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PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR L'UTILISATION DES FONDS DE CONVERTISSEURS
BASQUES.
Le remplacement de l'air atmosphérique comme agent de soufflage des convertisseurs d'aciérie soufflés par le fond par des mélanges à base d'o- xygène et de vapeur d'eau, pose des problèmes importants quant à la réalisation des fonds à tuyères.
Certaines modifications à apporter aux fonds sont déjà connues depuis Bessemer, celui-ci proposant dans son brevet n 356 de 1856, de réduire les dimensions des tuyères si l'on juge préférable d'employer à la place de l'air, un mélange de gaz oxygène avec l'air atmosphérique ou la vapeuro
Les problèmes qui se posent à ce sujet ne peuvent être considérés comme résolus que lorsque les nombreuses solutions susceptibles d'être utilisées ont été effectivement essayées à l'échelle industrielle, qu'il s'agisse de solution déjà connues dans le soufflage ordinaire à l'air atmosphérique ou qu'il s'agisse de solutions neuves, propres aux mélanges oxygène-vapeuro Rien ne dit, en effet, à priori,
qu'une solution ayant fait ses preuves avec l'air ordinaire sera viable avec le mélange oxygène-vapeuro Les conditions de soufflage detiennent par trop différentes des points de vue thermique, chimique et mécanique.
Comparé au soufflage à l'air, le soufflage au mélange oxygène-va- peur se différencia principalement par : - l'instabilité du mélange et les possibilités de condensation d'eau; l'attaque rapide par l'eau de la matière généralement utilisée comme constituant essentiel des fonds basiques, c'est-à-dire, l'agglomérat de dolomie et de goudron; - la température normalement plus élevée que celle de l'air; - le volume plus faible nécessaire à la tonne de fonte du fait de
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la richesse plus grande en oxygène utile; - le refroidissement dû à la réaction endothermique de décomposition d'une partie de la vapeur d'eau et non plus à un ballast de gaz neutre;
- la plus faible quantité de gaz disponible pour soutenir le bain à la sortie des tuyères et réaliser le brassage du métal. Cette quantité est réduite du fait de l'absence de l'azote associé à l'oxygène dans le cas de l'air Elle est surtout très faible en phase de déphosphoration; - la possibilité d'une concentration plus forte en oxyde de fer à la sortie des tuyères.
La présente invention a pour but de préciser certaines conditions d'utilisation et de réalisation et de procurer certains dispositifs grâce auxquels, dans le cas de soufflage aux mélanges à base d'oxygène et de vapeur d'eau, on parvient à utiliser dans des conditions industrielles acceptables, les fonds à base de dolomie goudronnée et, plus spécialement, les fonds tubés au cuivre.
Parmi ces réalisations et dispositifs, certains sont absolument neufs. D'autres sont plus ou moins connus dans le cas du soufflage à l'air.
Les uns et les autres sont neufs dans le cas du soufflage au mélange oxygènevapeur d'eauo Ils font l'objet de l'invention après avoir été essayés au cours d'une marche industrielle de plus de 6 mois. , en même temps que beaucoup d'autres qui se sont révélés inopérants ou nuisibles.
Au cours de cette expérience.Industrielle, il a été trouvé que la vie du fond, c'est-à-dire le nombre de coulées qu'il est possible de réaliser avec un fond, était conditionnée non seulement par la résistance à l'usure de la dolomie en contact avec le bain métallique, mais également par la résistance de la dolomie, côté plaque, à l'hydratation et que les détériorations du fond, côté plaque, entraînaient rapidement des détériorations côté bain.
Il a été trouvé, au cours d'essais spéciaux, que l'usure du fond, côté bain, était provoquée beaucoup plus par le contact de l'oxyde de fer avec la dolomie que par l'effet de la température plus élevée ou par l'attaque du carbone de liaison de la masse dolomitique par un fluide très riche en oxygène. Un effet prononcé de la température est à écarter du fait que dans un fond muni de tuyères concentrées dans une zone circulaire centrale, l'usure est plus forte à la périphérie de la zone qu'en son centre, c'est-à-dire, là où l'effet de la température est le plus concentré.
Une action destructive appréciable de l'oxygène gazeux n'a pu être décelée sur des échantillons témoins de dolomie'goudronnée chauffés au four électrique et soumis à l'action d'oxygène d'une part et d'air d'autre parto Mais l'attaque de la dolomie et même celle de la magnésie est très rapide dès que ces matières sont mises en contact à température élevée à la f ois avec le fer et l'oxygène, par exemple par la technique bien connue utilisée pour la perforation du béton et consistant à brûler par l'oxygène un tuyau de fer au contact du béton.
Sans doute, l'emploi de fluide riche en oxygène, qu'il s'agisse de vent suroxygéné aussi bien que du mélange oxygène-vapeur d'eau, entrainet-il un effet destructif d'autant plus prononcé que les températures sont plus élevées en fonction d'une plus grande proportion d'oxygène. Mais lorsque l'on parvient à éviter ou réduire la corrosion chimique par contact direct avec l'oxyde de fer, il s'agit d'une usure régulière qui, dans les installations industrielles utilisées, permettrait d'atteindre le chiffre appréciable de 50 coulées par fond dans le cas du mélange 02 + H20 et même 80 dans le cas de vent suroxygéné.
La plus ou moins grande richesse du mélange oxygène-vapeur en oxygène n'est donc pas le facteur dominanto Mais au contraire, dès qu'il y a contact entre la dolomie et l'oxyde de fer,,il y a attaque accélérée de la dolomie, évasement des tuyères et destruction du fond par usure localisée et forrage. La vie du fond peut alors tomber en-dessous de 20 couléeso
Se basant sur ces faits d'expériences et d'observations industrielles, la présente invention a pour but de réaliser et de presser les conditions mécaniques et géométriques les plus apte'*' à réduire les copiais entre dolomie et oxyde de fer.
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Vitesse du fluide.
La vitesse du fluide à la sortie des tuyères est un facteur impor- tant. C'est l'énergie liée à cette vitesse qui permet de soutenir le bain.
Elle permet également de le brasser. Ce qui chasse et dilue rapidement dans la masse l'oxyde de fer qui se forme à proximité immédiate des tuyères.
Etudiant plus particulièrement, à la lumière de la mécanique des fluides, l'influence du facteur vitesse sur l'évasement des tuyères, il a été trouvé qu'il y a intérêt à réaliser des vitesses très grandes. L'évasement de la tuyère forme, en effet, un divergento Dans ce divergent, le fluide pert d'autant plus de vitesse que sa vitesse dans le tube cylindrique est inférieu- re à celle du sono En confirmation de cette propriété, on a constaté que tou- tes autres choses égales, l'augmentation de vitesse corrélative à une augmen- tation de la pression du soufflage diminuait très sensiblement la tendance à l'évasement des tuyères.
Cette importance du facteur vitesse est une des raisons de l'inté- rêt du tubage des tuyères par tubes métalliques. Aux grandes vitesses réali- sées dans les tuyères, l'influence de la rugosité des parois est très impor- tante. La surface régulière et lisse des tubes métalliques permet une réparti- tion bien plus régulière du fluide que la surface brute de la tuyère venue dans la dolomie goudronnéeo Si même celle-ci a pu être réalisée avec soins, sans rugosités importantes, il suffit que quelques grains de dolomie soient arrachés par le vent du soufflage pour qu'il en résulte dans la tuyère modi- fiée par ce léger accident, un freinage réduisant la vitesse du fluide et augmentant les chances d'évasement et de forageo
Dans le cas d'utilisation des tuyères tubées au cuivre, on a constaté que,
sans doute à cause d'un phénomène analogue, il était indispensable d'empêcher que, par suite des pressions intérieures créées par l'hydratation de la dolomie ou par suite de déplacements relatifs de la plaque par rapport au fond, déplacements dus, par exemple, à des dilatations et contractions thermiques ou peut-être à une évolution de la dolomie, la section des tubes métalliques ou l'état de leurs parois ne soient modifiés par écrasement, sectionnement, déchirure ou pliage. L'expérience a montré, d'une façon indubitable, qu'un tel accident entraine une destruction rapide du fond par évasement (côté acier) des tuyères avariées (côté plaque).
Dans l'action de soutien et de brassage du bain réalisée par le fluide débité par la tuyère à une vitesse déterminée, il fallait apparemment tenir compte des réactions chimiques entre le fluide et le bain. Pendant la période de décarburation, chaque volume d'oxygène donne naissance à environ 2 volumes de CO, tandis que cet oxygène est absorbé sans production de gaz en période de déphosphorationo Un simple calcul montre que le soufflage au mélange oxygène-vapeur, à raison de 140 Kg d'C2 et 90 Kg de vapeur d'eau à la minute, produit pendant la décarburation presqu'autant de gaz que le soufflage à l'air effectué à raison de 400 m3/minute, tandis qu'il produit 3 fois moins pendant la déphosphorationo On doit donc se demander si, à vitesse égale de soufflage,
le mélange oxygène-vapeur d'eau ne soutient pas moins efficacement le bain pendant la déphosphoration que pendant la décarburation. Et s'il ne convient pas de pallier par quelques moyens au dé- ficit de gaz en période de déphosphorationo L'expérience et les observations industrielles confirment cette hypothèseo Les vitesses réalisées dans les tuyères sont évidemment fonction des pressions de soufflage.
Selon l'invention, les p ressions à mettre en oeuvre pour obtenir, dans le cas de tuyères lisses tubées au cuivre, des vitesses suffisantes pour protéger efficacement le fond, ne doivent jamais être inférieures à 1 Kg par cm2 et même être de préférence supérieures à 1,5 Kg par cm2. En période de déphosphoration, cette pression sera, suivant l'invention, au moins de 1,2 Kg par cm2 ou mieux, 2 Kg par cm2
Selon l'invention, on peut encore, pour améliorer la tenue de$ fonds en période de déphosphoration, augmenter le volume des gaz produits en majorant légèrement le poids de vapeur insufflé ou, plus simplement et bien plus efficacement encore, en adoubant un complément d'air au mélange oxygène-
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vapeur.
L'expérience montre, en effet, que, sous certaines conditions de réglage et du moins pendant la déphosphoration, la dilution du mélange oxygènevapeur par des quantités mêmes importantes d'air n'entraîne pas de renitruration très importante du métal. C'est ainsi qu'on a pu majorer la pression dans la boîte à vent de 0,5 Kg/cm2 par addition d'air au mélange O2 + H20, sans augmenter la teneur en azote de l'acier de plus de 5 dixmillièmes pour cento Section de soufflage.
L'usure du fond augmente p lus ou moins proportionnellement avec la durée de soufflage. Mais cette durée n'est pas susceptible d'être indéfiniment réduite, car il faut bien laisser au laitier le temps de se former et aux mitrailles celui de fondreo
D'autre part, la section de soufflage nécessaire pour assurer, sous un régime déterminé de pression, le débit de fluide correspondant à une durée déterminée de soufflage est sensiblement réduite du fait du peu de rugosité des parois des tuyères tubées au cuivre.
Selon l'invention, lesmeilleurs résultats sont obtenus avec des sections ne dépassant pas 10 cm2 par tonne de fonte et plus spécialement comprises entre 7 et 10 cm2. Ces dimensions compatibles avec une vie des fonds d'environ 40 à 60 coulées au mélange oxygène-vapeur, permettent, en cas de nécessité,le soufflageà l'air enrichi sur le même fond. Ceci assure une souplesse de marche très appréciée de l'aciériste.
Distance entre tuyèreso
C'est un facteur très important. Il a été, en effet, constaté qu'une tuyère est protégée non seulement par son propre débit, mais également par celui des tuyères qui l'environnento
Selon l'invention, les meilleurs résultats sont obtenus par des distances comprises entre 80 et 100 mm. d'axe en axe des tuyères. Selon l'invention, il ne faut pas descendre en-dessous de 60 mm, sinon on risque des détériorations brutales lorsque les évasements des tuyères viennent se rejoindre.
Pour des distances p lus grandes que 100 mm, la tendance à l'évasement s'accentue au fur et à mesure que ces distances augmentent, des distances de 200 mm par exemple donnant très facilement lieu à des évasements rapides dégénérant en f orage. Les distances à ne pas dépasser en pratique, dépendant d'ailleurs du type de réseau adopté pour la réparation des tuyères sur le fond. Si ces tuyères sont placées au noeud d'un réseau triangulaire, telles que les distances entre les tuyères soient les mêmes dans les trois directions, il convient, selon l'invention, de ne pas dépasser 150 mm.
Si les tuyères ne sont pas disposées aussi régulièrement, mais sont disposées, par exemple, en cercles concentriques, on peut, selon l'invention, admettre entre deux rangées circonférentielles, des distances maximum de 170 mm pourvu que dans l'autre direction, c'est-à-dire dans l'exemple cité, le lont de la circonférence, la distance entre tuyères ne soit pas supérieure à 130 mm.
Diamètre des tuyères.
L'expérience industrielle des essais a montré que le diamètre des tuyères était sans influence sensible sur la vie du fond, tout au moins dans les limites qui ont fait l'objet de l'expérience,c'est-à-dire pour des fond tubés au moyen de tubes de diamètre intérieur de 10 à 14 mm. La seule influence du diamètre des tuyères est une influence indirecte du fait de la relation qui existe entre le nombre des tuyères,,leur diamètre et la surface de soufflage totale.
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Répartition des tuyères sur le fondo
Du fait qu'il faut respecter une section de soufflage déterminée et une distance maximum entre tuyères, la répartition des tuyères ne peut être réalisée indépendamment du diamètre de celles-ci, c'est-à-dire, de leur nombre.
Pour un diamètre déterminé du fond, la distance à respecter entre tuyères dé- termine avec plus ou moins de précision, le nombre de tuyères (et par consé- quent leur diamètre) qui correspond à une répartition régulière de celles-ci sur toute la surface du fonda 0-lest ainsi, à titre d'exemple, que p our une cornue de 18 To de fonte ayant un fond de 1,650 de diamètre, la répartition de trous régulièrement espacés d'environ 90 mm sur toute la surface du fond implique la présence d'en- viron 192 tuyères, dont le diamètre intérieur doit être de 10 mm pour obtenir une surfacé totale de soufflage de 150 cm2 ou 8,3 cm2 par tonne de fonte.
Selon l'invention, cette répartition régulière sur toute la sur- face conduit à des fonds résistant particulièrement bien à l'usure et à l'é- vasement des tuyères. A la rigueur, on peut cependant adopter des tuyères de diamètre plus grand, par exemple, dans le cas cité ci-dessus, des tuyères de 14 mm de diamètre en nombre de 100 pour faire la même section totale de souf- flage. Une répartition uniforme de ces tuyères sur toute la surface du fond entraine alors des distances entre tuyères dépassant largement ce qui est souhaitable. On peut alors répartir ces tuyères sur u ne ou plusieurs zones de soufflage ; le reste du fond étant inutilisé pour le soufflage (zonemorte).
On a constaté que dans un fond comportant de telles zones de soufflage, environnées par une zone morte, l'usure générale restait modérée, mais que les tuyères disposées à la périphérie des zones de soufflage manifestaient une sensibilité prononcée à 1-'évasement et au forage.
La cause paraissait en relation avec la formation d'un talus à la périphérie de la zone de soufflage, talus résultant de l'usure plus rapide de la zone de soufflage par rappel à la zone morte qui l'entoureo Ce phénomène se passe, quelques que soient les positions relatives de zones de soufflage par rapport aux zones mortes (zones concentriques, secteurs, plages circulaires, etcoo)o pour parer à cette difficulté, on peut, suivant l'invention, concentrer les tuyères en une seule zone de soufflage circulaire, ce qui di- minue le nombre des tuyères périphériques et/ou améliorer la protection des tuyères de la périphérie en augmentant leur nombre (diminuer leur distance) et/ou en augmentant légèrement leur diamètre (augmenter leur débit respectif).
Cette solution s'est cependant révélée moins intéressante qu'une répartition régulière des tuyères sur toute la surface du fonda Fixation du tube dans la masse dolomitiaue.
Selon l'invention, le mode de fixation du tube de cuivre dans la masse dolomitique n'est pas indifférent. Il est absolument nécessaire que les tubes soient solidement fixés dans la masse, qu'ils fassent corps avec elle.
Les tubes fixés dans la masse moyennant un certain jeu perdent tout pouvoir protecteur.
Selon l'invention, le moyen-le plus simple pour réaliser une bonne fixation, est de placer les tubes dans le moule avant d'y introduire la masse dolomitique gondronnée. Les tubes sont alors solidement emprisonnés dans la masse. Cette façon de faire, présente cependant l'inconvénient de rendre le cuivre fragile, sans doute.sous l'action des gaz réducteurs dégagés par le goudron au cours du recuite
Selon l'invention, on peut pallier à cet inconvénient en rempla- çant les tubes de cuivre par des tubes en alliage de cuivre-nickel,cet alliage étant peu sensible à l'action des gaz réducteurs.
En ce qui concerne l'usure du fond - côté plaque - par hydratation de la dolomie, la condition f ondamentale est d'utiliser un mélange oxy- gène-vapeur suffisamment chaud pour qu'il soit stable et ne donne pas lieu à condensation, de calorifuger soigneusement les conduites amenant le mélange
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et de les munir de purges judicieusement établies et de dispositifs de sécurité empêchant tout repassage de vapeur pendant les périodes d'arrêt.
A côté de ces précautions fondamentales, suffisantes pour assurer une marche satisfaisante lorsque le régime des températures s'est établi, l'expérience et les observations industrielles ont montré qu'il convenait de prévoir des précautions spéciales pour empêcher la détérioration du fond au cours des démarrages.
On aurait pu espérer mettre les fonds définitivement à l'abri de toute attaque par l'eau en assurant l'étanchéité absolue du joint du tube dans la plaque de fond par un sertissage soigné des tubes. L'expérience a montré que le problème n'était pas résolu par un moyen aussi simple. Les tubes sertis dans la plaque ne résistent pas à des mouvements de déplacement relatifs entre la plaque et la masse dolomitique. Ils se déchirent ou se fissurent et l'étanchéité disparait permettant ainsi l'attaque par toute condensation éventuelle. Pour peu que cette éventualité se réalise, la destruction s'accélère rapidement, le gonflement considérable de la dolomie en cours d'hydratation ayant elle-même pour effet d'écraser et de déchirer les tubes.
Les moyens mis en oeuvre pour parer à cette difficulté consistent, suivant l'invention, d'une part à réaliser l'étanchéité entre tubes et plaques dans des conditions qui permettent les déplacements relatifs de la plaque par rapport au fond et, d'autre part, à réaliser au démarrage des conditions qui diminuent l'importance des déplacements et des condensations.
Etanchéité.
Les déplacements de la plaque par rapport au fond sont irréguliers et localiséso Ils comportent à la fois des déplacements suivant l'axe des tu- bes et dans le plan perpendiculaire de cet axe, entraînant soit des ruptures du tube par traction, soit des cisaillages, soit les deux à la fois.
Selon l'invention, on réalise entre tubes et plaque un joint étanche, mais permettant des déplacements relatifs du tube dans la plaque à la fois dans le sens axial et dans le plan transversal (plan parallèle à la plaque)
Selon 1-'invention, on peut réaliser une liberté suffisante du tube dans le sens parallèle à la plaque en évasant légèrement le trou forré dans la plaque du côté de la dolomie. L'évasement doit laisser au moins 3 mm de jeu au débouché du tube entre tube et plaqueo
Suivant l'invention, on peut utilement renforcer la résistance mé- eanique du tube cuivre au cisaillement par une gaine métallique, par exemple en fer, le jeu de 3 mm devant alors exister entre la plaque et la gaine de fer.
Cette gaine de fer destinée à renforcer la base du tube ne doit pas pénétrer trop profondément dans la dolomie et ne doit jamais entrer en contact du bain. Une longueur de gaine de 10 cm, dont une moitié entre dans la plaque et l'autre dans la dolomie, a donné de bons résultats.
Suivant l'invention, on peut réaliser l'étanchéité avec une liberté suffisante dans le sens axial du tube par le jeu d'un petit embouti plissé de forme circulaire. Cet embouti comporte en son centre un collet dans lequel on sertit le tube de cuivrée Il comporte, d'autre part, un siège assurant l'étanchéité par contact avec la surface d'appui ménagée dans le corps de la plaque. Entre le collet et le siège, l'embouti comporte un ou plusieurs plis circulaires permettant une déformation- relativement aisée dans le sens axial.
Il est fabriqué au moyen d'un métal plus dur que le cuivre pour permettre le sertissage du tube de cuivre. Il est fait, par exemple en tôle de fer ou de Monel. L'épaisseur de cette tôle est, par exemple, de 0,3 mm, le diamètre de l'embouti, d'environ 30 mm.
Selon l'invention, on peut également réaliser l'étanchéité avec une liberté suffisante dans le sens axial en plaçant sur le tube de cuivre, un joint spécial en matière plastique résistant à une température d'environ 200 . De tels joints existent dans le commerce et sont utilisés, par exemple, pour assurer l'étanchéité au passage d'un arbre en rotation.
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Suivant l'invention, il est encore indiqué d'assurer l'étanchéité du joint de la plaque de fond sur la boîte à vent.
Techniques opératoires.
Quant aux technique opératoires capables de réduire les risques d'hydratation de la dolomie résultant du démarrage, il a été constaté que le remède n'était pas l'emploi d'une surchauffe exagérée.
Les surchauffes exagérées provoquent des dilatations, exagèrent les risques de fissuration et de rupture des tubes sans empêcher nécessaire- ment l'hydratation.
Sleon l'invention, la bonne technique consiste à réaliser dans la boite à vent et dans la masse dolomitique avant l'injection du mélange oxygè- ne-vapeur et d'une manière suffisamment progressive, une température suffisam- ment supérieure au point de rosée du mélange pour que ce mélange utilisé avec une surchauffe modérée ne puisse donner lieu à condensation par contact avec la dolomie ou les masses métalliques de la boite à vent (condensation suivant le principe dit de la paroi froide).
On réalise ce réchauffage préalable et progressif, suivant l'invention, en n'utilisant le fond sur mélange oxygène-vapeur qu'après une ou plu- sieurs coulées au vent ordinaire ou suroxygéné, ce qui permet à la masse dolomitique de s'échauffer au-dessus du point de rosée et aux dilatations thermi- ques de s'effectuer sans brutalitéo
Le vent utilisé est, suivant l'invention, à l'état échauffé. Ceci est réalisé directement lorsque la soufflante est placée à proximité des convertisseurs, ce qui donne, suivant la saison et le taux de compression, des températures de vent comprises entre 60 et 120\. Si la soufflante est trop éloignée,il conviendra, selon l'invention, et du moins pour la période hivernale, de calorifuger la conduite à vent ou même de prévoir un dispositif spécial de réchauffage du vent ou d'une partie du vent.
On peut encore, suivant l'invention, améliorer le réchauffage obtenu par la ou les coulées préliminaires au vent ordinaire ou suroxygéné en insufflant de la vapeur d'eau, de préférence surchauffée dans ce vent.
Un autre moyen pour assurer le réchauffage de la boite et de la masse dolomitique consiste, suivant l'invention, à prévoir un dispositif de réchauffage par une source de chaleur indépendante, par exemple un brûleur à gaz. Ce brûleur peut être celui déjà utilisé dans beaucoup d'aciéries pour réaliser le réchauffage des cornues.
Suivant l'invention, il est préconisé, pour la période hivernale, de calorifuger la boite à vento
Dans le cas de conversion en plusieurs phases, dont l'une utilise le vent ordinaire éventuellement suroxygéné et une autre, le mélange oxygènevapeur d'eau, il est préconisé, suivant l'invention, de proscrire les alternatives de chaud et de froid qui résulteraient d'une succession de soufflage au vent froid et au mélange oxygène-vapeur. On utilisera au contraire, un vent à température suffisante obtenu comme dit ci-dessus.
Ces techniques opératoires, suivant l'invention, permettent l'utilisation du fond dolomitique tube au cuivre sans qu'il soit nécessaire de réaliser l'étanchéité du joint tube plaque, e'est-à-dire, par exemple, en fixant simplement le tube avec un certain jeu dans la plaque, ce jeu pouvant éven- tuellement être garni d'un enduit protecteur.
On peut cependant utilement, suivant l'invention, et principalement pour la période hivernale, combiner ces techniques opératoires avec les dispositifs d'étanchéité indiqués ci-dessus.
Ce qui a été dit précédemment, se rapporte aux fonds dolomitiques tubés.
Un autre moyen de réaliser des f onds ayànt une résistance suffisante dans le cas des soufflages aux mélanges oxygène + vapeur d'eau consiste
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