FR2501354A1 - Four electrique pour la fusion d'une charge non homogene et le melange de la matiere fondue, et procede pour optimiser la fusion d'un oxyde et melanger l'oxyde - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN FOUR ELECTRIQUE DE FUSION DESTINE A REALISER UNE FUSION ET UN MELANGE D'UNE MATIERE HOMOGENE, DE FACON OPTIMALE. LE FOUR COMPORTE UNE CUVE 10 OUVERTE A SA PARTIE SUPERIEURE 15. TROIS ELECTRODES 16 SONT DISPOSEES AU-DESSUS DU FOUR ET COMPORTENT CHACUNE UN BOUT ARRONDI 20 DESTINE A ETRE PLONGE DANS LA MATIERE CONTENUE DANS LA CUVE 10. CETTE DERNIERE PRESENTE UNE SORTIE 14 FORMEE DANS SON FOND 12. PENDANT L'OPERATION DE FUSION, LES TROIS BOUTS 20 D'ELECTRODES 16 SONT ECARTES LATERALEMENT LES UNS DES AUTRES ET PLACES AU-DESSUS DE LA SORTIE 14. L'ECARTEMENT LATERAL ET L'IMMERSION DES BOUTS 20 D'ELECTRODES DEPENDENT D'UN CERTAIN NOMBRE DE CONDITIONS. DOMAINE D'APPLICATION: FOURS ELECTRIQUES POUR CHARGES NON HOMOGENES, NOTAMMENT DES CHARGES CONSTITUEES DE DIVERS OXYDES.

Description

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L'invention concerne les fours électriques destinés à la fusion et au mélange de matières contenant

des oxydes telles que du verre et des compositions ré-

fractaires. L'invention concerne en particulier un four électrique de fusion dans lequel des électrodes sont espacées les unes des autres et immergées dans une matière en fusion conformément à une disposition choisie afin

d'assurer une fusion et un mélange optimaux des oxydes.

Divers fours électriques de fusion à haute température, ayant des électrodes configurées de façon différente, ont été conçus pour faire fondre le verre et des matières réfractaires. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 983 309 décrit un four de fusion qui comprend trois électrodes à blocs rectangulaires ou en

forme de plaques, introduites dans le four par le dessus.

La sortie du four comporte un élément conducteur du cou-

rant électrique. Les trois électrodes plates sont espacées radialement de l'élément de sortie conducteur du courant électrique. Les électrodes sont réglables latéralement pour permettre de modifier les conditions de fusion. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 539 691 décrit un avantcorps comportant deux électrodes destinées à être introduites par le haut dans la matière fondue. Les électrodes fournissent un apport de chaleur maintenant

la matière à l'état fondu. L'avant-corps comporte un élé-

ment supérieur de recouvrement ou un capot empêchant

la chaleur de s'échapper. Le brevet des Etats-Unis d'Amé-

rique N0 2 686 821 décrit un four comportant un avant-

corps. Des électrodes cylindriques en carbone sont montées de manière à pouvoir être positionnées à travers le four ouvert à sa partie supérieure. La position des électrodes est réglable verticalement. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 2 089 690 décrit un four électrique dans lequel des électrodes à bout rond sont positionnées à travers les parois latérales dudit four. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 2 591 709 décrit une électrode comportant un garnissage ou un revêtement qui entoure

une partie de la tige cylindrique de ladite électrode.

Bien que de nombreux et divers fours soient décrits dans l'art antérieur, aucun de ces fours antérieurs ne comprend la structure selon l'invention pour optimiser à la fois la fusion et le mélange d'une matière non homogène avant sa décharge par la sortie du four. Le four selon l'invention comporte des électrodes à bouts sensiblement ronds, pouvant être introduites à travers le dessus d'une cuve de four ouverte comportant une sortie de décharge à son fond. L'écartement entre les bouts des électrodes et leur profondeur dans la matière fondue sont critiques pour l'obtention d'une fusion et d'un mélange efficaces de la matière contenue dans la cuve du four. Comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 983 309 précité, des électrodes réglables latéralement, disposées à travers le dessus du four, sont connues. Cependant, ces électrodes ont des bouts

plats rectangulaires, positionnés radialement vers l'ex-

térieur de la sortie du four, dans le même plan que cette sortie. Lorsque les électrodes plates rectangulaires

sont associées à une sortie conductrice du courant électri-

que comme c'est le cas dans le four électrique décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 983 309

précité, des flux de chaleur orientés radialement appa-

raissent. Le flux radial de chaleur produit par un courant électrique parcourant les électrodes est dirigé du centre

du four vers ses parois latérales. En conséquence, d'im-

portantes quantités de chaleur se perdent vers les parois latérales du four au lieu d'être utilisées pour la fusion de la matière contenue dans le four. Par contre, les

bouts circulaires ou ronds des électrodes selon l'inven-

tion engendrent des configurations de flux circulaires ce qui a pour résultat le maintien de la chaleur au centre du four. En conséquence, la charge superposée à la matière fondue absorbe rapidement la chaleur dans le four. De plus, les configurations de flux circulaires améliorent le mélange ou l'agitation de la matière fondue de sorte

qu'une matière homogène est déchargée de la cuve du four.

Un point encore plus important est que, à la différence du four décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 3 983 309 précité, les électrodes selon

l'invention sont espacées les unes des autres d'une cer-

taine distance et immergées dans la matière fondue sur une certaine distance verticale, ces distances étant basées sur des conditions définies du four, comprenant

la dimension de la cuve du four, l'amplitude de la puis-

sance fournie au four et la température dela matière fondue

contenue dans le four.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 539 691 précité mentionne la présence d'au moins une électrode

à bout rond dans une configuration de four à deux électrodes.

Cependant, ces électrodes sont disposées dans l'avant-

- corps et non dans un four électrique de fusion. L'avant-

corps comporte une plaque de fermeture afin que la matière fondue ne soit pas en communication libre avec le milieu ambiant. Un avant-corps dont le sommet est isolé du milieu ambiant est essentiel pour prévenir l'échappement indésirable de chaleur de la matière complètement fondue avant son écoulement par la sortie de décharge. De plus,

les électrodes de l'avant-corps sont utilisées pour main-

tenir à l'état fondu la matière qu'il contient. Aucune fusion ni aucun mélange supplémentaires ne se produisent dans l'avant-corps, à la différence de l'invention selon laquelle un mélange optimal de la matière fondue constitue

une caractéristique essentielle.

L'invention concerne donc un four électrique de fusion qui comprend une cuve destinée à contenir des matières à faire fondre et à mélanger entre elles. La cuve comporte une partie supérieure ouverte à l'atmosphère

ou au milieu ambiant qui l'entoure. Elle comporte égale-

ment une sortie formée dans son fond. La sortie permet la décharge de la matière après que cette dernière a été fondue et mélangée de façon optimale. Le four électrique comporte en outre trois électrodes maintenues au-dessus de la partie supérieure de la cuve. Chacune des électrodes est supportée par un dispositif de montage mobile à la fois dans une direction horizontale et dans une direction verticale. Lorsque le dispositif de montage est actionné afin de se déplacer dans une direction horizontale, l'écartement latéral entre l'électrode et la cuve du four peut être réglé. De même, lorsque le dispositif de montage

est actionné afin de se déplacer dans une direction ver-

ticale, il est possible de régler-la position verticale

de l'électrode dans la matière fondue.

Chacune des trois électrodes comporte une tige de configuration sensiblement cylindrique et un bout

arrondi relié à la tige. Chacune des trois électrodes com-

porte également un tronçon central creux, s'étendant longitudinalement et destiné à recevoir un fluide devant refroidir l'électrode lorsque cette dernière est placée dans la matière fondue. Une partie de la tige et le bout de l'électrode pénètrent dans la cuve du four à travers

la partie supérieure ouverte de cette cuve.

Pendant le processus de fusion et de mélange des matières,une charge non homogène est continuellement présente à la surface supérieure de la matière fondue ou ligne

de fusion. Chacun des bouts d'électrode est placé au-

dessous de la ligne de fusion, dans la matière fondue, mais au-dessus de la sortie ménagée dans le fond. Une partie de

la tige d'électrode reste au-dessus de la surface supé-

rieure de la charge. La distance verticale ou profondeur d'immersion de chacun des bouts d'électrode dans la matière

fondue est choisie afin de maximiser la fusion et le mé-

lange de la matière. Simultanément, la distance verticale du bout d'électrode au-dessus de la sortie ménagée dans le fond est choisie pour optimiser le processus de fusion et de mélange. La distance ou l'écartement latéral entre les bouts d'électrode est également choisi pour maximiser la fusion et le mélange de la matière contenue dans la cuve. L'immersion optimale et l'écartement latéral optimal des bouts d'électrode dépendent d'un certain nombre de paramètres du four. Ces paramètres comprennent la dimension de la cuve du four, l'amplitude de la puissance fournie au four et la température souhaitée de travail de la cuve du four. Une source d'alimentation en énergie électrique est connectée à chacune des électrodes afin de générer un courant électrique qui parcourt les bouts d'électrode et traverse la matière pour la faire fondre et la mélanger convenablement. Bien que la sortie formée dans le fond de la cuve soit réalisée en métal conducteur du courant

électrique, elle ne conduit avantageusement pas d'impor-

tants courants électriques. La fusion et le mélange optimisés de la matière dans la cuve ont pour résultat un accroissement du débit d'écoulement de la matière en

fusion sortant de la cuve du four et une réalisation effi-

cace d'un produit homogène, par exemple une fibre, lors-

que la matière fondue s'écoule par la sortie du four.

Il ressort de ce qui précède qu'un certain nombre d'objectifs importants de la présente invention sont atteints. L'invention a pour objets d'accroître le débit d'écoulement de la matière fondue sortant de la cuve du four, d'améliorer le rendement de production de matière fibreuse, de mettre en oeuvre une cuve de four ouverte à sa partie supérieure afin que des électrodes puissent

étre introduites dans cette cuve par le dessus, de per-

mettre un mouvement latéral des électrodes par rapport à la cuve ainsi qu'un mouvement vertical de ces électrodes afin qu'il soit possible d'en régler l'immersion dans la matière fondue, de permettre un réglage de l'écartement

latéral et un réglage vertical des électrodes pour maxi-

miser la fusion et le mélange de la matière dans une cuve de dimension donnée, pour l'application aux électrodes d'une puissance d'amplitude donnée et pour une température de travail souhaitée de la cuve, d'utiliser des électrodes à bouts ronds pour engendrer des configurations circulaires de flux de chaleur afin de minimiser les pertes de chaleur vers les parois latérales de la cuve, et de permettre un mouvement vertical des électrodes afin que les bouts de ces dernières soient placés au-dessus de la sortie de la cuve et que ladite sortie de la cuve ne se comporte pas essentiellement comme un conducteur parcouru par des

courants électriques importants.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale du four électrique selon l'invention, montrant la position des électrodes dans la cuve du four, un dispositif de montage d'électrode étant représenté en coupe partielle; - la figure 2 est une vue de dessus du four électrique de la figure 1, montrant l'agencement à trois électrodes selon l'invention;

- la figure 3 est une coupe longitudinale par-

tielle, à échelle agrandie, d'une électrode utilisée dans le four selon l'invention; - la figure 4 est une coupe verticale d'une partie du four électrique selon l'invention ainsi que du dispositif de montage d'électrode;

- les figures 5A à 5F sont des graphiques mon-

trant des rendements de filage de fibres en fonction de divers écartements et de diverses immersions des bouts d'électrode, ainsi que dé différentes puissances fournies, dans une plage de température de travail de 1930-2100'C; - les figures 6A à 6F sont des graphiques donnant des températures optiques de la cuve du four en fonction de divers écartements et de diverses immersions des bouts

d'électrode, ainsi qu'en fonction de différentes puis-

sances appliquées; et - la figure 7 est un graphique extrapolé de ceux des figures 5A à 5F et 6A à 6F et de données obtenues

à la suite de l'essai du four électrique selon l'inven-

tion, ce graphique montrant des conditions pour obtenir

un mélange et une fusion optimisés.

Les figures 1 et 2 représentent le four électri-

que selon l'invention. Ce four comprend une cuve ou un conteneur 10 destiné à contenir une matière fondue et une charge. La charge s'étend sur la surface supérieure ou ligne de fusion de la matière fondue. Elle recouvre

la matière fondue sur une épaisseur d'au moins 6,5 mm.

La couche formée par la charge a une épaisseur d'au moins 12,5 mm afin que la chaleur s'échappant de la matière fondue soit absorbée efficacement par ladite charge pour

en faciliter la fusion.

La cuve 10 comporte une enveloppe métallique extérieure normale qui peut être refroidie par des moyens

classiques. Une matière réfractaire convenable, compati-

ble avec la matière en cours de fusion dans la cuve , est adjacente et contiguë à la paroi intérieure de l'enveloppe. Il est évident que la matière réfractaire peut être une coque qui a été formée à partir de matières fondues. La cuve 10 comporte également un fond 12 dans lequel une sortie 14 de décharge est formée. Une partie supérieure 15 de la cuve 10 n'est pas recouverte, mais cette partie supérieure 15 est ouverte à l'atmosphère ou au milieu ambiant, au-dessus de la cuve 10. Comme décrit plus en détail ci-après, la cuve 10 ouverte à sa

partie supérieure permet des mouvements latéraux et ver-

ticaux des électrodes placées à l'intérieur de cette cuve 10. De plus, la partie supérieure ouverte 15 permet l'arrivée continue de la charge dans le four pendant

le processus de fusion.

Le four électrique comporte également trois électrodes 16 qui, comme montré sur la figure 2, sont reliées chacune à une source convenable d'alimentation en énergie par des câbles 17 d'alimentation. La figure 3 illustre mieux une électrode représentative 16. Chaque électrode 16 comporte une tige 18 de forme à peu près cylindrique et un bout circulaire et sensiblement rond 20 vissé ou autrement relié à l'extrémité inférieure de la tige 18. Cette dernière est reliée obliquement au bout de l'électrode. Lorsque le bout 20 de l'électrode est placé dans la matière fondue, le plan de ce bout 20 est sensiblement parallèle à la partie supérieure 15 de

la cuve. Dans la forme préférée de réalisation, le dia-

mètre du bout de l'électrode est supérieur au diamètre

présenté en section transversale par la tige 18. Le dia-

mètre du bout 20 de l'électrode est normalement compris

entre 7,5 et 22 cm.

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Une bague 22 entoure une partie de la tige 18 située au-dessus et à proximité du bout 20 de

l'électrode. La bague 22 est de préférence ajustée libre-

ment autour de cette partie de la tige 18 afin de la protéger d'une érosion rapide due à la température élevée de la matière fondue. La bague 22 agit également de manière à réduire la vitesse à laquelle la matière du bout

de l'électrode est consommée.

La tige 18, le bout 20 de l'électrode et la bague 22 sont de bons conducteurs du courant électrique et sont réalisés, de préférence, en métal réfractaire, par exemple en molybdène, en tungstène, en platine ou

en alliages de ces métaux.

Chaque électrode 16 présente également un canal

24 formé le long de la tige 18, sensiblement en son centre.

Un tube 26 est fixé à l'intérieur du canal 24. Un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, est fourni au tube 26 et au canal 24 lorsque l'électrode 16 est

placée dans la matière fondue. Le fluide de refroidisse-

ment protège l'électrode.16 d'une détérioration indésira-

ble de la matière la constituant. En outre, la perte de chaleur par transmission de la matière fondue à

l'électrode refroidie 16 est réduite par un réglage appro-

prié du débit d'écoulement du fluide de refroidissement dans l'électrode 16. Le fluide de refroidissement arrive

au tube 26 par un conduit 28 d'entrée. Il sort par l'ex-

trémité 30 du tube. Cette extrémité 30 est placée verti-

calement à au moins 12,5 mm au-dessus du fond du canal

24 pour minimiser la vaporisation du fluide de refroidisse-

ment, par exemple la formation de vapeur d'eau, qui risque

de bloquer la section de passage utile du fluide de re-

froidissement vers le canal 24. Le fluide de refroidisse-

ment sort du canal 24 par un conduit 32 de sortie. Dans

la forme préférée de réalisation, le canal 24 a un dia-

mètre inférieur ou égal à 19 mm afin de minimiser la perte

de chaleur vers l'électrode 16.

Le four électrique comporte également un ensemble

à plongeur bien connu 33, comme montré sur la figure 4.

L'ensemble à plongeur 33 est monté au-dessus de la cuve

afin de pouvoir se déplacer dans une direction verti-

cale et il est utilisé pour commander l'ouverture et la

fermeture de la sortie 14. La figure 4 représente égale-

ment un dispositif 34 destiné au montage et au maintien d'une électrode 16. Un dispositif identique 34 de montage est placé en tout point approprié autour de la cuve 10

du four pour le montage de chaque électrode 16. Le dis-

positif 34 de montage permet également un réglage horizontal

et vertical de l'électrode 16 par rapport à la cuve 10.

Le dispositif 34 de montage comporte un bâti vertical 36.

Un bras 38 de support fait saillie perpendiculairement à ce bâti vertical 36. Un dispositif classique 40 de serrage d'électrode est boulonné ou autrement fixé sur une première extrémité du bras 38 de support. Le dispositif de serrage est placé au-dessus de la partie supérieure de la cuve 10. L'électrode 16 est reliée au dispositif

de serrage.

Un chariot vertical 42, comportant des roues 44, est monté sur le bâti vertical 36 afin de pouvoir se déplacer verticalement le long de ce dernier. Une seconde extrémité du bras 38 de support est fixée au chariot vertical 42. Un moteur 46 entraîne le chariot vertical 42 pour permettre un mouvement vertical du bras 38 de support et, par conséquent, un réglage de l'électrode

16 dans une direction verticale est rendu possible.

Le dispositif 34 comporte en outre un bâti horizontal 50 qui est fixé au côté inférieur du bâti vertical 36. Un chariot horizontal 52 est monté de manière à pouvoir se déplacer dans une direction horizontale ou latérale, le long du bâti horizontal 50. Le chariot horizontal 52 comporte des douilles 54. Un arbre fileté central 58 est relié au chariot horizontal 52, en un point approprié. Les extrémités de l'arbre fileté 58

sont montées dans des blocs de paliers (non représentés).

Une rotation de l'arbre fileté 58 (dans un sens ou dans l'autre) provoque un mouvement horizontal bidirectionnel du chariot horizontal 52 et, par conséquent, l'électrode 16 1 0

est déplacée horizontalement par rapport à la cuve 10.

La rotation de l'arbre fileté 58 est commandée par un moteur normal, de manière classique, qui, lui-même, est

commandé par un opérateur ayant la charge du four électri-

que. La possibilité de régler aisément les électrodes 16, à la fois dans une direction verticale et dans une direction horizontale, est importante pour décharger par la sortie 14 du four électrique la matière fondue qui est uniforme du point de vue thermique et du point de vue

chimique. En particulier, le four électrique selon l'inven-

tion peut produire une matière fondue uniforme pouvant être utilisée pour la production de fibres. La matière fondue s'écoulant par la sortie 14 du fond est dirigée

vers des machines à filer rotatives classiques (non repré-

sentées) qui produisent des fibres. Une production effi-

cace de fibres dépend directement de l'uniformité ou

homogénéité de la matière fondue et de sa température.

Plus la matière fondue est uniforme, plus la proportion de matière fondue déchargée, convenablement transformée

en fibres par les machines à filer, est grande. Simulta-

nément, la quantité de matière fondue qui n'est pas conve-

nablement transformée en fibre utilisable est minimisée.

La décharge de la matière fondue uniforme est maximisée par le positionnement vertical et horizontal choisi de chacune des électrodes 16, en association avec l'application de la puissance d'amplitude appropriée au four et le choix de la température souhaitée de travail de la matière fondue. L'importance de ces conditions peut être mieux comprise par un commentaire des graphiques illustrés sur les figures 5A à 5F, 6A à 6F et 7. Ces graphiques proviennent de résultats d'essai du four électrique décrit dans le présent mémoire, ainsi que d'une

extrapolation des données obtenues au cours de l'essai.

La matière fondue dans la cuve 10 au cours de l'essai est constituée de 54 % de SiO2 et 46 % de Al203* La plage de température de travail de la matière fondue est 1930-2100'C. Le diamètre du bout de chaque

électrode est d'environ 10 cm.

Avant de commencer le commentaire des graphiques,

on donnera des définitions d'expressions utilisées ci-

après. On entend par rendement de machines à filer un rapport (exprimé par un pourcentage) du poids de la matière fondue déchargée à la sortie de la cuve sur une machine à filer, puis recueillie sous forme de produit fibreux utilisable, au poids total de matière fondue

déchargée par la sortie de la cuve.

On entend par écartement des électrodes la distance latérale comprise entre le centre d'une électrode et le centre d'une autre électrode (en ce qui concerne

la description des figures 5A-5F, 6A-6F et 7, la distance

latérale entre les électrodes reste la même, par exemple un écartement d'électrodes de 89 cm signifie que chaque

électrode se trouve à 89 cm des deux autres électrodes).

L'immersion est la distance verticale mesurée de la ligne de fusion dans la cuve du four jusqu'à l'extrémité inférieure du bout de l'électrode (en ce

qui concerne la description des figures 5A-5F, 6A-6F et 7,

la distance verticale de chaque électrode reste la même, par exemple une immersion de 15 cm signifie que chaque

électrode est immergée sur une profondeur de 15 cm).

La puissance indique la quantité d'énergie électrique fournie aux trois électrodes par unité de temps. La densité de puissance est l'amplitude moyenne de la puissance développée dans une aire de section droite à l'intérieur de la coque métallique d'une cuve de four et elle est exprimée en kW/m2 (en ce qui concerne l'essai décrit, la cuve du four présente une aire, en

section droite, de 4,9 m2 pour un rayon de 1,23 m).

L'écartement des électrodes exprimé au moyen du rayon du four correspond à un rapport (exprimé en pourcentage) de la distance latérale, mesurée de l'axe vertical central de la cuve du four au centre du bout

de l'électrode, au rayon de la cuve du four.

La température du courant ou flux en fusion est la température réelle de la matière fondue s'écoulant par

la sortie de la cuve.

La température optique du courant est la tempé-

rature de la matière fondue mesurée par un pyromètre

optique normal à "fil chaud". La relation de la tempé-

rature du courant en fusion à la température optique est exprimée par une relation impliquant le facteur bien

connu d'émittance.

La température de travail est la température de

la matière fondue ayant une valeur supérieure à la tempé-

rature du courant en fusion afin de permettre une opéra-

tion de fusion commode. Par exemple, avec-des réfractaires, la température de travail doit être supérieure d'environ 55-1650C au point de fusion d'équilibre le plus élevé de la composition de matière fondue. Les points de fusion d'équilibre les plus élevés des diverses compositions

peuvent être aisément obtenus par l'homme de l'art.

En se référant à présent aux figures 5A à 5F, les figures 5A à 5C illustrent divers rendements des

machines de filage obtenus lorsqu'on fait varier l'immer-

sion des bouts d'électrode, l'écartement des électrodes et la puissance, dans la cuve 10 de 1,23 m de rayon. La figure 5A montre que, à une immersion de 12,5 cm de chaque bout d'électrode, le rendement du filage, indiqué en RF, croit généralement avec l'écartement des électrodes et la puissance fournie. L'écartement des électrodes est indiqué en ordonnées, en centimètres, tandis que la

puissance est indiquée en abscisses, en kW. La figure 5C -

montre que, avec une immersion de 17,5 cm de chaque bout d'électrode, le rendement du filage diminue généralement lorsque l'écartement des électrodes et la puissance augmentent. La figure 5B montre que, avec une immersion

de 15 cm de chaque bout d'électrode, le rendement du -

filage augmente lorsque l'écartement des électrodes et la puissance augmentent, mais qu'il diminue ensuite lorsque

l'écartement des électrodes et la puissance augmentent.

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1 3 Sur les figures 5B et 5C, on indique également l'écartement des électrodes en ordonnées et la puissance

en abscisses.

Les figures 5D et 5E sont des graphiques portant sur divers écartements d'électrodes et diverses puissances fournies à la cuve, pour une immersion d'électrode de 15 cm,

et elles montrent également l'effet de ces écarte-

ments et de ces puissances sur le rendement du filage.

Ce rendement est indiqué en ordonnées sur les figures 5D, 5E et 5F, tandis que la puissance est donnée en abscisses sur la figure 5D et l'écartement des électrodes est donné en abscisses sur la figure 5E. Sur la figure 5D, les courbes EE correspondent à l'écartement des électrodes donné en centimètres, tandis que la figure 5E porte des courbes de puissance dont les valeurs sont données en kilowatts.La figure 5F montre que le rendement du filage

diminue lorsque l'immersion augmente à partir de 15 cm.

En conséquence, si la ligne de fusion s'élève après le réglage initial de l'immersion à 15 cm, une diminution

du rendement de filage est à prévoir. On indique la pro-

fondeur d'immersion en abscisses sur la figure 5F.

Il ressort des graphiques des figures 5B et 5E que la profondeur optimale d'immersion du bout des électrodes est de 15 cm. En particulier, pour une immersion du bout d'électrode de 15 cm, on obtient le plus grand rendement de filage pour un écartement d'électrodes et une puissance choisis. Par exemple, un rendement de filage de 74 % est obtenu avec une immersion des bouts d'électrodes de 15 cm, alors que l'écartement des électrodes est d'environ 80 cm tandis que l'amplitude de la puissance

fournie aux électrodes est d'environ 800 kW.

En plus du rendement de filage amélioré, une autre mesure de l'accroissement de la production de fibres à l'aide du four électrique selon l'invention

est donnée par l'accroissement notable du débit d'écoule-

ment de la matière fondue par la sortie 14 de la cuve par suite des valeurs optimisées d'écartement et d'immersion des électrodes. Pendant environ 1050 heures d'essai, avec un écartement et une immersion desélectrodes optimisés et une puissance de 820 kW appliquée à la cuve , et en se basant sur un temps d'arrêt nul, on obtient un débit moyen d'écoulement de la matière fondue par la sortie 14 de la cuve égal à 415 kg/h. Par contre, le

débit d'écoulement typique d'un four alimenté à une puis-

sance de 820 kW, comportant des électrodes en blocs plats, espacées radialement et relativement proches d'une sortie conductrice centrale, est d'environ 237 kg/h,

sur la base d'un temps-d'arrêt nul.

Les figures 6A à 6C montrent la relation entre la puissance et l'écartement des électrodes pour trois immersions fixes différentes des électrodes, lorsque la température optique est maintenue pratiquement à des

valeurs fixes différentes, indiquées par les courbes TO.

Les figures 6A à 6C montrent que, à des immersions fixes de 12,5 cm, 15 cm et 17,5 cm de chaque électrode, la

température optique diminue lorsque la puissance augmente.

Les figures 6D et 6E sont des graphiques donnant divers écartements d'électrodes et divers niveaux de puissance fournis à la cuve pour une immersion de 15 cm des électrodes, et elles montrent leur effet sur la température optique donnée en ordonnées. En outre, la figure 6E montre que, à des amplitudes fixes et différentes de puissance, avec une immersion de 15 cm, on trouve une température optique minimale pour chaque puissance fixe lorsque l'écartement

des électrodes est modifié.

Une comparaison des figures 5E et 6E montre qu'une relation non établie jusqu'à présent existe entre le rendement de filage et la température optique de la matière fondue déchargée. En particulier, le rendement maximal de filage et la température optique la plus basse mesurée apparaissent au même écartement des électrodes, à la même amplitude de puissance fournie au four et à la même immersion des électrodes. Bien que la figure 6E montre que la température optique de la matière fondue diminue lorsque l'amplitude de la puissance fournie augmente, la température réelle du courant en fusion augmente avec la puissance, car l'émittance de la matière

fondue diminue lorsque la puissance augmente.

Les relations mutuelles dans le four électrique, entre les facteurs constitués par l'écartement des bouts d'électrodes,la puissance fournie aux trois électrodes, l'immersion des bouts des électrodes, la température de travail de la matière fondue et la dimension de la cuve sont regroupées et illustrées sur la figure 7. Les courbes de la figure 7 sont extrapolées des graphiques des figures 5D, 5E et 6E et elles montrent les conditions moyennes de fusion et de mélange optimaux des oxydes dans un four électrique. La courbe correspondant à la plage de température de travail de 1930-2100WC est basée directement sur les données obtenues au cours des essais

du four électrique. Les courbes, indiquées par les tempé-

ratures moyennes de travail de la matière fondue (10950C,

1370WC, 1650WC et 2210'C) sont basées sur une extrapola-

tion des données d'essai. Les données des figures 5E et 6E montrent qu'une diminution de l'écartement des électrodes exige un accroissement de la puissance pour parvenir à une fusion et un mélange optimaux. Il est connu que l'effet des compositions d'oxydes en fusion ayant une plage de température de travail inférieure est comparable à celui résultant d'un accroissement de la puissance fournie aux électrodes. En particulier, une diminution des températures de travail des compositions d'oxydes ayant des températures de travail inférieures exige également une diminution de l'écartement des électrodes pour maintenir une fusion et un mélange optimaux. Les courbes de la

figure 7 représentent cette conclusion.

Les conditions instantanées pour l'obtention

d'un mélange et d'une fusion optimaux des matières peu-

vent varier par rapport aux conditions moyennes. Les conditions optimales instantanées varient en raison d'un certain nombre de facteurs comprenant une répartition

inégale de la charge sur la matière fondue, des déséqui-

libres dans l'énergie triphasée parcourant les électrodes et un écart de la ligne de fusion par rapport à sa

position initiale dans-la cuve 10.

Une fusion et un mélange optimaux des oxydes se traduisent par un rendement maximal du filage, car la matière déchargée est homogène et convenablement fondue.A titre d'exemple illustrant l'application de la figure 7, dans la plage des températures de travail de la matière fondue comprise entre 1930 et 21000C et avec une densité de puissance de 140 kW/m2, une immersion des bouts d'électrodes de 15 cm pour chacune des électrodes et un écartement des bouts d'électrodes d'une distance égale à environ 42 % du rayon de la cuve du four, on obtient

un mélange et une fusion optimaux de la matière fondue.

Sur la figure 7, l'écartement des électrodes est indiqué en ordonnées, sous forme d'un pourcentage du rayon du four. Sur la figure 7, la puissance est exprimée sous la forme de la densité de puissance afin que les courbes tiennent compte de tout diamètre ou de toute largeur de la cuve. En ce qui concerne une cuve de four ayant une aire, en section droite, de 4,9 m2, on applique une

puissance de 686 kW aux trois électrodes (140 kW/m2 x 4,9 m2).

De même, l'écartement des électrodes est exprimé sous la forme d'un pourcentage du rayon du four plutôt que par la distance séparant les électrodes, de manière que les courbes fassent apparaître toute largeur ou tout diamètre de la cuve. En ce qui concerne une cuve de four ayant un rayon de 1,23 m et un écartement d'électrodes égal à 42 % du rayon de la cuve, l'écartement des électrodes

est de 90,5 cm (0,42 x 123 x 2 cos7r/6).

Le graphique de la figure 7 montre en résumé

que la fusion et le mélange optimaux des ox\des se pro-

duisent lorsque la température moyenne de travail de la matière fondue est comprise dans la plage d'environ 1095-2210'C; lorsque la densité de puissance est comprise entre environ 50-430 kW/m2; lorsque l'immersion des bouts d'électrodes est d'environ 15 cm; et lorsque l'écartement des électrodes à partir de l'axe central

250 135 4

1 7 de la cuve du four est de l'ordre d'environ 10-52 % du

*rayon moyen total du four.

En plus de la composition essayée constituée de 54 % de Sio2et 46 % de Al203, les courbes de la figure 7 peuvent s'appliquer à des compositions ayant divers pourcentages d'un ou plusieurs des éléments suivants bioxyde de silicium, oxyde d'aluminium, bioxyde de titane, oxyde de bore, oxyde de chrome, oxyde ferrique, oxyde de

zinc, oxyde de magnésium, et oxyde de sodium.

Bien qu'elles ne soient pas mentionnées dans le présent mémoire en ce qui concerne l'invention, il est évident que d'autres conditions concernant le four peuvent affecter le mélange et la fusion des compositions d'oxydes. Ces conditions comprennent le diamètre des

bouts d'électrodes et l'épaisseur de la coque de la cuve.

La description précédente fait apparaître

aisément un certain nombre d'avantages de la présente invention. Le four électrique selon l'invention est conçu pour décharger une matière fondue uniforme du point de vue thermique et du point de vue chimique, grâce à la présence de trois électrodes dont les positions verticales

et horizontales peuvent être choisies, ainsi que l'appli-

cation de la puissance d'amplitude appropriée à ces électrodes. De plus, le débit d'écoulement de la matière fondue est optimisé. On utilise des bouts d'électrodes ronds pour minimiser l'amplitude des pertes de chaleur vers les parois latérales de la cuve et pour accroître

l'agitation de la matière fondue. La consommation d'éner-

gie électrique du four est minimisée tandis que la fusion est maintenue à un niveau approprié. L'utilisation d'électrodes à refroidissement interne réduit l'érosion de ces électrodes. Le four comporte une cuve ouverte à sa partie supérieure afin de faciliter les mouvements des électrodes et de permettre l'apport continu d'une

charge non homogène.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au four décrit et représenté sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Four électrique destiné à la fusion d'une charge non homogène et au mélange de la matière fondue comprenant une cuve (10) destinée à contenir une matière fondue et une charge non homogène non fondue reposant sur la surface de la matière fondue, cette cuve comportant une partie supérieure (15) ouverte sur le milieu ambiant, situé au-dessus de la cuve, cette dernière comportant également un fond (12) dans lequel est formé une sortie (14) permettant la décharge de la matière fondue, au moins trois électrodes (16) étant espacées latéralement les unes des autres et ayant chacune un bout (20) destiné

à être entouré par la matière fondue, le four étant caracté-

risé en ce que chaque bout d'électrode présente une section transversale sensiblement arrondie et est placé au-dessus de la sortie ménagée dans le fond, chaque bout d'électrode conduisant le courant électrique à travers

la matière fondue, le four comportant également des pre-

miers moyens (38, 40) destinés à supporter les électrodes et à permettre le positionnement d'une partie de chaque électrode dans la cuve, à travers la partie supérieure de cette dernière, et des seconds moyens (42, 52) reliés aux premiers moyens afin de les déplacer à la fois dans une direction horizontale et dans une direction verticale de manière que l'écartement latéral des bouts d'électrodes soit réglable et que la profondeur d'immersion des bouts d'électrodes soit également réglable, l'écartement latéral et l'immersion des bouts d'électrodes ayant des valeurs optimales pour la fusion et le mélange de la charge non homogène afin de produire une matière fondue homogène destinée à être déchargée par la sortie ménagée dans le fond, les valeurs optimales dépendant

d'un certain nombre de conditions qui comprennent la dimen-

sion de la cuve, l'amplitude de la puissance fournie aux électrodes et la température de travail de la matière fondue.

2. Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'immersion optimale des bouts d'électrodes est d'environ 15 cm et l'écartement optimal des électrodes est compris entre environ 10 et 52 % du

rayon moyen total de la cuve.

3. Four électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température de travail de la matière fondue est comprise entre 1095 et 22100C et la

densité de puissance est comprise entre 50 et 430 kW/m2.

4. Four électrique selon la revendication 1,

caractérisé en ce qu'au moins l'une des électrodes compor-

te une tige cylindrique (18) dont le diamètre est infé-

rieur à celui du bout de l'électrode.

5. Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des électrodes comprend une tige (18) reliée au bout d'électrode et s'élevant de ce dernier, et une bague (22) qui entoure une partie de la tige adjacente au bout de l'électrode, cette bague, lorsqu'elle est entourée de matière fondue, minimisant

l'érosion de la tige de l'électrode.

6. Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des électrodes comporte des moyens de refroidissement formés longitudinalement en son centre afin de permettre l'écoulement d'un fluide

destiné à refroidir l'électrode.

7. Four électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un canal (24) formé centralement dans l'électrode et ayant une extrémité adjacente au bout de l'électrode, et un conduit (26) logé dans le canal afin

de transporter le fluide de refroidissement, une extré-

mité (30) de ce conduit étant placée à 12,5 cm, au plus, au-dessus de l'extrémité du canal afin de minimiser la

formation de fluide vaporisé lorsque le fluide de refroi-

dissement sort à ladite extrémité du conduit.

8. Procédé pour optimiser la fusion d'un oxyde et le mélange de l'oxyde, ce procédé consistant à placer une composition d'oxydes dans un four électrique ayant un axe central vertical, une configuration sensiblement cylindrique, une sortie (14) ménagée dans son fond (12)t et au moins trois électrodes (16) qui comportent'chacune un bout (20), à élever la température moyenne de travail de l'oxyde fondu à environ 1095-2210'C, l'oxyde en fusion formant une ligne de fusion, à appliquer de la puissance à chacune des électrodes pour établir dans le four une densité de puissance optimale particulière, à positionnner chaque bout d'électrode verticalement pour lui donner

une position verticale optimale particulière, et à posi-

tionner chaque électrode latéralement par rapport à l'axe central vertical du four afin de donner à l'électrode une position latérale optimale particulière, le procédé

étant caractérisé en ce que la densité optimale de puis-

sance est comprise dans la plage d'environ 50 kW/m2 à environ 430 kW/m2, la position verticale optimale se trouve à environ 15 cm au-dessous de la ligne de fusion et la position latérale optimale établit un écartement

de l'ordre d'environ 10 à 52 % du rayon du four.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque bout d'électrode est placé au-dessus de

la sortie du four.