FR2773555A1 - Procede de fusion et d'affinage de matieres vitrifiables - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fusion et d'affinage de matières vitrifiables, tel que tout ou partie de l'énergie thermique nécessaire à la fusion desdites matières vitrifiables est apportée par la combustion de combustible (s) fossile (s) avec au moins un gaz comburant, le (s) dit (s) combustibles/ gaz ou les produits gazeux issus de la combustion étant injectés sous le niveau de la masse des matières vitrifiables (7). L'affinage des matières vitrifiables après fusion comprend au moins une étape de mise sous pression sous-atmosphérique.L'invention concerne également le dispositif de mise en oeuvre du procédé et ses applications.

Description

PROCEDE DE FUSION ET D'AFFINAGE
DE MATIERES VITRIFIABLES
L'invention concerne un procédé de fusion et d'affinage de matières vitrifiables en vue d'alimenter en verre fondu en continu des installations de formage du verre.

Sont plus particulièrement visées les installations de formage de verre plat comme les installations float ou de laminage, mais aussi les installations de formage de verre creux du type bouteille, flacon, de fibres de verre du type laine minérale d'isolation thermique ou phonique ou encore de fils de verre textile dits de renforcement.

Beaucoup de travaux de recherche ont porté sur ces procédés comportant schématiquement une première étape de fusion, suivie d'un affinage destiné à conditionner thermiquement et chimiquement le verre fondu, à en supprimer les infondus, les bulles, toute cause de défauts apparaissant après formage.

Dans le domaine de la fusion, on a ainsi cherché, par exemple, à accélérer la fusion, ou à en améliorer le rendement énergétique. On peut ainsi citer le procédé consistant à échauffer rapidement, de manière homogène et contrôlée les matières vitrifiables, en opérant un intense brassage mécanique permettant de mettre intimement en contact les matières vitrifiables encore solides avec la phase déjà liquide. Ce procédé est notamment détaillé dans les brevets FR-2 423 452, FR-2 281 902, FR-2 340 911, FR-2 551 746, et utilise généralement des moyens de chauffage électriques du type électrodes immergées.

Un autre type de procédé de fusion a été développé, par exemple du type de ceux décrits dans les brevets US-3 627 504, US-3 260 587 ou US-4 539 034, consistant à utiliser comme moyens de chauffage des brûleurs immergés, c'est-à-dire des brûleurs alimentés en gaz et en air, généralement disposés de manière à affleurer au niveau de la sole de facon à ce que la flamme se développe au sein même de la masse des matières vitrifiables en cours de liquéfaction.

Dans un cas comme dans l'autre, si l'on parvient effectivement à diminuer très significativement le temps de séjour des matières vitrifiables dans la chambre de fusion, à augmenter considérablement le rendement de production par rapport à des fusions classiques , en revanche, le verre en fusion se présente sous forme d'une mousse qu'il est délicat d'affiner : il est notamment difficile de garantir la même qualité au verre final, notamment optique.

Des recherches ont également été faites dans le domaine de l'affinage.

Ainsi, il est par exemple connu du brevet EP-775 671 et du brevet US-4 919 697 d'opérer au moins une partie de l'affinage sous pression réduite, ce qui a permis par exemple l'obtention de verres très pauvres en sulfates, à fort rédox.

Cependant, un tel affinage provoque un moussage intense, qui peut être délicat à contrôler et éliminer.

L'invention a alors pour but l'amélioration de procédés de fusion et d'affinage, visant notamment à utiliser des installations plus compactes et/ou à être plus souples de fonctionnement, et/ou de plus grand rendement de production, etc..., sans que ces avantages industriels soient obtenus au détriment de la qualité du verre produit.

L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de fusion et d'affinage de matières vitrifiables qui se caractérise par la combinaison de deux caractéristiques

d'une part, tout ou partie de l'énergie thermique nécessaire à la fusion des matières vitrifiables est apportée par la combustion de combustible(s) fossile(s) avec au moins un gaz comburant, lesdits combustibles/gaz ou les produits gazeux issus de la combustion étant injectés sous le niveau de la masse des matières vitrifiables,

d'autre part, L'affinage des matières vitrifiables après fusion comprend au moins une étape de mise à une pression sous-atmosphérique.

II s'est avéré qu'il y avait en fait une synergie extrêmement avantageuse sur le plan industriel entre l'utilisation d'une fusion appelée ci-après par brûleurs immergés pour plus de simplicité et celle d'un affinage à pression réduite.

Cependant, cette combinaison était loin de s'imposer comme une évidence, et on aurait pu s'attendre à ce que tous ces avantages détaillés ciaprès ne s'obtiennent qu'au prix d'une qualité de verre médiocre, ce qui n'a pas été le cas. En effet, si le principe d'un affinage à pression réduite était connu dans sa généralité, il restait délicat à utiliser, et on n'était pas sûr d'obtenir le même taux résiduel en bulles/infondus tolérable qu'avec un affinage classique. Or dans l'invention, on utilise cet affinage très particulier en changeant un paramètre de taille, à savoir qu'au lieu d'alimenter la zone d'affinage en verre fondu classique à affiner, on l'alimente ici en fait en un verre obtenu par fusion par brûleurs immergés, c'est-à-dire en verre aux caractéristiques tout-à-fait particulières en ce sens qu'il est globalement mousseux, avec une densité relativement faible par rapport à celle d'un verre standard. Rien ne laissait supposer que l'on pourrait affiner à pression réduite un verre relativement mousseux au départ.

Or de manière surprenante, cela s'est avéré possible car on a découvert que ce verre mousseux issu d'une fusion par brûleurs immergés présentait également la caractéristique de ne contenir qu'extrêmement peu de sulfates, que l'on en ait ou non au départ. On a en effet généralement moins de 100 ppm de sulfate exprimé en poids en S03 dans le verre sortant de la chambre de fusion, et cela sans avoir à contrôler, réduire le taux de sulfate contenu habituellement dans les matières premières utilisées, de manière involontaire, voire même en ajoutant volontairement des sulfates aux matières vitrifiables.

Et c'est ce faible taux de sulfate qui permet d'affiner efficacement sous pression réduite sans problème. Dans le cas contraire, une teneur importante ou simplement standard en sulfate dans le verre à affiner aurait provoqué lors de l'affinage à pression réduite une très forte expansion de la mousse par désulfatation, expansion qui aurait été tout-à-fait délicate à contrôler, à maîtriser. Cette quasi absence de sulfate dans le verre en sortie de chambre de fusion peut notamment s'expliquer par la pression partielle d'eau générée par la combustion par brûleurs immergés au sein des matières vitrifiables.

A noter également une autre caractéristique très avantageuse du verre en sortie de chambre de fusion selon l'invention : s'il est effectivement sous forme d'une sorte de mousse qu'il reste à affiner, on peut contrôler la taille des bulles qu'il contient, et notamment supprimer quasiment toutes les bulles les plus petites, c'est-à-dire de diamètre d'environ moins de 200 pm, en effectuant sur ce verre lors de sa fusion une sorte de micro-affinage préalable au véritable affinage suivant la fusion, micro-affinage facilitant la coalescence des bulles, la disparition des plus petites bulles au profit des plus grosses et favorisé par l'ajout dans les matières vitrifiables d'agents d'aide à l'affinage du type coke ou sulfates. En outre, ce verre en sortie de chambre de fusion a généralement un taux résiduel d'infondus particulièrement faible, ce qui là encore, tout comme la taille des bulles, facilite l'opération d'affinage suivant la fusion.

L'invention permet donc d'avoir des verres très pauvres en sulfate avant même l'opération d'affinage, donc des verres au moins aussi pauvres, voire encore appauvris en sulfate après affinage, et ceci sans avoir à purifier/sélectionner des matières vitrifiables pour qu'elles aient peu de sulfate.

Au contraire, on peut même ajouter du sulfate au départ, ce qui est tout-à-fait étonnant et avantageux.

Un effet avantageux obtenu par la combinaison selon l'invention, concerne le coût énergétique du procédé : la fusion par brûleurs immergés permet de ne pas avoir recours à la fusion électrique du type électrodes immergés, dont le coût peut être très significatif suivant les pays. En outre, et c'est le point le plus important, la fusion par brûleurs immergés crée un brassage convectif au sein des matières vitrifiables en cours de liquéfaction, comme détaillé par la suite. Ce mélange très fort entre matières non encore liquéfiées et celles qui sont déjà en fusion est extrêmement efficace, et permet d'obtenir une fusion, à matières vitrifiables de composition chimique identique, à température moins élevée et/ou beaucoup plus rapide qu'avec des moyens de chauffage traditionnels. Et un affinage sous pression réduite permet également d'affiner le verre à température moins élevée, et de manière beaucoup plus rapide. En effet, en abaissant la pression lors de l'affinage, on provoque une augmentation du volume molaire des gaz contenus dans les matières vitrifiables en fusion, d'où une augmentation de volume des bulles qu'elles contiennent et en conséquence une augmentation de leurs vitesses d'ascension vers la surface du bain et leur évacuation.

En affinant à pression réduite, on peut se permettre de travailler à température plus basse que dans des affinages classiques, justement dans les températures moins élevées utilisées avec la technique de fusion par brûleurs immergés,
Les températures rencontrées à la fois dans la fusion et l'affinage selon l'invention sont donc tout-à-fait compatibles et adaptées les unes aux autres, et globalement moins élevées que dans des procédés usuels, ce qui est très intéressant économiquement, simplement en terme de coût énergétique, mais également par le choix des matériaux du type réfractaires entrant dans la fabrication des installations : moins chauds, ils se corrodent moins vite.

Les temps de séjour dans la zone de fusion et dans celle de l'affinage sont également très significativement réduits et compatibles, ce qui est évidemment très positif sur le rendement de production, sur la tirée de l'installation dans son ensemble. Parallèlement, I'invention permet d'obtenir des installations très compactes : en effet, la fusion par brûleurs immergés, toujours grâce au brassage très fort qu'elle provoque, permet de réduire considérablement la taille de la chambre de fusion. Et l'affinage sous pression réduite a les mêmes conséquences sur la taille du ou des compartiments où s'effectue cette opération : globalement, I'installation peut donc être très compacte, avec des gains clairs en termes de coût de construction, de simplification de fonctionnement, de réduction de l'usure des matériaux de construction,
En ce qui concerne l'opération de fusion, le comburant choisi peut être selon l'invention à base d'air, d'air enrichi en oxygène ou même substantiellement à base d'oxygène. Une forte concentration en oxygène dans le comburant est en effet avantageux pour différentes raisons : on diminue ainsi le volume des fumées de combustion, ce qui est favorable sur le plan énergétique et ce qui évite tout risque d'une fluidisation excessive des matières vitrifiables pouvant provoquer des projections sur les superstructures, voûtes de la chambre de fusion. En outre, les flammes obtenues sont plus courtes, plus émissives, ce qui permet un transfert plus rapide de leur énergie vers les matières vitrifiables, et accessoirement de diminuer si on le souhaite la profondeur du bain de matières vitrifiables en cours de liquéfaction. On parle ici de flammes , mais ce ne sont pas forcément des flammes au sens habituel du terme. On peut parler plus généralement, comme dans la suite du texte, de combustions . En outre, toute éventuelle émission de gaz NOx polluant est ainsi réduite au minimum.

Avantageusement, la fusion s'effectue selon l'invention dans au moins une chambre de fusion que l'on équipe de brûleurs disposés de façon à ce que leur combustion ou gaz de combustion se développent dans la masse des matières vitrifiables en cours de fusion. On peut ainsi les faire traverser ses parois latérales, la sole et/ou les suspendre par le dessus, en les accrochant à la voûte ou à toute superstructure appropriée. Ces brûleurs peuvent être tels que leurs conduits d'amenée des gaz affleurent la paroi qu'ils traversent. II peut être préférable que ces conduits entrent au moins en partie dans la masse des matières vitrifiables, de manière à éviter que les flammes ne soient à trop grande proximité des parois et n'entraînent des usures prématurées des matériaux réfractaires. On peut aussi choisir de n'injecter que les gaz de combustion, les combustions étant réalisées hors de la chambre de fusion à proprement dite.

Comme évoqué plus haut, il s'est avéré que ce mode de chauffage provoquait par convection un brassage intense des matières vitrifiables des boucles de convection se forment ainsi de part et d'autre des combustions ou flammes ou courants de gaz de combustion, mêlant en permanence matières fondues et non encore fondues de manière très efficace. On retrouve ainsi les caractéristiques très favorables d'une fusion agitée , sans avoir recours à des moyens d'agitation mécaniques peu fiables et/ou susceptibles d'usure rapide.

De préférence, on règle la hauteur de la masse des matières vitrifiables dans la chambre de fusion ainsi que celle sur laquelle se développent les combustions ou gaz issus de la combustion pour que ces combustions/gaz restent dans la masse desdites matières vitrifiables : le but est de laisser s'établir ainsi les boucles de circulation convective dans la matière en cours de liquéfaction.

De manière générale, ce type de fusion permet de réduire considérablement l'émission de tout type de poussières au niveau de la chambre de fusion, et de gaz type NOx car les échanges thermiques se font très vite, évitant les pics de températures susceptibles de favoriser la formation de ces gaz. Il réduit également considérablement l'émission des gaz de type COx.

On peut optionnellement prévoir de faire précéder la fusion par une étape de préchauffage des matières vitrifiables, à une température cependant nettement inférieure à celle nécessaire pour les liquéfier, par exemple à au plus 9000C. Pour réaliser ce préchauffage, on peut avantageusement récupérer l'énergie thermique des fumées. En les épuisant ainsi thermiquement, on peut globalement diminer la consommation énergétique spécifique de l'installation.

Les matières vitrifiables peuvent comprendre des matières premières, mais aussi du calcin, voire des déchets destinés à être vitrifiés. Elles peuvent comprendre également des éléments combustibles (organiques) : on peut ainsi recycler, par exemple, des fibres minérales ensimées, avec liant.

Le procédé selon l'invention peut fonctionner avec un taux de calcin élevé.

Comme mentionné plus haut, l'affinage selon l'invention est donc opéré sur des matières vitrifiables en fusion du type verre à l'état mousseux.

Typiquement, cette mousse a une densité d'environ 1 à 2 par exemple < à comparer à une densité de l'ordre de 2,4 pour du verre non mousseux), de préférence un taux de sulfate d'au plus 100 ou même d'au plus 50 ppm exprimé en poids de S03 et une majorité de bulles de diamètre d'au moins 200 ,um.

Pour améliorer les performances de l'affinage, on ajoute de préférence aux matières vitrifiables des additifs d'aide à l'affinage divers, le but était notamment de faire disparaître du verre les bulles de diamètre inférieur à 200 ,um dès le stade de la fusion, comme évoqué plus haut. Il peut s'agir d'additifs réducteurs, tel que le coke (qui permet aussi d'ajuster le rédox du verre). Dans ce cas, il est avantageux de sélectionner de la poudre de coke de granulométrie moyenne inférieure à 200,um. II peut aussi s'agir de sulfates.

L'affinage sous pression réduite provoque une croissance des bulles, le but étant que cette croissance se fasse rapidement, et que l'on puisse évacuer, faire éclater les bulles en surface du bain de verre facilement. D'autres additifs d'aide à l'affinage seront plutôt efficaces lors du stade d'affinage à proprement parlé, après celui de la fusion. Ils permettent notamment de déstabiliser la mousse : il s'agit par exemple de fluor ou composé fluoré, ou encore de nitrate du type NaNO3 : le fluor paraît abaisser la viscosité du verre, il permettrait ainsi de faciliter le drainage des films qui se forment entre les bulles, drainage favorisant l'effondrement de la mousse. Il abaisse aussi la tension de surface du verre.

Un autre facteur influençant la facon dont s'opère la croissance des bulles lors de l'affinage sous pression réduite est la nature des gaz au-dessus de la matière en fusion. On peut bien sûr choisir simplement une pression partielle d'air. On peut aussi choisir d'enrichir l'atmosphère en gaz inerte du type azote, voire de ne choisir une pression partielle qu'en gaz inerte du type azote. On s'est en effet apercu que choisir une pression résiduelle en gaz inerte du type azote était favorable à l'éclatement des bulles en surface lors de l'affinage. En fait, c'est la trop forte concentration en gaz oxydant type O2 qui paraît défavorablement tendre à freiner cet éclatement.

Avantageusement, la pression sous-atmosphérique dans laquelle s'effectue au moins une partie de l'affinage est inférieure ou égale à 0,5 atmosphère (0,5.105 Pa), notamment de l'ordre de 0,3 à 0,01 atmosphère (environ 3.104 à 0,1.103 Pa).

Avantageusement, le procédé selon l'invention permet d'opérer la fusion et/ou l'affinage à des températures n'excédant pas 1400 C, notamment d'au plus 1380 ou 13500C.

L'affinage selon l'invention, selon une première variante, peut être fait dans au moins un compartiment statique (immobile en fonctionnement) en aval de la chambre de fusion et dont au moins une zone est mise sous pression réduite.

Selon une seconde variante, l'affinage est opéré toujours en aval de la chambre de fusion, mais dans un compartiment susceptible d'être mis en rotation afin d'assurer l'affinage par centrifugation, avec au moins une zone dudit compartiment notamment la plus amont, mise sous pression réduite.

Une troisième variante consiste à combiner les deux précédentes, notamment en utilisant pour l'affinage un premier compartiment statique avec une zone sous pression réduite, puis un second en rotation comprenant également une zone sous pression réduite, de préférence plus réduite que dans le compartiment statique.

(Dans le cadre de l'invention, les termes amont et aval se réfèrent à la direction de l'écoulement du verre dans l'installation depuis l'enfournement des matières vitrifiables dans la chambre de fusion jusqu'à l'extraction du verre affiné).

Le procédé de fusion/d'affinage selon l'invention permet de fabriquer des verres de compositions et de propriétés très variées. Du fait de sa faible inertie, il permet d'ailleurs de passer d'une composition à une autre avec des temps de transition très courts.

II permet ainsi de fabriquer des verres relativement réduits, présentant notamment un rédox supérieur ou égal à 0,3. (On définit le rédox comme le rapport de la teneur en pourcentage en poids de fer ferreux FeO sur la teneur en fer total pondéral de la composition exprimée sous forme de Fe2O3).

II permet également de fabriquer des verres à taux de SiO2 élevé, par exemple d'au moins 72 ou même au moins 75% en poids, verres généralement difficiles à fondre, mais intéressants, notamment en termes de coût de matières premières, du fait qu'ils sont de faible densité, et qu'ils présentent une très bonne compatibilité avec des matériaux plastiques. II permet aussi de fabriquer des verres assez particuliers, à fort taux d'oxyde d'alcalino-terreux, par exemple contenant au moins 18% en poids de CaO, pourtant assez corrosifs avec les procédés de fusion traditionnels à plus haute température que dans l'invention, ainsi que des verres à faible taux d'oxyde de sodium, d'au plus 11% en poids par exemple, ou à très faible taux de sulfates, d'au plus 100 ppm par exemple. Des verres contenant du fer, de rédox élevé mais à teneur en sulfate faible permettent également l'obtention de verres à couleur résiduelle dans les bleus, particulièrement esthétique et recherchée dans le domaine du verre plat pour l'automobile et pour le bâtiment par exemple. On peut ainsi obtenir des verres anti-solaires très sélectifs, sur lesquels on peut déposer des couches anti-solaires pour en renforcer les performances thermiques, du type TiN par exemple, couches décrites notamment dans les brevets EP-638 527 et EP-511 901.

L'invention a également pour objet un dispositif de fusion et d'affinage, notamment adapté pour la mise en oeuvre du procédé décrit plus haut, et qui comporte

au moins une chambre de fusion équipée de brûleurs alimentés en combustibles fossile(s) du type gaz (naturel) et en comburant(s) du type air ou oxygène, lesdits brûleurs étant disposés de facon à injecter ces gaz ou les gaz issus de la combustion sous le niveau de la masse des matières vitrifiables introduite dans ladite chambre de fusion,

au moins un compartiment d'affinage en aval de la chambre de fusion et comprenant au moins une zone susceptible d'être mise à pression sousatmosphérique.

Selon une première variante évoquée plus haut, le compartiment d'affinage est statique et en élévation (c'est-à-dire d'une hauteur significativement plus importante que ses dimensions au sol). Ce compartiment comprend une cloison interne sensiblement verticale qui délimite en combinaison avec les parois internes du compartiment au moins deux canaux. II s'agit successivement d'un premier canal imposant aux matières vitrifiables en fusion un trajet ascendant puis d'un second canal imposant auxdites matières vitrifiables un trajet descendant, le premier canal étant de préférence celui qui est mis à pression sous-atmosphérique. On crée ainsi une sorte de siphon pour le verre à affiner. Ce compartiment est avantageusement équipé de moyens de réglage/régulation de la perte de charge des matières vitrifiables en fusion à l'entrée du compartiment d'affinage. De même, on prévoit d'ajuster la hauteur du compartiment d'affinage en fonction de différents critères, notamment en fonction du niveau de dépression choisi dans la zone sous pression réduite.

Selon une seconde variante, le compartiment d'affinage comporte au moins un appareil susceptible d'être mis en rotation pour assurer l'affinage par centrifugation, les parois internes dudit appareil délimitant sensiblement la forme d'un cylindre creux vertical au moins dans sa partie médiane.

Avantageusement, L'appareil comporte une zone dite supérieure à pression sous-atmosphérique et une zone dite inférieure laissée à pression ambiante, et séparées l'une de l'autre par un ou plusieurs moyens mécaniques du type plaque métallique percée d'orifice(s).

Selon une conception préférée, L'appareil est alimenté en partie supérieure en matières vitrifiables en fusion pour un moyen d'amenée statique du type canal d'écoulement. Ces moyens d'amenée peuvent comprendre au moins un compartiment mis sous pression réduite pour permettre l'alimentation de l'appareil et/ou opérer un premier affinage.

II faut prévoir des moyens d'étanchéité assurant la jonction entre l'extrémité de ce canal/ces moyens d'amenée et l'appareil, moyens du type joint dynamique ou joint tournant, comme détaillé ultérieurement.

L'appareil est avantageusement muni de moyens de piégeage de particules solides de densité supérieure à celle du verre, moyens notamment localisés dans sa zone inférieure et sous forme d'encoches/de rainures pratiquées dans ses parois internes. De préférence, on sélectionne la vitesse de rotation de l'appareil entre 100 et 1 500 tours par minute.

L'appareil peut également être muni de moyens mécaniques fixes ou suivant sa rotation, et aptes à cisailler la mousse et à l'entraîner du haut vers le bas, vers la zone inférieure de l'appareil d'où le verre affiné est soutiré.

Ces moyens sont notamment sous forme de déflecteurs percés, d'ailettes, disposées dans la zone supérieure dudit appareil.

Ce type d'affinage centrifuge avec passage dans une zone à pression réduite est particulièrement efficace. En effet, la pression réduite va permettre d'assurer une croissance la plus forte possible des bulles avant l'affinage à proprement dit par centrifugation : les bulles s'éliminent d'autant plus vite dans l'appareil que leur diamètre est important. La pression réduite va également permettre de diminuer davantage la teneur en sulfate résiduelle du verre produit. A noter qu'un verre désulfaté (cette remarque vaut aussi pour la première variante où l'affinage se fait en statique), donne moins de problèmes de composés volatils dans le bain float, moins de risque de formation de sulfure d'étain et donc en final moins de risque de défaut d'étain sur la feuille de verre. Cela garantit aussi l'absence de sulfures dans le cas de verres réduits, notamment des sulfures de fer donnant des couleurs résiduelles jaunes/ambres peu souhaitées ou des inclusions de sulfure de nickel, qui peuvent provoquer la casse du verre lors de traitements thermiques du type trempe.

L'affinage centrifuge comportant une phase de pression réduite est particulièrement indiqué dans le cas de l'affinage du verre relativement mousseux.

L'invention sera ci-après détaillée à l'aide de deux modes de réalisation non limitatifs, illustrés par les figures suivantes
O figure 1: une installation schématique de fusion/affinage utilisant un dispositif d'affinage statique,
Ci figure 2 : une installation schématique de fusion/affinage utilisant un dispositif d'affinage par centrifugation.

O figure 3 : une vue agrandie du dispositif d'affinage de l'installation selon la figure 2.

Ces figures ne sont pas nécessairement à l'échelle et pour plus de clarté sont extrêmement simplifiées.

Les dispositifs décrits ci-après sont adaptés pour fondre et affiner des verres de compositions très variées, ici des verres destinés à alimenter une installation float pour produire du verre plat. Mais cette application n'est pas limitative.

Outre, bien sûr, tous les verres standards du type silico-sodo-calcique, différents types de verres spéciaux sont particulièrement intéressants à fabriquer avec les dispositifs selon l'invention, notamment ceux jugés jusque-là difficiles à fondre

les verres à faible taux de Na2O et relativement fort taux d'oxyde alcalinoterreux, notamment de CaO, avantageux sur le plan économique en termes de coût de matières premières, mais assez corrosifs aux températures de fusion conventionnelles et relativement durs à fondre par des procédés classiques Il peut s'agir des compositions de verre par exemple décrites dans le brevet
FR97/08261 du 1 er juillet 1997, telles que (% pondéraux) :
SiO2 72-74,3%
Al2O3 0-1,6%
Na2O 11,1-13,3%
K20 0-1,5%
CaO 7,5-1 0%
MgO 3,5-4,5%
Fe2O3 0,1-1 % ou encore de compositions du type (exprimées en pourcentages pondéraux) :
SiO2 66-72, notamment 68-70%
Al2O3 0- 2%
Fe2O3 0-1%
CaO 15-22%
MgO 0-6, notamment 3-6%
Na2O 4-9, notamment 5-6%
K20 0-2, notamment 0-1 %
S03 traces
Un exemple illustrant cette famille de compositions est le suivant
SiO2 69%
Al2O3 1%
Fe2O3 0,1 %
CaO 18,9%
MgO 5%
Na2O 5,6%
K20 0,3%
SO3 traces
Ce verre présente une température inférieure de recuisson appelée également strain point de 5900C (température à laquelle le verre a une viscosité de 1014.5 poises). II a aussi une température de liquidus de 12250C, une température T(log2) de 1431 0C et une température T(log3,5) de 1 1 400C [T log(2) et T log(3,5) correspondent aux températures que le verre a respectivement quand il atteint en poises une viscosité de log2 ou log3,5].

des verres à fort taux de silice, eux-aussi intéressants sur le plan économique, et avec une relativement faible densité dont le domaine de compositions, toujours exprimé en pourcentages pondéraux, est le suivant
SiO2 72 à 80%
CaO + MgO + BaO 0, 3 à 14%
Na2O 11 à 17% oxydes alcalins 11 à 18,5%
Al203 0,2 à 2%
B203 0 à 2%
Fe203 O à 3%
SO3 traces éventuellement coke 0- 600 ppm et éventuellement des oxydes colorants oxyde de Ni, Cr, Co, ...) (Ces verres ont la particularité d'être particulièrement visqueux).

Un exemple illustrant cette famille de compositions est le suivant
SiO2 76,4%
Fe203 0,1 % AI
I'industrie électronique. On peut pour de telles compositions se reporter notamment aux brevets EP-526 272 et EP-576 362.

D'autres verres, notamment à faible taux de MgO du type de ceux décrits dans les brevets EP-688 741 et W096/00194 peuvent également être fabriqués par le procédé de l'invention.

Un premier mode de réalisation est donc représenté à la figure 1 : un canal 1 permet à la fois d'introduire les matières vitrifiables dans la chambre de fusion 2 par la voûte 3 et d'évacuer les fumées de combustion. Ces fumées vont préchauffer les matières vitrifiables, on récupère ainsi leur énergie thermique. La sole 4 de la chambre est équipée de rangées de brûleurs 5 qui la traversent et pénètrent dans la chambre de fusion sur une hauteur réduite. Les brûleurs 5 sont de préférence munis de moyens de refroidissement non représentés, du type boite à eau. Les brûleurs 5 en fonctionnement développent des combustions dans des zones 6, créant à leur proximité des courants de convection au sein de la matière vitrifiable en cours de liquéfaction. Ce brassage convectif crée une mousse qui va transférer l'énergie thermique dans l'ensemble du bain 7. La fusion s'effectue de préférence vers 13500C, par exemple pour un verre standard de la famille des verres silicosodo-calciques. Le verre mousseux fondu est ensuite soutiré en partie basse par un canal 8 muni d'un moyen de réglage de perte de charge du type poinçon non représenté. On contrôle ainsi la perte de charge du verre mousseux entrant dans le compartiment d'affinage statique 9. Ce compartiment comporte des parois latérales 10, une paroi de fond 1 1 au même niveau que la sole de la chambre de fusion, et une paroi supérieure 1 2 délimitant un volume intérieur sensiblement parallélépipédique. Est également prévue une cloison 1 3 fixée à la paroi du fond 1 1 mais laissant un passage en partie supérieure. Cet ensemble définit aussi un canal 1 4 imposant au verre un trajet ascendant, puis un canal 1 5 imposant au verre un trajet descendant.

Dans la partie la plus haute 16, se forme un niveau de verre H.

Le verre affiné est ensuite soutiré par un canal 1 7 venant alimenter un compartiment 1 8 amenant le verre vers l'installation de formage de type float non représentée.

Dans le compartiment d'affinage, on met la zone du canal 1 4 sous pression réduite, par exemple 0,3 atmosphère. Le verre mousseux provenant du canal 8 va alors monter dans ce canal, les infondus résiduels éventuels étant progressivement digérés et les bulles croissant en taille au fur et à mesure qu'elles s'élèvent dans le canal. Le taux d'expansion de la mousse reste cependant très modéré, grâce au fait que la mousse issue de la chambre de fusion 3 possède un très faible taux de sulfate résiduel. En zone 16, les bulles viennent éclater à la surface H, la mousse disparaît rapidement, et le verre globalement affiné redescend alors le long du canal 15. Si nécessaire, on peut prévoir dans cette zone 1 6 des moyens auxiliaires de chauffage, du type brûleurs conventionnels ou résistances électriques accrochés à la paroi 12, et éventuellement des moyens mécaniques, non représentés, destinés à faciliter l'éclatement des bulles du type barrage.

Pour donner un ordre de grandeur, on peut prévoir que la hauteur h du compartiment d'affinage est de l'ordre de quelques mètres, par exemple 3 mètres pour la pression réduite de 0,3 atm. choisie.

Les figures 2 et 3 représentent le second mode de réalisation. Pour plus de simplicité, ne sera pas à nouveau décrite la chambre de fusion 2, qui est de même conception que celle représentée à la figure 1.

La différence principale réside dans la façon dont le verre est soutiré de la chambre de fusion. Dans le cas de la figure 2, le verre est soutiré un peu plus haut , avec un conduit d'amenée 20 se décomposant en une première partie horizontale 20(a), une seconde partie verticale 20(b) et une troisième partie horizontale 20(c) débouchant dans l'appareil du centrifugeur 21. Pour permettre la montée du verre dans le canal et d'alimenter ainsi le centrifugeur, il est nécessaire de mettre au moins la zone 20(b) du canal sous pression réduite modérée, par exemple sous 0,5 atmosphère. Une autre variante consiste à ce que le verre en fusion soit soutiré de la chambre de fusion en partie supérieure, par exemple à l'aide d'une gorge immergée comme cela est bien connu dans le domaine verrier.

La figure 3 se concentre sur la zone horizontale 20(c) du canal d'amenée du verre mousseux en fusion 20 soutiré de la chambre de fusion 2, qui alimente en verre le corps du centrifugeur 21. Celui-ci présente une partie supérieure 22 comprise entre la pièce 23 et la plaque métallique 24, et une partie inférieure 30 se situant sous la plaque métallique 24. La pièce 23 est creuse, c'est un cylindre muni de lumières permettant de réguler le débit, la perte de charge du verre entrant dans le centrifugeur 21. Le verre pénètre aussi dans la partie supérieure 22 où l'on établit un vide partiel de par exemple 0,1 bar ou atmosphère. Se pose la question de la jonction 25 entre la partie statique du canal 20 et la partie mise en rotation du corps 21.

Une première solution consiste à adopter un joint dynamique . Le verre mousseux sortant de la pièce creuse 23 va sous la force centrifuge tendre à monter dans la zone 26 et à sortir spontanément par l'espace laissé libre au niveau de la jonction 25 : c'est ainsi le verre lui-même, qui, éjecté en continu, assure l'étanchéité On peut prévoir de limiter, réguler le débit du verre éjecté en modulant l'espace entre l'ensemble mobile 21 et l'ensemble fixe 20.

Une autre solution consiste à disposer dans la jonction 25 un joint dit tournant de composition adaptée. Le verre s'écoule ensuite par les orifices de la plaque 24 dans la zone 23 munie d'un tuyau de mise à l'air 27. Cette plaque, tout au moins pour les parties complètement immergées dans le verre, peut avantageusement être en molybdène. Le garnissage extérieure des parois internes du corps du centrifugeur peut être constitué de pièces réfractaires électrofondues 32 comportant un isolant thermique 31 incorporé de facon à ce que celui-ci ne soit pas écrasé par la force centrifuge. Est également prévue une encoche, rainure 28 faisant le tour de la paroi interne de la partie 30 (ou discontinue), qui permet de piéger toutes les particules solides de densité supérieure à celle du verre, du type inclusions de réfractaires. En effet,
I'écoulement de bas en haut du verre dans le centrifugeur se fait de la facon suivante : la plaque 24 décompose le centrifugeur en deux parties, autorise une centrifugation du verre en couche mince réduisant la hauteur de l'appareil par rapport à celle qui serait nécessaire sans celle-ci et sans l'application d'une pression réduite. Une des conditions pour que le verre circule correctement de bas en haut est que la pression du verre correspondant à la distance entre les sommets des deux paraboles soit supérieur à la somme des pertes de charge et de l'écart entre la pression réduite de la partie 22 et la pression ambiante de la partie 23, ce qui est réalisable. Le verre s'écoulant à travers la plaque 24 va donc se plaquer en couche mince contre les parois internes de la partie 30, les particules solides plus denses que le verre sont alors projetées contre les parois et piégées dans les rainures 28 d'où elles ne peuvent plus ressortir. Les bulles par contre croissent et viennent par action centripète éclater vers l'intérieur du corps du centrifugeur. En final, on soutire dans la partie la plus basse de la partie 30 le verre affiné par un canal dont la tête à une forme approximativement d'entonnoir 29. En condition standard de fonctionnement, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens de réchauffage du verre, la vitesse de rotation peut être de l'ordre de 700 tours par minute et la hauteur h du centrifugeur de par exemple 1 à 3 mètres.

Dans un cas comme dans l'autre (affineur statique ou centrifuge), on voit qu'on peut compacter de manière spectaculaire la taille des dispositifs de fusion/affinage disponibles actuellement. A noter en outre qu'il est avantageux que le vide partiel, aussi bien dans le cas de l'affineur statique que de l'affineur centrifuge, soit un vide d'azote, facilitant l'éclatement des bulles et moins dommageable pour les pièces métalliques comme la pièce 24 de l'affineur centrifuge. On a aussi intérêt à ajouter aux matières vitrifiables des agents d'aide à l'affinage dont le rôle a été décrit plus haut, notamment du coke à faible granulométrie, du sulfate, du nitrate ou du fluor.

II est important de souligner que, même si la combinaison d'une fusion par brûleurs immergés avec un affinage utilisant une mise sous pression partielle est extrêmement avantageuse, I'invention porte aussi sur ces deux aspects pris séparément. On peut ainsi avec avantage utiliser le mode de fusion par brûleurs immergés avec un affinage standard, et réciproquement utiliser un affinage avec mise sous pression réduite suivant une fusion par des moyens de chauffage conventionnels, tout en restant dans le cadre de l'invention, même si l'on n'obtient plus alors la synergie soulignée plus haut.

A noter également que l'on peut utiliser avantageusement le mode de fusion par brûleurs immergés sans plus avoir du tout recours à un affinage au sens habituel du terme. Cela peut être le cas dans le domaine du fibrage, où l'on peut envisager d'alimenter les machines de fibrage par centrifugation interne directement en verre mousseux obtenu par fusion par brûleurs immergés, la centrifugation imposée par cette technique de fibrage réalisant de facto l'affinage du verre. On peut aussi envisager de flotter directement le verre mousseux issu de la fusion, en vue de fabriquer du verre-mousse utilisé comme isolant dans le domaine du bâtiment par exemple.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fusion et d'affinage de matières vitrifiables, caractérisé ce que tout ou partie de l'énergie thermique nécessaire à la fusion desdites matières vitrifiables est apportée par la combustion de combustible(s) fossile(s) avec au moins un gaz comburant, le(s)dit(s) combustible/gaz ou les produits gazeux issus de la combustion étant injectés sous le niveau de la masse des matières vitrifiables (7) et en ce que l'affinage des matières vitrifiables après fusion comprend au moins une étape de mise à une pression sousatmosphérique.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comburant est à base d'air, d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la fusion des matières vitrifiables s'effectue dans au moins une chambre de fusion (2) que l'on équipe de brûleurs (5) traversant ses parois latérales et/ou traversant la sole (4) et/ou suspendus à partir de la voûte (3) ou de superstructures de facon à ce que leurs combustions (6) ou gaz de combustion se développent dans la masse des matières vitrifiables en cours de fusion (7).

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les combustions (6) créées par la combustion de combustible fossile avec le(s) gaz comburant(s) et/ou les gaz issus de ladite combustion assurent par convection le brassage des matières vitrifiables (7).

5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce qu'on règle la hauteur de la masse des matières vitrifiables (7) dans la chambre de fusion (2) et la hauteur sur laquelle se développent les combustions (6)/gaz issus de la combustion pour que lesdits combustibles/gaz de combustion restent dans la masse desdites matières vitrifiables.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fusion est précédée d'une étape de préchauffage des matières vitrifiables à au plus 9000C.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matières vitrifiables comprennent des matières premières et/ou du calcin et/ou des déchets vitrifiables et/ou des éléments combustibles.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'affinage est opéré sur les matières vitrifiables en fusion du type verre à l'état mousseux, présentant notamment une densité d'environ 1 à 2.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'affinage est opéré sur des matières vitrifiables en fusion du type verre à l'état mousseux, présentant un taux de sulfate d'au plus 100 ppm en poids sous forme de S03, et/ou une majorité de bulles d'au moins 200 ijm de diamètre

1 0. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ce que les matières vitrifiables contiennent des additifs d'aide à l'affinage, notamment des additifs réducteurs du type coke, de préférence de granulométrie moyenne inférieure à 200,ut, des sulfates, ou des additifs à base de fluor ou de nitrates du type NaNO3.

11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'affinage s'opère sous pression réduite dans une atmosphère d'air, d'air enrichi en gaz inerte du type azote, ou à base de gaz inerte du type azote..

1 2. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ce que la pression sous-atmosphérique dans laquelle s'opère au moins une partie de l'affinage est inférieure ou égale à 0,5 atm., notamment de l'ordre de 0,3 atm. à 0,01 atm.

1 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fusion et/ou l'affinage s'opèrent à au plus 14000C, notamment au plus 1380 ou 13500C.

1 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ce que l'affinage est opéré dans au moins un compartiment statique (9) situé en aval de la chambre de fusion (2) et dont au moins une zone (14) est mise sous pression sous-atmosphérique.

1 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'affinage est opéré dans au moins un compartiment (21) situé en aval de la chambre de fusion (2) et susceptible d'être mis en rotation pour assurer un affinage par centrifugation, avec au moins une zone (22) dudit compartiment, notamment la plus amont, mise sous pression sous-atmosphérique.

1 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ce qu'il fabrique des verres à rédox supérieur ou égal à 0,3.

1 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ce qu'il fabrique des verres à taux de SiO2 élevé, d'au moins 72% en poids et/ou à taux d'oxydes alcalino-terreux élevé, d'au moins 18% en poids, et/ou à taux de Na20 faible, voire nul ou quasiment nul, d'au plus 11 %, et/ou à taux de sulfate très faible, d'au plus 100 ppm en poids exprimé en 503.

1 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé ce qu'il fabrique des verres à couleur résiduelle bleue, des verres anti-solaires sélectifs, des verres anti-feu, des verres pour l'industrie électronique.

1 9. Dispositif de fusion et d'affinage de matières vitrifiables, notamment destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte

au moins une chambre de fusion (2) équipée de brûleurs (5) alimentés en combustible(s) fossile(s) du type gaz naturel et en comburant(s) du type air ou oxygène, lesdits brûleurs étant disposés de façon à injecter lesdits combustibles/gaz ou gaz issus de leur combustion sous le niveau de la masse (7) des matières vitrifiables introduites dans ladite chambre de fusion,

au moins un compartiment d'affinage (9, 21) en aval de la chambre de fusion (2) et comprenant au moins une zone à pression sous-atmosphérique.

20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que le compartiment d'affinage (9) est statique, en élévation et en ce qu'il comporte une cloison interne (13) sensiblement verticale délimitant avec les parois dudit compartiment au moins deux canaux, dont successivement un premier canal (14) imposant aux matières vitrifiables en fusion un trajet ascendant et un second canal (15) imposant auxdites matières vitrifiables en fusion un trajet descendant.

21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que le premier canal (14) est au moins en partie mis sous pression sous-atmosphérique.

22. Dispositif selon la revendication 20 ou 21, caractérisé en ce qu'il est équipé de moyen(s) de réglage/régulation de la perte de charge des matières vitrifiables en fusion à l'entrée du compartiment d'affinage (9, 21).

23. Dispositif selon la revendication 20 à 22, caractérisé en ce que la hauteur (h) du compartiment d'affinage (9) est réglée en fonction du niveau de pression choisi dans la zone à pression sous-atmosphérique (14).

24. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que le compartiment d'affinage comporte au moins un appareil (21) susceptible d'être mis en rotation pour assurer l'affinage par centrifugation, les parois internes dudit appareil délimitant sensiblement la forme d'un cylindre creux, vertical dans sa partie médiane.

25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que ledit appareil comporte une zone supérieure (22) à pression sous-atmosphérique et une zone inférieure (30) à pression ambiante, séparées l'une de l'autre par un ou plusieurs moyens mécaniques du type plaque métallique percée d'orifice(s) (24).

26. Dispositif selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce que ledit appareil (21) est alimenté en partie supérieure en matières vitrifiables en fusion par un moyen d'amenée statique du type canal d'écoulement (20), avec des moyens d'étanchéité entre ledit moyen d'amenée statique (20) et ledit appareil (21) du type joint dynamique ou joint tournant.

27. Dispositif selon la revendication 24 à 26, caractérisé en ce que l'appareil est muni de moyen(s) de piégeage de particules solides, notamment localisés dans sa zone inférieure (23) et sous forme d'encoches/de rainures (28) pratiquées dans ses parois internes.

28. Dispositif selon l'une des revendications 24 à 27 caractérisé en ce que la vitesse de rotation de l'appareil (21) est comprise entre 100 et 1 500 tours/min.

29. Dispositif selon l'une des revendications 24 à 28 caractérisé en ce que l'appareil (21) est muni de moyens mécaniques fixes ou suivant sa rotation et aptes à cisailler la mousse et à l'entraîner vers la zone inférieure (23) de l'appareil, notamment sous forme de déflecteurs percés, d'ailettes disposés dans la zone supérieure (22) dudit appareil.