EP2321232A2 - Unite et procede de traitements de surface de verre plat avec conditionnement thermique du verre - Google Patents

Unite et procede de traitements de surface de verre plat avec conditionnement thermique du verre

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Publication number
EP2321232A2
EP2321232A2 EP09784299A EP09784299A EP2321232A2 EP 2321232 A2 EP2321232 A2 EP 2321232A2 EP 09784299 A EP09784299 A EP 09784299A EP 09784299 A EP09784299 A EP 09784299A EP 2321232 A2 EP2321232 A2 EP 2321232A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
glass
face
temperature
treated
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09784299A
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 EP2321232A2 publication Critical patent/EP2321232A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B18/00—Shaping glass in contact with the surface of a liquid
    • C03B18/02—Forming sheets
    • C03B18/14—Changing the surface of the glass ribbon, e.g. roughening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/02—Re-forming glass sheets
    • 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
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B29/00—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins
    • C03B29/04—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins in a continuous way
    • C03B29/06—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins in a continuous way with horizontal displacement of the products
    • C03B29/08—Glass sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B32/00—Thermal after-treatment of glass products not provided for in groups C03B19/00, C03B25/00 - C03B31/00 or C03B37/00, e.g. crystallisation, eliminating gas inclusions or other impurities; Hot-pressing vitrified, non-porous, shaped glass products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C17/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C17/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating
    • C03C17/001—General methods for coating; Devices therefor
    • C03C17/002—General methods for coating; Devices therefor for flat glass, e.g. float glass

Definitions

  • the invention relates to a unit for flat glass surface treatments, in particular in the form of a ribbon or a plate, with a thermal conditioning of the glass making it possible to increase the temperature of one of the faces of the glass. at the required temperatures and for the times necessary to obtain effective treatments of its surface, in particular by changes in the chemical, optical or mechanical properties or the deposition of one or more thin layers.
  • This conditioning of the glass is implemented on a glass ribbon produced continuously by the float glass process, the rolling process or the drawing process. It is also used in processes for treating glass plates whether in scrolling or in batch mode.
  • the glass may have been previously treated, for example by the deposition of a layer made in the tin bath.
  • the invention relates more particularly, but not exclusively, to a processing unit for the manufacture of flat glass for architecture, automotive or solar applications.
  • the surface treatment is performed on the upper face.
  • the face to be treated can indifferently be the upper or lower face or both.
  • Modifications of the optical or mechanical properties of the glass surface may be obtained by a method of producing a structure using an engraving roller on one side of a glass ribbon.
  • Other applications require the transformation of the mechanical, chemical or optical properties of glass by methods of changing chemical and structural composition in a limited depth of the glass.
  • the main processes used at atmospheric pressure for the deposition of thin films are CVD (pyrolysis deposition of a vapor - chemical vapor deposition), flame CVD, atmospheric plasma, SP (pyrolysis of a fog - spray pyrolysis ). These processes can heat or cool the glass surface to varying degrees. Pyrolysis processes require a high glass temperature to achieve reagent decomposition and layer formation. They are therefore particularly suitable when the flat glass is still at elevated temperature during its manufacture or during its transformation (tempering glass for example).
  • the manufacture of float glass involves the forming of the glass ribbon on a bath of liquid tin from a temperature of 1000 ° C. to a temperature of about 620 ° C. for soda-lime glass.
  • the forming of the ribbon at a constant thickness and width stops at about 800 ° C. Below this temperature, the geometry of the ribbon remains stable and controlled cooling of the ribbon is continued on the tin.
  • a maximum temperature of 620 0 C slightly lifts the tape by mechanical rollers out of the bath to pass in a lehr. In this drying room, the ribbon is cooled from 620 ° C. to about 50 ° C. before being cut into panels.
  • the maximum temperature of approximately 620 ° C., equivalent to a viscosity of approximately 2.3 ⁇ 10 10 dPas, makes it possible to obtain a quality in accordance with EN or ASTM standards.
  • the bath outlet temperature may be higher.
  • the maximum temperature at the outlet of the bath may also be different.
  • Part of the CVD processes are installed in the tin baths so as to benefit from a high temperature of the glass favorable to the deposit, despite the difficult accessibility of the surface of the ribbon.
  • the tin bath is protected by a reducing atmosphere consisting of an N2 + H2 mixture for prevent the oxidation of liquid tin.
  • This atmosphere promotes the deposition of layers requiring a reducing atmosphere such as metal layers.
  • Other methods, for example SP, can not be used in the tin bath because they pollute the atmosphere above the bath.
  • the atmosphere is air and the transport of the ribbon usually takes place on rollers.
  • the surface of the glass is thus more easily accessible for a deposition process. All the SP systems and part of the CVD processes are thus installed in the initial section of the cabinets in which the temperature of the glass is limited to a maximum value of 620 ° C.
  • the temperature of the ribbon surface plays a key role in the efficiency and quality of the pyrolytic deposition and surface transformation processes, for example by diffusion.
  • standard pyrolytic CVD treatment consists of a deposition of a thin layer of amorphous Si used as a reflective layer in the architecture.
  • the deposition is carried out by decomposition of the silane gas.
  • the kinetics of the pyrolytic decomposition of the silane is slow for temperatures ⁇ 650 ° C. and is only very partial at temperatures below 610 ° C.
  • the limited temperature of the glass in a drying rack considerably reduces the efficiency of the deposition process.
  • the cooled reactor being very close to the glass, it also leads to a thermal loss thereof.
  • the SP treatment cools the glass ribbon more than the CVD process, which causes glass deformation problems when its temperature drops locally below about 570 ° C. for soda-lime glass. This low temperature also leads to a decrease in the reagent decomposition yield and a poor adhesion of the layer.
  • Processes for transforming the surface of the glass for example to obtain diffusion coloration of the coloring ions in the glass or chemical or mechanical curing by alumina diffusion, require a high glass temperature.
  • An electric field can also be implemented so as to promote the diffusion of ions in a deposited layer and / or in the glass.
  • the deposition of the chemical species on the glass surface can be achieved by various processes such as the creation of nanoparticles in a flame or by the decomposition of a reagent present in a CVD reactor.
  • the diffusion rate of the elements in the glass is directly related to the temperature. This is limited in the drying rack so that the glass remains below about 620 ° C. for soda-lime glass.
  • U.S. Patent 4,536,204 discloses heating the tape on the upper side before coating so as to reduce temperature heterogeneity across the width of the tape. Radiative heating means are implemented. However, the thermal flux injected into glass must remain limited so as to avoid exceeding the maximum permissible temperature. The temperature level reached on the upper face and the temperature holding time are therefore limited.
  • U.S. Patent 4,022,601 discloses a coating device SP placed between the tin bath and the lehr.
  • the maximum permissible temperature for the glass produced and the required quality level is 649 ° C at the outlet of the bath.
  • the coating device inducing a strong cooling of the glass, a heating device is located on the upper face just upstream of the coating device so as to compensate for this cooling and return the glass to its initial temperature.
  • a second heating means placed on the lower face at the level of the coating device makes it possible to compensate for the cooling induced by the coating process in order to avoid the deformation that would result from the beginning of the setting of the glass.
  • This invention does not allow the glass to be brought to a temperature higher than that which it has at the exit of the bath.
  • the object of the invention is, above all, to make it possible to raise the temperature of the face to be treated with glass for greater efficiency of the processes described above, without causing deformation and / or marking of the glass by the means of support placed on the opposite side to that treated, including support rollers.
  • the invention consists mainly of a flat glass surface treatment unit, in particular in the form of a ribbon or a plate, in particular by modifications of the chemical, optical or mechanical or by deposition of one or more thin layers, characterized in that it comprises means for heating and cooling to create a controlled temperature gradient in the thickness of the glass, heating means of the face to be treated for that it is always at the required temperatures and for the times necessary to obtain effective treatments of its surface and cooling means of the opposite face so that this opposite face is at a viscosity of between 10 13 dPas and 2.3 x 10 10 dPas, preferably about 1.9x10 12 dPas.
  • the unit comprises successively: an initialization zone with means for heating the face to be treated and means for cooling the opposite face to reach the temperatures targeted opposite to be treated and opposite side,
  • the length of the initialization zone to reach the target temperatures in front to treat and opposite face can be determined so that the number of Peclet Pe
  • the unit can integrate one or more successive treatment devices placed on the same face or on the opposite faces of the glass.
  • the flat glass surface treatment unit comprises cooling means for maintaining the opposite face at a temperature which makes it possible to avoid the marking of the glass by the support means and / or the deformation glass for lack of mechanical strength, while avoiding the freezing of the glass that would result from excessive cooling.
  • the invention also consists of a flat glass surface treatment process, in particular in the form of a ribbon or a plate, in particular by modifications of the chemical, optical or mechanical properties or by deposition of one or more thin layers characterized in that a controlled temperature gradient is created in the thickness of the glass by means of heating the face to be treated so that it is always at the required temperatures and for the times necessary to obtain treatments. effective from its surface and by cooling means of the opposite face so that this opposite face is at a viscosity between
  • the face to be treated in an initialization zone, the face to be treated is heated and the opposite face is cooled to reach the temperatures targeted opposite to be treated and opposite face,
  • the face to be treated in a treatment zone the face to be treated is heated and undergoes a treatment, while the face opposite to that treated is cooled, in a homogenization zone, the face opposite to that which has been treated is cooled.
  • the heat fluxes, positive and negative, on both sides are not balanced, which makes it possible to slightly increase the average temperature of the ribbon.
  • the heating and cooling can be balanced on both sides, which allows to maintain a stable temperature gradient across the glass ribbon.
  • the opposite face is maintained at a temperature which makes it possible to prevent the glass from being marked by the support means and / or the deformation of the glass by lack of mechanical strength, while avoiding the freezing of the glass which would result from a excessive cooling.
  • the implementation of the invention makes it possible to increase the temperatures at which the surface treatments will be carried out so as to improve their performance. This temperature increase can be carried out briefly when it is necessary to carry out a short-term treatment or it can be maintained over a longer period when the surface treatment requires it.
  • This increase in temperature is made possible by the simultaneous cooling obtained opposite face to the face to be treated according to the invention.
  • This simultaneous cooling makes it possible to limit the temperature of the opposite face so as to limit the marking and the collapse of the glass. It must be controlled so as to avoid a lack of flatness caused by partial freezing of the glass.
  • the method according to the invention is also characterized in that the thermal conditioning of the glass is carried out before and / or after the treatment device. It can also be applied during treatment.
  • the treatment device may include heating and / or cooling means.
  • the method according to the invention is also characterized in that the temperature of the upper face of the glass is adapted along the treatment unit so as to optimize the treatments performed. Depending on the nature of the treatment, the upper face is brought to the target temperature and maintained at this temperature for the time necessary for carrying out the treatment.
  • Heating on the upper face and cooling on the opposite side leads to a large temperature gradient in the glass.
  • temperature homogenization is favored in the thickness of the glass, for example by means of a cooling of the upper face, so as to find the usual thermal conditions at the outlet of the treatment unit and in the entrance of lehr.
  • the glass has not reached its usual temperature at the lehr end at the outlet of the treatment unit.
  • adaptation of the initial cooling of the drying rack is necessary, for example by means of a reinforced upper cooling and / or by an extension of the first zone.
  • the temperature at which the ribbon surface is carried is adapted along the thermal conditioning unit so as to optimize the efficiency of the treatment, the temperature of the face to be treated being greater than 620.degree. 0 C while ensuring that the temperature of the face Opposite remains in the recommended temperature range, between 55O 0 C and 620 0 C for soda-lime glass.
  • the viscosity of the face to be treated will be greater than about 2.3 x 10 10 dPas while ensuring that the temperature of the opposite face remains within the recommended viscosity range, between about 10 13 dPas and 2.3 x 10 10 dPas.
  • the temperature of the face to be treated is alternated at a point on the glass between a high value and a low value around an average temperature while maintaining the opposite side at a temperature of about 570 0 C for soda-lime glass, corresponding to a viscosity of about 1.9 x 10 12 dPas.
  • This embodiment makes it possible to reinforce the diffusion treatments in the thickness of the glass when this diffusion follows an Arrhenius-type law because the temperature peaks lead to a greater diffusion than a simple maintenance at the average temperature.
  • the method according to the invention is also characterized in that the processing unit integrates one or more successive devices for processing the glass, for example to perform a stack of different layers, to combine a layer with a diffusion process, or to realize a single layer of great thickness.
  • These successive devices of treatments can be of different natures, like a SP followed by a CVD then a CVD by flame.
  • This unit of surface treatments according to the invention makes it possible to produce in the unit the treatments usually carried out in the tin bath or in the lehr. It also makes it possible to overcome current constraints by allowing to reverse the order in which the processes are implemented. It is indeed possible to perform SP treatment first and then a high temperature CVD treatment, as performed in the tin bath, whereas this was not possible before because the implementation of an SP in the bath is excluded.
  • the method according to the invention makes it possible to place treatment devices on one side or on both sides of the glass.
  • the implementation of treatments on both sides allows for example to combine a functional layer on one side, for example anti-reflection, and a transparent electrically conductive layer on the opposite face.
  • the nature and order of the treatment processes used will be adapted to the result targeted by the glass treatment.
  • the thermal requirements of the different treatments may be different, which leads to modulating the heat flux imposed on both sides of the glass.
  • the modulation of the flow on the face to be treated makes it possible to obtain the required temperature for each of the treatments. For example, it will be necessary to heat more intensively upstream and downstream of an SP.
  • the method according to the invention is also characterized in that the temperature of the upper face of the glass is adapted along the thermal conditioning unit so as to optimize each successive treatment.
  • the process according to the invention is also characterized in that the temperature of the face to be treated is greater than 620 ° C., preferably greater than 640 ° C., and that of the opposite face of the glass is between 550 ° C. and 620 ° C. ° C in the thermal conditioning unit in the case of a soda-lime glass supported by mechanical means such as rollers.
  • a cooling of the treated face is also performed after the treatment so as to evacuate more calories.
  • the heating means according to the invention makes it possible to obtain a transverse temperature profile with an alternation between different temperature levels.
  • the cooling intensity of the lower face is also transversely adapted.
  • These different temperature levels on the upper face make it possible to obtain a variation on the width of the glass of the thickness of a deposit, the importance of diffusion or any other modification.
  • the chemical composition, the pressure and the temperature of the atmosphere inside the treatment unit are adapted to each processing implemented.
  • a reducing atmosphere is necessary for the deposition of certain layers, such as metal layers.
  • the pressure in the unit may be higher or lower than the atmospheric pressure depending on the species present in the treatment unit.
  • the processing unit may comprise sections in which the atmosphere is different so as to be adapted for the processing performed in each section.
  • the atmosphere present in the treatment unit can come from the tin bath, after a possible filtering.
  • the atmosphere inside the treatment unit must be free of dust which may require filtering of the injected gases.
  • the treatment unit according to the invention is placed between the bath outlet and the lehr or integrated at the beginning of lehr. It can be separated or contiguous to the bath of tin and / or the lehr.
  • the treatment unit according to the invention makes it possible to treat a wide range of glass thicknesses, for example from 2 to 25 mm.
  • the variety of possible treatments therefore requires a thermal dimensioning adapted to achieve the desired result while avoiding overheating of the glass, an installation too large or excessive energy consumption.
  • a method according to the invention allows a quick and easy way to determine the optimum conditions for heating and cooling the ribbon to be printed at different depths for a wide range of float glass production. It will be described for an exemplary embodiment.
  • the invention consists, apart from the arrangements described above, in a certain number of other arrangements which will be more explicitly discussed hereinafter with regard to exemplary embodiments for soda-lime glass described with reference to the appended drawings. but which are in no way limiting. On these drawings:
  • - Fig. 1 is a schematic longitudinal section of a float glass production line, implementing the method of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view on a larger scale of a portion of FIG. 1 showing in greater detail the thermal conditioning unit -
  • FIG. 3 is a diagram representing ordinate ribbon temperatures as a function of the longitudinal position on the abscissa in the case of a constant treatment temperature.
  • Fig. 4 is a diagram showing ordinate ribbon temperatures as a function of the position in the abscissa thickness in the case of a constant treatment temperature.
  • - Fig.5 is a longitudinal section of a processing unit according to the invention comprising 4 successive treatment devices in the upper face.
  • FIG. 6 is a diagram showing the absorption spectrum of a clear soda-lime float glass and the spectrum of a black body.
  • Fig. 7 is a diagram showing ordinate ribbon temperatures as a function of the longitudinal position on the abscissa in the case of a modulated treatment temperature with the implementation of 4 CVD reactors, 3 on the upper face and 1 on the lower face.
  • a temperature of about 620 0 C is the upper limit to avoid the marking of the tape by the support rollers or the slump between the rollers.
  • the maximum permissible temperature is lower, of the order of 580 ° C.
  • a temperature of about 570 0 C is the low limit from which the glass begins to congeal.
  • the invention provides to maintain the opposite side in contact with the rolls at a temperature of between 550 c C and 620 0 C for soda-lime glass.
  • the sagging and deformation between the rolls is a function of the temperature of the glass.
  • a homogeneous temperature of about 620 ° C. for soda-lime glass has the upper limit from which a significant slump of the glass is observed for a distance between rolls of 500 mm, a standard distance in a drying rack.
  • Levitation tables are also used for the transport of glass. The absence of mechanical contact may allow a temperature slightly above 620 ° C. However, the drop in viscosity leads rapidly to a lower mechanical strength of the glass.
  • a temperature of about 620 ° C. therefore has the upper limit of a soda-lime glass in a flat glass heat treatment system with mechanical transport.
  • the invention provides for increasing the temperature of the face to be treated, for example at 650 ° C.
  • a heater placed just upstream of the CVD reactor makes it possible to increase the temperature of the upper face, more generally the face to be treated, of the glass without this leading to an increase in temperature of the opposite face.
  • This heat flow must be rapidly evacuated after the CVD reactor so as not to exceed the maximum admissible temperature on the lower face.
  • a cooling of the treated face may be performed after the reactor.
  • the invention provides for a cooling of the opposite face to maintain it at a temperature which makes it possible to prevent the glass from being marked by the support means and / or the deformation of the glass due to a lack of mechanical strength, while avoiding the freezing of the glass. result from excessive cooling.
  • FIG.1 of the drawings there is shown a first embodiment of the invention, schematically shown, a glass ribbon production facility according to the float glass method.
  • the installation comprises a furnace 1 in which is introduced the raw material, sand, flux, cullet, etc., used for the manufacture of glass.
  • a pasty glass ribbon B comes out of the oven 1 while being supported by a molten tin bath 2 occupying the lower part of a flotation chamber 3 under a reducing atmosphere, in particular a nitrogen and hydrogen atmosphere. .
  • the forming of the glass on the tin bath takes place at a temperature of between approximately 1000 ° C. and 600 ° C.
  • the glass ribbon B is lifted from the tin bath and passes into the "drossbox" DB (or bath outlet) on rollers 4 called “LOR rollers” (Lift Out Rollers). ).
  • the ribbon B then passes through a space 5 in the open air, over a length of a few tens of centimeters. This space is sometimes closed and provided with means for evacuating gas from the tin bath.
  • the ribbon B then enters a unit A of surface treatments according to the invention. This comprises rollers 6 as a means for transporting the glass, a heating device 7 and a treatment unit 8 on the upper face of the glass, and a cooling device 9 on the lower face, with the opposite of the heating device 7. E devices placed at the inlet and outlet of the processing unit 8 can limit thermal losses and the exchange of atmospheres.
  • the glass enters the lehr L. Throughout the lehr the glass ribbon is supported horizontally by rollers 10 driven in rotation at the feed speed of the ribbon. An adjustable tensile force F is exerted on the ribbon B. The intensity of the traction F makes it possible to act on the forming of the ribbon B in the tin bath 3. Chillers K are provided above and below ribbon. The data taken into account for this example of realization is the following ones:
  • the surface treatment is carried out after the LOR rollers 4 but before the beginning of the annealing of the ribbon, the glass being at a temperature of 610 ° C.,
  • the surface treatment requires heating the upper face at a temperature of 650 ° C.
  • the surface treatment requires a maintenance of this temperature for 12 seconds, corresponding to a length of 3m to 15m / min.
  • the surface treatment system has no impact on the thermal ribbon, that is to say, it does not change the temperature of the ribbon.
  • Other exemplary embodiments given below will make it possible to treat the case where the surface treatment system has an impact on the thermal of the ribbon.
  • FIG. 2 a heating and cooling system is designed according to the invention as follows, shown in FIG. 2:
  • a homogenization zone 13 follows the holding zone 12.
  • Figure 3 shows the temperature profiles in the glass ribbon, with the Tsup curves for the upper surface temperature, Tinf for the lower surface temperature, Tcentre for the center temperature.
  • the temperature in 0 C is plotted on the ordinate, and the position in meters is plotted on the abscissa.
  • the heat flow of the reinforced heating at the beginning of the conditioning serves to establish more quickly a temperature gradient in the ribbon.
  • the thermal fluxes, positive and negative, on both sides are not balanced in this section which allows to slightly increase the average temperature of the ribbon.
  • the desired temperature of 650 ° C. is rapidly obtained on the surface of the ribbon.
  • the cooling prevents the increase in the temperature of the underside above 620 0 C, critical temperature for the marking of the tape by the rollers.
  • the temperature on the underside falls to about 580 0 C. This temperature is still sufficient to avoid early solidification of the strip with the risk of deformation.
  • the heating and cooling are then balanced on both sides over a distance of 3.1 m, between the positions 0.7 m and 3.8 m, which allows to maintain a stable temperature gradient through the glass ribbon. Throughout the surface treatment process, a temperature of 650 ° C is maintained at the top face and 580 ° C at the bottom face.
  • the heating of the upper face is stopped while maintaining the cooling so as to homogenize the temperature of the ribbon in its thickness (homogenization zone).
  • the temperature of the upper face therefore decreases rapidly even without cooling of the upper face due to the heat diffusion depth of the ribbon. Cooling of this upper face would accelerate this temperature homogenization. Cooling continues on the underside to the 4.8 m position. Of In this way, the average temperature of the ribbon is lowered, which makes it possible to recover the initial temperatures of the ribbon at approximately 7m before the thermal conditioning according to the invention is implemented.
  • the thermal conditioning unit can end at a position of 3.8m if the first zone of the lehr is thermally adapted.
  • the diagram in FIG. 4 shows the evolution of the vertical temperature profile of the ribbon along the thermal conditioning zone.
  • the temperature is plotted on the ordinate, and the position in the thickness is plotted on the abscissa.
  • the solid curve corresponds to the profile at the 0.7m position in the unit
  • the dotted line corresponds to the profile at the 1m position
  • the dashed line at the 3.8m position.
  • the temperature of 650 0 C is reached with a still curved profile which linearizes quickly.
  • the temperature profile is still slightly curved.
  • the profile is linear.
  • the surface treatment of glass can already start at the 0.7m position because the target temperature is reached.
  • the active conductivity of a clear soda-lime float glass was determined in the range of 600-700 ° C. by a linear approximation:
  • a nondimensional number called "number of Peclet” makes it possible to determine the optimal conditions for a thermal diffusion process combined with a mass transport such as that implemented according to the invention for heating the glass in displacement.
  • the direction of diffusion of the temperature is perpendicular to the mass transport direction corresponding to the scrolling of the ribbon. This feature requires a redefinition of the number of classic Péclet using a one-dimensional approach with the same direction of diffusion and transport.
  • This redefinition is based on 2 characteristic times, the characteristic time for the diffusion of the heat in depth and the characteristic time for the horizontal transport of the glass.
  • the length of the initialization zone is such that the number of Peclet is between 0.5 and 15 and favorably between 3 and 5.
  • the thermal profile is thus sufficiently established in depth to ensure good temperature stability on the lower and upper faces. .
  • the length of the initialization zone was determined at 0.7 m based on a Peclet number of 3.
  • Figure 4 shows that this length leads to a temperature profile in the glass thickness with good heat diffusion in depth at the 0.7m position. It is therefore possible to start the targeted treatment.
  • the heat flow to be injected into the initialization zone is easy to estimate.
  • the average temperature between the initial temperature of the glass and the target surface temperature is calculated. Then, with the speed, the density and the specific heat of the glass, one calculates the flow of energy necessary to reach this average temperature.
  • the division of this stream by the length of the initialization zone gives the thermal flux density to be injected into the glass.
  • the same reasoning is used to determine the thermal flux density of the cooling of the lower face in the initialization zone.
  • the same method is then used to dimension the length and the flows of the successive thermal conditioning zones of the treatment unit.
  • FIG. 5 shows a processing unit comprising a thermal initialisation zone 11, a treatment zone 12 and a thermal homogenization zone 13.
  • the initialization zone 11 includes a combustion heater 11a.
  • the treatment zone 12 comprises: - above the glass ribbon supported by rollers, successively, a plasma treatment unit 12b1, a unit (or reactor) CVD 12b2 and a unit SP 12b3, a flame CVD unit 12b4, - Then, for the treatment of the underside of the ribbon, below the latter, a CVD unit 12b5 with levitation means by blowing a gas under the ribbon to support it in the absence of rollers.
  • heating means 12a for example radiative by infrared or microwave.
  • Cooling devices 11b in particular by blowing air, are provided on the face opposite to that treated.
  • the homogenization zone 13 comprises a water chiller 13b with insulation, followed by a device 13c with upper and lower transverse beams provided with thermocouple means for measuring the temperature of the ribbon.
  • the surface temperature of the treated face is adjusted along the length of the zone according to the invention to optimize each treatment, the temperature of the lower face being maintained in the target range, between 550 ° C. and 620 ° C. for soda-lime glass.
  • This adjustment of the temperature is carried out by means of heating, equalizing, or cooling depending on whether it is necessary to heat, equalize or cool the upper face of the glass as a function of the temperature at the outlet of the treatment preceding and the one referred to at the entry of the next treatment.
  • This FIG. 5 shows the temperature measuring means 14, for example by optical pyrometry or using thermocouples integrated in the depositing equipment.
  • the cooling air preheated by the tape could be resumed for combustion of the melting furnace. Depending on the nature of the ribbon processing gases, these may be filtered and / or resumed by the combustion of the melting furnace.
  • Heating methods can be classified into surface methods, particularly suitable for injecting heat through the surface, and into known volume methods for their ability to heat materials in volume.
  • Radiation radiation absorption heating in the opaque spectrum of glass
  • eg electrical resistance e.g electrical resistance, radiant flame or laser
  • Hot air convection and conduction on the glass surface
  • Hot gas radiation, convection and conduction of a combustion
  • Plasma ionized gas in contact with the glass sheet.
  • Microwaves dielectric heating
  • Induction heating by dissipation of electric currents
  • Radiation with wavelengths corresponding to an optical thickness of about 1 depending on the nature and thickness of the glass.
  • the volume heating means have the advantage of being able to achieve a heat "reserve” under the treated surface with a non-linear temperature profile in the thickness of the glass. This will limit the drop in surface temperature of the treated face during a cooling treatment thereof. Simultaneously, the cooling of the lower face keeps it at the target temperature.
  • An electrically conductive coating, a reflective or low emissive coating leads to the reflection of infrared radiation. It would therefore be possible to effectively heat the glass with infrared radiation through the coated side.
  • the heating of the glass or the layer may be achieved by radiation if it is of a different length, for example microwave or induction.
  • the heating means used may also be convective.
  • the heating means may also be selected so as to exploit the properties of previously deposited layers.
  • induction heating will mainly heat a conductive layer, for example metal.
  • the heating means may make it possible to obtain a particular temperature transverse profile, for example an alternation between two temperature levels so as to create a treatment of variable intensity over the width of the glass.
  • the face heating means may comprise a burner ramp extending transversely across the width of the ribbon and whose flames are directed at the engraving side of the ribbon.
  • the heating and cooling means of the upper face of the glass can be integrated in the treatment units.
  • the cooling means may be a radiative means, for example formed by a tube extending transversely across the width of the glass and internally traversed by a cooling fluid, in particular air or water, this tube being located at near the treated side.
  • the cooling means can also be a convective means by blowing a gas on the glass. This gas may be different or identical to that present in the treatment unit.
  • the method according to the invention is also characterized in that the cooling means of the lower face of the glass does not lead to excessive cooling of the mechanical glass support equipment.
  • a cooling of a face When a cooling of a face is necessary, it can be obtained by a cooling device or a natural cooling related to the design of the enclosure of the surface treatment unit. For example, a low thermal insulation of the enclosure or the opening of traps can promote a natural cooling of the glass.
  • FIG. 6 shows, in solid line, the absorption spectrum of a clear soda-lime float glass, 4 mm thick, and in dash the spectrum of a black body at 825 ° C.
  • the wavelengths expressed in micrometers are reported in abscissa.
  • the optical thickness is plotted on the ordinate on the left scale, while the black body radiation expressed in W / m 2 ⁇ m is plotted on the ordinate on the right scale.
  • the radiation of a black emitter will be essentially absorbed by the glass surface for wavelengths above 2.7 ⁇ m.
  • the calculation of a radiative exchange between two infinite plates makes it possible to find the conditions necessary to transmit the net thermal radiation of 25 kW / m 2 required under stabilized conditions according to the first exemplary embodiment.
  • the black transmitter must have a surface temperature of 825 ° C. At this temperature, it also emits 22 kW / m 2 in the optical window of the glass. This radiation passes through the ribbon and heats the rollers and other equipment underneath.
  • a black or gray emitter is therefore only partially suitable for heating the surface of the glass. It is better to use a spectral emitter with a reduction of emissions below 2.7mum.
  • Another solution lies in the use of convective heating with air or low emission fumes.
  • FIG. 7 represents a thermal simulation of another exemplary embodiment according to the invention with three CVD reactors placed on the upper face and a CVD reactor placed on the lower face.
  • the float glass ribbon has a thickness of 3 mm and a speed of 15m / min.
  • the glass is of the clear soda-lime type.
  • the reactors are 800 mm in length and cause heat loss at the surface of the tape which varies between 25 kW / m 2 at the reactor start to finish at 10 kW / m 2.
  • the position expressed in meters following the treatment unit is plotted on the abscissa, while the temperature in 0 C is plotted on the ordinate.
  • the curve in solid line corresponds to the temperature of the upper face of the glass ribbon, that in thick dashes corresponds to the temperature of the lower face, and the dotted intermediate corresponds to the temperature of the center of the ribbon.
  • An initialization zone makes it possible to establish the thermal gradient in the thickness of the glass, as described in the first exemplary embodiment. Then, to anticipate the thermal loss of the CVD reactors, short-term heating is applied upstream of each reactor. This heating makes it possible to wear the face to be treated at a temperature of approximately 750 ° C. so that the temperature of the glass surface at the central position of the reactor remains greater than 650 ° C.
  • the position of the first reactor (length 0.8 m ) is between 1m (start of reactor) and 1.8m (end of reactor) as indicated in Figure 7.
  • the other reactors are at equivalent positions after short-time heating.
  • the upper face is now at a temperature of about 580 0 C and thus ensures the mechanical stability of the tape.
  • the bottom surface must be heated to about 750 0 C for the treatment to be performed and then cooled.
  • the usual distance available between two support rollers is insufficient to effect this heating, treatment and cooling of the glass.
  • the CVD reactor is thus designed to also ensure the levitation of the ribbon.
  • the upstream heating and cooling devices downstream of the reactor also contribute to the support of the glass. At the 7m position, the ribbon support will be picked up by rollers. At this position, the temperature is almost homogenized in the thickness and is close to 610 ° C, the inlet temperature of the tape in the processing unit.
  • the heating means of the face to be treated makes it possible to heat the previously deposited layers.
  • the heating means of the face to be treated makes it possible to heat the previously deposited layers.
  • the heating means of the face to be treated is such that the majority of the radiation emitted is in the wavelengths where the glass is opaque.
  • An electric field is implemented in the treatment unit so as to promote the diffusion of ions in a deposited layer and / or in the glass.

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Abstract

Unité de traitements de surface de verre plat, en particulier sous forme d'un ruban ou d'une plaque, notamment par modifications des propriétés chimiques, optiques ou mécaniques ou le dépôt d'une ou plusieurs couches minces, comportant des moyens de chauffage et de refroidissement pour créer un gradient contrôlé de température dans l'épaisseur du verre, des moyens de chauffage de la face à traiter pour que celle-ci soit toujours aux températures requises et pendant les durées nécessaires pour obtenir des traitements efficaces de sa surface et des moyens de refroidissement de la face opposée pour que cette face opposée soit à une viscosité comprise entre 1013 dPas et 2.3 x 1010 dPas.

Description

UNITE ET PROCEDE DE TRAITEMENTS DE SURFACE DE VERRE PLAT AVEC CONDITIONNEMENT THERMIQUE DU VERRE.
L'invention est relative à une unité de traitements de surface de verre plat, en particulier sous forme d'un ruban ou d'une plaque, avec un conditionnement thermique du verre permettant d'augmenter la température de l'une des faces du verre aux températures requises et pendant les durées nécessaires pour obtenir des traitements efficaces de sa surface, notamment par modifications des propriétés chimiques, optiques ou mécaniques ou le dépôt d'une ou plusieurs couches minces.
Ce conditionnement du verre est mis en œuvre sur un ruban de verre produit en continu par le procédé de verre flotté (float), le procédé de laminage ou le procédé d'étirage. Il est également mis en œuvre lors de procédés de traitement de plaques de verre qu'elles soient en défilement ou en discontinu (batch). Le verre peut avoir été préalablement traité, par exemple par le dépôt d'une couche réalisée dans le bain d'étain.
L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, une unité de traitement pour la fabrication de verre plat destiné à l'architecture, à l'automobile ou aux applications solaires.
On rappelle que certaines des applications décrites ci-dessus nécessitent de plus en plus un traitement de la surface du verre par le dépôt de couches minces, souvent constituées de plusieurs couches successives. Ces couches permettent d'obtenir par exemple des propriétés de réflexion solaire, de faible émissivité, de conductivité électrique, de coloration, d'antisalissure et autres.
Par souci de simplification de la description, on considérera par la suite que le traitement surfacique est réalisé sur la face supérieure. Néanmoins, selon l'invention, la face à traiter peut indifféremment être la face supérieure ou inférieure ou les deux.
Les modifications des propriétés optiques ou mécaniques de la surface du verre peuvent être obtenues par un procédé de réalisation d'une structure à l'aide d'un rouleau graveur sur l'une des faces d'un ruban de verre. D'autres applications nécessitent la transformation des propriétés mécaniques, chimiques ou des caractéristiques optiques du verre par des procédés de changement de composition chimique et structurel dans une profondeur limitée du verre.
Les principaux procédés utilisés à pression atmosphérique pour le dépôt de couches minces sont le CVD (dépôt par pyrolyse d'une vapeur - chemical vapor déposition), le CVD par flamme, le plasma atmosphérique, le SP (pyrolyse d'un brouillard - spray pyrolysis). Ces procédés peuvent chauffer ou refroidir la surface du verre, à des degrés variés. Les procédés par pyrolyse nécessitent une température élevée du verre pour obtenir la décomposition des réactifs et la formation des couches. Ils sont donc particulièrement adaptés lorsque le verre plat se trouve encore à température élevée lors de sa fabrication ou lors de sa transformation (trempe du verre par exemple).
La fabrication du verre flotté implique le formage du ruban de verre sur un bain d'étain liquide à partir d'une température de 10000C jusqu'à une température d'environ 620°C pour le verre sodocalcique. Le formage du ruban à une épaisseur et largeur constante s'arrête à environ 8000C. En dessous de cette température, la géométrie du ruban reste stable et on poursuit un refroidissement contrôlé du ruban sur l'étain. A la température maximale de 6200C, on lève légèrement le ruban par des rouleaux mécaniques hors du bain pour le passer dans une étenderie. Dans cette étenderie, on refroidit le ruban de 6200C à environ 500C avant sa découpe en panneaux.
La température maximale d'environ 6200C, équivalente à une viscosité d'environ 2.3 x 1010 dPas, permet d'obtenir une qualité conforme aux standards EN ou ASTM. Pour des exigences de qualité plus faibles concernant le marquage par les moyens de support du verre ou les défauts de planéité, la température de sortie bain pourra être supérieure.
Pour des compositions de verre différentes de celles du verre sodocalcique standard, la température maximale à la sortie du bain peut également être différente.
Une partie des procédés CVD est installée dans les bains d'étain de sorte de bénéficier d'une température élevée du verre favorable au dépôt et ce malgré l'accessibilité difficile de la surface du ruban. Le bain d'étain est protégé par une atmosphère réductrice constituée d'un mélange N2 + H2 pour empêcher l'oxydation de l'étain liquide. Cette atmosphère favorise le dépôt de couches nécessitant une atmosphère réductrice telles que les couches métalliques. D'autres procédés, par exemple le SP, ne peuvent pas être mis en œuvre dans le bain d'étain car ils pollueraient l'atmosphère au-dessus du bain.
Dans un tunnel de recuisson tel qu'une étenderie, l'atmosphère est constituée d'air et le transport du ruban s'effectue habituellement sur des rouleaux. La surface du verre est ainsi plus facilement accessible pour un procédé de dépôt. La totalité des systèmes SP et une partie des procédés CVD sont ainsi installés dans la section initiale des étenderies dans laquelle la température du verre est limitée à une valeur maximale de 6200C.
La température de la surface du ruban joue un rôle primordial dans le rendement et la qualité des procédés de dépôt pyrolytique et de transformation de la surface, par exemple par diffusion.
Par exemple, un traitement CVD pyrolytique standard consiste en un dépôt d'une couche mince de Si amorphe utilisée comme couche réflective dans l'architecture. Le dépôt s'effectue par décomposition du gaz silane. La cinétique de la décomposition pyrolytique du silane est lente pour des températures < 6500C et n'est que très partielle à des températures inférieures à 6100C. La température limitée du verre dans une étenderie réduit considérablement le rendement du processus de dépôt. Le réacteur refroidi étant très proche du verre, il conduit également à une perte thermique de celui- ci.
Le traitement SP refroidit davantage le ruban de verre que le procédé CVD ce qui cause des problèmes de déformation du verre lorsque sa température chute localement en dessous d'environ 5700C pour du verre sodocalcique. Cette faible température entraîne également une baisse du rendement de décomposition du réactif et une mauvaise adhésion de la couche.
Les procédés de transformation de la surface du verre, par exemple pour obtenir une coloration par diffusion des ions colorants dans le verre ou un durcissement chimique ou mécanique par diffusion d'alumine, nécessitent une température du verre élevée. Un champ électrique peut également être mis en œuvre de sorte de favoriser la diffusion d'ions dans une couche déposée et/ou dans le verre.
Le dépôt des espèces chimiques à la surface du verre peut être réalisé par différents procédés comme la création de nano particules dans une flamme ou par la décomposition d'un réactif présent dans un réacteur CVD. Le taux de diffusion des éléments dans le verre est directement lié à la température. Celle- ci est limitée dans l'étenderie de sorte que le verre reste en dessous d'environ 6200C pour du verre sodocalcique .
Le brevet US 4 536 204 décrit un chauffage du ruban en face supérieure avant revêtement de sorte de réduire l'hétérogénéité de température sur la largeur du ruban. Des moyens de chauffage radiatifs sont mis en œuvre. Cependant le flux thermique injecté dans verre doit rester limité de sorte d'éviter de dépasser la température maximale admissible. Le niveau de température atteint en face supérieure et la durée de maintien à température sont par conséquent limités.
Le brevet US 4 022 601 décrit un dispositif de revêtement SP placé entre le bain d'étain et l'étenderie. La température maximale admissible pour le verre produit et le niveau de qualité requis est de 649°C à la sortie du bain. Le dispositif de revêtement induisant un fort refroidissement du verre, un dispositif de chauffage est implanté en face supérieure juste en amont du dispositif de revêtement de sorte de compenser ce refroidissement et ramener le verre à sa température initiale. Un second moyen de chauffage placé en face inférieure au niveau du dispositif de revêtement permet de compenser le refroidissement induit par le procédé de revêtement afin d'éviter la déformation qui résulterait d'un début de figeage du verre. Cette invention ne permet pas de porter le verre à une température supérieure à celle qu'il a à la sortie du bain.
L'invention a pour but, surtout, de permettre d'élever la température de la face à traiter du verre pour une plus grande efficacité des procédés décrits précédemment, sans pour autant provoquer des déformations et/ou un marquage du verre par les moyens de support placés sur la face opposée à celle traitée, notamment des rouleaux supports.
L'invention consiste principalement en une unité de traitements de surface de verre plat, en particulier sous forme d'un ruban ou d'une plaque, notamment par modifications des propriétés chimiques, optiques ou mécaniques ou par dépôt d'une ou plusieurs couches minces, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de chauffage et de refroidissement pour créer un gradient contrôlé de température dans l'épaisseur du verre, des moyens de chauffage de la face à traiter pour que celle-ci soit toujours aux températures requises et pendant les durées nécessaires pour obtenir des traitements efficaces de sa surface et des moyens de refroidissement de la face opposée pour que cette face opposée soit à une viscosité comprise entre 1013 dPas et 2.3 x 1010 dPas, de préférence d'environ 1.9x1012 dPas.
Avantageusement, l'unité comporte successivement : - une zone d'initialisation avec des moyens de chauffage de la face à traiter et des moyens de refroidissement de la face opposée pour atteindre les températures visées en face à traiter et en face opposée,
- une zone de traitement avec des moyens de chauffage et des moyens de traitement de la face à traiter, et des moyens de refroidissement de la face opposée à celle traitée,
- une zone d'homogénéisation, avec moyens de refroidissement,
- et des dispositifs sont placés en entrée et en sortie de l'unité de traitement pour limiter les déperditions thermiques et l'échange d'atmosphères.
La longueur de la zone d'initialisation pour atteindre les températures visées en face à traiter et en face opposée peut être déterminée de telle sorte que le nombre de Péclet Pe
_ tdiff _ (épaisseur- 0.5)2 vitesse tconv diffus iv Hé _thermique longueur
soit compris entre 0.5 et 15, favorablement entre 3 et 5, avec
- tdiff = temps caractéristique pour la diffusion de la chaleur en profondeur, Um étant donné par Um = (épaisseur/2)2/diffusivité thermique,
- t∞nv = temps caractéristique pour le transport horizontal du ruban dans la zone d'initialisation, t∞nv étant donné par t∞nv = longueur zone/vitesse ruban.
L'unité peut intégrer un ou plusieurs dispositifs successifs de traitement placés sur une même face ou sur les faces opposées du verre.
L'unité de traitements de surface de verre plat comporte des moyens de refroidissement pour maintenir la face opposée à une température permettant d'éviter le marquage du verre par les moyens de support et/ou la déformation du verre par manque de tenue mécanique, tout en évitant le figeage du verre qui résulterait d'un refroidissement excessif.
L'invention consiste également en un procédé de traitements de surface de verre plat, en particulier sous forme d'un ruban ou d'une plaque, notamment par modifications des propriétés chimiques, optiques ou mécaniques ou par dépôt d'une ou plusieurs couches minces, caractérisé en ce que l'on crée un gradient contrôlé de température dans l'épaisseur du verre, par des moyens de chauffage de la face à traiter pour que celle-ci soit toujours aux températures requises et pendant les durées nécessaires pour obtenir des traitements efficaces de sa surface et par des moyens de refroidissement de la face opposée pour que cette face opposée soit à une viscosité comprise entre
1013 dPas et 2.3 x 1010 dPas, de préférence d'environ 1.9x1012 dPas.
Avantageusement, selon le procédé : - dans une zone d'initialisation la face à traiter est chauffée et la face opposée est refroidie pour atteindre les températures visées en face à traiter et en face opposée,
- dans une zone de traitement la face à traiter est chauffée et subit un traitement, tandis que la face opposée à celle traitée est refroidie, - dans une zone d'homogénéisation, la face opposée à celle qui a été traitée est refroidie.
De préférence, dans la zone d'initialisation, les flux thermiques, positif et négatif, sur les deux faces ne sont pas équilibrés ce qui permet d'augmenter légèrement la température moyenne du ruban. Dans la zone de traitement le chauffage et le refroidissement peuvent être équilibrés sur les deux faces, ce qui permet de maintenir un gradient de température stable à travers le ruban de verre.
Dans la zone d'homogénéisation on peut arrêter le chauffage tout en maintenant le refroidissement. Selon le procédé, la face opposée est maintenue à une température permettant d'éviter le marquage du verre par les moyens de support et/ou la déformation du verre par manque de tenue mécanique, tout en évitant le figeage du verre qui résulterait d'un refroidissement excessif.
La mise en œuvre de l'invention permet d'augmenter les températures auxquelles seront réalisées les traitements surfaciques de sorte d'améliorer leurs performances. Cette augmentation de température peut être réalisée brièvement lorsqu'il est nécessaire de réaliser un traitement de courte durée ou elle peut être maintenue sur une durée plus importante lorsque le traitement surfacique le nécessite.
Cette augmentation de la température est rendue possible par le refroidissement simultané obtenu en face opposée à la face à traiter selon l'invention. Ce refroidissement simultané permet de limiter la température de la face opposée de sorte de limiter le marquage et l'affaissement du verre. Il doit être contrôlé de sorte d'éviter un défaut de planéité causé par un figeage partiel du verre.
Le procédé selon l'invention se caractérise également en ce que le conditionnement thermique du verre est réalisé avant et/ou après le dispositif de traitement. Il peut également être appliqué pendant le traitement.
Dans le cas où le conditionnement thermique est effectué pendant le traitement, le dispositif de traitement peut intégrer des moyens de chauffage et/ou de refroidissement.
Le procédé selon l'invention se caractérise également en ce que la température de la face supérieure du verre est adaptée le long de l'unité de traitements de sorte d'optimiser les traitements réalisés. Selon la nature du traitement, la face supérieure est portée à la température visée et maintenue à cette température pendant la durée nécessaire à la réalisation du traitement.
Le chauffage en face supérieure et le refroidissement en face opposée conduit à un gradient de température important dans le verre. Après la fin du traitement, on favorise l'homogénéisation de température dans l'épaisseur du verre, par exemple au moyen d'un refroidissement de la face supérieure, de sorte de retrouver les conditions thermiques habituelles en sortie de l'unité de traitement et en entrée d'étenderie.
Selon une variante de réalisation de l'invention, le verre n'a pas atteint sa température habituelle en entrée d'étenderie à la sortie de l'unité de traitement.
Dans ce cas, une adaptation du refroidissement initial de l'étenderie est nécessaire, par exemple au moyen d'un refroidissement supérieur renforcé et/ou par une prolongation de la première zone.
Selon un autre exemple de traitement, la température à laquelle est portée la surface du ruban est adaptée le long de l'unité de conditionnement thermique de sorte d'optimiser l'efficacité du traitement, la température de la face à traiter étant supérieure à 6200C tout en veillant à ce que la température de la face opposée reste dans la gamme de température préconisée, entre 55O0C et 6200C pour du verre sodocalcique.
Pour d'autres qualités de verre, une équivalence de ces niveaux de températures est obtenue en exprimant celles-ci par une viscosité. La viscosité de la face à traiter sera supérieure à environ 2.3 x 1010 dPas tout en veillant à ce que la température de la face opposée reste dans la gamme de viscosité préconisée, entre environ 1013 dPas et 2.3 x 1010 dPas.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, la température de la face à traiter est alternée en un point sur le verre entre une valeur haute et une valeur basse autour d'une température moyenne en maintenant la face opposée à une température d'environ 5700C pour du verre sodocalcique, correspondant à une viscosité d'environ 1.9 x 1012 dPas. Ce mode de réalisation permet de renforcer les traitements par diffusion dans l'épaisseur du verre lorsque cette diffusion suit une loi de type Arrhenius car les pics de température conduisent à une diffusion plus importante qu'un simple maintien à la température moyenne.
Le procédé selon l'invention se caractérise également en ce que l'unité de traitements intègre un ou plusieurs dispositifs successifs de traitements du verre, par exemple pour effectuer un empilage de couches différentes, pour combiner une couche avec un procédé de diffusion, ou réaliser une couche unique de forte épaisseur. Ces dispositifs successifs de traitements peuvent être de natures différentes, comme un SP suivi d'un CVD puis d'un CVD par flamme. Cette unité de traitements surfaciques selon l'invention permet de réaliser dans l'unité les traitements habituellement réalisés dans le bain d'étain ou dans l'étenderie. Elle permet également de s'affranchir des contraintes actuelles en permettant d'inverser l'ordre dans lequel les procédés sont mis en œuvre. Il est en effet possible de réaliser en premier un traitement SP puis un traitement CVD haute température, tel que réalisé dans le bain d'étain, alors que cela n'était pas possible auparavant car la mise en œuvre d'un SP dans le bain est exclue.
Le procédé selon l'invention permet de placer des dispositifs de traitement sur une seule face ou sur les deux faces du verre. La mise en œuvre de traitements sur les deux faces permet par exemple de combiner une couche fonctionnelle sur une face, par exemple anti-réflexion, et une couche transparente électriquement conductrice sur la face opposée. La nature et l'ordre des procédés de traitement mis en œuvre seront adaptés au résultat visé par le traitement du verre.
Les exigences thermiques des différents traitements peuvent être différentes ce qui conduit à moduler les flux thermiques imposés sur les deux faces du verre. La modulation du flux sur la face à traiter permet d'obtenir la température requise pour chacun des traitements. Il sera par exemple nécessaire de chauffer de façon plus intense en amont et en aval d'un SP.
Le procédé selon l'invention se caractérise également en ce que la température de la face supérieure du verre est adaptée le long de l'unité de conditionnement thermique de sorte d'optimiser chaque traitement successif.
Le procédé selon l'invention se caractérise également en ce que la température de la face à traiter est supérieure à 6200C, de préférence supérieure à 6400C, et celle de la face opposée du verre est comprise entre 5500C et 620°C dans l'unité de conditionnement thermique dans le cas d'un verre sodocalcique supporté par des moyens mécaniques tels que des rouleaux.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, lorsqu'un flux et une température surfacique importants sont nécessaires pour la réalisation du traitement, un refroidissement de la face traitée est également réalisé après le traitement de sorte d'évacuer davantage de calories.
Le moyen de chauffage selon l'invention permet d'obtenir un profil transversal de température avec une alternance entre des niveaux de température différents. L'intensité du refroidissement de la face inférieure est également adaptée transversalement. Ces niveaux de température différents en face supérieure permettent d'obtenir une variation sur la largeur du verre de l'épaisseur d'un dépôt, de l'importance d'une diffusion ou toute autre modification. Par exemple pour la fabrication de cellules photovoltaïques, il est possible de réaliser un dépôt métallique des bandes successives permettant de contacter plusieurs cellules photovoltaïques.
Selon l'invention, la composition chimique, la pression et la température de l'atmosphère à l'intérieur de l'unité de traitements sont adaptées à chaque traitement mis en œuvre. Une atmosphère réductrice est nécessaire pour le dépôt de certaines couches, telles que les couches métalliques.
Pour des raisons de sécurité, la pression dans l'unité pourra être supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique selon les espèces en présence dans l'unité de traitements.
L'unité de traitements peut comprendre des sections dans lesquelles l'atmosphère est différente de sorte d'être adaptée pour le traitement réalisé dans chaque section.
L'atmosphère présente dans l'unité de traitements peut provenir du bain d'étain, après un éventuel filtrage. D'une manière générale, l'atmosphère à l'intérieur de l'unité de traitement doit être dépourvue de poussière ce qui peut nécessiter un filtrage des gaz injectés.
Dans le cas d'un procédé de verre flotté (float), l'unité de traitements selon l'invention est placée entre la sortie du bain et l'étenderie ou intégrée en début d'étenderie. Elle peut être séparée ou accolée au bain d'étain et/ou à l'étenderie.
Afin de définir les paramètres thermiques pour le conditionnement thermique du verre, il est nécessaire de prendre en compte :
. L'épaisseur à chauffer à la température souhaitée pour le traitement,
. La vitesse du verre,
. La diffusivité thermique du verre,
. L'enthalpie du verre, . L'émissivité du verre.
L'unité de traitements selon l'invention permet de traiter une large gamme d'épaisseurs de verre, par exemple de 2 à 25 mm. La variété des traitements possibles nécessite donc un dimensionnement thermique adapté pour obtenir le résultat souhaité tout en évitant une surchauffe du verre, une installation de trop grande taille ou une consommation énergétique excessive.
Une méthode selon l'invention permet d'une manière simple et rapide de déterminer les conditions optimales pour le chauffage et le refroidissement du ruban à imprimer à différentes profondeurs pour une vaste gamme de productions du verre flotté. Elle sera décrite pour un exemple de réalisation. 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 pour du verre sodocalcique décrits avec références aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
- Fig. 1 est une coupe longitudinale schématique d'une ligne de fabrication de verre flotté, mettant en œuvre le procédé de l'invention
- Fig. 2 est une vue schématique à plus grande échelle d'une partie de la figure 1 montrant plus en détails l'unité de conditionnement thermique - Fig. 3 est un diagramme représentant en ordonnée les températures du ruban en fonction de la position longitudinale en abscisse dans le cas d'une température de traitement constante.
- Fig. 4 est un diagramme représentant en ordonnée les températures du ruban en fonction de la position dans l'épaisseur en abscisse dans le cas d'une température de traitement constante.
- Fig.5 est une coupe longitudinale d'une unité de traitement selon l'invention comprenant 4 dispositifs de traitements successifs en face supérieure.
- Fig.6 est un diagramme montrant le spectre d'absorption d'un verre flotté sodocalcique clair et le spectre d'un corps noir.
- Fig. 7 est un diagramme montrant en ordonnée les températures du ruban en fonction de la position longitudinale en abscisse dans le cas d'une température de traitement modulée avec la mise en œuvre de 4 réacteurs CVD, dont 3 en face supérieure et 1 en face inférieure.
Le transport d'un ruban à une température élevée se heurte à des problèmes majeurs comme le marquage par les rouleaux ou l'affaissement et la déformation du verre entre deux rouleaux.
Pour du verre sodocalcique, l'expérience montre que pour une vitesse de défilement typique de 10 à 20 m/min, une température d'environ 6200C est la limite supérieure pour éviter le marquage du ruban par les rouleaux supports ou l'affaissement entre les rouleaux. Pour des vitesses inférieures, telles que dans les fours de transformation des plaques de verre, la température maximale admissible est plus faible, de l'ordre de 5800C.
Pour du verre sodocalcique l'expérience montre également qu'une température d'environ 5700C est la limite basse à partir de laquelle le verre commence à se figer. Lors d'un refroidissement d'une plaque ou d'un ruban de verre, on veille à refroidir les deux faces symétriquement. Pour un verre se trouvant au-dessus de la température de transition Tg1 un refroidissement symétrique conduit d'abord au figeage symétrique des deux faces puis ensuite au figeage du volume. Lorsque le figeage ne se produit pas de manière symétrique sur les deux faces, cela cause une courbure du verre. Si uniquement une face commence à se figer alors la plaque ou le ruban de verre se déforme.
Pour prendre en compte ces risques, l'invention prévoit de maintenir la face opposée en contact avec les rouleaux à une température comprise entre 550cC et 6200C pour du verre sodocalcique.
L'affaissement et la déformation entre les rouleaux est fonction de la température du verre. Une température homogène d'environ 6200C pour le verre sodocalcique présente la limite supérieure à partir de laquelle on observe un affaissement significatif du verre pour une distance entre rouleaux de 500 mm, distance standard dans une étenderie.
Un affaissement excessif entre les rouleaux risquerait de former des ondulations permanentes dans le verre. Pour certains traitements du verre, comme le dépôt d'une couche mince par CVD1 il est indispensable de maintenir une excellente planéité du verre en raison du jeu réduit entre la surface du verre et le réacteur CVD.
Des tables de lévitation sont également utilisées pour le transport du verre. L'absence de contact mécanique peut permettre une température légèrement supérieure à 6200C. Cependant, la baisse de la viscosité conduit rapidement à une moindre tenue mécanique du verre.
Une température d'environ 6200C présente donc la limite supérieure d'un verre sodocalcique dans un système de traitement thermique de verre plat avec un transport mécanique.
De sorte d'augmenter les performances d'un procédé de traitement de surface, par exemple par CVD, l'invention prévoit d'augmenter la température de la face à traiter, par exemple à 6500C. Un chauffage placé juste en amont du réacteur CVD permet d'augmenter la température de la face supérieure, plus généralement la face à traiter, du verre sans que cela ne conduise à une augmentation de température de la face opposée. Ce flux de chaleur doit être rapidement évacué après le réacteur CVD de sorte de ne pas dépasser la température maximale admissible en face inférieure. Dans le cas où le réacteur provoque peu de pertes thermiques, ce qui est souhaitable pour le dépôt de la couche visée, un refroidissement de la face traitée pourra être réalisé après le réacteur. Néanmoins, cette option n'est pas satisfaisante pour un verre d'une épaisseur usuelle, de 3 à 5 mm, car la diffusion de chaleur qui se produit lors du chauffage et pendant le dépôt conduit à une augmentation rapide et excessive de température de la face opposée pouvant provoquer le marquage du verre par les rouleaux. Dans le cas où plusieurs réacteurs CVD consécutifs sont utilisés pour réaliser un empilage de couches, le problème de diffusion de la chaleur dans l'épaisseur du ruban serait encore plus marqué. Cette configuration conduirait également à un affaissement supplémentaire du ruban entre les rouleaux préjudiciable au traitement CVD.
L'invention prévoit un refroidissement de la face opposée pour la maintenir à une température permettant d'éviter le marquage du verre par les moyens de support et/ou la déformation du verre par manque de tenue mécanique, tout en évitant le figeage du verre qui résulterait d'un refroidissement excessif.
En se reportant à Fig.1 des dessins, on peut voir un premier exemple de réalisation de l'invention, avec schématiquement représentée, une installation de production de ruban de verre selon le procédé de verre flotté.
L'installation comprend un four 1 dans lequel est introduite la matière première, sable, fondant, calcin, etc., servant à la fabrication du verre. Un ruban de verre B à l'état pâteux sort du four 1 en étant supporté par un bain d'étain en fusion 2 occupant la partie inférieure d'une chambre de flottation 3 sous atmosphère réductrice, notamment atmosphère d'azote et d'hydrogène. Le formage du verre sur le bain d'étain a lieu à une température comprise environ entre 10000C et 6000C
A l'extrémité de sortie de la chambre 3, le ruban de verre B est soulevé du bain d'étain et passe dans la « drossbox » DB (ou sortie du bain) sur des rouleaux 4 appelés « rouleaux LOR » (Lift Out Rollers). Le ruban B traverse ensuite un espace 5 à l'air libre, sur une longueur de quelques dizaines de centimètres. Cet espace est parfois fermé et doté de moyen d'évacuation du gaz provenant du bain d'étain. Le ruban B entre alors dans une unité A de traitements surfaciques selon l'invention. Celle-ci comprend des rouleaux 6 comme moyen de transport du verre, un dispositif de chauffage 7 et une unité de traitement 8 en face supérieure du verre, et un dispositif de refroidissement 9 en face inférieure, à l'opposé du dispositif de chauffage 7. Des dispositifs E placés en entrée et en sortie de l'unité de traitement 8 permettent de limiter les déperditions thermiques et l'échange d'atmosphères.
A la suite de l'unité de traitement, le verre entre dans l'étenderie L. Tout le long de l'étenderie le ruban de verre est supporté à l'horizontal par des rouleaux 10 entraînés en rotation à la vitesse d'avance du ruban. Un effort de traction réglable F est exercé sur le ruban B. L'intensité de la traction F permet d'agir sur le formage du ruban B dans le bain d'étain 3. Des refroidisseurs K sont prévus au-dessus et au-dessous du ruban. Les données prises en compte pour cet exemple de réalisation son les suivantes :
. Un ruban de verre sodocalcique clair sans couche mince d'une largeur de 3.7 m, d'une épaisseur de 4 mm, et une vitesse de défilement de 15 m/min, . Le traitement surfacique est réalisé après les rouleaux LOR 4 mais avant le début de la recuisson du ruban, le verre étant à une température de 6100C,
. le traitement surfacique nécessite de chauffer la face supérieure à la température de 6500C. . Le traitement surfacique nécessite un maintien de cette température pendant 12 secondes, correspondant à une longueur de 3m à 15m/min
. Le système de traitement surfacique n'a pas d'impact sur la thermique du ruban, c'est-à-dire qu'il ne modifie pas la température du ruban. D'autres exemples de réalisation repris ci-dessous permettront de traiter le cas où le système de traitement surfacique a un impact sur la thermique du ruban.
A présent on va préciser plus en détail cet exemple de réalisation. Pour obtenir la température et la durée souhaitée, un système de chauffage et de refroidissement est conçu selon l'invention de la manière suivante, représentée en figure 2 :
On impose un flux thermique positif de 60kW/m2 en face supérieure sur une longueur de 0.7m (zone d'initialisation 11), notamment par un chauffage par combustion 11a.
Sur la face opposée, on refroidit sur la même longueur avec un flux thermique de -15 kW/m2, notamment par des dispositifs de refroidissement par convection 11b, avec soufflage d'air. Ensuite, on chauffe la surface supérieure avec un flux de 25kW/m2 sur une longueur de 3.1m (zone de maintien 12), notamment avec des dispositifs de chauffage radiatifs 12a.
Sur la face opposée, à partir de la position 0.7 m, on refroidit avec un flux de -25kW/m2 sur une longueur de 4m.
Une zone d'homogénéisation 13 fait suite à la zone de maintien 12.
La figure 3 représente les profils de température dans le ruban de verre, avec les courbes Tsup pour la température de la surface supérieure, Tinf pour la température de la surface inférieure, Tcentre pour la température au centre. La température en 0C est portée en ordonnée, et la position en mètres est portée en abscisse.
Le flux thermique du chauffage renforcé au début du conditionnement sert à établir plus rapidement un gradient de température dans le ruban. Les flux thermiques, positif et négatif, sur les deux faces ne sont pas équilibrés dans cette section ce qui permet d'augmenter légèrement la température moyenne du ruban.
On obtient rapidement la température souhaitée de 6500C à la surface du ruban. Le refroidissement évite l'augmentation de la température de la face inférieure au dessus de 6200C, température critique pour le marquage du ruban par les rouleaux.
La température sur la face inférieure tombe à environ 5800C. Cette température est encore suffisante pour éviter le début du figeage du ruban avec le risque de la déformation. Le chauffage et le refroidissement sont ensuite équilibrés sur les deux faces sur une distance de 3.1 m, entre les positions 0.7 m et 3.8 m, ce qui permet de maintenir un gradient de température stable à travers le ruban de verre. Tout au long du processus de traitement de surface, on maintient ainsi une température de 650°C à la face supérieure et de 5800C sur la face inférieure.
A la position de 3.8m dans le diagramme de la figure 3, on arrête le chauffage de la face supérieure tout en maintenant le refroidissement de sorte d'homogénéiser la température du ruban dans son épaisseur (zone d'homogénéisation). La température de la face supérieure diminue dès lors rapidement même sans refroidissement de la face supérieure en raison de la diffusion de chaleur en profondeur du ruban. Un refroidissement de cette face supérieure permettrait d'accélérer cette homogénéisation en température. Le refroidissement continue sur la face inférieure jusqu'à la position de 4.8 m. De cette manière, on baisse la température moyenne du ruban ce qui permet de retrouver à environ la position de 7m les températures initiales du ruban avant la mise en œuvre du conditionnement thermique selon l'invention.
L'unité de conditionnement thermique peut se terminer dès la position de 3.8m si la première zone de l'étenderie est adaptée thermiquement.
Il convient dans ce cas de compenser la différence de température du ruban à l'entrée de l'étenderie par un refroidissement renforcé de la face supérieure sur une distance limitée.
Le diagramme de la figure 4 montre l'évolution du profil vertical de température du ruban le long de la zone de conditionnement thermique. La température est portée en ordonnée, et la position dans l'épaisseur est portée en abscisse. La courbe en trait plein correspond au profil à la position 0.7m dans l'unité, celle en pointillé correspond au profil à la position 1m et celle en tirets à la position 3.8m. La température de 6500C est atteinte avec un profil encore courbé qui se linéarise rapidement. A la position de 1 m, le profil de température est encore légèrement courbé. A la position de 3.8 m, le profil est linéaire. Toutefois, le traitement surfacique du verre peut déjà débuter à la position de 0.7m car la température visée est atteinte.
Pour déterminer les flux thermiques nécessaires pour le conditionnement thermique du ruban, il est d'abord nécessaire de connaître la conductivité du verre. La particularité du verre est sa conductivité simultanée par phonons et photons : Mais seuls les photons qui sont émis dans la partie 'opaque' du spectre d'absorption contribuent à la conductivité appelée 'active'.
La conductivité active d'un verre flotté de type sodocalcique clair a été déterminée dans la gamme de 600-7000C par une approximation linéaire :
λ(T) = (aO + al - T)[W/m - K]
Avec les coefficients a0=0.9 et a1= 8.9*10"4 * K "1 On trouve dans la littérature des articles qui traitent plus en détail la conductivité, la diffusivité thermique et sa détermination pour d'autres qualités de verre, par exemple M. Lazard, S. André, D. Maillet, Int. J. of heat and mass transfer 47 (2004), pages 477 à 487.
Avec l'épaisseur de la feuille de verre (4mm) et la température surfacique nécessaire pour le traitement (6500C), et la température fixée pour la face inférieure (5800C) on détermine ensuite le flux thermique à imposer à travers la feuille.
q _ Λ(Tsup) + λ(Tm{) (Tsup -Tm{) 2 épaisseur Avec les paramètres de l'exemple exposé ci-dessus on obtient un flux de 25 kW/m2 à établir dans la zone de maintien. Ce flux a été utilisé dans la simulation présentée en figure 3. On obtient effectivement des températures proches des températures visées.
Pour déterminer la longueur de la zone d'initialisation, c'est-à-dire la durée pour atteindre les températures visées en face supérieure et inférieure et un établissement d'un gradient plus ou moins linéaire, on se sert d'une autre approche qui permet de déterminer la longueur de l'initialisation pour différentes vitesse du verre, différentes épaisseurs ou diffusivités thermiques.
Un nombre adimensionnel appelé « nombre de Péclet» permet de déterminer les conditions optimales pour un procédé de diffusion thermique combiné à un transport massique comme celui mis en œuvre selon l'invention pour chauffer le verre en déplacement. Dans notre cas, la direction de diffusion de la température est perpendiculaire à la direction de transport massique correspondant au défilement du ruban. Cette particularité demande une redéfinition du nombre de Péclet classique utilisant une approche monodimensionnelle avec une même direction de la diffusion et du transport.
Cette redéfinition est basée sur 2 temps caractéristiques, le temps caractéristique pour la diffusion de la chaleur en profondeur et le temps caractéristique pour le transport horizontal du verre.
Le temps caractéristique pour la diffusion de la chaleur en profondeur tdiff est donné par Um = (épaisseur/2)2/diffusivité thermique.
Le temps caractéristique pour le transport horizontal du ruban dans la zone d'initialisation tconv est donnée par tconv = longueur zone/vitesse ruban. Le rapport entre Wtconv définit le nombre de Péclet Pe.
p _ W _ (épaisseur • 0.5)2 vitesse tconv diffus ivité _thermique longueur La longueur de la zone d'initialisation est telle que le nombre de Péclet soit compris entre 0.5 et 15 et favorablement entre 3 et 5. Le profil thermique est ainsi suffisamment établi en profondeur pour assurer une bonne stabilité des températures sur les faces inférieures et supérieures.
Dans l'exemple ci-dessus, la longueur de la zone d'initialisation a été déterminée à 0.7 m sur la base d'un nombre de Péclet de 3. La Figure 4 montre que cette longueur conduit à un profil de température dans l'épaisseur du verre avec une bonne diffusion de la chaleur en profondeur à la position 0.7m. Il est donc possible de commencer le traitement visé.
Après avoir défini la longueur, le flux thermique à injecter dans la zone d'initialisation est facile à estimer. On calcule la température moyenne entre la température initiale du verre et la température de surface visée. Puis, avec la vitesse, la densité et la chaleur spécifique du verre, on calcule le flux d'énergie nécessaire pour atteindre cette température moyenne. La division de ce flux par la longueur de la zone d'initialisation donne la densité de flux thermique à injecter dans le verre.
On utilise le même raisonnement pour déterminer la densité de flux thermique du refroidissement de la face inférieure en zone initialisation. La même méthode est ensuite utilisée pour dimensionner la longueur et les flux des zones successives de conditionnement thermique de l'unité de traitements.
L'exemple suivant de réalisation de l'invention représenté en Figure
5 montre une unité de traitements comprenant une zone 11 d'initialisation thermique, une zone 12 de traitement et une zone 13 d'homogénéisation thermique.
La zone d'initialisation 11 comporte un dispositif de chauffage par combustion 11a.
En zone de traitement 12, plusieurs unités successives permettent de réaliser une transformation chimique du verre et/ou un empilage de couches. Selon l'exemple de la Figure 5, la zone de traitement 12 comporte : - au-dessus du ruban de verre supporté par des rouleaux, successivement, une unité de traitement par plasma 12b1 , une unité (ou réacteur) CVD 12b2 et une unité SP 12b3, une unité CVD par flamme 12b4, - puis, pour le traitement de la face inférieure du ruban, au-dessous de ce dernier, une unité CVD 12b5 avec moyen de lévitation par soufflage d'un gaz sous le ruban pour le soutenir en l'absence de rouleaux.
- des moyens de chauffage 12a par exemple radiatif par infrarouge ou micro- onde.
Des dispositifs de refroidissement 11b, notamment par soufflage d'air, sont prévus sur la face opposée à celle traitée.
La zone d'homogénéisation 13 comporte un refroidisseur 13b à eau avec isolation, suivi d'un dispositif 13c avec poutres transversales supérieure et inférieure munies de moyens de mesure par thermocouple de la température du ruban.
La température surfacique de la face traitée est ajustée sur la longueur de la zone selon l'invention pour optimiser chaque traitement, la température de la face inférieure étant maintenue dans la plage visée, entre 5500C et 6200C pour du verre sodocalcique. Cet ajustement de la température est réalisé par des moyens de chauffage, d'égalisation, ou de refroidissement selon qu'il est nécessaire de chauffer, d'égaliser ou de refroidir la face supérieure du verre en fonction de la température à la sortie du traitement précédent et celle visée à l'entrée du traitement suivant. On a représenté sur cette Figure 5, les moyens de mesure de température 14, par exemple par pyrométrie optique ou à l'aide de thermocouples intégrés à l'équipement de dépôt. On voit également les dispositifs 15 de reprise des gaz provenant du chauffage (fumées de combustion), des systèmes de dépôt et des refroidisseurs. L'air de refroidissement préchauffé par le ruban pourrait être repris pour la combustion du four de fusion. Selon la nature des gaz de traitement du ruban, ceux-ci pourront être filtrés et/ou repris par la combustion du four de fusion.
On considère maintenant les diverses possibilités de chauffage du verre. On peut classer les méthodes de chauffage en méthodes surfaciques, particulièrement appropriées pour injecter la chaleur par la surface, et en méthodes volumiques connues pour leur aptitude à chauffer des matériaux dans le volume.
1/ Méthodes surfaciques :
Rayonnement (chauffage par absorption du rayonnement dans le spectre opaque du verre), par exemple résistance électrique, flamme rayonnante ou laser, Air chaud (convection et conduction à la surface du verre) Gaz chaud (rayonnement, convection et conduction d'une combustion)
Plasma (gaz ionisé en contact avec la feuille de verre).
2/ Méthodes volumiques : Micro-ondes (chauffage diélectrique), Induction (chauffage par dissipation des courants électriques), Rayonnement, avec des longueurs d'ondes correspondant à une épaisseur optique égale à environ 1 selon la nature et l'épaisseur du verre.
D'une manière générale, le chauffage des plaques minces de verre par micro-ondes ou induction révèle deux grandes difficultés :
. mauvaise absorption et mauvais rendement, notamment pour un verre à basse température
. pénétration profonde dans le volume (au lieu d'une profondeur limitée)
Les moyens de chauffage volumiques présentent l'avantage de pouvoir réaliser une « réserve » calorifique sous la surface traitée avec un profil de température non linéaire dans l'épaisseur du verre. Celle-ci permettra de limiter la baisse de température de surface de la face traitée lors d'un traitement refroidissant celle-ci. Simultanément, le refroidissement de la face inférieure permet de maintenir celle-ci à la température visée.
Un revêtement électriquement conducteur, un revêtement réflectif ou faiblement émissif conduit à la réflexion d'un rayonnement infrarouge. Il ne serait donc possible de chauffer efficacement le verre avec un rayonnement infrarouge au travers de la face revêtue. Le chauffage du verre ou de la couche pourra être réalisé par rayonnement si celui-ci est d'une longueur différente, par exemple microonde ou induction. Le moyen de chauffage mis en œuvre pourra également être convectif.
Le moyen de chauffage pourra également être choisi de sorte d'exploiter les propriétés des couches préalablement déposées. Ainsi, un chauffage par induction permettra de chauffer principalement une couche conductrice, par exemple métallique. Le moyen de chauffage pourra permettre d'obtenir un profil transversal de température particulier, par exemple une alternance entre deux niveaux de température de sorte de créer un traitement d'intensité variable sur la largeur du verre.
Le moyen de chauffage de la face peut comprendre une rampe de brûleurs s'étendant transversalement sur la largeur du ruban et dont les flammes sont dirigées sur la face à graver du ruban.
Les moyens de chauffage et de refroidissement de la face supérieure du verre peuvent être intégrés dans les unités de traitement.
Le moyen de refroidissement peut être un moyen radiatif, par exemple formé par un tube s'étendant transversalement sur la largeur du verre et parcouru intérieurement par un fluide de refroidissement, notamment de l'air ou de l'eau, ce tube étant situé à proximité de la face traitée. Le moyen de refroidissement peut également être un moyen convectif par soufflage d'un gaz sur le verre. Ce gaz peut être différent ou identique à celui présent dans l'unité de traitements.
Le procédé selon l'invention se caractérise également en ce que le moyen de refroidissement de la face inférieure du verre ne conduit pas à un refroidissement excessif des équipements mécaniques de support du verre.
Lorsqu'un refroidissement d'une face est nécessaire, il peut être obtenu par un dispositif de refroidissement ou par un refroidissement naturel lié à la conception de l'enceinte de l'unité de traitements de surface. Par exemple, une faible isolation thermique de l'enceinte ou l'ouverture de trappes permettent de favoriser un refroidissement naturel du verre.
On va maintenant étudier plus en détail le cas d'un chauffage électrique, c'est à dire par rayonnement de résistances électriques qui est couramment utilisé dans les étenderies. Si on souhaite chauffer uniquement la surface du verre, il est nécessaire de considérer les aspects spectraux d'un tel chauffage.
La Figure 6 montre.en trait plein, le spectre d'absorption d'un verre float sodocalcique clair, d'épaisseur de 4 mm, et en tirets le spectre d'un corps noir à 825°C. Les longueurs d'onde exprimées en micromètre sont portées en abscisse. L'épaisseur optique est portée en ordonnée sur l'échelle de gauche, tandis que le rayonnement du corps noir exprimé en W/m2μm est porté en ordonnée sur l'échelle de droite.
On voit sur cette figure que le rayonnement d'un émetteur noir sera essentiellement absorbé par la surface du verre pour des longueurs d'ondes au dessus de 2.7 μm. Le calcul d'un échange radiatif entre 2 plaques infinies permet de trouver les conditions nécessaires pour transmettre le rayonnement thermique net de 25 kW/m2 nécessaire en régime stabilisé selon le premier exemple de réalisation. L'émetteur noir doit pour cela avoir une température surfacique de 825°C. A cette température, il émet également 22 kW/m2 dans la fenêtre optique du verre. Ce rayonnement traverse le ruban et chauffe les rouleaux et autres équipements situés en dessous. Un émetteur noir ou gris n'est donc que partiellement approprié pour chauffer la surface du verre. Il est préférable d'utiliser un émetteur spectral avec une réduction des émissions en dessous de 2.7mum. Une autre solution réside dans l'utilisation d'un chauffage convectif avec de l'air ou des fumées peu émissives.
La figure 7 représente une simulation thermique d'un autre exemple de réalisation selon l'invention avec trois réacteurs CVD placés en face supérieure et un réacteur CVD placé en face inférieure. Le ruban de verre flotté a une épaisseur de 3 mm et une vitesse de 15m/min. Le verre est du type sodocalcique clair. Les réacteurs ont une longueur de 800 mm et causent une perte thermique à la surface du ruban qui varie entre 25 kW/m2 en début de réacteur pour finir à 10 kW/m2. Sur la figure 7 , la position exprimée en mètres suivant l'unité de traitements est portée en abscisse, tandis que la température en 0C est portée en ordonnée. La courbe en trait plein correspond à la température de la face supérieure du ruban de verre, celle en tirets épais correspond à la température de la face inférieure, et celle intermédiaire en pointillé correspond à la température du centre du ruban.
Une zone d'initialisation permet d'établir le gradient thermique dans l'épaisseur du verre, comme décrit dans le premier exemple de réalisation. Ensuite, pour anticiper la perte thermique des réacteurs CVD, un chauffage de courte durée est appliqué en amont de chaque réacteur. Ce chauffage permet de porter la face à traiter à une température d'environ 7500C de sorte que la température de la surface du verre à la position centrale du réacteur reste supérieure à 6500C. La position du premier réacteur (longueur 0.8 m) se trouve entre 1m (début du réacteur) et 1.8m (fin du réacteur) tel qu'indiqué dans la Figure 7. Les autres réacteurs se trouvent à des positions équivalentes après le chauffage de courte durée.
Après le troisième réacteur placé sur la face supérieure, une nouvelle zone d'initialisation permet de renverser le gradient thermique dans le verre. La face supérieure se trouve maintenant à une température d'environ 5800C et assure ainsi la stabilité mécanique du ruban. La surface inférieure doit être chauffée à environ 7500C pour le traitement à réaliser puis refroidie. La distance habituelle disponible entre deux rouleaux supports est insuffisante pour effectuer ce chauffage, le traitement et le refroidissement du verre. Le réacteur CVD est ainsi conçu de sorte d'assurer également la lévitation du ruban. Les dispositifs de chauffage en amont et de refroidissement en aval du réacteur contribuent également au support du verre. A la position de 7m, le support du ruban sera repris par des rouleaux. A cette position, la température est presque homogénéisée dans l'épaisseur et est proche de 610°C, la température d'entrée du ruban dans l'unité de traitement.
Le moyen de chauffage de la face à traiter permet de chauffer les couches préalablement déposées.
Le moyen de chauffage de la face à traiter permet de chauffer principalement les couches préalablement déposées.
Le moyen de chauffage de la face à traiter est tel que la majorité du rayonnement émis l'est dans les longueurs d'ondes où le verre est opaque.
Un champ électrique est mis en oeuvre dans l'unité de traitements de sorte de favoriser la diffusion d'ions dans une couche déposée et/ou dans le verre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Unité de traitements de surface de verre plat, en particulier sous forme d'un ruban ou d'une plaque, notamment par modifications des propriétés chimiques, optiques ou mécaniques ou par dépôt d'une ou plusieurs couches minces, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de chauffage et de refroidissement pour créer un gradient contrôlé de température dans l'épaisseur du verre, des moyens de chauffage de la face à traiter pour que celle-ci soit toujours aux températures requises et pendant les durées nécessaires pour obtenir des traitements efficaces de sa surface et des moyens de refroidissement de la face opposée pour que cette face opposée soit à une viscosité comprise entre 1013 dPas et 2.3 x 1010 dPas.
2. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte successivement :
- une zone d'initialisation (11) avec des moyens de chauffage de la face à traiter et des moyens de refroidissement de la face opposée pour atteindre les températures visées en face à traiter et en face opposée, - une zone de traitement (12) avec des moyens de chauffage et des moyens de traitement de la face à traiter, et des moyens de refroidissement de la face opposée à celle traitée,
- une zone d'homogénéisation (13), avec moyens de refroidissement,
- et en ce que des dispositifs (E) sont placés en entrée et en sortie de l'unité de traitement (8) pour limiter les déperditions thermiques et l'échange d'atmosphères.
3. Unité selon la revendication 2, caractérisée en ce que la longueur de la zone d'initialisation pour atteindre les températures visées en face à traiter et en face opposée est déterminée de telle sorte que le nombre de Péclet Pe p _ tώff (épaisseur -0.5) vitesse tcom diffusivité _thermique longueur
soit compris entre 0.5 et 15, favorablement entre 3 et 5, avec
- tdiff = temps caractéristique pour la diffusion de la chaleur en profondeur, tam étant donné par ftfff = (épaisseur/2)2/diffusivité thermique,
- tconv = temps caractéristique pour le transport horizontal du ruban dans la zone d'initialisation, t∞nv étant donné par tconv = longueur zone/vitesse ruban.
4. Unité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle intègre un ou plusieurs dispositifs successifs de traitement placés sur une même face ou sur les faces opposées du verre.
5. Procédé de traitements de surface de verre plat, en particulier sous forme d'un ruban ou d'une plaque, notamment par modifications des propriétés chimiques, optiques ou mécaniques ou par dépôt d'une ou plusieurs couches minces, caractérisé en ce que l'on crée un gradient contrôlé de température dans l'épaisseur du verre, par des moyens de chauffage de la face à traiter pour que celle-ci soit toujours aux températures requises et pendant les durées nécessaires pour obtenir des traitements efficaces de sa surface et par des moyens de refroidissement de la face opposée pour que cette face opposée soit à une viscosité comprise entre 1013 dPas et 2.3 x 1010 dPas.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que :
- dans une zone d'initialisation (11) la face à traiter est chauffée et la face opposée est refroidie pour atteindre les températures visées en face à traiter et en face opposée, - dans une zone de traitement (12) la face à traiter est chauffée et subit un traitement, tandis que la face opposée à celle traitée est refroidie,
- dans une zone d'homogénéisation (13), la face opposée à celle qui a été traitée est refroidie.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que, dans la zone d'initialisation, les flux thermiques, positif et négatif, sur les deux faces ne sont pas équilibrés ce qui permet d'augmenter légèrement la température moyenne du ruban.
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que dans la zone de traitement le chauffage et le refroidissement sont équilibrés sur les deux faces, ce qui permet de maintenir un gradient de température stable à travers le ruban de verre.
9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que dans la zone d'homogénéisation on arrête le chauffage tout en maintenant le refroidissement.
10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le refroidissement d'une face du verre résulte d'un dispositif de refroidissement ou d'un refroidissement naturel lié à la conception de l'enceinte de l'unité de traitements de surface.
11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que la température de la face supérieure du verre est adaptée le long de l'unité de traitements de surface de sorte d'optimiser les traitements réalisés.
12. Procédé selon l'une des revendications 5 à 11 , caractérisé en ce que la température de la face à traiter du verre est supérieure à 6200C, tandis que la température de la face opposée du verre est comprise entre 5500C et 620°C dans l'unité de conditionnement thermique dans le cas d'un verre sodocalcique supporté par des moyens mécaniques tels que des rouleaux.
13. Procédé selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que la température de la face supérieure est alternée en un point sur le verre entre une valeur haute et une valeur basse autour d'une température moyenne.
14. Procédé selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que le moyen de chauffage permet d'obtenir un profil transversal de température avec une alternance entre des niveaux de température différents.
15. Procédé selon l'une des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que le chauffage de la face à traiter est réalisé au moyen d'un chauffage volumique permettant de réaliser une réserve calorifique sous la surface à traiter conduisant à un profil de température non linéaire dans l'épaisseur du verre.
16. Procédé selon l'une des revendications 5 à 15, caractérisé en ce que le moyen de chauffage de la face à traiter permet de chauffer les couches préalablement déposées.
17. Procédé selon l'une des revendications 5 à 16, caractérisé en ce que le moyen de chauffage de la face à traiter permet de chauffer principalement les couches préalablement déposées.
18. Procédé selon l'une des revendications 5 à 17, caractérisé en ce que les moyens de chauffage de la face à traiter sont tels que la majorité du rayonnement émis l'est dans les longueurs d'ondes où le verre est opaque.
19. Procédé selon l'une des revendications 5 à 18, caractérisé en ce qu'un champ électrique est mis en œuvre dans l'unité de traitements de sorte de favoriser la diffusion d'ions dans une couche déposée et/ou dans le verre.
20. Procédé selon l'une des revendications 5 à 19, caractérisé en ce que la composition chimique, la pression et la température de l'atmosphère à l'intérieur de l'unité sont adaptées à chaque traitement mis en œuvre.
EP09784299A 2008-07-30 2009-07-24 Unite et procede de traitements de surface de verre plat avec conditionnement thermique du verre Withdrawn EP2321232A2 (fr)

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