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FOUR A DEUX ETAGES DE COMBUSTION.
La présente invention concerne un four industriel, et plus par- ticulièrement un four et un procédé d9utilisation de ce four dans lesquels on chauffe la pièce directement dans les produits de combustion du combusti- ble de chauffage. L9invention présente principalement de l'intérêt . pour les fours fonctionnant à une température égale à 1090 Ce ou plus élevée, mais son application n9est pas limitée à ces températures élevées de fonctionne- ment.
L'un des buts de 1?invention est de réaliser un four dans le- quel on peut chauffer la pièce à une température élevée en la plaçant direc- tement dans les produits de combustion du combustible de chauffage et sans que la pièce subisse un écaillage nuisible.
Un autre but de l'invention est de réaliser dans un four une at- mosphère gazeuse par réaction directe du combustible et de 1-'air dans la cham- bre de chauffage du four, de manière à obtenir un rapport prédéterminé des constituants des produits gazeux de la réaction qui soit de nature à protéger la pièce à chauffer, et à maintenir en outre dans le four une température et un taux de chauffage qui soient notablement plus élevés que ceux obtenus nor- malement avec ce rapport prédéterminé des constituants gazeux.
L'invention se propose également de réaliser d'une manière éccno- mique une atmosphère de four à température élevée qui a la propriété de ne pas produire d'écaillage ou du moins de ne produire qu'un écaillage insigni- fiant de la pièce à chauffer.
L9invention se propose aussi de réaliser une atmosphère de four contenant un pourcentage élevé d'oxyde de carbone et d'hydrogène sans sacri- fier l'économie de combustible. D9autres buts et avantages de l'invention apparaîtront dans ce qui va suivre.
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Dans le fonctionnement des fours industriels à température élevée, comme par exemple dans le chauffage des billettes, il était nécessaire jusqu'à présent, pour obtenir la température et le taux de chauffage désirés, d'uti- liser dans la chambre du four des réactions de combustion fortement oxydantes.
Les produits résultant de la combustion possèdent alors un pourcentage élevé de gaz carbonique par rapport à l'oxyde de carbone et présentent une tendance très marquée à produire l'écaillage de la pièce. Si on utilise un rapport combustible/air plus riche en combustible et suffisant pour réduire sensible- ment la nature "écaillante" de 1'atmosphère du four, la température et le taux de chauffage réalisables dans la chambre du four sont considérablement diminués et tombent couramment en-dessous des valeurs exigées par l'opération de chauffage ; en tout cas, il en résulte une augmentation prohibitive de la consommation de combustible.
La présente invention surmonte cette difficulté et permet d'ob- tenir une température élevée et une grande vitesse de chauffage avec un fai- ble rapport du gaz carbonique relativement à l'oxyde de carbone dans les gaz du four et avec une utilisation efficace de combustible de chauffage.
En résumé, l'invention consiste dans la réaction d'un mélange air-combustible dans la chambre du four, ce mélange ayant les proportions voulues pour réaliser, quand les réactions sont terminées et stabilisées, un rapport du gaz carbonique à l'oxyde de carbone qui est inférieur au rapport oxydant de ces gaz à la température de fonctionnement du four. Le mélange air-combustible peut être fortement exothermique ou peut être endothermique, mais dans tous les cas les produits de la réaction résultante contiennent un pourcentage élevé d'bydrogène, de carbone incomplètement brûlé et d'hy- drocarbure. Ces produits contiennent par conséquent encore une énergie calorifique potentielle qui est considérable.
Un tel gaz riche de four, s'il est produit par des réactions exothermiques, ne peut communiquer qu'une chaleur limitée à la pièce et peut être incapable de produire et de mainte- nir dans le four la température et la vitesse de chauffage désirées. Si les réactions sont endothermiques, elles absorbent naturellement de la chaleur prélevée sur la chambre du four.
A titre d'exemple, si on utilise un combustible, tel qu'un gaz naturel, possédant un pouvoir calorifique de 8900 calories au litre, et si on le mélange avec de l'air pour produire une réaction fortement exothermi- que donnant naissance à un rapport gaz carbonique/oxyde de carbone d'envi- ron 0,3 et à un pourcentage d'oxyde de carbone d'environ 10 %, on n'utilise que 60 % environ du pouvoir calorifique du combustible et les produits de la réaction possèdent encore un pouvoir calorifique d'environ 3560 calories au litre. Si on utilise un mélange endothermique, les produits de la réac- tion peuvent avoir un pouvoir calorifique supérieur à 8900 calories au litre.
Si ces gaz de four s'échappaient directement en dehors du four, il en résul- terait une consommation de combustible extrêmement élevée, c'est-à-dire une efficacité de chauffage faible, mais, ce qui est peut être plus important, il ne serait pas possible d'atteindre dans le four la température désirée avec le faible pourcentage de gaz carbonique nécessaire pour empêcher l'écailr- lage et la décarburation de la pièce.
La présente invention, considérée sous l'un de ses aspects, uti- lise donc le pouvoir calorifique résiduel élevé des gaz contenus dans la chambre de chauffage, de manière, d'abord à favoriser l'exécution complète et la stabilisation des réactions primaires dans la chambre, et ensuite à transmettre à la chambre la chaleur potentielle de ces gaz sans modifier le faible rapport gaz carbonique/oxyde de carbone créé par ces réactions pri- maires, ce qui permet de réaliser la température et la vitesse de chauffage nécessaires et d'obtenir une bonne efficacité du combustible.
La manière dont ce résultat est atteint sera mieux comprise en se référant au dessin annexé, dans lequel
La figure 1 est une coupe verticale, suivant la ligne 1-1 de la
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figure 3, d'un four de chauffage de billettes conforme à la présente invention;
La figure 2 est une coupe verticale du même four suivant la li- gne 2-2 de la figure 3;
La figure 3 est une coupe horizontale du même four suivant la li- gne 3-3 de la figure 2 ;
La figure 4 est une coupe médiane et verticale suivant la ligne 4-4 de la figure 3;
La figure 5 est une coupe axiale d'un brûleur du même four ; et la Figure 6 est une coupe suivant la ligne 6-6 de la figure 50
Si on considère d'abord la figure 1, on voit que le four repré-
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senté comprend une enveloppe extérieure rectangulaire en metal 9, à l9inté rieur de laquelle se trouve la chambre de chauffage de la pièce;
cette cham- bre est définie par le plancher réfractaire la une paroi avant 11 comportant deux ouvertures espacées 12 (figure 3) pouvant être fermées séparément par
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des portes 13, une paroi arrière 14 des parois dpextrêmité 15 et 16 (figure 2), et enfin un toit en forme de voûte 17o Comme on le voit sur la figure 2, ce troit 17 comporte un certain nombre d'arches pendantes 18 qui sont es- pacées les uns des autres et qui forment entre elles d'étroits canaux incur- vés 19; la paroi 14 est munie d'une série de brûleurs 21 qui sont disposés de manière à diriger leurs flammes dans les canaux 19 et contre la face du toit 17;
Inutilité d'une telle disposition apparaîtra un peu plus loin-,
Le plancher 10 de la chambre de chauffage comporte deux groupes
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principaux 22 et 23 (figure 3) de canaux d9chappement9 chacun de ces groupes comportant respectivement les sous-groupes 22a9 22b-, 22é9 et 22d d'une part, et 231, 23b9 23ç et 2:3± d'autre part. Chacun des sous-groupes des canaux d9é- chappement s'étend sur une zone centrale où est supportée une billette 24 ou toute autre pièce à chauffer., Les canaux des groupes 22 et 23 communiquent, sous le planchers avec une série de quatre tunnels horizontaux d'échappement
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25p26p 27 et 28 comme on le voit sur la figure 1 et en trait pointillé sur la figure 3.
Les tjupnels 25 et 26 se raccordent, de chaque côté du four, â des chambres verticales 29a et 29b ; les tunnels 27 et 28 débouchent dans des chambres verticales analogues 30a et 30bo Les chambres 29a, 29 , 30a et 30b constituent des chambres de combustion pour les produits de réaction s'échap- pant de la chambre de chauffage de la pièce, et elles dirigent à leur tour les gaz dans une chambre 31 (figures 1 et 2) prévue entre la voûte 17 de la chambre de la pièce et une voûte extérieure réfractaire 32. La voûte 32 com- porte, à l'arrière du four, un certain nombre de canaux d'échappement 33 di-
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rigés latéralement et débouchant dans les carnaux verticaux 34 qui expulsent dans l'atmosphère extérieure les gaz complètement brûlés.
Chacun des carnaux 34 comporte un volet ou registre 35 articulé en 36 sur un levier de manoeuvre 37 articulé lui-même en 380
L'espace 31 reçoit les gaz d'échappement de la chambre de chauf-
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fage non seulement par les chambres verticales 29a9 à 3cula et 30b9 mais également par l'intermédiaire d'un groupe de tubes verticaux de combustion 39 qui s'étendent en travers de la chambre de la pièces entre les tunnels d'échappement 25 à 28 et la chambre 31 comprise entre les deux voûtes Les tubes 39 sont constitués de préférence par une matière réfractaire, telle que le carbure de siliciumo
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Comme on 19 a indiqué, le rôle des chambres verticales 29a9 29b 3CLa,
30b9 des tubes rayonnants 39 de la chambre 31 entre les voûtes est de réaliser une deuxième combustion des gaz venant de la chambre de la pièce et d'extraire de ceux-ci 19 énergie calorifique résiduelle qu'ils contiennent encore pour la fournir à la chambre de chauffage de la pièce. Dans ce but, on ajoute de l'air supplémentaire à ces gaz par des ajutages appropriés diri-
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gés dans les chambres 29as 29b9 30a9 30b et dans les tubes 39. Si on consi- dère de nouveau la figure 2, on voit que les chambres 29a et 29b sont munies chacune d9une conduite d9admission d'air 40 comportant une valve de commande
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41 qui sert à régler 1?admission de cet air supplémentaire dans un ajutage 42 dirigé obliquement dans l'extrémité inférieure des chambres 29a et 29b.
Un ajutage similaire 42' fournit de l'air aux gaz d'échappement à l'endroit où ceux-ci pénètrent dans la chambre 31 entre les voûtes.
La quantité d'air fournie par les ajutages 42 et 42' est réglée de manière à réaliser une combustion complète des gaz s'échappant de la cham- bre de chauffage.
Un brûleur pilote 43, alimenté avec un mélange combustible con- tenant un excès d'oxygène, d'un pourcentage voisin de préférence de 20 %, s'é- tend aussi dans chacune des chambres 29a et 29b dans le but d'assurer la com- bustion du mélange air-gaz dans ces chambreso Le brûleur 43 comporte un bloc ordinaire de combustion 44. Les chambres 30a et 30b sont munies d'ajutage; similaires pour 19 air et le brûleur pilote.
Les tubes 39 sont également munis chacun d'un ajutage 45 d'ali- mentation en air supplémentaire et d'un brûleur pilote 46 (figure 4), qui s'étendent verticalement vers le haut à travers la base du four. On remar- quera, que les tubes 39 s'étendent à travers les tunnels 25 à 28 et sont supportés sur les blocs de combustion des brûleurs 46 ; ils sont perforés pour recevoir les gaz d'échappement venant de ces tunnelso Le but de cette con- struction est d'empêcher la combustion des gaz d'échappement dans les tunnels par 19infiltration d'air venant des ajutages 45.
On voit que les gaz brûlés dans les chambres 29 et 30 et dans les tubes rayonnants 39 passent vers le haut dans la chambre 31, puis se di- rigent en arrière vers les carneaux d'évacuation 34. On peut commander la distribution des gaz au-dessus de la voûte 17 en réglant convenablement les différents registres 35 de manière à produire un chauffage sensiblement uni- forme de la voûte.
Il est compréhensible que, tandis que le mélange air-combustible fourni à la chambre de chauffage peut être incapable de brûler à une tempé- rature élevée par suite de sa déficience en air, aucune restriction inhéren- te de ce genre n'est imposée à la température de flamme des gaz brûlés dans les chambres 29, 30, les tubes 39 et la chambre 31 ; il en résulte que les tu- bes 39, les parois latérales 15 et 16 et la voûte 17 peuvent être chauffés à une température supérieure de plusieurs centaines de degrés à celle que 19on peut obtenir dans la chambre de chauffage uniquement par la combustion partielle du mélange riche qui s'y trouve.
Pour faciliter le transfert de cette chaleur à la chambre de chauffage, les parois 15,16 et la voûte 17 sont constituées de préférence par une matière réfractaire, telle que l'argile à feu ou le carbure de sili- cium, qui possède un coefficient relativement élevé de conduction et de ra- diation calorifiques.
Les briques réfractaires en une telle matière ont une conductibilité calorifique pouvant varier de 403 à 503 calories par heure et par dm2 pour un degré centigrade à une température de 538 Co Au contraire, pour empêcher les pertes de chaleur par conduction et radiation en dehors du four et pour maintenir la chaleur sur les parois Intérieures, les parois ex- térieures 47 et la voûte extérieure 32 sont constituées, au moins en partie, par une matière réfractaire possédant un faible coefficient de conduction, par exemple une brique poreuse isolante ayant une conductibilité de 50 à 100 calories par heure et par dm2, pour un degré centigrade à une température de 538 C.
La combustion de la riche atmosphère d'échappement de la chambre de chauffage dans les chambres de combustion comprises entre les parois et dans les tubes rayonnants 39 a plusieurs buts importants. Elle permet de disposer de 19 énergie calorifique résiduelle des gaz d'échappement de la chambre de chauffage pour faire entrer une quantité supplémentaire de chaleur dans cette chambre, en réalisant, , ainsi une économie dans la consommation de combustible ; elle brûle l'oxyde de carbone et l'hydrogène qui existent
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avec un pourcentage élevé dans les gaz de la chambre de chauffage et elle élimine ainsi les dangers qui pourraient menacer la santé et la sécurité des opérateurs du four ;
elle empêche la combustion subséquente de ces gaz dans le système de ventilation du bâtiment et facilite ainsi l'utilisation de celui-ci ; elle fait monter la température de la chambre de chauffage au- dessus de celle qui serait réalisable par les réactions produites dans la chambre elle-même ; elle permet ainsi d9utiliser une température inhérente basse ainsi que des produits de réaction riches, dans la chambre de chauf- fage en vue de protéger la pièce, et d9utiliser en même temps la chambre de chauffage à une température beaucoup plus élevée que celle qui serait réali- sable autrement avec une telle atmosphère gazeuse; elle sert à chauffer la voûte 17 et les arches pendantes et espacées 18 jusqu9à une température supé- rieure à la température de réaction du mélange alimentant les brûleurs 21.
Ce dernier effet constitue une caractéristique importante de l'invention car il facilite les réactions dans la chambre de chauffage et permet d'em- ployer des mélanges air-combustible qui approchent ou même comprennent la gamme endothermique. Ces réactions sont en outre facilitées par les canaux que forment les arches 18 et grâce auxquels un frottement important du mélan- ge admis se produit sur les surfaces chaudes de la voûte 17 et des arches 18.
La nature non écaillante des produits gazeux résultants dépend dans une large mesure du degré suivant lequel ces réactions sont terminées et stabili- sées dans la partie supérieure de la chambre de chauffage, c'est-à-dire avant que ces produits ne viennent en contact avec la pièceo L'effet de ca- talyse des briques chaudesrésultant du frottement mentionné ci-dessus!) tend à compléter ces réactions, qu'elles soient endothermiques ou exothermi- queso
Dans quelques casil peut être préférable de fournir aux brû- leurs 21 un mélange air-combustible qui produit un pourcentage d'oxyde de carbone légèrement plus élevé qu'on le désire à l'endroit où se trouve la pièce,
et d'augmenter ce pourcentage en ajoutant ultérieurement du gaz brut dans le four en un point où les réactions primaires ont été complètement ef- fectuées. Dans ce but, on a prévu dans le four un certain nombre de tubes d9addition de gaz 48 qui pénètrent dans la chambre de chauffage sous la voû- te 17.
Ces tubea,48 sont alimentés avec un gaz brut approprié quelconque ou un mélange riche endothermique de combustible et d'air par l'intermédiaire de conduites 49 contrôlées par une valve appropriéeo Le gaz arrivant par les tubes 48 est craqué dune manière endothermique pour libérer du carbone naissant et de l'hydrogène en contact avec la pièce, et ces éléments, grâce à leur pouvoir réducteur élevé, servent à réduire ou empêcher la formation d'écailles sur la pièce ; on peut également, si on le désire,fournir ce gaz en quantité suffisante pour produire une carburation de la surface de la piè- ce. Le carbone libre fourni par le craquage de ce gaz diminue en outre le rapport gaz carbonique/oxyde de carbone des gaz de la chambre de chauffage.
Pour empêcher un craquage prématuré de ces gaz bruts ajoutés et pour éviter le dépôt de suie qui pourrait en résulter dans les tubes 48, on munit de préférence ces tubes d9une chemise de refroidissement à travers la- quelle circule de l'air froid -arrivant par une conduite 50.
Pour faire chauffer la four, on préfère utiliser au départe pour les brûleurs 21,un mélange air-combustible qui brûle facilement avec une température de flamme élévée, par exemple un gaz naturel mélangé à Pair dans un rapport de 1/10. Quand on a atteint dans le four la température dé- sirée et avant de placer la pièce dans la chambre de chauffage, on diminue le rapport air-combustible, soit jusqu9à la gamme riche exothermique désirée soit jusqu'à la gamme endothermique nécessaire pour produire dans la chambre de chauffage le rapport gaz carbonique/oxyde de carbone exigé pour la pro- tection de la pièce.
Puisque l'air fourni aux brûleurs principaux 21 est di- minué on envoie de 19 air supplémentaire dans les ajutages 42 et 45 pour amor- cer la combustion dans les chambres 29, 30 et 31 comprises entre les parois et dans les tubes 39, de manière à maintenir le four à la température de fonc- tionnement désirée:, étant bien entendu, comme on 19a indiqué plus haut, que
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cette température élevée est maintenue sans augmentation du rapport anormale- ment faible gaz carbonique-oxyde de carbone réalisé dans la chambre de chauf- fage par les réactions riches exothermiques ou endothermiques qui s'y produi- sento On n'ajoute le gaz brut que pendant la présence de la pièce dans le four.
On a mentionné, à titre d'exemple, l'emploi d'un gaz naturel, mais il est bien entendu que l'on peut utiliser dans les brûleurs 21 aussi bien que dans les tubes d9addition de gaz 48, tout autre combustible appro- prié, tel que le gaz de ville, le propane, le butane le pétrole ou tous les produits analogues
Pour faciliter encore davantage la combustion du mélange riche fourni aux brûleurs 21, il est préférable d'adopter pour ces derniers la construction spéciale représentée sur les figures 5 et 6. Si on examine ces figures, on voit que l'enveloppe de brûleur 60 est évasée vers l'exté- rieur en 61 et que la partie évasée est munie d'un certain nombre d'orifices 62 communiquant avec un espace 63 qui se trouve entre 1?enveloppe 60 et le bloc de brûleur 64 et qui s'ouvre sur la chambre de chauffage.
L'enveloppe 60 s'étend vers l'extérieur, au delà de la face du bloc de brûleur et elle est maintenue écartée des parois de ce bloc par des ailettes radiales 65.
La face intérieure de 1?enveloppe du brûleur est munie d9ailettes en spirale 66 destinées à augmenter l'effet de frottement des gaz admis sur la paroi cylindrique de l'enveloppe. Par suite de 1?expansion des gaz dans la sec- tion conique 61 de 19enveloppe, il se produit un effet de venturi qui aspire les gaz de la chambre de chauffage à travers l'espace 63 et les orifices 62 de l'enveloppe du brûleur. Le prolongement de 19 enveloppe 60 au delà de la face du bloc 64 est destiné à aspirer ces gaz le long des parois chaudes de la face arrière de la chambre plutôt que dans la zone des gaz sortant de 1?enveloppe du brûleur. Il en résulte que ces gaz entraînés se trouvent à la température du four qui, comme on l'a expliqué, est supérieure à la tem- pératura normale de réaction du mélange air-combustible admis.
Ces gaz ser- vent par conséquent à chauffer 1?enveloppe 60 et les gaz admis. Cette addi- tion de chaleur favorise la réaction du mélange riche admis et permet même la combustion de mélanges qui n'engendrent pas par eux-mêmes une chaleur suf'- fisante pour entretenir la combustion.
Il est évident que le procédé ne dépend nullement de l'emploi de brûleurs du type à chauffage préalable,mais qu'il peut être mis en oeuvre avec des brûleurs de type courant; cependant, l'emploi des brûleurs du type représenté sur les figures 5 et 6 permet d'utiliser des mélanges légèrement plus riches que ceux admissibles autrement et de pousser plus loin, dans tous les cas les réactions dans l'enveloppe du brûleur, ce qui est une caracté- ristique hautement désirable. L'enveloppe 61 peut être constituée par un alliage approprié résistant à la chaleur, mais il est préférable, pour un fonctionnement à température élevée, d9utiliser un produit réfractaire tel que le carbure de silicium.
On a décrit 1?invention d'une manière particulière en se référant à l'obtention d'un faible rapport gaz carbonique/oxyde de carbone dans la chambre de chauffage en vue de protéger la pièce contre 19 éclaillageo Cepen- dant, par suite de la déficience importante en oxygène dans la chambre, le rapport vapeur d'eau/hydrogène des produits gazeux de réaction est également faible et contribue à réduire la tendance des gaz à l'éclaillage.
Si on désire éliminer complètement la tendance oxydante de la vapeur deau et éliminer ainsi cette variable des facteurs à considérer dans le contrôle de l'atmosphère du four, on peut introduire dans la chambre une petite quantité de vapeur de lithium. C'est dans ce but qu'un générateur de lithium 51 est disposé à chaque extrémité de l'enveloppe du four, comme on le voit sur le dessin. Ces générateurs comprennent chacun un prolongement horizontal et cylindrique 52 fixé à 1-'enveloppe 9 et muni d'un garnissage ré- fractaire 53 formant une chambre de combustion 54.
Un tube 56, en alliage résistant à la chaleur, 11 S9 étend exialement à travers la chambre 54 ; ce tube
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comporte une ou plusieurs ouvertures 57 par lesquelles les produits de la combustion verant de la chambre 54 peuvent passer à l'intérieur du tube 560 Une extrémité de ce tube se prolonge à l'extérieur de 1-'enveloppe 52 et peut être fermée par un chapeau 58. L'extrémité opposée du tube 56 s'engage dans une ouverture 59 de la paroi du four pour conduire les gaz dans la chambre de chauffage.
Des composés de lithium sont introduits dans le tube de vapori- sation 56 sous la forme d'une masse fondue disposée dans un récipient ouvert indique en 67. Cette masse fondue comprenq de préférence un mélange de chlo- rure de lithium et de carbonate de lithium dans la proportion de 40 % pour le premier et de 60 % pour le seconde
La température du générateur de vapeur est maintenue de préfé- rence entre 760 C et 954 C de manière à être suffisante pour créer une pres- sion de vapeur assez importante à la surface des composés de lithium et pour permettre à une petite quantité de ces derniers d'être entraînée dans le four par les gaz de combustion qui passent sur leur surface à partir de la chambre 54.
Il est bien entendu que l'on peut apporter des modifications à la disposition et à la construction des différents éléments que 1?on vient de décrire et à la manière de réaliser l'atmosphère du four, sans sortir pour cela du domaine de l'invention.