- Dégazage par ultrasons des métaux en fusion jusqu'à 2 300 °C et du verre en fusion
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On double la taille des bulles et on réduit la température (loi de Stokes)
Effet ultrasonique de la taille des bulles sur le taux de raffinage
Le raffinage du verre en fusion assisté par ultrasons permet d'éliminer les bulles de gaz à des températures nettement inférieures à celles du procédé standard et, surtout, sans allonger les temps de traitement. Le raffinage du verre en fusion étant un procédé très énergivore, la réduction de sa température permet de réaliser d'importantes économies d'énergie. Nous démontrons ici que le raffinage peut réduire les coûts énergétiques totaux jusqu'à 20 %.
Fusion et raffinage du verre
La fabrication du verre est un processus très énergivore qui comprend la fusion et le raffinage. La fusion consiste à contrôler les réactions chimiques qui se produisent lors de la formation du verre à partir des matières premières, tandis que le raffinage désigne l'élimination des bulles d'air du verre en fusion.
La fusion des verres sodocalciques s'effectue à des températures avoisinant les 1 300 °C, tandis que le raffinage requiert des températures nettement plus élevées, de l'ordre de 1 450 °C. À cette température plus élevée, la viscosité du verre en fusion est suffisamment faible pour permettre aux bulles qu'il contient de remonter à la surface.
L'élévation de la température de 1 300 °C à la température de raffinage de 1 450 °C consomme environ 40 % de l'énergie totale utilisée pour l'ensemble du processus de fusion et de raffinage du verre. Ces opérations combinées durent généralement environ 24 heures et consomment donc une quantité d'énergie considérable.
Il existe une forte corrélation entre la taille des bulles, la température de raffinage du verre et la durée du processus. En d'autres termes, les grosses bulles remontent plus vite que les petites ; des températures de raffinage plus élevées diminuent la viscosité du verre en fusion ; les bulles remontent d'autant plus vite que la viscosité est faible. Par conséquent, pour améliorer l'efficacité du raffinage, il est souhaitable d'augmenter le diamètre des bulles et/ou de réduire la viscosité du verre en fusion. Comme nous le verrons, le raffinage par ultrasons permet d'augmenter la taille des bulles et de les éliminer efficacement sans avoir à augmenter la température du verre en fusion.
L'effet de la taille des bulles sur le taux de raffinage du verre assisté par ultrasons
Plus formellement, si les bulles de gaz fusionnaient, alors, selon la loi de Stokes, le même taux de raffinage pourrait être maintenu à des viscosités plus élevées. La loi de Stokes exprime la force F exercée sur une sphère stationnaire de rayon R suspendue dans un fluide de viscosité η et se déplaçant à une vitesse relative v.
F = 6 π η R v
Nous pouvons utiliser cette relation pour démontrer que doubler le diamètre des bulles, par exemple de 0,4 mm à 0,8 mm, permettrait théoriquement d'obtenir le même taux d'affinage dans un verre fondu d'une viscosité de 400 Pa qu'avec des bulles plus petites et une viscosité de 100 Pa. Il est à noter que 0,4 mm correspond généralement au plus petit diamètre de bulle capable de remonter à travers un mètre de verre fondu en environ 16 heures, soit une vitesse de 20 micromètres par seconde.
La relation est clairement visible sur le diagramme, qui représente la viscosité d'un verre commercial courant en fonction de la température. À 1 450 °C, la viscosité est de 100 Pa, tandis qu'à 1 280 °C, elle est réduite à 400 Pa. D'après la loi de Stokes, la vitesse de remontée d'une bulle de 0,4 mm à une viscosité de 100 Pa est identique à celle d'une bulle de 0,8 mm à 400 Pa.
Autrement dit, en doublant la taille de la bulle, on pourrait obtenir le même taux de raffinage à une température réduite, d'environ 1250 °C. En règle générale, cela permettrait d'économiser 20 % du coût énergétique total du procédé.
Bien que cette analyse suggère que nous pouvons réaliser des économies d'énergie substantielles dans le processus de raffinage en augmentant le diamètre des bulles dans le verre en fusion, pouvons-nous y parvenir concrètement ?
viscosité en fonction de la température
Provoquer la coalescence des bulles à l'aide de l'énergie ultrasonique
Les dernières avancées en matière de raffinage par ultrasons permettent désormais d'utiliser l'énergie ultrasonique pour augmenter la taille des bulles lors du raffinage du verre. Plusieurs processus interviennent, mais le principal est la cavitation.
La cavitation est un processus à haute énergie qui modifie rapidement la pression dans le verre en fusion, créant ainsi des cavités ou vides de basse pression. Ces vides constituent des centres de nucléation où les gaz dissous et les bulles diffusent et s'accumulent. Concrètement, les petites bulles fusionnent pour former des bulles plus grosses qui, comme nous l'avons montré, remontent plus rapidement à la surface où elles se dissipent.
Conclusion
L'augmentation de la taille des bulles lors du raffinage du verre par ultrasons permet d'atteindre des temps de raffinage standard sans avoir à réduire la viscosité du verre en fusion en augmentant sa température après la fusion. On peut ainsi choisir de réduire les temps de traitement ou la consommation d'énergie.
Bien que les économies d'énergie potentielles varient selon les secteurs de l'industrie et dépendent de nombreux facteurs, notamment du secteur verrier et des exigences de qualité, le raffinage du verre assisté par ultrasons permet de réaliser jusqu'à 20 % d'économies. Ces économies représentent un avantage considérable pour cette industrie très énergivore.