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CA 02468177 2004-05-25
WO 03/045859 PCT/FR02/04060
DISPOSITIF ET PROCEDE DE FUSION DE MATIERES VITRIFIABLES
L'invention concerne un dispositif et un procédé de fusion de
matières vitrifiables, en vue d'alimenter en verre fondu, en continu, des
installations de formage de verre. (le terme de "verre" dans l'invention
désigne une matrice essentiellement vitreuse, notamment faite de
compositions minérales désignées sous le terme de verre ou de roche dans le
domaine de la laine minérale d'isolation).
Sont plus particulièrement visées les installations de formage de
fibres de verre du type laine minérale d'isolation thermique ou phonique.
Mais l'invention concerne également les installations de formage de fils de
verre textile dits de renforcement, de formage de verre creux du type
bouteille, flacon, ou même des installations de verre plat comme les
installations float ou de laminage. Dans ce dernier cas tout particulièrement,
la fusion à proprement dite est généralement à compléter par une étape
d'affinage.
On range généralement les fours de fusion dans deux grandes
catégories, de façon conventionnelle, suivant le moyen de chauffe adopté
pour fondre les matières vitrifiables.
Il existe d'une part les fours à fusion électrique, dits "à voûte froide",
où la fusion est réalisée par des électrodes qui se trouvent immergées dans
la profondeur du verre fondu, ce qui est par exemple connu du brevet EP-B-
0304371.
Il existe d'autre part les fours à flammes, comme les fours à
récupérateurs métalliques ou les fours à régénérateurs, notamment connus
du brevet US-4,599,100. Dans le cas des fours à régénérateurs, la puissance
de chauffe est fournie par deux rangées de brûleurs fonctionnant en général
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avec un mélange fuel/air, et en alternance : les gaz de combustion
réchauffent alors alternativement l'un ou l'autre du compartiment de fusion
et en communication avec celui-ci. Les gaz de combustion s'épuisent
thermiquement au travers des empilages de réfractaires qui constituent ces
régénérateurs, réfractaires restituant ensuite la chaleur ainsi emmagasinée
au compartiment de fusion. Dans le cas des fours à récupérateurs
métalliques, il y a un fonctionnement en continu des deux rangées de
brûleurs, et une récupération des fumées pour les épuiser thermiquement
en préchauffant l'air de combustion des brûleurs.
La technologie de ces deux types de fours conventionnels est bien
maîtrisée et donne globalement satisfaction dans l'industrie verrière.
Cependant, leur mode de fonctionnement manque d'une certaine souplesse,
d'une certaine flexibilité. Ainsi, démarrer ou arrêter le fonctionnement de
tels
fours est une opération complexe, délicate. Modifier en cours de
fonctionnement les paramètres, par exemple la quantité ou la nature des
matières vitrifiables alimentant le four, est également une procédure
relativement délicate. Le temps de séjour assez long des matières vitrifiables
en cour de fusion dans le four lui confère également une certaine inertie.
Il existe par ailleurs une troisième voie, qui est celle de la fusion par
brûleurs immergés. Un exemple de ce type de four est décrit dans le brevet
WO.99 / 37591. Elle consiste à utiliser comme moyens de chauffage, des
brûleurs alimentés de façon appropriée en combustible/comburant,
généralement disposés de manières à affleurer au niveau de la sole de façon
à ce que la flamme se développe au sein même des matières vitrifiables en
cour de fusion. Cette technologie présente de multiples avantages. Elle
permet un bon rendement énergétique. Elle permet de produire une tirée
importante avec un four de dimensions bien plus réduites qu'un four
conventionnel. En effet, les brûleurs immergés génèrent dans la masse des
matières vitrifiables de forts mouvements de brassage convectif, ce qui a
pour résultat une fusion rapide, un temps de séjour réduit des matières
vitrifiables dans le four. Enfin, on peut alimenter ce type de four, au moins
en partie, avec des matières vitrifiables qui ne sont pas des matières
premières issues de carrière ou synthétisées exprès dans ce but, mais des
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produits de recyclage comme du calcin, des composites verre/plastique,
voire des sources d'hydrocarbures comme du charbon, des polymères
organiques, que l'on peut utiliser en tant que combustible des brûleurs
immergés.
Cependant, ce mode de fusion a des spécificités. On tend à obtenir
un verre fondu particulier, de densité bien moindre que celle qu'on obtient
avec des fours conventionnels. On a plus affaire à une mousse qu'à une
phase liquide, et généralement nettement plus visqueuse. Son traitement,
son acheminement vers des organes de formage peuvent donc être délicats,
et cela d'autant plus quand les quantités de mousse produites sont
importantes.
L'invention concerne alors un nouveau mode de fusion de matières
vitrifiables, qui puisse notamment permettre un fonctionnement plus
flexible, plus souple que celui des fours conventionnels. Accessoirement, elle
cherche à ce que ce nouveau mode de fusion puisse s'intégrer dans des
installations existantes ayant recours auxdits fours conventionnels.
L'invention concerne tout d'abord un dispositif de fusion de
matières vitrifiables associant au moins deux modules de fusion distinctes,
dont : '
- un module dit A, qui est équipé majoritairement de moyens de
chauffage sous forme de brûleurs aériens et/ou d'électrodes immergés.
- Un module dit B, qui est équipé majoritairement de moyens de
chauffage sous forme de brûleurs immergés.
Dans le contexte de la présente invention, 1' "association" des deux
modules signifie qu'ils concourrent tous les deux à produire des matières
vitrifiables en fusion, de différentes manières possibles comme cela sera
détaillé ultérieurement.
Le module A selon l'invention est donc un compartiment de fusion
conventionnel, à fusion électrique (électrodes immergées) et/ou à flammes
(brûleurs aériens). L'invention permet donc de conserver dans les
installations industrielles existantes ce type de compartiment de fusion, et
d'en tirer tous les bénéfices, tout particulièrement ceux de l'expérience
accumulée à leur sujet dans l'industrie verrière, On utilise de préférence un
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four à fusion électrique lorsque l'on souhaite réduire sensiblement l'envol de
certains composés tels que les borates alcalins.
Le module B selon l'invention utilise une fusion par brûleurs
immergés. Ce terme concis recouvre tout mode de combustion de
combustibles, notamment fossiles, 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. Les brûleurs
peuvent traverser les parois latérales ou la sole du module B. On peut aussi
les suspendre par le dessus, en les accrochant à la voûte ou à toute
superstructure appropriée. On peut choisir de n'injecter par ces brûleurs
que les gaz de combustion, les combustions étant réalisées hors du module
de fusion à proprement dite. On peut aussi n'injecter que du comburant (air,
oxygène, air enrichi en oxygène), ou du comburant avec une quantité
insuffisante de combustible gazeux du type H2 ou gaz naturel, et introduire
alors avec les matières vitrifiables des combustibles sous forme liquide ou
solide. On les détaillera par la suite. Pour les détails de réalisation de ce
module, on pourra se reporter au brevet WO.99 / 37591 pré-cité.
Il s'est avéré qu'il y avait en fait une synergie extrêmement
avantageuse sur le plan industriel dans la combinaison de ces deux types de
module de fusion. D'une part, le module de fusion A conventionnel peut être,
concrètement, le module de fusion d'installations de formage existantes.
L'invention peut ainsi utiliser ces installations en les modifiant, mais sans
avoir à reconstruire entièrement le four. Cela est d'un intérêt capital sur le
plan économique, dans la mesure où la vaste majorité les installations
existantes dans l'industrie verrière ont des fours de ce type.
D'autre part, le module de fusion B à brûleurs immergés va pouvoir
conférer au module A la flexibilité qui lui manque, à différents niveaux et
sans pour autant bouleverser le reste de l'installation. En effet, l'invention
permet d'utiliser un four déjà existant (module A) dans le cadre d'une
production différente de celle pour laquelle il était conçu au départ, grâce à
l'adjonction du module B. L'ensemble module A/module B formant en fait
un four à capacité variable.
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Il s'agit tout d'abord d'un gain en flexibilité en ce qui concerne la tirée
du dispositif de fusion selon l'invention, dans son ensemble.
En effet, chaque module de fusion conventionnel a "sa" gamme de
tirée, et une fois sa tirée maximale atteinte, on est bloqué. La tirée d'un
5 module de fusion par brûleurs immergés, quant à elle, peut être modulée
plus facilement, plus rapidement, avec des variations de relativement grande
amplitude. On peut ainsi choisir un régime à peu près constant en termes de
tirée pour le module A, notamment dans le contexte de l'industrie du verre
plat (ligne float), et utiliser le module de fusion B pour modifier la tirée
lo globale. Ce module du fusion B donne ainsi un volant de tirée
supplémentaire par rapport à la tirée du module A. Et comme un module de
fusion à brûleurs immergés peut être arrêté et redémarré rapidement et
relativement aisément, on peut ainsi avoir une tirée globale TG qui est la
somme de la tirée TA du module de fusion A et de la tirée TB du module de
fusion B par brûleurs immergés, avec TB pouvant varier rapidement entre 0
(arrêt, de fonctionnement du module) et une valeur maximale TB max
déterminée (notamment en fonction de la taille du module de fusion B, de la
quantité de matières enfournées etc...).
Il s'agit également d'un gain en termes de type de verre fabriqué. Le
module de fusion B par brûleurs immergés est capable de fondre des
matières vitrifiables de composition changeante et/ ou moins nobles que
celles utilisées pour alimenter des modules de fusion conventionnels. On
peut donc alimenter le module B avec des matières vitrifiables dont la nature
chimique vient compléter les matières vitrifiables alimentant le module A.
Il y a au moins deux avantages à cela :
on peut ainsi modifier globalement le verre venant alimenter les
organes de formage, par exemple pour en modifier les caractéristiques
viscosimétriques, le redox (laine de verre d'isolation), ou
spectrophotométriques (verre plat) etc ..., en utilisant le module B pour
"ajuster" la composition issue du module A ou réciproquement.
- on peut utiliser le module B pour recycler des matériaux qui
risqueraient de détériorer le fonctionnement des modules de fusion
conventionnels de type A, par exemple du calcin pollué, des composites
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verre/métal, des composites verre/polymères ou des polymères servant de
combustible comme mentionné plus haut. Suivant les arrivages de matières
à recycler, on peut adapter la composition des matières alimentant le four B,
faire varier largement la part provenant du recyclage ou retraitement de
déchets/calcin par rapport à la part des matières premières plus
traditionnelles, provenant de carrières notamment.
En ce qui concerne la taille relative des modules A et B, on a trois cas
de figure, qui ont chacun leurs avantages suivant ce que l'on recherche. En
effet, l'invention peut s'appliquer à des modules de fusion conventionnels de
lignes de production existantes, et dans ce cas la taille du module A selon
l'invention est imposée au départ. Ce choix peut aussi dépendre du type ou
de la quantité de matières que l'on veut enfourner dans le module B,
notamment la quantité de calcin à fondre.
Selon une première variante, les modules A et B peuvent être de
tailles similaires voire identiques. (en considérant l'estimation de la taille
par
la surface de la sole et/ou le volume défini par le module susceptible d'être
rempli de verre en cours de fusion).
Selon une seconde variante, le module B peut être de taille plus
grande que le module A, par exemple 1,5 fois, deux fois ou trois fois plus
grand au moins (par exemple dans un rapport de taille allant de 1,1/1 à
30/1 ou 20/1). Ce sera notamment la configuration retenue quand on
envisage de fondre via le module B une (très) grande quantité de calcin ou
autres matériaux adaptés à ce type de fusion.
Selon une troisième variante, on peut aussi choisit les dimensions
relatives des modules de fusion A et B de façon à ce que le module B soit, en
volume et/ou en surface de sole, au moins une fois et demi, deux ou trois
fois plus petit que le module A (par exemple dans un rapport 1 / 1,1 à 1 / 30
ou 1/ 20). En effet, un module de fusion à brûleurs immergés peut avoir une
tirée beaucoup plus importante, à taille comparable, qu'un module de fusion
conventionnel. C'est d'ailleurs l'un de ses avantages les plus importants.
Pour donner donc à un module de fusion du type A un plus grand volant de
tirée, il suffit donc de lui adjoindre un module de fusion par brûleurs
immergés bien plus petit que lui. Cela est notamment avantageux quand le
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module de fusion à brûleurs immergés B vient se "greffer" sur une
installation existante utilisant un module A qui peut être de grande taille.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on peut prévoir
des moyens de récupération des fumées issues de la combustion dans le
module B, moyens les dirigeant (éventuellement après traitement) vers le
module de fusion A pour les épuiser thermiquement. Pour utiliser au mieux
la synergie des modules A et B, on peut ainsi diminuer la consommation
énergétique du module A en utilisant les fumées du module B. La réciproque
est également possible.
Selon une première variante, le module de fusion A et le module de
fusion B débouchent tous les deux, directement ou par l'intermédiaire de
canaux/ compartiments, dans un module de mélange dit module C.
L'invention prévoit donc dans cette variante de mélanger les deux flux de
matières vitrifiables en fusion issus des modules A et B dans un module
spécialement dédié à cela. Ce module est à équiper/ concevoir de manière
appropriée pour obtenir en sortie un flux unique aussi homogène que
possible, sachant que les flux à mélanger présentent des caractéristiques
différentes et pouvant varier au cours du fonctionnement du dispositif de,
fusion dans son ensemble. D'un côté, on a un flux issu du module A qui est
liquide, d'une composition donnée, que l'on peut maintenir essentiellement
constante ou qui peut au contraire varier considérablement. De l'autre, on a
un flux issu du module B qui a plutôt l'aspect d'une mousse, d'une densité
nettement plus faible, de viscosité plus élevée, qui peut avoir une
température assez différente, et dont la composition chimique peut différer
sensiblement de la précédente. C'est la raison pour laquelle il est
recommandé d'équiper ce module de mélange C de différents moyens
d'agitation, d'homogénéisation et/ou de chauffage. Il peut s'agir de
bouillonneurs, et/ou d'agitateurs mécaniques, et/ou de brûleurs immergés
(ces derniers sont intéressants pour leur apport thermique et, surtout, pour
le brassage qu'ils provoquent), et/ou d'électrodes immergés.... On peut ainsi
viser d'obtenir en sortie de ce module un mélange qui soit le plus homogène
possible, notamment en terme de température et de viscosité.
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Avantageusement, ce module de mélange débouche, directement ou
par l'intermédiaire d'au moins un compartiment, dans un canal venant
alimenter des organes de fibrage (notamment en vue de produire de la laine
minérale) ou dans un compartiment d'affinage (s'il s'agit de faire du verre
plat).
On peut prévoir différentes configurations pour assurer l'écoulement
des matières vitrifiables en cour de fusion à l'état fondu des modules A et B
vers le module C. On peut prévoir un canal entre le module A et le module C
et/ou un canal entre le module B et le module C. On peut aussi choisir de
1o connecter directement le module A au module C et/ou le module B au
module C : on peut donc avoir aucun, un ou deux canaux de transfert de A
et B vers C.
Qu'il y ait ou non canal de transfert, on peut assurer l'écoulement
des modules A et B vers le module C à l'aide d'au moins un des systèmes
suivant : déversement par gravité, notamment par surélévation de l'une des
modules au moins par rapport à le module C, écoulement par une gorge
éventuellement immergée. On retrouve là des moyens connus dans des
installations de l'industrie verrière. Des systèmes de déversoir ont
l'avantage
de faciliter le mélange des deux flux. On peut, pour les obtenir, surélever
l'un des modules, comme dit plus haut. Mais on peut aussi éviter cette
surélévation, qui peut être complexe à réaliser, et la remplacer par un
système de gorge associée à une résurgence. Ce cas de figure sera détaillé
ultérieurement.
Donc, quand on a un canal de transfert entre l'un des modules A,
B au moins et le module C, on équipe avantageusement ce canal, en entrée
et en sortie, d'un système de gorge et/ou de déversoir. Les termes "entrée" et
"sortie" sont à considérer en fonction de la direction d'écoulement des
matières en fusion de A, B vers C, de l'amont vers l'aval de la ligne de
production.
Dans le cas où l'on n'a pas de canal de transfert entre l'un des
modules A,B au moins et le module C, alors on prévoit avantageusement à la
jonction entre le module A et le module C et/ou entre le module B et le
module C un système de gorge et/ou de déversoir.
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Dans les cas où l'on a effectivement un ou deux canaux de transfert,
il est avantageux de le(s) équiper de moyens de conditionnement thermique.
Il peut s'agir de moyens de chauffage du type brûleurs aériens, électrodes
immergées, que l'on peut associer à des moyens de refroidissement comme
des arrivées d'air ou des systèmes de boite à eau. Ce conditionnement
thermique peut servir à faciliter/ préparer le travail d'homogénéisation qui
s'opère dans le module de mélange C, pour rapprocher déjà les températures
et les viscosités des flux de matières en fusion issus des modules A et B.
Un mode de réalisation avantageux consiste à ce que le module A
communique (sans surélévation), avec le module C par une gorge avec
résurgence, car c'est souvent la configuration rencontrée dans les
installations conventionnelles existantes. On peut y associer un module B
qui peut être surélevé par rapport au module C, par exemple avec un
déversement contrôlé par une gorge et une lèvre appropriée.
Selon une seconde variante de l'invention, on peut prévoir, dans le
cas de figure où le module A fonctionne essentiellement avec des brûleurs
aériens, que le module B débouche, directement ou par l'intermédiaire d'un
ou plusieurs canaux, dans le module de fusion A, notamment dans sa partie
avale. Dans cette variante, on n'a donc plus à proprement parlé de module
de mélange, et la mousse issue du module B vient se déverser dans le verre
en fusion du module A. Il est alors utile de pourvoir la partie avale du
module A où ce déversement est effectué de moyens d'agitation,
d'homogénéisation, du type bouillonneurs, ou même des brûleurs immergés
localisés dans cette zone, pour faciliter le mélange des deux verres (cette
zone se situe de préférence dans le tiers le plus aval du module A).
D'autres solutions sont également possibles pour mêler les deux
verres.
Selon une troisième variante, on peut aussi se passer d'un module de
mélange C spécifique, en introduisant par exemple le verre mousseux issu
du module B dans le canal dans lequel débouche le module A et qui peut
alimenter les organes de fibrage. Dans ce cas, on a intérêt à ce que le verre
mousseux soit introduit, notamment par déversement encore, dans la
partie amont de ce canal, de façon à ce qu'il ait le temps, en cheminant sur
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une longueur significative de ce canal, de s'affiner au mieux par coalescence
des bulles qu'il contient, et qui sont généralement de taille importante. Il
est
alors avantageux d'équiper de façon spécifique la zone du canal où les flux
de matières en fusion se rencontrent. On peut l'équiper des moyens
5 d'homogénéisation et/ou de brassage évoqués plus haut au sujet des canaux
de transfert et du module C, à savoir des brûleurs immergés, des
bouillonneurs. On peut aussi faire en sorte que dans cette zone particulière
on ait une profondeur de verre adaptée pour que des mouvements convectifs
puissent s'installer. On re-crée ainsi en quelque sorte une zone de mélange
1o de type module C, mais à l'intérieur d'un canal cette fois.
Selon une quatrième variante, on confond le module B et le module
de mélange C de la première variante : le module de fusion conventionnel A
est connecté (directement ou par l'intermédiaire d'un canal au moins) à un
module de mélange/fusion B' qui est équipé de moyens de chauffage
essentiellement sous la forme d'au moins un brûleur immergé, et qui est
directement alimenté en matières vitrifiables/calcin. Ce module B' débouche
ensuite, directement ou non, sur un canal d'alimentation de machines de
fibrage ou sur un compartiment d'affinage. Cette configuration est
particulièrement intéressante lorsque le module B est alimenté en matières
ne risquant pas de générer des infondus comme c'est le cas du calcin. Dans
ce cas, on a pu constater que l'ensemble pouvait fonctionner avec des
températures sensiblement plus basses que si la même production était
réalisée dans un four à électrodes immergées. Ceci procure un avantage
significatif du fait que les réfractaires des fours s'usent ainsi moins vite
et
polluent moins le verre produit.
Selon une autre variante encore, proche de la troisième variante
précédemment décrite, on peut aussi déverser le verre mousseux issu du
module B au niveau de la jonction entre le module A et le canal acheminant
le verre fondu vers les organes de fibrage (ou le compartiment d'affinage),
3o notamment dans la zone comptant une gorge et une résurgence qui
permettent l'évacuation du verre du module A
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Selon une variante, le module de fusion B débouche dans le module
de fusion A dans le dernier tiers de sa longueur, notamment par un système
de déversement par gravité.
On précise que dans tout le présent texte, les termes "amont" et "aval"
font référence au sens d'écoulement général des matières vitrifiables, de
leur enfournement dans les compartiments de fusion jusqu'à leur arrivée, à
l'état fondu, dans les organes de fibrage, et/ou dans le compartiment
d'affinage s'il est prévu.
L'invention concerne également le procédé de mise en oeuvre du
dispositif de fusion décrit plus haut. Comme déjà évoqué, un point très
intéressant de l'invention est que l'on peut alimenter chacun des modules de
fusion A et B avec des matières vitrifiables différentes en quantité et/ou
compositions chimiques différentes et/ou provenances différentes. Ainsi, on
peut alimenter le module de fusion B avec du calcin éventuellement pollué,
pouvant provenir de l'industrie du verre plat ou du verre creux par exemple.
On peut ainsi alimenter avec des farines animales, du sable pollué par des
hydrocarbures, du sable de fonderie, des composites verre/polymère
organique, ou verre/métal, comme des résidus de verres feuilletés ou des
verres munis de connectique ou des verres munis de couches d'oxyde, de
nitrure métallique ou de couches métalliques du type argent (vitrages anti-
solaires, vitrages bas-émissifs, miroirs) , verres issus de l'industrie du
verre
plat, ou encore des fils de verre de renfort ensimés, ou de la laine minérale
d'isolation munie d'un encollage/d'un liant utilisant des résines organiques.
On peut y recycler des déchets humides issus de l'industrie de la laine
minérale d'isolation, des résidus de boues de lavages, des infibrés... On peut
aussi y introduire des combustibles du type hydrocarbures, liquides ou
solides, comme des résidus de l'industrie pétrolière, ou des polymères
organiques, du fioul lourd, du charbon. Toutes les matières organique aussi
introduites fournissent au moins en partie le combustible nécessaire aux
brûleurs immergés. La fusion par brûleurs immergés a ainsi l'avantage de
taille de pouvoir "digérer" beaucoup de produits de recyclage, beaucoup de
déchets, ce qui est moins vrai, en tout cas dans des proportions beaucoup
plus réduites, pour les modules de fusion conventionnels de type A.
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L'invention permet ainsi de recycler avantageusement des matières
peu coûteuses (voire gratuites ou à coût négatif comme certains des déchets
mentionnés plus haut), ce qui permet d'abaisser le coût global des matières
premières de l'installation.
Bien sûr, on peut aussi choisir d'alimenter le module de fusion B
avec des matières premières, notamment issues des carrières, ou fournies
par l'industrie chimique, ou adopter toute solution intermédiaire où les
matières utilisées pour alimenter le module B sont pour en partie des
matières premières nobles issues de carrières notamment et pour partie des
déchets/ matériaux à recycler.
En ce qui concerne l'alimentation du module de fusion A, on privilège
les matières premières conventionnelles, notamment provenant de
l'exploitation de carrière ou de l'industrie chimique. Comme matière
première porteuse de silice, il peut s'agir de sable. Comme matière première
porteuse d'oxydes alcalino-terreux, il peut s'agir de calcaire, de dolomie.
Comme matière première porteuse de l'oxyde de bore, il peut s'agir de borax.
Comme matière première porteuse de Na2O, il peut s'agir de carbonate de
sodium. Comme matière première porteuse d'alumine, il peut s'agir de
feldspath. On peut y ajouter, de préférence en proportions modérées, du
calcin.
Le procédé de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention peut
consister à faire fonctionner les modules de fusion A et B (ou B')
conjointement ou alternativement. Comme vu plus haut, on peut ainsi en
permanence réguler les régimes de fonctionnement des deux modules, en
fonction de la tirée globale voulue ou de la quantité ou du type de matière
vitrifiable ou du type de calcin que l'on souhaite utiliser dans les modules A
et B, ou encore du type de verre final que l'on veut.
L'invention concerne également l'utilisation de ce dispositif ou de
son procédé de mise en oeuvre en vue d'alimenter en matières vitrifiables
fondue des organes de fibrage. Il peut s'agir d'organes de fibrage par
centrifugation interne, ou par centrifugation externe ou par étirage
mécanique et/ ou pneumatique.
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12a
De plus, l'invention concerne selon un premier aspect, un dispositif de
préparation d'un flux final de verre fondu issu de la fusion de matières
vitrifiables, associant au moins deux modules de fusion distincts concourant
tous deux à produire conjointement ou l'un après l'autre lesdites matières
vitrifiables en fusion, dont
- un module A équipé majoritairement de moyens de chauffage
sous forme de brûleurs aériens et/ou d'électrodes immergées, et
alimenté en matières vitrifiables ;
- un module B équipé majoritairement de moyens de chauffage
sous forme de brûleur(s) immergé(s) et alimenté en matières
vitrifiables,
le dispositif étant équipé de moyens de transfert entre les modules A et B.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un dispositif de
préparation d'un flux final de verre fondu issu de la fusion de matières
vitrifiables, associant au moins deux modules de fusion distincts concourant
tous deux à produire conjointement ou l'un après l'autre lesdites matières
vitrifiables en fusion, dont
- un module A équipé majoritairement de moyens de chauffage
sous forme de brûleurs aériens et/ou d'électrodes immergées, et
alimenté en matières vitrifiables ;
- un module B équipé majoritairement de moyens de chauffage
sous forme de brûleur(s) immergé(s) et alimenté en matières
vitrifiables; et
- un module de mélange C,
le dispositif étant équipé d'un premier moyen de transfert entre les modules A
et C et d'un deuxième moyen de transfert entre les modules B et C.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne un procédé de
préparation d'un flux de final de verre fondu issue de la fusion de matières
vitrifiables, par un dispositif tel que décrit ci-dessus aux premier et
deuxième
aspects, les modules A et B fonctionnant conjointement ou l'un après l'autre.
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Selon un quatrième aspect, l'invention concerne l'utilisation d'un
dispositif tel que décrit ci-dessus aux premier et deuxième aspects, pour
alimenter en matières vitrifiables fondues des organes de filtrage.
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L'invention sera décrite plus en détails à l'aide d'un exemple de
réalisation non limitatif et des figures suivantes :
- figure 1 : une représentation très schématique d'une installation de fusion
selon l'invention,
- figures 2, 3, 4 : des représentations plus précises de l'installation en
coupe
et en vue de dessus.
Un exemple préféré selon l'invention consiste à adopter
l'installation dont le principe est illustré très schématiquement à la figure
1,
à savoir : on a un module 1 de fusion conventionnel, qui est un four
électrique dit à voûte froide, utilisant des électrodes immergées la. Dans ce
type de four, on a un bain de matières vitrifiables en fusion surmonté d'une
croûte de matières vitrifiables non encore fondues. L'enfournement des
matières vitrifiables se fait de manière connue par un système de tapis
convoyeur ou de vis sans fin. On a par ailleurs un module 2 de fusion
distinct du module 1 et équipé d'au moins un brûleur immergé 8. Les
modules 1 et 2 débouchent dans les canaux de transfert 4, 5, débouchant
eux-mêmes dans un module commun de mélange 3. Les flèches sur la figure
indiquent le sens d'écoulement du verre tout au long de l'installation.
Notamment pour des raisons d'encombrement, mais aussi pour favoriser
l'interpénétration et le mélange des flux de verre provenant des modules 1 et
2, les entrées desdits flux par les canaux 4,5 dans le module de mélange 3 se
font sensiblement perpéndiculairement l'une à l'autre.
Alternativement, on peut faire en sorte que les deux flux de verre
arrivant des modules 1 à 2 se rencontrent de façon "frontale", selon un
même axe mais avec des directions opposées. Dans ce cas-là, on peut
disposer sensiblement en ligne successivement les modules 1, 3 et 2, le verre
étant ensuite évacué du module 3 selon un axe par exemple perpendiculaire
au précédent. On peut aussi prévoir de disposer les modules 1 et 2
approximativement côte à côte, les deux flux de verre arrivant alors de façon
parallèle ou convergente dans le module de mélange 3.
Le module 3 est équipé d'au moins un brûleur immergé 9, et de
bouillonneurs 7. Le point important, dans cette zone, est de parvenir à
mélanger ces deux verres de densités, de viscosité, et éventuellement de
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compositions chimiques et de températures différentes. Pour faciliter cette
homogénéisation, on équipe les canaux 4, 5 de moyens de conditionnement
thermique, typiquement une association de brûleurs aériens et d'arrivées
d'air que l'on peut ouvrir/obturer. Le mélange terminé, un flux unique de
verre quitte le module 3 pour s'écouler dans le canal 6 (où peut s'effectuer
un certain affinage, au cas où le verre contient encore des bulles,
notamment de gros diamètre, provenant du verre mousseux issu du
module 2). Le canal vient ensuite alimenter des organes de fibrage non
représentés, de façon connue.
Les figures 2, 3, 4 donnent quelques détails supplémentaires sur
une configuration possible de l'installation selon la figure 1. Elles restent
schématiques, et ne respectent pas l'échelle pour plus de clarté.
La figure 2 est une vue de dessus : on y retrouve le module de
fusion électrique 1, le module à brûleurs immergés 2, le module de mélange
3 et les canaux 4,5 et 6.
La figure 3, en coupe, montre la façon dont le verre issu du module
2 se déverse dans le module de mélange 3 : on a un système de gorge, avec
la sole du module 2 surélevée par rapport à celle du module 3.; Le verre
s'écoule ensuite par déversement dans le module 3 par le canal 5 qui est
assez étroit. On a donc en fait un filet de verre relativement étroit qui
tombe
dans le module 3, par une lèvre non représentée.
La figure 4, également en coupe, montre la configuration des
modules 1, 3 et du canal 6. Ici, les soles des modules 1 et 3 sont
(approximativement) au même niveau. Entre le module 1 et le canal 4, on a à
nouveau une gorge 10, qui délimite un écoulement de verre de section plus
faible. Entre le canal 4 et le module 3, le verre s'écoule à l'aide d'un seuil
12.
Dans cet exemple, la hauteur du bain de verre dans le canal 6 est
déterminée par un autre seuil 13 en aval dudit canal 6.
On peut aussi se passer de ce seuil, en prévoyant notamment une
3o régulation du niveau de verre.
Le verre est ensuite évacué en aval du canal 6 par le haut , en
passant par-dessus ledit seuil 12. Une alternative consiste à soutirer en fin
de canal le verre fondu par le fond.
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En conclusion, avoir recours dans une même installation à deux
modules de fusion aux technologies différentes permet de tirer au mieux
partie de leurs avantages : on exploite d'une part la fiabilité d'une solution
industrielle éprouvée (fusion électrique, four à flammes), la qualité du verre
5 qu'on obtient avec, et d'autre part le fort rendement, la grande souplesse
d'utilisation, la moindre exigence quant aux matières à fondre d'un mode de
fusion par brûleurs immergés. On joue sur leur complémentarité.
A titre d'exemple, on donne ci-desous un tableau 1 regroupant les
données suivantes :
10 A : la composition alimentant le module 1 à fusion électrique,
exprimée en pourcentages massiques d' d'alumine, de silice, d'alcalins,
d'alcalino-terreux, de bore sous leurs forme oxydée.
B : le pourcentage massique du taux de calcin par rapport à la
composition A avec lequel on alimente le module 2 à fusion par brûleurs
15 immergés.
Les exemples 1 à 4 correspondent donc respectivement au cas où
l'un a 0, 40, 60 et 80% de calcin dans la composition globale du verre
obtenu. L'exemple 1 à 0% de calcin correspond au cas de figure où le module
2 à brûleurs immergés n'est pas alimenté : seul fonctionne le module 1, et la
composition obtenue provient donc à 100% de matières premières
alimentant le module conventionnel 1. On peut ainsi choisir d'avoir en sortie
du canal 6 un verre de composition sensiblement constante, le taux de
calcin B choisi ajustant/ complétant de façon appropriée la composition A.
La composition B du calcin alimentant le module 2 est pour tout
les exemples de composition sensiblement constante, composition qui est la
suivante, en % massique :
Si02 71,5
A1203 0,7
Fe203 0,15
(somme des oxydes de fer exprimée sous cette forme)
CaO 9,4
MgO 3,8
Na2O 13,5
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K20 0,3
(le complément à 100 % étant constitué d'impuretées du type S03)
Ce calcin peut aussi être issu de vitrages munis de couches, du
type couches métalliques, minces du type vitrage bas émissif ou vitrage de
contrôle solaire, ou des couches métalliques plus épaisses comme dans le
cas des miroirs. Sa composition en est alors modifiée en conséquence.
A ANALYSE DE LA COMPOSITION A Ex 1 Ex 2 Ex 3 Ex 4
ALIMENTANT LE MODULE 1
CONVENTIONNEL
% Si02 64.5 61.0 55.6 38
% A1203 2.5 3.7 5.4 9.5
% Na20+K20 17.2 18.2 21.5 29
% CaO 7.3 6.2 4.5
% MgO 3.0 2.5 1.8
% B203 4.5 7.6 11.2 23
B % CALCIN FLOAT ALIMENTANT LE 0 40 60 80
MODULE 2 A BRULEURS IMMERGES
Tableau 1
On voit de ce tableau la grande souplesse qu'offre l'invention
suivant les besoins, les arrivages en calcin, on peut arrêter complètement le
fonctionnement du module 2 à brûleurs immergés, ou, au contraire, faire en
sorte qu'il fournisse 80% du verre fondu de l'installation complète. On ajuste
ainsi en parallèle la quantité et le type de matières porteuses alimentant le
module 1 conventionnel.
A noter que le calcin utilisé pour alimenter dans ces exemples le
module 2 à brûleurs immergés provient de l'industrie du verre plat, en
l'occurrence du verre de base silico-sodocalcique. Bien sûr, on peut avoir un
calcin très différent, ajouter des matières porteuses, des combustibles
carbonés comme vu plus haut..
On donne ci-après un autre exemple illustrant l'invention. Le
module A est un four à électrodes immergées alimenté en matières premières
vitrifiables classiques notamment du type oxydes, carbonates, etc. La totalité
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de la production de ce module A est déversée directement dans un four à
brûleurs immergés faisant office de module B par ailleurs également
alimenté en calcin. Le calcin alimentant le module B représente 85% du flux
de verre final. Le verre final a la même composition que le verre final de
l'exemple 1. On constate qu'une telle configuration fonctionne correctement
et sans produire d'infondus, le four électrique étant porté à 1100 C et le
four
à brûleurs immergés étant porté à 1150 C. La teneur en oxyde de Chrome
(III) dans le verre final est de 0,03 % en masse ce qui indique une faible
usure des réfractaires. La consommation énergétique totale était de 1200
1o kWh par tonne de verre. A titre de comparaison, la même production avec les
mêmes matières premières en un four unique à électrodes nécessite une
température de 1300 C, une consommation énergétique de 1250 kWh/t et
conduit à 0,1% en masse d'oxyde de Chrome dans le verre final.
