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Redox et couleur des verres sodocalciques réduits Mathieu Hubert CelSian Glass & Solar, Eindhoven, The Netherlands [email protected] Le Verre Baccarat 15-17 Octobre 2014 Journées plénières USTV GDR Verres 3338

Redox et couleur des verres sodocalciques réduits Hubert-Redox et... · Redox et couleur des verres sodocalciques réduits Mathieu Hubert CelSian Glass & Solar, Eindhoven, The Netherlands

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Redox et couleur des

verres sodocalciques

réduits

Mathieu Hubert

CelSian Glass & Solar, Eindhoven, The Netherlands [email protected]

Le Verre – Baccarat 15-17 Octobre 2014

Journées plénières USTV – GDR Verres 3338

In 1983:

TNO started a glass melting group with 4 people, on CFD modeling of glass

melts & Chemistry of flue gases of glass furnaces

In 2012:

CelSian has a laboratory with several own developed test procedures and

equipment and extended modeling capacity with 25 employees

Missions of CelSian

• Support our customers to optimize their production

• Find fast and effective solutions for problems in manufacturing processes

• Supply technologies and know-how to enable evolutionary and

revolutionary innovation in glass production and solar industries guided by

their industry roadmap 1

Our approach in 4 pillars

Process

Measurements

at Industry sites

Simulation models for

(glass) melting furnaces

& coating processes

Modeling tools

Simulation of essential

process steps by

dedicated laboratory

set-ups

Dissemination

& education

Validation

Properties &

Mechanisms

Energy balances

Emissions

Trouble shooting

Furnace designs

Furnace Operation

Process Control

Fining & Melt Observation

Glass melt properties

Mechanism of process

steps

GlassTrend

Training Courses

Workshops

2

20120101 / v.1 / CelSian 3 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Plan

Fours, redox dans le verre… Brève introduction

Fer et chrome et couleur des verres industriels

Le chromophore ambre

Effet du redox - cas des verres très réduits

Au delà de la couleur du verre

Conclusions

4 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Fours verriers industriels

5 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Fours verriers industriels

Source: CelSian Glass & Solar

20120101 / v.1 / CelSian 6 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Le Redox – brève introduction

L’état redox d’un verre correspond a l’équilibre entre les

espèces oxydantes et réductrices qu’il contient

Un bain fondu peut dissoudre une certaine quantité

d’oxygène

Physiquement dissous / chimiquement dissous

Molécules O2 non liées Ions O2- liés a des éléments

polyvalents sous forme

oxydée (ex: Fe3+)

20120101 / v.1 / CelSian 7 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Le Redox – brève introduction

La quantité d’ oxygène dissous dépend fortement de la

présence d’agent oxydants (source d’oxygène) ou

réducteurs (réagissant avec l’oxygène)

Agents oxydants courants dans les verres:

Fe3+ (Fe2O3), Sb5+ (Sb2O5), As5+ (As2O5), Sn4+ (SnO2), Ce4+ (CeO2),

nitrates (NO3-), sulfates (SO4

2-)…

Agents réducteurs courants dans les verres: Matières organiques (pouvant former CO ou CO2), Fe2+ (FeO),

Sb3+ (Sb2O3), As3+ (As2O3), Sn2+ (SnO), S2-, ….

L’atmosphère dans le four au dessus du bain fondu peut

aussi influencer le redox du verre

20120101 / v.1 / CelSian 8 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Le Redox – brève introduction

L’état redox du verre est souvent exprimé en utilisant les

facteurs:

pO2

pression partielle d’oxygène

dans le bain fondu

Ratio [Fe2+]/[Fetotal]

dans le verre a température

ambiante

Plus pO2 est élevée, plus le bain

fondu est oxydé

Plus [Fe2+]/[Fetotal] est élevé, plus

le verre est réduit

9

- 9 - 8 - 7 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1

Fe2+/Fetotal

(cold glass) 80 75 70 45 30 25 5

Log pO2

(1300°C)

emerald green

UVA green

reduced flint oxidised flint

olive green

amber antique green

Fe 3+-S 2-

Cr3+/Fe 3+-S2-

Cr3+

Cr3+/Cr6+

Fe2+ /Fe3+ Fe2+ /Fe3+

Redox vs. couleur des verres

Verres industriels contenant Fe et Cr

Courtesy of P. Laimböck ReadOX Consultancy Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Tra

ns

mit

tan

ce

Longueur d’onde (nm)

Spectre théorique pour un verre contenant 0.05 wt% Fe2O3 sous forme réduite Fe2+

Absorption Fe2+

UV Visible IR

Redox vs. couleur des verres

Epaisseur = 10 mm

10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Tra

ns

mit

tan

ce

Longueur d’onde (nm)

Spectre théorique pour un verre contenant 0.05 wt% Fe2O3 sous forme oxydée Fe3+

Absorption Fe2+

UV Visible IR

Redox vs. couleur des verres

Epaisseur = 10 mm

11

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Longueur d’onde (nm)

Absorption Fe3+

Saint Gobain Recherche

Epaisseur = 10 mm

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Tra

nsm

itta

nce

Longueur d’onde (nm)

Absorption Cr3+

UV Visible IR

Spectre théorique pour un verre contenant 0.05 wt% Cr2O3 sous forme Cr3+

12

Redox vs. couleur des verres

13

- 9 - 8 - 7 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1

Fe2+/Fetotal

(cold glass) 80 75 70 45 30 25 5

Log pO2

(1300°C)

emerald green

UVA green

reduced flint oxidised flint

olive green

amber antique green

Fe 3+-S 2-

Cr3+/Fe 3+-S2-

Cr3+

Cr3+/Cr6+

Fe2+ /Fe3+ Fe2+ /Fe3+

Redox vs. couleur des verres

Verres industriels contenant Fe et Cr

Courtesy of P. Laimböck ReadOX Consultancy

Verres contenant le

chromophore ambre saverglass

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 14

• L’intensité de la couleur ambre est environ proportionnelle au produit: [Fe3+]*[S2-]

O2-

O2-

O2-

Fe3+ S2- • Chromophore ambre formé pendant le refroidissement

du bain fondu, lorsque la température passe en

dessous de ~750°C

Le chromophore ambre

R.W. Douglas and M.S. Zaman, Physics and Chemistry of Glasses vol.10 (4), 1969

R.C.G. Beerkens, Glass Science and Technology, vol. 76(4), 2003

• Complexe entre un ion fer ferrique Fe3+ associé

a trois oxygènes O2- et un ion sulfure S2-

• Les couleurs olive green / antique green résultent de présence combinée du

chromophore ambre et de chrome dans le verre

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

• Très forte absorption vers 420 nm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

% T

ran

sm

issio

n

Wavelength (nm)

Sample thickness: 3.00 mm

Courtesy of H. Sesigur and F. Akmaz, Sisecam

From: Parameters Affecting the Color Formation of Olive Green Glass. 2012: 11th ESG conference, Maastricht , The Netherlands. 15

Absorption

chromophore ambre

Le chromophore ambre

0

10

20

30

40

50

60

70

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90

100

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

% T

ran

sm

issio

n

Wavelength (nm)

Sample thickness: 3.00 mm

Courtesy of H. Sesigur and F. Akmaz, Sisecam

From: Parameters Affecting the Color Formation of Olive Green Glass. 2012: 11th ESG conference, Maastricht , The Netherlands. 16

Le chromophore ambre

0

10

20

30

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100

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

% T

ran

sm

issio

n

Wavelength (nm)

Sample thickness: 3.00 mm

Courtesy of H. Sesigur and F. Akmaz, Sisecam

From: Parameters Affecting the Color Formation of Olive Green Glass. 2012: 11th ESG conference, Maastricht , The Netherlands. 17

Absorption

chromophore ambre

Absorption Cr3+

Le chromophore ambre

20120101 / v.1 / CelSian 18

• Concentrations en fer et soufre (sulfure)

dans le verre

• Conditions redox durant la fonte

(pO2 du bain fondu)

• Température maximum de fonte

(stabilité du soufre dans le bain fondu)

• Concentration en alcalins

(stabilisation du chromophore ambre)

• Présence (et concentration) en chrome dans le bain fondu

Facteurs influencant la couleur ambre

Courtesy of P. Laimböck ReadOX Consultancy

R.W. Douglas and M.S. Zaman, Physics and Chemistry of Glasses vol.10 (4), 1969

R.C.G. Beerkens, Glass Science and Technology, vol. 76(4), 2003

0

0.1

0.2

0.3

-14-12-10-8-6-4-20

log (pO2(bar))

[Fe

3+]·

[S2

- ]

Fe

2O

3 a

nd S

O3 (

wt%

)

Fe3+

SO42-

S2-

amberintensity

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 19

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

14

11 7 3 -1 -5 -9

-13

-17

-21

-25

-61

-87

% SO3 (amber)

%SO3(olive green)

Sans chrome

Avec chrome

Formation de S2-

Influence du chrome

Courtesy of H. Sesigur and F. Akmaz

Sisecam

Batch redox

SO

3

En allant vers des

conditions plus reduites

La couleur ambre devient

de plus en plus intense

avec l’augmentation du

produit [Fe3+]*[S2-]

Le verre devient ambre,

puis vert olive/antique, puis

vert émeraude

Effet du chrome?

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian

Fe2+/Fe3+: Fe3+ + ½ O2- → Fe2+ + ¼ O2 𝐾 𝐹𝑒 =[𝐹𝑒2+]𝑝𝑂2

1/4

[𝐹𝑒3+]𝑎𝑂2−

1/2

Cr2+/Cr3+: Cr3+ + ½ O2- → Cr2+ + ¼ O2 𝐾 𝐶𝑟 =[𝐶𝑟2+]𝑝𝑂2

1/4

[𝐶𝑟3+]𝑎𝑂2−

1/2

Avec −𝑅𝑇 ln𝐾 𝑇 = ∆𝐺0 𝑇 = ∆𝐻0 − 𝑇∆𝑆0

Dans un verre contenant Fe et Cr, ces deux elements peuvent interagir:

Fe2+ + Cr3+ ↔ Fe3+ + Cr2+

20

Thermodynamique

ΔH0

KJ/mol

ΔS0

J/(mol.K)

Fe2+/Fe3+ 105.1 38.6

Cr2+/Cr3+ 185.8 74.0

C. Russel and E. Freude, Phys. Chem. Glasses, 1989. 30: p. 62-68.

=> Evolution des rapports Fe2+/Fe3+ et

Cr2+/Cr3+ peut être extrapolée

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 21

50

60

70

80

90

100

750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550

Fe

2+

/ Fe

tota

l in

th

e g

las

s (

%)

Temperature (°C)

1E-6

1E-12

1E-15

1E-21

pO2 at 1500°C

(bar)

Calcul évolution Fe2+/Fetotal

En réduisant pO2

M. Hubert, A.J. Faber, F. Akmaz, H. Sesigur, E. Alejandro, T. Maheara, and S.R. Kahl, Stabilization of divalent chromium Cr(II) in soda-

lime-silicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 2014. 403: p. 23-29.

* Glass without sulfur

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 22

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550

Cr2

+ /

Cr

tota

l in

th

e g

las

s (

%)

Temperature (°C)

1E-61E-81E-101E-121E-151E-181E-21

pO2 at 1500°C

(bar)

En réduisant pO2

Calcul évolution Cr2+/Crtotal

M. Hubert, A.J. Faber, F. Akmaz, H. Sesigur, E. Alejandro, T. Maheara, and S.R. Kahl, Stabilization of divalent chromium Cr(II) in soda-

lime-silicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 2014. 403: p. 23-29.

* Glass without sulfur

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 23

Au refroidissement

• Réduction du fer

Fe3+ + e- → Fe2+

• Oxydation du chrome

Cr2+ → Cr3+ + e-

Fe3+ + Cr2+ → Fe2+ + Cr3+

Réduction du fer par le

chrome durant la trempe

Cas spécifique pO2 ≈ 10-6 bar a 1500°C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

% i

on

in

gla

ss

Temperature (°C)

Fe2+

Fe3+

Cr2+

Cr3+

soda-lime-silica glass containing 0.3wt% Fe2O3 and 0.2wt% Cr2O3

* Glass without sulfur Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 24

Influence du chrome

• L’ajout de chrome est nuisible a la coloration ambre (réduction de Fe3+ en Fe2+)

• La présence combinée de Cr3+ et du chromophore ambre est nécessaire a la

production des couleurs antique / olive green

• La gamme de redox permettant l’obtention de ces couleurs est étroite

• Les calculs thermodynamiques montrent que Cr2+ est présent dans le bain

fondu a haute température mais est oxyde durant le refroidissement par le fer

(Fe3+ + Cr2+ → Fe2+ + Cr3+)

=> Peut-on avoir Cr2+ dans le verre « froid »? Quel est l’effet?

Conditions plus réduites

?

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

O2-

O2-

O2-

Fe3+ S2-

20120101 / v.1 / CelSian 25

glass 1 (wt %) glass 2 (wt %) glass 3 (wt %)

SiO2 71 71 71

Al2O3 1.5 1.5 1.5

Na2O 14 14 14

CaO 12 12 12

MgO 1 1 1

Fe2O3 0.00 0.42 0.42

SO3 0.08* 0.08* 0.08*

Cr2O3 0.10 0.00 0.10

NB: éléments utilises de

très grande pureté afin

d’éviter au maximum une

contamination par le fer

Cr(II) dans le verre

• Synthèse de verres sodocalciques

1. Sans Fe pour éviter une réaction redox Fe/Cr

2. Avec Fe, sans Cr

3. Avec Fe et Cr

• Conditions de fonte très réduites

* Estime, avec 40% de rétention,

soufre introduit en tant que Na2S

N2 inlet

N2 outlet

Tube

de

silice

Creuset

en

carbone

vitreux

Four

Bullage N2

Experimental setup

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Creuset en carbone vitreux

Atmosphère: azote pur

Ajout d’une grande qté de cokes (0.49 wt%)

20120101 / v.1 / CelSian 26

Cr(II) – Verre sans Fe

• Pas d’absorption par Fe2+ (1050 nm)

observée dans les deux cas

• Coloration noire probablement due a

une contamination par du carbone

venant de la dégradation du creuset

• L’absorption observée ne correspond

pas a Cr3+ dans le verre (450 & 650 nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

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1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

Absorption théorique pour

un verre avec 100% Cr3+

Thickness = 3 mm

Profil typique de diffusion

par des particules de

petite taille

C.R. Bamford, Colour generation and control in glass. 1977

0

0.1

0.2

0.3

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300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

Cr2+ dans le verre

Large absorption centrée a

590 nm

Coloration bleue

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 27

C.R. Bamford, Colour generation and control in glass. 1977

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

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1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

Glass with Chromium

Glass without Chromium

0

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0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

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0.8

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300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

Simulated 100% Fe2+ / nochromium

Glass with Chromium

Glass without Chromium

0

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0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

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300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

Simulated 100% Fe2+ / nochromiumSimulated 100% Cr3+ / no iron

Glass with Chromium

Glass without Chromium

Cr(II) – Verre avec Fe

0

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0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

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1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Tra

nsm

itta

nce

Wavelength (nm)

Simulated 100% Fe2+ / nochromiumSimulated 100% Cr3+ / no iron

simulated 100% (Fe2+ & Cr3+)

Glass with Chromium

Absorption Cr2+

0.10 wt% Cr2O3 No Cr2O3

• Même absorption centrée a

1050nm due a Fe2+ dans le verre

• Seule différence entre les deux

verres: addition de chrome

• Différence d’absorption due a

l’absorption par le chrome

• L’absorption ne correspond pas a

Cr3+ => Cr2+ dans le verre

Thickness = 3 mm

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 28

0

1

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6

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8

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10

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Lin

ear

Ab

so

rpti

on

co

eff

icie

nt

(cm

-1 p

er

wt%

Cr 2

O3)

Wavelength (nm)

0

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3

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300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Lin

ear

Ab

so

rpti

on

co

eff

icie

nt

(cm

-1 p

er

wt%

Cr 2

O3)

Wavelength (nm)

Absorption de Cr(II) dans le verre

• Absorption calculée pour Cr2+

dans le verre sans Fe

• Absorption calculée pour Cr2+

dans le verre avec Fe

Très bon accord

Chrome (II) peut être stabilise

dans les verres sodocalciques,

même en présence de fer

Absorption dans

le verre sans Fe

(glass 1)

Absorption dans le

verre aved Fe

(difference glasses

2 & 3)

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian 29

0

1

2

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6

7

8

9

10

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Lin

ear

Ab

so

rpti

on

co

eff

icie

nt

(cm

-1 p

er

wt%

Cr 2

O3)

Wavelength (nm)

Li2O-CaO-SiO2

Al2O3-CaO-SiO2

Comparison avec la literature

A. Paul, Optical Absorption of chromium (II) in

glass, Phys. Chem. Glasses vol.15, 1974)

Très bon accord

• Variations dues aux différentes

matrices vitreuses

• Cr2+ stabilisé dans un verre

sodocalcique a température

ambiante

M. Hubert, A.J. Faber, F. Akmaz, H. Sesigur, E. Alejandro,

T. Maheara, and S.R. Kahl, Stabilization of divalent

chromium Cr(II) in soda-lime-silicate glasses. Journal of

Non-Crystalline Solids, 2014. 403: p. 23-29.

Plus de details:

Absorption de Cr(II) dans le verre

20120101 / v.1 / CelSian 30

Re-fonte

avec bullage

O2

• Ré-oxydation de Fe2+ en Fe3+ et de

Cr2+ en Cr3+ sous bullage O2

• Si seulement Fe2+ & Cr2+ dans le

verre => couleur bleue

• Si seulement Fe2+ & Cr2+ dans le

verre => couleur verte

Ré-oxydation du verre

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

300 500 700 900 1100 1300 1500

Tra

msm

itta

nce

Wavelength (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

300 500 700 900 1100 1300 1500

Tra

msm

itta

nce

Wavelength (nm)

Fe2+ => Fe3+

Cr2+ => Cr3+

Ré-oxydation d’un verre très réduit contenant Fe et Cr

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

31

Calculs thermodynamiques

Log pO2 (bar)

At 1500°C -21 -18 -15 - 12 - 9 - 6 - 3 -24

Fe2+ only

Cr2+ only Cr3+ only Cr2+ + Cr3+

Fe2+ + Fe3+ In the glass at

room temperature

Cr2+ + Cr3+ Cr2+ only

Fe2+ only Fe2+ + Fe3+ In the melt

At 1500°C

Amber / olive green /

feuille morte glasses

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Une quantité importante de Cr2+ peut être présente dans le bain fondu

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Lin

ear

ab

so

rpti

on

co

eff

icie

nt

(cm

-1 p

er

wt%

oxid

e

Wavelength (nm)

Fe3+

Fe2+

Cr3+

Cr2+

32

* * * **

Absorptions du fer et du chrome

* Data from Bamford

** Data from the present work

• Cr2+ absorbe dans le proche

IR entre 800 et 1400 nm

(pas Cr3+) dans le verre a

température ambiante

• Cr2+ est présent dans les

bains fondus des verres

industriels

• Influence sur l’absorption du

flux de chaleur par le bain

fondu dans les fours

industriels (comme pour

Fe2+ vs Fe3+?)

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rela

tive

in

ten

sit

y

Longueur d’onde (nm)

1500°C

2000°C

Black bodies

UV Visible IR

Au-delà de la couleur du verre

33

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rela

tive

in

ten

sit

y

Longueur d’onde (nm)

1500°C

2000°C

Fe3+

Black bodies

UV Visible IR

Transfert de chaleur

34 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rela

tive

in

ten

sit

y

Longueur d’onde (nm)

1500°C

2000°C

Fe2+

Fe3+

Black bodies

UV Visible IR

Transfert de chaleur

35 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rela

tive

in

ten

sit

y

Longueur d’onde (nm)

1500°C

2000°C

Fe2+

Cr3+

Fe3+

Black bodies

UV Visible IR

Transfert de chaleur

36 Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rela

tive

in

ten

sit

y

Longueur d’onde (nm)

1500°C

2000°C

Fe2+ Cr3+

Black bodies

UV Visible IR

Transfert de chaleur

37

Cr2+

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

20120101 / v.1 / CelSian

• D’après la littérature,

l’absorption de Cr3+ est

décalée vers les plus

grandes longueurs d’ondes a

hautes températures

• L’ absorptivité varie aussi

avec la température

Et pour Cr2+?

Besoin de plus de recherches pour

connaitre l’effet exact de Cr2+ dans

les bains de verre fondus réduits a

haute température

Increased Temp.

D. Godeke, M. Muller, C. Russel, Thermal radiation of

chromium-doped glass melts, Glastechnische Berichte

vol. 74 (10), 2001, p. 277-282

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

Absorptions du fer et du chrome

38

Simulation results Iron species: Fe2O3, FeO

NB: Dans le cas illustré ici, le ratio redox Fe2+/Fetotal évolue de 0 (tout le fer sous forme oxydée Fe3+ ) a environ 0.09

Fe2O3 (Fe3+) est réduit sous forme de FeO (Fe2+)

𝐹𝑒2𝑂3 → 2𝐹𝑒𝑂 + 1 2 𝑂2 ↑

4.5·10-5 0.0

0.0 0.095

4.8·10-4 5.25·10-4

Redox dans un four industriel

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014 39

Effet du redox sur l’affinage

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014 40

CelSian’s EGA-HTMOS setup

Addition de cokes dans le batch

Batch plus réduit

Base case Base case + cokes

SO2 CO2

Temperature

Effet du redox sur l’affinage

20120101 / v.1 / CelSian 42

Conclusions

L’état redox du verre a une très forte influence sur sa couleur

La présence de chrome dans le verre peut être nuisible a la

stabilité de la couleur ambre

En conditions très réduites, le chrome divalent Cr2+ peut être

stabilise dans le verre, même en présence d’un excès de fer

Le redox est aussi un paramètre essentiel pour de nombreux

autres aspects de la fonte du verre (transferts de chaleur,

affinage…)

Le contrôle du redox durant la fonte est primordial pour assurer la

stabilité des process a l’échelle industrielle

Journées Verre de l’USTV - Baccarat – 15-17 Octobre 2014

44

Merci de votre attention

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