DISPOSITIF POUR LA FUSION ELECTRIQUE

Description

[0001] L'invention est relative aux techniques de fusion électrique et concerne plus particulièrement celles dans lesquelles l'énergie est dissipée par effet Joule dans la masse fondue à partir d'électrodes plongeantes.

[0002] Pendant longtemps, les installations de production de verre opérant sur de grandes quantités ont été pourvues de fours de fusion alimentés en combustible fossile, tel que fioul ou gaz. C'était en particulier le cas pour les installations de production en continu de grande capacité fournissant par exemple le verre plat ou le verre de bouteillerie. Sur ces grands fours l'énergie électrique, lorsqu'elle était utilisée, l'était essentiellement comme appoint local pour maintenir la température du verre dans les zones les moins chaudes, ou en dehors du four dans son cheminement vers le lieu de transformation ou encore pour développer certains mouvements de convection pour favoriser l'homogénéisation, l'affinage ou le transport du matériau fondu.

[0003] La fusion électrique proprement dite est d'abord apparue sur des petites unités pour lesquelles une grande souplesse dans les conditions d'utilisation semblait nécessaire. Les fluctuations des coûts énergétiques et la maîtrise progressive de certains problèmes d'ordre technologique ont conduit plus récemment au développement d'unités de production importantes dans lesquelles l'ensemble du processus de fusion, à l'exception de la mise en service, se déroule en ayant recours à l'énergie électrique. Ce développement requiert la solution de problèmes technologiques extrêmement délicats.

[0004] C'est ainsi que, notamment pour éviter la question de l'oxydation des électrodes à la surface du bain en fusion, il a été proposé de les immerger complètement. C'est la solution retenue, par exemple, dans la demande de brevet français publiée sous le numéro FR-A-2 552 073. Dans ce document, les électrodes sont disposées verticalement dans le bain à partir de la sole du four. Dans d'autres réalisations, on trouve aussi des électrodes passant par les parois latérales du four.

[0005] Indépendamment des avantages qu'elle procure vis-à-vis des problèmes de corrosion, l'immersion des électrodes permet aussi une alimentation commode et bien uniforme de la surface du bain en composition de matières premières. La constitution d'une couche relativement épaisse de composition à fondre, surnageant sur le bain fondu, est utile en effet pour plusieurs raisons. Elle forme, au contact du bain en fusion, la réserve permanente de matière nécessaire au fonctionnement continu. Elle protège aussi le bain en fusion d'une forte déperdition calorifique par convection au contact de l'atmosphère et surtout par rayonnement.

[0006] Si les fours du type décrit dans le document précité trouvent des applications industrielles très importantes, ils ne permettent pas de répondre nécessairement au mieux à toutes les exigences rencontrées dans la pratique. A titre d'exemple il est souhaitable, dans certains cas, et dans le but évident de limiter les coûts d'investissement, de transformer les installations fonctionnant avec des brûleurs en conservant le plus possible des éléments existants et notamment les matériaux réfractaires constituant le bassin. Une telle transformation n'est pas possible lorsqu'il s'agit d'implanter des électrodes dans la sole ou dans les parois latérales du four.

[0007] Les fours dont les électrodes sont immergées offrent des possibilités limitées de réglage des électrodes. S'ils conduisent à des performances tout à fait satisfaisantes pour un certain régime, ils se prêtent moins bien à des modifications fréquentes et/ou substantielles de ce régime de fonctionnement.

[0008] Par ailleurs, même si la technologie des électrodes immergées est maintenant bien maîtrisée et que l'on peut envisager une longévité des électrodes comparable à celles des réfractaires, le risque de la détérioration prématurée d'une ou plusieurs électrodes venant compromettre le bon fonctionnement ne peut être complètement écarté.

[0009] Une autre solution notamment décrite dans la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 599 734 consiste à plonger des électrodes par la surface libre du bain de matière fondue. Cette technique présente un certain nombre d'avantages. Tout d'abord, elle évite bien entendu les difficultés liées au passage de ces électrodes à travers le réfractaire, et, également, les problèmes de remplacement d'électrodes usées, d'étanchéité ou encore d'usure des réfractaires, notamment dus à une température élevée qui favorise l'attaque du réfractaire et à de puissants courants de convection qui se développent à son contact.

[0010] La technique des électrodes plongeantes localise les zones les plus chaudes à la partie supérieure du bain fondu et atténue ainsi ces problèmes.

[0011] Par ailleurs, cette technique permet de modifier la profondeur d'immersion des électrodes et donc le gradient de température. Cela autorise des modifications de tirée du four sans changer la température de la sole et, par conséquent, la température du verre à la sortie du four.

[0012] De plus, l'expérience montre que cette technique a un rendement thermique très satisfaisant et conduit à une bonne qualité du matériau fondu.

[0013] Ces électrodes plongeantes sont habituellement fixées sur des supports qui surplombent le bassin de fusion à partir des côtés de celui-ci. La demande FR-A-2 599 734 décrit un tel support qui se compose d'un bras qui comporte des canalisations pour la circulation du liquide de refroidissement et un câble électrique pour l'alimentation de l'électrode, et du support d'électrode proprement dit.

[0014] En régime normal de fonctionnement, une couche de composition déposée à la surface du bain en fusion, qui constitue une protection contre les déperditions thermiques, évite une trop forte élévation de la température du bras qui surplombe le bain en fusion.

[0015] Par contre, lors d'une phase de mise en veille, au cours de laquelle la couche protectrice de matières premières est, soit d'épaisseur très réduite, soit absente, la température du bras devient très élevée et entraîne une dégradation du système d'alimentation électrique.

[0016] Pour éviter cet inconvénient, une solution habituelle consiste au cours d'une phase de mise en veille à relever les électrodes plongeantes et à maintenir une température suffisante dans le bain par des électrodes immergées le plus souvent placées sur les parois. Cette technique est efficace mais on retrouve les problèmes liés aux électrodes immergées bien que dans le cas présent, elles fonctionnent sous des tensions plus faibles puisqu'elles ne font que maintenir la température du bain déjà fondu. De plus, de telles électrodes immergées nécessitent des coûts d'investissements supplémentaires.

[0017] Une autre solution proposée, notamment décrite dans le brevet US 4,965,812, consiste à utiliser un support d'électrode constitué essentiellement d'un système de refroidissement de type " water-jacket" conducteur de courant. Le système d'alimentation est alors continuellement réfrigéré et donc protégé de l'élévation de température qui intervient lors d'une phase de mise en veille. Par contre, ce type d'installation nécessite un dispositif de protection car les supports d'électrodes sont maintenus sous tension en permanence.

[0018] Un tel dispositif consiste le plus souvent en un grillage qui interdit l'accès du four aux employés. Cependant certaines mesures qui nécessitent la présence d'un opérateur à proximité du bain et donc des supports d'électrodes mettent cet opérateur en danger.

[0019] EP-A-0 135 473 décrit un support d'électrode de four à arc, ledit support comportant un système d'amenée de courant et un dispositif de refroidissement, dans lequel le support présente en surface une protection thermique et ladite surface est isolée par rapport à la tension du conducteur de courant.

[0020] L'invention a pour but un dispositif pour la fusion électrique de charge vitrifiable qui agit soit en régime normal de fonctionnement, soit en période de veille sans l'intervention d'électrodes immergées et sans risque pour les opérateurs.

[0021] Ce but est atteint selon l'invention definie dans la revendication 1.

[0022] Le support d'électrode selon la revendication 1 satisfait aux problèmes posés par les techniques antérieures. En effet, il n'existe plus de risque, pour les opérateurs, lié au maintien de la tension d'alimentation de l'électrode. Et, lors d'une mise en veille du four de fusion, l'élévation de température due notamment au rayonnement du bain de verre fondu n'entraîne pas la dégradation du support puisque celui-ci possède une surface isolée thermiquement.

[0023] Dans une variante préférée de l'invention, le système d'amenée de courant est un système de refroidissement, du type "water-jacket" conducteur de courant électrique. Ce dispositif est alors entouré d'un isolant électrique, avantageusement en un matériau résistant à des températures très élevées.

[0024] L'isolant qui est choisi pour résister à des températures élevées est avantageusement refroidi par la circulation d'eau du système de refroidissement conducteur de courant.

[0025] Lors d'une mise en veille, la température du support devenant très élevée du fait du rayonnement, il est nécessaire de choisir un matériau isolant résistant à ces températures et a priori très onéreux.

[0026] L'invention propose avantageusement d'entourer l'isolant électrique d'un second système de refroidissement du type "water-jacket". Il est ainsi possible de choisir un matériau pour l'isolant électrique résistant à des températures inférieures. De plus, un tel matériau voit généralement ses propriétés d'isolation électrique s'améliorer à basse température.

[0027] D'autre part, le refroidissement de ce matériau isolant électrique permet d'assurer sa pérennité.

[0028] Le support d'électrode ainsi proposé comporte donc deux systèmes de refroidissement. Les systèmes de refroidissement sont avantageusement réalisés par circulation d'eau. Le système interne étant conducteur de courant électrique pour l'alimentation de l'électrode, l'invention prévoit deux circuits distincts de circulation d'eau de façon à ce que l'eau conductrice de courant et circulant dans le système de refroidissement alimentant l'électrode n'apporte pas une tension au niveau du second système de refroidissement qui n'aurait plus alors aucune utilité.

[0029] Selon un autre mode, préféré, de l'invention, les deux systèmes de refroidissement sont alimentés par un même circuit d'eau, l'eau étant déminéralisée de sorte qu'elle soit non conductrice de courant. Le dispositif d'alimentation d'eau extérieur au support d'électrode peut ainsi être limité à un circuit unique.

[0030] D'autres détails et caractéristiques avantageux de l'invention ressortent ci-après de la description des exemples de réalisation décrits en référence aux figures 1, 2 et 3 qui représentent :

• figure 1, une coupe d'une représentation schématique partielle d'un four comportant des électrodes immergées verticalement à partir de la surface,
• figure 2, un schéma d'une réalisation selon l'invention d'une électrode et de son support.
• figure 3, une représentation schématique d'une partie d'un support selon une autre réalisation de l'invention.

[0031] Le schéma de la figure 1 représente une partie d'un four de fusion associé à des électrodes plongeantes 1. Le four est constitué par un bassin réfractaire composé de la sole 2 et des parois latérales 3. Au-dessus du bassin, la voûte réfractaire 4 est suspendue à un bâti métallique 5 partiellement représenté, ledit bâti métallique 5 chevauchant le four.

[0032] Il est prévu des parois réfractaires mobiles 6 qui lorsqu'elles sont en position basse, c'est-à-dire en appui sur les parois latérales 3, permettent d'isoler partiellement le bain en fusion 7 de l'atmosphère environnante.

[0033] Seules des ouvertures dans les parois 6 sont prévues pour le passage des supports d'électrodes 8.

[0034] Cette position basse des parois 6 est adoptée lorsque le four est mis en état de veille et qu'il n'est plus nécessaire de l'alimenter en matières premières. Cela permet d'éviter une déperdition thermique trop importante, et le risque de dégrader tout le matériel environnant.

[0035] En ce qui concerne l'électrode 1 celle-ci est immergée à la surface du bain de fusion 7 sous la couche 9 de matières premières à fondre. Cette couche 9 qui recouvre le bain de fusion 7 en mode de fonctionnement normal, isole thermiquement le bassin et permet d'éviter les déperditions thermiques.

[0036] L'électrode 1 est fixée au support 8 qui comprend le système d'alimentation électrique et un dispositif de refroidissement de l'électrode 1, qui ne sont pas représentés sur cette figure 1.

[0037] Le support 8 est lui-même raccordé à un mécanisme non représenté qui permet notamment de retirer une électrode 1 du bain par exemple pour un changement ou une réparation.

[0038] Sur la figure 2, l'électrode 1 et son support 8 sont plus précisément représentés et font ressortir les avantages de l'invention.

[0039] L'électrode 1, habituellement en molybdène, est fixée par l'intermédiaire d'un élément 10, conducteur de courant, au tube 11 qui constitue le dispositif de refroidissement conducteur de courant électrique. L'élément 10 est une allonge qui se fixe au tube 11 par vissage. A l'autre extrémité de cette allonge 10, on fixe l'électrode 1. Une telle réalisation permet de pouvoir démonter facilement l'ensemble allonge 10/électrode 1 car l'endroit du vissage ne trempe jamais dans le bain de fusion. En effet, si le tube 11 était plus long et venait tremper directement dans le bain, il serait possible de fixer directement l'électrode 1 sur celui-ci par exemple par vissage. Par contre, il deviendrait beaucoup plus délicat de procéder au démontage de l'électrode, le point d'attache ayant trempé dans le bain de fusion. Selon notre montage le changement est très facile mais nécesite tout de même de remplacer l'allonge 10 en même temps que l'électrode 1. Cette allonge 10 peut être entourée, au moins partiellement, d'un matériau réfractaire suffisamment épais pour éviter un contact direct avec les matières premières ou le bain fondu.

[0040] D'autre part, l'allonge 10 permet également le passage du liquide de refroidissement jusqu'à l'électrode de façon à ce que celle-ci soit refroidie.

[0041] La fixation par vissage est intéressante car elle permet un remplacement rapide. Les remplacements d'électrodes peuvent être fréquents car ils n'interviennent pas uniquement en cas d'usure mais permettent également de modifier les électrodes et notamment leur longueur de façon à modifier le niveau d'immersion et donc l'apport énergétique au sein du four. Le tube 11 peut être réalisé en acier de façon à ce qu'il ait de bonnes propriétés de rigidité et de conduction.

[0042] Au sein de ce tube 11, est placé un second tube 12, par exemple concentrique. Ce second tube 12 est par exemple fixé en différents points à la surface interne du tube 11. L'association de ces deux tubes 11 et 12 permet une circulation d'eau et constitue ainsi un dispositif de refroidissement de type water-jacket. Le système de refroidissement étant conçu de façon à refroidir l'électrode 1, le tube 12 traverse l'allonge 10.

[0043] A l'autre extrémité du tube 11 vient se fixer un collier 13 d'alimentation par exemple en cuivre lui-même placé au sein d'un coffrage isolant 14. Ce collier 13 permet de mettre le tube 11 à la tension désirée, et celui-ci étant conducteur électrique d'alimenter l'électrode 1 sous cette même tension.

[0044] Autour du tube 11 est placé un matériau 15 isolant électrique avantageusement réalisé en un matériau réfractaire du type de l'isolant électrique commercialisé sous la référence MURATHERM 500 M. Le matériau 15 est réalisé sous forme d'un ou plusieurs manchons qui enveloppent et prennent appui sur une partie de la surface externe du tube 11. Ce matériau isolant électrique permet donc une accessibilité au support d'électrode sans aucun risque d'électrocution pour les opérateurs qui doivent approcher du bain de fusion. Le matériau 15 est lui-même entouré d'une enveloppe 16 concentrique dans laquelle circule un liquide de refroidissement tel que de l'eau. Cette enveloppe 16 du type "water-jacket" comprend un manchon 17 interne qui permet la circulation de l'eau.

[0045] Ce second dispositif de refroidissement permet d'une part d'éviter une surchauffe du matériau isolant même si celui-ci est choisi comme pouvant résister à des températures assez élevées et s'il est déjà en partie refroidi par le premier système de refroidissement.

[0046] D'autre part, il permet d'obtenir une surface externe du support d'électrode 8, qui reste relativement froide et peut permettre une manipulation ou tout au moins l'approche d'un opérateur même lorsque le four est en veilleuse et que le support 8 est chauffé essentiellement par le rayonnement issu du bain de fusion où la couche 9 de matière première est absente.

[0047] Les différents éléments cités 11, 12, 15, 16, 17 constituent des tubes, par exemple, concentriques, placés les uns autour des autres.

[0048] Dans le cas de la figure 3, un dispositif de refroidissement du type "water-jacket", conducteur de courant, constitué de deux tubes concentriques 18, 19 est entouré d'un ou plusieurs manchons 20 en un matériau isolant électrique et présentant une bonne isolation thermique et une bonne tenue en température.

[0049] La protection thermique de la surface du support d'électrode est alors obtenue d'une part, par la nature même du manchon 20 et d'autre part, par la présence du dispositif de refroidissement qui permet de refroidir ce manchon 20.

[0050] La protection électrique est apportée par le manchon 20 qui enveloppe le tube 19 conducteur de courant.

[0051] Les différentes canalisations permettant l'arrivée et le départ de l'eau de refroidissement ne sont pas représentées sur les figures.

[0052] L'eau utilisée pour le refroidissement est avantageusement une eau déminéralisée, ce qui permet d'utiliser les mêmes circuits pour les deux systèmes de refroidissement sans risque de conduction du courant vers le système de refroidissement externe, qui est par ailleurs relié à la terre.

[0053] Les flèches non numérotées indiquent les différents circuits suivis par le liquide de refroidissement.

[0054] L'électrode associée à son support ainsi décrite selon l'invention permet d'une part une utilisation sans risque en mode de fonctionnement normal puisque aucun dispositif accessible n'est sous tension et d'autre part une utilisation sans risque de dégradation du support lorsque le four est mis en veilleuse.

[0055] Le dispositif composé de l'électrode et de son support selon l'invention permet donc de conserver les différents avantages, liés à la fusion électrique par électrode immergée à partir de la surface du bain de fusion, qui ont été énumérés précédemment. Il s'agit par exemple, des bons rendements thermiques, de la bonne qualité du matériau fondu malgré des modifications de tirée, de l'augmentation de durée de vie du four car les réfractaires sont moins attaqués ou bien parce qu'il est aisé de changer une électrode.

[0056] De plus, le dispositif selon l'invention permet d'éviter la présence d'électrodes totalement immergées pour les périodes de veilleuse ou bien la présence à plein temps d'un système de protection évitant la présence des opérateurs à proximité des éléments continuellement sous tension.

Revendications

1. Support (8) d'électrode (1) de fusion immergée à partir de la surface d'un bain de fusion, ledit bain étant constitué d'une charge vitrifiable, ledit support (8) comportant un système d'amenée de courant et un dispositif de refroidissement, le support présentant en surface une protection thermique et ladite surface étant au moins en partie isolée par rapport à la tension du conducteur de courant ; ladite isolation électrique étant disposée à une certaine distance de l'extrémité plongeante de l'électrode.

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

3. Support d'électrode selon la revendication 2, dans lequel l'isolant électrique (15, 20) est en un matériau résistant à des températures élevées.

4. Support d'électrode selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel l'isolant électrique (15) est entouré d'un système de refroidissement du type "water-jacket" (16, 17).

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

6. Support d'électrode selon la revendication 4, dans lequel le fluide du système de refroidissement (16, 17) entourant l'isolant électrique est conduit par le circuit qui aliment le système de refroidissement (11, 12) conducteur de courant et le fluide est de l'eau déminéralisée.

Ansprüche

1. Träger (8) für eine Elektrode (1) zum Schmelzen, die von der Oberfläche eines Schmelzbades her eingetaucht ist, wobei das Bad aus einem verglasenden Einsatz besteht, der Träger (8) ein Stromzuführungssystem und eine Kühlvorrichtung aufweist, der Träger an seiner Oberfläche einen Wärmeschutz aufweist, und die Oberfläche zumindest teilweise gegen die Spannung des Stromleiters isoliert ist; wobei die elektrische Isolierung in einem bestimmten Abstand vom Eintauchende der Elektrode angeordnet ist.

2. Elektrodenträger nach Anspruch 1, wobei das Stromzuführungssystem ein Kühlsystem vom Typ eines elektrisch leitenden Wassermantels ("water jacket") (11, 12, 18, 19) ist, wobei dieses Kühlsystem von einem elektrisch isolierenden Material (15, 20) umgeben ist.

3. Elektrodenträger nach Anspruch 2, wobei das elektrisch isolierende Material (15, 20) aus einem gegen erhöhte Temperaturen beständigen Material besteht.

4. Elektrodenträger nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das elektrisch isolierende Material (15) von einem Kühlsystem vom Typ eines Wassermantels (16, 17) umgeben ist.

5. Elektrodenträger nach Anspruch 4, wobei das Fluid des Kühlsystems (16, 17), welches das elektrisch isolierende Material umgibt, durch einen Kreislauf geleitet wird, der von dem elektrisch leitenden Kühlkreislauf (11, 12) verschieden ist.

6. Elektrodenträger nach Anspruch 4, wobei das Fluid des Kühlsystems (16, 17), welches das elektrisch isolierende Material umgibt, durch den Kreislauf geleitet wird, der das elektrisch leitende Kühlsystem (11, 12) versorgt, und das Fluid vollentsalztes Wasser ist.

Claims

1. Support (8) for a melting electrode (1) immersed starting from the surface of a melting bath, said bath being constituted by a vitrifiable charge, said support (8) comprising a current supply system and a cooling device, the support having thermal protection at the surface and said surface being insulated at least partially with respect to the voltage of the current conductor; said electrical insulation being arranged at a certain distance from the immersible end of the electrode.

2. Support for an electrode according to claim 1, wherein the current supply system is a current-conducting cooling system of the water-jacket type (11, 12, 18, 19), and wherein that cooling system is surrounded by an electrical insulator (15, 20).

3. Support for an electrode according to claim 2, wherein the electrical insulator (15, 20) is of a material that is resistant to high temperatures.

4. Support for an electrode according to either claim 2 or claim 3, wherein the electrical insulator (15) is surrounded by a cooling system of the water-jacket type (16, 17).

5. Support for an electrode according to claim 4, wherein the fluid of the cooling system (16, 17) surrounding the electrical insulator is conveyed by a circuit other than the current-conducting cooling circuit (11, 12).

6. Support for an electrode according to claim 4, wherein the fluid of the cooling system (16, 17) surrounding the electrical insulator is conveyed by the circuit which supplies the current-conducting cooling system (11, 12), and the fluid is demineralised water.

Dessins