FR2771085A1 - Procede de formation de laine minerale - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de formation de fibres minérales au moins pour partie de section non circulaire par centrifugation interne associée à un étirage gazeux, où le matériau à fibrer est déversé à l'intérieur d'un centrifugeur (1') dont la bande périphérique (7') est percée d'une pluralité d'orifices (14') dont au moins une partie a une section non circulaire.L'étirage gazeux est opéré par un brûleur annulaire (9') projetant un courant de gaz à haute température, de vitesse d'au moins 80 m/ s et de largeur annulaire en sortie de brûleur d'au plus 15 mm.L'invention concerne également le dispositif de centrifugation mettant en oeuvre ce procédé et les fibres minérales ainsi obtenues.

Description

PROCEDE DE FORMATION DE LAINE MINERALE
L'invention a trait aux techniques de formation de fibres minérales ou d'autres matériaux thermoplastiques par le procédé de centrifugation interne associée à un étirage par un courant gazeux à haute température. Elle s'applique notamment à la production industrielle de laine de verre destinée à entrer par exemple dans la composition de produits d'isolation thermique et/ou acoustique.

Le procédé de formation de fibres auquel se rapporte l'invention consiste à introduire un filet de verre fondu dans un centrifugeur, encore appelé assiette de fibrage, tournant à grande vitesse et percé à sa périphérie par un très grand nombre d'orifices par lesquels le verre est projeté sous forme de filaments sous l'effet de la force centrifuge. Ces filaments sont alors soumis à l'action d'un courant annulaire d'étirage à température et vitesse élevées longeant la paroi du centrifugeur, courant qui les amincit et les transforme en fibres. Les fibres formées sont entraînées par ce courant gazeux d'étirage vers un dispositif de réception généralement constitué par une bande perméable aux gaz.

Ce procédé a fait l'objet de nombreux perfectionnements dont notamment ceux enseignés dans les brevets EP-B-O 1 89 354 ou EP-B-O 519 797, visant à améliorer la qualité des produits obtenus et/ou à améliorer le rendement, abaisser le coût de fabrication...

Le brevet US-4 622 054, par ailleurs, propose une technique de centrifugation interne permettant l'obtention de fibres de section non circulaire. Cette technique combine l'utilisation d'un centrifugeur muni de trous non circulaires, la suppression de tout moyen de chauffage extérieur au centrifugeur du type gaz chaud d'étirage, et, au contraire, I'utilisation de moyens de refroidissement brusque des fibres en sortie de centrifugeur à l'aide de différents types de fluide. Ces moyens de refroidissement sont dits permettre de figer les fibres suffisamment vite pour qu'elles conservent leur section non circulaire.

L'invention a alors pour objet l'amélioration des procédés connus de centrifugation interne associée à un étirage gazeux à chaud, visant à l'obtention de fibres minérales de section non circulaire et/ou à l'abaissement de la consommation énergétique nécessaire à leur fabrication quelle que soit leur section.

L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de formation de fibres minérales au moins pour partie de section non circulaire, par centrifugation interne, procédé tel que le matériau à fibrer est déversé à l'intérieur d'un centrifugeur dont la bande périphérique est percée d'une pluralité d'orifices dont au moins une partie est de section non circulaire, avec un étirage gazeux spécifique. L'étirage est en effet opéré par un brûleur annulaire projetant un courant de gaz à haute température, à haute vitesse, à savoir au moins 80 m/s, et de largeur annulaire en sortie de brûleur d'au plus 15 mm.

Contrairement à ce qui avait été proposé précédemment, I'invention a donc choisi de fabriquer des fibres à section non circulaire en maintenant un étirage à chaud par un brûleur extérieur au centrifugeur. Non seulement l'invention n'y a pas renoncé, mais elle en a ajusté les paramètres de fonctionnement pour en amplifier l'impact sur les fibres en cours de formation.

Ainsi, ces gaz d'étirage sont à vitesse significativement élevée, au moins 80 m/s. En dernier lieu, I'étirage continue à se faire à chaud, les gaz d'étirage étant maintenus aux températures connues pour ce type de procédé, à savoir au moins 5000C, et plutôt au moins 10000C.

De manière surprenante, la combinaison d'orifices non circulaires dont est muni le centrifugeur et de cet étirage dans des conditions relativement dures pour les fibres en formation conduit à l'obtention de fibres de section également non circulaire : même si leur section définitive n'a pas exactement la géométrie des orifices du centrifugeur, elles en gardent suffisamment la mémoire pour ne pas retourner à une section circulaire lors de leur formation au sortie du centrifugeur, section circulaire à laquelle elles tendent pourtant, pour des raisons de tension de surface notamment.

En fait, I'étirage particulier de l'invention est tel que les fibres au sortir du centrifugeur sont étirées très brusquement, et qu'elles tendent à sortir rapidement hors de la zone efficace du brûleur dans laquelle elles sont habituellement confinées. On entend par zone efficace la zone autour et sous le centrifugeur directement soumise aux courants de gaz d'étirage, excluant les zones limitrophes de ladite zone et qui sont soumises à des courants gazeux induits par ces gaz d'étirage, cette zone efficace prenant généralement la forme d'un tronc de cône évasé vers le bas si l'on observe une section selon un plan vertical passant par l'axe du centrifugeur de l'installation de centrifugation.

De manière schématique, tout se passe comme si les fibres en formation, de section non circulaire, puisque issues d'orifices non circulaires, étaient brutalement étirées, (étirage gazeux tout-à-fait important car permettant, notamment, d'assurer aux fibres définitives les dimensions voulues, telles qu'une longueur suffisante par rapport à leur section), puis s'échappaient, en s'éloignant radialement du centrifugeur, et se trouvaient alors brutalement refroidies au contact de l'atmosphère ambiante, en gardant de fait une section non circulaire ou pseudo non circulaire. On entend par pseudo non circulaire une section non circulaire, mais cependant (légèrement) différente de celle des orifices du centrifugeur, plus ou moins déformée par rapport à leur forme géométrique. Ainsi, des orifices présentant des sections avec des angles pourront conduire à l'obtention de fibres de section toujours non circulaire, mais dont la section sera dépourvue d'angles, dont les contours seront arrondis en quelque sorte.

Le mode de réalisation préféré de l'invention consiste à viser l'obtention de fibres de section aplatie ou allongée , c'est-à-dire, au sens de l'invention, une section du type de celle d'un ruban, notamment une section de forme convexe et allongée type ovale ou une section pseudo-rectangulaire aux contours arrondis, dont les deux bords opposés les plus grands sont plans, convexes, concaves, ou l'un convexe et l'autre concave par exemple.

Conférer aux fibres une telle géométrie apporte en effet un certain nombre d'avantages. Ainsi, comparativement à des fibres standard à section cylindrique, les fibres à section aplatie de même masse et de même longueur présentent une surface externe supérieure. Or le coefficient de conductivité thermique dans sa composante radiative décroît quand la surface spécifique augmente (la surface spécifique est la surface externe ramenée à la masse.

Ces fibres permettent donc d'obtenir des matériaux isolants qui, à masse volumique égale, sont plus performants thermiquement.

En outre, leur géométrie se prête particulièrement bien à la fabrication de matériau de type bidimensionnel, à savoir à la fabrication de revêtements fibreux non tissé, de voiles. On peut même les utiliser comme fibres de renforcement de matrices du type béton ou du type polymère, leurs dimensions pouvant en effet se rapprocher des fibres de verre de renforcement dites textile obtenues par assemblage de filaments par étirage mécanique.

En dernier lieu, ces fibres peuvent mieux répondre aux préoccupations actuelles concernant leur biosolubilité, en cas d'introduction dans l'organisme par inhalation, et ceci à deux niveaux tout d'abord, de par leur encombrement supérieur, il est probable qu'elles sont davantage filtrées par le nez que des fibres à section cylindrique, réduisant ainsi la proportion des fibres susceptibles d'être véritablement inhalées. En outre, au cas où il y aurait inhalation des plus petites d'entre elles, leur surface développée supérieure devrait favoriser leur décomposition, et cela d'autant plus si, en outre, leur composition chimique a été ajustée en ce sens.

L'invention a également pour objet une variante du procédé décrit précédemment : il s'agit d'un procédé de formation de fibres minérales par centrifugation interne associée à un étirage gazeux à haute température, tel que le matériau à fibrer est déversé à l'intérieur d'un centrifugeur dont la bande périphérique est percée d'une pluralité d'orifices dont au moins une partie sont de section non circulaire. Cette forme est telle que les pieds des cônes d'écoulement du matériau à fibrer projeté hors desdits orifices par la force centrifuge présentent une surface exposée aux gaz d'étirage, éjectés sensiblement le long de la bande périphérique, qui engendre un battement des avant-fibres issues de ces cônes d'écoulement.

La terminologie cône d'écoulement , pied de cône d'écoulement et avant-fibres se rapporte aux différents stades de la fibre en formation au sortir des orifices du centrifugeur, ayant effectivement la forme approximative d'un cône dans le cas où les orifices sont circulaires, et s'amincissant progressivement pour former des fibres discontinues sous l'effet des gaz d'étirage et de la force centrifuge.

On comprend par cône d'écoulement la goutte de matériau minéral fondu de forme approximativement conique quand la section de l'orifice est circulaire. On garde pour plus de simplicité le terme de cône dans le cadre de l'invention même si les orifices ne sont plus circulaires. Le pied de cône d'écoulement sera la zone du cône qui est la plus proche de l'orifice du centrifugeur, la zone où sa base est la plus large. L'avant-fibre est la fibre qui est encore attachée au cône d'écoulement par une de ses extrémités, elle a la légéreté suffisante pour être animée des battements qui caractérisent le procédé de l'invention mentionné plus haut.

On comprend donc par battement au sens de l'invention, le phénomène qui est tel que ces avant-fibres sont animées d'un mouvement de vibration. L'amplitude de ces battements ou vibrations va dépendre d'un certain nombre de paramètres. En fait, elle paraît dépendre, notamment, de la rigidité relative des cônes d'écoulement, qui doit être suffisamment importante sans être cependant trop élevée. Comme paramètres de fonctionnement, peuvent notamment intervenir des caractéristiques liées à la composition verrière, plus particulièrement la tirée et sa viscosité à haute température, des caractéristiques liées à l'assiette de centrifugation, plus particulièrement sa vitesse de rotation et son accélération (moins dépendante de son diamètre que sa vitesse), des caractéristiques liées à la géométrie des trous du centrifugeur, des caractéristiques liées au fonctionnement du brûleur annulaire comme la largeur de lèvre ou la vitesse des gaz, et enfin des caractéristiques liées au type de fibres recherché, notamment selon leur micronaire ou l'allongement voulu.

Les battements s'opèrent avantageusement de façon à ce que, projetés perpendiculairement sur un plan sensiblement vertical passant par l'axe de rotation du centrifugeur, leur amplitude se trouve selon un axe sensiblement vertical ou tout au moins faisant un angle oc d'au plus 320 par rapport à la verticale.

Définis d'une autre manière, ces battements peuvent être également tels que, projetés perpendiculairement selon ce même plan, ils se font de part et d'autre d'un axe sensiblement horizontal ou d'un axe, de préférence dirigé vers le bas, incliné selon un angle ss compris entre 0 et 450 par rapport à un axe horizontal. En tout cas, il est préférable que cet axe fasse un angle avec l'axe horizontal significativement inférieur à l'angle que fait la génératrice du centrifugeur par rapport audit axe horizontal.

II s'est avéré qu'en choisissant des orifices de géométrie particulière, on amplifiait la portance des cônes d'écoulement par rapport aux gaz d'étirage auxquels ils étaient soumis, ces cônes pouvant ainsi présenter un profil exposé aux courants d'étirage de type aile d'avion ou bord d'attaque , si l'on veut expliquer la création de ces battements avec la terminologie employée dans l'aéronautique. Cette surface exposée aux gaz d'étirage peut ainsi être au moins pour partie convexe, issue d'un orifice lui-même présentant un bord convexe, par exemple sous forme d'une fente dont la plus grande dimension est non parallèle au sens d'écoulement des gaz d'étirage, et de préférence perpendiculaire ou inclinée par rapport à la verticale, par exemple sensiblement selon une direction qui est celle de la composante de la vitesse de rotation du centrifugeur et celle des gaz d'étirage, direction qui est celle approximativement de la trajectoire des cônes d'écoulement.

En fait, ces battements sont très avantageux sur le plan industriel. De manière habituelle dans le procédé de centrifugation interne avec étirage à chaud, les cônes d'écoulement sont brusquement rabattus par les gaz d'étirage, et tendent donc très rapidement à une trajectoire sensiblement paralièle à celle des gaz d'étirage. Dans l'invention, ces battements transversaux vont amplifier considérablement l'effet d'étirage obtenu par les courants d'air chaud, et de fait permettre d'obtenir un étirage aussi efficace en réduisant significativement la consommation énergétique du procédé liée aux gaz d'étirage.

II est à noter que choisir ainsi de créer volontairement des turbulences dans les trajectoires des cônes d'écoulement allait à l'encontre de ce que
I'homme du métier cherchait dans ce domaine, à savoir un étirage avec des trajectoires tendant (de manière assymptotique et le plus vite possible) vers une direction verticale ou sensiblement verticale, trajectoires considérées a priori comme facilement contrôlables, plus efficaces, permettant un rassemblement plus aisé des fibres sous le centrifugeur, etc... De manière surprenante, perturber ces trajectoires selon l'invention a donc apporté un gain énergétique inattendu, sans alourdir/compliquer significativement le procédé.

Pour conclure sur les raisons pour lesquelles ces battements se créent, et sur les avantages qui en découlent, on peut aussi avancer l'explication suivante : ce que l'on observe, c'est la formation de battements en sortie d'assiette de centrifugation, permettant un sur-étirage des fibres en formation. Ces battements seraient dûs à des turbulences, créées d'une partpar la présence d'un obstacle important, à savoir des cônes d'écoulement élargis par rapport à des cônes d'écoulement issus d'orifices circulaires, et d'autre part par des gaz à grande vitesse dans deux directions, à savoir selon une direction de haut en bas émis par le brûleur annulaire, et selon une direction latérale par des courants d'air induits. La conséquence serait que la fibre sortirait très rapidement de la zone chaude , la zone efficace du brûleur mentionnée plus haut, une partie significative de l'étirage se faisant ainsi à une température moins élevée, d'où une plus grande mémoire des formes de la fibre issue de l'orifice de section particulière (si tant est que l'on souhaite obtenir des fibres non circulaires).

On aurait ainsi un étirage amélioré grâce à ces battements générés par l'obstacle dynamique créé par des cônes très larges, obstacle presque continu, et qui ne se fait pas trop à chaud, la déviation du filet de verre se produisant très vite vers des régions plus tièdes .

Les deux variantes du procédé selon l'invention sont alternatives ou cumulatives. En effet, dans le premier cas, il s'agit d'obtenir des fibres non circulaires par une géométrie d'orifices et une sélection des conditions d'étirage, alors que dans le second cas il s'agit plutôt de réduire le coût énergétique du procédé que l'on obtienne ou non des fibres non circulaires, le point central de ces deux variantes reposant sur la géométrie non circulaire des orifices. Comme évoqué plus haut, on peut bien sûr combiner toutes les caractéristiques de ces deux variantes, à savoir géométrie d'orifices, paramètres d'étirage et création de battements , permettant d'en combiner les avantages.

Dans au moins une des deux variantes de procédé, les gaz d'étirage sont en sortie de brûleur à une température d'au moins 10000C, notamment d'au moins 1 300 C, notamment entre 1300 et 17000C.

Dans au moins une des deux variantes de procédé, les gaz d'étirage sont émis par un brûleur annulaire à une vitesse d'au moins 80 m/s, et de préférence d'au plus 170 à 180 m/s, notamment comprise entre 80 m/s et 170 m/s. De même, ils sont avantageusement sous une pression particulièrement élevée, correspondant à une largeur annulaire en sortie de brûleur d'au plus 10 mm, notamment comprise entre 5 mm et 8 mm. Ces conditions permettent un étirage brutal qui va conduire à faire sortir les cônes d'écoulement de la zone proche du centrifugeur, la zone efficace de brûleur, dans laquelle ils étaient jusque là confinés, permettant d'une part d'éviter que les fibres ne retournent à une section circulaire si c'est le but recherché, et d'autre part de faciliter la formation de ces battements intéressants en termes de réduction de coût de procédé.

Aussi bien pour obtenir des fibres de section allongée que pour favoriser le battement des cônes d'écoulement, il est avantageux que tout ou partie des orifices du centrifugeur non circulaires soient eux-mêmes allongés d'une manière significative, peut-être même davantage que l'allongement effectivement visé pour tenir compte de l'évolution de la section de la fibre du pied du cône d'écoulement, en sortie de l'orifice, à celle de la fibre définitive.

La forme la plus simple qu'ils puissent adopter est, notamment, une forme de type fente, orientée selon un angle non nul par rapport à l'axe de la hauteur de la bande périphérie du centrifugeur en position de centrifugation, notamment orientée sensiblement perpendiculairement à ladite hauteur ou sensiblement parallèlement à la direction de la composante de la vitesse de rotation du centrifugeur et de la vitesse des gaz d'étirage, comme évoquée, plus haut.

Un mode de réalisation particulièrement préféré de ce type de fente consiste en une fente dont au moins un des grands bords est courbe, par exemple selon un arc de cercle, avec notamment une concavité tournée vers le bas de la bande périphérique du centrifugeur en position de centrifugation.

Le centrifugeur utilisé dans l'invention peut aussi comporter des orifices circulaires.

En fait, plus particulièrement dans le cadre de la seconde variante où l'on veut générer des battements des cônes d'écoulement, il n'est pas indispensable que tous les orifices du centrifugeur soient de géométrie spécifique, non circulaire. II est surtout avantageux de prévoir qu'au moins la rangée la plus haute ou plusieurs des rangées les plus hautes , soient de géométrie spécifique, les rangées plus basses pouvant comporter au moins en partie des orifices standards circulaires. (On comprend par haute et basse , les positions relatives des orifices assemblés en rangées sur la hauteur de la bande périphérique du centrifugeur en position de centrifugation).

Les rangées les plus hautes , notamment la toute première, sont en fait celles dont sont issus les cônes d'écoulement les plus directement, et les premiers exposés aux courants d'étirage.

Pour expliquer ce choix, on se reportera plus haut en ce qui concerne les turbulences à l'origine de ces battements.

Pour créer ces battements, cette turbulence, on peut aussi envisager (alternativement ou cumulativement à l'utilisation d'au moins une rangée
haute d'orifices non circulaires), d'utiiiser des moyens déflecteurs ou chicanes régulièrement répartis en partie haute du centrifugeur et solidaires de celui-ci, et qui viennent créer des turbulences en perturbant la trajectoire habituelle des fibres étirées à chaud.

L'invention a également pour objet le dispositif de centrifugation interne de fibres minérales pouvant notamment servir à la mise en oeuvre des procédés décrits précédemmet.

II comporte de préférence au moins un centrifugeur dont la bande périphérie est percée au moins en partie d'orifices non circulaires dont l'allongement A défini par le rapport entre leur grande dimension L et leur petite dimension I est d'au moins 2, notamment d'au moins 3, notamment compris entre 5 et 1 5.

De préférence, on peut caractériser simplement la configuration de ces orifices non circulaires par la projection de leur plus grande dimension sur le plan tangeant à la paroi du centrifugeur au niveau dudit orifice, passant par la génératrice (projection selon un axe perpendiculaire audit plan). Cette projection est avantageusement choisie de facon à être inclinée par rapport à ladite génératrice d'un angle oc différent de 00, notamment compris entre 20 et 900.

Avantageusement, on préfère en outre que ces orifices non circulaires se présentent sous forme de fente dont la largeur est substantiellement constante. On a en effet observé que des élargissements/strictions localisés au niveau de ces orifices tendaient à ce que la masse minérale fondue se concentre dans la zone élargie, pour adopter une section de sortie circulaire ou quasi-circulaire.

Ces orifices non circulaires peuvent aussi, de préférence, présenter une symétrie axiale par rapport à l'axe passant par leur plus grande dimension. Au moins une partie d'entre eux peut en outre se présenter sous forme de fentes dont au moins un des grands bords (notamment les deux) est courbe, avec notamment un rayon de courbure r d'au moins 2 mm, notamment compris entre 3 et 100 mm. Quand ce rayon de courbure tend vers l'infini, on a un des modes de réalisation des fentes selon l'invention, à savoir des fentes dont les deux grands bords sont substantiellement droits et parallèles.

Selon un autre mode de réalisation, les deux grands bords des fentes sont courbes, avec de préférence une concavité tournée sensiblement vers le bas de la paroi du centrifugeur en position de centrifugation.

Comme évoqué plus haut, le centrifugeur selon l'invention peut avoir aussi des orifices circulaires, et une répartition des orifices en rangées.

Ainsi la répartition des orifices dans la bande périphérique se fait de préférence en rangées disposées selon un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation du centrifugeur. La distance entre deux orifices d'une même rangée est de préférence inférieure à la projection de leur plus grande dimension sur le plan passant par la rangée en question. II est également préférable que d'une rangée à l'autre, on prévoit de décaler les orifices, avec un pas de décalage également inférieur à ladite projection.

L'invention a également pour objet des fibres minérales, notamment obtenues selon les procédés décrits plus haut et/ou avec le centrifugeur décrit plus haut, qui sont au moins pour partie de section non circulaire, et notamment de type ruban, avec de préférence un allongement A' défini par le rapport entre leur largeur L' et leur épaisseur I' d'au moins 3, notamment d'au moins 5, de préférence compris entre 4 et 1 5.

Ces fibres sont de préférence sensiblement de section de type ruban, avec une épaisseur I' comprise 3 et 1 2 jim, notamment entre 3 et 8 j'm. Leur largeur L' est de préférence comprise entre 7 et 80,ut, notamment entre 20 et 60 pu.

L'invention a également pour objet l'utilisation des fibres minérales conformes à l'invention, en vue de fabriquer des produits d'isolation thermique, acoustique ou de substrats de culture hors-sol.

L'invention sera détaillée ci-après à l'aide d'exemples non limitatifs illustrés par les figures suivantes O figure 1 : une vue partielle du dispositif de centrifugation avec étirage à chaud selon l'art antérieur, O figure 2 : une vue schématique du dispositif de centrifugation et de sa mise en oeuvre selon l'invention, O figure 3 : une vue aggrandie d'une partie du dispositif représenté à la figure 2, O figure 4 : a, b, c, d, e, f, g, h : différentes configurations d'orifices à section non circulaire de la bande périphérique du centrifugeur selon la figure 2 (photos agrandies), CI figure 5 : une vue obtenue par microscope à balayage électronique des fibres à section non circulaire obtenues par le procédé relatif aux figures 2, 3 et 4.

Les figures 1 à 4 sont très simplifiées, et ne respectent pas nécessairement les échelles entre les divers éléments représentés pour en faciliter la lecture.

La figure 1 représente donc une vue partielle du système de centrifugation interne à étirage par gaz chaud connu de l'art antérieur et décrit, notamment, dans les brevets EP-91 866, EP-91 380 et EP-1 89 354, auxquels on se reportera pour plus de détails.

Le système comprend un centrifugeur 1 fixé sur un arbre 2. L'arbre et le centrifugeur sont animés d'un mouvement de rotation rapide au moyen d'un moteur non représenté. L'arbre 2 est creux et le verre à l'état fondu s'écoule depuis les moyens d'alimentation non représentés dans l'arbre 2 jusqu'au panier 3 dans lequel se répand le verre fondu. Le panier 3 est également entraîné en rotation de sorte que le verre fondu est projeté sur la paroi périphérique 4 qui est percée d'orifices et, de là, sous forme de filets volumineux 6 sur la paroi périphérique 7 du centrifugeur 1. Cette paroi 7 est inclinée d'environ 5 à 100 par rapport à la verticale et est percée de très nombreux orifices circulaires 1 4 disposés en rangées, d'où sortent des cônes d'écoulement 8 se prolongeant en avant-fibres 15, projetés dans le courant gazeux annulaire émis par le brûleur 9. Sous l'action de ce courant, ces avantfibres s'étirent, leur portion terminale générant des fibres 10 discontinues ensuite collectées sous le centrifugeur. Le système peut en outre comporter une couronne de soufflage 11 qui crée une nappe gazeuse entourant le courant gazeux annulaire généré par le brûleur 9 et apportant un certain nombre d'avantages. On utilise également le plus souvent une couronne d'induction sous le centrifugeur 1. Dans cette configuration, on voit que les avant-fibres 1 5 issues des cônes d'écoulement 8 sont majoritairement cantonnés dans la zone 1 3 soumise aux gaz d'étirage émis par le brûleur 9, leur trajectoire tendant rapidement vers la verticale. Les caractéristiques de fonctionnement du système sont, approximativement, les suivantes + diamètre du centrifugeur : 200 mm, vitesse de rotation conventionnelle * vitesse des gaz d'étirage émis par le brûleur : environ 200 m/s * largeur de lèvre du brûleur 9 : 10 mm + température des gaz d'étirage : environ 1 50O0C + bande périphérique 7 munie de 20 rangées de 300 orifices de diamètre 1 mm
On obtient sous le centrifugeur des fibres qui, en moyenne, présentent un diamètre de 5 à 7 jim.

La figure 2 est une modification du système de centrifugation connu selon la figure 1. La modification consiste tout d'abord à avoir une bande périphérique 7' munie de 1 1 rangées de 55 orifices 14' de section non circulaire.

La géométrie de ces orifices peut prendre des formes diverses, notamment celles représentées à la figure 4, qui montre une vue agrandie d'une portion de rangée(s) d'orifices. Pour en faciliter la représentation dans un plan, la figure illustre en fait la projection de ces orifices selon un plan tangeant à la paroi du centrifugeur au niveau de l'orifice, passant par la génératrice du centrifugeur, selon un axe perpendiculaire audit plan. Aux figures 4a et 4b, il s'agit de fentes amincies à l'une de leurs extrémités, et dont le grand axe est incliné par rapport à la verticale d'un angle de 20 à 600, avec l'extrémité la plus mince soit tournée vers le haut (figure 4a), soit vers le bas (figure 4b), les termes ( haut et bas se font en référence au positionnement de la bande périphérique 7' quand le centrifugeur 1 est en position de fonctionnement, à savoir sensiblement selon un axe vertical), soit en une alternance haut et bas (figure 3c).

D'autres formes géométriques ont été utilisées : la figure 4d des fentes de forme approximativement en S, la figure 4e représente des fentes de forme rectangulaire dont le grand axe est horizontal (perpendiculaire à l'axe de rotation du centrifugeur). Les figures 4f et 4g représentent des orifices en forme de fentes courbes, avec dans le premier cas une convexité tournée vers le haut et dans le second cas une convexité tournée vers le bas (toujours avec les mêmes conventions), la figure 4h rep distingue par certaines conditions de fonctionnement du brûleur 9' : ici, la vitesse des gaz émis est moins élevée, d'environ 1 20 m/s, et la largeur de lèvre du brûleur 9' est maintenue à 10 mm (à pression de gaz constante). Des essais ont été également effectués avec une largeur de lèvre d'environ 7 mm, avec des résultats similaires.

On voit que l'écoulement du verre fondu des orifices 14' se fait de facon tout-à-fait différente de celui selon la figure 1 : ici, les avant-fibres issues des cônes d'écoulement 8' d'une part s'étendent au-delà de la zone 13' soumise aux gaz d'étirage, c'est-à-dire la zone efficace du brûleur 9' (sans pour autant atteindre celle de la couronne de soufflage). D'autre part, elles s'écartent radialement de la trajectoire habituelle, en étant animés de battements . Les orifices selon la figure 4f sont les plus avantageux pour amplifier au maximum ces battements, car ce sont eux qui, de par leur convexité orientée de manière la plus appropriée, permettent de développer des pieds de cônes 8' qui présentent la plus grande surface développée extérieure soumise aux gaz d'étirage.

Cela est représenté plus clairement à la figure 3, cette figure restant extrêmement schématique : les avant-fibres 15' issues des cônes élargis 8' se trouvent soumises à des turbulences gazeuses, notamment provenant du courant annulaire du brûleur 9, orienté sensiblement verticalement, et des courants latéraux induits 16, d'où les battements de celles-ci. Pour les caractériser, la figure 3 les représente selon un plan sensiblement vertical passant par l'axe de rotation du centrifugeur. Cette projection est telle que l'amplitude de ces battements se fait selon une direction générale (i) faisant un angle oc d'environ 10 à 200 par rapport à la verticale. On voit également que la projection montre des battements se faisant de part et d'autre d'une direction générale (ii) faisant un angle P d'environ 5 à 200 avec l'horizontale.

Bien sûr, il faut comprendre ici qu'il s'agit d'une approximation permettant de mieux appréhender ces battements, mais en fait les axes faisant respectivement des angles oc avec la verticale et P avec l'horizontale auxquels on a fait référence ne sont pas véritablement des droites, ou tout au moins ne le sont que sur une courte zone, s'étendant cependant au-delà de la zone soumise directement au courant annulaire du brûleur : ensuite les avant-fibres 1 5'reprennent une trajectoire plus conventionnelle tendant asymptotiquement vers la verticale.

En final, on obtient des fibres dont la section est de type ruban, qui ont été analysées par microscopie à balayage et dont une représentation par cette technique d'analyse est donnée en figure 5 avec quatre agrandissements différents. La section est donc pseudo-rectangulaire avec des coins arrondis, et les deux bords opposés les plus grands pouvant présenter une courbure convexe ou concave plus ou moins accentuée. (Ces fibres sont celles conformes à l'exemple 4 ci-dessous explicité).

II a été constaté en outre que leur production avait entraîné une réduction notable du coût énergétique du brûleur 9' par rapport au coût habituel, réduction pouvant être d'au moins 10 voire 20% et plus.

Ces fibres peuvent constituer des matériaux isolants plus performants thermiquement, à propriétés mécaniques/durabilité équivalente.

Trois séries d'exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ont été réalisées.

EXEMPLES 1 et 2
Ces exemples ont été réalisés à l'aide d'un centrifugeur dont la bande périphérique est percée de trois rangées d'orifices non circulaires sous forme de fentes rectangulaires dont la projection telle que définie à la figure 4 est horizontale. II s'agit des fentes représentées à la figure 4e W la largeur des fentes est désignée par L en mm, W I'épaisseur des fentes est désignée I en mm, W la distance entre deux fentes d'une même rangée est désignée par d2 en mm, W le pas de décalage d'une rangée à l'autre est désigné par d3, toujours en mm, la distance entre deux fentes voisines de deux rangées différentes est désignée par d4, en mm, W I'allongement A se définit par le rapport L/l, sans unité.

EXEMPLE 3
Cet exemple a été réalisé avec des fentes rectangulaires une fois projetées toujours selon les conventions de la figure 4, mais orientées à 450, conformément à la figure 4h.

Pour évaluer la distance entre deux fentes d'une même rangée, et le pas de décalage entre deux rangées, on fait intervenir non pas L, la largeur des fentes, mais la projection de L nommée dl selon l'axe d'alignement des fentes dans une même rangée.

EXEMPLES 4 et 5
Cet exemple a été réalisé avec les fentes à concavité tournée vers le bas représentées à la figure 4f.

Comme à l'exemple 3, on fait intervenir dl comme la projection de leur largeur L courbe sur l'axe d'alignement des fentes. En outre, intervient ici r le rayon de courbure exprimé en mm.

Le tableau ci-dessous regroupe pour chacun des exemples 1 à 5, les caractéristiques des fentes utilisées, à savoir L; I; A, dl, d2, d3, d4, r.

TABLEAU 1

<tb> <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> i <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 2 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 3 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 4 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 5
<tb> L <SEP> 6 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 4
<tb> 1 <SEP> 0,4-0,3 <SEP> 0,4 <SEP> 0,4 <SEP> 0,45-0,35 <SEP> 0,45-0,35 <SEP>
<tb> A <SEP> 15-20 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 15 <SEP> 10
<tb> dl <SEP> 6 <SEP> 4 <SEP> 2,8 <SEP> 6 <SEP> 4
<tb> d2 <SEP> 4,5 <SEP> 2,3 <SEP> 0,3 <SEP> 3 <SEP> 3
<tb> d3 <SEP> 3,5 <SEP> 3,15 <SEP> 5 <SEP> <SEP> 4,5 <SEP> 3,5
<tb> d4 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> <SEP> - <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP>
<tb> r <SEP> infini <SEP> infini <SEP> infini <SEP> 5 <SEP> 3,3
<tb>
Le fibrage est effectué avec les assiettes de centrifugation selon les cinq exemples, dans les conditions évoquées dans la description des figures 2 et 3.

Le tableau 2 ci-dessous regroupe les caractéristiques dimensionnelles des fibres obtenues selon ces 5 exemples, à savoir leur largeur L' en jim, leur épaisseur I' en ym, leur allongement A' défini par le rapport L'/l' (exprimé sous forme de gamme ou moyenné selon les cas), et, quand il a été mesuré, leur micronaire m. Le micronaire est une mesure normalisée de perte de charge (selon la norme DIN 53941 ou ASTM D 1448), exprimée sans unité (sous 5 grammes) .

TABLEAU 2

<tb> <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 1 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 2 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 3 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 4 <SEP> EX. <SEP> NO <SEP> 5
<tb> L' <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 60 <SEP> <SEP> 23 <SEP> 9 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> <SEP> 3 <SEP> <SEP> 14 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 4à8 <SEP> 4à10 <SEP> 3à6 <SEP> =6 <SEP> 2à7 <SEP>
<tb> A' <SEP> 3à6 <SEP> =3 <SEP> 3 <SEP> =2,6 <SEP> - <SEP> 5,1 <SEP> - <SEP> 3,3 <SEP>
<tb> m <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 4
<tb>
La longueur de l'ensemble des fibres obtenues est par ailleurs conventionnelle.

On constate donc que les fibres obtenues ont une section en forme de ruban et qu'elles ont un allongement A' défini selon l'invention qui est d'au moins 2,5 à 3. On voit que l'allongement A des fentes dont elles sont issues est effectivement supérieur à l'allongement A' des fibres, mais la fibre garde suffisamment la mémoire de l'allongement de la fente pour conserver cette forme de ruban. En outre, les paramètres de procédé peuvent être ajustés, suivant que l'on prévilégie un allongement maximal des fibres et/ou une optimisation de la consommation énergétique nécessaire à leur fabrication.

En conclusion, I'invention, par des modifications apportées à la fois à la géométrie du centrifugeur et aux conditions de fonctionnement du système a pu permettre l'obtention de produits différents, intéressant au moins sur le plan thermique, et/ou l'obtention d'un coût énergétique plus favorable, sans remettre en cause le principe de l'étirage à chaud par un brûleur externe, mais en l'adaptant judicieusement. II a en outre été observé que l'on pouvait, en ajustant les paramètres du procédé selon l'invention, obtenir des rendements significativement plus élevés que dans des procédés de centrifugation interne standard : on peut ainsi, avec le procédé de l'invention, obtenir des tirées supérieures à 1 kg de verre par trou de centrifugeur et par jour, notamment de l'ordre de 2 à 3 kg/trou/jour voire plus.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Procédé de formation de fibres minérales au moins pour partie de section non circulaire par centrifugation interne associée à un étirage gazeux, caractérisé en ce que le matériau à fibrer est déversé à l'intérieur d'un centrifugeur (1') dont la bande périphérique (7') est percé d'une pluralité d'orifices (14') dont au moins une partie a une section non circulaire, et en ce que l'étirage gazeux est opéré par un brûleur annulaire (9') projetant un courant de gaz à haute température, de vitesse d'au moins 80 m/s et de largeur annulaire en sortie de brûleur d'au plus 1 5 mm.

2. Procédé de formation de fibres minérales par centrifugation interne associée à un étirage gazeux à haute température, caractérisé en ce que le matériau à fibrer est déversé à l'intérieur d'un centrifugeur (1') dont la bande périphérique (7') est percée d'une pluralité d'orifices dont au moins une partie (14') sont de section non circulaire et de forme géométrique telle que les pieds des cônes d'écoulement (8') du matériau à fibrer projeté hors desdits orifices (14') par la force centrifuge présentent une surface exposée aux gaz d'étirage éjectés sensiblement le long de la bande périphérique (7') engendrant un

battement des avant-fibres (15') issues desdits cônes d'écoulement.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les battements des avant-fibres (15') projetés sur un plan sensiblement vertical passant par l'axe de rotation du centrifugeur ont leur amplitude selon un axe sensiblement vertical ou faisant un angle oc d'au plus 320 avec la verticale.

4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les battements des avant-fibres (15') projetés sur un plan sensiblement vertical passant par l'axe de rotation du centrifugeur se font de part et d'autre d'un axe sensiblement horizontal ou d'un axe, de préférence dirigé vers le bas, incliné selon un angle t3 compris entre O et 450 par rapport à un axe horizontal, en tout cas inférieur à l'angle que fait la génératrice du centrifugeur par rapport à un axe horizontal.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'étirage sont en sortie de brûleur à une température d'au moins 13000C, notamment entre 1300 et 17000C.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'étirage sont émis par un brûleur annulaire à une vitesse d'au moins 80 m/s, notamment comprise entre 80 m/s et 1 70 m/s.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz d'étirage sont émis par un brûleur annulaire (9') avec une largeur annulaire en sortie de brûleur d'au plus 10 mm, notamment comprise entre 5 mm et 8 mm.

8. Dispositif de centrifugation interne de fibres minérales, notamment apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qulll comporte au moins un centrifugeur (1') dont la bande périphérique (7') est percée au moins en partie d'orifices non circulaires (14') dont l'allongement (A) défini par le rapport entre leur grande dimension (L) et leur petite dimension (I) est d'au moins 3, notamment compris entre 5 et 15.

9. Dispositif de centrifugation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins une partie des orifices non circulaires (14') a la projection de sa grande dimension sur le plan tangeant à la paroi du centrifugeur au niveau dudit orifice et passant par sa génératrice, qui se trouve inclinée par rapport à ladite génératrice d'un angle o différent de 0, et notamment compris entre 20 et 900.

1 0. Dispositif de centrifugation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'au moins une partie des orifices non circulaires (14') se présente sous forme de fente dont la largeur est substantiellement constante.

11. Dispositif de centrifugation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'au moins une partie des orifices non circulaires (14') sont sous forme de fente présentant une symétrie axiale par rapport à l'axe de leur plus grande dimension.

1 2. Dispositif de centrifugation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie des orifices non circulaires (14') sont sous forme de fente dont au moins un des grands bords, notamment les deux grands bords, est courbe, avec notamment un rayon de courbure (r) d'au moins 2 mm, notamment compris entre 3 et 50 mm.

1 3. Dispositif de centrifugation selon la revendication 12, caractérisé en ce que les deux grands bords des fentes (14') sont courbes, avec une concavité tournée sensiblement vers le bas de la paroi (7') du centrifugeur (1') en position de centrifugation.

1 4. Dispositif de centrifugation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie des orifices non circulaires (14') sont sous forme de fente dont les deux grands bords sont substantiellement parallèles et droits.

1 5. Dispositif de centrifugation selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que la bande périphérique (7') du centrifugeur (1') comporte aussi des orifices circulaires.

1 6. Dispositif de centrifugation selon l'une des revendications 8 à 1 5, caractérisé en ce que les orifices (14') non circulaires dont est munie la bande périphérique (7') sont disposés en rangées selon un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation du centrifugeur (1'), avec une distance interorifice (d2) dans une même rangée inférieure à la projection (dl)de leur plus grande dimension (L) sur le plan de la rangée, et de préférence un pas de décalage (d3) d'une rangée à l'autre également inférieur à ladite projection (dl).

1 7. Fibres minérales notamment obtenues selon le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 7 ou avec le dispositif selon l'une des revendications 8 à 16, caractérisées en ce qu'elles sont au moins pour partie de section non circulaire, et notamment de section de type ruban, avec un allongement (A') définit par le rapport entre leur largeur (L') et leur épaisseur (I') d'au moins 2, notamment d'au moins 3, notamment d'au moins 5, de préférence compris entre 4 et 1 5.

1 8. Fibres minérales selon la revendication 17, caractérisées en ce qu'elles sont sensiblement de section de type ruban, avec une épaisseur (I') comprise entre 3 et 1 2 jim, notamment entre 3 et 8 jim.

1 9. Fibres minérales selon la revendication 1 7 ou la revendication 18, caractérisées en ce qu'elles sont sensiblement de section de type ruban, avec une largeur (L') comprise entre 7 et 80,ut, notamment entre 20 et 60,ut.

20. Utilisation des fibres minérales selon l'une des revendications 1 7 à 1 9 à la fabrication de produits d'isolation thermique, acoustique ou de substrats de culture hors-sol, ou en tant que fibres de renforcement de matrice de type béton ou de type polymère, ou à la fabrication de revêtement fibreux non tissé, de voiles.