WO1995009518A1 - Dispositif pour la fusion electrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les techniques de fusion électrique et plus particulièrement celles dans lesquelles l'énergie est dissipée par effet Joule dans la masse fondue à partir d'électrodes plongeantes. L'invention propose un support (8), d'une telle électrode (1), comportant un système d'amenée de courant et un dispositif de refroidissement, ledit support présentant en surface une protection thermique et ladite surface étant isolée par rapport à la tension du conducteur de courant.

Description

DISPOSITIF POUR LA FUSION ELECTRIQUE

L'invention est relative aux techniques de fusion électrique et concerne plus particulièrement celles dans lesquelles l'énergie est dissipée par effet Joule dans la masse fondue à partir d'électrodes plongeantes. Pendant longtemps, les installations de production de verre opérant sur de grandes quantités ont été pourvues de fours de fusion alimentés en combustible fossile, tel que fioul ou gaz. C'était en particulier le cas pour les ins¬ tallations de production en continu de grande capacité fournissant par exemple le verre plat ou le verre de bout- eillerie. Sur ces grands fours l'énergie électrique, lorsqu'elle était utilisée, l'était essentiellement comme appoint local pour maintenir la température du verre dans les zones les moins chaudes, ou en dehors du four dans son cheminement vers le lieu de transformation ou encore pour développer certains mouvements de convection pour favoriser l'homogénéisation, l'affinage ou le transport du matériau fondu.

La fusion électrique proprement dite est d'abord ap- parue sur des petites unités pour lesquelles une grande souplesse dans les conditions d'utilisation semblait né¬ cessaire. Les fluctuations des coûts énergétiques et la maîtrise progressive de certains problèmes d'ordre techno¬ logique ont conduit plus récemment au développement d'uni- tés de production importantes dans lesquelles l'ensemble du processus de fusion, à l'exception de la mise en service, se déroule en ayant recours à l'énergie électrique. Ce dé¬ veloppement requiert la solution de problèmes technologi¬ ques extrêmement délicats.

FaBLLEDEREMPLACEMENT REGLE26 C'est ainsi que, notamment pour éviter la question de l'oxydation des électrodes à la surface du bain en fusion, il a été proposé de les immerger complètement. C'est la solution retenue, par exemple, dans la demande de brevet français publiée sous le numéro FR-A-2 552 073. Dans ce document, les électrodes sont disposées verticalement dans le bain à partir de la sole du four. Dans d'autres réali¬ sations, on trouve aussi des électrodes passant par les parois latérales du four. Indépendamment des avantages qu'elle procure vis-à-vis des problèmes de corrosion, l'immersion des électrodes permet aussi une alimentation commode et bien uniforme de la surface du bain en composition de matières premières. La constitution d'une couche relativement épaisse de composi- tion à fondre, surnageant sur le bain fondu, est utile en effet pour plusieurs raisons. Elle forme, au contact du bain en fusion, la réserve permanente de matière nécessaire au fonctionnement continu. Elle protège aussi le bain en fusion d'une forte déperdition calorifique par convection au contact de l'atmosphère et surtout par rayonnement.

Si les fours du type décrit dans le document précité trouvent des applications industrielles très importantes, ils ne permettent pas de répondre nécessairement au mieux à toutes les exigences rencontrées dans la pratique. A titre d'exemple il est souhaitable, dans certains cas, et dans le but évident de limiter les coûts d'investissement, de transformer les installations fonctionnant avec des brûleurs en conservant le plus possible des éléments exis¬ tants et notamment les matériaux réfractaires constituant le bassin. Une telle transformation n'est pas possible lorsqu'il s'agit d'implanter des électrodes dans la sole ou dans les parois latérales du four.

Les fours dont les électrodes sont immergées offrent des possibilités limitées de réglage des électrodes. S'ils conduisent à des performances tout à fait satisfaisantes pour un certain régime, ils se prêtent moins bien à des modifications fréquentes et/ou substantielles de ce régime de fonctionnement.

Par ailleurs, même si la technologie des électrodes immergées est maintenant bien maîtrisée et que l'on peut envisager une longévité des électrodes comparable à celles des réfractaires, le risque de la détérioration prématurée d'une ou plusieurs électrodes venant compromettre le bon fonctionnement ne peut être complètement écarté.

Une autre solution notamment décrite dans la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 599 734 con¬ siste à plonger des électrodes par la surface libre du bain de matière fondue. Cette technique présente un certain nombre d'avantages. Tout d'abord, elle évite bien entendu les difficultés liées au passage de ces électrodes à tra¬ vers le refractaire, et, également, les problèmes de rem¬ placement d'électrodes usées, d'étanchéité ou encore d'usure des réfractaires, notamment dus à une température élevée qui favorise l'attaque du refractaire et à de puis¬ sants courants de convection qui se développent à son con¬ tact.

La technique des électrodes plongeantes localise les zones les plus chaudes à la partie supérieure du bain fondu et atténue ainsi ces problèmes.

Par ailleurs, cette technique permet de modifier la profondeur d'immersion des électrodes et donc le gradient de température. Cela autorise des modifications de tirée du four sans changer la température de la sole et, par consé- quent, la température du verre à la sortie du four.

De plus, l'expérience montre que cette technique a un rendement thermique très satisfaisant et conduit à une bonne qualité du matériau fondu.

Ces électrodes plongeantes sont habituellement fixées sur des supports qui surplombent le bassin de fusion à partir des côtés de celui-ci. La demande FR-A-2 599 734 décrit un tel support qui se compose d'un bras qui comporte des canalisations pour la circulation du liquide de re¬ froidissement et un câble électrique pour l'alimentation de l'électrode, et du support d'électrode proprement dit.

En régime normal de fonctionnement, une couche de composition déposée à la surface du bain en fusion, qui constitue une protection contre les déperditions thermi¬ ques, évite une trop forte élévation de la température du bras qui surplombe le bain en fusion.

Par contre, lors d'une phase de mise en veille, au cours de laquelle la couche protectrice de matières pre¬ mières est, soit d'épaisseur très réduite, soit absente, la température du bras devient très élevée et entraîne une dégradation du système d'alimentation électrique.

Pour éviter cet inconvénient, une solution habituelle consiste au cours d'une phase de mise en veille à relever les électrodes plongeantes et à maintenir une température suffisante dans le bain par des électrodes immergées le plus souvent placées sur les parois. Cette technique est efficace mais on retrouve les problèmes liés aux électrodes immergées bien que dans le cas présent, elles fonctionnent sous des tensions plus faibles puisqu'elles ne font que maintenir la température du bain déjà fondu. De plus, de telles électrodes immergées nécessitent des coûts d'inves¬ tissements supplémentaires.

Une autre solution proposée, notamment décrite dans le brevet US 4,965,812, consiste à utiliser un support d'électrode constitué essentiellement d'un système de re¬ froidissement de type " ater-jacket" conducteur de courant. Le système d'alimentation est alors continuelle¬ ment réfrigéré et donc protégé de l'élévation de tempéra¬ ture qui intervient lors d'une phase de mise en veille. Par contre, ce type d'installation nécessite un dispositif de protection car les supports d'électrodes sont maintenus sous tension en permanence.

Un tel dispositif consiste le plus souvent en un grillage qui interdit l'accès du four aux employés. Cepen- dant certaines mesures qui nécessitent la présence d'un opérateur à proximité du bain et donc des supports d'élec¬ trodes mettent cet opérateur en danger.

L'invention a pour but un dispositif pour la fusion électrique de charge vitrifiable qui agit soit en régime normal de fonctionnement, soit en période de veille sans l'intervention d'électrodes immergées et sans risque pour les opérateurs.

Ce but est atteint selon l'invention par un support d'électrode de fusion immergée à partir de la surface d'un bain de fusion, ledit support comportant un système d'ame¬ née de courant et présentant en surface une protection thermique, ladite surface étant isolée par rapport à la tension du conducteur de courant. Un tel support d'électrode satisfait aux problèmes posés par les techniques antérieures. En effet, il n'existe plus de risque, pour les opérateurs, lié au maintien de la tension d'alimentation de l'électrode. Et, lors d'une mise en veille du four de fusion, l'élévation de température due notamment au rayonnement du bain de verre fondu n'entraîne pas la dégradation du support puisque celui-ci possède une surface isolée thermiquement.

Dans une variante préférée de l'invention, le système d'amenée de courant est un système de refroidissement, du type "water-jacket" conducteur de courant électrique. Ce dispositif est alors entouré d'un isolant électrique, avantageusement en un matériau résistant à des températures très élevées.

L'isolant qui est choisi pour résister à des tempéra- tures élevées est avantageusement refroidi par la circula¬ tion d'eau du système de refroidissement conducteur de courant.

Lors d'une mise en veille, la température du support devenant très élevée du fait du rayonnement, il est néces- saire de choisir un matériau isolant résistant à ces tem¬ pératures et a priori très onéreux.

L'invention propose avantageusement d'entourer l'isolant électrique d'un second système de refroidissement du type "water-jacket". Il est ainsi possible de choisir un matériau pour l'isolant électrique résistant à des tempé¬ ratures inférieures. De plus, un tel matériau voit géné¬ ralement ses propriétés d'isolation électrique s'améliorer à basse température.

D'autre part, le refroidissement de ce matériau isolant électrique permet d'assurer sa pérennité.

Le support d'électrode ainsi proposé comporte donc deux systèmes de refroidissement. Les systèmes de refroi¬ dissement sont avantageusement réalisés par circulation d'eau. Le système interne étant conducteur de courant électrique pour l'alimentation de l'électrode, l'invention prévoit deux circuits distincts de circulation d'eau de façon à ce que l'eau conductrice de courant et circulant dans le système de refroidissement alimentant l'électrode n'apporte pas une tension au niveau du second système de refroidissement qui n'aurait plus alors aucune utilité.

Selon un autre mode, préféré, de l'invention, les deux systèmes de refroidissement sont alimentés par un même circuit d'eau, l'eau étant déminéralisée de sorte qu'elle soit non conductrice de courant. Le dispositif d'alimenta¬ tion d'eau extérieur au support d'électrode peut ainsi être limité à un circuit unique.

D'autres détails et caractéristiques avantageux de l'invention ressortent ci-après de la description des exemples de réalisation décrits en référence aux figures 1, 2 et 3 qui représentent :

- figure 1, une coupe d'une représentation schématique partielle d'un four comportant des électrodes immergées verticalement à partir de la surface, - figure 2, un schéma d'une réalisation selon l'in¬ vention d'une électrode et de son support.

- figure 3, une représentation schématique d'une partie d'un support selon une autre réalisation de l'in¬ vention. Le schéma de la figure 1 représente une partie d'un four de fusion associé à des électrodes plongeantes 1. Le four est constitué par un bassin refractaire composé de la sole 2 et des parois latérales 3. Au-dessus du bassin, la voûte refractaire 4 est suspendue à un bâti métallique 5 partiellement représenté, ledit bâti métallique 5 chevau¬ chant le four.

Il est prévu des parois réfractaires mobiles 6 qui lorsqu'elles sont en position basse, c'est-à-dire en appui sur les parois latérales 3, permettent d'isoler partielle- ment le bain en fusion 7 de l'atmosphère environnante.

Seules des ouvertures dans les parois 6 sont prévues pour le passage des supports d'électrodes 8.

Cette position basse des parois 6 est adoptée lorsque le four est mis en état de veille et qu'il n'est plus nécessaire de l'alimenter en matières premières. Cela per¬ met d'éviter une déperdition thermique trop importante, et le risque de dégrader tout le matériel environnant.

En ce qui concerne l'électrode 1 celle-ci est immergée à la surface du bain de fusion 7 sous la couche 9 de ma¬ tières premières à fondre. Cette couche 9 qui recouvre le bain de fusion 7 en mode de fonctionnement normal, isole thermiquement le bassin et permet d'éviter les déperditions thermiques. L'électrode 1 est fixée au support 8 qui comprend le système d'alimentation électrique et un dispositif de re¬ froidissement de l'électrode 1, qui ne sont pas représentés sur cette figure 1.

Le support 8 est lui-même raccordé à un mécanisme non représenté qui permet notamment de retirer une électrode 1 du bain par exemple pour un changement ou une réparation.

Sur la figure 2, l'électrode 1 et son support 8 sont plus précisément représentés et font ressortir les avan¬ tages de l'invention. L'électrode 1, habituellement en molybdène, est fixée par l'intermédiaire d'un élément 10, conducteur de courant, au tube 11 qui constitue le dispositif de refroidissement conducteur de courant électrique. L'élément 10 est une al¬ longe qui se fixe au tube 11 par vissage. A l'autre extré- mité de cette allonge 10, on fixe l'électrode 1. Une telle réalisation permet de pouvoir démonter facilement l'ensem¬ ble allonge 10/électrode 1 car l'endroit du vissage ne trempe jamais dans le bain de fusion. En effet, si le tube 11 était plus long et venait tremper directement dans le bain, il serait possible de fixer directement l'électrode 1 sur celui-ci par exemple par vissage. Par contre, il de¬ viendrait beaucoup plus délicat de procéder au démontage de l'électrode, le point d'attache ayant trempé dans le bain de fusion. Selon notre montage le changement est très fa- cile mais nécesite tout de même de remplacer l'allonge 10 en même temps que l'électrode 1. Cette allonge 10 peut être entourée, au moins partiellement, d'un matériau refractaire suffisamment épais pour éviter un contact direct avec les matières premières ou le bain fondu. D'autre part, l'allonge 10 permet également le passage du liquide de refroidissement jusqu'à l'électrode de façon à ce que celle-ci soit refroidie.

La fixation par vissage est intéressante car elle permet un remplacement rapide. Les remplacements d'élec¬ trodes peuvent être fréquents car ils n'interviennent pas uniquement en cas d'usure mais permettent également de mo¬ difier les électrodes et notamment leur longueur de façon à modifier le niveau d'immersion et donc l'apport énergétique au sein du four. Le tube 11 peut être réalisé en acier de façon à ce qu'il ait de bonnes propriétés de rigidité et de conduction.

Au sein de ce tube 11, est placé un second tube 12, par exemple concentrique. Ce second tube 12 est par exemple fixé en différents points à la surface interne du tube 11. L'association de ces deux tubes 11 et 12 permet une circu¬ lation d'eau et constitue ainsi un dispositif de refroi¬ dissement de type water-jacket. Le système de refroidisse¬ ment étant conçu de façon à refroidir l'électrode 1, le tube 12 traverse l'allonge 10.

A l'autre extrémité du tube 11 vient se fixer un col¬ lier 13 d'alimentation par exemple en cuivre lui-même placé au sein d'un coffrage isolant 14. Ce collier 13 permet de mettre le tube 11 à la tension désirée, et celui-ci étant conducteur électrique d'alimenter l'électrode 1 sous cette même tension.

Autour du tube 11 est placé un matériau 15 isolant électrique avantageusement réalisé en un matériau refrac¬ taire du type de l'isolant électrique commercialisé sous la référence MURATHERM 500 M. Le matériau 15 est réalisé sous forme d'un ou plusieurs manchons qui enveloppent et prennent appui sur une partie de la surface externe du tube 11. Ce matériau isolant électrique permet donc une acces¬ sibilité au support d'électrode sans aucun risque d'élec- trocution pour les opérateurs qui doivent approcher du bain de fusion. Le matériau 15 est lui-même entouré d'une enve¬ loppe 16 concentrique dans laquelle circule un liquide de refroidissement tel que de l'eau. Cette enveloppe 16 du type "water-jacket" comprend un manchon 17 interne qui permet la circulation de l'eau.

Ce second dispositif de refroidissement permet d'une part d'éviter une surchauffe du matériau isolant même si celui-ci est choisi comme pouvant résister à des tempéra- tures assez élevées et s'il est déjà en partie refroidi par le premier système de refroidissement.

D'autre part, il permet d'obtenir une surface externe du support d'électrode 8, qui reste relativement froide et peut permettre une manipulation ou tout au moins l'approche d'un opérateur même lorsque le four est en veilleuse et que le support 8 est chauffé essentiellement par le rayonnement issu du bain de fusion où la couche 9 de matière première est absente.

Les différents éléments cités 11, 12, 15, 16, 17 constituent des tubes, par exemple, concentriques, placés les uns autour des autres.

Dans le cas de la figure 3, un dispositif de refroi¬ dissement du type "water-jacket", conducteur de courant, constitué de deux tubes concentriques 18, 19 est entouré d'un ou plusieurs manchons 20 en un matériau isolant élec¬ trique et présentant une bonne isolation thermique et une bonne tenue en température.

La protection thermique de la surface du support d'électrode est alors obtenue d'une part, par la nature même du manchon 20 et d'autre part, par la présence du dis¬ positif de refroidissement qui permet de refroidir ce man¬ chon 20.

La protection électrique est apportée par le manchon 20 qui enveloppe le tube 19 conducteur de courant. Les différentes canalisations permettant l'arrivée et le départ de l'eau de refroidissement ne sont pas repré¬ sentées sur les figures.

L'eau utilisée pour le refroidissement est avanta¬ geusement une eau déminéralisée, ce qui permet d'utiliser les mêmes circuits pour les deux systèmes de refroidisse¬ ment sans risque de conduction du courant vers le système de refroidissement externe, qui est par ailleurs relié à la terre.

Les flèches non numérotées indiquent les différents circuits suivis par le liquide de refroidissement.

L'électrode associée à son support ainsi décrite selon l'invention permet d'une part une utilisation sans risque en mode de fonctionnement normal puisque aucun dispositif accessible n'est sous tension et d'autre part une utilisa¬ tion sans risque de dégradation du support lorsque le four est mis en veilleuse.

Le dispositif composé de l'électrode et de son support selon l'invention permet donc de conserver les différents avantages, liés à la fusion électrique par électrode im¬ mergée à partir de la surface du bain de fusion, qui ont été énumérés précédemment. Il s'agit par exemple, des bons rendements thermiques, de la bonne qualité du matériau fondu malgré des modifications de tirée, de l'augmentation de durée de vie du four car les réfractaires sont moins attaqués ou bien parce qu'il est aisé de changer une élec¬ trode.

De plus, le dispositif selon l'invention permet d'éviter la présence d'électrodes totalement immergées pour les périodes de veilleuse ou bien la présence à plein temps d'un système de protection évitant la présence des opéra¬ teurs à proximité des éléments continuellement sous ten¬ sion.

Claims

REVENDICATIONS

1. Support (8) d'électrode (1) de fusion immergée à partir de la surface d'un bain de fusion, ledit support (8) comportant un système d'amenée de courant et un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce que le support pré¬ sente en surface une protection thermique et en ce que la¬ dite surface est isolée par rapport à la tension du con¬ ducteur de courant.

2. Support d'électrode selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le système d'amenée de courant est un système de refroidissement de type "water-jacket" (11, 12, 18, 19), conducteur de courant et en ce que ce système de refroidissement est entouré d'un isolant électrique (15, 20).

3. Support d'électrode selon la revendication 2, ca¬ ractérisé en ce que l'isolant électrique (15, 20) est en un matériau résistant à des températures élevées.

4. Support d'électrode selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'isolant électrique (15) est entouré d'un système de refroidissement du type "water-j¬ acket" (16, 17).

5. Support d'électrode selon la revendication 4, ca¬ ractérisé en ce que le fluide du système de refroidissement (16, 17) entourant l'isolant électrique est conduit par un circuit différent du circuit de refroidissement (11, 12) conducteur de courant.

6. Support d'électrode selon la revendication 4, ca¬ ractérisé en ce que le fluide du système de refroidissement (16, 17) entourant l'isolant électrique est conduit par le circuit qui alimente le système de refroidissement (11, 12) conducteur de courant et en ce que le fluide est de l'eau déminéralisée.