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Procédé pour le traitement de bains de fer dans des fours , de production d'acier.
Le procédé d'affinage par 1'action de la flamme oxydante sur la surface du bain et par l'intermédiaire de la couverture de scorie s'effectue., comtne il est connu, très lentement, lorsque le bain est à l'état de repos. La trans- mission de chaleur s'effectue également de façon très paresseuse dans ce cas.
,Pour accélérer ces opérations, on a par suite essayé de réaliser un mouvement mécanique du bain par agitation, par basculement ou par un mouvement circulaire, et on a utilisé en même temps un contact renforcé avec de l'oxygène par in- sufflation d'air ou par addition de minerai, Mais le minerai ne produit que lors de la décarburatton un mouvement du bain.
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Comme on l'ajoute de manière intermittente et sous forme de morceaux irréguliers, une utilisation complète de la r grande quantité d'oxyde de carbone, mise en libeté de façon irrégulière, n'est pas possible par une combustion com- plémentaire; en outre, la conduite de l'opération de j'usion lors de l'affinage avec du minerai devient peu sûre.
Conformément à la présente invention, on injecte de l'eau dans le bain lui-même. Ceci présente une série d'avan- tages. D'abord pour une vitesse suffisante de l'eau, le tube d'introduction de l'eau est protégé; en deuxième lieu, on introduit dans le bain un véhicule d'oxygène de grande valeur; et, en troisième lieu, on provoque, par le dégage- ment toujours énergtque d'hydrogène gazeux, un mouvement constant du bain.
Par la dissociation d'oxygène, on consomme, en tra- vaillant avec de l'eau, pour 1 kg d'oxygne,, moins de cha- leur qu'en travaillant avec du minerai. En outre, on peut transformer à nouveau toute cette quantité de chaleur, par combustion au-dessus du bain, complètement en chaleur sen- stble, et en particulier, lorsqu'on soumet l'atr do com- bustton a un chauffage préalable jusqu'à 12000 C par la chaleur perdue du bain, on peut, avec l'hydrogène chauffé en moyenne à 1450 C, produire une grande chute de chaleur utilisable au-dessus du bain, et ainsi récupérer une grande partie de la chaleur pour l'opération.
On obtient en outre la possibilité de réaliser une non- -duite déterminée de la fusion par une amenée réglée d'eau, uniformément répartie.
On peut introduire.l'eau de telle manière qu'elle se vaporise déjà dans le tube d'amenée au-dessus du bain et qu'on ne consomme ainsi pour la vaporisation aucune chaleur du bain, qui présente une grande pale ur. On peut aussi réaliser la répartition de l'eau dans le bain de telle ,
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manière qu'il se produise bien un mouvement énergique du bain par suite de la transformation de chaque d'eau en 1250 m3 de vapeur dans le bain, sans qu'une action notable d'affinage ait Itou.
L'introduction d'eau peut avoir lieu par la surface du bain à partir de la voûte ou des parois latérales, mats aussi par le fond à partir de la sole du four.
On peut travailler avec des bains d'une profondeur voulue quelconque, amener chaque endroit désiré d'un bain à l'ébullition, par suite aussi appliquer le procédé au four Siemens-Martin, si la charge ne veut pas commencer bouillonner, Mats on peut aussi, dans le procédé Thomas ou le procédé Bessemer, traiter la charge pendant une durée de longueur voulue, en chauffant le bain par la combustion complémentaire des gaz dégagés avec une quantité convenable- ment régl ée d'air de combustion.
On obtient ainsi une tem- pérature de travail notablement plus élevée que lors de la combustion complémentaire de l'oxyde de carbone dans un. procédé d'affinage au vent soufflé, parce que la dilution du gaz par l'azote de l'air d'affinage est supprimée, Il faut amener 1'air de combustion de telle manière qu'il vienne en contact de façon effective avec les gaz s'échappant de toute la surface du bain, Le tube peut amener l'eau en un jet plein ou présenter la forme d'un tube a enveloppe creuse pour atteindre des vitesses appropriées,
Un avantage particulier réside dans 1 amenée de l'eau.. réglée de façon déterminée comme quantité et comme tempéra- ture,
de sorte qu'on peut régler exactement, l'allure de l'affinage et de la combustion complémentaire et' après, le dégagement de gaz, observer exactement l'allure de l'opé- ration de fusion.
Un manque de chaleur nécessaire peut être compensé par l'addition de combustible.
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Dans l'exécution du procédé, tl a été constaté que dans le cas de l'utilisation de simples tubes en fer, ceux-ci ne peuvent être utilisés que pendant un court espace de temps, de sorte que l'usure des tubes peut rendre le procédé anti- économique.
La durée limitée de simples tubes en fer est motivée par les conditions de transmission et de conductibilité de chaleur. La transmission de chaleur à partir du bain on mouvement au tube est sensiblement égale à celle de l'eau à la paroi du tube, c'est à dire d'environ 2000 à 3000, et se trouvera, - en raison du mouvement énergique du bain et de la quantité du bain de fer, qui est de beaucoup plus grande relativement au volume du tube - , à la limite supérieure, c'est à dire au déjà de 3000.
Si la réalisation du procédé permettait de travailler, sur toute l'étendue du tube exposée à l'échauffement, avec de l'eau bouillante, c'est à dire avec une transmission de chaleur de 4000 à 6000 calo- ries, la durée du tube serait assurée, étant donné que la conductibilité du fer, qui est d'ailleurs bonne, agit déjà de façon isolante dans les conditions, élevées des deux côtés, de transmission de chaleur.
Mais, comme le procédé ne prévoit qu'une quantité d'eau relativement faible, une telle conduite de J'opération n'est pratiquement pas possible La transmission de chaleur a l'eau n'est par suite, dans le cas le plus favorable, qu'égale à la transmission de cha- leur au bain de fer; le tube sera par suite chauffé à la température moyenne entre la température du bain et celle de l'eau ou à une température plus élevée. Il arrive ainsi dans des limites de température, où les propriétés de ré- sistance du fer sont a peu près nulles et où le tube ne peut plus offrir aucune résistance à la pression de l'eau et aux efforts mécaniques et se déchire aprè un court espace de temps, de sorte que les parties qui ne sont plus refroi-
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dies fondent.
On peut, conformément à l'invention, obvier de nombreu- ses manières à cet inconvénient: a/ en diminuant ou en arrêtant la transmission de cha- leur entre le bain de fer et le tube; ceci est obtenu par des moyens de protection particuliers calorifuges, adaptés aux circonstances; b/ en descendant et relevant périodiquement le tube, entouré d'un calorifuge., de sorte que les parties du bain qui s'y attachent et se refroidissent lorsque le tube est relevé agissent également comme calorifuge, c/ en augmentant la capacité d'absorption de chaleur du tube d'amenée d'eau, de sorte que le temps s'écoulant jusqu'à la destruction du tube permet une réalisation irré- prochable du procédé au point de vue pratique et économique;
d/ en faisant arriver l'eau en supprimant une amenée de l'eau par des tubes.
Sur le dessin ci-joint sont représentés des exemples de réalisation d'un dispositif pour l'exécution du procédé suivant l'invention.
La fig.1 représente un tube d'injection d'eau de forme particulière, en 'coupe longitudinale.;
La fig.2 représente une coupe transversale du tube.
Les figs.3 et 4 représentent chacune une coupe trans- versale du tube pour une autre disposition intérieure de celui-ci ;
La fig.5 représente une deuxième forme de réalisation d'un tube d'injection d'eau, et
La fig.6 représente une autre forme de réalisation d'un dispositif pour 1 'exécution du procédéo
Une protection des tubes conformément au moyen spéci- fié en a/peut être réalisée de différente manières; il faut seulement, dans son application, tenir compte des con-
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allions particulières; telles qu'elles résultent de la dtlatatton du tube et des efforts mécaniques élevés et des secousses auxquels celui-ci est soumis.
Il a été constaté qu'une simple protection calorifuge du tube par des pierres réfractaires, par exemple, est inutilisable. On peut toute- fois utiliser l'action protectrice d'une bonne scorie chaude, adhérant fortement, visqueuse; on doit protéger ce revête- ment en scorie contre sa solidification et son détachement du tube, en évitant pendant toute la durée d'utilisation un refroidissement de la masse.
La couche de revêtement doit par suite être appliquée, immédiatement avant'la mise en place tu tube, par revêtement de celui-ci avec de la scorie liquide, ou doit aussi être complétée pendant l'affinage, en soulevant de temps en temps le tube en vue de la forma- tion nouvelle de la couche à partir de la scorie située au- dessus du bain. Si l'épaisseur de la couche protectrice, qui est complétée en partie par des constituants du bain, est convenablement déterminée, il s'établit, entre la chaleur absorbée et la chaleur évacuée, un équilibre qui assure l'amenée d'eau.
On peut également procéder de manière à recouvrir les tubes,, pendant l'affinage, d'un produit calo- rifuge approprié, par exemple en coulant ou projetant ce produtt calorifugs sur les tubes au moyen d'un pistolet.
Comme, malgré cette protection, il peut encore toujours se produire un échauffement du tube à une température rela- tivement élevée, de sorte que sa résistance est très dimi- nuée, on emploie avantageusement la protection suivante contre une flexion de ce tube.-
On place à l'intérieur du tube un fer profilé a, b ou c (voir figs.1-4 du dessin); celui-et reste toujours à la température de l'eau, c'est à dire en dessous de 100 C, et conserve sa résistance.
Pour ént ter une flexion, on munit ainsi les tubes, sur la partie dangereuse, lune âme, par,
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exemple d'un fer en T, en L, ou d'un fer plat ; toutefois, il faut veiller à ce que cet élément raidisseur ne vienne en contact avec la paroi du tube qu'en peu de points et ne provoque, par ce contact sur une plus grande surface, une accumulation de chaleur et donne lieu à un danger accrû pour le tube.
@ Pour l'amenée de substances à l'état de gaz et de vapeur et de substances ,liquides, on a employé jùsqu'à maintenant le mode opératoire suivant: Parceque dans tous les cas, où la température de la masse fondue est notablement supérieure à 10000 C, une stmple amenée d.'un fluide au moyen de tubes métalliques ou céramiques ne peut être réalisée pendant un temps prolongé, on en est par suite venu, comme dans le procédé au convertisseur, à insuffler le fluide par des tuyères, qui sont disposées dans une parot du récipient.
Mats cette disposition exige, lors de la mise en marche et de l'arrêt de l'amenée du fluide, un basculement ou un rou- lement compliqué de tout le récipient;. en outre, la quan- tité de fluide amenée ne peut être modifiée que dans une mesure limitée, et enfin l'addition d'un agent d'affinage ne peut être réalisée que dans des fours ou récipients prépa- rés de façon particulière à cet effet.
L'invention concerne un procédé, qui permet 1'amenée de tels fluides dans un bain de fusion à haute température au moyen de simples tubes, sans que le récipient de réac- tiondoive être préparé de façon particulière à cet effet.
L'invention repose sur la considération suivante:
Malgré la transmission de chaleur notablement plus grande, dans un bain de fusion, à partir de la masse fondue à un tube qu'à partir du fluide parcourant ce tube, il faut toutefois un certain temps pour que le tube soit chauffé jusqu'à sa température critique* En outre! la destruction
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du tube par fusion ou par brûlage commence à l'endroit où le tube est plongé le plus profondément dans le bain, c'est a dire à son embouchure, étant donné qu'en ce point, en raison de la température déjà plus élevée du fluide, par suite de la chaleur absorbée sur la distance située en avant de ce point, le refroidissement de la paroi du tube est plus faible.
D'autre part, le tube n'est pas en danger pour une faible profondeur déterminée d'immersion, pour laquelle le fluide d'affinage n'est pas encore notablement réchauffé.
Conformément à l'invention, on prévoit donc une inter- ruption de ce chauffage et un nouveau refroidissement de la parot du tube toujours peu de temps avant que cette tempé- rature critique soit atteinte. Ceci est obtenu par le fait qu'on retire le tube, en continuant à faire arriver l'agent d'affinage gazeux ou liquide, jusqu'à une distance du bain telle qu'il se produise un dégagement de la chaleur emma- gasinée dans la paroi du tube et que le flutde d'affinage ainsi froid à nouveau, dans la position la plus haute du tube, refroidisse effectivement aussi l'embouchure de celui-ci.
Si, par exemple, on fait arriver dans le bain un liquide, les conditions de transmission de chaleur dans le bain lut-même sont approximativement égales des deux côtés, par contre au-dessus du bain la transmission de chaleur à J'intérieur du tube est de 20 à 100 fats plus grande qu'à
1'extérieur; il se produit par suite très rapidement un fort refroidissement de la paroi du tube.
Pour protéger le tube contre une destruction, il faut ainsi relever et descendre périodiquement celui-ci, et,la profondeur maximum d'immersion et la distance jusqu'au fond du bain est déterminée par la vitesse d'écoulement du fluide, par les dimensions du tube et par la fréquence des périodes, pour une température donnée du bain de fusion.
Lorsqu'on relève le tube, il adhère toujours un peu de'
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la masse en fusion à ce tube et la chaleur de celle-ci sera également dégagée, de sorte que l'action du bain attaque d'abord cette couche protectrice et qu'une nouvelle pro- tection du tube lui-même est'assurée. Pour former une couche protectrice effective de ce genre à partir des constt- tuants du bain lui-même, il a été constaté qu'il est avan- 'tageux d'enrouler de façon serrée autour du tube, sur la longueur d'immersion, avant son utilisation, un cordon d'amiante, qui agit de façon à favoriser la formation d'une couche calorifuge.
Par exemple, l'amenée d'un liquide dans'un bain de fu- ston simple, dont la hauteur du bain limite la profondeur d'immersion utilisable à 70-80 cm, est réalisée avec des tubes de fer de 1/2 ". On enroule autour de ceux-ct un cor- don d'amiante de 5 mm de diamètre sur 1 m de longueur; à l'embouchure des tubes, on produit un enroulement double sur 15 cm. Pour une amenée de liquide d'au moins 35 litres par minute et une course d'immersion de 30 à 40 cm, la durée des tubes a été assurée, comme l'ont montré des essais.,., lorsque les mouvements de 'descente des tubes avaient lieu de 25 à 35 fois par minute.
La fig.6 de dessin représente schématiquement un exem- ple de réalisation de ce dispositif. e désigne le récipient rempli d'un bain de fusion., dans lequel est plongé le tube I, qui est muni, sur sa longueur immergée dans le bain, d'un produit calorifuge g (amiante ou analogue),.
Conformément au moyen spécifié en cl, on obtient une bonne protection du tube en augmentant la capacité d'ab- sorption de chaleur du fluide d'affinage en introduisant l'ea@ dans le bain de fer au moyen de déchets ou débris de lin- gots, sous forme de morceaux de billettes, comme on les
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ajoute habituellement au bain de fer. Les morceaux de billettes doivent dans ce cas être munis d'un alésage appro- prié. En outre, on peut obtenir une protection efficace des tubes en utilisant l'eau amenée elle-même, en totalité ou en partie, pour la protection. A cet effet, on laisse sor- tir l'eau, sur la longueur du tube immergée dans le bain, par de petits trous répartis à la manière d'un tamis.
Le refroidissement et la protection du tube s'effectuent prin- cipalement par la fixation de la grande chaleur de décom- position nécessitée par la dissociation de l'eau.
On peut réaliser l'affinage par 1'eau, en supprimant les tubes, conformément au moyen spécifié en d/, en humi- diftant des agents d'addition appropriés du bain de fer, comme par exemple du minerai ou de la chaux, et en amenant de cette manière l'eau d'affinage au bain.
La forme suivante des'tubes d'amenée du fluide d'affi- nage a été reconnue comme étant avantageuse, en particulier pour des bains d'une profondeur limitée. Pour favoriser une dissociation énergique immédiate de l'eau en gaz réaction- nels d'hydrogène et d'oxygène, on donne'à l'embouchure d du tube une forme telle que le jet d'eau rencontre le bain sous forme d'une nappe fortement étirée (fig.5). Mais il faut dans ce cas veiller à ce que, par cette déformation du jet, il ne se produise dans le tube aucun accroissement de pression, qui provoquerait une destruction prématurée de celui-ci. On doit par suite, en tenant compte d'un facteur de contraction approprié; conserver au tube une forme ne donnant aucun rétrécissement de la section transversale.
.Enfin, onpeut s'opposer à une diminution de la profon- deur d'Immersion du tube, par suite du brûlage ou de la fusion, en donnant au tube une forme en hélice (voir fig.5); ceci permet simultanément de produire' par le guidage tan-
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genttel de l'eau à sa sortis, un acoroissement désiré du mouvement du bain.