which the lower layers 54 advance being regulated by that with which these layers can pass through the groove 23.
FAST SURFACE FLOW DOWNSTREAM FROM SOURCE AND HYDRAULIC EFFECT OF INCREASING SPEEDS
OF PRODUCTION.
It can be seen from Figure 1 that molten material rising at the source 45 moves downstream from this source, following a surface flow indicated by arrow 58. When the furnace is in operation at moderate production speed, as shown in figure 1, layer 58 should curve downward as it meets the bridge, as shown by arrow 59, and then should return to the source, as shown by arrow 60. It should be noted that this flow must reach zero horizontal velocity due to the presence of the bridge and, given that it remains very hot, there is no force l 'forcing them to descend into the denser and cooler lower layers.
It is therefore seen that the molten silicates following the direction of closed circulation represented by the arrows 58, 59 and 60, and they should normally do so. As mentioned above, due to the chemical transformation of the raw materials into molten silicates, bubbles are continuously given off. These bubbles tend to rise to the surface and burst there, but some of them, especially the smaller ones, are carried along the surface layer coming from source 45 before they can burst. For example, a bubble 62 has been shown in the surface layer 58.
In Figure 2, the furnace of Figure 1 can still be seen, but operating at a greater flow velocity V2, greater than the average velocity Vl of Figure 1 Under the moderate flow condition of
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Figure 1, all of the molten silicate passing through throat 23 at speed V1 is slowly moving, viscous, molten silicates from lower layer 54. Some relatively warmer and weaker material density, coming from the neighboring part 64, enters the groove or passage 23 since this warmer and lighter material coming from the part 64 tends to rise and remains in this place above the relatively dense material of the layer 54.
As the average speed in passage 23 increases due to the increase in material removed for production, from the average speed V1 of Figure 1 to the speed V2 of Figure 2, the glass is relatively hotter and less dense section of part 64 tends to descend and enter passage 23, as shown by arrow 66.
It should be noted that the rate V2 at which the layer of hot material from region 64 begins to behave in this way very abnormally, depends on factors such as the particular construction characteristics of the furnace, the type of material to be manufactured, operating temperature, temperature gradient and other less important factors
With a further increase in furnace production to a point where the throat flow must have a velocity V3 to ensure this production, as shown in Figure 3, the hot flow 58 descends even more precipitously following the trajectory indicated by the arrow 70. This descent from the final surface region following the trajectory 70 is only the completion of the trend described in the previous paragraph.
When the flow begins to descend from the surface, the bubbles 62 begin to descend with this layer 70 and they pass through the groove 23 to enter the crucible 22
Significantly, it can be noted that the bubbles 62 normally only exist in the upper layer of the bath contained in the fore-crucible. The fact that the bubbles do not exist at depth is apparent from the fact that by reducing the production relatively little, and consequently with a slow flow, the arrival of bubbles in the crucible 22 is quickly stopped.
This sudden appearance and disappearance of bubbles in crucible 22 for a typical flow condition, of course, could not occur if all of the glass contained in the fore-crucible contained bubbles.
The glass of the surface layer 58 must therefore, despite its higher temperature and lower density, descend and enter the passage 23 and, therefore, it creates the abnormal flow 70 which passes through the layers. increasingly cold and denser glass.
The fact of this descent is further verified by measuring the temperature of the flow 74 which rises from the throat, as seen in Fig. 30 That is to say, the higher the production speed. , the closer the temperature of the glass rising from the passage 74 approaches that of the layer 58 rather than the much lower temperature existing deep down at 52 This descent of the glass from the upper layer following the path. jectory 70 is further verified by the disparity of wear of the different parts of the passage 230 Since the lintel 76 of the groove 23 first destroys when an oven has been operated continuously with the apparition bubbles in crucible 22,
this destruction can only be explained by the fact that the lintel is exposed to the destructive action of the excessively hot descending surface material to which this lintel has been exposed. At the same time, the sides and the arm of the passage 23 are only exposed to the action of a relatively cold material, which is verified by their respective degree of wear.
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To ensure the type of flow described above, that is to say the descent of the hot surface material of the layer 58 into the groove and into the working crucible, a determined expenditure of energy is required. since relatively low density material descends through lower layers of progressively cooler and denser material. Further, to ensure flow of the type described here, it is necessary that there are large differences, as the depth increases, in the resistance to flow of the different layers.
The energy mentioned above, ensuring this descent effect, must in accordance with the fundamental laws of hydraulics come from the static hydraulic pressure created by the difference in the levels of the molten silicates at the location of the inlet ports and from the oven. Since the total available hydraulic pressure increases with the production rate of the furnace, the total energy at a point in the flow must also increase according to Bernoulli's theory. As the pressure increases, therefore, the flow velocity of the viscous lower layers along path 54 and in the groove increases.
As these lower layers are heavy and viscous, their total resistance to increasing the speed is greater and greater as the production of the furnace increases, until a point is reached where it is necessary less energy to move part of the total volume needed from the neighboring intermediate layers 64, to pass them through the groove, than to move the same volume of material by increasing the speed of the lower layer 54 alone .
This condition, according to which the glass of the intermediate layer descends from 64, is shown in Fig. 2 When the total resistance to the increase in speed of the lower layer 54 becomes even greater, this speed rising from V2 of the Figure 2 to V3 of Figure 3, the glass of the surface is caused to descend along the path 70 with glass coming from the region 64, as shown in Figure 3, since less energy is required to send into the throats the material 58 of the surface only necessary to increase the average speed of all the lower layers which are already moving at speeds which are at their maximum given the existing hydraulic pressure and their average viscosity high.
It can therefore be seen that when the production rate of a given melting furnace increases beyond a certain critical point, the relatively viscous fused silicates which are found below the lintel level of the throat can no longer satisfy. increasing demand by moving horizontally through the gorge. At the same time, additional energy is available due to the increase in hydraulic pressure which occurs when more product is removed.
This additional energy is expended to pass molten silicates from areas where these silicates have less and less resistance to flow, to and through the throat. As a result, more and more material is removed from the throat. upper layers when the additional energy available becomes large enough to overcome the tendency of the less dense upper layers to stay at the top. It can therefore be seen that as the rate of production progressively increases above the critical point, the material which passes through the throat increasingly contains that coming from the upper layers which, although they are less dense, neck - slower more easily due to their lower viscosity.
A further increase in the production rate further worsens this condition until the upper part of the flow arriving at the entrance to the throat reaches its final state, i.e. from the upper layer. of the molten bath contained in the fore-crucible, this layer entraining the bubbles in question.
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When a smelting furnace is operated at these high production speeds, the phenomenon just described begins to affect the otherwise quiet condition of the surface and causes the material to descend into the throat. surface containing bubbles. Due to the increase in this surface flow at 58 (figure 3), the source 45 moves a little downstream, as indicated at 46, under the action of the driving force of the flow. At the same time, the surface currents backward from the source at 50 are lower, allowing the charge to advance further.
This is an annoying effect, because it occurs at the precise moment when the heat requirements for the melting have increased and when an additional charge arrives in the fore-crucible to compensate for the increase in material removal in the working crucible. vail.
The melt flow and the net velocities ("net" used to denote bubble removal) are both functions of time and the physical dimensions involved. The net result of the forward directed horizontal component , produced by the displacement due to the prolongation of the hot glass from the surface at 70, is to accelerate the flow of the surface forwards in the fixed dimensions of the surface of the fore crucible, and so to reduce the time during which bubbles rise, burst and escape. In addition, the advance of the raw material layer mentioned above further reduces the distance and hence the time available for this purpose. Excessive bubbles thus remain entrained and descend at 70.
This rapidly converging series of limiting factors quickly halt any further attempts to increase production after a substantial horizontal component of a flow containing bubbles has occurred at the fore crucible surface.
From the above description of the hydraulic operation of the surface flow from the source and the flow along the bottom of the furnace, it is readily seen that the rate of production of a furnace can be increased. furnace given to the point where most of the material moving in the groove is supplied by the thin, rapidly moving current of the surface material, which passes through the top of the groove 23 , in contact with the lintel 76.
It can also be seen from FIG. 3 that the speed of the stream 70 will be all the greater the hotter and more fluid it will be and the smaller the displacement of the lower layers 54 in the passage will be as a result. The reason is that the volumetric sum of these two displacements must be equal to the total volume passing through the passage 23, to satisfy the law of continuity.
THE EFFECTS OF THE PRESENT INVENTION ON THE CHARACTERISTI
QUES OF FLOW THROUGH THE IMMERSE PASSAGE OF A FUSION OVEN.
Referring to FIG. 4, the furnace 20 of the previous figures can still be seen, but according to the invention two electrodes 80 and 81 situated at a distance from each other, rise through holes 85 and 86 of the bottom 25 of the oven. The electrodes are connected to an alternating current source, not shown. Since the molten silicates exhibit the property of becoming electrically conductive in the form of a second class di-resistor, the molten silicates serve as current conducting agents between the electrodes. The alternating current flowing between the
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trodes provides heat, in throat 23, to viscous lower layers 54, as seen in Figure 4.
It has been found in accordance with the invention that a relatively small amount of power supplied to electrodes 80 and 81 suffices to substantially reduce the viscosity, and hence the resistance to flow of the lower layers 54. the latter to move at greater speed, under the existing hydraulic pressure, than would be possible if the heating effect of the electrodes were not applied according to the invention. In addition, according to the latter, the furnace can operate with a higher production speed without excessive passage of bubbles, since the critical speed at which the upper layers containing the bubbles begin to pass through passage 23 takes on a higher value with the present invention.
This is easily seen by considering that the passage of bubbles in the throat and in the working crucible is the factor limiting production and by remembering that when a furnace operates according to the invention, a more much of the material passing through the groove comes from the lower layers 54 containing substantially no bubble. As a result, only a small proportion, if not zero, of the total material from the top layer 58 containing bubbles passes, depending on the conditions imposed on the product and depending on whether the operator wishes to operate the oven or not. at its maximum speed.
We will compare Figures 3 and 4 in order to schematically show how the present invention increases the production rate at which flow in the passage becomes critical.
It will be assumed that the production speeds are identical in the furnaces of Figures 1 and 4. As stated above, the two furnaces are of the same type and have the same dimensions, except that the invention is applied in the furnace of figure 4 It must pass in the groove 4 the same volume of material in each of the grooves and, as the surfaces of the grooves are identical, the average speed will be in the two grooves equal to V3
According to the hydraulic phenomena indicated above, a speed V3 in the throat of the furnace of FIG. 3 results in a flow exceeding the critical point, so that the top layer containing bubbles descends and passes into the throat.
On the contrary, the speed V3 is acceptable in the case of the furnace of Figure 4 without causing the abnormal downward flow which occurs above the critical point and without passage of bubbles in the working crucible. This advantageous flow occurs with the furnace of Figure 4 since the present invention increases the mobility of the viscous lower layers 54 and changes the hydraulic characteristic of the flow, so that these lower layers provide all of the material passing through. the throat.
Also, the production speed of Figure 4 is the same as that of Figure 30
It is furthermore readily seen that according to the invention it is possible to increase the production speed of the furnace of FIG. 4 above the condition indicated until a critical operating speed is reached, or above this critical speed, depending on the number of bubbles that can be tolerated.
In summary, the present invention can be selectively used to suppress the presence of bubbles occurring for a given production rate, as explained by comparison of Figures 3 and 4, or the present invention can be used to. increase the maximum industrially acceptable production speed.
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The importance of the fact that it suffices to apply a small quantity of electrical energy to the electrodes 80 and 81 of FIG. 4 will be better understood, considering that an increase of 28 for example in the temperature of the electrode. flow of the lower layers 54 at the level of the electrodes may be accompanied by a viscosity change factor of 1.3, i.e. the viscosity at the level of the groove 23 of the layers 54 decreases by approximately 23% when the temperature only increases by 28.
Given the above analysis of flow, it is now understood that the main advantages provided by the present invention are obtained by increasing the mobility of the viscous lower layers.
54 and by modifying the hydraulic characteristic of the flow at the right of the throat 23. The modification of these physical phenomena is in no way analogous to an increase in the rate of fusion. Accordingly, the novel and economical method of melting according to the invention should in no way be confused with the usual technique of applying relatively large amounts of electrical energy for the sole purpose of increasing the rate of melting of raw materials. .
In ordinary furnaces, this electrical application is made only at the expense of relatively large amounts of electrical energy compared to what takes place according to the present invention. The increase in the speed of the lower layers thus obtained is accomplished incidentally and effectively only at the cost of a great expenditure of power. This expenditure of power is due to the fact that the entire basin is heated in depth in accordance with prior electrical devices and that, consequently, the loss of heat from the entire melting pot is increased.
Further, by using electrical energy as a supplement to effect the smelting, what heretofore was considered to be a small amount of electrical energy applied to a furnace heated by fuel to increase relatively The production speed, compared with the increase in production speed obtained, required, for each increase in the production rate, relatively large amounts of power expended.
It can therefore be seen that not only are the usual techniques ineffective for low rates of application of additional power, compared with the present invention, but also that these usual techniques obey the law of inverse decreases and that they become of. more and more inefficient as the additional electric power increases.
For example, if the amount of power supplied additionally for fusion in the usual way were to increase indefinitely, it would be understood that one would arrive at a point where the operation would be equivalent to a completely electric fusion, for which the power electrical would be the equivalent of that required for melting and to compensate for the total heat loss from the furnace. It should be noted that, in the above example, the fuel inlet speeds should be gradually reduced to zero to prevent overheating of the furnace.
Referring to Figures 5 and 7, a simple analysis using a basic hydraulic formula will be shown to show why the application of a relatively small amount of electrical power to the lower viscous layers passing through the groove has an effect. important in increasing the production capacity of a given furnace, and how the application of this relatively small amount of electrical energy serves to prevent the passage of bubbles through the throat and the working crucible from the oven.
FIGS. 5 and 7 represent passages 23 of identical melting furnaces, the device according to the invention being applied only in the second.
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Shown in Figure 5 is the flow condition in the groove above the critical point and such that the material from the hot surface descends so as to form a top layer 101. At the same time, the bottom material , relatively cool and viscous, advances through the passage to form a lower layer 103. The sum of the volumes of the layers 101 and 103 should equal the total volume of flow in the furnace, according to the continuity equation.
If Vf represents the speed of the fast layer 101 and Vs that of the slow layer 103, the continuity equation for the flow condition of Figure 3 can be Flow velocity = volume passing through passage 23. in the oven. = volume of layer 103 + volume of layer 101 = Vs (surface of layer 103) + Vf (surface of layer 101).
Given that the value of the factor (area of layer 103) is relatively large, it is understood that a small increase in Vs is sufficient to bring the value of Vf (area of layer 101) to zero if the volume total circulation in the oven is kept constant.
Since all that is needed is a small increase in Vs, it follows that a small decrease in the viscosity of the layer 103 and, consequently, a small amount of electric power is sufficient to pass from the condition d. The flow of Figure 5 to that of Figure 7, but only if this small amount of power is applied in accordance with the present invention.
The graph of Figure 6 shows a typical temperature gradient taken vertically across throat 23 for the flow condition of Figure 5. It is seen that the temperatures Ts of the bottom layer 103 are relatively low by comparison with the temperature Tf of the hot upper layer. Passing vertically through the boundary layer 105, there is a rapid increase in temperature, as shown by the flat part of the temperature gradient line in Figure 6. Figures 8 9 and 10 represent different gradients of temperature taken vertically in passage 23 for the flow conditions of Figure 7 for different power application rates versus flow velocities.
Note that the high temperature portion of the gradient line in Figure 6 has been omitted in each case and that the gradients can be changed or reversed depending on the glass heating rate and the rate at which it can. rise along the horizontal component due to the flow in the groove. Further, the passageway sheet is not subjected to the action of the high temperature top layer which existed with the flow condition of Figure 5.
± The increase of hot glass in the active and limited region of the throat results in a rapid and efficient convection which ensures an intensive mixing action on the whole of the glass being processed, which greatly tends to eliminate strings and heterogeneity.
It is further evident that the glass contained in the layer 70 and that of the layer 54 of FIG. 3, shown on a larger scale at 101 and 103 in FIG. 5 can only have been in the furnace for periods of time. highly variable, likely to introduce differences in heat aging and hence in molecular structure, as well as differences in other vital characteristics.
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On the other hand, the accelerated and regular progression of the lower layers exclusively, towards and in the groove, as shown in FIGS. 4 and 7, with a relatively high production speed according to the invention, ensures the glass passing through the throat. throat an aging by heat which is much closer to uniformity.
FIGS. 12 and 13 represent the application of the invention to an oven comprising a groove of the low-bottom type. This furnace comprises a fore-crucible 110 and a working crucible 111 connected by a passage with a low bottom 112 which is lower than the bottom of the fore-crucible.
Figures 12 and 13 further illustrate the application of a plurality of electrodes 115, 116 and 117 of the continuous feed type passing through the bottom 118 of the groove and into the lower layer of fused silicates above it. To place the electrodes, the bottom 112 of the groove can be further lowered as seen at 120 so as to increase the distance between the electrodes and the lintel 122.
Figures 7 and 11 show two T-shaped electrodes 80 and 81 having elements coming into contact with the flow and extending horizontally. As seen in Figure 11, the electrode 81 comprises a rod 82 rising through the hole 86 and a transverse element 83 disposed transversely to the direction of flow in the groove and housed in a recess 84 of the upper face of the bottom 25 of the oven. This arrangement allows the electrodes to be lowered and, therefore, it tends to reduce the path of electric current in the molten glass, so that the heating effect is applied more directly to the lower parts and more. viscous of the flowing material. The T-electrodes must be installed in the cold empty oven and then heated in the presence of air when the oven is put into service.
In order to protect the electrodes against rapid oxidation during this heating period, it has been found advantageous to apply thereon coatings of water-soluble silicates or the like and, after placement, to fill the recess with. low softening point silicate particles such as enamel, frit or fine divided soft glass debris. Thus, when the heat of the furnace becomes sufficient for these protective silicates to soften and flow, they remain in the recess and cover and protect the electrode from air until all is then covered by. the molten silicates which are used to fill the furnace to operate it.
From the foregoing it is evident that the combination of the recess 84 with the horizontally extending electrode gives the lowest possible electrode location and maintains a protective medium around it. electrode during the heating period.
The above-described combination is particularly advantageous in the practice of the invention since it allows in a simple and efficient manner to evenly dispose and distribute the electrical energy in accordance with what has been said above.
The main factor limiting the increase in electric power applicable to a given size electrode immersed in hot molten silicates is the ability of the intensely heated glass in its immediate vicinity to escape from the region of great concentration of power before the gradual increase in temperature of the molten silicates reaches a point at which the silicates begin to break up forming innumerable bubbles.
When the electrode is immersed in relatively quiet molten silicates, this escape is in turn limited by the speed of rise of the thermal convection currents resulting from this heating,
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currents which must pass through relatively viscous molten silicates.
From the foregoing it is evident that the velocity of this escape of silicates from the vicinity of the electrode is increased if the electrode is placed in a layer of molten silicates which themselves move relatively rapidly and in a direction in which the kinetic energy of their displacement creates an additional force which contributes to increasing the speed of displacement by moving away from the vicinity of the electrode.
According to the invention, the electrodes are arranged so as to provide the above advantage, since the speed of displacement of the molten silicates in the throat and in its region must, under all operating conditions, be. positively induced and be relatively high.
The electrodes can be cooled in any suitable manner, for example by supplying coolant liquid into the rods of the electrodes.
In summary, the present invention provides various interesting advantages when applied to the production of molten silicates used in the manufacture of useful products such as glassware and the like. Although the principle of the invention is implemented using a relatively simple system, the interesting advantages can only be obtained by a particular and non-obvious application of this device to ensure abnormal flow characteristics, such as as we said above.
In addition, the process of the invention is flexible in that the operator of a melting furnace can selectively use the principles of the invention to increase production speeds, obtain better quality products, extend life. furnace, reduce operating temperatures and fuel costs, or to achieve various combinations of these benefits.
Although the embodiment of the present invention described herein constitutes a preferred form, it is obvious that others can be used in accordance with its spirit.