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PROCEDE ET INSTALLATION POUR LA CONVERSION DE FONTE EN ACIER PAUVRE EN
AZOTE.
La présente invention est relative à un procédé de conversion de fonte en acier plus pauvre en azote que celui obtenu par conversion au moyen d'air atmosphérique, dans lequel on souffle à travers le bain un mélange de gaz oxydants relativement pauvre en azote, à base de vapeur d'eau surchauf- fée et d'oxygène.
Pour que les constituants soient à l'état de gaz au moment où le mélange pénètre dans le bain, il faut que la température du mélange soit supé- rieure au point de rosée du dit mélange.
Par le fait que l'alimentation des convertisseurs est intermitten- te et qu'elle est soumise à de brusques et importantes variations, il est dif- ficile de maintenir constamment la température du mélange introduit dans le bain, au-dessus du point de rosée, sans qu'à certains moments la température du mélange soit exagérément élevée avec, comme conséquence, une fatigue ther- mique excessive de l'installation.
La difficulté d'obtenir une surchauffe régulière,de la vapeur d' eau entrant dans le convertisseur provient de ce que, dans les surchauffeurs à tubes de vapeur utilisés dans l'industrie, la température de la vapeur ne suit qu'avec un certain retard les variations de l'apport de chaleur par les brûleurs, lors des variations du débit de vapeur.
La présente invention a comme objet un procédé grâce auquel l'ap- port de chaleur nécessaire à la surchauffe de la vapeur d'eau suit, sans délai appréciable, les brusques variations du débit du mélange introduit dans le convertisseur.
A cet effet, dans le procédé suivant l'invention, on porte le mé- lange à souffler à la température supérieure au point de rosée, en mélangeant à au moins un des constituants de ce mélange, des gaz de combustion chauds
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qui viennent d'être .formés par la combustion sous pression d'un combustible au moyen d'un gaz oxydant.
Les gaz de combustion chauds peuvent être incorporés soit au mé- lange de vapeur et d'oxygène déjà formé, soit à la vapeur, soit à l'oxygène devant former le mélange à souffler. Ils peuvent aussi être mélangés à de 1' eau pulvérisée. Dans-ce cas, ils ont d'abord comme effet de transformer 1' eau en vapeur et ensuite de surchauffer celle-ci dans une mesure telle que le mélange envoyé dans le convertisseur soit porté au-dessus de son point de rosée.
La chaleur développée par la combustion est transmise instanta- nément au fluide à chauffer, par exemple, à la vapeur d'eau, du fait du mé- lange intime de celui-ci avec le gaz de combustion. L'introduction des gaz de combustion dans le mélange à souffler n'est pas nuisible au bain puisque l'anhydride carbonique et/ou la vapeur d'eau dont ils sont constitués en ma- jeure partie, jouent, dans le bain , un rôle analogue à celui de la vapeur- d'eau à laquelle ils sont mélangés, rôle dont on peut facilement tenir compte dans l'établissement de la composition du mélange à souffler dans le bain.
Il est à noter que ce procédé est essentiellement différent de celui dans lequel on souffle dans la fonte un mélange d'oxygène et d'anhydri- de carbonique provenant d'un réservoir qui a lui-même été alimenté en anhydri- de carbonique obtenu à partir de gaz brûlés, par séparation d'autres gaz qu' ils contiennent puisque, dans le procédé suivant l'invention, les gaz de com- bustion sont introduits à chaud dans la vapeur d'eau et sont obtenus par une combustion effectuée sous pression et au moment même de l'utilisation.
Afin d'éviter une trop forte élévation de température des parois de la chambre où on effectue la combustion susdite, il est avantageux de di- luer l'oxygène nécessaire à la combustion en y mêlant une certaine quantité de vapeur, par exemple, dans la proportion de 1 à 4 moles de vapeur, pour une mole d'oxygène consommée par la combustion. Dans le cas d'emploi d'un combus- tible liquide, cette vapeur peut servir aussi à pulvériser le combustible.
Les gaz de combustion sont ensuite mêlés au surplus de vapeur né- cessaire à la formation du mélange de soufflage. Il en résulte que, dans une variante avantageuse du procédé, on effectue la combustion du combustible par le gaz oxydant et en présence de vapeur d'eau, dans une préchambre de combus- tion en communication avec une autre chambre, dite chambre de chauffage, dans laquelle on introduit le surplus de vapeur d'eau à surchauffer et où s'effec- tue le mélange de la vapeur d'eau et des gaz de combustion chauds sortant de la pré-chambre de combustion.
Le mélange de vapeur d'eau et de gaz de combustion est ensuite mê lé à la quantité voulue d'oxygène de pureté appropriée pour former le mélange à souffler.,
Dans une variante, cet oxygène est introduit dans la chambre de chauffage, soit séparément, soit en mélange avec la vapeur d'eau.
Quand on emploie un combustible et un comburant à très faibles teneurs en azote, le volume d'azote contenu dans le mélange peut aisément être abaissé en-dessous de 10% du volume global du mélange.
Si on ne désire pas obtenir un acier à teneur en azote exception- nellement basse, on peut avantageusement utiliser un combustible et/ou un comburant plus riche en azote de façon que le volume d'azote par rapport au volume global de vapeur d'eau et d'anhydride carbonique dans le mélange à in- suffler dans le bain soit compris entre 12 % et 40 %.
En particulier, on a intérêt à utiliser comme comburant de l'air atmosphérique ou de l'air atmosphérique enrichi en oxygène pour la combustion de gaz combustibles pauvres en azote.
Parmi ces derniers gaz, on peut citer des hydrocarbures galeux tels que le méthane extrait des charbonnages, le gaz de fours à coke, le gaz
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d'éclairage, le gaz à l'eau, utilisés soit séparément soit en mélange.
Cette variante du procédé suivant l'invention présente l'avanta- ge de ne pas nécessiter l'emploi de brûleurs spéciaux adaptés à la combus- tion de combustibles riches par de l'oxygène de haute pureté.
Si on dispose de gaz combustibles plus riches en azote tels que le gaz de haut fourneau ou le gaz de gazogène, on peut être amené à faire brûler ces gaz par de l'oxygène de haute pureté pour ne pas avoir dans le mé- lange à souffler dans le bain une teneur en azote trop élevée pour l'obtention de l'acier dont la teneur maximum est imposée
Il est à noter qu'une teneur déjà relativement importante d'azo- te dans les gaz de combustion est souvent acceptable à cause de la proportion de ces gaz qu'on est amené à mêler au mélange à base d'oxygène et de vapeur d'eau pour porter celle-ci, dans le nouveau mélange, à une température supé- rieure à son point de rosée près de l'entrée du convertisseur.
En choisissant un comburant dont la teneur en azote est appropriée au combustible utilisé, on peut réaliser un mélange d'oxygène, de vapeur d' eau et de gaz de combustion dans lequel le rapport (désigné plus loin par z) du volume d'azote à la somme des volumes de vapeur d'eau et d'anhydride car- bonique contenus dans le mélange à souffler dans le bain, a une valeur limite supérieure choisie à volonté en fonction de la teneur en azote tolérée dans l'acier.
La valeur effective de ce rapport z est conditionnée par la quan- tité de combustible à brûlera par kilo de vapeur pour amener le mélange en- trant dans le convertisseur à la température désirée et par la composition de ce mélange, notamment par le degré de pureté de l'oxygène ajouté à la va- peur d'eau et aux gaz de combustion.
Dans le cas d'une conversion basique (conversion Thomas), on peut, par exemple, souffler dans le convertisseur un mélange contenant trois moles de vapeur d'eau pour deux moles d'oxygène. Si on connait la tempéra- ture à laquelle la vapeur d'eau est fournie et la température de l'oxygène dont on dispose, on peut déterminer la quantité de chaleur à apporter au mélange pour le porter à une température donnée. Dès lors, on peut aisément trouver les valeurs limites supérieures du rapport z pour n'importe quelle combinai- son de combustible et de comburant eu égard à la teneur en azote de l'oxy- gène utilisé pour constituer le mélange d'oxygène et de gaz de combustion.
Si, par exemple, on utilise à cette fin de l'oxygène contenant moins de 10% d'azote, on trouve que pour du gaz de haut fourneau brûlé par de l'air atmos- phérique, z est inférieur à 30%, que pour du gaz de haut fourneau brûlé par de l'oxygène à 90% de pureté, il est inférieur à 15% et que pour du gaz de four à coke brûlé par de l'air atmosphérique, il est inférieur à 20%.
L'invention a également comme objet une installation pour la réa- lisation du procédé.
L'installation suivant l'invention comprend, d'une part, au moins un brûleur alimenté en combustible et en gaz oxydant et, d'autre part, une conduite d'amenée de vapeur d'eau à surchauffer qui débouche dans un espace parcouru par les gaz de combustion, la conduite d'amenée de vapeur à surchauf- fer et la conduite de combustible étant pourvues de débits-mètres qui comman- dent un relais actionnant une vanne motorisée qui équipe une de ces deux con- duites.
Dans cette installation, la vapeur d'eau peut donc être surchauf- fée instantanément au degré voulu, au moment où elle est mélangée au gaz de combustion du brûleur qui est alimenté dans la proportion convenable en com- bustible grâce aux débits-mètres, au relais et à la vanne susdits.
Si le débit de combustible envoyé au brûleur est, en outre, ren- du dépendant de la température du mélange en un endroit proche de l'entrée dans le convertisseur, on peut, sans difficulté, maintenir continuellement entre des limites rapprochées, choisies à volonté, la température du mélange
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qui pénètre dans le convertisseur.
C'est la raison pour laquelle le relais susdit est , en outre, avantageusement contrôlé par un thermo-régulateur influencé par la températu- re du mélange introduit dans le convertisseur.
Dans le but de faciliter l'inflammation du compustible à la sor- tie du brûleur on dispose celui-ci dans une préchambre de combustion où ar- rive le gaz oxydant de combustion avec éventuellement de la vapeur d'eau, laquelle chambre communique avec une chambre de chauffage dans laquelle dé- bouche la conduite de vapeur d'eau à surchauffera
En réglant convenablement l'admission de gaz oxydant et éventuel- lement de vapeur d'eau dans la préchambre de combustion, on maintient unè tem- pérature supérieure à la température d'inflammation du combustible utilisé.
L'oxygène libre de pureté appropriée qui accompagne le mélange de vapeur d'eau et de gaz de combustion à l'entrée de ce mélange dans le convertisseur peut être mélangé à la vapeur en un point quelconque du trajet suivi par celle-cio Il est cependant préférable, si la vapeur et l'oxygène sont introduits séparément dans la canalisation de soufflage, que la con- duite d'amenée d'oxygène débouche dans la conduite de soufflage, dans la cham- bre de chauffage, en aval des orifices d'entrée de la vapeur dans la chambre de chauffage. De cette façon, on évite que des masses importantes d'oxygène libre puissent arriver en contact avec des corps portés à haute température.
D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins annexés au présent mémoire, qui représen- tent schématiquement ;' et à timbre d'exemple seulement, quatre formes d'exé- cution de l'installation suivant l'invention.
La figure 1 représente une installation qui convient pour le souf- flage au moyen d'air éventuellement enrichi en oxygène et au moyen d'un mélan- ge de vapeur d'eau, d'oxygène plus ou moins pur et de gaz de combustion.
La figure 2 représente une variante de cette installation dans la- quelle l'oxygène plus ou moins pur et la vapeur d'eau sont introduits simulta- nément dans la chambre de chauffage.
La figure 3 représente une sous-variante dans laquelle la vapeur d'eau et l'oxygène sont mélangés avant d'être introduits dans la chambre de chauffage.
La figure 4 représente une autre variante dans laquelle l'oxy- gène nécessaire à la formation des gaz de combustion qui doivent être mélan- gés à la vapeur d'eau est contenu dans l'air.
Dans ces différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
L'installation représentée à la figure 1 comprend une conduite 2 par laquelle de la vapeur d'eau sous pression arrive dans un détendeur 3 qui détend la pression jusqu'à une valeur qui tient compte de la pression né- cessaire à l'introduction, dans un convertisseur 4, de la vapeur et des au- tres gaz qui y seront mélangés entretemps et de la chute de pression entre le détendeur et le convertisseur pendant le soufflage du bain métallique conte- nu dans celui-ci.
La vapeur détendue dans le détendeur 3 est, suivant l'invention, introduite dans une chambre de chauffage 5 qui reçoit les gaz de combustion produits par un brûleur 6 dans une préchambre de ccmbustion 7. Ce brûleur est alimenté, d'une part, en combustible, par exemple en combustible gazeux tel que du gaz de fours à coke, du méthane, du gaz d'éclairage, du gaz à l'eau ou du gaz de haut-fourneau, par une conduite 8 et, d'autre part, en oxygène nécessaire à la combustion par une conduite 9. Une partie de la vapeur à in- troduire dans le convertisseur peut pénétrer par une conduite 2' dans la préchambre de combustion 7 afin d'éviter une trop forte température des parois de celle-ci.
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Le brûleur 6 doit évidemment être pourvu, de manière connue, d' un dispositif d'inflammation du combustible.
Le mélange de vapeur d'eau et des gaz de combustion sort de la chambre de chauffage 5 par une conduite 10 équipée d'un purgeur 11 et d'une vanne d'arrêt 12. De l'oxygène de pureté appropriée est introduit dans ce mélange par une conduite 13 pourvue d'une vanne d'arrêt 14. Les conduites d' oxygène 9 et 13 sont alimentées par une conduite commune 15 équipée d'un dé- tendeur 16 fournissant à sa sortie une pression suffisante pour faire pénétrer l'oxygène dans le brûleur 6 et dans la conduite 10. Le mélange d'oxygène de pureté appropriée, de vapeur d'eau et de gaz de combustion est admis dans le convertisseur 4 par une conduit 17 pourvue d'une vanne de soufflage 18.
Dans l'installation suivant l'invention,la conduite 2 est équi- pée d'un débit-mètre 19. De même, la conduite 8 est équipée d'un débit-mètre 20. Ces deux débitsmètres commandent un relais 21 qui actionne une vanne mo- torisée 22 dont est pourvue la conduite de combustible 8. Les débits-mètres 19 et 20 ainsi que le relais 21 ont comme effet d'ouvrir la vanne motorisée 22 proportionnellement au débit de vapeur d'eau passant dans la conduite 2.
Le relais 21 est également contrôlé par un thermo-régulateur 23 qui est influencé par la température du mélange de vapeur d'eau, de gaz de combustion et d'oxygène libre, en un point 24 proche de l'entrée du conver- tisseur 4. Ce point 24 est situé entre l'entrée du convertisseur et la vanne de soufflage 18 afin que la quantité de combustible envoyée au brûleur 6 soit influencée lors de la mise en marche du soufflage, par la température relati- vement froide de la partie de la conduite comprise entre la vanne 18 et le convertisseur 4.
La conduite d'amenée du combustible 8 est pourvue d'un autre dé- bit-mètre 25 qui, en même temps qu'un débit-mètre 26 dont est équipée la con- duite 9 d'amenée d'oxygène plus ou moins pur, commande un relais 27 action- nant une vanne motorisée 28 qui équipe la conduite d'oxygène 9. Ces débits- mètres 25 et 26 et le relais 27 ont comme effet de proportionner la quantité d'oxygène amenée au brûleur 6 à la quantité de combustible fournie à celui- ci.
Une vanne de fuite 29 est branchée sur la conduite 10 en amont de la vanne d'arrêt 12. L'embranchement 30 aboutissant à la vanne de fuite 29 est équipé d'une autre vanne motorisée 31 dont le degré d'ouverture est con- trôlé par un thermo-régulateur 32 influencé par la température du mélange de vapeur et de gaz de combustion en un point 33 situé en amont de la vanne de fuite 29. L'action du thermo-régulateur 32 sur la vanne motorisée 31 est telle que cette dernière vanne se ferme d'autant plus que la température du mélange au point 33 dépasse davantage la température de surchauffe désirée pour la vapeur d'eau et s'ouvre d'autant plus que la température du mélange s'abais- se davantage en-dessous de la température de surchauffe désirée.
Un dispositif d'asservissement schématisé par la ligne en traits interrompus 34 est établi entre la vanne 18, la vanne 14, la vanne 12 et la vanne de fuite 29. Ce dispositif d'asservissement est tel que lorsque la van- ne de soufflage 18 est ouverte, les vannes 14 et 12 sont également ouvertes tandis que la vanne de fuite 29 est fermée.
Un autre dispositif d'asservissement schématisé par la ligne en traits interrompus 35 est prévu entre une vanne 36 contrôlant l'admission de l'oxygène au brûleur, une vanne 37 contrôlant l'admission du combustible au brûleur et une vanne 38 contrôlant l'admission de vapeur d' eau. Ce deuxiè- me dispositif d'asservissement est tel que les vannes 36,37 et 38 sont ouver- tes ou fermées simultanément.
La conduite 10 dans laquelle circule le mélange de vapeur d'eau surchauffée et de gaz de combustion ainsi que la conduite 13 dans laquelle cir- cule l'oxygène de pureté appropriée qui doit être envoyé dans le convertisseur en même temps que la vapeur d'eau surchauffée et les gaz de combustion sont équipées chacune d'un débit-mètre. Ces deux débits-mètres sont désignés res-
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pectivement par 39 et 40.Ils commandent un relais 41 actionnant une vanne motorisée 42 dont est pourvue la conduite 13. Inaction des débits-mètres 39 et 40 et du relais 41 est telle que la vanne motorisée 42 s'ouvre proportion- nellement au débit du mélange passant dans le débit-mètre 39.
Les relais 21,27, 32 et 41 sont du type connu pouvant subir un réglage à la main.
L'installation qui vient d'être décrite permet le traitement de fontes suffisamment chaudes physiquement et/ou chimiquement pour pouvoir être converties en acier uniquement par un mélange à base d'oxygène et de vapeur d'eau. Si on doit traiter des fontes moins chaudes, pour lesquelles on doit accumuler dans le bain une réserve de chaleur avant de commencer le soufflage à l'aide de vapeur d'eau surchauffée et d'oxygène, l'installation doit être complétée par une conduite 43 pourvue d'une vanne d'arrêt 44 et alimentée en air sous pression, éventuellement enrichi en oxygène. Cette conduite 43 est raccordée à la conduite de vent en un point 45 situé entre la vanne de soufflage 18 et le convertisseur 4.
L'installation représentée à la figure 1 comprend encore un pur- geur d'eau désigné par 46.
Avant de commencer le soufflage, on ferme la vanne de soufflage 18, la vanne d'arrêt 14, la vanne d'arrêt 12 et la vanne de soufflage d'air 44, on ouvre les vannes 36, 37, 38 ainsi que la vanne de fuite 29 et on pro- voque l'allumage du brûleur 6. Le faible débit de vapeur d'eau et de gaz de combustion qui s'échappe par la vanne de fuite 29 a connue effet de porter à la température de fonctionnement l'ensemble des conduites et des appareils en amont de cette vanne. Ce débit est contrôlé par la vanne 31 commandée par le thermo-régulateur 32 en fonction de la température régnant en 33.
Si on veut effectuer un,,soufflage au moyen d'air puis au moyen du mélange de vapeur d'eau, de gaz de combustion et d'oxygène, on ouvre la vanne de soufflage d'air 44 et on laisse les autres vannes dans la position qui a été indiquée plus haut.
Le débit-d'air soufflé dans le convertisseur 4 peut être réglé en ouvrant plus ou moins la vanne 44.
Lorsqu'on veut passer au soufflage par le mélange de vapeur d' eau, des gaz de combustion et d'oxygène, on ouvre la vanne 18, ce qui, à cause de l'asservissement du dispositif 34, provoque la fermeture de la van- ne de fuite 29 et l'ouverture des vannes 14 et 12. Le débit du mélange souf- flé dans le convertisseur est réglé en ouvrant plus ou moins la vanne 18.
On ferme ensuite progressivement la vanne 44 de manière que la pression du mélange gazeux introduit dans le convertisseur soit toujours suf- fisante pour empêcher que le métal pénètre dans les tuyères de soufflage. La pression à l'entrée du convertisseur 4 peut être contrôlée à l'aide d'un mano- mètre 47, Si, à un moment donné, on veut recommencer le soufflage à l'air, on ouvre la vanne 44 et on ferme progressivement la vanne 18.
Lorsqu'on souffle dans le convertisseur le mélange de vapeur d' eau, de gaz de combustion et d'oxygène plus ou moins pur, il est avantageux que la teneur en azote de ce mélange ne dépasse pas 10%.
A la figure 2, on a représenté une variante de l'installation sui- vant l'invention dans laquelle l'oxygène de pureté appropriée qui doit être introduit dans le convertisseur en même temps que la vapeur d'eau et les gaz de combustion, est mélangé à la vapeur d'eau dans la chambre de chauffage 5.
Dans cette installation, le réglage de la quantité d'oxygène à introduire dans la vapeur d3eau est effectué par le déplacement de la vanne 42 sous la commande du relais 41 qui est influencé par les débits-mètres 40 et 39:. Ce dernier débitmètre ne mesure donc plus le débit de vapeur d'eau et de gaz de combustion mais uniquement le débit de vapeur d'eau. Le relais 41 doit donc être réglé initialement autrement que le relais 41 de la figure 1.
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A la figure 3, on a représente une modification de l'installation suivant la figure 2 dans laquelle il apparaît que la vapeur d'eau et l'oxy- gène sont introduits dans la chambre de combustion 5 par une conduite commune.
Au lieu d'amener de la vapeur par la conduite 2, on pourrait également envoyer de l'eau dans cette conduite., Dans ce cas, cette eau devrait être pulvérisée à son entrée dans la chambre de chauffage 5 et éventuellement dans la pré-chambre de combustion 7 afin qu'elle soit rapidement vaporisée sous l'effet de la chaleur apportée par les gaz de combustion. Ceux-ci de- vraient être en quantité telle qu'ils puissent, en outre,surchauffer la vapeur d'eau ainsi formée, dans une mesure telle que le mélange envoyé dans le convertisseur soit au-dessus de son point de rosée.
Bien que la vaporisation d'eau au moyen de gaz de combustion dans la chambre de chauffage 5 et éventuellement dans la préchambre de combus- tion 7 soit généralement moins économique que la vaporisation dans une chau- dière ordinaire, il pourrait arriver qu'on ait intérêt à effectuer directement la vaporisation par les gaz de combustion sortant du brûleur 6 parce qu'on n'aurait pas de vapeur à sa disposition au voisinage du convertisseur et que, de ce fait, on serait obligé d'installer et d'entretenir une chaudière rien que pour effectuer l'alimentation intermittente du convertisseur.
A la figure 4, on a représenté une installation qui diffère de celle suivant la figure 2 par les points suivants :
1) Le brûleur 6 est alimenté en air, éventuellement enrichi en oxygène par une conduite 9 ' .
2) La fuite par la vanne de fuite 29, au lieu d'être commandée automatiquement par la vanne motorisée 31 et le thermorégulateur 32 de la figure 2 est commandée à la main d'après les indications d'un thermomètre 32' mesurant la température au point 33.
3) Cette vanne de fuite 32 n'est plus asservie à la vanne de soufflage 18 comme à la figure 2.
Il est évident que l'invention n'est pas exclusivement limitée aux formes d'exécution représentées et que bien des modifications peuvent être apportées dans la forme, la disposition et la constitution de certains des éléments intervenant dans sa réalisation, à condition que ces modifications ne soient pas en contradiction avec l'objet de chacune des revendications suivantes.
Il va de soi, par exemple, que les vannes motorisées 22, 28 et 42 qui sont contrôlées chacune par une paire de débitsmètres pourraient, au lieu d'équiper respectivement les conduites 8,9 et 13 pourvues d'un des deux débitsmètres équiper la conduite pourvue de l'autre débit-mètre de la paire correspondante, c'est-à-dire, respectivement les conduites 2,8 et 10.
REVENDICATIONS. -
1 . - Procédé de conversion de fonte en acier plus pauvre en azo- te que celui obtenu par conversion au moyen d'air atmosphérique, dans lequel on souffle à travers le bain un mélange de gaz oxydants relativement pauvre en azote,à base de vapeur d'eau surchauffée et d'oxygène, c a r a c t é r i - s é en ce qu'on porte le mélange susdit à une température supérieure à son point de rosée,en mélangeant à au moins un des constituants de ce mélange, des gaz de combustion chauds qui viennent d'être formés par la combustion sous pression d'un combustible au moyen d'un gaz oxydant.