EP2032973A1 - Installation de production de verre plat avec equipement de mesure des contraintes, et procede de conduite d'une etenderie de recuisson de verre plat - Google Patents

Installation de production de verre plat avec equipement de mesure des contraintes, et procede de conduite d'une etenderie de recuisson de verre plat

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Publication number
EP2032973A1
EP2032973A1 EP07788912A EP07788912A EP2032973A1 EP 2032973 A1 EP2032973 A1 EP 2032973A1 EP 07788912 A EP07788912 A EP 07788912A EP 07788912 A EP07788912 A EP 07788912A EP 2032973 A1 EP2032973 A1 EP 2032973A1
Authority
EP
European Patent Office
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ribbon
glass
stress
lehr
light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07788912A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Wolf Stefan Kuhn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fives Stein SA
Original Assignee
Fives Stein SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fives Stein SA filed Critical Fives Stein SA
Publication of EP2032973A1 publication Critical patent/EP2032973A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
    • G01N21/892—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the flaw, defect or object feature examined
    • G01N21/896—Optical defects in or on transparent materials, e.g. distortion, surface flaws in conveyed flat sheet or rod
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B25/00—Annealing glass products
    • C03B25/04—Annealing glass products in a continuous way
    • C03B25/06—Annealing glass products in a continuous way with horizontal displacement of the glass products
    • C03B25/08—Annealing glass products in a continuous way with horizontal displacement of the glass products of glass sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03B27/0413—Stresses, e.g. patterns, values or formulae for flat or bent glass sheets
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    • C03B27/04—Tempering or quenching glass products using gas
    • C03B27/0417—Controlling or regulating for flat or bent glass sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03B27/044—Tempering or quenching glass products using gas for flat or bent glass sheets being in a horizontal position
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid

Definitions

  • the present invention relates to a flat glass production plant comprising a melting and refining furnace followed by a device for forming a flat glass ribbon and an outrigger, and comprising measuring equipment in line and without contact of the stresses in the glass ribbon
  • a flat glass annealing lehr is a tunnel kiln equipped with heating and cooling means for following a controlled cooling thermal cycle with a glass ribbon. It is placed downstream of the tin bath for a production line according to the float process, or downstream of the melting and forming furnace for a laminated glass production line.
  • the first critical phase of the cooling cycle of the flat glass strip is located in the areas of the lehr where the glass is in a viscoelastic state. Cooling induces thermal gradients and stresses. To limit the creation of permanent stresses (also called residuals) and to allow their relaxation, the beginning of the cooling is carried out at a reduced rate to allow a 'annealing' of the glass. A level of permanent stress that is too high causes problems in the subsequent processing of the glass such as cutting. Once this annealing around the transition temperature is completed, the second critical phase of the cooling cycle begins, where the goal is to cool the glass quickly to limit the length of the lehr. Since the glass is now in the solid state, thermal gradients during this cooling induce so-called temporary constraints. However, after the first phase of cooling, the permanent stresses are always present in the glass. Total stress refers to the combination of permanent and temporary constraints.
  • a ribbon of glass solidifies first on both sides.
  • the heart is still plastic at this moment. It solidifies late and tends to compact it further. This is no longer possible because the heart is attached to both solidified faces.
  • the heart then undergoes extensive stress during solidification. Consequently, the two already solidified faces are simultaneously under compressive stress.
  • the ribbon thus shows a permanent constraint with a central zone under extension and two zones under compression.
  • the permanent stresses in the areas are isotropic in the plane of the sheet.
  • the level of permanent stress is intimately related to the cooling rate during the first cooling phase.
  • a high cooling rate, especially for thick glass induces high permanent stresses and causes problems of cutting the glass panels.
  • Asymmetric cooling of the upper and lower faces offsets the stress profile in the thickness and causes deformation of the ribbon.
  • Glass is a fragile material. It breaks under the effect of traction and perpendicular to the direction of the normal stress of extension which would come to reign there. Glass does not respond to shear stress by ductile deformation. It is therefore necessary to identify the directions and amplitudes of the main constraints to evaluate the risk of rupture.
  • the determination of the main stresses makes it possible to eliminate the shear components in the stress tensor.
  • the shape of the glass ribbon already makes it possible to reduce the dimensions to the plane case in 2D (two dimensions).
  • the stress component over the length of the ribbon and the main stress coincide. A measure of the shear stress to find the main stress is no longer necessary.
  • a particularity of the glass material concerns the sensitivity of its surface to rupture under extension stress.
  • a glass manufactured using the float process with a surface without macroscopic defects can already break from 50MPa traction on the surface. Surface defects can further lower this limit.
  • Another way to determine the permanent stress is to measure the stress in an area of the lehr without cooling and therefore where the temperature of the ribbon is homogeneous. This is particularly interesting for the profiles in the thickness because the measurement of the temperature profile in the thickness is less obvious than measuring the temperature profile across the ribbon width.
  • the condition of the thermal homogeneity of the ribbon is, of course, given at the end of the lehr if the ambient temperature and the temperature of the ribbon are close.
  • the zone of interest for the stress measurements on the flat-plate drying equipment thus extends between the temperature of transitions with the beginning of the establishment of the stresses until the position of the thermal homogenization of the ribbon after the lehr.
  • a component ⁇ x is defined in the direction of the length of the strip, a component ⁇ y in the direction of the width of the strip and a component ⁇ z in a direction perpendicular to the strip.
  • the components ⁇ x and ⁇ y present the plane stresses, stratified stress fields for a thin sheet.
  • the lateral profile over the width (Fig. 2) is measured after the lehr, which traces the component ⁇ x integrated on the thickness of the ribbon, thus a constraint membrane.
  • the lateral profile is not measured in the lehr according to the state of the art. It is however this constraint that can reach high values for a bad adjustment of the cooling on the width and to cause the breaking of the ribbon.
  • the membrane component ⁇ y integrated on the thickness of the tape is also not measured in the state-of-the-art closures. This constraint is nevertheless not negligible in certain cases (example: the thermal profile over the width is not constant over the length of the ribbon)
  • the vertical profile traces the evolution of the plane stress ⁇ x or ⁇ y on the thickness of the ribbon (FIG. 2).
  • the components ⁇ x and ⁇ y are equivalent because the contribution of the constraints of shape or membranes is eliminated. Due to the off-line measurement of the vertical profile, only a permanent constraint is measured.
  • the vertical profile of the total stresses ⁇ x or ⁇ y is not measured within the state-of-the-art layouts. It is however this constraint which can reach the high and critical values in particular for a thick glass.
  • the component ⁇ z is absent in the case of a thin sheet. But near the edges of a float glass ribbon or in contact with the transport rollers, this component appears. No measure of this constraint is made on the ribbon according to the state of the art.
  • An optical method often used for the measurement of the stresses of the glass resides in the analysis of the polarization of a beam of light after its passage through glass. It is based on a property related to the photoelasticity of glass that is characterized by a directional change in the refractive index of light in the presence of a constraint.
  • the inertia related to the position of the equipment on the line does not allow a quick adjustment of the operating parameters of the lehr during the first phase of ribbon cooling.
  • the method gives no information as to the temporary constraints that prevail in the lehr.
  • An implementation of this type of instrument in the drying room faces two difficulties: 1.
  • the mechanical, optical and electronic components are not adapted to a hot environment with temperatures up to 600 0 C.
  • the radiation Thermal glass ribbon severely disrupts the detection of polarized light by the optical system.
  • Other methods based on the analysis of the polarization of light after passing through glass are used for the laboratory measurement of the vertical stress profile in the thickness of a sample.
  • Another method of measuring the vertical profile of permanent stress lies in the analysis of the light scattered by a ray of light or a laser beam. This method exists in two variants: A) Analysis of the scattered and polarized light which then passes through volumes under constraints
  • the diffused light method always requires the coupling of a beam in the glass either on the edges of a sample or on the surface using a prism placed on the surface of the glass according to the state of the art .
  • a coupling of the beam by means of a refraction grating enables the light to be efficiently guided in the glass through the prism-free surface.
  • the refraction grating is created by a local heating of the glass using a laser.
  • this method is not applicable on a hot ribbon scrolling. Local heating is also detrimental to the measurement of low thermal stresses as present in the annealed glass.
  • the method mainly targets tempered glass with a much higher level of stress.
  • a measurement of temperature in the thickness of a glass plate is carried out by analysis of the light emitted by photoluminescence of an area in the thickness.
  • the vertical temperature profile is determined by several measurements. From this temperature profile, the vertical profile of temporary stress is calculated.
  • This method gives no information on the permanent stress and the membrane stresses superimposed on the vertical profile of temporary stress during the cooling of the glass in a lehr.
  • the solutions implemented according to the state of the art for the determination of the stress level in the glass ribbon are unsatisfactory because, in particular:
  • the main difficulties of measuring stress on a moving glass ribbon reside in the requirement of non-destructive measurement, without mechanical contact, on the glass at high temperature, in a warm environment and without disturbing the cooling of the ribbon. the set of main components of constraints.
  • a flat glass production installation comprising a melting and refining furnace followed by a device for forming a flat glass ribbon and a stringer, and comprising in-line measuring equipment and non-contacting constraints in the glass ribbon, is characterized in that the on-line stress measuring equipment is implanted in the lehr.
  • the on-line measurement, directly in the lehr and without contact, of the total stress in the glass makes it possible to quickly adjust the operating parameters of the lehr so that the total stress level remains in all point below a specified value.
  • the measuring equipment comprises a light emitter which directs a light beam on the glass ribbon, and a light receiving and analyzing means scattered in different directions of the space resulting from the interaction of the light. beam with glass.
  • the measuring equipment includes optical components and signal processing means for measuring and analyzing light scattering with sufficient sensitivity to eliminate optical accessories, including prisms placed on the glass surface.
  • the equipment includes a CCD camera for measuring and analyzing the scattered light.
  • the complete information on the temporary and permanent stress components allows to adjust the cooling of the lehr to avoid breakage and better control the level of permanent stress. It is thus possible to exploit this information to control the lehr with an automatic system including measurement, signal processing and motorized cooling adjustment.
  • the measuring equipment makes it possible to combine the characterization of the vertical and lateral stress profile by measuring the stress component ⁇ x .
  • These two profiles correspond to the measurements currently performed 'cold' after the lehr or samples in the laboratory.
  • the measurement according to the invention also makes it possible to evaluate the temporary and total stress during cooling.
  • the measuring equipment of the vertical and lateral profile is advantageously placed in each cooling zone of the lehr to individually control the stress generated by each zone.
  • the measurement of the stress makes it possible in particular to control the rate of cooling over the width of each zone, the upper and lower cooling and the total rate of cooling.
  • the measuring equipment makes it possible to combine a measurement of the vertical and longitudinal profiles. This allows to identify in particular the evolution of the permanent and temporary stress in the thickness over the length of the lehr. If this measurement is repeated at several positions on the width of the ribbon, it is also possible to establish the lateral membrane stress profiles.
  • these profiles are measured at many positions of the ribbon which makes it possible to establish a stress mapping along the entire length of the ribbon in the lehr. This makes it possible to identify the places in the glass ribbon with a high total stress.
  • Another embodiment aims to check the level of stress at particular points such as the ribbon support on the rollers and the change in thickness near the edge of the ribbon.
  • the principle of photoelasticity makes it possible to measure only differences in the stresses perpendicular to the observation beam. By comparing the measurements at close positions but without and with the component ⁇ z, its value can be traced.
  • the orientation of the observation beam is varied to find the principal 3D constraints which contain the contribution of the vertical component ⁇ 2 .
  • the measuring equipment may comprise a light source on one side of the ribbon and an optics for analysis on the opposite side, or preferably on the same side as the light source.
  • the light source may be above or below the ribbon.
  • the emitter and receiver of the measuring equipment can be cooled for placement in a relatively high temperature area of the lehr.
  • the measuring equipment is completed by a control station, data processing provided by the measuring equipment, and visualization of constraints.
  • An optional interface allows the link between this control station and the control unit of the lehr.
  • An installation equipped with measuring equipment with an optical system advantageously comprises means for filtering the incoming rays in the optical system of the measuring equipment in order to eliminate the thermal radiation detrimental to the accuracy of the measurement.
  • the optical system may include a sighting tube and an optical chopper provided after the sighting tube.
  • the invention also relates to equipment for measuring in-line and non-contacting stresses in a glass ribbon in a lehr, characterized in that it comprises a light emitter which directs a light beam on the glass ribbon, and receiving means and analyzing scattered light in different directions of space resulting from the interaction of the beam with the glass.
  • the on-line measurement equipment uses the effect of elastic scattering of light, called “Rayleigh scattering” or the effect of the interaction of light with phonons, called “Brillouin or Raman scattering”.
  • the equipment advantageously comprises a CCD camera for the measurement and analysis of the scattered light.
  • the signal analyzer advantageously comprises means for filtering the incoming rays in the optical system of the measuring equipment in order to eliminate the thermal radiation detrimental to the accuracy of the measurement.
  • a measurement is made of the lateral and / or longitudinal surface temperature profiles of the ribbon by measuring means known as pyrometers.
  • Other methods based on the volume emission of radiation make it possible to go back to the temperature profile in the thickness of the ribbon. It is thus possible to separate the temporary and permanent stress in the measure of the total stress.
  • the invention also consists in a method for driving a flat glass annealing lehr, characterized in that a continuous measurement of the stress of a glass ribbon is carried out by measuring equipment installed in the lehr , and is used to automatically adjust operating parameters of the outrigger via a control loop.
  • a combination of the leech control system and the stress measuring equipment is provided to enable rapid adjustment of the operating parameters of the invention. the lehr so that the total stress level remains below a determined value that makes it possible to avoid breakage of the glass or deformations of the ribbon perpendicular to the plane of the ribbon and that the level of permanent stress remains below a determined value allowing the subsequent treatment of the glass.
  • the stress measurements can be made according to the width of the glass ribbon, and can be used for adjusting the distribution of the heating over the width of the ribbon and / or the adjustment the distribution of cooling over the width of the ribbon.
  • a mathematical model of operation of the lehr is established and used to define the optimum instructions to be applied to the lehr, according to the measurements made, in order to obtain the temperature level and desired stress.
  • Fig. 1 schematically illustrates a glass ribbon and the directions of the profiles and constraints.
  • Fig. 2 is a diagram illustrating a possible variation of the stresses along the y direction of the width of the glass ribbon.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating a possible variation of the constraints in the vertical direction z in the glass ribbon.
  • Fig. 4 is a schematic side view of a flat glass production plant.
  • Fig. 5 is a partial schematic vertical section, on a larger scale, of an outrigger according to the invention comprising an example of implementation of the stress measurement system.
  • Fig. 6 is a schematic view from above with respect to FIG.
  • Fig. 7 is a diagram of measuring means and means of control of the lehr.
  • Fig.8 is a perspective diagram of a measuring equipment positioned above the glass ribbon.
  • Fig.9 is a schematic elevational view of a receiver means and scattered light analysis.
  • a ribbon of glass 1 located in a horizontal plane, which progresses in the direction of the arrow S, parallel to the longitudinal edges of the ribbon.
  • the vertical line V in dashes indicates the direction of the thickness of the ribbon.
  • the horizontal line L in dashes indicates the lateral direction y of the width of the ribbon, orthogonal to the arrow S.
  • the orientation of the stresses in the glass ribbon can be defined in three orthogonal directions, namely a component ⁇ x in the direction x the length of the ribbon, a component ⁇ y in the y direction of the width and a component ⁇ z in the z direction of the thickness. In particular cases, the orientation of a principal stress may coincide with one of the geometric orientations.
  • FIG. 1 schematically shown a ribbon of glass 1, located in a horizontal plane, which progresses in the direction of the arrow S, parallel to the longitudinal edges of the ribbon.
  • the vertical line V in dashes indicates the direction of the thickness of the ribbon.
  • FIG. 2 shows the distribution of the stress, plotted on the ordinate, positive for a tension (tension) and negative for a compression, according to the position of a point in the y direction of the width L plotted on the abscissa.
  • Fig. 3 shows a possible distribution of the temporary stress in the thickness of the ribbon. Constraints are plotted on the abscissa, with positive values for stress and negative for compressive stress. The position of a given point of the glass ribbon along the thickness is plotted on the ordinate axis. From Fig. 3, it appears that the upper face and the lower face of the ribbon are in tension while the zone located mid-thickness is in compression.
  • FIG. 4 schematically illustrates a flat glass production plant comprising a station P for preparing and charging the raw materials, a furnace H for melting and refining, a forming device J for glass sheet, a K-stretcher and an outlet section M including the cutting and conditioning of the glass.
  • Zone AO Optional entry zone for a particular treatment
  • Zone A Pre-conditioning zone
  • Zone B Annealing zone
  • Zone C Indirect cooling zone
  • Zone D Tempered direct cooling zone
  • Zones E and F Final direct cooling zones
  • last zones of the lehr are composed of different successive zones traditionally defined as follows: Zone AO: Optional entry zone for a particular treatment, Zone A: Pre-conditioning zone, Zone B: Annealing zone, Zone C: Indirect cooling zone, Zone D: Tempered direct cooling zone, Zones E and F: Final direct cooling zones, and last zones of the lehr.
  • zones AO, A 1 B and C the control of the cooling of the glass is obtained by radiative exchanges with cold parts, commonly called heat exchangers, or heating elements, whereas in zones D, E and F the cooling is carried out by convection blown air.
  • a non-contact measuring device G of the stresses in the glass ribbon is implanted in the length of the stringer, in characteristic zones of the annealing process, for example towards the end of the slow cooling zones A, B and C or towards the end of the rapid cooling zones E and F. It is also possible to place several measuring devices at different characteristic points along the length of the lehr at the zones A, B, C, D, E and F.
  • FIG. 5 An exemplary embodiment is shown in FIG. 5, with a glass ribbon 1 running on transport rollers 2 inside the chamber 3 of the Collins K equipped with a cooling system of the glass 4 by radiation or convection.
  • the strain measurement system 5 comprises a cooled housing 6 equipped with openings for the optical system 7, the latter being able to be equipped with a thermal protection device such as an air sweep or the closure of optical windows.
  • the entire equipment G of stress measurement is supported by a mechanical support 8 mounted on a scroll device 9 and a manual or automatic transverse displacement system 11 to cover the entire width of the glass ribbon.
  • the system makes it possible to characterize the vertical stress profile in the thickness of the glass and the membrane stress profile at any point along the width of the strip.
  • An optional rotation device 10 makes it possible to orient the optical system 7 in the direction corresponding to the width of the ribbon or that corresponding to the length of the ribbon. Rotation identifies direction and amplitude of the principal stresses from the measurements of the components ⁇ x and ⁇ y and intermediate of the stress in the glass.
  • the measuring equipment G comprises a light emitter which directs a light beam on the glass ribbon, and a light receiving and analyzing means scattered in different directions of the space resulting from the interaction of the beam with the light. glass.
  • the measuring equipment G preferably uses the effect of the elastic scattering of light, called “Rayleigh scattering” or, alternatively, the effect of the interaction of light with phonons, called “Brillouin or Raman scattering”. ".
  • the measuring equipment comprises a combination of optical elements in a single support of limited size and on one side of the ribbon, which allows a precise and reliable adjustment of the optical components.
  • the measurement and analysis of the scattered light can be performed with a CCD camera.
  • all of the stress measuring equipment is placed in a support mounted on a scrolling device and a manual or automatic longitudinal displacement system for covering a part or the entire length of the lehr so to raise the stress levels on the length of the ribbon.
  • the displacement system may consist of a horizontal servo-axis equipped with a carriage on which the measuring equipment is mounted.
  • a measuring system comprising an optical transmitter and receiver placed on the same side of the glass ribbon in two boxes and / or two separate separate supports. 3. A measuring system consisting of a transmitter on one side of the ribbon and a receiver on the other side.
  • a measurement system comprising a transmitter and a receiver placed on one side of the ribbon and a reflector placed on the other side. 5.
  • a stress measurement system completed by a tape temperature measurement system.
  • the measuring equipment is adapted to the temperature level in the drying room at the point where the measurement is made. For example, it will be integrated in a cooled box in order to keep all its components at temperature levels compatible with their proper operation.
  • Additional measuring equipment may be placed downstream of the lehr.
  • the information delivered by the measuring equipment can be used by the operators of the installation to manually adjust the operating parameters of the lehr.
  • the measurements of the stress components in particular ⁇ x and their profiles, in particular in the vertical and lateral direction, can be displayed for the information of the operator of the lehr to enable him to confirm the setting of the heating and cooling distributions operated on the lehr. It is also possible to record the values, in particular the permanent stress, for example in the form of curves, in particular for monitoring the quality of the product.
  • the information delivered by the measurement equipment G is used by an installation control system to automatically adjust the operating parameters of the lehr, via a control loop, in particular for adjusting the heating and cooling of the glass in the running direction of the ribbon and its perpendicular direction.
  • the regulation loop can be advantageously completed by a physical model of the annealing of the glass which, from the measurements made in one section of the lehr, allows the calculation of the instructions of the different zones upstream and downstream of the measurement section. , for heating and cooling the glass ribbon at each step of the glass annealing process.
  • FIG. 7 schematically represents different embodiments of the loop control loop of the K-channel from the information supplied by the equipment G for measuring the stresses.
  • One or more optional measurement points 12, with measuring equipment G may be provided for the measurement of the stresses.
  • the information of the measurement points is sent to a processing station 13, stress analysis and control.
  • Station 13 sends instructions to a leech control unit 14.
  • This control unit 14 sends instructions to a control cabinet 15 for various equipment such as fans, electric heating, position control of the valves.
  • the information from the analysis station 13 is then sent to the unit 16 for comparison with the model and output instructions to the control unit 14.
  • the unit 16 can furthermore receive results from means 17 of measurements. complementary parameters of the glass ribbon, for example the temperature.
  • An ordinary ray of light that passes through a glass sample is generally not 100% transmitted due to diffusion in the sample. This diffusion can be considered as a secondary vibration of the matrix excited by the main ray. It is reflected by scattered light propagating radially from the main beam in a plane y-z perpendicular to the x direction of the beam. The observation of this scattered light shows that it is polarized in the plane y-z in a sample without constraints. The analysis of the polarity of this scattered light makes it possible to measure the stresses in a sample because the field of stresses in the glass changes the polarization thereof.
  • a non-polarized, preferably monochromatic light source is used, and it is the sample that polarizes the scattered light according to its stress level.
  • Part of the scattered light coming out of the glass is picked up by an analysis system comprising an analyzer and an optical sensor (CCD camera or photomultiplier) to measure the polarization of the outgoing signal.
  • an analysis system comprising an analyzer and an optical sensor (CCD camera or photomultiplier) to measure the polarization of the outgoing signal.
  • This measurement principle is also based on the analysis of the light scattered during the passage of a ray of light through a sample, but using polarized light as the source of incident radiation.
  • the stress field present in the sample causes a change in the polarization of the light along its path in the sample. This leads to a spatial modulation of the intensity of the scattered light as a function of the orientation of the polarization of the main beam. Since the dipoles of the matrix vibrate parallel or perpendicular to an observer in the yz plane, only the positions with a polarization perpendicular to the direction of observation effectively emit scattered light in the direction of observation.
  • the fringes obtained, observed by an optical sensor (CCD camera or photomultiplier), are directly representative of the stress level of the glass because they correspond to the alternation of the polarization of the source ray.
  • the glass sample acts with this measuring principle as an analyzer.
  • any light source Q (Fig.8) with wavelengths included in the optical window of the glass can be used to create the incident beam of polarized light.
  • some criteria can increase the performance of the system:
  • a monochromatic laser source will improve the signal-to-noise ratio and avoid dispersion effects
  • a laser source which automatically emits an almost parallel and small diameter beam, will simplify a focus optics OfI
  • a laser source can emit a polarized beam directly.
  • the polarized beam is modulated to create a periodic shift of the phase.
  • Each measurement point in the sample varies its light intensity scattered according to the offset period. This measurement increases the spatial resolution of the measurement.
  • a suitable source for Principle A is differentiated by an unpolarized light beam while it is polarized for Principle B.
  • a DT optical system for analyzing polarized light faces two requirements: 1. To be kept at a low temperature in the hot environment of a lehr,
  • Thermal protection / filtering of the detection system The protection of the optical system DT from the heat in the lehr is effectively obtained by placing all its components in a chamber N (Fig.9) cooled with water with a sweep by a flow of air or nitrogen evacuated by the sighting tube T.
  • the filtering of incoming rays to eliminate heat radiation is carried out in several successive stages consisting of:
  • a filter FL1 in soda-lime glass which suppresses the wavelengths higher than 2.7 ⁇ m,.
  • a short pass IR filter FL2 which cuts the radiation from the wavelength to be analyzed (preferably in the visible).
  • a 'long pass' filter (high pass) FL3 which makes it possible to eliminate the wavelengths lower than the wavelength to be analyzed.
  • the signal is then focused by focusing optics Ofl2 on the detection system J, ie the CCD or CMOS sensor of a high sensitivity camera capable of detecting light of very low intensity.
  • the sensitivity of the detection system J can be further enhanced by the intermittency technique (involving a chopper), with the elimination of system-specific noise by an optical chopper or chopper, possibly combined with a intermittent source.
  • the signal obtained is then transmitted to a processing system TR to obtain the image of the spatial modulation of the light emitted by the sample and finally, the stress field in the glass corresponding to this distribution of light.
  • a detection system for equipment according to Principle A is designed according to the same criteria and includes the same succession of filters. Particular attention is given to the cooling of the filters which must be axisymmetric to avoid any creation of membrane stress in the filter material which would modify the polarization of the signal to be analyzed. Similarly, the quality of the filters is greater here to avoid that they induce a distortion of the polarization of the signal, because it is this polarization that is measured to characterize the level of stress.
  • an ANL polarization analyzer (FIG. 9) is added with respect to a device according to principle B. The signal obtained is then transmitted to a processing system to obtain the image of the distribution of the polarized light from of the sample, then finally, the stress field in the glass corresponding to this distribution of the polarized light.
  • the beam enters the edge of a sample to cross it parallel to its surface.
  • This method is not applicable to tempered glass because of the difficulty in taking samples.
  • a variant is used: the incident ray M. penetrates the surface of the glass 1 with an inclination ⁇ relative to the surface of the glass.
  • the length of the radius in the sample depends on this angle of inclination ⁇ , the refraction on the surface and the thickness of the sample. We try to keep a large length of the radius in the glass which allows to maintain a good spatial resolution.
  • a prism placed on the glass would obtain this incident beam at a grazing angle in the glass. It would avoid the reflection of the beam on the surface of the glass and allow the polarization of the beam to be maintained at the point of entry into the sample without a difference in intensity between its vertical component and its horizontal component as it would have been induced by the passage of the light beam through an interface between two different refractive index materials.
  • the beam then passes through the thickness of the glass at an angle of about 40 ° which limits the length of its path in the glass.
  • the offset of the vertical and horizontal components of the polarized beam by the plane stresses in the glass becomes small.
  • the operation of the static signal becomes sophisticated because it must take into account the coupling of the vertical component and of the polarized beam in the glass, the variation of the stress on the thickness, the angle of the 'horizontal' and 'vertical' component of the beam with respect to the plane stress ( ⁇ x or ⁇ y ), the attenuation signal on his way out of the glass.
  • the periodic modulation of the polarization of the incoming beam makes it possible to circumvent this sophisticated exploitation. It makes it possible to determine the phase shift between two neighboring points on the path of the beam and to deduce the average stress between these two points. Despite the unfavorable angle of the beam through glass, a good spatial resolution of the profile measurement in the thickness is maintained. The integration of the plane stress on the thickness then gives the membrane stress in the direction considered.
  • Disturbance by thermal radiation in the lehr is also to be considered.
  • a "black body" environment would produce a total hemispheric energy flow of 33 kW / m 2 .
  • a camera with an optical aperture of 20mm diameter would thus receive a radiation heat flux of about 10W compared to the 0.5W of a class III laser used as a source. It is therefore essential to reduce the thermal radiation, hence the need to filter it with the FL1-FL4 system described above.
  • the signal obtained has a spectral band limited to about 20 nm.
  • the hemispherical energy flow of a black body at 600 ° C between 500 and 520nm has more than 2.1 ⁇ W / m2 and between 400-420 nm more than 2.5 nW / m2.
  • the fraction that will enter the optical aperture of the camera is even smaller. It corresponds to a flow of 0.8 pW for an aperture of 20mm in diameter.
  • the order of magnitude of the attenuation of visible light in soda-lime glass is 60 dB / km. It is a function of the wavelength and the quality of the glass. Over a length of 1mm in the sample there remains only 6x10 5 dB / mm. From a polarized laser source, for a beam entering the glass having a power of 0.1 W, the amount lost by Rayleigh scattering on the first mm is 1.4 ⁇ W. If it is assumed that 0.1% of this scattered light is captured, the detection system receives a flow of 1.4nW. Since this value is 3 times greater than the 0.8 pW of residual heat radiation flux after filtering, the signal can therefore be exploited properly.
  • the non-contact measuring equipment of the invention makes it possible, in particular, to measure all the three components ⁇ x , ⁇ y , ⁇ z , to determine the principal stresses, at any point of the ribbon in a flat glass drying rack, and thus to identify critical locations and optimize the cooling setting. It is possible, of course, to draw the two conventional profiles as 'vertical profile plane stress' and 'membrane stress ⁇ x lateral profile'. In addition to the state of the art, these profiles are measured in the lehr and thus obtain a direct measurement of the total and temporary stress.
  • the measuring equipment allows the measurement of the components of the stresses in different orientations to deduce the orthogonal main stresses. Stress measurements made along the longitudinal direction of the glass ribbon are used to adjust the distribution of heating and / or cooling distribution over the length of the ribbon.

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Abstract

Installation de production de verre plat comprenant un four de fusion et d'affinage suivi d'un dispositif de formage d'un ruban de verre plat et d'une étenderie (K). L'installation comporte, implanté dans l'étenderie (K), un équipement (G) de mesure en ligne et sans contact des contraintes dans le ruban de verre.

Description

INSTALLATION DE PRODUCTION DE VERRE PLAT AVEC EQUIPEMENT DE MESURE DES CONTRAINTES, ET PROCEDE DE CONDUITE D1 UNE ÉTENDERIE DE RECUISSON DE VERRE PLAT.
La présente invention concerne une installation de production de verre plat comprenant un four de fusion et d'affinage suivi d'un dispositif de formage d'un ruban de verre plat et d'une étenderie, et comportant un équipement de mesure en ligne et sans contact des contraintes dans le ruban de verre
Une étenderie de recuisson de verre plat est un four tunnel équipé de moyens de chauffage et de refroidissement permettant de faire suivre un cycle thermique de refroidissement contrôlé à un ruban de verre. Elle est placée en aval du bain d'étain pour une ligne de production selon le procédé float, ou en aval du four de fusion et de formage pour une ligne de production de verre laminé.
La première phase critique du cycle de refroidissement de la bande de verre plat se situe dans les zones de l'étenderie dans lesquelles le verre est dans un état viscoélastique. Le refroidissement induit des gradients thermiques et des contraintes. Pour limiter la création de contraintes permanentes (aussi appelées résiduelles) et permettre leur relaxation, le début du refroidissement est réalisé à un taux réduit pour permettre une 'recuisson' du verre. Un niveau de contraintes permanentes trop élevé entraîne des problèmes dans le traitement ultérieur du verre comme la découpe. Une fois cette recuisson autour de la température de transition terminée, débute la deuxième phase critique du cycle de refroidissement, où l'on vise à refroidir le verre rapidement pour limiter la longueur de l'étenderie. Le verre étant à présent à l'état solide, des gradients thermiques lors de ce refroidissement induisent des contraintes dites temporaires. Or, après la première phase du refroidissement, les contraintes permanentes sont toujours présentes dans le verre. La contrainte totale désigne la combinaison des contraintes permanentes et temporaires.
Pendant le refroidissement, des gradients de température dans l'épaisseur du ruban de verre entraînent des contraintes dites stratifiées, représentés en Fig.1 des dessins annexés. Les couches superficielles plus froides sont en état d'extension plane isotrope et les couches internes en état de compression plane isotrope. Les gradients de température dans le plan d'un ruban entraînent également des contraintes planes mais de type membrane, aussi appelées contraintes de forme. Pour le cas des gradients uniquement sur la largeur d'un ruban de longueur importante (voir Fig. 1), l'orientation des contraintes membranes est parallèle à la longueur du ruban. Ces contraintes dans la longueur du ruban sont compressives ou extensives en fonction du profil de température sur la largeur du ruban. Dans une étenderie, on tente de maintenir les bords du ruban en légère compression à cause de leur plus grande fragilité. Ces contraintes thermiques disparaissent à la fin du refroidissement avec la disparition des gradients thermiques, d'où leur caractérisation comme contrainte temporaire.
On peut d'ailleurs facilement comprendre la création des contraintes permanentes. Un ruban de verre se solidifie d'abord sur les deux faces. Le cœur est encore plastique à ce moment. Il solidifie avec retard et a tendance à ce compacter d'avantage. Ceci n'est plus possible car le cœur est attaché aux deux faces solidifiées. Le cœur subit alors une contrainte extensive pendant la solidification. Par conséquent, les deux faces déjà solidifiées se trouvent simultanément sous contrainte compressive. Le ruban montre donc une contrainte permanente avec une zone centrale sous extension et deux zones sous compression. Les contraintes permanentes dans les zones sont isotropes dans le plan de la feuille. Le niveau des contraintes permanentes est intimement lié à la vitesse de refroidissement pendant la première phase de refroidissement. Une vitesse de refroidissement élevée, notamment pour un verre épais, induit des contraintes permanentes élevées et cause des problèmes de découpe des panneaux de verre. Un refroidissement asymétrique de la face supérieure et de la face inférieure décale le profil de contraintes dans l'épaisseur et cause une déformation du ruban.
Le même phénomène de solidification de zones en fonction de la vitesse de refroidissement apparaît sur la largeur du ruban. La maîtrise de la vitesse de refroidissement des bords du ruban présente un problème particulièrement difficile notamment pour les rubans épais. L'ajustement du refroidissement pendant la première phase du refroidissement doit assurer une légère compression des bords et une faible extension du centre du ruban pour réduire les problèmes de casse du ruban.
On rappelle ici qu'en absence de forces extérieures, les forces intérieures doivent être en équilibre (principe de Cauchy). Ceci est valable pour un ruban de verre dans une étenderie si on fait abstraction de la force de transport par les rouleaux et de la gravité.
Le verre est un matériau fragile. Il se rompt sous l'effet de traction et ce perpendiculairement à la direction de la contrainte normale d'extension qui viendrait à y régner. Le verre ne répond pas à une contrainte de cisaillement par une déformation ductile. Il convient donc d'identifier les directions et amplitudes des contraintes principales pour évaluer le risque de rupture. La détermination des contraintes principales permet d'éliminer les composantes de cisaillement dans le tenseur de contraintes. La forme du ruban de verre permet déjà de réduire les dimensions au cas plan en 2D (deux dimensions). En plus, pour un ruban de longueur infinie et des gradients thermiques uniquement sur la largeur du ruban, la composante de contrainte sur la longueur du ruban et la contrainte principale coïncident. Une mesure de la contrainte de cisaillement pour trouver la contrainte principale n'est plus nécessaire.
Une particularité du matériau verre concerne la sensibilité de sa surface à la rupture sous contrainte d'extension. Un verre fabriqué selon le procédé float avec une surface sans défauts macroscopiques peut déjà casser à partir de 50MPa de traction à la surface. Des défauts de surface peuvent encore baisser cette limite.
Lors du refroidissement d'un ruban de verre dans une étenderie il est donc important de contrôler finement les profils de contrainte dans l'épaisseur et sur la largeur du ruban. La détermination des contraintes principales à la surface du ruban permettrait d'anticiper des contraintes excessives et ceci sur toute la surface du ruban dans l'étenderie. Une mesure des contraintes doit donc permettre de déterminer les contraintes principales totales en tout point du ruban dans l'étenderie pour maîtriser le risque de casse mais doit également permettre de déterminer les contraintes permanentes. A partir de la solidification du ruban autour de la température de solidification, les contraintes permanentes et temporaires sont toujours présentes simultanément dans une étenderie. Une détermination simultanée des contraintes et des profils de température permet de séparer la contrainte temporaire dans la contrainte totale pour obtenir la contrainte permanente. Une autre manière de déterminer la contrainte permanente est de réaliser la mesure de la contrainte dans une zone de l'étenderie sans refroidissement et par conséquent où la température du ruban est homogène. Ceci est particulièrement intéressant pour les profils dans l'épaisseur car la mesure du profil de température dans l'épaisseur est moins évidente que la mesure du profil de température sur la largeur du ruban. La condition de l'homogénéité thermique du ruban est d'ailleurs naturellement donnée à la fin de l'étenderie si la température ambiante et la température du ruban sont proches. La zone d'intérêt pour les mesures de contrainte sur l'équipement 'étenderie verre plat' s'étend donc entre la température de transitions avec le début de l'établissement des contraintes jusqu'à la position de l'homogénéisation thermique du ruban après l'étenderie.
D'une manière générale, un refroidissement non adapté du ruban dans l'étenderie peut conduire à un niveau de contrainte du verre excessif préjudiciable à la qualité du verre et à son parachèvement :
1. Dans l'étenderie
Au-delà d'une valeur critique de traction, la contrainte totale avec sa composante principale dans le verre entraîne la casse du ruban.
En plus, des contraintes importantes dans le verre peuvent induire une déformation du ruban perpendiculaire au plan du ruban. Ceci peut gravement perturber le transport du ruban dans l'étenderie Ce type de déformation est également gênant si celle-ci est permanente et se retrouve dans les panneaux de verre après la découpe.
2. Dans la section de découpe, en aval de l'étenderie
Des contraintes permanentes importantes dans le ruban rendent difficile, voire impossible, une découpe nette du verre. Le contrôle et le maintien à un niveau acceptable des contraintes durant tout le processus de recuisson et du refroidissement du ruban de verre sont donc une préoccupation majeure pour l'industriel.
Pour simplifier la discussion suivante, on adopte un système de coordonnées de contraintes conforme avec la forme géométrique du ruban (voir Fig 1). Les directions des contraintes principales peuvent pour des conditions particulières coïncider avec ces contraintes géométriques du ruban.
On définit donc une composante σx dans la direction de la longueur du ruban, une composante σy dans la direction de la largeur du ruban et une composante σz dans une direction perpendiculaire au ruban. Les composantes σx et σy présentent les contraintes planes, champs de contraintes stratifiées pour une feuille mince. Sur les lignes de production, on mesure après l'étenderie le profil latéral sur la largeur (Fig. 2) qui trace la composante σx intégrée sur l'épaisseur du ruban, donc une contrainte membrane. Le profil latéral n'est pas mesuré au sein de l'étenderie selon l'état de l'art. C'est pourtant cette contrainte qui peut atteindre des valeurs élevées pour un mauvais ajustement du refroidissement sur la largeur et entraîner la casse du ruban. La composante membrane σy intégrée sur l'épaisseur du ruban n'est pas non plus mesurée dans les étenderies selon l'état de l'art. Cette contrainte n'est pourtant pas négligeable dans certains cas (exemple : le profil thermique sur la largeur n'est pas constant sur la longueur du ruban)
Le profil vertical trace l'évolution de la contrainte plane σx ou σy sur l'épaisseur du ruban (Fig 2). Pour un petit échantillon découpé du ruban, les composantes σx et σy sont équivalentes car la contribution des contraintes de forme ou membranes est éliminée. Du fait de la mesure hors ligne (off-line) du profil vertical, on mesure uniquement une contrainte permanente. Le profil vertical des contraintes totales σx ou σy n'est pas mesuré au sein des étenderies selon l'état de l'art. C'est pourtant cette contrainte qui peut atteindre les valeurs élevées et critiques notamment pour un verre épais.
La composante σz est absente dans le cas d'une feuille mince. Mais près des bords d'un ruban de verre float ou au contact avec les rouleaux de transport, cette composante apparaît. Aucune mesure de cette contrainte n'est réalisée sur le ruban selon l'état de l'art.
Selon l'état de la technique, il existe différentes méthodes de mesure sans contact des contraintes du ruban, notamment celles exposées ci-après .
Une méthode optique souvent utilisée pour la mesure des contraintes du verre réside dans l'analyse de la polarisation d'un faisceau de lumière après son passage à travers du verre. Elle est basée sur une propriété liée à la photoélasticité du verre qui se caractérise par un changement directionnel de l'indice de réfraction de la lumière en présence d'une contrainte.
Sur un ruban de verre plat, la mesure est réalisée avec un faisceau de lumière qui passe à travers le ruban principalement perpendiculairement à sa surface. L'analyse de la polarisation du faisceau s'effectue après un simple ou un double passage à travers l'épaisseur du ruban. Cette méthode demande un ajustement précis du faisceau de lumière avec des éléments optiques en dessus et en dessous du ruban. Les mesures de contrainte réalisées en ligne
(on-line) selon cette méthode sont effectuées à une distance importante en aval de l'étenderie pour réduire l'influence de la contrainte temporaire sur la mesure. Cette mesure vise donc la contrainte membrane permanente (voir brevet US 4619681 ou DE 1 202 028). Elles permettent la caractérisation d'une valeur moyenne pour σx en intégrant les contraintes sur l'épaisseur de la feuille. Ainsi, ces mesures caractérisent uniquement la contrainte membrane selon la direction longueur du ruban. Elles permettent notamment de vérifier si les bords du ruban sont sous compression car ceux-ci sont particulièrement sensibles à la rupture sous contrainte d'extension. Cette méthode suppose d'ailleurs l'absence d'une composante σy pour identifier la composante σx comme contrainte principale (la mesure de la retardation d'un faisceau perpendiculaire permet uniquement de mesurer une différence de deux composantes).
L'inertie liée à la position de l'équipement sur la ligne ne permet pas un ajustement rapide des paramètres de fonctionnement de l'étenderie lors de la première phase du refroidissement du ruban. En plus, la méthode ne donne aucune information quant aux contraintes temporaires qui régnent dans l'étenderie. Une implantation de ce type d'instrument dans l'étenderie se heurte à deux difficultés : 1. Les composantes mécaniques, optiques et électroniques ne sont pas adaptées à un environnement chaud avec des températures allant jusqu'à 6000C. 2. Le rayonnement thermique du ruban de verre perturbe gravement la détection de la lumière polarisée par le système optique. D'autres méthodes basées sur l'analyse de la polarisation de la lumière après son passage à travers du verre sont utilisées pour la mesure en laboratoire du profil vertical de contrainte dans l'épaisseur d'un échantillon.
Du fait de la découpe de l'échantillon, les contraintes membranes sont plus ou moins relâchées. On mesure donc le profil vertical des contraintes planes permanentes σx ou σy avec l'équivalence des deux valeurs à cause de l'isotropie. L'intégration sur un profil vertical d'un tel échantillon donne pratiquement une contrainte zéro en raison de l'absence de contrainte membrane. Le profil vertical reflète le niveau et la performance de la recuisson du verre. Cette mesure sur un échantillon découpé permet uniquement de déterminer le profil de contrainte permanente à la position sur le ruban où l'échantillon a été prélevé.
Une autre méthode de mesure du profil vertical de contrainte permanente réside dans l'analyse de la lumière diffusée par un rayon de lumière ou faisceau laser. Cette méthode existe en deux variantes : A) Analyse de la lumière diffusée et polarisée qui traverse ensuite des volumes sous contraintes
B) Analyse d'intensité de lumière diffusée par un faisceau polarisé traversant des volumes sous contraintes. Les deux variantes utilisent de préférence l'effet de la diffusion élastique de la lumière, appelé « diffusion Rayleigh » ou, en variante, l'effet de l'interaction de la lumière avec les phonons, appelé « diffusion Brillouin ou
Raman ». Ces méthodes seront exposées plus en détail plus tard dans ce document.
La méthode de lumière diffusée nécessite toujours le couplage d'un faisceau dans le verre soit sur les bords d'un échantillon ou à la surface à l'aide d'un prisme posé sur la surface du verre selon l'état de l'art. Dans le brevet US 2003/0076487 un couplage du faisceau à l'aide d'un réseau de réfraction permet de guider la lumière efficacement dans le verre à travers la surface sans prisme. Le réseau de réfraction est créé par un échauffement local du verre à l'aide d'un laser. Toutefois, cette méthode n'est pas applicable sur un ruban chaud en défilement. L'échauffement local est d'ailleurs nuisible à la mesure de faibles contraintes thermiques telles que présentes dans le verre recuit. La méthode vise essentiellement le verre trempé avec un niveau de contrainte bien plus élevé.
Une autre variante de la méthode de lumière diffusée est proposée dans le brevet DE 10161914 C1. Un désavantage de la méthode de lumière diffusée est la perte d'intensité du faisceau qui traverse sous un angle rasant le verre notamment pour un verre teinté. Le brevet cité propose une compensation de cette perte d'intensité par une clavette grise. Toutefois, le prisme pour un bon couplage de la lumière à travers de la surface de l'échantillon est toujours nécessaire ce qui limite l'application de cette méthode à l'hors ligne (off-line).
Toutes les méthodes de mesure sur échantillons génèrent une inertie importante liée au temps nécessaire au prélèvement de l'échantillon et au retour d'information du laboratoire. En plus, elles ne fournissent aucune information quant aux contraintes temporaires type membranes ou contraintes planes avec variation dans l'épaisseur. Les mesures des contraintes temporaires impliquent automatiquement une mesure au sein de l'étenderie. Une approche indirecte est proposé dans le brevet US 6 796 144.
Selon ce brevet on effectue une mesure de température dans l'épaisseur d'une plaque de verre par analyse de la lumière émise par photoluminescence d'une zone dans l'épaisseur. Avec cette méthode, on détermine le profil vertical de température par plusieurs mesures. A partir de ce profil de température, on calcule le profil vertical de contrainte temporaire. Cette méthode ne donne aucune information sur la contrainte permanente et les contraintes membranes superposées au profil vertical de contrainte temporaire lors du refroidissement du verre dans une étenderie. Les solutions mises en œuvre selon l'état de la technique pour la détermination du niveau de contrainte dans le ruban de verre ne sont pas satisfaisantes car, notamment :
Elles ne permettent pas de contrôler directement le processus de recuisson pour l'obtention en continu de verre ayant de bonnes caractéristiques après le passage dans l'étenderie.
Elles ne permettent pas de mesurer le profil vertical de contrainte plane dans l'étenderie.
Elle ne permettent pas de mesurer le profil de contrainte membrane dans l'étenderie.
Elles ne permettent pas de mesurer en même temps les profils de contrainte membrane sur la largeur du ruban et le profil vertical des contraintes planes.
Elles ne permettent pas de déterminer la contrainte totale et ses directions principales à tout point dans l'étenderie pour anticiper des conditions de casse du ruban ou de la courbure du ruban.
Les difficultés principales de mesure de contrainte sur un ruban de verre en défilement dans une étenderie résident dans l'exigence de mesure non destructive, sans contact mécanique, sur le verre à température élevée, dans un environnement chaud et sans perturbation du refroidissement du ruban de l'ensemble des composantes principales de contraintes.
Pour apporter une solution à ces problèmes, une installation de production de verre plat, selon l'invention, comprenant un four de fusion et d'affinage suivi d'un dispositif de formage d'un ruban de verre plat et d'une étenderie, et comportant un équipement de mesure en ligne et sans contact des contraintes dans le ruban de verre, est caractérisée en ce que l'équipement de mesure en ligne des contraintes est implanté dans l'étenderie.
La mesure en ligne (on-line), directement dans l'étenderie et sans contact, de la contrainte totale dans le verre permet d'ajuster rapidement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie de sorte que le niveau de contrainte totale reste en tout point inférieur à une valeur déterminée.
La mesure en ligne directement dans l'étenderie et sans contact permet également de déterminer la zone de solidification du ruban avec l'établissement des contraintes permanentes La mesure en ligne directement dans l'étenderie et sans contact en combinaison avec une mesure de profil vertical ou latéral de température du ruban permet de déduire les contributions de la contrainte temporaire à la contrainte totale et d'en déduire la contrainte permanente. L'équipement de mesure selon l'invention comprend un émetteur de lumière qui dirige un faisceau lumineux sur le ruban de verre, et un moyen récepteur et d'analyse de la lumière diffusée dans différentes directions de l'espace résultant de l'interaction du faisceau avec le verre. L'équipement de mesure comporte des composants optiques et des moyens de traitement de signal qui permettent de mesurer et d'analyser la diffusion de la lumière avec une sensibilité suffisante pour éliminer des accessoires optiques, notamment des prismes posés sur la surface du verre.
Avantageusement, l'équipement comporte une caméra CCD pour la mesure et l'analyse de la lumière diffusée.
Il est ainsi possible de mesurer les contraintes dans le verre plat par la caractérisation de la lumière diffusée avec une précision suffisante pour l'analyse des contraintes temporaires et permanentes typiques pour le ruban de verre dans une étenderie. Un autre avantage de cet équipement réside dans la possibilité de mesurer simultanément le profil des contraintes membranes et le profil des contraintes dans l'épaisseur du verre.
L'information complète sur les composantes de contraintes temporaires et permanentes permet d'ajuster le refroidissement de l'étenderie pour éviter la casse et mieux contrôler le niveau de contrainte permanent. Il est ainsi possible d'exploiter cette information pour piloter l'étenderie avec un système automatique comprenant la mesure, le traitement des signaux et l'ajustement motorisé du refroidissement.
Selon un exemple préféré de réalisation de l'invention, l'équipement de mesure permet de combiner la caractérisation du profil de contraintes verticale et latérale par la mesure de la composante de contrainte σx. Ces deux profils correspondent aux mesures actuellement réalisées 'à froid' après l'étenderie ou sur des échantillons en laboratoire. La mesure selon l'invention permet en plus d'évaluer la contrainte temporaire et totale lors du refroidissement. L'équipement de mesure du profil vertical et latéral est placé avantageusement dans chaque zone de refroidissement de l'étenderie pour contrôler individuellement la contrainte engendrée par chaque zone. La mesure de la contrainte permet notamment de contrôler le taux de refroidissement sur la largeur de chaque zone, le refroidissement supérieur et inférieur et le taux total du refroidissement.
Selon un autre exemple de réalisation, l'équipement de mesure permet de combiner une mesure des profils verticaux et longitudinaux. Ceci permet d'identifier notamment l'évolution de la contrainte permanente et temporaire dans l'épaisseur sur la longueur de l'étenderie. Si on répète cette mesure à plusieurs positions sur la largeur du ruban, on peut également établir les profils latéraux de contrainte membrane.
Selon un autre exemple de réalisation, on mesure ces profils à de nombreuses positions du ruban ce qui permet d'établir une cartographie des contraintes sur toute la longueur du ruban dans l'étenderie. Ceci permet d'identifier les endroits dans le ruban de verre avec une contrainte totale élevée.
En présence d'une composante σy de la contrainte membrane, la contrainte principale n'est plus orientée parallèle à la contrainte σx. Il y a donc présence simultanément des deux composantes. Le principe de photoélasticité permet de mesurer uniquement des différences des contraintes perpendiculaires au faisceau d'observation. Or, on arrive à séparer les contributions des différentes contraintes par une répétition de la mesure en différentes orientations. Pour trouver donc la direction et amplitudes des contraintes principales, le système de mesure peut exercer une rotation. Une autre manière à remonter aux contraintes principales consiste à analyser le signal optique en différents angles par rapport à la normale sur la plaque de verre.
Un autre exemple de réalisation vise à vérifier le niveau de contrainte à des points particuliers comme l'appui du ruban sur les rouleaux et le changement de l'épaisseur près du bord du ruban. Or, le principe de photoélasticité permet de mesurer uniquement des différences des contraintes perpendiculaires au faisceau d'observation. Par comparaison des mesures à des positions proches mais sans et avec la composante σz on peut remonter sa valeur. Selon un autre exemple de réalisation, on varie l'orientation du faisceau d'observation pour trouver les contraintes principales en 3D qui contiennent la contribution de la composante verticale σ2.
L'équipement de mesure peut comprendre une source de lumière se trouvant d'un côté du ruban et une optique d'analyse se trouvant du côté opposé, ou de préférence, du même côté que la source de lumière. La source de lumière peut être située au-dessus ou en-dessous du ruban. L'émetteur et le récepteur de l'équipement de mesure peuvent être refroidis pour mise en place dans une zone à température relativement élevée de l'étenderie. L'équipement de mesure est complété par un poste de commande, de traitement des données fournies par l'équipement de mesure, et de visualisation des contraintes. Une interface optionnelle permet le lien entre ce poste de commande et l'unité de contrôle de l'étenderie. Une installation munie d'un équipement de mesure avec un système optique comporte avantageusement des moyens de filtrage des rayons entrants dans le système optique de l'équipement de mesure pour éliminer le rayonnement thermique préjudiciable à la précision de la mesure.
Le système optique peut comporter un tube de visée et un hacheur optique prévu après le tube de visée.
L'invention est également relative à un équipement pour mesure en ligne et sans contact des contraintes dans un ruban de verre dans une étenderie, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur de lumière qui dirige un faisceau lumineux sur le ruban de verre, et un moyen récepteur et d'analyse de la lumière diffusée dans différentes directions de l'espace résultant de l'interaction du faisceau avec le verre.
De préférence, l'équipement pour mesure en ligne utilise l'effet de la diffusion élastique de la lumière, appelée « diffusion Rayleigh » ou l'effet de l'interaction de la lumière avec les phonons, appelée « diffusion Brillouin ou Raman ». L'équipement comporte avantageusement une caméra CCD pour la mesure et l'analyse de la lumière diffusée.
Dans une variante de l'équipement, on mesure uniquement la contrainte membrane par passage et analyse directe d'un faisceau polarisé selon la méthode classique de photoélasticité. L'analyseur du signal comporte avantageusement des moyens de filtrage des rayons entrants dans le système optique de l'équipement de mesure pour éliminer le rayonnement thermique préjudiciable à la précision de la mesure.
Dans une variante de l'équipement, on réalise une mesure des profils latéraux et/ou longitudinaux de température de surface du ruban par des moyens de mesure connus comme des pyromètres. D'autres méthodes basées sur l'émission volumique de rayonnement permettent de remonter au profil de température dans l'épaisseur du ruban. On peut ainsi séparer la contrainte temporaire et permanente dans la mesure de la contrainte totale.
L'invention consiste également en un procédé de conduite d'une étenderie de recuisson de verre plat, caractérisé en ce qu'une mesure en continu de la contrainte d'un ruban de verre esr réalisée par un équipement de mesure installé dans l'étenderie, et est utilisée pour ajuster automatiquement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie par l'intermédiaire d'une boucle de régulation.
Avantageusement, selon le procédé de conduite d'étenderie de recuisson de l'invention, une combinaison du système de contrôle de l'étenderie et de l'équipement de mesure de la contrainte est prévue pour permettre d'ajuster rapidement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie de sorte que le niveau de contrainte totale reste inférieur à une valeur déterminée permettant d'éviter la casse du verre ou des déformations du ruban perpendiculaires au plan du ruban et que le niveau de contrainte permanente reste inférieur à une valeur déterminée permettant le traitement ultérieur du verre.
Par ailleurs, selon le procédé de l'invention, les mesures de contrainte peuvent être effectuées selon la largeur du ruban de verre, et peuvent être utilisées pour l'ajustement de la distribution du chauffage sur la largeur du ruban et/ou l'ajustement de la distribution du refroidissement sur la largeur du ruban.
De préférence, selon le procédé de l'invention, un modèle mathématique de fonctionnement de l'étenderie est établi et utilisé pour définir les consignes optimums à appliquer à l'étenderie, en fonction des mesures effectuées, afin d'obtenir le niveau de température et contrainte souhaité.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits en détail avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
Fig. 1 illustre schématiquement un ruban de verre et les directions des profils et contraintes. Fig. 2 est un diagramme illustrant une variation possible des contraintes suivant la direction y de la largeur du ruban de verre.
Fig. 3 est un diagramme illustrant une variation possible des contraintes suivant la direction verticale z dans le ruban de verre.
Fig. 4 est une vue schématique de côté d'une installation de production de verre plat.
Fig. 5 est une coupe verticale schématique partielle, à plus grande échelle, d'une étenderie selon l'invention comprenant un exemple d'implantation du système de mesure de contrainte. Fig. 6 est une vue schématique de dessus par rapport à Fig.5.
Fig. 7 est un schéma de moyens de mesure et de moyens de contrôle de l'étenderie.
Fig.8 est un schéma en perspective d'un équipement de mesure positionné au-dessus du ruban de verre, et
Fig.9 est une vue schématique en élévation d'un moyen récepteur et d'analyse de la lumière diffusée.
En se reportant à Fig.1 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un ruban de verre 1 , situé dans un plan horizontal, qui progresse suivant le sens de la flèche S, parallèle aux bords longitudinaux du ruban. La ligne verticale V en tirets indique la direction de l'épaisseur du ruban. La ligne horizontale L en tirets indique la direction latérale y de la largeur du ruban, orthogonale à la flèche S. L'orientation des contraintes dans le ruban de verre peut être définie suivant trois directions orthogonales, à savoir une composante σx dans la direction x de la longueur du ruban, une composante σy dans la direction y de la largeur et une composante σzdans la direction z de l'épaisseur. Dans des cas particuliers, l'orientation d'une contrainte principale peut coïncider avec une des orientations géométriques. Fig.2 montre la distribution de la contrainte, portée en ordonnée, positive pour une tension (traction) et négative pour une compression, suivant la position d'un point selon la direction y de la largeur L portée en abscisse. D'après l'exemple de Fig.2 les bords longitudinaux du ruban sont en compression tandis que la zone intermédiaire est en tension. Fig. 3 montre une distribution possible de la contrainte temporaire dans l'épaisseur du ruban. Les contraintes sont portées en abscisse, avec valeurs positives pour les contraintes de tension et négatives pour les contraintes de compression. La position d'un point considéré du ruban de verre suivant l'épaisseur est reportée sur l'axe des ordonnées. D'après Fig. 3, il apparaît que la face supérieure et la face inférieure du ruban sont en traction alors que la zone située à mi-épaisseur est en compression.
. Ce profil vertical permet notamment de quantifier la contrainte de traction ou de compression en chaque point de l'épaisseur et en particulier au niveau des deux surfaces du ruban. Fig.4 illustre schématiquement une installation de production de verre plat comprenant un poste P de préparation et d'enfournement des matières premières, un four H de fusion et d'affinage, un dispositif de formage J de la feuille de verre, une étenderie K et une section de sortie M comprenant la découpe et le conditionnement du verre.
L'étenderie K est composée de différentes zones successives traditionnellement définies comme suit : La zone AO : Zone d'entrée facultative pour un éventuel traitement particulier, La Zone A : Zone de pré-conditionnement, La Zone B : Zone de recuisson, La Zone C : Zone de refroidissement indirect, La zone D : Zone de refroidissement direct tempéré, Les zones E et F : Zones de refroidissement direct final, et dernières zones de l'étenderie.
Dans les zones AO, A1 B et C, le contrôle du refroidissement du verre est obtenu par échanges radiatifs avec des parties froides, communément appelées échangeurs, ou des éléments chauffants, alors que dans les zones D, E et F le refroidissement est réalisé par convection à air soufflé.
Selon l'invention, un équipement G de mesure sans contact des contraintes dans le ruban de verre est implanté dans la longueur de l'étenderie, dans des zones caractéristiques du processus de recuisson, par exemple vers la fin des zones de refroidissement lent A, B et C ou vers la fin des zones de refroidissement rapide E et F. Il est également possible de placer plusieurs dispositifs de mesures en différents points caractéristiques sur la longueur de l'étenderie au niveau des zones A, B, C, D, E et F.
Un exemple de réalisation est représenté en Fig. 5, avec un ruban de verre 1 en défilement sur des rouleaux de transport 2 à l'intérieur du caisson 3 de l'étenderie K équipé d'un système de refroidissement du verre 4 par rayonnement ou convection. Le système de mesure de contrainte 5 comprend un boîtier refroidi 6 équipé d'ouvertures pour le système optique 7, ce dernier pouvant être équipé d'un dispositif de protection thermique comme un balayage par air ou la fermeture de fenêtres optiques. L'ensemble de l'équipement G de mesure de contrainte est supporté par un support mécanique 8 monté sur un dispositif de défilement 9 et un système de déplacement transversal manuel ou automatique 11 permettant de couvrir toute la largeur du ruban de verre. Le système permet de caractériser le profil de contrainte verticale dans l'épaisseur du verre et le profil de contrainte membrane en tout point sur la largeur du ruban.
Un dispositif de rotation optionnel 10 permet d'orienter le système optique 7 suivant la direction correspondant à la largeur du ruban ou celle correspondant à la longueur du ruban. La rotation permet d'identifier direction et amplitude des contraintes principales à partir des mesures des composantes σx et σy et intermédiaires de la contrainte dans le verre.
L'équipement de mesure G comprend un émetteur de lumière qui dirige un faisceau lumineux sur le ruban de verre, et un moyen récepteur et d'analyse de la lumière diffusée dans différentes directions de l'espace résultant de l'interaction du faisceau avec le verre. Une description plus complète d'un équipement de mesure est donnée plus loin avec référence aux Fig.8 et 9.
L'équipement de mesure G utilise de préférence l'effet de la diffusion élastique de la lumière, appelée « diffusion Rayleigh » ou, en variante, l'effet de l'interaction de la lumière avec les phonons, appelée « diffusion Brillouin ou Raman ».
Les composants optiques et les méthodes de traitement de signal sont prévus pour la mise en œuvre du système de mesure de la lumière diffusée dans l'étenderie. Avantageusement, l'équipement de mesure comporte une combinaison d'éléments optiques dans un seul support de taille limitée et sur une seule face du ruban, ce qui permet un ajustement précis et fiable des composants optiques. La mesure et l'analyse de la lumière diffusée peuvent être réalisées avec une caméra CCD. Ainsi toute variation de la position relative du système de mesure par rapport au ruban peut être captée par le système et considérée/exploitée par le traitement informatique du signal.
Selon une autre possibilité, l'ensemble de l'équipement de mesure de contrainte est placé dans un support monté sur un dispositif de défilement et un système de déplacement longitudinal manuel ou automatique permettant de couvrir une partie ou toute la longueur de l'étenderie afin de relever les niveaux de contrainte sur la longueur du ruban.
Le système de déplacement peut être constitué d'un servo-axe horizontal équipé d'un chariot sur lequel est monté l'équipement de mesure.
D'autres variantes de réalisation de la présente invention sont possibles, avec par exemple : 1. Un système de mesure des contraintes placé en face inférieure du ruban de verre.
2. Un système de mesure comprenant un émetteur et un récepteur optiques placés sur une même face du ruban de verre dans deux boîtes et/ou deux supports distincts séparés. 3. Un système de mesure comprenant un émetteur placé sur une face du ruban et un récepteur placé sur l'autre face.
4. Un système de mesure comprenant un émetteur et un récepteur placés sur une face du ruban et un réflecteur placé sur l'autre face. 5. Un système de mesure de contrainte complété par un système de mesure de température du ruban.
L'équipement de mesure est adapté au niveau de température régnant dans l'étenderie au point où est effectuée la mesure. Par exemple, il sera intégré dans un caisson refroidi afin de maintenir l'ensemble de ses composants à des niveaux de température compatibles avec leur bon fonctionnement.
Un équipement de mesure supplémentaire peut être placé en aval de l'étenderie. L'information délivrée par l'équipement de mesure peut être exploitée par les opérateurs de l'installation pour ajuster manuellement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie.
Selon un autre exemple de réalisation, les mesures des composantes de contrainte, en particulier σx et leur profils, en particulier suivant la direction verticale et latérale, peuvent être affichées pour l'information de l'opérateur de l'étenderie afin de lui permettre de confirmer le réglage des distributions de chauffage et de refroidissement opérées sur l'étenderie. Il est également possible d'enregistrer les valeurs, en particulier la contrainte permanente, par exemple sous forme de courbes, notamment pour le suivi de la qualité du produit.
De préférence, l'information délivrée par l'équipement de mesure G est exploitée par un système de contrôle de l'installation pour ajuster automatiquement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie, par l'intermédiaire d'une boucle de régulation, en particulier pour le réglage du chauffage et du refroidissement du verre suivant la direction de défilement du ruban et sa direction perpendiculaire.
La boucle de régulation peut être avantageusement complétée par un modèle physique de la recuisson du verre qui, à partir des mesures effectuées dans une section de l'étenderie, permet le calcul des consignes des différentes zones en amont et en aval de la section de mesure, pour le chauffage et le refroidissement du ruban de verre à chaque étape du processus de recuisson du verre.
Fig.7 représente schématiquement différents exemples de réalisation de la boucle de régulation de l'étenderie K à partir des informations délivrées par l'équipement G de mesure des contraintes.
Un ou plusieurs points de mesure optionnels 12, avec équipement de mesure G, peuvent être prévus pour la mesure des contraintes. Les informations des points de mesure sont envoyées à un poste 13 de traitement, d'analyse des contraintes et de commande. Le poste 13 envoie des instructions à une unité 14 de contrôle de l'étenderie. Cette unité de contrôle 14 envoie des instructions à une armoire de pilotage 15 pour divers équipements tels que ventilateurs, chauffage électrique, commande de position des vannes. On peut prévoir une unité 16 dans laquelle est stocké un modèle physique de recuisson du verre. Les informations provenant du poste d'analyse 13 sont alors envoyées sur l'unité 16 pour comparaison avec le modèle et instructions en sortie vers l'unité de contrôle 14. L'unité 16 peut en outre recevoir des résultats provenant de moyens 17 de mesures complémentaires de paramètres du ruban de verre, par exemple la température.
L'analyse des contraintes par la méthode de lumière diffuse est exposée plus en détail avec référence aux Fig.8 et 9.
Un rayon de lumière ordinaire qui traverse un échantillon de verre n'est généralement pas transmis à 100% en raison d'une diffusion dans l'échantillon. Cette diffusion peut être considérée comme une vibration secondaire de la matrice excitée par le rayon principal. Elle se traduit par de la lumière diffusée qui se propage radialement à partir du faisceau principal dans un plan y-z perpendiculaire à la direction x du faisceau. L'observation de cette lumière diffusée montre que celle-ci est polarisée dans le plan y-z dans un échantillon sans contraintes. L'analyse de la polarité de cette lumière diffusée permet de mesurer les contraintes dans un échantillon car le champ de contraintes dans le verre change la polarisation de celle-ci.
Suivant ce principe de mesure, on utilise donc une source de lumière non polarisée, de préférence monochromatique, et c'est l'échantillon qui polarise la lumière diffusée selon son niveau de contrainte. Une partie de la lumière diffusée qui sort du verre est captée par un système d'analyse comprenant un analyseur et un capteur optique (caméra CCD ou photomultiplicateur) afin de mesurer la polarisation du signal sortant.
Ce principe de mesure est également basé sur l'analyse de la lumière diffusée lors du passage d'un rayon de lumière au travers d'un échantillon, mais en utilisant de la lumière polarisée comme source du rayonnement incident. Le champ de contraintes présent dans l'échantillon entraîne un changement de la polarisation de la lumière le long de son trajet dans l'échantillon. Ceci conduit à une modulation spatiale de l'intensité de la lumière diffusée en fonction de l'orientation de la polarisation du faisceau principal. Comme les dipôles de la matrice vibrent parallèlement ou perpendiculairement par rapport à un observateur dans le plan y-z, seules les positions avec une polarisation perpendiculaire à la direction de l'observation émettent efficacement de la lumière diffusée dans la direction de l'observation. Les franges obtenues, observées par un capteur optique (caméra CCD ou photomultiplicateur), sont directement représentatives du niveau de contrainte du verre car elles correspondent à l'alternance de la polarisation du rayon source. L'échantillon de verre agit, avec ce principe de mesure, comme analyseur.
Les deux principes d'analyse A et B permettent de caractériser la contrainte dans l'échantillon. Toutefois, le principe B est plus souvent utilisé sur des échantillons en laboratoire car plus facile à exploiter. Une réalisation d'un système de mesure G selon le principe B est décrite avec référence aux Fig.8 et 9, puis les quelques différences pour un système élaboré selon le principe A seront précisées.
Source de lumière En principe, toute source de lumière Q (Fig.8) avec des longueurs d'onde comprises dans la fenêtre optique du verre peut servir pour créer le faisceau incident de lumière polarisée. Toutefois, certains critères permettent d'accroître les performances du système :
• Une source de longueur d'onde courte permettra de bénéficier d'une plus grande quantité de lumière diffusée (effet de diffusion Rayleigh plus prononcé),
• Une source laser monochromatique permettra d'améliorer le rapport signal/bruit et d'éviter des effets de dispersion,
• Une source laser, qui émet d'office un faisceau presque parallèle et de petit diamètre, simplifiera une optique de focalisation OfI
(Fig.8) disposée entre la source Q et le ruban de verrel
• Une source laser peut émettre directement un rayon polarisé.
• Le rayon polarisé est modulé pour créer un décalage périodique de la phase. Chaque point de mesure dans l'échantillon varie son intensité de lumière diffusée selon la période de décalage. Cette mesure permet d'accroître la résolution spatiale de la mesure.
Une source adaptée pour le principe A se différencie par un rayon lumineux non polarisé alors qu'il est polarisé pour le principe B.
Détection
Un système optique DT pour analyser la lumière polarisée est confronté à deux exigences : 1. Etre maintenu à basse température dans l'environnement chaud d'une étenderie,
2. Permettre le filtrage spectral du signal pour éliminer le rayonnement thermique.
Protection thermique/filtrage du système de détection La protection du système optique DT de la chaleur régnant dans l'étenderie est efficacement obtenue en plaçant l'ensemble de ses composants dans une enceinte N (Fig.9) refroidie à l'eau avec un balayage par un débit d'air ou à l'azote évacué par le tube de visée T.
Le filtrage des rayons entrants pour éliminer le rayonnement thermique est réalisé en plusieurs étapes successives constituées par :
. Un filtre FL1 en verre sodo-calcique qui supprime les longueurs d'onde supérieures à 2.7 μm, . Un filtre IR 'short pass' (passe-bas) FL2 qui coupe le rayonnement à partir de la longueur d'onde à analyser (préférablement dans le visible).
. Un filtre 'long pass' (passe-haut) FL3 qui permet d'éliminer les longueurs d'onde inférieures à la longueur d'onde à analyser. . Un filtre monochromatique FL4 de grande précision (eg. largeur de bande filtrée dλ< 20 nm) adapté à la longueur d'onde à détecter.
Cette succession de filtres permet d'éliminer la plus grande partie du rayonnement thermique préjudiciable à la précision de la mesure.
Le signal est ensuite focalisé par une optique de focalisation Ofl2 sur le système de détection J, c'est à dire le capteur CCD ou CMOS d'une caméra de grande sensibilité capable de détecter de la lumière de très faible intensité
(efficacité quantique de capteurs élevée, faible « courant d'obscurité» ou 'dark current ').
La sensibilité du système de détection J peut encore être renforcée par la technique d'intermittence (faisant intervenir un hacheur ou « chopper »), avec l'élimination du bruit propre au système par un hacheur ou « chopper » optique, éventuellement combiné à une source intermittente.
Le signal obtenu est ensuite transmis à un système de traitement TR pour obtenir l'image de la modulation spatiale de la lumière émise par l'échantillon puis enfin, le champ de contrainte dans le verre correspondant à cette distribution de la lumière.
Un système de détection pour un équipement selon le principe A est conçu selon les mêmes critères et comprend la même succession de filtres. Une attention particulière est apportée au refroidissement des filtres qui doit être axisymétrique pour éviter toute création de contrainte membrane dans le matériau du filtre qui modifierait la polarisation du signal à analyser. De même, la qualité des filtres est ici plus importante pour éviter qu'ils n'induisent une distorsion de la polarisation du signal, car c'est cette polarisation qui est mesurée pour caractériser le niveau de contrainte. Pour cela, un analyseur de polarisation ANL (Fig.9) est ajouté par rapport à un équipement selon le principe B. Le signal obtenu est ensuite transmis à un système de traitement pour obtenir l'image de la distribution de la lumière polarisée en provenance de l'échantillon, puis enfin, le champ de contrainte dans le verre correspondant à cette distribution de la lumière polarisée.
Dans la configuration la plus simple d'analyse des contraintes par la lumière diffusée le faisceau pénètre par le bord d'un échantillon pour le traverser parallèlement à sa surface. Cette méthode n'est pas applicable sur un verre trempé en raison de la difficulté à prélever des échantillons. Dans ce cas (voir Fig.8), une variante est utilisée : le rayon incident M. pénètre la surface du verre 1 avec une inclinaison α par rapport à la surface du verre. La longueur du rayon dans l'échantillon dépend de cet angle d'inclinaison α, de la réfraction à la surface et de l'épaisseur de l'échantillon. On cherche à conserver une grande longueur du rayon dans le verre ce qui permet de conserver une bonne résolution spatiale.
Un prisme posé sur le verre permettrait d'obtenir ce faisceau incident sous un angle rasant dans le verre. Il éviterait la réflexion du faisceau à la surface du verre et permettrait de conserver la polarisation du faisceau au point d'entrée dans l'échantillon sans différence d'intensités entre sa composante verticale et sa composante horizontale telle qu'elle aurait été induite par le passage du rayon lumineux par une interface entre deux matières à indices de réfraction différents.
Il n'est généralement pas possible de déposer un prisme sur un ruban de verre en défilement dans une étenderie, ce qui rend la mesure plus difficile.
Le rayon incident M. forme, selon Fig.8, un angle α supérieur à 10° par rapport à la surface du verre pour limiter les pertes par réflexion. Le faisceau traverse ensuite l'épaisseur du verre sous un angle d'environ 40° ce qui limite la longueur de son trajet dans le verre. Le décalage des composantes verticales et horizontales du faisceau polarisé par les contraintes planes dans le verre devient faible. L'exploitation du signal statique devient sophistiquée car elle doit prendre en compte le couplage de la composante verticale et horizontale du faisceau polarisé dans le verre, la variation de la contrainte sur l'épaisseur, l'angle de la composante 'horizontale' et 'verticale' du faisceau par rapport à la contrainte plane (σx ou σy ), l'atténuation du signal sur son chemin pour sortir du verre. La modulation périodique de la polarisation du faisceau entrant permet de contourner cette exploitation sophistiquée. Elle permet de déterminer le décalage de phase entre deux points voisins sur le trajet du faisceau et d'en déduire la contrainte moyenne entre ces deux points. Malgré l'angle défavorable du faisceau à travers du verre, on conserve une bonne résolution spatiale de la mesure du profil dans l'épaisseur. L'intégration de la contrainte plane sur l'épaisseur donne ensuite la contrainte membrane dans la direction considérée.
Pour l'application de cette méthode dans une étenderie, il est donc primordial de créer un signal propre et sans perturbation par des rayons parasitaires. Dans les sections fermées de l'étenderie, la perturbation par la lumière ambiante est d'office exclue. Pour des sections ouvertes, une obscuration locale est réalisée, par exemple par des rideaux.
La perturbation par le rayonnement thermique dans l'étenderie est également à considérer. Pour une température de 6000C à l'entrée d'une étenderie, un environnement « corps noir » produirait un flux d'énergie totale hémisphérique de 33 kW/m2. Une caméra avec une aperture optique de 20mm de diamètre recevrait ainsi un flux thermique de rayonnement d'environ 10W à comparer aux 0.5W d'un laser de classe III utilisé comme source. Il est donc primordial de réduire le rayonnement thermique, d'où la nécessité de le filtrer avec le système FL1-FL4 décrit précédemment. A la sortie du système de filtration, le signal obtenu a une bande spectrale limitée à environ 20nm. Le flux d'énergie hémisphérique d'un corps noir à 600°C entre 500 et 520nm ne présente plus que 2.1μW/m2 et entre 400-420 nm plus que 2.5 nW/m2. La fraction qui entrera dans l'ouverture optique de la caméra est encore plus réduite. Elle correspond à un flux de 0.8 pW pour une aperture de 20mm de diamètre.
L'ordre de grandeur de l'atténuation de la lumière visible dans le verre sodo-calcique est de 60 dB/km. Elle est fonction de la longueur d'onde et de la qualité du verre. Sur une longueur de 1mm dans l'échantillon il ne reste plus que 6x105 dB/mm. A partir d'une source laser polarisée, pour un faisceau entré dans le verre ayant une puissance de 0.1 W, la quantité perdue par diffusion Rayleigh sur le premier mm s'élève à 1.4μW. Si on suppose que 0.1% de cette lumière diffusée est capté, le système de détection reçoit un flux de 1.4nW. Cette valeur étant 3 fois supérieure au 0.8 pW de flux résiduel du rayonnement thermique après filtrage, le signal peut donc être exploité convenablement.
L'équipement de mesure sans contact de l'invention permet notamment de mesurer toutes les trois composantes σx,σy,σz, de déterminer les contraintes principales, à tout point du ruban dans une étenderie de verre plat et d'identifier ainsi les endroits critiques et optimiser le réglage du refroidissement. On peut, bien entendu, tracer les deux profils classiques comme 'contrainte plane profil vertical' et 'contrainte membrane σx profil latéral'. En supplément à l'état de l'art, on mesure ces profils au sein de l'étenderie et obtient donc une mesure directe de la contrainte totale et temporaire.
L'équipement de mesure permet la mesure des composantes des contraintes dans différentes orientations pour en déduire les contraintes principales orthogonales. Les mesures de contraintes effectuées selon la direction longitudinale du ruban de verre sont utilisées pour l'ajustement de la distribution du chauffage et/ou de la distribution du refroidissement sur la longueur du ruban.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de production de verre plat comprenant un four de fusion et d'affinage suivi d'un dispositif de formage d'un ruban de verre plat et d'une étenderie, et comportant un équipement de mesure en ligne et sans contact des contraintes dans le ruban de verre, caractérisée en ce que l'équipement de mesure (G) en ligne des contraintes est implanté dans l'étenderie (K), et comprend un émetteur de lumière (Q) qui dirige un faisceau lumineux sur le ruban de verre, un moyen récepteur et d'analyse de la lumière diffusée dans différentes directions de l'espace résultant de l'interaction du faisceau avec le verre et des moyens de filtrage spectral des rayons entrants dans le système optique (DT) de l'équipement de mesure (G) pour éliminer le rayonnement thermique préjudiciable à la précision de la mesure.
2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'équipement de mesure (G) utilise l'effet de la diffusion élastique de la lumière, appelée « diffusion Rayleigh » ou l'effet de l'interaction de la lumière avec les phonons, appelée « diffusion Brillouin ou Raman ».
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une caméra CCD pour la mesure et l'analyse de la lumière diffusée.
4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'équipement de mesure permet la caractérisation d'un ruban de verre allongé en défilement longitudinal pour tracer les profils verticaux des contraintes planes et les profils latéraux ou longitudinaux des contraintes membranes à différentes positions dans l'étenderie.
5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'équipement de mesure permet la mesure des composantes des contraintes dans différentes orientations pour en déduire les contraintes principales orthogonales.
6. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comporte un système de contrôle (13,14) qui exploite l'information délivrée par l'équipement de mesure (G) pour ajuster automatiquement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie par l'intermédiaire d'une boucle de régulation.
7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la combinaison du système de contrôle (13,14) et de l'équipement de mesure (G) est prévue pour permettre d'ajuster rapidement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie (K) de sorte que le niveau de contrainte totale reste inférieur à une valeur déterminée permettant d'éviter la casse du verre ou des déformations du ruban perpendiculaires au plan du ruban et que le niveau de contrainte permanente reste inférieur à une valeur déterminée permettant le traitement ultérieur du verre.
8. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'un système de déplacement transversal (11) de l'équipement de mesure permet de mesurer les niveaux de contrainte sur la largeur du ruban.
9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les mesures de contraintes effectuées selon la largeur du ruban de verre sont utilisées pour l'ajustement de la distribution du chauffage sur la largeur du ruban et/ou l'ajustement de la distribution du refroidissement sur la largeur du ruban.
10. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'un système de déplacement longitudinal de l'équipement de mesure permet de mesurer les niveaux de contrainte sur la longueur du ruban.
11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les mesures de contraintes effectuées selon la direction longitudinale du ruban de verre sont utilisées pour l'ajustement de la distribution du chauffage et/ou de la distribution du refroidissement sur la longueur du ruban.
12. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un modèle mathématique (16) de fonctionnement du four est établi et utilisé pour définir les consignes optimums à appliquer à l'étenderie, en fonction des mesures effectuées, afin d'obtenir le niveau de contrainte souhaité.
13. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de refroidissement de l'équipement de mesure (G) pour mise en place dans une zone à température relativement élevée de l'étenderie.
14. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle le système optique (DT) comporte un tube de visée, caractérisée en ce qu'elle comporte un hacheur optique après le tube de visée.
15. Equipement pour une installation de production de verre plat selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour mesure en ligne et sans contact, dans l'étenderie, des contraintes dans le ruban de verre, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur de lumière (Q) qui dirige un faisceau lumineux sur le ruban de verre, et un moyen récepteur et d'analyse (DT) de la lumière diffusée dans différentes directions de l'espace résultant de l'interaction du faisceau avec le verre.
16. Equipement selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il utilise l'effet de la diffusion élastique de la lumière, appelée « diffusion Rayleigh » ou l'effet de l'interaction de la lumière avec les phonons, appelée « diffusion Brillouin ou Raman ».
17. Equipement selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce qu'il comporte une caméra CCD pour la mesure et l'analyse de la lumière diffusée.
18. Procédé de conduite d'une étenderie de recuisson de verre plat dans une installation de production de verre plat selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'une mesure en continu de la contrainte du ruban de verre est réalisée par un équipement de mesure installé dans l'étenderie, et est utilisée pour ajuster automatiquement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie par l'intermédiaire d'une boucle de régulation.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'une combinaison du système de contrôle de l'étenderie et de l'équipement de mesure de la contrainte est prévue pour permettre d'ajuster rapidement les paramètres de fonctionnement de l'étenderie de sorte que le niveau de contrainte totale dans le ruban de verre reste inférieur à une valeur déterminée permettant d'éviter la casse du verre ou des déformations du ruban perpendiculaires au plan du ruban, et que le niveau de contrainte permanente reste inférieur à une valeur déterminée permettant le traitement ultérieur du verre.
20. Procédé selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que des mesures de contrainte sont effectuées selon la largeur du ruban de verre et sont utilisées pour l'ajustement de la distribution du chauffage sur la largeur du ruban et/ou l'ajustement de la distribution du refroidissement sur la largeur du ruban.
21. Procédé selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce qu'un modèle mathématique de fonctionnement de l'étenderie est établi et utilisé pour définir les consignes optimums à appliquer à l'étenderie, en fonction des mesures effectuées, afin d'obtenir le niveau de température et contrainte souhaité.
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