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PROCEDE, POUR LA REALISATION D'OPERATIONS METALLURG'IQUES, AU FOUR A CUVE
BAS ET FOURS, A CUVE CONVENANT POUR LA REALISATION DE CE PROCEDE .
Le traitement métallurgique d'oxydes métalliques, par exemple de minerais de fer, peut'être réalisé sans difficultés particulières lorsque la teneur en oxygène dans le vent soufflé ne dépasse pas 35 % environ. Dans le cas de teneurs plus élevées en oxygène dans le vent soufflé, il se produit des dérangements importants. Ces dérangement consistent principalement en phénomènes d'accrochage de la charge (formation de voûtes) dans le four et en ce que le four n'admet plus levvent soufflé. Ces dérangements peuvent être si forts qu'ils rendent considérablement plus difficile et même impossible. le ,fonctionnement du four.
Il est connu, il est vrai, que l'on peut également travailler avec des teneurs plus élevées désirées en oxygène dans le.vent souf- flé, lorsqu'on ajoute au vent un gaz auxiliaire, par exemple de la vapeur d'eau ou de l'acide carbonique, séparément ou en mélange, qui abaisse la températu- re du four.
L'addition d'un tel gaz auxiliaire dans les proportions habituel- lement employées jusqu'ici entraîne des inconvénients, qui consistent, d'une part, en ce que la possibilité d'utilisation de la chaleur de combustion du carbone dans l'ouvrage du four est abaissée par le gaz auxiliaire, et en ce que, par l'augmentation de la quantité de gaz de gueulard en raison de l'ad- dition du gaz auxiliaire ou-de ses produits de décomposition à la quantité de gaz provenant de réactions métallurgiques,la capacité de production du four à cuve est abaissée de façon indésirable.
Les inconvénients mentionnés de l'addition d'un gaz auxiliaire, 'par exemple de vapeur d'eau ou d'acide carbo- nique, se manifestent surtout parce qu'on ne savait pas jusqu'ici dans quelle proportion optimum ce gaz auxiliaire devait être ajouté si l'on voulait évi- ter les inconvénients de façon aussi complète que possible et obtenir les avantages' que l'on peut atteindre dans le cas d'un dosage correct de la pro- portion de gaz auxiliaire.
Comme on devait, en raison de l'ignorance de la proportion optimum de gaz auxiliaire, compter jusqu'ici avec l'utilisation de très grandes quantités-de gaz auxiliaire, et comme ainsi le traitement mé- tallurgique, avec de l'dxygène d'une concentration supérieure à 35% environ,. devenait peu sûr au point de vue du fonctionnement et de la technique, le four à cuve bas,fonctionnant avec de l'oxygène à concentration élevée, ne
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pouvait jusqu'ici pas s'introduire dans la pratique métallurgique.
Cet in- succès d'une mesure,bonne en elle-même, est dû surtoutà la causé suivan- te :la possibilité d'utilisation de la chaleur de combustion du carbone, disponible dans l'ouvrage du four, était considérablement réduite par l'ad- dition d'un gaz auxiliaire, tel que vapeurs d'eau ou acide carbonique ou -- gaz de gueulard recyclé ou de mélanges de ces gaz, dans les proportions choi- sies jusqu'ici, et¯en outre - dans le cas d'une vitesse donnée du gaz au gueulard, qu'oncne pouvait pas dépasser pour d'autres raisons -"la capacité de production du four était considérablement réduite par l'accroissement obligatoirement produit de la quantité de gaz de gueulard et par la diminu- tion résultante de la proportion de gaz provenant des réactions métallurgi- ques dans la quantité totale du gaz de gueulard.
La présente invention a pour but d'indiquer les moyens techni- ques par lesquels on peut, dans un four à cuve bas fonctionnant avec de l'oxy- gène fort concentré, régler les conditions de fonctionnement de telle manière que les inconvénients mentionnés dans ce qui précède ne puissent pas se pro- duire.
La solution, faisant l'objet de la présente invention, de ce problè- me est basée sur une constatation, découverte et confirmée par des essais effectués en grand et qui n'était pas connue jusqu'ici, et elle consiste en ce que la combustion du vent soufflé à concentration élevée en oxygène ou d'oxy- gène avec du charbon est réalisée de telle manière que la température maximum dans l'ouvrage du four et au niveau des tuyères est limitée à une valeur qui atteint au maximum la température du début de vaporisation du laitier ou scorie et reste de préférence un peu au-dessous de cette température.
Le principe de la présente invention peut être réalisé' de diffé- rentes manières dans le cas du four à cuve bas. On peut, d'une part, ajouter au vent soufflé, consistant en oxygène ou en un milieu gazeux à concentra- tion élevée en oxygène, en fonction de la teneur du vent en oxygène, de la vapeur d'eau oude l'acide carbonique ou un autre gaz, tel que par exemple du gaz de gueulard recyclé, séparément ou en mélange, dans la proportion né- cessaire pour atteindre la température mentionnée. Un autre moyen pour réa- liser le principe de la présente invention consiste à insuffler'l'oxygène de manière inégale, et cétte inégalité peut avoir lieu dans l'espace ou dans le temps, ou à la fois dans l'espace et dans le temps.
L'oxygène peut être insufflé sous forme d'oxygène fort concentré, sous forme d'air enrichi en oxy- gène ou dans un autre milieu gazeux.
Il est enfin décrit, comme exemples de réalisation de la présen- te invention, différents fours à cuve bas qui permettent de réaliser le pro- cédé précédemment défini.
En ce qui concerne le principe de la présente invention, à sa- voir que la combustion du vent soufflé à concentration élevée en oxygène est'- réalisée de telle manière que la température maximum dans 'l'ouvrage ou au ni- veau des tuyères soit limitée à une valeur qui atteint au maximum la tempé- rature du début de vaporisation du laitier ou scorie et reste de préférence un peu- au-dessous de cette température, on peut mentionner ce qui suit.
Il a été téabli que, pour une concentration croissante d'oxygè- ne dans le vent soufflé, les températures de combustion, se produisant dans l'ouvrage du four sans contre-mesures particulières, augmentent très forte- ment. Dans le cas de le.utilisation d'oxygène pur, ces températures sont, selon la conduite de l'opération, supérieures à 3.000 C. Il en résulte que, dans le cas d'un four à cuve fonctionnant avec une telle concentration éle- vée en oxygène, les températures dans l'ouvrage montent au-delà des tempéra- tures de vaporisation des substances normalement présentes dans le laitier ou scorie. Il est connu, par exemple, qu'à 2.200 C, la tension de vapeur de la silice, à 2.700 C celle de l'alumine, et à 2.850 C celle de la chaux, at- teint l'atmosphère.
Comme il s'agit, dans les laitiers ou scories industriels constamment d'un mélange de ces constituants, éventuelle ment avec encore d'autres oxydes métalliques, les températures du début de vaporisation du laitier ou scorie sont un peu plus élevées que celles des substances pures.
Il faut toujours compter avec le fait que, lorsque la température dans l'ou-
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vrage du four dépasse 2.300-2.500 C, il se produit, selon la composition du laitier ou scorie, une vaporisation importante de constituants de celui-ci.
Ceci a pour conséquence que les oxydes vaporisés se séparent à nouveau un peu au-dessus de l'ouvrage, où la température des constituants du lit de fu- sion est un peu inférieure aux points de vaporisation correspondants. Une' partie de ces oxydes reste, il est vrai, sous forme de brouillard dans le gaz de gueulard et a pu de cette manière être constatée dans le gaz de gueu- lard de fours à cuve fonctionnant de cette manière. Comme les points de so- lidification des constituants du laitier ou scorie sont voisins des tempéra- tures de vaporisation, une grande partie des constituants du laitier ou sco- rie, séparés de la phase gazeuse, sont séparés au-dessus de l'ouvrage sous forme cristalline solide.
Ceci a pour résultat que les trajets pour le passage du gaz sont rétrécis et sont finalement complètement engorgés, de sor- te que la pression, sous laquelle le vent doit être insufflé dans le four, s'élève notablement et que le four n'admet finalement plus du tout de vent soufflé. En outre, l'engorgement des constituants du lit de fusion par des constituants du laitier ou scorie séparés par cristallisation à partir de la phase gazeuse, forme, très près au-dessus de la zone de combustion dans l'ouvrage, une voûte, qui amène des phénomènes d'accrochage dans le four.
Conformément à la présente invention, on doit conduire la com- bustion dans l'ouvrage du four de telle manière que la température de pointe que peut y produire la combustion de l'oxygène avec le carbone, ne dépassé pas la température du début de vaporisation du laitier ou scorie, ou, mieux encore, reste un peu au-dessous de celle-ci. On connaît en elles-mêmes différentes mesures pour limiter la température dans le cas de l'utilisa- tion d'oxygène dans un four à cuve. Ces mesures peuvent, par exemple, con- sister dans l'addition de vapeur d'eau ou d'acide carbonique à l'oxygène.
Mais on ne savait toutefois pas jusqu'ici jusqu'à quel degré cette limita- tion de température doit avoir lieu dans les opérations mentionnées. Ceci constituait un défaut sensible des opérations effectuées jusqu'ici, car les mesures pour la limitation de température sont la plupart du temps coûteu- ses et ne doivent pour cette raison avantageusement avoir lieu qu'au degré absolument nécessaire. Comme on ne possédait pas les connaissances ici men- tionnées, on restait, en utilisant de grandes quantités du gaz auxiliaire, avec les températures maxima dans le cas des opérations métallurgiques en question, considérablement au-dessous de la limite maximum possible, indi- quée et définie ici pour la première fois par exemple à 1800-2.000 C.
Pour autant que les mesures pour la limitation de la température consistent en une addition de vapeur d'eau ou.d'acide carbonique à l'oxygène, une limitation de la quantité ajoutée est, dans le sens de la présente invention, nécessai- re en particulier lorsque le but principal de l'opération est, par exemple, le traitement métallurgique de -minerais de fer. Dans ce cas, on veut obte- nir une consommation de combustible aussi faible que possible par tonne de fer extrait. Or, cette consommation spécifique de combustible devient d'au- tant plus grande que la proportion de vapeur d'eau ou d'acide carbonique dans l'oxygène est plus grande.
Pour un lit de¯fusion donné, on peut établir, par des appareils de laboratoire connus, la température du début de vaporisa- tion du laitier ou scorie, et on peut déterminer de cette manière quelle est la température maximum qui ne doit pas être dépassée dans l'ouvrage du four, sans que les dérangements de fonctionnement mentionnés se produisent.
On peut mesurer de façon continue les températures dans le four, par exem- ple par voie optique à travers les regards des tuyères, et on peut, par exem:- ple à l'aide d'un mélange plus ou moins important de vapeur d'eau et/ou d'a- cide carbonique à 1-oxygène, régler à la valeur désirée la température devant les tuyères. Particulièrement avantageuse est la construction d'un mécanisme de commande, par lequel l'addition de vapeur d'eau et/pu d'acide carbonique est commandée directement à partir de l'instrument de mesure de la températu- re, de sorte qu'il est maintenu constamment une température moyenne désirée.
La valeur de la température devant les tuyères d'un four à cuve est une ré- sultante des influences suivantes, s'opposant l'une à l'autre
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1. - La quantité d'oxygène brûlée par unité de temps dans un vo- lume réactionnel donné.
2. - La quantité de chaleur à consommer pour le chauffage préa- lable des constituants réactionnels à la température de réaction.
3. - La chaleur de fusion et éventuellement la chaleur de vapo- risation pour les différents constituants réactionnels.
4. - Les chaleurs de réaction pour les réactions qui se dérou- lent.
5. - Les pertes de chaleur à travers les parois du four à cuve.
La combustion de l'oxygène est la plus rapide, la réaction des constituants solides et liquides entre eux est la plus lente de ces opéra- tions'.
Le procédé selon l'invention permet, dans des formes de réalisa- tion particulières, la suppression des inconvénients mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire qu'on peut régler la température dans le four à cuve, en ce qui concerne sa valeur et sa distribution, de manière à éviter les inconvénients précédemment mentionnés dus à l'enrichissement en oxygène. On peut, par exem- ple, obtenirque la quantité d'oxygène insufflée soit déterminée d'après la vitesse de réaction des réactions-métallurgiques.
Mais ceci ne signifie rien d'autre que le fait que la quantité d'oxygène à amener à un volume réaction- nel déterminé peut être réduite par rapport à ce qui est le cas dans le procé- dé connu précédemment mentionné, car .on peut ainsi économiser la quantité d'oxygène qui ne peut pas être utilisée dans le voisinage immédiat de la com- bustion d'oxygène pour des réactions métallurgiques et qui, dans le procédé connu, devait être amenée, par décomposition, d'un gaz auxiliaire ou de va- peur d'eau, sous d'autres formes utiles.
Le procédé selon l'invention est décrit ci-après en référence à quelques exemples.
Sur les dessins ci-joints, la fig. 1 représente schématiquement une vue en coupe axiale d'un four à cuve qui peut être utilisé pour la réali- sation de l'un de ces exemples d'exécution du procédé. ler exemple.-
On utilise ici un four à cuve, qui, comme moyen pour le souffla- ge inégal, présente des tuyères disposées à plusieurs niveaux superposés, ces niveaux étant situés l'un par rapport à l'autre à une distance telle que les tuyères de chaque niveau constituent, par leur réunion, un espace de réaction travaillant indépendamment de ceux des autres niveaux. Plusieurs fours à cuve sont ainsi en une certaine mesure superposés l'un à l'autre, à savoir, en nombre tel que la somme de toutes les quantités de gaz produites donne au gueulard la vitesse maximum d'écoulement du gaz.
Par chacune de ces tuyères on insuffle une quantité d'oxygène, qui est seulement telle que la température devant la tuyère ne dépasse pas la valeur admissible pour le garnissage du four, mais que, dans l'espace du four atteint par la tuyère, il se produise une décomposition aussi complète que possible des cpnstituants du lit de fusion. Il faut, dans le cas de plusieurs espaces de réaction disposés l'un au-dessus de l'autre, tenir compte du fait que seule la couche réactionnelle supérieure doit fournir la grande quantité de chaleur pour le chauffage des constituants solides prenant part à la réaction, à la tempé- rature de réaction et que les couches réactionnelles inférieures regoivent des constituants ayant été fortement chauffés au préalable.
C'est pourquoi on admet à la couche réactionnelle supérieure, par les tuyères correspondan- tes, des quantités plus grandes correspondantes d'oxygène. En outre, on prend soin que, par une distance suffisante entre les niveaux des tuyères l'un par rapport à l'autre, les températures élevées, se produisant au voisinage immédiat de l'orifice de sortie des' tuyères, diminuent jusqu'à la rangée sui- vante de tuyères, par les réactions, consommant de la chaleur, se produisant entre temps, jusqu'à la température minimum., c'est-à-dire à la température de réaction la plus basse économiquement possible.
L'allure de la températu-
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re, mesurée dans le four à cuve, à partir du haut vers le bas, est alors la suivante :
A partir du gueulard jusqu'au niveau le plus élevé de tuyères, un accroissement d'abord lent, puis rapide jusqu'à la température de pointe favorable pour le four, par exemple 2000 C. Diminution de la température jusqu'à la température réactionnelle la plus basse désirée, entre les niveaux des tuyères, par exemple 1500 C. Nouvel accroissement de la température jus- qu'à 2000 C environ au deuxième niveau de tuyères.
Les rangées de tuyères, disposées l'une au-dessus de l'autre, don- nent ainsi un espace de réaction allongé, étiré dans le sens vertical, avec des températures variant rythmiquement dans le sens vertical. On peut, par exemple, décaler l'une par rapport à l'autre deux tuyères correspondant à des rangées différentes superposées, de sorte que, par exemple, les matières qui sont passées à travers la zone de combustion d'une tuyère de la rangée supé- rieure de tuyères, sont exposées à nouveau à une zone de température maxi- mum, non pas au niveau de la rangée de tuyères immédiatement suivante, mais seulement de la.rangée d'après. On réussite ainsi à rendre aussi petites que possible les distancés entre les niveaux des tuyères, sans sacrifier ainsi l'effet avantageux de cette-disposition,
On insuffle par les tuyères seule- ment une quantité d'oxygène -telle que la température maximum optimum pour l'opération à réaliser ne soit pas dépassée.
On reconnait d'après ce qui précède que l'on insuffle l'oxygène par les tuyères de façon inégale dans l'espace, en ce que l'on introduit plus d'oxygène par la rangée supérieure de tuyères et que l'espace, compris entre deux rangées de tuyères, ne reçoit pas les mêmes quantités d'oxygène que l'espace de réaction situé dans la région immédiatement adjacente à chaque rangée de tuyères.
Grâce à'cette insufflation inégale dans l'espace, la diminution mentionnée plus haut, atteinte par rapport à des procédés connus, de la quan- tité d'oxygène à insuffler dans le four à cuve, n'entraîne pas les inconvé- niénts d'une diminution d'efficacité et d'une diminution de la profondeur de pénétration de l'oxygène dans le four. Les conditions ne sont pas telles que la diminution de la quantité d'oxygène abaisserait la température à l'en- droit du gueulard,ce-qui, comme il est connu, est de la plus grande importan- ce pour la capacité de production maximum d'un four à cuve pour un lit de fusion donné. Dans le mode opératoire mentionné ci-dessus, le four est ainsi- utilisé de façon complète.
Pour empêcher que la force de pénétration des cou- rants individuels d'oxygène sortant des tuyères soit diminuée, on peut accroî- tre de manière appropriée la pression d'oxygène; on obtient ainsi encore l'a- vantage que l'on peut faire travailler les différentes rangées superposées de tuyères avec des pressions de soufflage différentes et avec des profon- deurs de pénétration différentes.
Les espaces de réaction, qui sont alimen- téss en oxygène.- par les différentes rangées de tuyères et qui sont reliés entre eux par les constituants réactionnels changeant de place en direction verticale, deviennent ainsi indépendants l'un de l'autre. On donnera alors avantageusement la pression de soufflage la plus élevée aux tuyères inférieure$, car celles-ci trouvent en cet endroit la charge en morceaux'd'une grosseur qui est déjà fortement diminuée par les réactions qui se sont déroulées dans les couches supérieures.
La profondeur de pénétration pour une vitesse don- née du jet d'oxygène est en général plus petite dans le cas d'une matière en grains-fins que dans le cas d'une matière en gros morceaux, On peut éga- lement insuffler l'oxygène sous des pressions différentes dans le groupe de tuyères à basse pression et/bu dans le groupe de tuyères à haute pres- sion.
2ème exemple. -
Dans le cas de fours d'assez grand diamètre, le procédé, dé- crit dans le premier exemple, de la distribution de l'oxygène en un nom- bre assez grand de courants partiels, convient moins en raison de la pro- fondeur de pénétration réduite. La forme de réalisation suivante du pro-
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cédé convient mieux pour de tels fours.
Pour la mise en oeuvre de cet exemple de réalisation on peut par exemple utiliser le four selon la fig. 1 des dessins ci-joints. 1 dé- signe l'enveloppe du four à cuve, 2 le dispositif de chargement, 3 le conduit d'évacuation de gaz du gueulard, 4 le trou de coulée, 5 un tube axial de gui- dage, et 6 une paroi de cuve perforée avec au total six rangées superposées d'orifices de soufflage 11 comme moyen pour réaliser une insufflation inéga- le d'oxygène. 7 désigne le charbon pour le chauffage, chargé dans l'espace annulaire entre l'enveloppe 1 et le tube 5, tandis que 8 désigne la matiè- re réactionnelle se trouvant à l'intérieur du tube de guidage axial 5. 9 dé- signe un anneau conique monté dans la cuve, et 10 le conduit d'évacuation pour le gaz de balayage et le gaz de distillation lente.
On pourrait éga- lement prévoir deux ou un plus grand nombre de parois ou anneaux perforés 6, disposés à une certaine distance l'un de l'autre.
L'oxygène n'est ainsi plus insufflé, comme dans le premier exem- ple, par des tuyères individuelles, mais par les nombreux orifices de souf- flage 11 de la paroi cylindrique 6 de la cuve. Cette paroi s'étend sur tou-. te la hauteur de la zone de réaction. De l'oxygène est insufflé, par les ori- fices 11, seulement sous une pression telle qu'il se forme, entre la charge et la paroi perforée 6 de la cuve, un matelas de gaz, qui empêche dans une grande mesure la transmission de chaleur à partir de la charge à la paroi de la cuve. La paroi perforée 6 de la cuve est refroidie par l'oxygène passant 'par les orifices 11. Mais il pourrait également être prévu un refroidisse- ment additionnel par de l'eau. L'oxygène brûle avec le carbone de la charge dans la zone extérieure du four.
La répartition de l'oxygène est inégale dans l'espace. Les gaz chauds de la combustion s'écoulent vers l'axe du four et dans la région axiale vers le haut vers le gueulard 3. Un four à cuve fonc- tionnant de cette manière présente, dans toutes ses parties, une répartition de température pouvant être réglée de façon particulièrement facile et dimi- nuant constamment. Pour le réglage avantageux de la température, on peut, dans la partie supérieure de la zone de réaction, c'est-à-dire par les ran- gées supérieures d'orifices de soufflage, insuffler plus d'oxygène que par les rangées inf.érieures de ceux-ci.
A cet effet, on peut, par exemple, donner aux orifices supérieurs de soufflage une plus grande section transversale intérieure qu'aux orifices inférieurs, où les prévoir en nombre plus grand que les orifices inférieurs.
Enfin, on pourrait également donner aux orifices supérieurs 11 une plus gran- de section transversale intérieure et les prévoir en même temps en plus grand nombre.
Le tube de guidage axial 5, qui s'étend jusqu'à hauteur de la zone de fusion, est particulièrement efficace, en ce que la résistance à l'é- coulement à l'intérieur de celui-ci est, relativement à celle régnant dans l'espace annulaire entourant ce tube, réduite à un degré tel que le gaz s'écoule principalement ou complètement par ce tube axial 5. Le gaz est forcé de passer suivant la région axiale du four, même lorsque la pression de soufflage à partir des orifices 11 ne se fait sentir que dans la zone ex- térieure, de sorte que la division de l'oxygène en un nombre plus grand de courants partiels moins pénétrants par le soufflage par les orifices 11 est possible également dans le cas d'un grand diamètre de la cuve.
La déviation des gaz vers l'axe du four devient alors particulièrement efficace, lorsque la colonne de matière 8, chargée par le tube axial 5, est en morceaux plus grossiers et présente ainsi, également dans la zone de réaction, une résis- tance à l'écoulement plus faible que la partie 7 de la charge, descendant dans l'espace annulaire extérieur.
3ème exemple. -
On prend, dans celui-ci, des mesures pour la dimitation de la tem- pérature dans le four à cuve. Ceci a lieu, par exemple, par l'insufflation de vapeur d'eau, dont l'effet de limitation de la température se restreint principalement à la zone extérieure du four adjacente à la paroi 1 de l'ouvra-
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ge, tandis qu'on laisse, dans la région axiale du.four, la température-'Monter jusqu'à une valeur qui ne serait pas supportée par le garnissage du fouro
Le four comprend, comme moyen pour l'insufflation inégale d'oxy- gène, au même niveau, deux groupes différents de tuyères de soufflage.
Par le premier groupe, on insuffle sous une pression relativement faible,,-de sor- te que le milieu, introduit par les tuyères de ce groupe, ne possède qu'une profondeur de pénétration relativement faible. A l'endroit de ces tuyères, la température de pointe de la combustion est limitée par le fait qu'on ajou- te de la vapeur d'eau fortement chauffée à l'oxygène de gazéification ou au milieu de gazéification contenant cet oxygène. L'écartement horizontal de ces tuyères est relativement petit, de sorte qu'il existe'un nombre assez grand de tuyères avec une section transversale de soufflage relativement petite.
Il en résulte que toute la paroi intérieure de l'ouvrage est protégée par le courant gazeux sortant de ce premier groupe de tuyères, à une températu- re relativement basse. On alimete le deuxième groupe de tuyères avec de l'oxy- gène fortement concentré sous une pression de soufflage élevée et avec ou sans mesures particulières pour la limitation de la température. Grâce à. la pression élevée, l'oxygène, insufflé par ces tuyères, traverse la zone ex- térieure du four en un jet fermé et se répartit seulement à l'intérieur de la colonne de la-charge. Il se produit en cet endroit une température élevée correspondante, mais qui ne peut plus être nuisible pour l'enveloppe du four.
On choisit de préférence un nombre de tuyères du deuxième groupe plus faible que celui des tuyères du premier groupe. On obtient une protection particu- lièrement efficace de la paroi du four'en disposant les tuyères'du deuxième groupe à l'intérieur ou prèsdes tuyères du premier groupe, de sorte que le jet à haute pression dans la zone extérieure est entouré d'une nappe à tem- pérature plus basse.
On peut également insuffler des milieux de gazéification diffé- rents par les deux groupes de tuyères. Cette différence des milieux peut également consister en ce qu'on insuffle, sous une pression plus faible, un milieu de gàzéification froid ou plus froid et, sous une pression plus élevée, un milieu-de gazéification chaud ou plus chaud.
Si on fait fonctionner le four avec des tuyères sous des pres- sions de soufflage différentes, on peut alimenter les tuyères à basse pres- sion, par exemple, avec de l'air pur et dans certaines circonstances à froid, tandis qu'on insuffle, par les tuyères à haute pression, de l'oxygène plus fortement concentré, qui est éventuellement préalablement chauffé. On in- sufflera de préférence le milieu de gazéification, se trouvant sous une pres- sion plus faible, par un grand nombre d'orifices de soufflage (paroi perforée), et par contre le milieu de gazéification sous forte pression par un petit nom- bre de tuyères, dans l'intérieur de la cuve du four.
Si on fait arriver, pour une raison quelconque nécessaire au déroulement du procédé, à l'ouvrage du four du gaz de gueulard recyclé ou un autre gaz, qui ne contient ou ne con- tient qu'à peu près pas d'oxygène libre, on insuffle le gaz.de gueulard re- cyclé ou cet autre gaz par les tuyères à basse pression, tandis qu'on insuf- fle l'oxygène de gazéification par les tuyères à haute pression. Dans certai- nes circonstances, on ajoute au gaz des tuyères à basse pression encore une faible quantité, d'oxygène.
4ème exemple. -
Un moyen additionnel possible,pour limiter la valeur de la tem- pérature devant les orifices de soufflage d'oxygène, consiste dans le souf- flage inégal de celui-ci dans le temps. Comme il a déjà été mentionné'pré- . cédemment, les températures élevées excessives dans l'ouvrage du four à cu- ve, dans le cas de l'utilisation d'oxygène fortement concentré, sont dues à ce que les réactions endothermiques n'absorbent pas assez vite la chaleur produite par la combustion de l'oxygène.
Pour faire concorder l'apport de chaleur et la consommation de chaleur dans un espace de réaction donné, on interrompt de temps en temps le soufflage d'oxygène, de sorte que les opéra- tions endothermiques qui continuent.à se dérouler (par exemple la réduction des oxydes de fer) consomment, dans cette période de temps, la même quantité
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de chaleur que celle fournie au four par la combustion d'oxygène. On inter- rompt le soufflage d'oxygène opaprèss avoir atteint une température de poin- te très favorable devant la tuyère de soufflage (par exemple 2000 C). Comme la réduction du fer continue à se dérouler et comme il sé produit-également des phénomènes physiques d'équilibrage de chaleur, la température commence à baisser à partir de cet instant.
Lorsqu'une température limite inférieure éprouvée (par exemple 1800 C) est atteinte , on continué le soufflage d'oxy- gène, à savoir, à nouveau jusqu'à ce que la température de pointe soit attein- te, etc...
Pour obtenir, dans le cas de cet exemple de réalisation de l'in- vention pour la limitation de température, une admission continue d'oxygène au four, il est avantageux d'alimenter certains groupes de tuyères toujours alternativement avec la même quantité d'oxygène. Mais on pourrait également insuffler, par chaque tuyère, pendant un court espace de temps, par à-coups, la totalité de l'oxygène et réaliser cette admission d'oxygène, d'une tuyère à l'autre, successivement, suivant un cercle, autour du four. Dans certai- nes circonstances, il est nécessaire de veiller à ce que, pendant la durée de non-soufflage par une tuyère, celle-ci ne soit pas engorgée.
On peut'y obvier, par exemple, en n'arrêtant pas 'complètement le courant d'oxygène,. mais en continuant faiblement le soufflage ou en insufflant un autre gaz, par exemple du gaz de gueulard recyclé, également sous une pression réduite; pendant l'in- tervalle de temps. On forme ainsi, entre l'oxygène ët le gaz combustible, un matelas de vapeur d'eau ou de gaz protecteur.
Si on travaille avec des orifices de soufflage sous haute pres- sion et sous basse pression, on peut effectuer un soufflage inégal dans le temps soit seulement par les orifices de soufflage sous haute pression ou seulement par les orifices de soufflage sous basse pression, soit par les deux genres d'orifices.
Les formes de réalisation décrites dans les différents exemples peuvent également être combinées entre elles. On peut ainsi, suivant l'utilisation du four, les dimensions et les matières premières traitées dans un four à cuve, obtenir des modes opératoires avec des résultats tech- niquement et économiquement particuiièrement favorables.
Le principe de l'invention, ainsi que les mesures y reliées pour le réglage de la température, permettent de réaliser, de façon sûre au point de vue du fonctionnement, une série d'opérations avec de l'oxygè- ne fortement concentré, opérations dans lesquelles une concentration élevée en oxygène dans le milieu de gazéification constitue la condition préalable pour l'obtention des produits désirés. Mais, pour certains de ces procé- dés, les caractéristiques mentionnées de l'invention ne sont pas suffisantes pour un mode d'exécution économique et sûr au point de vue du fonctionnement.
Dans ces cas, il est prévu, conformément à l'invention, des caractéristiques complémentaires, décrites ci-après. Il s'agit d'un groupe de caractéristi- ques, qui fixent d'une manière nouvelle la distribution, dans l'espace, des constituants du lit de fusion dans le four à cuve.
Dans les procédés connus, on a toujours eu tendance à réaliser un mélange intime et irrégulier de tous les constituants réactionnels, Ceci avait lieu par le fait qu'on chargeait, au gueulard d'un four à cuve, sans mesures particulières assurant une séparation.entre les différents constituants de la matière composant la charge, qui descendait ensuite, se mélangeait ainsi et s'échauffait, et que les différents constituants de la matière composant la charge réagissaient entre eux et/ou avec les gaz mon- tant dans la cuve.
La présente invention est au contraire basée sur la constatation que différentes opérations au four à cuve se déroulent plus facilanent, et qu'on ne peut obtenir des effets déterminés que lorsqu'on réussit à faire fonctionner le four de telle manière que des constituants gazeux liquides ou solides déterminés ne peuvent pas du tout réagir entre eux, ou ne peuvent le faire que dans des conditions déterminées.
Le procédé selon l'inven- tion est par suite caractérisé en ce qu'on charge par le gueulard le four à
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cuve avec au moins deux constituants solides, de compositions chimiques dif- férentes,en les séparant 1-'un de l'autre,de sorte qu'ilsforment dans le four des colonnes distinctes, qui ne possèdent que sur une partie de leur hauteur des surfaces de contact entre elles exemptes de cloison de séparation.
On obtient ainsi que deux matières solides, introduites séparément dans des pro- portions convenablement dosées, par exemple des matières d'une nature en grains, peuvent descendre dans une cuveà côté l'une de l'autre sans se mélan- ger entre elles dans une mesure notable, mais on doit veiller toutefois à as- surer un passage libre du gaz et à éviter des températures trop élevées pour la matière des parois ainsi que des attaques par corrosion.
Le four à cuve pour la réalisation-du procédé est caractérisé par au moins une cloison de séparation disposée dans sa partie' supérieure et isolant l'un de l'autre deux espaces de chargement. Cette cloison de sé- paration peut être constituée par un tube, qui isole un espace de chargement intérieur par rapport à un espace de chargement extérieur et qui est prolon- gé jusque dans la zone de réaction ou la zone de fusion des constituants de la charge, descendant dans le tube, avec les constituants de la charge descen- dant dans l'espace extérieur. Mais les espaces de chargement séparés par la cloison peuvent également constituer les parties supérieures de deux cu- ves partielles situées à côté l'une de l'autre.
On évite ainsi que les deux parties de la charge puissent réagir entre elles au-dessus de la zone de fu- sion ou de réaction du four.
Les dessins ci-joints représentent à'titre d'exemple, de manière schématique, quatre fours à cuve, en référence auxquels il est expliqué com- ment peut être réalisé le procédé selon l'invention,,
La fig. 2 est une vue en coupe verticale à travers un four à cuve pour l'obtention de gaz et de fer.
La fig. 3 est une vue en coupe correspondante à travers un four à cuve pour l'obtention de ferro-alliages ou analogues.
La fig. 4 est une vue en coupe verticale à travers un four à cuve, qui consiste en deux cuves partielles travaillant conjointement.
La fige 5 représente un four à cuve, consistant en deux cuves partielles travaillant conjointement, pour la fusion de mitraille de fer et d'acier.
Le four à cuve selon la fig. 2 comprend une paroi extérieure 1 avec des tuyères 2, un trou de coulée 3, et un dispositif de chargement 4 d'un mode de construction connu. A l'intérieur du four est monté un tube vertical axial, 5, qui délimite un espace de chargement intérieur 5a, et qui isole cet espace 5a, sur une partie de la hauteur du four à cuve, par rapport à un espace de chargement extérieur annulaire 6a, situé entre ce tube 5 et la paroi 1 de la cuve. Le tube 5 s'étend vers le bas jusque près et au-des- sus de la zone de réaction et de fusion 7a des parties ou constituants de la charge introduits dans les deux espaces de chargement.
Ce tube consiste, dans sa partie inférieure, en une matière résistant à la chaleur, et son ori- fice supérieur est situé à l'intérieur du four à hauteur du conduit déva- cuation de la cuve. Mais le tube pourrait également faire,saillie hors du four. On peut, à l'aide de ce four à cuve, obtenir des gaz et du fer. Le tube 5 peut également être muni d'un couvercle (non représenté), qui peut être actionné de l'extérieur de la cuve, de manière à dégager l'orifice du tube 5 lorsque ce dernier doit être chargé. On pourrait également pré- voir plus de deux de ces tubes. Le ou les tubes pourraient également sor- tir obliquement de la cuve sur le côté du four.
On connait des procédés pour la fabrication de gaz combustibles et de gaz qui conviennent pour des applications de synthèse, procédés dans lesquels on effectue la coulée du laitier ou scorie sous forme fluide. Alors qu'il serait techniquement et économiquement particulièrement avantageux de gazéifier au'lieu de coke, directement du charbon, on devait, dans les pro- cédés connus, utiliser du coke dans la plupart des cas ; ne pouvait en par- ticulier pas utiliser du charbon lorsque celui-ci contenait, dans une mesure
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importante, des constituants en grains fins ou se désagrégeant, lors de la cokéfaction, en un coke en grains fins. Il se formait alors dans le four (gé- nérateur) un mélange de scorie ou?laitier fondu et de coke fin, qui produisait des adhérences et engorgeait le générateur.
Comme mesure destinée à éviter les inconvénients cités ci-dessus, on ajoutait au lit de fusion fréquemment du minerai de fer ou une matière contenant de l'oxyde de fer. L'oxyde de fer contenu dans la scorie fondue était alors réduit par les fines particules de charbon y enrobées, de sorte que celles-ci étaient utilisées et ne consti- tuaient plus une cause de dérangement pour l'opération de gazéification,
Mais,outre la garantie mentionnée ci-dessus d'une marche du four exempte de dérangements, l'addition de minerai de fer au lit de fusion d'un générateur à coulée de métal est également fréquemment désirable pour obtenir, outre la production de gaz, 'de la fonte brute comme sous-produit. On peut, de cette manière, outre le gaz, produire des quantités importantes de fonte brute, sans nuire à la production de gaz du générateur.
La fonte brute ainsi obtenue est particulièrement économique, car elle est produite avec du char- bon au lieu de coke, et n'entraîne pratiquement pas de frais d'installation.
Si, comme mentionné plus haut, on ajoute du minerai de fer au lit de fusion d'un générateur à coulée de métal, il se produit, de façon corres- pondant aux opérations dans la cuve d'un haut-fourneau à tuyères, une action chimique réciproque entre le gaz et les oxydes de fer déjà au-dessus de la zone de fusion du générateur. Les oxydes de fer subissent une réduction in- directe partielle par l'oxyde de carbone et, pour autant qu'il en existe, par l'oxygène dans les gaz montant dans la cuve du générateur. Des propor- tions correspondantes du gaz sont ainsi transformées en CO2 et H2O.
Ceci si- gnifie une diminution de la qualité du gaz, et, pour autant que 1?oxyde de fer a pour but d'éliminer de la scorie ou laitier fondu les particules de charbon en suspension (réduction directe), une action diminuée du minerai de fer au point de vue de la garantie d'une marche du four exempte de déran- gementso Alors que, dans le cas de la production de gaz de chauffage, la diminution de qualité du gaz par la réduction indirecte dans la cuve n'a pas de conséquences importantes, elle est insupportable dans le cas de la produc- tion de gaz de synthèse dans le générateur à coulée de métal à l'aide d'oxy- gène et de vapeur d'eauo Dans ce cas, la diminution de la teneur en CO et H20 est indésirable et nuisible pour les opérations suivantes..
A l'aide du four à cuve représenté sur la fig. 2, il est possi- ble de réaliser un procédé de gazéification, dans lequel la réduction indi- recte dans la cuve est empêchée dans une grande mesure. Le minerai de fer 7, nécessaire pour réaliser la gazéification et pour produire la fonte brute, est, au moyen du dispositif de chargement, introduit, séparément du charbon, dans le tube 5 du four à cuve et est guidé dans ce tube jusque près et au-des- sus de la zone de fusion 7a. Au lieu d'un seul tube, on pourrait en utiliser plusieurs. Ce tube est si large qu'il garantit un glissement sûr du minerai dans celui-ci. Dans l'espace annulaire entre le tube 5 et la paroi 1, on charge, également au moyen du dispositif de chargement 4, du charbon en mor- ceaux.
Après avoir quitté le tube 5 qui le protège, le minerai de fer n'a plus que peu d'occasion d'entrer en réaction avec les gaz réducteurs, avant de parvenir dans la zone de fusion 7a. Il descendra, sensiblement sous for- me d'une colonne fermée de minerai, et sera finalement fondu. Les possibili- tés d'une réaction sont d'autant plus faibles que le minerai 7 est en grains plus fins, car le gaz est empêché de pénétrer dans la colonne de minerai dans le cas d'un minerai fin. La réalisation du procédé de gazéification au moyen du four selon la fig. 2 est par suite particulièrement favorable dans le cas de l'utilisation de minerais en grains fins et pulvérulents, ce qui est particulièrement remarquable au point de vue économique.
Mais on peut, au moyen du four selon la fig. 2, également réali- ser le procédé d'une autre manière, qui est particulièrement favorable lors- . qu'on doit produire d'assez grandes quantités de fonte brute comme sous-pro- duit ou lorsque du fer doit, comme par exemple dans le four à cuve bas fonc- tionnant avec de l'oxygène, être le produit principal, tandis qu'on veut ob-
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tenir, comme sous-produit, un gaz de valeur aussi élevée que possible,, On charge alors le four à cuve, qui est avantageusement construit comme four à cuve bas, avec un charbon de gazéification en morceaux dont la grosseur'n'est pas inférieure à 5 mm, mais est autant que possible supérieure à 10 mm. Le charbon fin et le minerai fin sont mélangés et sont introduits dans le tube 5, séparément du charbon en morceaux.
Ce mode opératoire permet d'utiliser le charbon fin disponible.
A mesure que le mélange de charbon et de minerai, en descendant dans le tube 5, est chauffé à travers la paroi de ce dernier il se produit, en commençant à 700 G environ, la réduction directe de l'oxyde de fer par le charbon. Dans ce cas, le tube est avantageusement perforé à partir de la zone de réduction vers le bas, pour laisser sortir les gaz, se formant au cours de la réduction, dans la partie restante de la cuve.
Si l'on doit produire d'assez grandes quantités de fer, il est avantageux, dans'certaines circonstances, de charger du minerai en morceaux grossiers avec du charbon en morceaux dans l'espace annulaire entre le tube axial 5 et la paroi 1, et d'amener le minerai fin, ou un mélange de minerai fin et de charbon fin, par le tube 5 directement à la zone de fusion du four à cuve. Dans le cas de dimensions données du four selon la fig. 2 et dans le cas d'un chargement séparé des constituants réactionnels, la quantité de minerai de fer, subissant une fusion par unité de charbon gazéifié, dépend dans une forte mesure dq l'apport de chaleur qui a lieu dans la zone de fu- sion. Cette quantité de minerai de fer est d'autant plus grande qu'il est amené plus de chaleur à température élevée à la zone de fusion.
Dans le cas de la gazéification avec de l'oxygène, on peut obtenir, devant les tuyères, des températures élevées, qu'on peut régler à toute valeur désirée par le mé- lange de quantités appropriées d'hydrogène.
Suivant que le ou les tubes 5 sortent de la cuve verticalement Vers le haut sous le dispositif de chargement ou sortent latéralement dans une po- sition inclinée, il existe différents modes possibles de chargement du mine- rai, ou du mélange de charbon et de minerai, à côté du charbon de gazéifica- tion. Mais la dispcsition d'un tube vertical axial selon la fige 2 est par- ticulièrement favorable, On déverse, au moyen du dispositif de chargement 4, la totalité de la charge 7 dans le tube axial 5. Lorsque le contenu du tube est descendu à un degré tel que celui-ci peut recevoir une nouvelle char- ge, on ajoute une charge de minerai ou un mélange de charbon et de minerai.
Le tube 5 est alors à nouveau rempli jusqu'à sa partie supérieure. On char- ge ensuite, au moyen du dispositif 4, du-charbon en morceaux 6, qui, étant donné que le tube 5 est plein, tombe complètement dans l'espace annulaire en- tre le tube 5 et la paroi 1 de la cuve. Mais on pourrait également changer entre elles les.deux compositions de la charge et charger le charbon en mor- ceaux dans le tube 5, et le mélange de charbon et de minerai dans l'espace annulaire. Ceci est particulièrement favorable lorsqu'on doit obtenir du fer comme produit principal. .Le laitier ou scorie 8, se rassemblant dans l'ouvrage du four à cuve, et le fer liquide 9 sont évacués par le trou de cou- lée 3.
Au moyen du four à cuve représenté sur la 'fige 3, on peut obtenir des ferro-alliages ou analogues. Ce four présente essentiellement la même construction que le four selon la fig. 2. Il comprend à nouveau une paroi 1 de la cuve avec des tuyères 2, un trou de coulée 3,,un dispositif de char- gement 4 et un tube axial'5. Le tube 5 constitue ici aussi une cloison de séparation, qui isole un espace de chargement intérieur par rapport à un es- pace de chargement extérieur et qui s'étend jusque près et au-dessus de la zone de fusion des constituants de la charge, 'se trouvant dans le tube.5, a- vec les constituants de la charge se trouvant dans l'espace annulaire exté- rieur.
Ce four convient en particulier pour l'obtention d'alliages de gran- de valeur lorsqu on le fait fonctionner avec de l'oxygène. Les conditions pour l'obtention d'alliages de grande valeur, tels que ferro-silicium, fer- ro-manganèse, ferro-chrome ferro-aluminium, fer-silicium-aluminium,alu- minium-silicium, etc..., sont les suivantes
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1. - Les oxydes métalliques considérés et le charbon réducteur doivent être amenés en contact entre eux à température aussi élevée que possible. La température de réduction est, dans la plupart des cas, de 2000 C et davantage.
2. - Il ne doit pas exister de gaz fortement oxydants O2, CO2 et H2O dans la région de la zone de réduction.
3. - Avant que le métal réduit passe à partir de la partie la plus chaude de l'appareil de réduction dans des zones plus froides, dans les- quelles il est soumis à l'action de CO, la matière réduite doit s'être unie à d'assez grandes parties de l'alliage.
4. - Si l'un des constituants de l'alliage se présente sous forme de vapeur en raison de la température élevée de réduction, il doit exister, dans l'espace de réduction, un autre constituant d'alliage solide ou liquide, qui peut amener la vapeur métallique à une phase solide ou liquide.
Si l'une des conditions ci-dessus n'est pas remplie ou n'est qu'incomplètement remplie, 1'opération de réduction est dérangée et on ne peut pas obtenir d'alliages ou seulement des alliages à faibles pourcen- tageo
Les conditions mentionnées ci-dessus pour la plupart des allia- ges employés dans la technique pouvaient jusque ici être très bien remplies dans des fours à cuve bas électriques. C'est pourquoi on a jusqu'ici utilisé uniquement de tels fours à cet effet. Mais une réduction dans des fours à cuveras électriques exige de grandes quantités d'énergie électri- que, est par conséquent coûteuse et ne peut être réalisée économiquement que dans des régions où le prix du courant électrique est très bas.
Bien qu'on puisse, dans un four à cuve bas fonctionnant avec de l'oxygène, atteindre les mêmes températures élevées que dans un four à cuve électrique, on n'a jusqu'ici pu obtenir que des alliages avec une te- neur relativement faible,en constituants difficilement réductibles, par exemple du ferro-silicium, avec environ 30 % de-silicium.. alors que, d'au- tre part, on peut parvenir jusqu'au silicium métallique dans le four élec- trique. Comme on peut régler de manière exactement pareille les proprié- tés des constituants du lit de fusion et leur distribution relative 'dans les deux types de fours, l'échec du four à cuve à oxygène constaté jusqu'ici n'était dû qu'au fait qu'il existait, dans son ouvrage, de l'oxygène et son premier produit de combustion CO2.
Ces constituants gazeux exercent une forte action oxydante sur les constituants de l'alliage présentant une grande affinité pour l'oxygène. Il se formeraibien, en premier lieu, des alliages à pourcentage élevé sous l'influence de la température élevée et surtout lorsqu'on travaille avec des agglomérés de minerai et de charbon, dans les- quels les constituants réactionnels sont mélangés intimement entre eux, dans les fours à cuve bas connus, fonctionnant avec de loxygèneo Mais ces allia- ges à pourcentage élevé, en ruisselant à travers la zone d'oxydation, se dégraderont ensuite à nouveau en alliages à faible pourcentage, Grâce au four représenté sur la fig.
3, on peut réaliser un procédé de fabrication des alliages mentionnés, en..le faisant fonctionner avec de l'oxygène. Le four est-de préférence un four à cuve bas.
Dans un four à cuve à vent soufflé, la composition des gaz au niveau des tuyères est très variable. Dans le cas de la pression habituel- le du vent soufflé, par exemple, la zone à gaz contenant de l'oxygène pénè- tre, devant l'orifice des tuyères, jusqu'à 1 m environ à l'intérieur du four.
La zone à gaz renfermant CO2 ou H2O s'étend encore un peu au-delà,, Mais toute la partie intérieure du four est-exempte de O2, CO2 et H2O. Dans le cas d'un four d'un diamètre intérieur de 5 m, une colonne intérieure, d'un dia- mètre de 3 m environ, aurait par exemple une phase gazeuse consistant seule- ment en oxyde de carbone ou en gaz inertes existant dans tous les cas. Dans le cas d'une diminution de la pression du" vent et.d'un accroissement de la section transversale des tuyères, l'espace exempt de gaz oxydants pourrait encore être élargi.
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A 1?intérieur du four à cuve, en particulier lorsqu'on le fait fonctionner avec de $?oxygène fortement concentré,'il existe par suite fonda- mentalement les mêmesconditions ou bien celles-ci peuvent être produites, que dans un four à cuve électrique, cest-à-dire une température élevée, une phase gazeuse de CO et un degré de répartition, favorisant la réduction, en- tre oxyde et agent réducteur. Comme-, dans le four selon la fig. 3, le tube 5 s'étend .jusque près et au-dessus de la zone de fusion du four, la matière,. introduite dans le tube 5 au moyen du dispositif de chargement 4, parvient. dans une grande mesure sans' être mélangée avec la partie de la charge passant à l'extérieur du tube 5, dans la zone de fusion et de réduction.
La pression de soufflage du vent et la section transversale des tuyères sont déterminées d'après le rapport du diamètre du tube au diamètre intérieur total du four, de telle manière que la face limite intérieure de la zone contenant 02, CO2 et H20 coïncide approximativement avec'la surface latérale extérieure de la colonne de charge 7 descendant à travers le tube 5.
On charge dans le tube 5 un mélange 7 du minerai à réduire avec le charbon réducteur (minerai en morceaux grossiers et charbon réducteur en morceaux grossiers ou agglomérés . de minerai et de charbon), tandis qu'on charge, dans l'espace annulaire entou- rant le tube 5, le charbon de soufflage 6 (allant de charbon en petits mor- ceaux jusqu'à du charbon en grains fins). On doit, par des mesures particu- lières, veiller à ce que la chaleur, produie'par la combustion du charbon de chauffage, parvienne jusqu'au charbon réducteur dans le four. A cet ef- fet, on crée dans le tube 5 des conditions d'une nature telle que la résis- tance à l'écoulement'dans celui-ci soit notablement plus faible que dans l'es- pace-annulaire.
On l'obtient'par le fait que la charge dans le tube 5 est en morceaux plus grossiers que dans l'espace annulaire, ou qu'on lui donne dans le tube 5 une hauteur de couche plus faible à traverser. On pourrait également accroître par des moyens mécaniques la résistance à l'écoulement dans l'espace annulaire, par exemple par une pièce de recouvrement mobile et amovible. Tous ces moyens servant à conduire lé gaz fortement chauffé, qui se forme devant les tuyères, dans la région axiale du four, 'où il cède sa chaleur pour produire le travail de réduction.
Pour obtenir des alliages à forte concentration, on charge dans le tube 5, non pas un mélange en morceaux.grossiers des constituants réac- tionnels, mais des agglomérés dans lesquels ces constituants sont contenus, mélangés intimement entre eux, dans le rapport prescrit..
On peut opérer de façon correspondante pour l'obtention de car- bures liquides dans le four à cuve selon la fig. 3, par exemple pour la fabrication de carbure de calcium.
Le laitier ou scorie 6 et le produit métallique 9 se séparent d'après le poids spécifique au-dessous du niveau des tuyères. Devant les tuyè- res 2 se trouve un espace 10, dans lequel'-de l'oxygène libre est contenu à côté des produits de la combustion. Autour de cet espace 10 est située une zone 11, dans laquelle il n'existe plus loxygène libre, mais bien le produit primaire de la combustion du charbon, acide'carbonique, à côté de faibles quan-' tités d'hydrogène. Dans 1-'espace restant 12 du four, la phase gazeuse con- siste seulement en oxydé de carbone, et éventuellement en gaz inertes.
Un four à cuve, présentant fondamentalement la même- nature que celui de la fig. 3 pour l'obtention de' ferre-alliages, peut également être utilisé pour la fabrication d9acier ou de produits de la nature de l'acier. Dans ce cas on charge, dans le tube axial, le minerai de fer avec le charbon réducteur. On emploie de préférence ici également le minerai et le charbon réducteur sous forme d'agglomérés.? dans lesquels les consti- tuants réactionnels sont contenus à côté d'un de l'autre sous forme de grains fins. Par le choix d'une composition appropriée des.agglomérés, on peut obtenir, dans l'ouvrage du four, un fer avec une faible teneur en car- bone, comprise entre 'des limitea étroites.
Pour. lé :choix ,de la teneur en carbone dans les agglomérés, il.faut tenir,compte du fait qùe la surface latérale extérieure de là colonne intérieure de la charge est en contact avec le charbon de chauffage,'de sorte qu'il se produit dans la zone limite une- action additionnelle de réduction et de.carburation-. Les autres éléments d'ac-
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compagnement et impuretés du fer doivent être compris entré des limites qui ,sont nécessaires pour l'utilisation du fer comme acier., Comme constituants du lit de fusion de la cuve, il ne peut normalement entrer dans l'acier que Mn, Si, C, P, S et 0. La teneur du fer en manganèse peut être réglée sans difficulté à la valeur nécessaire par une détermination appropriée du lit de fusion.
La teneur en Si dépend de la température de réaction, de la quanti- té relative de charbon réducteur et de la teneur du laitier ou scorie en SiO2. Si on travaille avec des agglomérés de minerai et de charbon, le rap- port de la quantité du charbon réducteur à celle de l'oxygène du minerai est la valeur ayant l'influence principale.
Si la composition des agglomérés est telle qu'après consomma- tion de la totalité du charbon réducteur, il reste encore une faible propor- tion de FeO dans le laitier ou scorie, la formation de Si n'est pas possible.
La réduction du silicium peut être utilisée pour l'équilibrage de la répartition de chaleur et de température dans la zone de réaction. Les gaz, passant de la zone de combustion devant les tuyères à travers le tube axial jusqu'au gueulard, réchauffent à des températures élevées les cons- tituants du lit de fusion rencontrés sur leur trajet. De façon correspondant à l'allure de l'écoulement des gaz dans le four, la zone de températures éle- vées, nécessaires pour la réalisation de réactions endothermiques de réduc- tion,, s'étend à partir du niveau des tuyères jusque près de l'orifice infé- rieur du tube axial.
En raison des réactions qui'ont lieu dans la zone, la grosseur des morceaux des constituants du lit de fusion diminue à partir du haut vers le bas, de sorte que par exemple les agglomérés de minerai et de charbon, chargés dans le tube axial, qui avaient initialement approxima- tivement la grosseur du poing, n'ont plus, au niveau des tuyères, en moyen- ne que le tiers ou le quart seulement de.cette grosseur. La résistance de la colonne de la charge à l'écoulement des gaz. augmente par suite à mesure qu'on approche du bas, de sorte que les parties de cette colonne situées le plus bas sont traversées par des quantités diminuées de gaz et que l'apport de chaleur, la température et la vitesse de réaction sont ici plus petits.
Pour utiliser la partie axiale du four au niveau des- tuyères et au-dessous pour la réalisation des réactions, on donne aux agglomérés de minerai et de charbon un excédent de minerai, de .sorte qu'après combustion de la totalité du charbon contenu dans ces agglomérés, il existe encore un: reste d'oxyde de fer dans le laitier ou scorie. On charge le charbon nécessaire pour la ré- duction de ce reste d'oxyde de fer, comme charbon en morceaux avec les agglo- mérés. Ceci a pour résultat que, dans la zone la plus chaude de la partie axia- le du four, qui est parcourue par les gaz chauds de la combustion, il existe, à la périphérie des agglomérés, toujours un excédent de charbon, qui, conjoin- tement avec la température élevée, -conduit à une'réduction énergique du sili- cium.
Le fer fortement chargé en silicium,formé dans cette zone, vient en contact, dans des régions situées plus bas de la colonne de la charge, avec le minerai, qui n'est plus réduit par le charbon en raison d9un'manque de ce- lui-ci, et:réagit avec ce minerai.- avec formation de fer et d'acide silicique et avec dégagement de chaleur. Le four est ainsi, dans le cas de ce mode de fonctionnement, chauffé dans ses coucies 'axiales inférieures-plus froides, par l'oxydation'des produits formés dans les couches supérieures plus chau- des.
On peut également faire fonctionner le four en chargeant, avec les ag- glomérés de charbon et d'une proportion insuffisante de minerai, dans un rapport convenable., des agglomérés, qui, en raison de leur compos ition, donnent un alliage de fer fortement chargé de silicium par des réactions de réduction se produisant à l'intérieur, dans la zone la plus chaude du four.
On choisit, pour ces agglomérés, de préférence des dimensions inférieures à celles des autres,agglomérés, à savoir des dimensions telles que ces agglo- mérés réagissent de façon complète principalement dans la zone la plus chan- de du fouro
L'élimination du phosphore et du soufre a lieu par des opérations sur la scorie.
On peut ajouter la chaux,, nécessaire pour'la.déphosphoration et pour la désulfuration, au lit de fusion chargé dans le tube axial, ou mé- langer cette chaux comme constituant additionnel aux agglomérés de minerai
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et de charbon,, Mais, si 1'addition.de chaux-est élevée dans le cas d'une' gangue défavorable ou/et d-lune faible.- teneur- du minerai en. fer9 il est plus avantageux de cha.rgerlla cl,1alPC" non pai$,a Vec le-.lit de fusion dans le tube axial mais avec le 'charbon de chaufgè,..ds' çspace. annulaire extérieur du four à cuve, car là chaux;
a point,dé fusion'élevé reste comme matière in- différente entre les constituants'(oxyde de fer et charbon) réagissant éntre eux et diminue la vitesse de riaut4<?no" La d.éphosphoration et la désulfura-' tion ont alors lieu--lors du ruissellement-du fer à travers la scorie -basique formée dans l8ouvrage du four. " La déspzyjation du-fer au four à cuve peut'être réalisée essen- tiellement avec les mêmes moyens que ceux précédemment mentionnés dans la des- cription de la réduction du silicium.. On doit veiller à ce 'que des substan- ces, produisant une désoxydation réglable,''parviennent dans la partie infé- rieure du four et y. fixent l'oxygène dissous dans le fer.
Ceci peut avoir lieu par le fait.qu'on produit dans la zone la plus chaude du four partiel- lement un fer fortement chargé' de silicium, qui se décompose à nouveau dans la partie inférieure du four.
La fige 4 représente un four à cuve,, dans lequel les espaces recevant la charges,séparés par la cloison 15, constituent les parties supé- rieures de deux cuves partielles 13 et 14 situées à côté l'une de 'l'autre.
Ces cuves partielles communiquent entre elles dans la zone de fusion et de gazéification. Lacloison de séparation 15 entre.les deux cuves partielles
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13 et 14 est prolongée vers le bas jusqu'à r9nd:ro'it ou le permet la résis- tance de la matière constitutive de lailoî'àon,à la chaleur. Par la tuyère 16, on peut insuffler de 1oxygène' ou un autre gaz'dans la cuve partielle 13. Cette cuve partielle 13 comprend'un condùit'd'èva.cuation de gaz 17, et la cuve partielle 14 un conduit d9évacuatîori dé gaz 18. Le fond 19 de la cu- ve partielle 13 est incliné vers le bas en partant de la cuve 'partielle 14.
Au-dessus de ce fondla cuve partielle 13 comprend un trou de coulée 20, et la cuve partielle 14 comprend un trou de coulée 21 et un trou de coulée 22. Chaque cuve partielle comprend en outre un dispositif de chargement 23.
On pourrait également utiliser plus de deux cuves partielles, séparées dans
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leur partie supérieure par des Qlol'sons' 0 : . :", ,
Par la disposition de deux cuves partielles séparées l'une de l'autre par une cloison dans leur partie.supérieure, les constituants réac- tionnels solides et liquides, soumis à la pesanteur, sont maintenus écar- tés l'un de l'autre, tandis que les opérations se déroulant dans les deux cuves partielles ne sont en relation entre.elles essentiellement que par la phase gazeuse.
Dans le plus grand nombre des procédés'à réaliser'dans un tel four, il s'agit de la transmission de la chaleur sensible, produite
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dans une cuve partielle par la combustion d?oxygène avec ,du charbon, par Pin- termédiaire des produits gazeux dé'la combustion,, aux constituants réation- nels de l'autre cuve partielle. 'En général.on réalise par suite une opéra-
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tion exothermique dans,19und es cuvés'.parti.les et une opération endother- mique dans l'autre cuve partielle.
Les sections transversales des cuves partielles, travaillant conjointement, diffèrent de grandeur' entre elles. Elles peuvent également être différentes comme forme. - Particulièrement favorables sont deux ou un plus grand nombre de'cuves partielles,'en relation entre'elles, de section transversalé rectangulaire, qui sont disposées- parallèlement 1-'une à l'autre, suivant leurs longs cotés. La grandeur de la section transversale de cha- cune des cuves partielles en relation entre elles.est fonction de la vites- se de réaction de l'opération réalisée dans celle-ci
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Les cuves partielles du four 1selon ia figo 4-1' travaillant con- jointement, diffèrent également en'''le's- 'èorm;
n,e hauteur, parce que les opé- rations,se déroulant dans les différentes euveay sont .soumises-a des condi- tions différentes au point de vue de la' durée, des températures nécessaires, des quantités de gaz à y faire passer etc... Il serait naturellement éga- lement possible d'utiliser des fours à cuve avec'des cuves partielles de
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même hauteur et/ou de même section transversale Les.'cuvés'partielles tra-
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vaillant conjointement pourraient également fonctionner, en totalité ou en partie, avec le gueulard ouvert. Des différences additionnelles peuvent rési- der dans la division et l'évacuation des produits se rassemblant dans la par- tie inférieure du four.
La paroi 26, séparant les deux bassins 24 et 25, à la partie inférieure des cuves partielles, peut être refroidie. La'coulée peut avoir lieu de façon,discontinue., permanente ou permanente par moments.
Le four selon la fig. 4 permet, par exemple, de réaliser un pro- cédé servant à l'obtention d'acier, d'un ferro-alliage, de scories de carbu- res et analogues. A cet effet, le four est construit comme un four à cuve bas. Dans un tel procédé, il est important que la scorie fluide du combus- tible ne puisse pas se-.mélanger ou réagir avec les produits principaux flui- des. Ceci est rendu impossible par la paroi 26, qui sépare l'un de l'autre les deux bassins 24 et 25. On charge de charbon la cuve partielle 13, qui constitue ainsi une cuve de gazéification. On charge de minerais oxydés la cuve partielle 14, qui sert ainsi de cuve de réaction pour la réduction de ces minerais.
On maintient à une valeur aussi élevée que possible la tempé- rature à l'endroit du bord inférieur de la cloison de séparation 15, pour rendre aussi petite que possible la zone dans laquelle il peut se produire un mélange des matières constituant la charge, descendant dans les cuves partiel- les adjacentes. Au-dessous du bord inférieur de la cloison 15 séparant les cuves partielles 13 et 14, il se forme une surface de contact direct 27, en- tre les matières constituant la charge, à leur sortie des cuves.partielles, On choisit les dimensions des sections transversales des cuves partielles de telle manière que les charges adjacentes descendent approximativement avec la même vitesse, pour éviter dana une grande mesure un mélange de ces charges.
Par la tuyère 16, on insuffle de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène dans le lit de charbon de la cuve partielle 13. Les gaz de combustion très chauds produits passent.entièrement ou pour la plus grande partie dans la cuve de réduction 14, y cèdent leur chaleur sensible à la charge et permettent ainsi les-différentes réactions endothermiques, par exemple la réduction d'oxy- de de fer par le charbon. Les gaz peuvent en outre participer dans la cuve partielle 14 également à des réactions chimiques, par exemple réduire des mi- nerais de fer avec formation diacide carbonique et de vapeur d'eau.
Par le choix de conditions appropriées de pression, on peut veiller à ce qu'une par- tie du gaz soit évacuéepar le conduit 17 de sortie de gaz de la cuve de ga- zéification 13 et entraîne ainsi les produits de distillation lente du char- bon, tandis quune autre partie du gaz, après avoir traversé 'la charge de la cuve de réduction 14, s'échappe par le conduit 18 de sortie de gaz de celle- ci. La paroi 26 évite que la scorie fluide 28 du charbon se mélange avec les produits de réaction fluides de la cuve de réduction 14.
Pour obtenir dans la cuver 14 des produits complètement purs, on déplace le seuil 29, en- tre les deux cuves partielles, vers la-.cuve partielle 14 à un degré tel que la surface de séparation 27 entre les deux colonnes de charge se trouve en- core dans la région du fond 19 de la cuve 13. La scorie 28 du charbon est évacuée par le trou de coulée 20, la scorie 30 de la cuve 14 est évacuée, séparément de la première, par le trou de coulée 21. Le produit métallique 31 est évacué, sans qu'il vienne en contact avec la scorie de charbon 24, par le trou de coulée 22.
La fig. 5 représente également un four à cuve, dans lequel les espaces recevant la charge, séparés par la cloison 15, constituent les par- ties supérieures de cuves partielles 13, 14 situées à côté l'une de l'au- tre. On pourrait ici également prévoir plus de deux cuves partielles,,¯ La cuve 14 a un gueulard ouvert 32. Cette cuve partielle 13 est particuliè- rement large, pour.qu'on puisse-également y charger de la mitraille de gran- des dimensions. Dans la cuve partielle 13 débouche une tuyère 33, et dans la cuve 14 une tuyère 34. Une tuyère 35 s'étend, obliquement de l'extérieur, du haut vers le bas, vers le bassin de four 36 commun aux deux cuves partiel- les.
A partir de ce bassin 36, un trou de coulée 37 pour la scorie sétend vers l'extérieur, à savoir, sur le côté de la cuve partielle 13. Par dessous se trouve un trou de coulée 38 pour le produit fluide obtenu.
Il est décrit ci-après comment on peut faire fonctionner le four
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à cuve selon la fig. 5 pour la fusion de mitraille de fer et d9acier.
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On charge la mitraille dans la cuvé patiell"1.18,, tandis qu'on introduit du charbon dans la cuve partielle 13 par un dispositif de chargement39.
La cuve partielle 13 sertainsi de'cuve de gazéification. La surface la- térale limite 40 de la charge de charbon présente partiellement la forme
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d'un talus d?éboulement naturel et est déterminée en partie par les pièces de mitraille dans- la cuve partielle'14.. Par les tuyères 33, on insuffle dans la partie inférieure du four de '19 air préalablement chauffé ou froid, éventuellement enrichi en oxygèneo Les gazchauds de la combustion s'écou-
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lent à travers la cuve à mitraille 14 jusqu9à l'air libre Qt réchauffent ainsi la mitraille jusqu9à une température élevée.
Pans la cuve à mitrail- le 14 on insuffle, par les tuyères 35 et 34, de,19air additionnel, qui sert en totalité ou en partie à brûler complètement les gaz combustibles formés dans la cuve de gazéification 130 Vair insufflé par la tuyère 35 sert égale- ment à effectuer une combustion partielle du fer. Le fer s'échauffe ainsi très fort et fond ou, lorsqu'il est déjà fluideil peut, avec la chaleur pro- duite par la combustion., provoquer la fusion de fer additionnel. Par la tuyè-
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re 35, on peut égalementinsuffler de 1?ojtµgèùe fortement concentré ou 'un gaz contenant de 19 ogêre à létat préalablement chauffé.
Par la combustion de fer devant la tuyère 35, il se forme,en cet endroit une scorie d9oxyde de
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fer, qui se mlâ:d.g;avec la scorie de charbon dans la région de-la cuvé de g a- zéification 13 Comme le -trou de coulée 37 pour la scorie de charbon se trou- ve sur le cotéde la cuve;de gazéification 13 la scorie dpoxyd de fer, four- mée dans la cuve -à mitraille 14,' doit,? ,en' s 9 écoulaait vers le tr6u-d& coulée 37, passer à travers la cuve de gazéification'13 et y est réduite par le char- bon. Le trou de coulée 38 pour le fer.fluide'est également situé sur le c8-- té de la cuve de gazéification 13,-de sorte que le fer, contenant de¯ l9oxy- gène, formé dans la cuve à mitraille 14., est désoxydé entraversant la cuve de gazéification 13.
Pour obtenir que les conditions restent les mêmes, il -est avantageux de travailler dans ce.cas avec une coulée, permanente. Si on désire produire une distillation lente du charbon, on accroît avantageuse- ment la pression dans le système, de .telle manière qu'unie partie-du gaz for-
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mé puisse être évacuée sous pression, àu-4essqs<da la charge de charbon del e la cuve de gazéification 13, avec les produits de distillation lente du char- bon.
On peut produire cetaccroissement'de pression dans le système en dis- posant, sur le gueulard ouvert de la cuve' à mitraille 14, une pièce de recou- vrement mobile, qui ne laisse qu9un orifice étroit'de sortie pour les gaz'
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de la combustion et qui peut être enlevée pour ,e chargement dd '1a cuve par- tielle 14.
R E V E NDD I C A T ION S
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===============7?========== 1. - Procédé pour la réalisation dopérations métallurgiques,
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en particulier pour le trâitement métallurgique de minebaisi#dé fer au.four à cuve bas, caractérisé'en ce qu9on réalise la combustion,du vent soufflé,
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d'une concentration élevée en oxygène, bu d'oxygéne avec du charbon de tel- le manière que la¯température maximum-dans l'ouvrage du.four et au niveau des tuyères est limitée à une valeur qui.atteint au maximum la température du début de vaporisation du laitier ou scorie et reste, de préférence un peu au-dessous de cette température.
2. - Procédé pour le réglage, de'la valeur de la:température et de sa distribution dans un four à cuve.,''en particulierdans un tel four fonc- tionnant avec enrichissement en oxygène,, caractérisé en 'ce qu'on insuffle iné-
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galement 1-9oxygene,
30 - Four a cuve pour la réalisation du procédé selon revendication 1, caractérisé¯ par des moyens pour le.soufflage.inégal de l'oxygène.