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Procédé et appareils pour la fabrication du verre.
La présente invention se rapporte au traitement du verre et plus particulièrement aux procédés et appareils pour la production continue de verre fondu à partir d'une matière pre- mière dont la nature convient pour les opérations subséquentes de façonnage des objets.
Suivant la présente conception, l'opération de fabrica- tion du verre se subdivise en trois phases plus ou moins sé- parées et distinctes:
1.- La phase de "fusion" au cours de laquelle la charge de matières premières est fondue et il se produit des' réac- tions chimiques transformant les constituants initiaux en de nouveaux composés, habituellement des silicates.
2. - La phase "d'affinage" ou "de finissage" au cours de laquelle les composés résultant de la fusion se répartissent
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dans la naisse et les gaz criés par la dissociation des cons- tituants initiaux ainsi que l'air inclus sont éliminés et le verre est rendu homogène.
3. - La phase de "refroidissement" ou de "préparation" au cours de laquelle le verre affine est amena et maintenu à une température convenant pour l'opération qu'il doit su- bir pour être converti en objet.
Jusqu'à présent la fusion continue du verre u'eut faite dans de grands fours ou bassins de fusion dans lesquels un réglage unique de la chaleur est employa cornue Moyen de ré- gler les conditions de température dans les différentes par- ties du bassin. Celui-ci comprend une chambre unique au-dessus du niveau du verre et est divisé, en-dessous du niveau du ver- re, en deux compartiments par une cloison s'élevant un peu au-dessus du niveau du verre. Ces compartiments communiquant par un passage situe en-dessous du niveau du verre. Cette construction est telle que de la chaleur apportée en n'impor- te quelle partie du bassin produit un effet dans toutes les parties de celui-ci.
La partie postérieure du bassin est habituellement appe- lée le compartiment de fusion et sa partie antérieure la chambre d'affinage. Ces expressions sont toutefois erronées car les opérations de fusion et d'affinage s'achevant toute
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deux senaioleuent dans le cOL1:part iI.ieü t de fusion, tanais que le compartiment d'affinage est employé principalement pour refroidir le verre affiné jusque ce qu'il ait acquis une température et une viscosité convenant pour les manipu- lations à la main ou par les dispositifsde soutirage auto- matiques au cours des premières phases des opérations de /façonnage des produits.
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Dans l'emploi de ces bassins continus,' il a été jusqu'à. présent d'usage de maintenir le verre sous une épaisseur con- sidérable, par exemple de 0.90 m, à 1. 20 ni. La charge de verre est introduite par le dessus en quantité' considérable dans la partie postérieure du compartiment de fusion, directement au-dessus de la masse déjà fondue qui occupe ce compartiment.
On a l'habitude de charger ces bassins à des intervalles de 20 a 40 minutes et la charge présente par conséquent un vo- lume considérable. La charge de verre est fondue en chauffant sa surface supérieure. Pendant la fusion, les ingrédients subissent des transformations chimiques qui forment, dans le cas des verres silicieux usuels, les différents silicates dont le verre est finalement composé. Lors de la fusion, la décomposition des constituants initiaux produit des gaz en quantités considérables et il devient nécessaire de soumet- tre le verre à un nouveau traitement thermique pour le dé- barrasser de ces gaz et de l'air occlus, et pour diffuser les différents produits des transformations chimiques de fa- on à rendre le verre homogène.
Cette partie de l'opération est habituellement appelée "affinage" et elle s'effectue, dans les bassins actuellement en usage, dans le compartiment où se fait la fusion. Il n'y a dans ces bassins sensiblement aucune séparation entre les phases de fusion et d'affinage, ce qui provoque certains inconvénients qui sont écartés par la présente invention.
Après traitement dans le compartiment de fusion, le verre passe par l'ouverture de la -cloison dans l'extrémité de travail de bassin, appelée de façon erronée extrémité
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.'affina;e", où. on le laisse serefroidir jusqu'à ce que sa température et sa viscosité soient telles qu'elles convien-
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nent pour la fabrication. A cause du réglage unique de la chaleur dans le bassin, il est impossible d'appliquer à cha- que opération de fabrication du verre les conditions de chauf- fage les plus efficaces et les plus économiques et, en prati- que, les conditions de chauffage constituent toujours un compromis entre les besoins des trois opérations -le fusion, d'affinage et de refroidissement.
Le procédé de chargement et de fusion du verre employé jusqu'à présent nécessite le chauffage de surface inutile- ment grandes aussi bien du verre que du bassin et la pratique consistant à achever l'opération d'affinage dans le comparti- ment -le fusion entraîne des pertes et produit un grand nombre de résultats non désirables affectant la qualité du produit obtenu et le prix de revient de celui-ci. De même, l'emploi d'une chambre de refroidissement ou de travail en communica- tion au point de vue thermique avec la cnambre de fusion est -ion seulement sans effet utile mais tend a donner des pro- duits non satisfaisants.
Du fait que la section transversale du bassin est grande et que les surfaces extérieures du bassin sont exposées à l'atmosphère sans isolement et sont habituellement soumises a un refroidissement extérieur artificiel, il se produit des variations radicales progressives de la température de la surface vers le fond du verre et du milieu vers les cotés du bassin. En d'autres termes, dans n'importe quelle section transversale considérée, le verre n'est pas a une température uniforme. La différence de température peut exister dans une mesure telle que les parties extérieures, au fond et sur les cotes, se solidifient au point que le verre ne s'écoule pas du tout.
Il est donc évident qu'une partie du verre s'écoule
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dans des canaux formés à travers d'autres parties du verre qui ne s'écoulent pas ou qui s'écoulent beaucoup plus lente- ment. Cette formation de canaux a pour résultat la création de poches de verre mort qui, à l'occasion de variations de la température, peuvent être ramollies au point de s'incor- porer au courant sans devenir homogène avec celui-ci, ce qui produit à l'extrémité de travail un verre non homogène.
En outre, cette circulation en canaux a souvent pour résultat de faire avancer des parties de la charge non fondue et dé- truit le réglage précis de l'application des différentes phases de la fabrication du verre indiquées ci-dessus, car l'opération de fusion se produira, en ces occasions, dans une partie du bassin dans laquelle devrait se produire plus particulièrement l'opération d'affinage et où les conditions de température peuvent ne pas convenir pour la fusion.
En outre, par suite de la différence de température entre la partie du verre située au centre du bassin et les parties situées contre les parois, il se produit des courants de con- vection, transversalement à la ligne d'écoulement, qui obli- gent du verre d'une nature différente et ayant des propriétés physiques et chimiques différentes, à se mélanger au verre qui s'avance dans le canal principal, ce qui produit une ma- tière non homogène rendant le travail difficile et donnant des produits imparfaits.
Ces courants de convection transversaux et ces variations de température ne sont pas les seuls inconvénients. Il n'est pas désirable non plus d'avoir une élévation de la température de l'arrière à l'avant du bassin, ou une température qui s'é- lève et s'abaisse alternativement, car ces variations de tem- pératures ont pour résultats des courants qui font avancer
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@ la charge et le verre hors des parties''de fusion et d'affina- ge du bassin avant que ces opérations respectives soient achevées. Dans les bassins actuellement connus le manque de réglage convenable des conditions thermiques dans les diffé- rents parties séparées du bassin a souvent pour résultat ces variations nuisibles de la chaleur et,
d'une manière généra- le, le problème de l'équilibre des conditions thermiques est un problème délicat dans cette construction.
A cause de l'opération longue et incertaine nécessaire pour fondre et affiner convenablement le verre, les bassins utilisés jusqu'à présent ont de grandes limensions par rap- port à leur débit quotidien; par exemple, un bassin ayant un débit quotidien de 25 à 40 tonnes doit contenir 100 tonnes ou plus. La profondeur à laquelle le verre est porté et les différences entre la température des parois du bassin et le verre sont des sources abondantes de difficultés qui sont évitées en grande partie par la présente invention.
Entre autres buts, la présente Invention se propose de fournir un procédé et des appareils pour le traitement du verre, dans lesquels les phases fondamentales consistant (l) à convertir la charge brute en verre (2) à affiner ou finir l'opération de fusion, et (3)à refroidir et préparer le verre pour le traitement, sont exécutées indépendamment et sont réglées séparément au point de vue thermique.
D'une manière générale, le présent procédé comprend les opérations qui consistent à introduire une charge de verre de faon continue dans une chambre de fusion pourvue de dis-
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positifs de chauffage cOlliY..&lddd s';paréu3üt, à fournir de la chaleur à la surface de la charge brute en obligeant le verre a s'écouler en couche mince sur la sole, à mesure qu'il se
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fond, pour s'écouler finalement du four de'fusion dans une chambre d'affinage et de finissage, de façon que le finissage puisse être terminé très rapidement.
Elle consiste en outre à régler la chaleur dans la chambre d'affinage ou de finissa- ge de fagon que les courants de convection soient réduits au minimum ou évités, et de façon à éliminer sensiblement toute variation de chaleur dans la masse, sauf peut-être une varia- tion de température de haut en bas dans la direction de l'é- coulement du verre dans la chambre d'affinage, Elle comprend en outre le transfert du verre affiné dans un compartiment de "préparation" ou de "refroidissement", qui est également muni d'un réglage individuel de la chaleur et dans lequel le verre est amené uniformément à la température de travail et main- tenu à cette température.
Parmi les avantages de la présente invention sur les procédés utilisés jusqu'à présent, on peut citer les suivants:
Grâce à son emploi, la fusion du verre est plus rapide et, par conséquent, elle permet de réduire considérablement lès di- mensions du bassin tout en maintenant le même débit. Cette réduction de dimensions, à son tour (a) diminue le prix ini- tial de l'appareillage, (b) diminue la surface à chauffer, (c) diminue les pertesde chaleur lorsqu'on réduit la production et (d) procure d'une manière générale une plus grande souples- se et un meilleur effet utile des opérations.
La réduction des dimensions du bassin entraîne'la possi- bilité d'un meilleur isolement et d'une plus grande efficacité dans l'emploi de cet isolement. Non seulement celui-ci di- minue les pertes de chaleur et permet un meilleur réglage de la température au cours des différentes phases de l'opération, Tais en outre il réduit considérablement les courants de con- @
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vection nuisibles, ce qui diminue la -tendance du verre à s'é- couler en canaux. L'écoulement du'verre sur l'entièreté de la section transversale est en outre favorisé par l'élimination, du passage rétréci des anciens bassins.
La séparation des phases de l'opération, qui est un des buts principaux de la présente invention, permet de maintenir les chambres séparées à la température la plus efficace pour chaque phase et de conduire les différentes phases à cette température la plus efficace, ce qui a pour résultat d'augemen- ter de la vitesse de production et de réduire le prix .de re- vient par tonne de verre fondue, Cette séparât ion des phases de l'opération permet d'éviter aussi une caractéristique nui- sible de l'ancienne construction mentionnée ci-dessus, en ce sens qu'elle empêche la charge non fondue de la chambre de fusion de passer dans les autres chambres et le d3bit de verre non affina à l'extrémité de préparation ou de travail.
Le présent procédé se prête a. l'emploi de bains le verre comparativement peu profonds dans tout l'appareil et ceci possède à son tour l'avantage d'augmenter la vitesue de fa- brication du verre, de contribuer à éliminer les courantsde convection et d'augmenter le contrôle à la fois de l'écoule- ment et des caractéristiques du verre dans les différentes phases de l'opération.
Dans les dessins annexes:
La fig. 1 est une vue en plan d'une forme de l'appareil convenant pour la réalisation de l'invention.
Ld fig. 2 est une coupe verticale de l'appareil.
La fig. 3 est une coupe à plus grande échelle de la chambre de fusion de l'appareil des figs. 1 et 2, montrant
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un dispositif pour introduire la charge brute dans la chambre de fusion. '
La fig. 4 montre une forme modifiée de la chambre de préparation ou de refroidissement.
M représente d'une manière générale un bassin ou compar- timent de fusion dans lequel la charge brute est introduite et dans lequel s'effectue la phase de fusion. T représente d'une manière générale un bassin unique comprenant un compar- timent d'affinage R et un compartiment de préparation ou de refroidissement P. La chambre de fusion M constitue de pré- férence une construction indépendante, séparée des chambres d'affinage et de préparation et elle est établie de façon à se mouvoir pour pouvoir se placer dans la position de la fig.l et quitter cette position en vue de permettre son remplace- ment par d'autrescompartiments de fusion.
Comme cettepartie de l'appareil est soumise à une température plus élevée que les autres et s'use donc plus vite, il est désirable qu'elle puisse être remplacée sans que cela entraîne le chômage des autres parties de l'appareil. La présente invention comprend l'emploi simultané de plusieurs de ces chambres de fusion avec la même chambre d'affinage et de préparation, si l'on désire obtenir une vitesse de fusion plus élevée que celle qui peut être obtenue avec une seule chambre de fusion.
Le bassin de fusion comprend une chambre fermée 5 dont les parois, le fond et le plafond 6 sont en une matière ré- fractaire de qualité supérieure et isolés de l'atmosphère ex- térieure par un Isolement 7. La charge est introduite de faon continue dans la chambre par un mécanisme de charge- aient par le dessous, tel que celui représenté sur la fig.3,
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ou de tout autre manière appropriée, .le faon à maintentr une ou plusieurs petites masses de charge 8 sur le fond de la chambre.
Celle-ci est munie d'un dispositif de chauffage ap- propria quelconque, par exemple uri brûleur à gaz 9, dont le réglage est propre à la chambre de fusion. Un carneau ou che- minée 10, pourvu de registres appropriés (non replantes), peut être disposépour contribuer au réglage de la chaleur dans la chambre. A mesure que le verre fond au sommet de la Liasse 8, il s'écoule de celle-ci sur la sole qui est de pré- férence en peinte, et dans une auge ou rigole de sortie 11, puis de là il sort de la chambre par une ouverture 12 et en- tre dans la chambre d'affinage 22.
Le mécanisme d'introduction de la charge (fig.3) comprend une cheminée de descente 13 avec une trémie appropriée, par laquelle la charge descend par son propre poids dans un pas- sage sensiblement horizontal 14. Un piston à mouvement alter- natif 15 actionné au moyen d'une came 16 par 1'intermédiaire de bielles appropriées, refoule périodiquement la chaîne par une ouverture 17 dans la chambre 5 et sous la masse d. La vitesse d'alimentation peut être réglée par le choix et le réglage de différents facteurs tels que les dimensions des passages 13 et 14 et la course ainsi que la vitesse du piston 15, de façon que l'alimentation soit telle qu'elle remplace la charge au fur et à mesure de la fusion pour conserver en tout temps une quantité constante de charge dans la chambre.
Le présent procédé d'introduction de la charge dans la chambre de fusion au moyen d'un passage ferme, et en-desnous des masses de verre se trouvant déjà dansla chambre, présente un grand avantage sur les méthodes antérieurement condes 'consistant à déverser la charge dans le bassin par le dessus.
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Lorsque la charge est ainsi déversée par le dessus, les gaz de combustion passant sur le verre à grande vitesse tendent à séparer les constituants les plus fins et les plus légers des constituants les plus lourds et un pourcentage considéra- ble de ces constituants légers est entraîné entièrement hors du four par les carneaux. Les caractéristiques chimiques du verre fabriques dans ces conditions sont donc incertaines.
Les carneaux du bassin sont aussi fréquemment obstrués par ces matières. Suivant le présent procédé, lorsque la charge est exposéeà la chaleur, elle fond et forme dans une certaine mesure une couche protectrice sur la charge se trouvant sous elle, de sorte que lorsqu'une nouvelle charge est introduite par le dessous, les constituants les plus fins ne se séparent pas et ne s'échappent pas, ce qui fait que c'est toujours une charge de composition déterminée qui est fondue.
Si on le désire, l'uniformité de la charge peut encore être assurée par l'addition d'un petit pourcentage d'eau.
Il y a un avantage supplémentaire à refouler de faon positive le verre en-dessous de la charge, en ce sens que chaque course du piston vers l'avant provoque une légère fissuration de la durface de la masse contenue dans le four étant donné que cette masse gonfle par le dessous, et ces cra- quelures permettant une pénétration plus profonde de la cha- leur appliquée au verre et facilitent ainsi l'opération de fusion.
Les chambres R et P sont de préférence établies sous la forme de parties d'une construction unique T qui com- prend des parois, un plafond et un fond en une matière ré- /)fractaire de qualité supérieure 18 entourés d'un isodement
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13 et reposant sur des supports approprias 2(3. Cette cons- truction est divisée intérieurement par -une cloison réfractai- re 21 s'étendant en travers de toute la chambre et descendant du soumet de la chambre vers le bas jusqu'en un point situe juste en-dessous du niveau G du verre et servant à diviser l'ensemble en des chambres R et P séparées au point ee vue thermique.
A une extrémité de la construction est ménagée une ouverture 22 par laquelle le verre venant de la chambre de fusion peut passer dans la chambre d'affinage, et l'autre extrémité présente des trous annulaires appropriés ou -les ou- vertures 23 pour des organes de soutirage.
La chambre R est pourvue d'éléments de chauffage appro- priés, représentés sur les figs. 1 et 2 sous la forme de brû- leurs à gaz 24, et qui sont commandés indépendamment des dis- positifs de chauffage des chambres M et P et ont de préférence chacun leur commande séparée. Cette disposition permet de choisir et de maintenir dans chaque zone de la chambre les conditions thermiques les plus efficaces, et rend ces condi- tions indépendantes de celles régnant ailleurs dans l'appa- reil.
La chambre P constitue la chambre de préparation ou de refroidissement et elle est pourvue, au-dessus du niveau du verre, d'une chambre appropriée 25 permettant de maintenir les conditions thermiques appropriées, comme le montrent les figs. 1 et 2, cette chambre est munie d'éléments de chauffage électriques 26 qui sont commandés indépendamment des disposi- tifs de chauffage des autres parties de l'appareil, par des dispositifs de réglage (non représentés) et qui sont de pré- férence commandés indépendamment l'un de l'autre.
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Comme le montre la forme modifiée.de la'fig. 4, la cham- bre P peut être divisée en deux chambres P1 et P2 par une cloison 27 semblable à la cloison 21. Ces chambres sont munies respectivement de chambres 28 et 29. Dans cette forme modi- fiée, la chambre 28 est destinée à la circulation d'un fluide de refroidissement pour contribuer au refroidissement du ver- re passant dans la chambre Pl, tandis que la chambre 29 est destinée à recevoir un fluide de chauffage d'une source ap- propriée quelconque (non représentée) pour maintenir le verre à la température de travail convenable dans la chambre P2.
Lorsqu'on emploie l'une ou l'autre forme de chambre de refroidissement ou de préparation, il est avantageux que leurs dispositifs de chauffage et de refroidissement soient commandes indépendamment des dispositifs de chauffage des autres parties de l'appareil, le but poursuivi étant de main- tenir dans tout l'appareil un réglage précis des conditions thermiques.
L'appareil décrit est de préférence beaucoup plus long que large. Sans limiter l'invention à ces proportions, on préfère employer un appareil dans lequel le rapport de la longueur à la largeur est d'environ 8 à 1 ou 10 à 1. On pro- pose de maintenir le verre dans les chambres R et P en un bain comparativement peu profond, par exemple un bain de 0.10 m. à 0. 40 m. d'épaisseur.
Bien que l'invention ne soit pas limitée à ce détail;., il est préférable de construire les parois, le fond et le pla- fond de l'appareil en des matières réfractaires de qualité supérieure telles que celles décrites dans la demande de brevet n .269.291 déposée le 26 Février 1927.
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Le procède préféré de fabrication 'du verre au moyen, de l'appareil décrit d'exécute comme suit: Une quantité appropriée de charge est Maintenue dans la trémie, d'où elle passe par l'action de la pesanteur par la cheminée 13 dans le passage 14, en avant du piston 15, et elle est poussée dans la chambre de fusion en-dessous du tas de charge en fusion 8, en petites quantités, par le fonctionnement continu du piston.
La chambre de fusion M est maintenue à une température élevée appropriée pour fondre complet errent et rapidement la matière du sommet du tas. Lorsque la charge fond, elle s'écou- le du tas et descend le long du fond incliné de la chambre de fusion jusque dans l'aube 11, en un mince courant ou en une couche mince qui est constamment soumise à la chaleur intense régnant dans la chambre. Celle-ci est maintenue à la tempéra- ture convenant le mieux pour fondre à la vitesse voulue le verre en traitement.
Pendant le temps mis par le verre pour s'écouler du tas et traverser la chambre en coulant le long du plan incline, il a été complètement fondu et, dans une certaine mesure, débarrassé des gaz résultant de la réaction des constituants initiaux de la charge. Il descend par le plan incliné et par les ouvertures 12 et 22 dans la chambre "d'affinage" où il s'ajoute à la charge de verre peu prof on-le se trouvant dans celle-ci.
Dans la chambre d'affinage, la diffusion des silicates et 1 ' élimination des gaz et de l'air s'achèvent, On a observé que suivant ce procède et avec cet appareil, l'opération d'affinage peut efficacement être conduite a une température un peu plus basse que la température efficace de fusion main-
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tenue dans la chambre de fusion. On maintient par conséquent la température de la chambre d'affinage à cette valeur plus faible mais efficace pour l'affinage et on maintient une cha- leur sensiblement uniforme dans toutes les sections transver- sales de la chambre d'affinage.
Comme le verre pénètre de la chambre de fusion dans la chambre d'affinage à une température plus élevée, il y a ha- bituellement une variation de température de haut en bas et longitudinalement ou dans la direction de 1-'écoulement du verre dans la chambre d'affinage, mais ceci n'est pas nuisi- ble aussi longtemps qu'aucune partie de verre n'est maintenue à une température sensiblement inférieure à celle qui a été appelée la température efficace d'affinage. Grâce au réglage séparé des conditions thermiques, on peut aisément maintenir des températures appropriées dans toute la chambre d'affinage et éviter la variation nuisible de température de bas en haut dans la ligne d'écoulement du verre qu'il est très difficile de contrôler dans les bassins connus jusqu'à, présent.
A cause de la construction de la chambre d'affinage et de la possibilité de régler dans toute l'étendue de celle-ci les conditions thermiques, et à cause de la charge de verre rela- tivement peu profonde utilisée, il est possible d'éviter sen- siblement ou tout au moins de réduire fortement les courants de convection transversaux et de maintenir chaque section transversale du verre, dans la chambre, à une température uni- forme partout.
Le verre se meut donc dans la chambre d'affina- ge sans formation appréciable de canaux, en un écoulement occupant sensiblement toute la section transversale.
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lorsque le verre atteint la cloison 21 entre la chambre d'affinage et la chambre de préparation, il est complètement affiné, et à part sa terapérature et sa viscosité, il convient pour 11-opération de façonnage. sa température est alors habi- tuellement de plusieurs centaines de degrés supérieure à celle convenant pour l'opération de façonnage.
Le verre passe de la chambre d'affinage dans la chambre de préparation où les conditions de température sont maintenues séparément telles que le verre est refroidi uniformément dans toute sa section transversale jusqu'à la température et à la viscosité néces- saires pour le façonnage, et est maintenu dans cet état. Les mesures prises dans le présent appareil sont telles qu'on maintient un réglage précis et complet des conditions de tem- pérature dans toute la chambre de préparation, sans corréla- tion avec les conditions de chaleur dans d'autres chambres de l'appareil.
Pour la "préparation" du verre, on peut établir des con- ditions de chauffage et de refroidissement telles que sa. tem- pérature diminue uniformément depuis la cloison vers les ou- vertures de travail 23, le verre n'atteignant la température et la viscosité convenables que juste avant d'arriver aux ouvertures de soutirage, ou bien on peut réaliser un refroi- dissement rapide initial du verre jusqu'à la température de travail, ou même un peu en-dessous de cette température., et ensuite, au terme de son écoulement vers les ouvertures, le ramener à la température de traitement et l'y maintenir par une application appropriée de chaleur.
L'appareil est représenté cornue débitant du verre à un seul dispositif de soutirage automatique représenté schématiquement par l'avant-bassin 30 et la disposition d'un bassin à iisposi-
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tif de soutirage unique rentre dans -de' la présente invention. L'invention comprend toutefois aussi l'emploi de plusieurs organes de soutirage automatiques avec un seul bas- sin unique, ou d'un certain nombre de trous annulaires conve- nant pour le cueillage à la main du verre ainsi fabriqué.
On a représenté (sur la fig. 3) et décrit un forme par- ticulière de chambre de fusion et de dispositif d'introduc- tion de la charge. La présente invention ne doit toutefois pas être limitée à la forme particulière représentée et elle peut être efficacement réalisée en employant une chambre de fusion autrement disposée, dont le fond est plus ou moins incliné ou qui est munie d'un fond composé de plusieurs plans d'inclinaisons différentes, et chauffée d'une autre umanière que celle représentée.
Le verre peut être introduit dans la chambre en tas comme on l'a représenté ou bien il peut être introduit de fagon à être dispersé en couches minces sur le fond de la chambre. L'introduction de la charge se fait de préférence, mais pas nécessairement, par le dessous.
Il doit'être bien entendu que les différentes opérations de "fusion", "d'affinage" ou de "finissage" et de "refroidis- sement" ou de "préparation", de la manière dont ces expres- sions sont employées ici,endéfinissent pas et ne peuvent pas définir des opérations de fabrication du verre qui sont tota- lement distinctes et séparées l'une de l'autre par des lignes -le démarcation nettes. L'opération de fusion comprend né- cessairement, outre la fusion réelle du verre., le commence- ment de l'opération d'affinage, et l'opération d'affinage ici décrite comprend souvent le commencement de l'opération de refroidissement.
Malgré cela on doit reconnaître qu'il existe
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uns distinction sensible entre ces opérations et il est de même du réglage séparé de la chaleur et des conditions d'é- coulement au cours de ces opérations. C'est par ce réglage sépara que le présent procédé et les présents appareils doi- vent être principalement distingués des forces antérieures et moins efficaces de bassins continus.
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Process and apparatus for the manufacture of glass.
The present invention relates to the treatment of glass and more particularly to methods and apparatus for the continuous production of molten glass from a raw material the nature of which is suitable for the subsequent operations of shaping the articles.
According to the present design, the glass manufacturing operation is subdivided into three more or less separate and distinct phases:
1. The "melting" phase in which the feedstock is melted and chemical reactions occur which transform the initial constituents into new compounds, usually silicates.
2. - The "refining" or "finishing" phase during which the compounds resulting from the fusion are distributed
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in the birth and the gases shouted by the dissociation of the initial constituents as well as the included air are eliminated and the glass is made homogeneous.
3. - The "cooling" or "preparation" phase during which the refined glass is brought and maintained at a temperature suitable for the operation which it must undergo in order to be converted into an object.
Until now the continuous melting of glass would have been done in large furnaces or melting basins in which a single heat control is employed as a means of regulating temperature conditions in the different parts of the basin. This comprises a single chamber above the level of the glass and is divided, below the level of the glass, into two compartments by a partition rising a little above the level of the glass. These compartments communicating through a passage located below the level of the glass. This construction is such that the heat supplied to any part of the basin produces an effect in all parts of it.
The posterior part of the pelvis is usually called the melting chamber and its anterior part the refining chamber. These expressions are however erroneous because the operations of fusion and refining being completed all
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two senaioleuent in the cOL1: part iI.ieü t melting, tanais that the refining compartment is mainly used to cool the refined glass until it has acquired a temperature and a viscosity suitable for handling by hand or by automatic draw-off devices during the first phases of product / shaping operations.
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In the use of these continuous basins he has gone as far as. It is now customary to maintain the glass under a con- siderable thickness, for example 0.90 m, at 1. 20 m. A considerable quantity of the glass charge is introduced from above into the rear part of the melting compartment, directly above the already molten mass which occupies this compartment.
It is customary to charge these basins at 20 to 40 minute intervals and the charge is therefore of considerable volume. The glass charge is melted by heating its upper surface. During melting, the ingredients undergo chemical transformations which form, in the case of usual siliceous glasses, the various silicates of which the glass is ultimately composed. During melting, the decomposition of the initial constituents produces gases in considerable quantities and it becomes necessary to subject the glass to a new heat treatment to rid it of these gases and of the entrained air, and to diffuse the gases. different products of chemical transformations in order to make the glass homogeneous.
This part of the operation is usually called "refining" and it is carried out, in the tanks currently in use, in the compartment where the fusion takes place. There is in these basins substantially no separation between the melting and refining phases, which causes certain drawbacks which are avoided by the present invention.
After processing in the melting compartment, the glass passes through the opening of the partition in the basin working end, mistakenly called end
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.'affina; e ", where. it is allowed to cool until its temperature and viscosity are as appropriate.
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nent for manufacturing. Due to the unique heat control in the basin, it is impossible to apply to every glassmaking operation the most efficient and economical heating conditions and, in practice, the heating conditions. Heating always constitutes a compromise between the needs of the three operations - melting, refining and cooling.
The process of loading and melting glass employed heretofore requires the heating of unnecessary large areas of both the glass and the basin and the practice of completing the refining operation in the melting compartment. results in losses and produces a large number of undesirable results affecting the quality of the product obtained and the cost price thereof. Likewise, the use of a cooling or working chamber in thermal communication with the melting chamber is only ineffective but tends to result in unsatisfactory products.
Because the cross-section of the basin is large and the outer surfaces of the basin are exposed to the atmosphere without isolation and are usually subjected to artificial external cooling, there are gradual gradual changes in temperature from the surface to the bottom. bottom of the glass and the middle towards the sides of the basin. In other words, in any cross section considered, the glass is not at a uniform temperature. The temperature difference can exist to such an extent that the outer parts, at the bottom and on the sides, solidify to the point that the glass does not flow at all.
It is therefore evident that part of the glass is flowing
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in channels formed through other parts of the glass which do not flow or which flow much more slowly. This channel formation results in the creation of pockets of dead glass which, on the occasion of variations in temperature, can be softened to the point of becoming incorporated into the current without becoming homogeneous with it, which produces at the working end a non-homogeneous glass.
Further, this channel circulation often results in advancing portions of the unmelted charge and destroys the fine tuning of the application of the various phases of glassmaking noted above, since the operation of melting will occur, on these occasions, in a part of the basin in which the refining operation should take place more particularly and where the temperature conditions may not be suitable for the melting.
Furthermore, as a result of the temperature difference between the part of the glass located in the center of the basin and the parts located against the walls, convection currents occur, transversely to the flow line, which obliterate glass of a different nature and having different physical and chemical properties, to mix with the glass which advances in the main channel, which produces an inhomogeneous material making the work difficult and giving imperfect products.
These transverse convection currents and temperature variations are not the only drawbacks. It is also not desirable to have a temperature rise from the back to the front of the pool, or a temperature that alternately rises and falls, as these variations in temperature have for results of currents that make
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@ the load and the glass out of the melting and refining parts of the basin before these respective operations are completed. In presently known basins the lack of proper control of thermal conditions in the various separate parts of the basin often results in these detrimental variations in heat and,
In general, the problem of the equilibrium of thermal conditions is a delicate problem in this construction.
Because of the long and uncertain operation necessary to properly melt and refine the glass, the basins used up to now have great limitations in relation to their daily flow; for example, a basin with a daily flow of 25 to 40 tons must contain 100 tons or more. The depth to which the glass is worn and the differences between the temperature of the walls of the basin and the glass are abundant sources of difficulties which are largely avoided by the present invention.
Among other objects, the present invention sets out to provide a method and apparatus for the treatment of glass, in which the fundamental phases of (1) converting the raw charge into glass (2), refining or finishing the melting operation , and (3) cooling and preparing the glass for processing, are performed independently and are separately controlled thermally.
In general, the present process comprises the operations which consist in introducing a load of glass continuously into a melting chamber provided with dis-
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positive heating cOlliY .. & lddd s'; paréu3üt, to provide heat to the surface of the gross load by causing the glass to flow in a thin layer on the hearth, as it
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bottom, to finally flow from the melting furnace into a refining and finishing chamber, so that the finishing can be completed very quickly.
It further consists in adjusting the heat in the refining or finishing chamber so that convection currents are minimized or avoided, and so as to substantially eliminate any variation in heat in the mass, except perhaps. be a temperature change from top to bottom in the direction of the flow of glass in the refining chamber. It further comprises transferring the refined glass to a "preparation" or "cooling" compartment. , which is also provided with an individual heat control and in which the glass is brought uniformly to the working temperature and kept at this temperature.
Among the advantages of the present invention over the methods used up to now, the following may be mentioned:
Thanks to its use, the melting of the glass is faster and, therefore, it allows to considerably reduce the dimensions of the basin while maintaining the same flow rate. This reduction in size, in turn (a) decreases the initial cost of the switchgear, (b) decreases the area to be heated, (c) decreases heat losses when production is reduced and (d) provides d 'in general a greater flexibility and a better useful effect of the operations.
The reduction in the dimensions of the basin leads to the possibility of better insulation and greater efficiency in the use of this insulation. Not only does this reduce heat loss and allow better temperature control during the various phases of the operation, it also considerably reduces the control currents.
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harmful vector, which decreases the tendency of glass to flow in channels. The flow of glass over the entire cross section is further promoted by the elimination of the narrow passage of the old basins.
The separation of the phases of the operation, which is one of the main aims of the present invention, makes it possible to maintain the separate chambers at the most efficient temperature for each phase and to conduct the different phases at this most efficient temperature, which has the result of increasing the production speed and reducing the cost price per tonne of molten glass. This separation of the phases of the operation also makes it possible to avoid a deleterious characteristic of the glass. The older construction mentioned above, in that it prevents the unmelted charge from the melting chamber from passing into the other chambers and the flow of unrefined glass at the preparation or working end.
The present method lends itself to a. the use of comparatively shallow glass baths throughout the apparatus and this in turn has the advantage of increasing the speed of glassmaking, helping to eliminate convection currents and increasing control at both the flow and the characteristics of the glass in the different phases of the operation.
In the accompanying drawings:
Fig. 1 is a plan view of one form of the apparatus suitable for carrying out the invention.
Ld fig. 2 is a vertical section of the apparatus.
Fig. 3 is a section on a larger scale of the melting chamber of the apparatus of FIGS. 1 and 2, showing
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a device for introducing the raw charge into the melting chamber. '
Fig. 4 shows a modified form of the preparation or cooling chamber.
M generally represents a melting tank or compartment in which the raw feed is introduced and in which the melting phase takes place. T generally represents a single basin comprising a refining compartment R and a preparation or cooling compartment P. The melting chamber M preferably constitutes an independent construction, separate from the refining chambers and preparation and it is established so as to move in order to be able to place itself in the position of fig.l and leave this position in order to allow its replacement by other melting compartments.
As this part of the apparatus is subjected to a higher temperature than the others and therefore wears out more quickly, it is desirable that it can be replaced without causing the unemployment of the other parts of the apparatus. The present invention comprises the simultaneous use of several of these melting chambers with the same refining and preparation chamber, if it is desired to obtain a higher melting rate than that which can be obtained with a single melting chamber. .
The melting basin comprises a closed chamber 5, the walls, bottom and ceiling 6 of which are made of a high quality refractory material and isolated from the outside atmosphere by an Isolation 7. The load is introduced continuously. in the chamber by a loading mechanism from below, such as that shown in fig. 3,
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or in any other suitable manner, .le fawn to maintain one or more small masses of charge 8 on the bottom of the chamber.
This is fitted with any suitable heating device, for example a gas burner 9, the setting of which is specific to the melting chamber. A flue or chimney 10, provided with suitable registers (not replanting), may be provided to help control the heat in the chamber. As the glass melts at the top of Bundle 8, it flows from the latter onto the bottom which is preferably painted, and into an outlet trough or channel 11, then from there it comes out of the chamber through an opening 12 and enter the refining chamber 22.
The mechanism for introducing the load (fig. 3) comprises a lowering chimney 13 with a suitable hopper, through which the load descends by its own weight in a substantially horizontal passage 14. A reciprocating piston 15 actuated by means of a cam 16 via suitable connecting rods, periodically pushes back the chain through an opening 17 in the chamber 5 and under the mass d. The feed rate can be regulated by the choice and adjustment of various factors such as the dimensions of the passages 13 and 14 and the stroke as well as the speed of the piston 15, so that the feed is such that it replaces the charge as it melts to maintain a constant amount of charge in the chamber at all times.
The present method of introducing the charge into the melting chamber by means of a firm passage, and through the masses of glass already in the chamber, has a great advantage over previously conducted methods of discharging the glass. load in the pelvis from above.
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When the charge is thus discharged from above, the combustion gases passing over the glass at high velocity tend to separate the finer and lighter components from the heavier components and a considerable percentage of these light components is entrained. completely out of the oven through the flues. The chemical characteristics of the glass produced under these conditions are therefore uncertain.
The flues in the pond are also frequently blocked by these materials. According to the present process, when the filler is exposed to heat, it melts and to some extent forms a protective layer on the filler below it, so that when a new filler is introduced from below, the larger constituents. ends do not separate and do not escape, so that it is always a charge of determined composition that is melted.
If desired, uniformity of the charge can still be ensured by the addition of a small percentage of water.
There is an additional advantage to positively forcing the glass below the load, in that each stroke of the piston forward causes a slight cracking of the surface of the mass contained in the furnace since this mass swells from below, and these cracks allow deeper penetration of the heat applied to the glass and thus facilitate the melting operation.
The R and P chambers are preferably set up as parts of a single construction T which comprises walls, a ceiling and a bottom made of a high quality refractory material 18 surrounded by isodization.
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13 and resting on appropriate supports 2 (3. This construction is internally divided by -a refractory partition 21 extending across the entire chamber and descending from the bottom of the chamber down to a point located just below the level G of the glass and serving to divide the whole into thermally separated R and P chambers.
At one end of the construction is formed an opening 22 through which the glass coming from the melting chamber can pass into the refining chamber, and the other end has suitable annular holes or openings 23 for organs. racking.
The chamber R is provided with suitable heating elements, shown in figs. 1 and 2 in the form of gas burners 24, and which are controlled independently of the heaters of the chambers M and P and preferably each have their own separate control. This arrangement makes it possible to choose and maintain the most efficient thermal conditions in each zone of the chamber, and makes these conditions independent of those prevailing elsewhere in the apparatus.
The chamber P constitutes the preparation or cooling chamber and it is provided, above the level of the glass, with a suitable chamber 25 making it possible to maintain the suitable thermal conditions, as shown in FIGS. 1 and 2, this chamber is provided with electric heating elements 26 which are controlled independently of the heating devices of the other parts of the apparatus, by adjustment devices (not shown) and which are preferably controlled. independently of each other.
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As shown by the modified form of the 'fig. 4, the chamber P can be divided into two chambers P1 and P2 by a partition 27 similar to the partition 21. These chambers are provided respectively with chambers 28 and 29. In this modified form, the chamber 28 is intended for the circulation of a cooling fluid to aid in the cooling of the glass passing through the chamber P1, while the chamber 29 is intended to receive a heating fluid from any suitable source (not shown) to maintain the glass at the suitable working temperature in chamber P2.
When one or the other form of cooling or preparation chamber is employed, it is advantageous that their heating and cooling devices are controlled independently of the heaters of the other parts of the apparatus, the aim being to maintain precise control of thermal conditions throughout the device.
The apparatus described is preferably much longer than it is wide. Without limiting the invention to these proportions, it is preferred to employ an apparatus in which the ratio of the length to the width is about 8 to 1 or 10 to 1. It is proposed to keep the glass in the chambers R and P. into a comparatively shallow bath, for example a 0.10 m bath. at 0. 40 m. thick.
Although the invention is not limited to this detail;., It is preferable to construct the walls, the bottom and the ceiling of the apparatus of high quality refractory materials such as those described in the patent application. n. 269,291 filed February 26, 1927.
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The preferred method of making glass by means of the apparatus described performs as follows: An appropriate amount of charge is maintained in the hopper, from where it passes by the action of gravity through the chimney 13 into the hopper. passage 14, in front of piston 15, and it is pushed into the melting chamber below the pile of molten charge 8, in small quantities, by the continuous operation of the piston.
The melting chamber M is maintained at a suitable elevated temperature to completely and rapidly melt the material from the top of the pile. When the charge melts, it flows from the heap and descends along the inclined bottom of the melting chamber into vane 11, in a thin stream or in a thin layer which is constantly subjected to the intense heat prevailing. in the bedroom. This is maintained at the temperature best suited to melting the glass being treated at the desired speed.
During the time taken for the glass to flow out of the heap and pass through the chamber, flowing along the inclined plane, it was completely melted and to some extent freed of gases resulting from the reaction of the initial constituents of the charge. . It descends through the inclined plane and through openings 12 and 22 into the "refining" chamber where it is added to the shallow glass load located therein.
In the refining chamber, the diffusion of silicates and the removal of gases and air are completed. It has been observed that by this procedure and with this apparatus, the refining operation can effectively be carried out at a high speed. temperature a little lower than the effective main melting temperature
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held in the fusion chamber. The temperature of the refining chamber is therefore maintained at this lower but effective value for refining and a substantially uniform heat is maintained throughout all cross sections of the refining chamber.
As the glass enters the melting chamber into the refining chamber at a higher temperature, there is usually a change in temperature up and down and longitudinally or in the direction of the glass flow in the glass. refining chamber, but this is not detrimental as long as no part of the glass is maintained at a temperature substantially lower than that which has been called the effective refining temperature. By separate control of the thermal conditions, proper temperatures can be easily maintained throughout the refining chamber and the deleterious bottom-up temperature variation in the glass flow line which is very difficult to control in the glass can be avoided. the basins known until now.
Because of the construction of the refining chamber and the ability to control the thermal conditions throughout its range, and because of the relatively shallow glass filler used, it is possible to avoid substantially or at least greatly reduce the transverse convection currents and maintain each cross section of the glass in the chamber at a uniform temperature throughout.
The glass therefore moves in the refining chamber without appreciable channel formation, in a flow occupying substantially the entire cross section.
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when the glass reaches the partition 21 between the refining chamber and the preparation chamber, it is completely refined, and apart from its temperature and viscosity, it is suitable for the shaping operation. its temperature is then usually several hundred degrees higher than that suitable for the shaping operation.
The glass passes from the refining chamber into the preparation chamber where the temperature conditions are maintained separately such that the glass is cooled uniformly throughout its cross section to the temperature and viscosity necessary for the shaping, and is kept in this state. The measures taken in the present apparatus are such as to maintain an accurate and complete control of the temperature conditions throughout the preparation chamber, without correlation with the heat conditions in other chambers of the apparatus.
For the "preparation" of the glass, heating and cooling conditions such as s. The temperature decreases uniformly from the bulkhead towards the working openings 23, the glass reaching the correct temperature and viscosity only just before reaching the draw-off openings, or an initial rapid cooling can be carried out glass up to the working temperature, or even a little below this temperature., and then, at the end of its flow towards the openings, bring it back to the treatment temperature and maintain it there by an appropriate application heat.
The apparatus is shown retort delivering glass to a single automatic withdrawal device shown schematically by the fore-basin 30 and the arrangement of a basin at iisposi-
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A single draw-off is within the scope of the present invention. The invention, however, also comprises the use of several automatic draw-off members with a single single basin, or of a number of annular holes suitable for the hand picking of the glass thus produced.
There has been shown (in FIG. 3) and described a particular form of melting chamber and of the device for introducing the charge. The present invention, however, should not be limited to the particular form shown and it can be effectively achieved by employing an otherwise arranged melting chamber, the bottom of which is more or less inclined or which is provided with a bottom composed of several planes of 'different inclinations, and heated in a different way than that shown.
Glass can be introduced into the chamber in a pile as shown or it may be introduced so as to be dispersed in thin layers on the bottom of the chamber. The introduction of the load is preferably, but not necessarily, from below.
It should be understood, of course, that the various operations of "melting", "refining" or "finishing" and "cooling" or "preparation", as these terms are used herein, do not and cannot define glassmaking operations which are totally distinct and separated from each other by sharp lines. The melting operation necessarily includes, in addition to the actual melting of the glass, the commencement of the refining operation, and the refining operation described herein often includes the commencement of the cooling operation.
Despite this we must recognize that there is
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There is a substantial distinction between these operations and so is the separate control of heat and flow conditions during these operations. It is by this separate setting that the present method and present apparatus are to be primarily distinguished from the earlier and less effective forces of continuous basins.