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Procédé et dispositif pour la fabrication de fonte.
On a déjà proposé de fabriquer de'la fonte en introduisant séparément du minerai de fer et du carbone de réduction dans un bain de fer en fusion. Ce procédé connu exige un four à sole d'un type spécial, chauffé par une'flamme, constitué par une sole principale et une sole secondaire communiquant avec la sole principale. Dans l'application du procédé connu il faut que le bain de fer soit saturé de carbone avant l'introduction de la charge.
L'invention a pour but de permettre de produire de la fonte par des moyens beaucoup plus simples, mais avec une économie beaucoup plus grande, que par le procédé connu. Conformément à l'invention on prend un mélange de
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minerai de fer non fondu et d'une quantité correspondante de carbone de réduction et on l'ajoute à un bain de fer en fusion dont la teneur en carbone est à peu près égale à la teneur en carbone de la fonte à fabriquer. Lorsqu'on utilise le nouveau procédé on n'a besoin que d'un four de fusion chauffé par des flammes ou d'un four électrique de construction usuelle.
La meilleure économie est obtenue grâce au fait qu'aucune carburation du bain de fonte liquide restant dans le four n'est nécessaire et en outre que la consommation de carbone de réduction est comparativement inférieure à celle de nombreux procédés connus. Enfin il convient d'ajouter encore que le nouveau procédé permet d'utiliser, pour la charge, aussi bien du charbon de qua- lité médiocre, en petits morceaux, que du minerai de qualité médiocre, à grain fin (minerai concentré), mélangés entre eux.
En outre on peut faire varier commodément la qualité de la fonte produite dans de grandes limites, en particulier en renouvelant le laitier, le cas échéant en modifiant sa composition, pendant la réduction des minerais de fer, pour amener. aux valeurs désirées dans chaque cas la quantité de matières d'accompagnement telles que le soufre, le phosphore, le silicium, etc.. contenues dans la fonte produite.
Enfin le nouveau procédé permet aussi d'utiliser très complètement les gaz d'échappement du four de fusion, gaz qui contiennent principalement de l'oxyde de carbone, soit en complétant leur combustion pour assurer un chauffage supplémentaire du four à sole chauffé par des flammes ou du four électrique, soit en les utilisant de façon particulière pour assurer une première réduction des minerais de fer, de préférence dans un four tubùlaire rotatif monté en avant.
Le nouveau procédé n'exige pas de haut-fourneau.
Il est possible de régénérer pour obtenir de la fonte, par remplacement du carbone, par exemple le fer affiné dans le four à sole, Une condition essentielle pour que l'applica-
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tion de cette mesure soit possible, c'est que le fonctionnement du four soit conduit de façon qu'il reste toujours dans le four, au moment de la coulée, une partie essentielle du bain de fonte en fusion (jusqu'à 2/3 environ). Ce bain de fonte en fusion sert d'une part d'accumulateur de chaleur et d'autre part il contient le carbone sous une forme très capable de réduction, ce qui permet immédiatement une vive réduction du minerai de fer au moment de l'introduction de la charge constituée par du minerai de fer mélangé avec du carbone de réduction. Cette réaction très endothermique de la réduction du minerai de fer exige un apport de chaleur suffisant.
Cet apport de chaleur est fourni d'une part par la chaleur contenue dans le bain restant et d'autre part par un chauffage extérieur du four, par exemple au moyen de gaz flambants. Comme il faut que la réduction soit rapide, le chauffage extérieur ne suffirait pas à lui seul pour permettre la réduction dans le four à sole d'une façon économique. Toutefois la quantité relativement grande. de bain restant sert d'accumulateur de chaleur. Elle cède donc pendant la réduction la quantité de chaleur accumulée en excès et elle est de nouveau chauffée au degré voulu avant ou après l'extraction de la fonte produite et avant l'introduction d'une nouvelle charge.
Le nouveau procédé permet d'opérer technologiquement mieux que dans le haut-fourneau. Dans les hauts-fourneaux modernes on a besoin, pour une tonne de fonte, d 'environ 800 Kgs de coke, dont 1/3 environ sert à la réduction et à la carburation, tandis que le reste est dépensé pour le dégagement de chaleur et pour la production des gaz qui s'échappent par le gueulard. Contrairement à ce procédé, lorsqu'on utilise le nouveau procédé on n'a besoin d'ajou- ter que la quantité de carbone servant de charbon de réduction et le cas échéant de charbon de carburation (environ 350 Kgs par tonne de fonte).
Conformément à l'invention on utilise de préfé-
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rence, pour le chauffage du four à sole, la combustion primaire au-dessus de la sole, par exemple le chauffage au charbon pulvérulent ou à l'huile. Lorsqu'on dispose de combustible ayant un pouvoir calorifique suffisant, il n'est pas indispensable de chauffer préalablement les combustibles ou l'air de combustion lorsqu'on utilise le nouveau procédé, la température moyenne du four étant considérablement inférieure (d'environ 200 C) à celle qui est nécessaire lorsque le four est conduit en vue d'obtenir du fer. On peut encore améliorer le réglage du chauffage en utilisant de l'air enrichi en oxygène, parce qu'on n'a pas besoin alors de chauffer également l'azote entraîné et formant ballast.
Ainsi qu'on l'a déjà dit, le nouveau procédé vise notamment la production d'une fonte qui, il est vrai, est pauvre en carbone. La qualité de cette fonte peut être réglée beaucoup plus complètement que dans le haut-fourneau par exemple. On peut notamment, en extrayant le laitier pendant la marche et en le renouvelant, et le cas échéant, en modifiant sa composition, régler la quantité de matiéres d'accompagnement telles que le soufre, le phosphore, le silicium, etc.. qui sont contenues dans la fonte en fusion.
Exemple de réalisation
Le four utilisé est un four basculant à sole d'une capacité d'environ 250 tonnes chauffé au charbon pulvérulent et sans chambres de chauffage préalable.
Avant la mise en marche on charge le four de préférence avec 130 tonnes de fonte que l'on fait fondre.
Si l'on ne dispose pas de fonte, on peut aussi charger le, four avec de la mitraille, mais alors il faut ajouter, au bain en fusion, du carbone sous forme d'un charbon quelconque, jusqu'à ce qu'il ait une teneur d'environ 2,8 % de C.
L'expérience montre qu'il est économiquement possible de carburer des bains de fer jusqu'à cette teneur en ajoutant
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du carbone. Il est difficile d'atteindre une teneur sensiblement plus grande, mais cela n'est pas indispensable non plus.
Cela fait on ajoute graduellement la charge au bain, cette charge étant constituée par un mélange de minerai de grain quelconque, avec la quantité indispensable de carbone de réduction sous forme de charbon quelconque.
La quantité de charge est choisie de façon que la quantité de fonte en fusion contenue dans le four avant la fusion soit d'environ 200 tonnes. Après avoir fait marcher le four pendant deux ou trois heures, marche pendant laquelle on peut extraire et remplacer le laitier, ou modifier sa composition, toute la charge est réduite. La durée de la charge dépend de différents facteurs et notamment de la quantité de chaleur apportée au four dans l'unité de temps et elle peut par conséquent aussi être sensiblement plus courte.
Si l'on constate, pendant la charge, que la température du bain baisse trop vite, on chauffe le four de façon plus intense pendant peu de temps, les portes étant fermées. On peut également chauffer le bain de façon plus intense, pendant peu de temps, après la coulée de 70 tonnes de fonte et avant l'addition de la nouvelle charge, en le carburant légèrement, le cas échéant, par une addition de charbon.
Les avantagea du nouveau procédé sont les suivants :
1. Le procédé peut être appliqué dans l'un des fours usuels Siemens-Martin sans modifications essentielles apportées à la construction.
2. On peut utiliser du minerai à grain fin (minerai concentré), ce qui permet de supprimer les frais nécessaires pour la mise en morceaux.
3, On peut utiliser un combustible de qualité médiocre en petits morceaux.
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4. La quantité de matières d'accompagnement nuisibles telles que le soufre, contenues dans le combustible, est sans importance car on n'ajoute au minerai, sous forme de charbon quelconque, que 1/3, en chiffres ronds, de la' quantité de coke nécessaire pour le haut-fourneau et l'action sulfurante du bain, action qui est due au gaz de la flamme, est relativement faible.
5. On peut agir dans une grande mesure sur la composition chimique de la fonte produite.
6. Le procédé s'adapte de façon extrêmement souple aux différentes conditions de fonctionnement, car le four peut servir aussi, sans modification, à la production de fer.
Les gaz d'échappement du four peuvent être utilisés par conbustion finale par apport d'air frais sous des chaudières à chaleur perdue ou de façon analogue. Ceci ' parait en particulier nécessaire parce que le carbone de réduction s'échappe sous forme d'oxyde de carbone et qu'il est entraîné en majeure partie sous cette forme par les gaz d'échappement.
La fonte obtenue par ce procédé et contenant 3% de carbone au maximum peut être utilisée en fonderie ainsi qu'en vue de sa transformation en fer. Pour obtenir du fer on fera de préférence en sorte que la teneur en carbo- ne soit réduite, parce qu'il faut éliminer le carbone plus ou moins pendant l'affinage. En fonderie, on cherche à utiliser fréquemment aujourd'hui une fonte contenant relativement peu de carbone et ayant des propriétés mécaniques particulièrement avantageuses, de sorte que le procédé conforme à l'invention répond aussi à un besoin sous ce rapport.
On peut compléter et modifier le procédé décrit jusqu'ici en utilisant, au lieu d'un four à sole chauffé par des flammes, un four électrique, par exemple un four à résistances, un four à arc, un four à induction à basse
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ou à haute fréquence.
L'avantage de l'utilisation d'un four électrique est en premier lieu le suivant :
La réduction, qui s'amorce généralement avec une vitesse de réaction très grande au moment de l'introduction de minerai de fer avec des agents de réduction, en particulier du carbone ou des carbures, dans le bain de fer en fusion qui se trouve dans le four électrique, est très endothermique. En conséquence cette réduction enlève en peu de temps à un bain de fer une grande quantité de chaleur qu'il faut remplacer par un apport d'énergie thermique.
Or l'utilisation d'un four électrique permet de remplacer cette énergie calorique par un dosage approprié de l'énergie électrique apportée, par exemple par l'utilisation d'intensités ou de tensions d'une grandeur appropriée, dans un laps de temps s'adaptant très complètement aux conditions de marche du cas envisagé, le cas échéant en très peu de temps. Il est possible de doser l'énergie électrique apportée au four électrique de façon qu'il ne se produise aucun refroidissement pratiquement appréciable du bain de fonte, notamment lorsque le minerai et les agents de réduction sont introduits dans le bain de fonte graduellement et en portions.
Il convient d'utiliser un four électrique pouvant être fermé aussi hermétiquement que possible, ce qui ne présente pratiquement aucune difficulté, et de munir ce four d'un dispositif d'évacuation des gaz produits par la réduction et contenant principalement de ,l'oxyde de carbone. On peut alors brûler les gaz ainsi prélevés pour assurer un chauffage supplémentaire du four électrique et améliorer ainsi l'économie du nouveau procédé.
Il est également possible d'opérer de la façon suivante : On produit le bain de fonte nécessaire pour l'application du nouveau procédé en faisant fondre préalablement de la fonte ou du fer mélangée avec des agents de
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réduction et utilisés sous une forme quelconque dans un four à sole chauffé par des flammes ou dans un autre four de fusion, puis on reprend le fer ou la fonte liquide ainsi obtenus et contenant des quantités plus ou moins grandes de carbone et on les transporte dans le four électrique, où le nouveau procédé est alors appliqué de la façon décrite. Dans ce cas les gaz d'échappement sortant du four électrique peuvent être brûlés, par exemple après avoir été mélangés avec de l'air, pour assurer le chauffage du four à sole ou de l'autre four.
Cette césure est avantageuse lorsqu'on veut extraire entièrement ou en majeure partie la fonte obtenue dans le four électrique et charger ce dernier par conséquent, avant l'introduction de chaque nouvelle charge au moyen d'un bain de fer provenant du four à sole ou de tout autre four.
L'utilisation d'un four électrique, en particulier lorsque le nouveau procédé est appliqué de la façon décrite en dernier lieu, permet aussi de faire varier très complètementla qualité de la fonte produite, par dosage des quantités de carbone ou de carbures introduites dans le bain de fer ou de fonte qui se trouve dans le four électrique, ce qui permet d'obtenir ainsi une fonte ayant une teneur en carbone d étenninée, désirée suivant le cas.
Comme dans l'utilisation, décrite ci-dessus, d'un four à sole chauffé par des flammes, on peut aussi, lorsqu'on utilise un four électrique, agir très complètement sur la réduction et sur la composition de la fonte produite, par le choix de la composition du laitier et le cas échéant par l'extraction du laitier et l'introduction d'un autre laitier de même composition ou de compositions différentes.
Au point de vue métallurgique, tout minerai de fer peut servir de ratière de départ pour l'application du nouveau procédé. Le choix a lieu essentiellement d'après des considérations d'ordre économique. Peu importe, en principe, que ces minerais soient en gros morceaux ou
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plus ou moins finement pulvérisés. En outre, le carbone dont on a besoin pour la réduction peut aussi être employé sous forme de charbon de forme et de qualité quelconques.
Suivant une variante du mode de réalisation décrit ci-dessus de l'invention, on peut, lorsqu'on utilise un four à sole chauffé par des flammes, aussi bien qu'un four électrique, au lieu de brûler les gaz d'échappement pour assurer un chauffage supplémentairé du four, les utiliser pour le chauffage préalable, ainsi que pour la réduction préalable de la charge du four. Ce résultat est obtenu de préférence dans un four tubulaire rotatif monté en avant du four de fusion. Le mélange de minerai et de carbone introduit dans le four tubulaire rotatif en morceaux aussi petits que possible est balayé, de préférence en contre-courant, par les gaz d'échappement du four tubulaire rotatif, gaz qui contiennent principalement de l'oxyde de carbone.
L'ouverture servant à introduire le mélange de minerai de fer et de carbone de réduction dans le four de fusion sert avantageusement aussi, dans ce cas, d'ouverture de sortie pour les gaz d'échappement inaltérés du four de fusion. On peut alors faire en sorte que l'extrémité inférieure du four tubulaire rotatif débouche dans le four de fusion et brancher sur l'extrémité supérieure du four un dispositif d'aspiration pour les gaz.
Il convient'de monter une fermeture de gueulard double entre le point de branchement de l'aspirateur e.t le réservoir de charge du four tubulaire rotatif.
Un exemple de réalisation d'un dispositif propre à l'application du nouveau procédé est représenté schématiquement dans le dessin ann exé. Un four 1, par exemple un four à sole chauffé par des flammes ou un four à induction contient un bain de fer ou de fonte 2 provenant d'une coulée incomplète. Le minerai de fer à traiter en vue de la production de fonte est introduit, mélangé avec du charbon, de préférence en forme de morceau aussi petit
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que possible, dans un réservoir 3 communiquant par une fermeture de gueulard double 4 avec un tuyau d'adduction 5. Le tuyau d'adduction 5 débouche dans un tambour tournant 6 faisant un angle de 3 à 5 avec l'horizontale.
Ce tuyau est introduit au centre dans l'extrémité supérieure du tambour rotatif. L'extrémité inférieure du tambour rotatif 6 communique avec un tuyau 7 aboutissant au four 1, de préférence à l'endroit le plus élevé du four.
On règle ensuite le fonctionnement du four 1 de façon à produire une fonte ayant chaque fois la qualité désirée et on extrait cette fonte en laissant un bain de fonte dans le four, par exemple en faisant basculer ce dernier.
Le bain de fonte remplit à peu près la moitié du four ou un peu plus et sert d'accumulateur de chaleur et d'agent de réduction pour toute charge suivante.
Conformément au nouveau procédé, les gaz de réduction formés dans le four sont ensuite aspirés au moyen d'un aspirateur 8 branché sur le tuyau 5 au-dessous de la fermeture double de gueulard 4. Ces gaz traversent le tuyau 7, le tambour rotatif 6 et une partie du tuyau 5 en contre-courant par rapport à la charge.
Par suite de la haute température des gaz, température qui est d'environ 1000 C, la charge est préalablement chauffée d'une façon assez considérable et elle est simultanément préalablement réduite aussi par suite de la quantité relativement grande d'oxyde de carbone contenue dans les gaz d'échappement. L'utilisation d'une charge en morceaux aussi petits que possible, ainsi que la rotation du tambour 6 permettent aux gaz d'échappement de venir en contact aussi intime que possible avec la charge,
Pour empêcher la charge de continuer à tomber . pendant le basculement du four 1, le tuyau fixe 7 contient une vanne d'arrêt 9 pouvant servir également à doser la quantité de charge introduite dans chaque cas.
Pour l'application du nouveau procédé il convient
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de faire en briques de carbone celle des parties du four 1 (sole) qui est recouverte par le bain de fer ou de fonte 2, et le cas échéant aussi la voûte du four, voûte qui se trouve au-dessus. Ce n'est que dans'la partie des parois latérales du four qui vient en contact avec la surface du bain de fer ou de fonte 2 que les briques de carbone servant de revêtement auraient généralement à supporter des efforts trop grands, de sorte qu'on utilise de préférence à cet endroit de la magnésite ou une matière analogue pour le revêtement.
Lorsque la quantité de carbone contenue dans les gaz d'échappement ou la quantité de ces gaz est tellement grande que les gaz d'échappement ne peuvent plus être utilisés complètement pour assurer le chauffage préalable et la réduction préalable qu'on désire donner à la charge, on peut utiliser une partie des gaz d'échappement, après les avoir mélangés avec de l'oxygène, en particulier de l'air, pour assurer le chauffage supplémentaire des tambours rotatifs 6, de l'intérieur ou de l'extérieur.
Dans le premier cas il suffit que le tuyau 7 comporte une ouverture d'entrée d'air, par exemple au point de contact entre le tuyau etle tambour tournant 6, tandisque dans le deuxième cas il faut utiliser un tuyau supplémentaire par lequel les gaz venant du four ou du tuyau 7 sont envoyés sur la paroi extérieure du tambour rotatif 6. ,Si on le désire on peut aussi utiliser une partie des gaz déchappement pour chauffer le four.