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Le barbotage, technique essentielle et largement utilisée en homogénéisation forcée, influence de manière significative et complexe les processus d'affinage et d'homogénéisation du verre en fusion. Voici une analyse détaillée.

1. Principe de la technologie de bullage

Le barbotage consiste à installer plusieurs rangées de barboteurs (buses) au fond du four de fusion (généralement dans la partie finale de la zone de fusion ou la zone d'affinage). Un gaz spécifique, généralement de l'air comprimé, de l'azote ou un gaz inerte, est injecté de manière périodique ou continue dans le verre en fusion à haute température. Le gaz se dilate et remonte à travers le verre en fusion, créant des colonnes de bulles ascendantes.

2. Impact du bullage sur le processus de clarification (principalement positif)

Le bullage permet principalement d'éliminer les bulles de gaz, clarifiant ainsi le verre.

Favoriser l'élimination des bulles

Effet d'aspirationUne zone de basse pression se forme dans le sillage des grosses bulles ascendantes, créant un « effet de pompage ». Celui-ci aspire, rassemble et fusionne efficacement de minuscules microbulles provenant du verre en fusion environnant, les transportant à la surface pour leur expulsion.

Solubilité réduite des gazLe gaz injecté, notamment un gaz inerte, peut diluer les gaz dissous dans le verre en fusion (par exemple, SO₂, O₂, CO₂), réduisant ainsi leur pression partielle. Ceci facilite l'exsolution des gaz dissous dans les bulles ascendantes.

Sursaturation locale réduiteLes bulles ascendantes constituent une interface gaz-liquide toute prête, facilitant ainsi l'exsolution et la diffusion des gaz dissous sursaturés dans les bulles.

Voie de raffinage raccourcieLes colonnes de bulles ascendantes agissent comme des « voies rapides », accélérant la migration des gaz dissous et des microbulles vers la surface.

Rupture de la couche de moussePrès de la surface, les bulles qui remontent contribuent à briser la couche de mousse dense qui peut entraver l'expulsion des gaz.

Effets négatifs potentiels (nécessitent un contrôle)

Introduction de nouvelles bullesSi les paramètres de bullage (pression, fréquence et pureté du gaz) sont mal contrôlés ou si les buses sont obstruées, le procédé peut introduire de nouvelles bulles indésirables et de petite taille. Si ces bulles ne peuvent être éliminées ou dissoutes lors des étapes de clarification ultérieures, elles constituent des défauts.

Mauvaise sélection du gazSi le gaz injecté réagit de manière défavorable avec le verre en fusion ou les gaz dissous, il pourrait produire des gaz ou des composés plus difficiles à éliminer, ce qui entraverait le processus d'affinage.

3. Impact du bullage sur le processus d'homogénéisation (principalement positif)

Le barbotage améliore considérablement le mélange et l'homogénéisation de laverre en fusion.

Convection et agitation améliorées

Circulation verticaleLorsque les colonnes de bulles remontent, leur faible densité par rapport au verre en fusion crée un puissant courant ascendant. Pour alimenter le verre ascendant, le verre environnant et celui du fond s'écoulent horizontalement vers la colonne de bulles, créant ainsi un puissant effet de levier.circulation verticaleouconvectionCette convection forcée accélère considérablement le mélange horizontal du verre en fusion.

Mélange par cisaillementLa différence de vitesse entre les bulles ascendantes et le verre en fusion environnant génère des forces de cisaillement, favorisant le mélange par diffusion entre les couches de verre adjacentes.

Renouvellement de l'interfaceL'agitation causée par les bulles ascendantes renouvelle continuellement les interfaces de contact entre les verres de compositions différentes, améliorant ainsi l'efficacité de la diffusion moléculaire.

Perturbation de la stratification et des stries

Une forte convection brise efficacementstratification chimique ou thermiqueetstriesCes différences sont dues à des variations de densité, des gradients de température ou une alimentation irrégulière. Le procédé incorpore ces couches au flux principal pour assurer le mélange.

Cela est particulièrement utile pour éliminer« zones mortes »au fond du réservoir, réduisant la cristallisation ou l'hétérogénéité importante causées par une stagnation prolongée.

Amélioration de l'efficacité d'homogénéisation

Comparée à la convection naturelle ou aux flux dus à un gradient de température, la convection forcée générée par le bouillonnement présente unedensité énergétique plus élevée et portée plus largeCela permet de réduire considérablement le temps nécessaire pour atteindre le niveau d'homogénéité souhaité ou d'obtenir une uniformité plus élevée dans le même laps de temps.

Effets négatifs potentiels (nécessitent une attention particulière)

Érosion des matériaux réfractairesLe flux rapide des bulles ascendantes et la convection intense qu'elles induisent peuvent provoquer une érosion et une corrosion accrues des matériaux réfractaires du fond et des parois latérales du four, réduisant ainsi sa durée de vie. Ce phénomène peut également introduire des produits d'érosion dans le verre en fusion, créant de nouvelles sources d'inhomogénéité (pierres, stries).

Perturbation des schémas d'écoulementSi la disposition des points de bullage, la taille des bulles ou leur fréquence sont mal conçues, elles peuvent perturber les champs de température et d'écoulement naturels bénéfiques à l'intérieur du bain de fusion. Ceci peut créer de nouvelles zones inhomogènes ou des vortex.

4. Paramètres de contrôle clés pour la technologie de bullage

Position de bouillonnementGénéralement, dans la dernière partie de la zone de fusion (afin de garantir la fusion quasi complète des matières premières) et dans la zone de séparation, la position doit être choisie de manière à optimiser les champs d'écoulement et de température.

Sélection du gazLes options comprennent l'air (peu coûteux, mais fortement oxydant), l'azote (inerte) et les gaz inertes comme l'argon (inertie optimale, mais onéreux). Le choix dépend de la composition du verre, de son état d'oxydoréduction et du coût.

Taille des bullesL'idéal est de produire de grosses bulles (de plusieurs millimètres à quelques centimètres de diamètre). Les petites bulles remontent lentement, exercent une faible aspiration et peuvent être difficiles à expulser, créant ainsi des défauts. La taille des bulles est contrôlée par la conception de la buse et la pression du gaz.

Fréquence de bouillonnementUn barbotage périodique (par exemple, toutes les quelques minutes) est souvent plus efficace qu'un barbotage continu. Il crée de fortes perturbations tout en laissant le temps aux bulles de s'évacuer et au verre de se stabiliser. L'intensité (débit et pression du gaz) doit être adaptée à l'épaisseur et à la viscosité du verre.

Disposition du point de bouillonnementDisposer plusieurs rangées en quinconce sur toute la largeur du réservoir permet à la convection d'atteindre tous les coins, évitant ainsi les « zones mortes ». L'espacement doit être optimisé.

Pureté du gazIl faut éviter les impuretés comme l'humidité ou d'autres gaz afin de prévenir de nouveaux problèmes.

En conclusion, le bullage est une technologie cruciale qui consiste à injecter du gaz dans le verre en fusion afin de créer une forte circulation verticale et une agitation intense. Ce procédé accélère considérablement le processus d'affinage interne, favorisant la fusion et l'expulsion des bulles de toutes tailles, et permet également de désagréger efficacement les couches chimiquement et thermiquement hétérogènes et d'éliminer les zones mortes. Par conséquent, il améliore grandement l'homogénéisation et la qualité du verre. Toutefois, un contrôle rigoureux des paramètres clés, tels que le choix du gaz, sa position, sa fréquence et la taille des bulles, est indispensable pour éviter l'apparition de nouveaux défauts, l'aggravation de l'érosion du réfractaire ou la perturbation du champ d'écoulement initial. Ainsi, malgré ses inconvénients potentiels, le bullage demeure une technologie essentielle qui peut être optimisée pour améliorer significativement la fabrication du verre.