PROCEDE DE FUSION ET D'AFFINAGE ELECTRIQUE
DE VERRE
La présente invention concerne un procédé de fabrication
de verre dans un four électrique dans lequel les phases. d'élaboration, réaction, fusion , affinage et conditionnement, s'effectuent au cours de la circulation de haut en bas et
en couches successives.
Pour réaliser ce procédé, le mélange vitrifiable est alimenté uniformément sur la surface supérieure. du bain.
La fusion et réalisée directement dans la couche horizontale sous-jacent le dit mélanue vitrifiable, et dans laquelle l'énergie est répartie par un ensemble d'électrodes verticales réglables. Ces électrodes sont réparties adéquatement le
long des parois verticales et pénètrent dans la couche
supérieure du bain de verre par la partie supérieure du
four.En option les électrodes peuvent être horizontales.
L'enfoncement . 'Ses électrodes est réniable en profondeur
à partir de la surface. lorsqu'elles sont verticales.
Une des caractéristiques du procédé de l'invention est
de régler la température la plus élevée dans la couche de
fusion et immédiatement sous celle-ci dans la couche où
l'affinane s'effectue.
Une autre caractéristique de la présente invention,
est de calorifuoer progressivement les parois verticales.
Suivant la présente invention, le fond du four est
refroidi par section modulée, de manière à réaliser sous les
-
couches supérieures de fusion et d'affinage, un qradient
thermique décroissant.
Le verre circule de haut en bas de manière aussi
uniforme que possible. Le refroidissement.du verre depuis
la couche d'affinace jusqu'au fond, se fait par conduction radiative. Une des caractéristiques de la présente invention
est d'extraire sélectivement des quantités de chaleur par refroidissement des modules constituant le fond, les dites quant=
<EMI ID=1.1> Le refroidissement des dits modules du fond est réglé en mettant à profit les propriétés thermiques et spectrales du verre telle que la transmission spectrale dans les bandes visibles et proche infraroune du spectre.
La hauteur du four est déterminée par les taux de
<EMI ID=2.1>
Le verre affiné et refroidi à la température adéquate de conditionnement, circule ensuite au travers d'un conduit profilé ou "throat"
Une autre caractéristique de la présente invention est de réduire la consommation d'éneraie au minimum possible, çrâce à la compacité du four de fusion et d'affinage et à
la suppression des courants tourbillonaires ou courants dits de retour.
Il est éqalement une autre caractéristique spécifique possible de la présente invention,de créer un mouvement des susdites électrodes verticales au travers de la voûte et particulièrement dans le cas d'une construction cylindrique, de faire tourner les électrodes autour de l'axe vertical
du four
S'il est bien connu d'alimenter le mélange vitrifiable dans des fours électriques au dessus de la surface du bain, en la répartissant uniformément par un distributeur, les fours électriques réalisés jusqu'à présent ont un inconvénient considérable en ce que les courants de verre ne sont pas controlés. De sorte que les fours électriques sont de bonnes unités de fusion, mais sont le plus souvent inaptes à affiner le verre. Cette déficience a limité l'application des fours
<EMI ID=3.1>
timent complémentaire d'affinage devait leur être ajouté, ce qui nuisait au rendement thermique et auomentait le coût.
Dans les fours électriques réalisés jusqu'à présent,
les électrodes étaient soit introduits verticalement par le fond, soit horizontalement par les parois latérales
Ces électrodes en forme de barre avaient les inconvénients suivants. La densité de courant et d'énergie autour des électrodes crée un accroissement très important de température qui crée des courants tourbillonaires. Ces derniers sont très défavorables à l'affinage du verre et s'opposent à l'élimination des inclusions gazeuses; bulles . Ces courants tourbillonaires ou vortex:.du" à la diminution locale de densité résultant de l'accroissement anormal de température, sont d'autant plus nu nuisibles que les électrodes sont plus proches du fond du four.
<EMI ID=4.1>
haut vers le bas et empêchent l'élimination des bulles, par
leur complexité et leur vitesse.
De plus, lorsque les électrodes sont proches du fond
du four, ou sont introduites par le fond du four, les
phénomènes décrits ci-dessus contribuent à maintenir le verre
à température très élevée jusqu'au voisinage du fond.
Des lors, la corrosion peut être importante et cette corrosion peut être particulièrement intense dans le throat, ce qui
réduit la durée de campagne du four.
A ces problèmes s'ajoute le fait que le verre est distribué dans le compartiment de travail à température élevée. On conçoit que les zones essentielles à l'élaboration du
verre ne sont pas bien définies dans ces fours électriques.
Un des autres points faibles des fours électriques
connus actuellement,est la forme et la réalisation des électrodes.
Dans la plupart des cas, les électrodes sont des barres en métal réfractaire tel que le molybdène. En raison de leur condition de placement, la densité de courant sur les parois
est irréoulière et augmente depuis la paroi jusqu'à l'extrémité ou les valeurs dépassent la tolérance: dès lors l'usure est
<EMI ID=5.1>
Ce phénomène est constaté aussi bien sur des électrodes horizontales que verticales, introduites par le fond.
On a'tenté d'y remédier en améliorant les porteélectrodes. Cependant, l'enfoncement progressif des électrodes et surtout leur remplacement est difficile et souvent aléatoire.
On a essayé d'y remédier en utilisant différentes formes d'électrodes plates de surface spécifique plus qrande.
Leur fixation est peu aisée et leur remplacement
en cours de campagne,-pratiquement impossible.
Ces problèmes réduisent donc considérablement la
durée de campagne des fours.Enfin, les conditions de construction
<EMI ID=6.1>
de fonctionnement.
Si les parois sont peu calorifuaées, des courants descendants sont entretenus tendant à amplifier les courants tourbillonaires mentionnés plus haut. De plus, le fond est .. souvent plus ou moins calorifuaé, s'opposant au refroidissement minimum souhaitable du verre, ce qui entraîne deux conséquences:
la température du fond et celle du throat accroissent la* corrosion d'une part et augmentent la proportion de défauts
et d'inclusions dans le verre.
L'invention concerne une solution rationnelle d'élaboration du verre orâce à un contrôle de la répartition d'énercie et des::courants du verre dans le four.
L'invention permet de réoler de manière aussi uniforme que possible le courant de verre de haut en bas, en éliminant l'effet nuisible de courants thermiques tourbillonaires.
Suivant le mode d'application préféré de l'invention, les électrodes sont disposées verticalement le long des parois à la partie, supérieure du bain de verre. Le nombre et la
<EMI ID=7.1>
électrique soit dissipée par effet joule dans la couche supérieure du bain de verre. Les porte-électrodes traversent la voûte légère et isolée et ensuite la couche de mélance vitrifiable au dessus du bain de verre.
Le mélange vi'trifiable est réparti uniformément et
de manière continue par des engins d'enfournement dont les procédés sont de plusieurs types:
distribution à&vîs
distribution à courroie.
distribution à godet
qui sont ranimes de mouvement de va-et-vient ou de mouvement circulaire.
Cette couche de mélange vitrifiable est un isolement thermique qui réduit considérablement le trnasfert de chaleur vers la parie supérieure, c'est à dire la voûte.
Il est connu que les valeurs de transfert de chaleur sont fonction de l'émis si vite et des différences de température et dans le cas cité inférieur à 500 à 1000 Kcal/Heure/m ,
sans que ce soit limitatif.
Il est avantageux que la voûte soit calorifugée.* elle peut être en forme de dôme ou de préférence plate et
<EMI ID=8.1>
Les porte-électrodes verticaux, selon l'invention , traversent la dite voûte par autant d'orifices verticaux qu'il y a de porte-électrodes.
Sous la couche de mélance vitrifiable la température auomente vers le bas très rapidement jusqu'à une valeur allant de 1400 à 1600[deg.] en fonction des conditions et de la nature des verres, ces valeurs étant citées à titre d'exemple non
<EMI ID=9.1>
réagissent rapidement �râce à la température élevée.
Suivant l'une des caractéristiques de l'invention cette couche à température élevée a une résistance électrique plus faible que les zones inférieures du bain de verre.
Il est en effet connu que la conductivité électrique
<EMI ID=10.1>
sodo calcique, alumino silicate, borosilicate, cristal au plomb, augmente à une allure exponentielle avec la température.
Cette propriété est exploitée avantageusement pour concentrer l'énergie dans cette couche supérieure.
Lorsque dans la progression vers le bas, toutes les matières solides ou cristallines sont complètement fondues
<EMI ID=11.1>
résultent des aaz occlus et de? -la décomposition des sels tels que carbonates, sulfates, hydrates ou autres.
<EMI ID=12.1>
dans le verre à contre courant de la progression vers le
bas du dit verre. C'est une caractéristique qui est avanta= geusement appliquée puisque la vitesse d'ascension des inclusion gazeuses est d'autant plus prande que leur diamètre est grand et surtout que la viscosité du verre est faible. Cette viscosité diminue selon une loi exponentielle lorsaue
la température augmente:
<EMI ID=13.1>
Les circonstances les plus favorables sont donc réalisées dans l'invention en raison de la proqression vers
le bas,du verre de manière uniforme et de préférence selon
une trajectoire verticale dans la couche où la température
est très élevée.
L'affinaoe du verre se réalise donc dans une couche
de faible épaisseur.
L'évolution de l'affinaoe est-de plus favorisée par
la progression du verre de haut en bas: la pression .isostatique aucmente en fonction de la profondeur.
Cette caractéristique est avantageusement mise à profit pour augmenter la pression dans les inclusions oazeuses.
Cette pression croissante réduit la dimension des bulles et d'autre part accélère le processus de diffusion- des gaz occlus dans le verre
La température du verre diminue ensuite vers le bas,
en fonction du,taux: de refroidissement du fond, de telle manière que la température du verre au voisinage du fond
soit réduite et soit comprise entre 1100 à 1400[deg.], sans que
ces limites soient limitatives en fonction de la nature et
de la composition des verres <EMI ID=14.1>
l'épaisseur du fond en matériau réfreetaire et du coefficient de conductivité thermique du dit réfractaire et par le taux
de refroidissement du fond.
Selon une caractéristique de l'invention, le fond est construit en plateau de briques de haute qualité résistant à
la corrosion et ne réaoissant pas avec le verre. On peut
citer parmi ces matériaux, l'alumine, le zircon, les AZS
(Alumine, zircone, silice) fabriqués par fusion électrique ou par frittaoe. Ces matériaux ont une conductivité thermique élevée.
Suivant la présente invention, un réseau des tubulure? de projection d'air de refroidissement est disposé'sous
:le. fond,- Ces tubulures sont réparties en modules et comprennent une tuyère de projection d'air et d'évacuation d'air La vitesse de l'air- ou son débit- est récriée indépendamment
à chaque tubulure par une vanne. Celle-ci est commandée automatiquement ou manuellement pour chaque module de tubulure en fonction de la température du fond ou de l'air après l'échauffement.
Il est aussi possible d'adapter le refroidissement
<EMI ID=15.1>
thermique vertical, de régulariser la circulation verticale du verre en tenant compte de ses composantes spectrales.
On peut calculer que dans de telles conditions, la quantité de chaleur extraite par le ,fond est de l'ordre de <EMI ID=16.1> limitatives. La quantité relative de chaleur est fonction de la température des parois de réfractaires, de leur émissivité
<EMI ID=17.1>
l'échange par convection.
Ces valeurs sont suffisantes pour refroidir le verre circulant dans la zone de conditionnement, les dites valeurs pouvant être réglées en abaissement de température allant, à titre d'exemple de 100 à 300[deg.], sans que ces dites valeurs soient limitatives.
Les caractéristiques spectrales du verre dans " l'infrarouge déf inissent sa conduction radiative.
Une variante de ce refroidissement est caractérisée
par l'addition d'eau pulvérisée à l'air,afin d'en augmenter l'effet thermique.Une autre variante de moyen de refroidissement, est le placement d'un réseau de boites à circulation d'eau
sous le fond.
Dans certaines applications de l'invention, il est avantaaeux d'utiliser l'air chaud ou l'eau chaude sortant des modules de refroidissement comme source complémentaire
<EMI ID=18.1>
Les parois latérales dû four,selon la présente invention, sont construites en matériaux réfractaires ayant une résistance élevée à la corrosion, parmi lesquels on peut citer de façon non limitative, l'alumine, le zircon, les AZS, la chromite.
La partie supérieure des parois est refroidie par soufflage d'air ou par des boites à eau, au niveau des couches les plus chaudes du bain de verre. Sous ces couches, les parois sont calorifuoées de façon croissante jusqu'au niveau
de manière à contrecarrer les courants descendants et à réduire les pertes thermiques.
La présente invention peut être réalisée sous des formes diverses. La section horizontale du four de fusion, affinare et conditionnement, peut être réalisée selon des formes géométriques différentes, tenant compte du type de verre élaboré, de la production journalière et du mode d'alimentation électrique des électrodes:
rectangulaire
carrée
polygonale telle que hexaconale
ronde.
Les parois latérales pour ces formes diverses ont
un profil qui est, dans beaucoup de cas, vertical,mais dans certaines applications peuvent avantageusement être inclinées
<EMI ID=19.1>
que ce soit limitatif.
Dans la présente invention, la surface du fond peut être plane ét horizontale, bien qu'elle puisse être avantageusement de forme plus complexe,en vue de favoriser
<EMI ID=20.1>
la direction du courant en ne perturbant pas la composante verticale de haut en bas dans la couche supérieure décrite antérieurement, de fusion, d'affinaqe et de conditionnement.
Différentes formes peuvent être préférées, soit horizontale, soit inclinée vers le throat, soit avantageusement deux plans inclinés se rejoignent vers une arrête, c'est-à-dire en forme de dièdre, s'inclinant vers le throat.
Cette arrête peut de plus, être remplacée par un
canal incliné. On conçoit dès lors, l'importance du refroidis= sement du fond par modules réglables indépendants et qui a.
été décrit plus haut.
L'alimentation du four en éneraie électrique par
effet joule, est réalisé par un ensemble d'électrodes dont
la conception est une des caractéristiques principales de la présente invention.
Les électrodes utilisées dans la présente invention sont supportées dans des porte-électrodes verticaux fixés à
la partie supérieure du four, au-dessus de la voûte.
�es porte-électrodes sont des'tubes water jackett.
<EMI ID=21.1>
à rectangulaire. Il est entouré d'un tube chemise dans
lequel circule l'eau de refroidissement.
Ces porte-électrodes descendent jusqu'au niveau du mélanoe vitrifiable. Ils sont calorifuqés par une couche d'isolant souple, fibre ou aggloméré réfractaire, de la voûte jusqu'au niveau du mélange vitrifiable.
La hauteur de ces porte-électrodes est réglée par un dispositif de coulisse, fixé au-dessus de la voûte. Ceci
permet d'adapter la hauteur de la partie inférieure des porte-électrodes, par rapport à la couche de mélanqe vitrifiable et du niveau supérieur de la surface du verre Les électrodes proprement dites, sont réalisées en matériau conducteur et réfractaire et avantageusement par
un métal ou alliaqe réfractaire, parmi lesquels le molybdène et le tungstène sont les plus fréquents, ou par un oxyde.
Les électrodes proprement dites sont fixées à l'intérieur des porte électrodes. Elle peuvent coulisser à l'intérieur de ces dits: porte électrodes. C'est une des caratéristiques
de la présente invention, d'adapter un joint étanche à la partie supérieure des porte électrodes, constitué d'un serre joint et d'un matériau de bourraoe, amiante, asbeste, fibres agglomérées etc, et d'un joint en réfractaire de longueur 'variable selon la température et fixr à la partie inférieure.
Une atmosphère réductrice est entretenue à l'intérieur du porte électrode en réglant un- débit'minimum si nécessaire
<EMI ID=22.1>
le plus souvent en proportion de 5 à 10 %.
les électrodes proprement dites ont dans l'application de la présente invention des formes adaptées au type de four
barre cylindrique d'un diamètre de 10 à 80 mm, sans que ce soit limitatif, mais de préférence de 50 mm Rangée de fils d'un diamètre de quelques mm à quelques dizaine de mm; le nombre de fils pouvant aller de 2 à quelques dizaines, formant une électrode plate.
<EMI ID=23.1>
<EMI ID=24.1>
ayant une larceur totale de quelques mm à plusieurs dizaines de mm.
. barre en oxyde réfractaire demi-conducteur.
Ces électrodes,dont la forme effective résultante va d'une barre cylindrique à une plate, pénètre dans la couche supérieure du bain de verre, dans la zone de fond et d'affinage.
<EMI ID=25.1>
de fonctionnement du four, de quelques mm à plusieurs dizaines de mm,pouvant atteindre à titre d'exemple 200 à 500 mm.
L'une des caractéristiques de la présente invention est de pouvoir modifier en fonctionnement, l'enfoncement
des électrodes, c'est-à-dire leur surface spécifique
Un autre avantaqe de l'invention est de pouvoir remplacer un ensemble porte électrodes électrode pendant le fonctionnement du four.
Les connections d'arrivée de courant depuis les systèmes électriques d'alimentation tels que transformateurs, auto transformatieurs ou thyristor, se font par bague de fixation et serra.ce et cable souple.
Un avantaqe inhérent à la présente invention,est la surface relative beaucoup plus grande des électrodes, la dite surface faisant face à l'intérieur du four.
Dès lors, la densité spécifique de courant est à la fois beaucoup plus uniforme et beaucoup plus faible que dans les autres systèmes d'électrodes.
Alors que le courant spécifique varie considérablement,
<EMI ID=26.1>
10 ampères/en) , et créant une corrosion accélérée, les électrodes utilisées dans la présente invention ont un courant
<EMI ID=27.1>
Des valeurs plus faibles peuvent même être obtenues en augmentant la surface relative des électrodes.
Autre avantage substentiel de la présente invention :
le poids de métal réfractaire et considérablement réduit par rapport à la surface active des électrodes.
Les avantaaes considérables des électrodes utilisées dans la présente invention sont:
meilleure répartition de courant et densité relative
<EMI ID=28.1>
les courants thermiques au voisinage des électrodes.
- densité spécifique de courant et par surface beaucoup plus faible et usure beaucoup plus lente des électrodes et durée de fonctionnement considérablement accrue.
En fonction de la nature du verre et de sa résistivité
à haute température dans la zone de fusion et d'affinage et de
la production horaire, le four peut être alimenté en courant monophasé, triphasé ou autre,par un dispositif adéquat d'électrodes.
Le nombre des dites électrodes étant fonction éaalement
de la dimension et de la forme des fours. A la limite, un
petit four peut être alimenté par deux ou trois électrodes
tandis que les fours à production horaire élevée, dépassant
150 et 200 r.par jour, sont de préférence équipés de plusieurs dizaines d'électrodes.
En raison de l'introduction des électrodes par la
voûte, la différence de potentiel appliquée, qui selon les verres, silicate sodo-calcique, silico aluminates, silico borates, verre
<EMI ID=29.1>
Une variante de la présente invention est caractérisée
en ce que la voûte et le système d'électrodes peut tourner autour d'un axe vertical, la cuve du four restant fixe
Selon une autre variante de la présente invention, le mélancre vitrifiable peut être introduit par la partie supérieure de la voûte, et réparti à la surface du bain après avoir été préchauffé dans une colonne verticale d'échange thermique à rendement élevé.
En cette variante de l'invention, des brûleurs sont situés à la base de l'échangeur. au dessus de la voûte.
Selon une forme d'application de cette variante, les brûleurs peuvent être répartis sous la voûte et en dessous
de la surface du bain. Les brûleurs sont dans ce cas, capables de créer un mouvement giratoire du mélange en réaction.
Les porte-électrodes sont avantageusement protégés
<EMI ID=30.1>
par des qaines de matériau réfractaire isolant.
Il peut également être avantageux de placer les électrodes verticales dans des loges réparties latéralement
aux parois de la cuve, les porte-électrodes étant protégés de la chaleur,par des parois verticales depuis le niveau dû' bain jusque la voûte.
Certaines caratéristiques de l'invention qui ne sont pas limitatives.sent décrites ci-dessous, en se référant aux figures shématiques suivantes:
<EMI ID=31.1> fig 5 exemple d'électrode ranqée de fil
Gig 6 exemple d'électrode ruban.
Le four qui est représenté en la fig.I, est alimenté
en mélange vitrifiable normal mélangé. Il comprend une voûte lécrère et isolante I, ayant un orifice circulaire en son centre.
La paroi latérale en superstructure est éaalement construite en matériau réfractaire isolant. La cuve du four comprend les parois latérales 3 ,en matériau réfractaire
de très haute qualité, tel que un alumine-zircone-silice
électro fondu.
Cette paroi latérale est calorifuqée de manière croissante du haut vers le bas,par un calorifuqe réfractaire 4.
Le fond du four est construit en plaque de matériau réfractaire 5, de haute qualité, homogène et ayant une
bonne conductibilité thermique.
Ce plaques constituant le fond,sont réparties en module de forme géométriques adéquates, qui peuvent être avantageusement carrée ou hexagonale.
Un throat 6 , est construit à la partie inférieure.
Grâce aux électrodes verticales qui sont réparties à l'intérieur du four, près des parois, l'énergie est répartie principalement dans la partie supérieure du bain de verre.
Le mélange vitrifiable est transporté par une courroie
de chargement 7 , et est déversé par un entonnoir 8 , vers
le distributeur répartiteur rotatif a vis 9 ,
Le mélange vitrifiable est réparti uniformément sur, 10 , toute la surface du bain. Grâce à l'ensemble des électrodes
16 , les matières.. fondent sous la couveture de mélange vitrifiable
<EMI ID=32.1>
aussi verticalement que possible, en se refroidissant par échange de radiation convective vers le fond, en un qradient vertical TB .
Les électrodes verticales 16 , sont fixées en place par les porte-électrodes refroidis à l'eau 14 , munis de joints d'étanchéité à la partie supérieure, et inférieure
<EMI ID=33.1>
Les cables d'alimentation en courant 19 , sont attachés à la partie supérieure des électrodes de canalisation d'air 20 , refroidissant la partie supérieure de la paroi extérieure de
la cuve du four.
Le refroidissement du fond du four en module ou section est effectué en distribuant l'air soufflé par des canalisations
21 , auxquelles sont fixées les buses verticales 22 , ou inclinées. Les débits individuels d'air dans chaque buse sont réglés par des vannes 23 , commandées automatiquement ou manuellement; à l'extrémité supérieure les tuyères 24 , répartissent l'air sur les sections de fond; l'air dont la température s'est élevée est évacué par les canalisations 28 ,.
Le verre affiné et conditionné s'écoule par le collecteur 26 , vers la cuve de travail 27 , à travers le throat 6 .
La figure 2 décrit un exemple non limitatif de forme horizontale de la cuve: la section polyqonale est <EMI ID=34.1>
côtés d'un hexaqone. Comme signale dans la figure 1 , la paroi 1 , est calorifuaée proqressivement vers le bas par la couche de calorifuqe ..2 .
Un exemple d'électrodes est représenté dans cette construction où l'énergie électrique est distribuée par 6 fois 3 électrodes verticales 3 de forme plate réalisées,soit en alignement
de fils�ou de ruban en métal réfractaire
Le fond de la cuve S , est représenté par ses modules de refroidissement 6. Le verre affiné circule par le
throat 4 . L'avantage de la présente invention est illustré
<EMI ID=35.1>
de température, depuis'la partie supérieure du bain couverte par le mélange vitrifiable 1 .
A un niveau correspondant aux électrodes 7 , sont superposés le mélange vitrifiable, la couche de fusion 2 , l'affinage 3 , et dessous le conditionnement 4
<EMI ID=36.1>
sans que celle-ci soit limitative,est représenté par
la courbe 8 . La température la plus élevée se situe à la
<EMI ID=37.1>
puis diminue vers le fon� � . refroidi en section par les refroidisseurs 6 .
L'une des caractéristiques inhérentes à la présente invention, est le système d'électrode vertical et mobile,
dont des exemples de réalisation sont décrits par les figures , 4 , 5 , et 6 .
L'électrode représentée par la fia 4 , est une
barre en molybdène 1 , de 50 mm de diamètre, coulissant dans le tube water-jackett 2 , constitué de 3 tubes concentriques pour constituer un circuit d'aller et retour jusque l'extrémité; les entrées et sorties d'eau, sont respectivement représentées en 3 et 4 .
<EMI ID=38.1>
<EMI ID=39.1>
une atmosphère réductrice entre l'électrode et le porte-électrode. Un joint de serrage 6 , assure l'étanchéité
<EMI ID=40.1>
fixé à la partie supérieure Le porte-électrode est attaché au chassis extérieur par la bride réalable et isolante 8 .,b
Le câble d'alimentation est fixé à la partie supérieure de l'électrode 9 . L'électrode 1 , peut ainsi coulisser da�s le porte-électrode. De plus, l'ensemble porte-électrode et électrode I et 2 , peut être modifié
<EMI ID=41.1>
Le joint en réfractaire ,, 7 , peut avoir diverses longueurs.
<EMI ID=42.1>
<EMI ID=43.1>
10 mm de diamètre.
Grâce à cette caractéristique de l'invention, l'extrémité des fils peut-être profilée, le fil central étant plus enfoncé et les autres progressivement moins,
<EMI ID=44.1>
où le? fils sont remplacés par un ruban ou une bande 2 , de métal réfractaire dans le porte-électrode de section rectanaulaire 1 .
REVENDICATIONS.
Procédé de fusion et d'affinage du verre dans lequel les matières circulent de haut en bas dans une cuve, en une trajectoire verticale ou proche de la verticale, le mélanqe vitrifiable étant distribué en la couche supérieure du bain, sous laquelle.se trouve la couche de fusion, la zone d'affinage se trouvant sous la dite couche de fusion, et la zone de conditionnement entre la zone d'affinage et le fond de la cuve, caractérisé par un qradient thermique décroissant de haut en bas, de la dite couche de fusion jusqu'au fond, qrâce à un réseau d'électrodes verticales réparties en périphérie de la partie supérieure du bain'dans: la cuve et grâce à un refroidissement réalable et controlé du fond
par modules.
ELECTRIC MELTING AND REFINING PROCESS
OF GLASS
The present invention relates to a manufacturing process
glass in an electric oven in which the phases. elaboration, reaction, fusion, refining and packaging, are carried out during the circulation from top to bottom and
in successive layers.
To carry out this process, the vitrifiable mixture is fed uniformly on the upper surface. of the bath.
The fusion is carried out directly in the underlying horizontal layer, known as vitrifiable melanue, and in which the energy is distributed by a set of adjustable vertical electrodes. These electrodes are adequately distributed over
along the vertical walls and enter the layer
upper part of the glass bath by the upper part of the
optionally the electrodes can be horizontal.
The depression. '' Its electrodes is reniable in depth
from the surface. when they are vertical.
One of the characteristics of the process of the invention is
to set the highest temperature in the layer of
fusion and immediately below it in the layer where
affinane takes place.
Another characteristic of the present invention,
is to gradually heat the vertical walls.
According to the present invention, the bottom of the oven is
cooled by modulated section, so as to achieve under the
-
upper layers of smelting and refining, a qradient
decreasing thermal.
Glass also flows up and down
uniform as possible. Glass cooling since
the affinity layer up to the bottom is made by radiative conduction. One of the features of the present invention
is to selectively extract quantities of heat by cooling the modules constituting the bottom, the so-called quant =
<EMI ID = 1.1> The cooling of the said bottom modules is adjusted by taking advantage of the thermal and spectral properties of the glass such as the spectral transmission in the visible and near infrared bands of the spectrum.
The height of the oven is determined by the rates of
<EMI ID = 2.1>
The refined glass, cooled to the appropriate conditioning temperature, then circulates through a profiled duct or "throat"
Another characteristic of the present invention is to reduce the consumption of wood as little as possible, thanks to the compactness of the melting and refining furnace and to
the elimination of eddy currents or so-called return currents.
It is also another possible specific characteristic of the present invention, to create a movement of the above-mentioned vertical electrodes through the arch and particularly in the case of a cylindrical construction, to rotate the electrodes around the vertical axis.
from the oven
While it is well known to supply the batch mixture in electric ovens above the surface of the bath, by distributing it uniformly by a distributor, the electric ovens produced up to now have a considerable drawback in that the currents of glass are not checked. So electric ovens are good melting units, but are more often than not able to refine glass. This deficiency limited the application of the ovens
<EMI ID = 3.1>
additional refining material had to be added to them, which adversely affected the thermal efficiency and increased the cost.
In the electric ovens produced so far,
the electrodes were either inserted vertically through the bottom or horizontally through the side walls
These bar-shaped electrodes had the following disadvantages. The current and energy density around the electrodes creates a very significant increase in temperature which creates vortex currents. The latter are very unfavorable to the refining of glass and oppose the elimination of gaseous inclusions; bubbles . These vortex or vortex currents:. From "to the local decrease in density resulting from the abnormal increase in temperature, are all the more harmful as the electrodes are closer to the bottom of the furnace.
<EMI ID = 4.1>
top to bottom and prevent bubble removal, by
their complexity and speed.
In addition, when the electrodes are close to the bottom
from the oven, or are introduced through the bottom of the oven, the
phenomena described above help maintain the glass
at very high temperature to the vicinity of the bottom.
Therefore, corrosion can be significant and this corrosion can be particularly intense in the throat, which
reduces the duration of the oven campaign.
To these problems is added the fact that the glass is distributed in the working compartment at high temperature. We can see that the areas essential to the development of the
glass is not well defined in these electric ovens.
One of the other weak points of electric ovens
currently known, is the shape and construction of the electrodes.
In most cases, the electrodes are bars of refractory metal such as molybdenum. Due to their placement condition, the current density on the walls
is irregular and increases from the wall to the end or the values exceed the tolerance: therefore wear is
<EMI ID = 5.1>
This phenomenon is observed both on horizontal and vertical electrodes, introduced by the bottom.
We tried to remedy this by improving the electrode holders. However, the progressive insertion of the electrodes and especially their replacement is difficult and often random.
We have tried to remedy this by using different forms of larger surface area flat electrodes.
Their attachment is not easy and their replacement
during the campaign, practically impossible.
These problems therefore considerably reduce the
duration of the oven campaign; finally, the construction conditions
<EMI ID = 6.1>
Operating.
If the walls are not very heat-insulated, downdrafts are maintained tending to amplify the vortex currents mentioned above. In addition, the bottom is .. often more or less insulated, opposing the minimum desirable cooling of the glass, which has two consequences:
the bottom and throat temperatures increase * corrosion on the one hand and increase the proportion of defects
and inclusions in the glass.
The invention relates to a rational solution for producing glass by controlling the distribution of energy and the currents of the glass in the furnace.
The invention makes it possible to reolve the glass stream from top to bottom as uniformly as possible, eliminating the harmful effect of vortex thermal currents.
According to the preferred embodiment of the invention, the electrodes are arranged vertically along the upper walls of the glass bath. The number and
<EMI ID = 7.1>
is dissipated by the Joule effect in the upper layer of the glass bath. The electrode holders cross the light and insulated vault and then the vitrifiable melance layer above the glass bath.
The vitrifiable mixture is distributed uniformly and
continuously by charging machines, the processes of which are of several types:
distribution to & vîs
belt distribution.
bucket distribution
which are revived of back and forth or circular movement.
This layer of vitrifiable mixture is a thermal insulation which considerably reduces the heat transfer to the upper wall, ie the vault.
It is known that the heat transfer values are a function of the emission so quickly and of the temperature differences and in the case cited less than 500 to 1000 Kcal / Hour / m,
without being limiting.
It is advantageous if the vault is insulated. * It can be dome-shaped or preferably flat and
<EMI ID = 8.1>
The vertical electrode holders, according to the invention, pass through the said arch through as many vertical orifices as there are electrode holders.
Under the vitrifiable melting layer the temperature decreases very quickly down to a value ranging from 1400 to 1600 [deg.] Depending on the conditions and the nature of the glasses, these values being cited by way of example not
<EMI ID = 9.1>
react quickly âce thanks to the high temperature.
According to one of the characteristics of the invention, this layer at high temperature has a lower electrical resistance than the lower zones of the glass bath.
It is indeed known that the electrical conductivity
<EMI ID = 10.1>
soda lime, alumino silicate, borosilicate, lead crystal, increases at an exponential rate with temperature.
This property is advantageously exploited to concentrate the energy in this upper layer.
When in the downward progression, all solid or crystalline matter is completely melted
<EMI ID = 11.1>
result from occluded az and and? -decomposition of salts such as carbonates, sulfates, hydrates or others.
<EMI ID = 12.1>
in the glass against the current of the progression towards the
bottom of said glass. This is a characteristic which is advantageously applied since the rate of ascent of the gaseous inclusions is all the more important as their diameter is large and especially as the viscosity of the glass is low. This viscosity decreases according to an exponential law during
The temperature increases:
<EMI ID = 13.1>
The most favorable circumstances are therefore realized in the invention due to the tendency towards
the bottom, glass uniformly and preferably according to
a vertical path in the layer where the temperature
is very high.
The refining of glass is therefore carried out in a layer
thin.
The evolution of affinaoe is further favored by
the progression of the glass from top to bottom: the isostatic pressure increases as a function of the depth.
This characteristic is advantageously used to increase the pressure in the oily inclusions.
This increasing pressure reduces the size of the bubbles and on the other hand accelerates the diffusion process - gases trapped in the glass
The temperature of the glass then decreases downwards,
depending on the rate of cooling of the bottom, so that the temperature of the glass near the bottom
be reduced and be between 1100 to 1400 [deg.], without
these limits are limiting depending on the nature and
of the composition of the glasses <EMI ID = 14.1>
the thickness of the base of refractory material and the coefficient of thermal conductivity of said refractory and by the rate
bottom cooling.
According to a characteristic of the invention, the bottom is constructed from a high-quality brick tray resistant to
corrosion and not re-bonding with glass. We can
to cite among these materials, alumina, zircon, AZS
(Alumina, zirconia, silica) manufactured by electric fusion or by frittaoe. These materials have a high thermal conductivity.
According to the present invention, a network of tubing? of cooling air is arranged below
:the. bottom, - These pipes are divided into modules and include an air projection and air evacuation nozzle The air speed - or its flow - is called out independently
to each tubing by a valve. This is controlled automatically or manually for each tubing module depending on the temperature of the bottom or the air after heating.
It is also possible to adapt the cooling
<EMI ID = 15.1>
vertical thermal, to regulate the vertical circulation of the glass taking into account its spectral components.
We can calculate that under such conditions, the quantity of heat extracted by the bottom is of the order of <EMI ID = 16.1> limiting. The relative amount of heat is a function of the temperature of the refractory walls, of their emissivity
<EMI ID = 17.1>
exchange by convection.
These values are sufficient to cool the glass circulating in the packaging area, the said values being able to be adjusted by lowering the temperature ranging, for example from 100 to 300 [deg.], Without these said values being limiting.
The spectral characteristics of glass in "infrared define its radiative conduction.
A variant of this cooling is characterized
by adding water spray to the air, in order to increase the thermal effect.Another variant of cooling means, is the placement of a network of water circulation boxes
under the bottom.
In certain applications of the invention, it is advantageous to use hot air or hot water leaving the cooling modules as a complementary source.
<EMI ID = 18.1>
The side walls of the furnace, according to the present invention, are constructed of refractory materials having a high resistance to corrosion, among which there may be mentioned without limitation, alumina, zircon, AZS, chromite.
The upper part of the walls is cooled by air blowing or by water boxes, at the level of the hottest layers of the glass bath. Under these layers, the walls are increasingly insulated to the level
so as to counteract the downdrafts and reduce thermal losses.
The present invention can be implemented in various forms. The horizontal section of the melting furnace, refining and conditioning, can be carried out according to different geometric shapes, taking into account the type of glass produced, the daily production and the mode of electrical supply of the electrodes:
rectangular
square
polygonal such as hexaconal
round.
The side walls for these various shapes have
a profile which is, in many cases, vertical, but in certain applications can advantageously be inclined
<EMI ID = 19.1>
let it be limiting.
In the present invention, the bottom surface can be flat and horizontal, although it can advantageously be of more complex shape, in order to favor
<EMI ID = 20.1>
the direction of the current by not disturbing the vertical component from top to bottom in the upper layer described above, of fusion, refining and conditioning.
Different shapes can be preferred, either horizontal, or inclined towards the throat, or advantageously two inclined planes meet towards a stop, that is to say in the form of a dihedral, inclining towards the throat.
This stop can also be replaced by a
inclined channel. We can therefore see the importance of cooling the bottom with independent adjustable modules, which has.
was described above.
Electric furnace supply by
joule effect, is produced by a set of electrodes,
design is one of the main features of the present invention.
The electrodes used in the present invention are supported in vertical electrode holders fixed to
the upper part of the oven, above the vault.
� es electrode holders are water jackett tubes.
<EMI ID = 21.1>
to rectangular. It is surrounded by a shirt tube in
which circulates the cooling water.
These electrode holders descend to the level of the vitrifiable melanoe. They are insulated by a layer of flexible insulation, fiber or refractory chipboard, from the roof to the level of the batch.
The height of these electrode holders is adjusted by a sliding device, fixed above the arch. This
makes it possible to adapt the height of the lower part of the electrode holders, relative to the layer of vitrifiable melanqe and of the upper level of the glass surface The electrodes themselves, are made of conductive and refractory material and advantageously by
a refractory metal or alloy, of which molybdenum and tungsten are the most frequent, or by an oxide.
The electrodes themselves are fixed inside the electrode holders. They can slide inside these so-called: electrode holders. This is one of the characteristics
of the present invention, to adapt a tight seal to the upper part of the electrode holders, consisting of a clamp and a material of bourraoe, asbestos, asbestos, agglomerated fibers, etc., and a refractory seal of length 'variable according to the temperature and set at the bottom.
A reducing atmosphere is maintained inside the electrode holder by adjusting a minimum flow rate if necessary
<EMI ID = 22.1>
most often in proportion of 5 to 10%.
the electrodes proper have, in the application of the present invention, shapes adapted to the type of oven
cylindrical bar with a diameter of 10 to 80 mm, without this being limiting, but preferably 50 mm Row of wires with a diameter of a few mm to a few tens of mm; the number of wires can range from 2 to a few tens, forming a flat electrode.
<EMI ID = 23.1>
<EMI ID = 24.1>
having a total width of a few mm to several tens of mm.
. semiconductor refractory oxide bar.
These electrodes, whose resulting effective shape goes from a cylindrical bar to a flat, penetrates into the upper layer of the glass bath, in the bottom and refining zone.
<EMI ID = 25.1>
of the oven, from a few mm to several tens of mm, which may reach, for example, 200 to 500 mm.
One of the characteristics of the present invention is to be able to modify in operation, the depression
electrodes, i.e. their specific surface
Another advantage of the invention is to be able to replace an electrode holder assembly while the oven is in operation.
The current supply connections from the electrical supply systems such as transformers, auto transformators or thyristor, are made by fixing ring and clamp and flexible cable.
An advantage inherent in the present invention is the much larger relative surface of the electrodes, said surface facing the interior of the furnace.
Therefore, the specific current density is both much more uniform and much lower than in other electrode systems.
While the specific current varies considerably,
<EMI ID = 26.1>
10 amps / in), and creating accelerated corrosion, the electrodes used in the present invention have a current
<EMI ID = 27.1>
Lower values can even be obtained by increasing the relative area of the electrodes.
Another substantial advantage of the present invention:
the weight of refractory metal and considerably reduced compared to the active surface of the electrodes.
The considerable advantages of the electrodes used in the present invention are:
better current distribution and relative density
<EMI ID = 28.1>
thermal currents in the vicinity of the electrodes.
- much lower specific current density per surface and much slower wear of the electrodes and considerably increased operating time.
Depending on the nature of the glass and its resistivity
at high temperature in the melting and refining zone and
hourly production, the furnace can be supplied with single-phase, three-phase or other current, by a suitable device of electrodes.
The number of said electrodes being functionally also
the size and shape of the ovens. Ultimately, a
small oven can be powered by two or three electrodes
while ovens with high hourly output, exceeding
150 and 200 r.per day, are preferably equipped with several tens of electrodes.
Due to the introduction of the electrodes by the
vault, the applied potential difference, which depending on the glasses, soda-lime silicate, silico aluminates, silico borates, glass
<EMI ID = 29.1>
A variant of the present invention is characterized
in that the vault and the electrode system can rotate about a vertical axis, the oven bowl remaining fixed
According to another variant of the present invention, the vitrifiable melanchre can be introduced through the upper part of the vault, and distributed over the surface of the bath after having been preheated in a vertical column of high-efficiency heat exchange.
In this variant of the invention, burners are located at the base of the exchanger. above the arch.
According to one form of application of this variant, the burners can be distributed under the roof and below
from the surface of the bath. The burners are in this case capable of creating a gyratory movement of the mixture in reaction.
The electrode holders are advantageously protected
<EMI ID = 30.1>
by qaines of refractory insulating material.
It may also be advantageous to place the vertical electrodes in boxes distributed laterally
at the walls of the tank, the electrode holders being protected from heat, by vertical walls from the level of the bath to the roof.
Certain features of the invention which are not limitative are described below, with reference to the following schematic figures:
<EMI ID = 31.1> fig 5 example of threaded electrode
Gig 6 example of ribbon electrode.
The oven which is represented in fig.I, is supplied
in normal batch mix. It includes a lecrous and insulating vault I, having a circular opening in its center.
The superstructure side wall is also constructed of insulating refractory material. The oven bowl has the side walls 3, made of refractory material
very high quality, such as alumina-zirconia-silica
electro-melted.
This side wall is insulated in an increasing manner from the top to the bottom, by a refractory insulator 4.
The bottom of the furnace is constructed from a plate of refractory material 5, of high quality, homogeneous and having a
good thermal conductivity.
This plates constituting the bottom, are divided into modules of suitable geometric shape, which can advantageously be square or hexagonal.
A throat 6, is built at the bottom.
Thanks to the vertical electrodes which are distributed inside the oven, near the walls, the energy is mainly distributed in the upper part of the glass bath.
The batch is transported by a belt
loading 7, and is discharged through a funnel 8, towards
the rotary screw distributor distributor 9,
The batch is distributed uniformly over, 10, the entire surface of the bath. Thanks to all the electrodes
16, the materials .. melt under the cover of the batch
<EMI ID = 32.1>
as vertically as possible, cooling by exchange of convective radiation towards the bottom, in a vertical qradient TB.
The vertical electrodes 16 are fixed in place by the water-cooled electrode holders 14, provided with seals at the top and bottom
<EMI ID = 33.1>
The power supply cables 19, are attached to the upper part of the air duct electrodes 20, cooling the upper part of the outer wall of
the oven bowl.
The bottom of the oven in module or section is cooled by distributing the air blown through pipes
21, to which the vertical or inclined nozzles 22 are fixed. The individual air flows in each nozzle are regulated by valves 23, controlled automatically or manually; at the upper end the nozzles 24 distribute the air over the bottom sections; the air whose temperature has risen is evacuated through the pipes 28,.
The refined and conditioned glass flows through the collector 26, towards the working tank 27, through the throat 6.
Figure 2 describes a nonlimiting example of the horizontal shape of the tank: the polyqonal section is <EMI ID = 34.1>
sides of a hex. As indicated in Figure 1, the wall 1 is insulated proqressively downwards by the layer of heat. 2.
An example of electrodes is represented in this construction where the electrical energy is distributed by 6 times 3 vertical electrodes 3 of flat shape produced, either in alignment
wire or refractory metal tape
The bottom of the tank S, is represented by its cooling modules 6. The refined glass circulates through the
throat 4. The advantage of the present invention is illustrated
<EMI ID = 35.1>
temperature, from the upper part of the bath covered by the batch 1.
At a level corresponding to the electrodes 7, the vitrifiable mixture, the melting layer 2, the refining 3 are superimposed, and below the packaging 4
<EMI ID = 36.1>
without this being limiting, is represented by
curve 8. The highest temperature is at
<EMI ID = 37.1>
then decreases towards the fon � � . cooled in section by the coolers 6.
One of the characteristics inherent in the present invention is the vertical and mobile electrode system,
of which exemplary embodiments are described by the figures, 4, 5, and 6.
The electrode represented by fia 4, is a
molybdenum bar 1, 50 mm in diameter, sliding in the water-jackett tube 2, consisting of 3 concentric tubes to constitute a round trip circuit up to the end; the water inlets and outlets are shown in 3 and 4 respectively.
<EMI ID = 38.1>
<EMI ID = 39.1>
a reducing atmosphere between the electrode and the electrode holder. A tightening joint 6, ensures the sealing
<EMI ID = 40.1>
fixed to the upper part The electrode holder is attached to the external chassis by the workable and insulating flange 8., b
The power cable is fixed to the upper part of the electrode 9. The electrode 1 can thus slide in the electrode holder. In addition, the electrode holder and electrode I and 2 assembly can be modified
<EMI ID = 41.1>
The refractory joint, 7, can have various lengths.
<EMI ID = 42.1>
<EMI ID = 43.1>
10 mm in diameter.
Thanks to this characteristic of the invention, the end of the wires can be profiled, the central wire being more depressed and the others progressively less,
<EMI ID = 44.1>
where the? wires are replaced by a ribbon or a strip 2, of refractory metal in the electrode holder of rectanaular section 1.
CLAIMS.
Glass melting and refining process in which the materials circulate from top to bottom in a tank, in a vertical path or close to the vertical, the vitrifiable mixture being distributed in the upper layer of the bath, under which the melting layer, the refining zone being under the said melting layer, and the conditioning zone between the refining zone and the bottom of the tank, characterized by a decreasing thermal gradient from top to bottom, of the said melting layer to the bottom, thanks to a network of vertical electrodes distributed around the periphery of the upper part of the bath in: the tank and thanks to a realizable and controlled cooling of the bottom
by modules.