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" Procédé d'exploitation de hauts-fournsaux.
La présente invention concerne un procédé d'exploitation de hauts-fourneaux et elle a notamment pour objet de souffler un haut-fourneau avec un vent contenant un mélange réglé et uniforme - d'azote, d'oxygène et de valeur d'eau;. préchauffé.
Le procédé d'exploitation usuel des hauts-fourneau:;. con- siste à souffler de l'air atmosphérique à travers des réchauf- feurs pour le réchauffer jusqu'à la température désirée avant de l'envoyer dans les tuyères de distribution placées à la périphé- rie du creuset du haut-fourneau. La pression de l'air soufflé doit être assez élevée pour vaincre la résistance opposée, par la co- lonne de matières, à la montée des gaz à travers le haut-fourneau.
Dans les hauts..fourneaux américains la pression de soufflage va- rie normalement entre une atmosphère et une atmosphère et demie suivant la capacité du haut-fourneau, mais on obtient couramment des pressions supérieures au sommet en étranglant la sortie des gaz au sommet ce qui permet de réaliser une économie de coke et donna en outre dtautres avantages.
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Des recherches, effectuées en vue de découvrir d'autres perfectionnements possibles susceptibles d'être apportés à l'éco- nomie et à l'exploitation des hauts-fourneaux, ont également por- té sur l'examen du rapport entre les quantités des composants de l'air atmosphérique soufflé et les caractéristiques d'exploi- tation du haut-fourneau. Ces composants sont principalement l'a- zote et l'oxygène, et on les retrouve dans le vent avec le mène rapport relatif que dans J'air atmosphérique, c'est-à-dire en-- viron 21 % d'oxygène et 79 % d'azote.
Des expériences récentes entreprises pour modifier le rapport entre l'oxygène et l'azote ont montré que l'addition d'oxygène- au vent entraîne une augmen- tation de la combustion du coke près des tuyères, ce qui augmente le rapport CO-CO2 et par conséquent la production du fer.
Le vent contient également de l'eau en quantité variable suivant l'humidité absolue de l'air atmosphérique introduit dans les souffleries. On sait depuis longtemps que la variation de l'hu- midité contenue dans le vent est 1,'un des obstacles les plus graves que l'on rencontre pour maintenir une mise au mille de co- ke uniformément basse. L'humidité du vent est généralement plus grande le jour que la nuit et en été qu'en hiver et elle est aus- si plus grande par temps humide que -car temps sec.
Pour compenser les effets de la variation de l'humidité du vent,, l'expédiant consistant à sécher le vent par refroidissement a été adopté avec quoique succès, il y a près de cinquante ans, par James Gayler, mais on constate dans la plupart des cas que cet expédient est plus coûteux que cela n'est justifié par la quantité de coke qu'il permet d'économiser. Bien que l'on ait imaginé des procédés moins coûteux pour supprimer l'humidité contenue dans le vent, on a dé- couvert incidemment que ce qui est le plus avantageux, c'est, non pas l'absence d'humidité, Mais une plus grande uniformité de @
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l'humidité du vent* Par exemple,comme cela est indiqué dans le brevet U.S.A.
N 1.921.212 du 4 Juin 1931, brevet suivant lequel on utilise un vent sec, le degré de "poussée" du haut-fourneau ost retardé,c'est-à-dire que la vitesse de combustion du coke on face des tuyères ost réduite par suite de l'absence de l'effet cataly- tique de l'humidité, effet qui favorise la combustion du coke incandescent en avant des tuyères. En outre, lorsque l'air est très soc, la pression do soufflage augmenta et le haut-four- neau tond à "accrocher" à un degré tel que les opérateurs ont sou- vent recours à l'expédient qui consiste à introduire de la valeur d'eau dans les tuyères avec le vent pour réduire la pression et rétablir dans la charge l'humidité donnant l'effet catalytique..
Suivant la présente invention, l'humidité du vent est maintenue constante à tout moment par une addition d'humidité sous forme de vapeur d'eau en quantités réglées, mais variables et telles que l'humidité du vent soittoujours uniforme et constan- te ot au moins égale,dans la plupart des cas, au maximum d'humi- dité que l'on rencontre dans l'air atmosphérique en été par temps chaud et humide, afin d'obtenir l'économie maximum de coke et d'améliorer l'uniformité de la qualité du fer produit par la haut- fourneau.
Dans la mode de réalisation préférentiel du procédé qui fait l'objet de l'invention, la vapeur d'eau en quantités réglées pour assurer dans le vent un poids d'eau constant et déterminé d'avance, dans le but ci-dessus décrit, est ajoutée au vent froid en un point situé entre la soufflerie ou le turbo-ventilateur et les réchauffeurs par une conduite de vapeur reliée à la condui- te maîtresse de vent froid, ce point étant choisi parce que l'air do la conduite maîtresse de vent froid est ordinairement suffisam-- ment réchauffé, par suite de sa compression, pour éviter la conden- sation de l'humidité ajoutée.
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Les avantages, mentionnés ci-dossus, résultant de cotte addition de vapeur d'eau au vent froid sont accompagnés d'une perte calorifique qui se produit dans le creuset et qu'il faut contrebalancer. Cotte porto oalorifiquo est due à la réaction endothermique entre la vapeur d'eau et le coke incandescent.
Lors- que la vapeur d'eau entre dans le haut-fourneau, avec le vont, par les tuyères et qu:elle rencontre le coke incandescent du creu- set en avant des tuyères, la réaction du gazà l'eau H2O + C = H2 + CO se produit instantanément. Le refroidissement do la zone de combustion par 7 'absorption de calories nécessitée par cette réaction est contrebalancée, suivant la présente inven- tion, par l'addition au vent, d'une quantité suffisante d'oxygène, de préférence en même temps que la vapeur d'eau, pour accéder la combustion du coke de manière à compenser la perte calorifique due à la réaction endothermique du gaz à l'eau. De préférence, toutefois,
la température du vent chaud est simultanément élovSe jusqu'au maximum admissible dans la technique des réchauffeurs, température pouvant atteindre 870 C. Lorsqu'on utilise une tempé- rature du vent plus élevée, on peut ajouter moins d'oxygène, d'autant plus que l'élévation de la température du vent chaud re- présente uno augmentation de la température de l'air, de la va- pour d'eau et de l'oxygène ajouté, do sorte que le vent apporte plus de calories à la zone de réaction et que 'accélération de la consommation du coke qu'il est nécessaire de réaliser est moin- dre. D'une façon analogue, un préchauffage un peu moins poussé du vont exige l'addition d'un peu plus d'oxygène.
Le choix des proportions relatives des moyens comprenant la chaleur de la réaction endothermique, c'est-à-dire des calories et de l'oxygène ajoutés, dépend de considérations économiques. Do même, on peut utiliser les deux moyens à des degrés variables suivant les cir- constances locales,
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En augmentant ainsi l'humidité des gaz chauds soufflés et en compensant la perte calorifique due à la réaction endother- miquo entre la vapeur d'eau et le carbone chaud par 1' élévation do la température durent et l'enrichissement en oxygène, non seu- lement on augmente la teneur en hydrogène des gaz réducteurs dans la cuve par suite do la réaction endothermique,
mais il se dégage aussi dans la zone de combustion uno quantité notable d'oxygène provenant de la môme sourco, c'est à dire de la dissociation de la. vapeur d'eau qui réagit sur le coke incandescent pour donner du gaz à l'eau. La libération de cet oxygène supplémentaire accélère enco- re davantage la combustion du coke, augmentant ainsi le degré de "pousséo" du haut-fourneau et par conséquent la production de for, et on libérant également dos quantités supplémentaires des gaz réducteurs actifs,hydrogène et oxyda de carbone, pour la réduction indirecte des oxydes de for dans les otages supérieurs do la cuve du haut-fourneau.
Par exemple, l'hydrogène ainsi rendu disponible dans la partie supérieure do la cuve du haut-fourneau a une valeur spéciale à cet endroit, étant donné que sa réaction avec les oxydes do for a licu à une température inférieure à celle oxigéo pour l'oxyde de carbone. Jusqu'à un certain dogré, par conséquente cet hydrogène, complète l'action réductrice exigée de l'oxyde do carbo- no, et ceci entraîne unc nouvelle économie de coke. On conçoit donc qu'il peut Être avantageux, pour certains minerais, d'introduire;. dans lo vont, dos quantités d'eau beaucoup plus grandes quo celles qui sont contenues dans l'atmosphère par les temps es plus chauds et les plus humides.
On supposera, à titro d'exemple, que l'on ajoute au vent unc quantité de vapeur d'eau suffisanto pour être égale à l'humi- dité atmosphérique maxîma sous les climats chauds et humides, soit environ 35 grammes d'oau par mtrc cube d'air, et quo le vont est
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enrichi par 20 % d'oxygène supplémentaire pour augmenter la teneur de l'air en oxygène et la porter, de la teneur atmos- phérique d'environ 21 % à environ 25,2 %. Si, en même temps que l'on ajoute de l'oxygène, l'on porte la température du vent de 650 C à 870 C, la chaleur ajoutée au haut-fourneau en avant des tuyères par kilogramme de carbone brûlée aux tuyères,
est augmentée de 706 grandes calories comme le montre le calcul suivant :
35 g. de H20/m3 d'air correspondent à 0,0453 m3 do va- peur d'eau par m3 d'air.
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35 g. de f.T 12 0 =00453 ¯ 4,33 % de vapeur d'eau en 1,0453 volume.
Comme la combustion de 1kg. de C aux tuyères et sa en
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transformat îon/CO exigent 9,4 m3 d'air, pour une augmentation de température de 220 C (870-650 ) et avec une teneur moyenne en humidité correspondant à une capacité calorifique de 0,341 Cal/m3, la chaleur apportée est:
9,4 m3 d'air x 220 C x 0,341 = 706 Cal.
La perte calorifique due à l'addition de vapeur d'eau à l'air soufflé, perte due à la dissociation au contact du car- bone incandescent en avant des tuyèreset à la réduction en oxyde de carbone et en hydrogène, est égale à 580 Cal. comme le montre le calcul suivant :
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9,4Om3 x 35g.= 330g.dl69U,k-gC brûlé
Chaleur de formation de H2O = 57,8 Cal. par mol. gr.
Chaleur de formation de C0= 26,4 Cal. par mol. gr.
Le bilan calorifique de l'opération se traduit donc par une perte de
57,8 - 26,4 = 31,4 Cal. par mol. gr. H2O
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Comme : 330 gr. H20 = 330 18,3 mol. gr. H2O, 18 la perte, par kg. de carbone brûlé et transformé en CO est bien :
31,4 x 18,3 = 580 Cal.
En conséquence, la chaleur sensible de 706 calories ajoutée au vent par l'élévation de sa température de 220 C et par l'augmentation de 20% de sa teneur en oxygène est plus que suffisante pour compenser les 580 Cal. absorbées par la réaction endothermique de la vapeur d'eau avec le carbone in- candescent, comme décrit ci-dessus.
On remarquera que la teneur totale en eau de l'air soufflé, y compris la vapeur d'eau ajoutée, sert de base pour déterminer la chaleur perdue dans la réaction endothermique, de sorte qu'une modification de la teneur totale en eau, si cette modification est désirable pour augmenter la vitesse de réduction par l'hydrogène, exige une modification correspondante de la quantité d'oxygène ajoutée pour maintenir la température du creuset à la température désirée, par conséquent, pour cha- que modification qui est effectuée un réglage compensateur est nécessaire,ce qui exige un contrôle serré de la quantité de vapeur d'eau ajoutée et de l'oxygène ajouté, ainsi que de l'é- lévation de la température du vent si on le désire. Cette com- mande peut être effectuée automatiquement au moyen de doseurs différentiels.
La pratique, qui fait l'objet do la présente invention, de compenser, par une addition d'oxygène, la perte calorifique résultant de l'addition de vapeur d'eau, diffère donc notable- ment de l'addition de vapeur d'eau et d'oxygène au vent, sans discrimination, comme celle qui est proposée dans le brevet
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U.S.A. N 1. 518.854 du 6 Août 1920 dans lequel la vapeur d'eau est utilisée dans un but de refroidissement.
Alors que l'exemple ci-dessus est un exemple type général, on constatera qu'il est avantageux de régler indépen- damment la quantité de vapeur d'eau et la quantité d'oxygène qui sont ajoutées au vent suivant les caractéristiques parti- culières de la charge. Ainsi, pour certains minerais qui ten- dent à produire de grandes quantités de poussières dans les carneaux, ainsi que pour les minerais très réactifs et qui sont facilement réduits par des gaz à basse température, tels que les limonites, une plus grande proportion d'oxygène ajouté est généralement plus avantageuse qu'une plus grande proportion d'humidité ajoutée sous forme de vapeur d'eau.
Cela est dû/au fait que de tels minerais sont réduits plus facilement par un vent à basse température, tandis que l'importance de la faible consommation de coke peut limiter la quantité do vapeur d'eau pouvant être utilisée. D'autre part, les magnétites et les héma- tites denses tirent parti de l'invention par l'addition à la fois, d'oxygène et de vapeur d'eau en quantités relativement grandes.
Bien que l'on ait décrit ci-dessus un exemple idéal du procédé d'exploitation des hauts-fourneaux suivant la pré- sente invention, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à cc procédé d'exploitation, mais que des modifications peuvent y être apportées sans que l'on sorte de son cadre.