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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.