Effective reactivity of granular soda-lime glass batches
Réactivité effective des mélanges vitrifiables granulaires silico-sodocalciques
Résumé
This thesis focuses on the physical and chemical transformations undergone by a granula glass batch during the glass making process. Industrial window or container glass batches are complex mixtures, that we approached by the ternary oxide system SiO2-CaO-Na2O. Industrial raw materials, namely silica sand, limestone and sodium carbonate, are used. This simplification makes it possible to study the coupling between the granular microstructure and the physical and chemical transformations during the heating. Indeed, the multiple possible reaction paths propagate the heterogeneity of the granular batch to the glass. To support our study of the ternary system, two sub-system are investigated. On one hand, reactions between sodium disilicate and 4 calcium-bearing species (CaCO3, CaO, CaSiO3, Ca2SiO4) show the formation of successive layers of crystalline intermediate species between the dissolving grains and the molten silicate. On the other hand, sodium calcium mixed carbonate is synthesized ex situ and characterized. Its formation in a ternary glass batch is observed in situ, and its reactivity with silica is studied. In a ternary soda-lime glass batch, X-ray in situ and ex situ microtomography reveals the significance of wetting and degassing phenomena in orienting the grains towards a reaction path. Conversion of a limited depth of limestone grains into mixed carbonate for a short time is notably witnessed. This mechanism is strongly dependent on the grains surrounding limestone particles. Finally, we use an innovative deconvolution procedure to measure the impact of granulometry and the nature of calcium-bearing raw materials on the final glass homogeneity.
L'objectif de cette thèse est d'étudier les transformations physico-chimiques lors de l'élaboration d'un verre à partir d'un mélange granulaire. Les mélanges vitrifiables industriel formant des verres de vitrage ou de conditionnement sont approchés par le système à trois oxydes SiO2-CaO-Na2O, apportés sous forme de sable, de calcaire et de carbonate de sodium. Cette simplification permet d'étudier le lien entre microstructrure de l'empilement granulaire et transformations pendant le chauffage. La variété des chemins réactionnels entre les grains de matières premières transmet en effet l'hétérogénéité du mélange au verre. Le système ternaire est décomposé en deux sous-systèmes. D'une part, les réactions entre le disilicate de sodium et 4 porteurs de calcium (CaCO3, CaO, CaSiO3, Ca2SiO4) révèlent la formation de couches d'espèces cristallines entre le grain calcique en cours de dissolution et le silicate fondu. D'autre part, la synthèse ex situ de carbonate mixte de calcium et de sodium est réalisée. Ce produit est analysé et caractérisé ; son apparition in situ dans un mélange ternaire est observée, et sa réaction avec la silice est étudiée. Dans un mélange vitrifiable silico-sodocalcique, la tomographie X in situ et post mortem montre l'importance de phénomènes transitoires de mouillage et de dégagement gazeux qui orientent les réactions chimiques. En particulier, un mécanisme local et de courte durée convertit une profondeur limitée des grains de calcaire en carbonate mixte. Enfin, l'homogénéité du verre obtenu à 1300°C est étudiée à l'aide d'une méthode de déconvolution de spectres Raman innovante, pour plusieurs granulométries et espèces porteuses de calcium.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|