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PERFECTIONNEMENTS APPORTES A LA MARCHE-DES-HAUTS-FOURNEAUX, NOTAMMENT POUR
AMENUISER LA ZONE'DE RAMOLLISSEMENT DES MINERAISo
La présente invention se rapporte à la marche des hauts-fourneaux et a principalement pour but d'amenuiser la zone dans laquelle le minerai ra- molli avant fusion de sa gangue est susceptible de coller aux parois du haut fourneau et d'affranchir cette zone de ramollissement de la contrainte du profil du haut-fourneau. L'invention a en outre, pour but de permettre de concentrer au maximum dans l'ouvrage la chaleur disponible et de réduire les pertes dues à la chaleur sensible des gaz sortant du gueulard.
Il est bien connu que les opérations qui ont lieu à l'intérieur d'un haut-fourneau s'effectuent dans deux zones distinctes comprenant des 'pha- ses différentes, la première zone qui va du gueulard aux étalages contient une phase gazeuse et une phase solide, la deuxième zone qui va des étalages au creuset contient une phase liquide avec ou sans phase solide et/ou gazeuse.
Pour la facilité de la description, on désignera, dans ce qui suit, par "phase gazeuse" la première de ces zones, et par "phase liquide? la secondée
La réduction du minerai en phase gazeuse prend fin quand les ma- tières atteignent une température voisine de 1050 C, qui correspond au moment où la gangue du minerai ramollit et cesse d'être perméable aux gaz. Avant d'entrer en fusion,, les matières minérales passent, en effet, par des états= ramolli et pâteux dans une zone de préfusion plus ou moins allongée, suivant la nature de la gangue, zone qui, est d'autant plus réduite que la chaleur dégagée dans le fourneau est plus intense et plus concentrée.
Le haut-fourneau comporte, généralement 21 immédiatement au-dessus de l'ouvrage des étalages en forme de tronc de cône évasé vers le haut, qui ont pour but de soulager la masse liquide de la charge de la colonne des ma- tières, de diffuser le courant gazeux dans toute la section et de régulariser la descente des matières. Quand la zone de préfusion se situe dans les éta-
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lages, les matières ramollies sont soumises non seulement à la pression verti- cale de la colonne des matières,, mais encore à la pression radiale engendrée par le cône, ce qui augmente la cohésion desdites matières et risque de cré- er des engorgements.
On sait, d'autre part,, que le vent très chaud, ou enrichi d'oxygè- ne, a pour effet de concentrer la chaleur dans l'ouvrage et, par conséquent., tend à faire descendre la zone de préfusion plus bas dans les étalages. :
Afin d'éviter le risque d'engorgement par suite de la pression ra- diale exercée dans les étalages sur les matières ramollies, on a cherchée jusqu'à présent, à obtenir le ramollissement et, pour plus de sûreté, le commencement de la fusion, au-dessus des étalages, en réduisant, par éta- pes, de près de moitié la hauteur des étalageso On este cependant, rapide- ment limité dans cette voie par la pente des étalages,
lesquels ne doivent pas être trop inclinés sur la verticale pour éviter la formation d'accrocha- ges et par la nécessité de conserver à la cuve une section suffisante. On a donc recours;, subsidiairement, à l'une ou plusieurs des pratiques suivantes : réduction soit de l'allure, soit;de la température du vente soit de la vites- se du vent ; utilisationnormale des tuyères dites de secours; emploi d'un mo- de de chargement tendant à augmenter la perméabilité de la charge contre la paroi de la cuve; procédés qui ont pour effet d'allonger la gradation des tem- pératures à la paroi, de faire fondre les matières minérales, dans un anneau périphérique, au-dessus des étalages et, par suite, de créer l'hétérogénéité dans la section.
La technique actuelle est, par conséquente caractérisée par la déconcentration de la chaleur et l'inefficacité des étalages dans leurs fonctions régulatrices, alors qu'àu contraire l'intensité et la concentra- tion de la chaleur dans l'ouvrage ont les effets bien connus suivants sur la marche du haut-fourneau : a) économie de coke correspondant à l'apport calorifique supplé- mentaire du vent ou à un moindre apport de gaz inerte; b) accroissement de l'intensité de combustion et accélération de l'allure; c) amélioration du taux de réduction indirecte du minerai; d) réduction des pertes de chaleur sensible et potentielle empor- tées par les gaz; e) élévation de la température de la fonte et du laitier et amélio- ration de leur fluidité.
Dans ce qui précède comme dans ce qui suit, il faut entendre par intensité de la chaleur l'élévation de la température.
Le présent procédé a notamment pour objet de faire disparaître, ou de réduire considérablement, dans la plus grande partie de la section du haut-fourneau, la zone. de préfusion dans laquelle la gangue du minerai est à l'état ramolli et pâteux et, en conséquence, de rendre possible l'utilisa- tion de vent très chaud ou enrichi d'oxygène pour développer au maximum, l'intensité et la concentration de la chaleur- dans l'ouvrage.
Le procédé selon l'invention consiste essentiellement à insuffler à la périphérie du four un fluide capable d'entrer en combinaison avec le carbone du coke suivant une réaction endothermique,, l'insufflation étant fai- te à une hauteur choisie de façon telle que l'écran endothermique qui en ré- sulte sépare la zone de réduction indirectes en phase gazeuse du minerai, de la zone de fusion située à la partie inférieure du four, de sorte qu'il se pro- duit dans la gradation des températures des gaz ascendants une solution de con-
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tinuité favorable à la suppression de la zone intermédiaire de ramollisse- ment du minerai.
L'insufflation de fluide produisant avec le carbone une réaction endothermique ne peut intéresser qu'une zone périphérique plus ou moins éten- due suivant la vitesse d'ionsufflation. Pour soustraire à la poussée radiale . développée dans les étalages la zone de préfusion restante une autre particula- rité de l'invention consiste à relayer le niveau des étalages jusque dans la zone de réduction indirecte en phase gazeuse,
de telle manière que la poussée radiale s'exerce sur les matières de la charge avant que celles-ci'huaient com- mencé à se ramollir. Il s'ensuit que les étalages peuvent alors jouer complè- tement leur rôle régulateur dans la descente de la charge et que la gangue du minerai ne subissant de ramollissement qu9au-dessous des étalages, les matiè- res de la charge sont, à ce moment, soustraites totalement à la poussée radia- le et partiellement à la pression verticale exercée par la colonne des matiè- res, et qu'en conséquence la diffusion des gaz se fait dans un milieu à per- méabilité plus régulière.
Comme fluide d'insufflation, on peut utiliser un fluide quelconque riche en gaz carbonique et/ou en vapeur d'eau, ou même de l'eau pulvérisée,é- léments qui se combinent à la température régnant habituellement au niveau des étalages d'un haut-fourneau suivant les deux réactions suivantes :
1) CO2 + C = 2 CO - 39 Kc
2) H20 + C = CO + H2 - 29 ou 41 Kc suivant l'état .physique de l'eau.
Il va de soi que le fluide utilisé peut être formé par un mélange des deux fluides de base, éventuellement dilués dans d'autres fluides n'entrant pas en combinaison, suivant une réaction exothermique, avec le carbone ou les autres éléments de la charge. A titre d'exemples de fluides utilisables se- lon l'invention, on peut citer le gaz carbonique industriel, les gaz de four à chaux, les gaz brûlés provenant de foyers, le gaz de haut-fourneau, la va- peur d'eau, l'au pulvérisée, etc...
La position de l'écran endothermique doit être telle que les matiè- res minérales descendantes sortent de cet écran à une température voisine de 1050 C, inférieure -en tout cas à la température de ramollissement de la gan- gue, puis pénètrent sans transition dans une zone de températures, à gradient accélère, très supérieures à celle de leur point de fusion, de sorte que les- dites matières passent, au moins à la périphérie du four,
à peu près sans tran- sition de 1-'état solide à l'état liquide lorsqu'elles descendent dans le haut- fourneau d'une hauteur très faible au-dessous de l'écran à réaction endother- mique.
Pour les minerais à gangue peu réfractaire, ce résultat peut être atteinte par exemple, avec des températures des gaz ascendants de l'ordre de 1550 0 immédiatement à 1-'entrée de l'écran endothermique (niveau inférieur) et de 1300 C environ immédiatement à la sortie dudit écran (niveau supérieur).
Toutefois, cet exemple nest donné qu9à titre indicatif et ne doit pas être considéré comme limitatif, les températures requises étant essentiellement variables selon la nature de la gangue des minerais traités
Grâce au procédé selon 1-'invention,, le zone de réduction indirecte est considérablement allongée vers le bas et l'intervalle de préfusion des états raxnolh. et pâteux de la gangue du minerai est amenuisé jusqu'à dispa- raître entièrement dans un anneau périphérique touchant la paroi intérieure du four.
Le procédé selon l'invention permet g a) de concentrer la chaleur dans l'ouvrage et d'obtenir l'intensi-
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té de chaleur maximum compatible avec les besoins en chaleur de la phase gazeu- se ; b) de réduire au minimum les pertes de chaleur sous forme de cha- leur sensible emportée par les gaz et d'équilibrer au mieux les quantités de chaleur utilisées respectivement dans les "phase liquide" et "phase gazeuse"; c) régulariser la descente des matières par suppression des accro- chages; , d) de conserver dans la masse des matières une perméabilité aus- si homogène que possible dans toutes les sections; e) d'homogénéiser le courant gazeux dans la phase'gazeuse;
f) de stabiliser les métaux et les métalloïdes dans la phase li- quide et le gaz carbonique dans la phase gazeuse; g) d'améliorer le taux de réduction indirecte ; tous objets qui ont pour effet d'améliorer le rendement thermique et d'augmen- ter la productivité du haut-fourneau, que celui-ci produise de la fonte ou des ferro-alliages.
La description qui va. suivre en regard du dessin annexée donné à titre d'exemple non limitatif,, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant., bien entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un profil de haut- fourneau le plus répandu,sur laquelle on a représenté l'allure générale de la zone de ramollissement de la gangue du minerai et la position à donner aux tuyères ou injecteurs de fluide à réaction endothermique suivant l'inven- tion.
La fig. 2 est une coupe verticale schématique d'un haut-fourneau modifié suivant l'invention par déplacement des étalages dans la zone de ré- duction en phase gazeuse.
La fig. 3 est une coupe-analogue à celle de la fig. 2 d'un autre profil de haut-fourneau répondant à l'invention
La fig. 4 montre les variations de températures des matières so-
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lides et doa gaz dans les sotions su/sosssives d'un haut-fourneau, les courbes en traits poi-ntil-lis correspondant'.#ournëM. fone-tionnant suivant la prati- que cou.rantep-'1. ..courba\! $n'trait pl*in 11iorrespondaiit- un haut-fourneau du. réfrer1"""sur la fie 3 dans 1Aqú-el on wrée dans l'un des.,plans bD Z-9 ee e, un écran de fluides ayant une réaction endothermique avec le carbone du coke
Dans un haut-fourneau de type courante représenté sur la fig.
1, qui comporte de bas en haut une partie cylindrique g formant le creuset et l'ouvrage, raccordée à sa partie supérieure à un tronc de cône renversé for- mant les étalages j, lesquels sont surmontés d'une cuve plus ou moins coni- que m, les tuyères à vent n sont situées à proximité des étalages dans le plan as. La zone de préfusion dans un tel haut-fourneau a sensiblement la formé de la zone k1 hachurée en traits pointillée, qui caractérise la prati- que courante de deconcentration de la chaleur.
Selon l'invention, on dispo-
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se à la périphérie du four, dans des plans bu Q, d, g. situés approximative- ment au niveau inférieur de la zone normale de ramollissement k1, des tuyères ou injecteurs au moyen desquels on insuffle, dans le haut-fourneau, un fluide capable de réagir avec le carbone du coke, suivant l'une des deux réactions 1) et 2) données ci-dessus.
L'absorption de chaleur produite par ces réac- tions endothermiques abaisse localement la température des gaz, très chauds
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au-dessous de l'écran ainsi forméede sorte que le minerai s'échauffe moins rapidement au-dessus et plus rapidement au-dessous dudit écrande- @ dudit
La quantité de fluide utilisé sera déterminée de telle façon que la température du minerai soit très peu inférieure à la température de ramollissement de la gangue lorsque la charge atteint le niveau de celle des rangées b à e de tuyères d'insufflation utilisées..
Dans ces conditions, on conçoit que le minerai partiellement réduit, qui, en descendant dans le four, passe brusquement d'une zone dans laquelle les gaz ont une température relativement peu élevée (zone formée par l'écran à réaction endothermique limitant la phase gazeuse) à une zone où la température des gaz est très élevée, passe quasiment de l'état solide à l'état liquide, sans passer par l'état pâteux intermédiaire,tout au moins à la périphérieo L'action du fluide insufflé décroît au fur et à mesure. que l'on s'éloigne du nez des injecteurs, de sorte que la zone de ramollissement prend l'aspect lenticulaire représenté par la zone quadrillée k des fig.
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Si l'on conserve le profil courant du haut-fourneau (fig. 1), il est nécessaire, pour éviter les inconvénients dûs à la contrainte du profit du haut-fourneau sur les matières, que l'écran formé s'étende assez loin à l'intérieur du four. Ceci peut constituer une difficulté, car l'absorption de chaleur qui en résulte peut avoir pour effet d'abaisser au-delà de la valeur nécessaire la chaleur sensible des gaz dans la phase gazeuse.
On peut facilement obvier à cet inconvénient.si l'on modifie convenablement le profil du four en plaçant des étalages au-dessus des plans b, c, d, e, contenant les tuyères d'insufflation. La fig. 2 montre schématiquement le profil d'un haut-fourneau dans lequel le creuset g1 et l'ouvrage ont le même diamètre que la petite base des étalages j1, lesquels sont situés à un niveau nettement supérieur., le cylindre de l'ouvra- ge étant prolongé vers le haut d'une hauteur égale au décalage en hauteur des étalageso Dans ce cas,la zone de ramollissement k qui subsiste et qui est très réduite, ainsi que permet de le constater la comparaison des fig.
1 et 2, est soustraite totalement à la pression latérale-engendrée par le tronc de cône des étalages et partiellement à la pression verticale due à la colonne des matières, laquelle est soutenue à un niveau supérieur; en conséquence, la descente des matières est plus régulière et la diffu- sion des gaz se fait dans une section dont la perméabilité est plus homogène.
Dans le profil représenté sur la fig. 3, les étalages j2 sont encore plus surélevés que dans celui de la fige 2, le cylindre g2 du creuset et de l'ouvrage a un diamètre plus grand que celui de la petite base des étalages, et l'on a prévu un tronc de cône h, convergent dans le sens du courant gazeux, dont la petite base est raccordée à la petite base de même diamètre du tronc de cône des étalages j2, formant divergent, par un anneau cylindrique i, formant col.
Les tuyères d'insufflation de fluide à réaction endothermique prévues dans les plans b, c, d, e, sont situées à la partie supérieure du cylindre.prolongeant l'ouvrage et au-dessous du tronc de cône convergent h. Avec un tel profil, la zone de ramollissement de la gangue du minerai se trouve éloignée de la paroi intérieure du fourneau par suite de la ségrégation qui se produit lors du passage de la charge dans le cône convergent h le coke ayant tendance à se rapprocher des parois, tandis que le minerai se dirige vers le centre du fourneau en raison des différences de densité entre ces matières et des angles différents de leurs talus d'éboulement.
La zone lenticulaire k, dans laquelle le ramollissement du minerai peut se produire., occupe alors la position de la fig. 3 et l'on voit immédiatement que cette zone n'est soumise qu'à une poussée verticale réduite, due au poids des matières retenues en partie par les étalages
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Avec le profil de la fige 3, ou un autre équivalent, et insuffla- tion de fluide selon l'invention, on obtient non seulement la suppression to- tale des accrochages par collage des matières contre les parois et une meil- leure diffusion des gaz, mais on bénéficie des autres avantages suivants :
a) la zone de ramollissement ou de préfusion est éloignée de la paroi intérieure du fourneau par l'anneau de coke qui se forme au passage du cône h, condition favorable à l'entrée en réaction rapide du fluide injec- té. b) au-dessus de l'écran à réaction endothermique, le courant gazeux est homogénéisé par contraction puis diffusion dans les cônes h et j2.
c) les matières minérales sont écartées de la paroi de l'ouvrage par suite de la ségrégation, mentionnée ci-dessus,, qui se produit dans le cône h, de sorte que les matières fondues tombent plus loin du nez des tuyè- res à vent 'et ont moins tendance à se réoxydero d) alors que les réactions endothermiques qui se produisent dans l'écran endothermique sont terminées, la vitesse des gaz est accélérée dans le col i, la zone de-'.ce col i correspondant à une zone d'instabilité du gaz carbonique dans laquelle les matières sont portées à une température supé- .rieure à 900 0 environ.
e) à la sortie de la zone spécifiée ci-dessus, les gaz possèdent une très grande force vive qui a pour effet d'activer la réduction indirecte dans les étalages,j2, réduction indirecte dont le taux est augmenté dans l'ensemble du fourneau.
Quel que soit le profil utilisé, des lunettes 1 (figo 2 et 3) sont ménagées dans la paroi du fourneau au-dessus et au-dessous des plans d'insufflation du fluide, afin de surveiller,,,- aumoyen de pyromètres, la tem- pérature à la paroi à une faible distance du profil intérieur. On peut ainsi déterminer,suivant les températures constatées, l'étage de tuyèresà utili- ser pour la bonne marche du fourneau, cet étage étant différent selon la réductibilité du minerai et la hauteur d'ouvrage nécessaire pour l'élabora- tion de la qualité de fonte recherchée.
La chaleur apportée par le comburant et dégagée par. la combus- tion peut être divisée en deux parties utilisées respectivement dans la phase liquide pour fondre les matières de la charge et opérer la réduction directe, et dans la phase gazeuse pour produire la dessiccation de la charge, opérer la réduction indirecte, décomposer les carbonates, échauffer les ma- tières jusqu'à une température de 1050 0 environ et refroidir les gaz sor- tant de la phase liquide à une température telle qu'ils n'échauffent pas les matières au-delà de 1050 environ. On sait, en outre, qu'il y a intérêt à rechercher dans l'ouvrage l'intensité de chaleur maximum, afin de réduire au minimum la transition entre les états solide et liquide pendant la fu- sion et d'activer ensuite.le. réduction directe.
Dans les fourneaux de type courante on ne peut, sans inconvénient, augmenter au maximum l'intensité de la chaleur dans l'ouvrage parce que la zone de préfusion se déplace vers le bas, on se trouve donc dans l'obligation de déconcentrer la chaleur par l'une des pratiques citées précédemment, et il en résulte des pertes calorifiques sous forme de chaleur sensible et potentielle dans les gaz sortant du gueu- lard, ce qui est préjudiciable à l'économie de marche du fourneau.
L'écran à réactions endothermiques selon l'invention permet d'a- dapter au maximum l'intensité de la chaleur dans l'ouvrage aux quantités de chaleur nécessaires dans chaque phase et de réduire au minimum les per- tes de chaleur sensible des gaz s'échappant du gueulard. En effet, on aug- mente habituellement l'intensité de la chaleur dans l'ouvrage par l'emploi soit de vent très chaud., soit d'air suroxygéné. Suivant celui de ces deux moyens utilisé, la réductibilité des minerais et la qualité de fonte à éla-
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borere on peut être amené à disposer, pour la phase gazeuse, d'une quanti- té de chaleur supérieure à celle qui est nécessaire dans cette phase.
L'écran à réactions endothermiques permet de rétablir l'équilibre, par suite de la formation de CO qui s'y produit, en transformant en chaleur potentielle l'excès de chaleur sensible qui serait perdu dans les gaz sor- tant du gueulard.
Sur la figure 4, on a représenté en pointillés une courbe A qui représente les températures (portées en abaisses) des gaz ascendants dans les différentes sections d'un haut-fourneau, et une courbe B qui représente les températures des matières dans les mêmes sections. Les courbes A et B correspondant à un haut-fourneau fonctionnant suivant les pratiques couran- tes de déconcentration de la chaleur (sans écran à réactions endothermiques), dans lequel, par conséquent, le gradient des températures est allongé.
En regard des courbes A et B, on a tracé en trait plein deux autres courbes A1 et B1 qui représentent respectivement les variations de température des gaz ascendants et des matières, dans les mêmes sections du même fours lorsque, selon l'invention, on crée un écran à réactions endothermiques dans un des plans d' inj ecteurs b, c, d, e.
On voit sur cette figure 4 que la courbe A1 s'infléchit brusquement en S-S1 au niveau d'injection du ou des flui- des, inflexion qui correspond à la solution de continuité dans la gradation des températures des gaz, lesquels sont plus chauds dans l'ouvrage et moins chauds dans la cuve que lorsqu'on n'utilise pas d'écran. On constate également que l'élément f-f1 de la courbe B1, lequel élément correspond à la zone de fu- sion de hauteur très réduite, n'est que faiblement incliné sur l'axe des tem- pératures, ce qui indique une élévation très rapide de la température des ma - tières dans la zone correspondante.
Un autre avantage qui découle de l'adoption du profil représenté à la fige 3 et qui a été signalé ci-dessus mérite quelques explications com- plémentaires. Dans un fourneau normale une partie des métaux et métalloides élaborés dans l'ouvrage, en tombant dans le creuset à l'état liquide,traver- sent les zones riches en'oxygène qui existent au nez des tuyères. Au cours de cette traversée, ils se réoxydent; partiellement et les oxydes ainsi pro- duits sont réduits à nouveau par le carbone dans le creuset. Cette réaction de réduction est fortement endothermique, de sorte que la fluidité du laitier et du métal s'en trouve diminuée.
Ainsi qu'il. a été dit précédemment, diffé- rentes causes agissent concurremment pour éloigner de la paroi la zone de fusion, de sorte que les métaux et .métalloïdes élaborés dans l'ouvrage ont moins tendance à être oxydés au cours de leur chute, ce qui contribue en- core à donner aux bains liquides une meilleure fluidité.
REVENDICATIONS.
1) Procédé pour améliorer la marche des hauts-fourneaux et notam- ment pour amenuiser la zone de ramollissement des minerais avant fusion, ca- ractérisé en ce que l'on insuffle à la périphérie du four un fluide capable d'entrer en combinaison avec le carbone du coke suivant une réaction endother- mique, l'insufflation étant faite à une hauteur choisie de façon telle que l'écran endothermique qui en résulte sépare la zone de réduction indirecte, en phase gazeuse du minerai, de la zone de fusion située-à la partie infé- rieure du four, de sorte qu'il se produit dans la gradation des températures des gaz ascendants une solution de continuité favorable à la suppression de la zone intermédiaire de ramollissement du minerai.