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Un bon cubilot est nécessairement un mauvais four à cuve pour la réduction de minerais oxydés, car dans les cubilots, on cherche à favo- riser l'apparition d'une quantité aussi petite que possible de CO. Un bon four à cuve pour la réduction des minerais est, par contre, un four à fusion de très faible rendement,car on y fait usage d'une teneur en CO (ou en CO + H2) élevée, qui exige une consommation importante de combus- tible, car le CO contenu dans le gaz sortant constitue une perte pour le processus du four même. La combinaison d'un four de fusion avec un four réducteur présente toutefois un intérêt spécial dans bien des cas et tout particulièrement lorsque le manque commande l'emploi de matières premières déjà possédées ou peu coûteuses.
Une telle combinaison demande de nouveaux moyens pour satisfaire également aux exigences présentées à un bon four de fusion et à un bon four réducteur.
Des cubilots sont connus où l'obtention d'une faible teneur en
CO et d'une faible température des gaz sortants est réalisée en même temps qu'une allure chaude du pied, par l'emploi d'un vent chaud et par l'injection de fumées refroidies au-dessus de la zone de fusion du cubilot, particulièrement des fumées qui sortent du chauffe-vent. Outre que ce dispositif ressemble à un four de fusion proprement dit, il présente cer- tains désavantages, par exemple la réaction inverse
2 CO# C + C02 peut donner lieu à des dépôts de suie qui font augmenter la résistance de la colonne de chargement.
L'emploi de ce procédé connu sur un four à cuve et, particulièrement, l'emploi de la modification décrite selon l'invention permet de conduire dans un four à cuve qui sert en même temps à la ré- duction de minerais oxydés et à la fusion du fer brut ou de mitrailles, la marche d'une manière nouvelle dans laquelle le dépôt de carbone, qui n'entraîne que des inconvénients dans un four de fusion pur, est utilisé pour la réduction des minerais. A cet effet, il est en tout cas nécessaire que le dépôt de carbone soit conduit de manière qu'il serve à la réduction sans augmenter trop la résistance totale de la colonne de chargement.
Selon l'invention, on s'assure l'avantage d'une combinaison d'un four réducteur avec un four de fusion par le fait que le pied du four, c'est-à-dire la zone de fusion proprement dite, est conduit aussi chaud que possible par l'emploi d'air chaud, que le milieu du four est tenu à une température telle qu'une quantité suffisante de CO se produit pour la réaction et est tenu à une température suffisante pour que la réaction soit accélérée, que toutefois la température d'équilibre est maintenue par ailleurs par l'addition de fumées froides à un tel niveau et le niveau est descendu par l'addition de quantités supplémentaires de fumées froides au point qu'il n'y ait plus de quantités appréciables de CO au gueulard.
Selon l'invention, le désavantage d'un dépôt excessif de carbone est écarté et le dépôt est gardé entre des limites voulues par le fait que les fumées sont injectées non seulement en un plan, mais en deux ou plusieurs plans superposés dans la colonne de chargement. L'influence de la température et celle de la quantité de fumée injectée permettent de conduire le processus ayant lieu dans le four de manière que le pied, dans lequel on injecte un vent préchauffé à une très haute température, travaille en zone de fusion, que, dans le milieu, l'addition graduelle de fumées froides permet d'obtenir de telles température et teneur en C0, pour lesquelles la réduction des minerais oxydés et la formation de CO a lieu dans la mesure voulue, avec un dépôt augmenté de manière correspondante de carbone et qu'en outre,
une addition supplémentaire de fumées froides ou plus froides permet de diminuer encore la teneur en CO et de ramener la réaction à une température plus basse pour refroidissement.
Le processus ayant lieu dans le four à cuve peut être représenté à l'aide de la fig. 1 de la manière suivante. Chaque four à cuve, pareillement à un gazogène, consistant en une colonne de chargement, travaille
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avec un combustible consistant principalement en carbone, par exemple le coke, de manière que l'oxygène introduit avec le vent brûle avec le carbone en C02. Cette zone est appelée la zone d'oxydation. Dans la zone de réduction voisine,ce C02 se réduit en CO sur le carbone excédentaire et ce CO est le moyen'de réduction principal pour l'oxyde de fer, le GO brûlant en C02 avec l'oxygène du minerai, et est ensuite, selon la température, réduit de nouveau en CO par le coke, et ainsi de suite.
La quantité de CO qui entre en-jeu dans chaque cas est une fonction de la température d'équilibre, tandis que la température d'équilibre est donnée par le bilan thermique de la zone de réaction, c'est-à-dire par la chaleur apportée par le chargement et le vent et ôtée à : la zone de réaction sous forme de gaz et de perte de chaleur. L'établissement de la teneur en GO définitive, correspondante à l'équilibre, ne se produit pas instantanément, mais exige un certain temps. L'équilibre n'est donc pas atteint dans la zone de réduction; mais bien à la fin de cette zone.
La fig. 1 représente la zone de réduction, la teneur en CO étant portée en fonction du chemin ou du temps. La courbe 1 représente, par exemple, en principe, la variation de la teneur en CO dans un four à coke, la teneur en CO croissant depuis zéro jusqu'à l'équilibre de manière asymptotique. Si l'on influence par contre le bilan thermique du processus en augmentant les pertes de chaleur ou en diminuant l'apport de chaleur par l'introduction de fumées froides ou par un autre moyen, un autre équilibre va s'établir,par exemple celui correspondant à la courbe 2. Si l'on abaisse encore plus le niveau de température par le même moyen, un troisiè- me équilibre s'établit. La teneur en CO atteint asymptotiquement, suivant la courbe 3, son nouvel état d'équilibre.
Si l'on considère un four à cuve selon la présente invention, l'équilibre thermique est troublé dans ce four par la réintroduction de fumées froides et le niveau est par exemple ramené de 1 à 2 et,finalement de 2 à 3. Si la teneur en CO au point "a" de la courbe 1 a atteint une valeur plus élevée que celle qui correspond à l'équilibre de la courbe 2, il doit se produire une inversion de sens de la réaction qui prend le sens :
2 CO#C + CO2 c'est-à-dire qu'il se produit un dépôt de carbone qui est représenté par la surface hachurée.
Le carbone ainsi déposé se met en partie sur le coke local et en partie sur le minerai local, processus qui est particulièrement désirable à ce point, car ce carbone peut être à présent employé en tant que moyen de réduction direct sans trop augmenter la résistance du four par des obstructions exagérées de la section d'écoulement. Si l'on abaisse le niveau de température de 2 à 3, par exemple par l' addition d'un supplément de fumées froides, il se produit de nouveau un dépôt de carbone jusqu'à ce que s'établisse le nouvel équilibre.
La fig. 2 représente les mêmes relations pour une modification multiple du niveau de température d'un four à cuve par l'introduction de fumées froides; on y voit que la modification de l'intensité du dépôt de carbone par cette répartition multiple de l'introduction des fumées dans le four est possible car, de cette manière, on répartit le dépôt de carbone entre des limites voulues sur une gran- de hauteur de la cuve.
Les fig. 3, 4, 5 et 6 représentent divers exemples de réalisation sous forme schématique. Dans tous les cas, 1 indique le four à cuve 2 le chauffe-vent, 3, le foyer, pour le chauffage du chauffe-vent, 4 la conduite de vent chaud et 6 la conduite de retour par laquelle les fumées froides sortant du chauffe-vent 2 sont injectées dans la colonne de chargement. Dans l'exemple, se trouvent représentées deux installations à recirculation, mais on peut en utiliser davantage.
La fig. 1 représente le cas le plus simple dans lequel un four à cuve 1 est soufflé par un vent qui est traité dans un chauffe-vent 2 par le chauffage direct réalisé par un foyer 3. 4 est la conduite de vent
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chaud menant vers le four à cuve, le dessin ne représentant qu'un seul en- droit d'injection, tandis qu'en fait, il y a une boîte à vent annulaire comportant de nombreuses tuyères, éventuellement disposées en plusieurs plans. La même remarque vaut pour la réinjection de fumées froides dans le four à cuve.
Les fumées du combustible brûlé dans le foyer, provenant d'un combustible qui est de nature quelconque et peut consister en un com- bustible meilleur marché que le coke employé dans le four à cuve 1, sont injectées après avoir quitté le chauffe-vent 2 par les conduites de réin- jection 5 et 6 dans la colonne de chargement 2 du four à cuve. De cette manière, on réalise le processus décrit ci-dessus et représenté fig. 1 et
2 dans le chargement du four à cuve. S'il y a plus de fumées qu'il n'est nécessaire d'introduire dans le four à cuve, cet excédent peut être rejeté à l'air libre par la conduite 7. Pour un mèilleur réglage de la températu- re dans le four à cuve, on peut régler les fumées selon la quantité et selon la température de manière voulue.
La fig. 4 montre ainsi un four à cuve comportant une chauffe-vent double 2a et 2b qui est directement chauffé par le foyer 3. Une partie des fumées est réinjectée par la conduite à une température encore plus haute dans le four à cuve, l'ex- cédent des fumées est réinjecté dans le four à un niveau plus élevé à une température plus basse, de manière qu'on puisse obtenir un réglage très précis de la température en tout point de la colonne du four.
La fig. 5 représente une autre variante du dispositif, dans laquelle l'établissement de la température de passage des fumées du foyer 3 dans le chauffe-vent 2 a lieu par la réintroduction d'une partie des gaz du four, à l'aide de la conduite de retour 8 et du ventilateur centrifuge 9.
Au lieu de réintroduire par un ventilateur les gaz de four, on peut aussi, pour régler la température à la hauteur voulue dans le foyer, réintroduire, selon la fig. 6, une partie des fumées par la conduite 8 et le ventilateur centrifuge 9. Une autre réalisationduprocédé est possible par l'introduction de petites quantités d'eau dans le four à cuve avec le vent, eau qui, de manière connue, peut améliorer, pour un choix judicieux de la quantité d'eau, les échanges de chaleur dans le pied de la cuve.
Il se forme dans ce cas, des quantités supplémentaires de CO et H 2 qui ne sont pas désirables dans les cubilots normaux, mais qui, dans le four à cuve combiné, sont avantageuses pour la réduction des minerais et la fusion,car le rabattement, effectué selon l'invention, du niveau d'équilibre, combine de nouveau le CO et le H2 excédentaires en CO2, H20 et C endessous de la zone de réduction.
Un avantage particulier consiste en ce que la partie de la dépense de chaleur qui est amenée par le vent chaud dans le four à cuve peut être produite par un combustible qui est meilleur marché que le combustible de four habituel. On peut ainsi envisager les charbons bon marché, la poussière de charbon, le gaz, les huiles résiduaires, etc... Toutefois, il est possible d'employer dans le four à cuve même des granulés de combustible, bien qu'ils ne soient normalement pas admissibles dans cette sorte de four à cuve, car ils donnent lieu autrement à une haute teneur en CO.
Il est aussi possible de faire usage, avec les appareils décrits, d'un coke en petits morceaux, par exemple des braisettes, et de diminuer ainsi encore plus les frais de combustible. Un autre avantage lié à l'emploi de coke en petits morceaux consiste en la diminution de la hauteur de charge, car la partie de la hauteur de charge qui revient au coke même peut être D diminuée directement proportionnellement au diamètre moyen des morceaux.
Cela donne des fours plus bas et des frais moindres.
En développant davantage l'invention, on peut tirer, pour le chauffage du chauffe-vent des gaz que l'on prélève du four à cuve même, en dessous de la zone de fusion, ainsi que le montre la fig. 5 par la ligne en pointillé. Cela donne d'autres possibilités multiples de combinaison avec les moyens ici décrits et les moyens connus dans l'utilisation
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des fours à cuve. La possibilité s'offre de faire marcher le four à cuve même avec un combustible meilleur marché de peu de valeur et de s'en remettre sur un chauffage supplémentaire d'origine étrangère du chauffe-vent, entièrement ou partiellement, et néanmoins d'assurer les avantages de l'idée inventive décrite dans l'introduction.
Pour les fours à cuve décrits ci-dessus, on admet que ces fours sont chauffés normalement par le combustible habituel, par exemple le coke. Dans certains cas, on peut se procurer un minerai approprié au four, mais, par exemple, point de charbon bon pour en faire du coke. Dans ce cas, il est désirable de pouvoir chauffer le four à cuve pour la fusion du fer brut et pour la réduction du minerai par d'autres combustibles, par exemple par des combustibles liquides, comme l'huile, ou des combustibles gazeux, comme le gaz naturel.
Des procédés sont connus consistant à pratiquer la réduction de minerais oxydés de fer par des mélanges gazeux qui, par exemple, sont obtenus par un processus de transformation de l'huile ou du gaz naturel par un traitement thermique ou par une combustion partielle avec l'oxygène. On cherche uniquement jusqu'ici à obtenir par de tels processus une réduction de minerai et le produit est appelé fer spongieux, qui est fondu en dehors du four à cuve, dans un four électrique ou dans un four Sie- mens-Martin et y est transformé en acier. Si l'on ne part pas d'un minerai de fer très pur, on doit opérer une séparation spéciale du fer de la gangue. Ce procédé donne lieu à d'importantes modifications relatives à la capacité et à l'économie du processus d'obtention de l'acier.
Là capacité du four est particulièrement limitée en ce que les températures ne peuvent augmenter au-delà de la température d'agglomération du minerai ou du fer pour. procurer sûrement un fonctionnement irréprochable du four.
Les réductions et la fusion séparées sont en outre accompagnées de pertes de chaleur supplémentaires.
Le procédé selon l'invention décrit pour un four de fusion et de réduction chauffé au combustible solide peut être toutefois appliqué @ avec quelques modifications au chauffage au gaz d'un tel four de fusion et de réduction. La construction proposée du four et sa conduite ouvre une série de possibilités pour la réduction au gaz et aussi pour la réduction au gaz liée à la réduction par des combustibles solides. Le principe du procédé va être exposé à la faveur d'un exemple.
Dans le dessin,1 représente le four de réduction et de fusion qui, comme l'indiquent les lettres majuscules, est divisé en une zone de fusion S, une de réduction R, une zone de dépôt de carbone C et une zone de préchauffage V. Sous le four se trouve un échangeur de chaleur 1 qui est chauffé par un foyer 3. On suppose par exemple qu'on ne peut disposer que de gaz naturel pour la réduction et la fusion. A l'endroit 4, le gaz naturel est introduit dans le foyer 3 et y est brûlé avec l'oxygène. Pour diminuer la température trop élevée qui s'établit alors, des gaz de gueulard ou des fumées froides sont réintroduits par la conduite 6 dans le foyer et on obtient ainsi la température désirée.
Les fumées cèdent leur chaleur, dans l'échangeur de chaleur 2, aux gaz de réintroduction qui sont tirés de la partie supérieure du four à cuve et, à l'aide du ventilateur centrifuge 9, sont injectés par la conduite 8 dans l'échangeur de chaleur et, de là, dans la zone de fusion du four à cuve. Les tuyères du four à cuve reçoivent donc le gaz naturel par la conduite 5 l'oxygène par la conduite 7 et les gaz de réintroduction préchauffés par la conduite 8 et 10.
Le dosage de ces trois composantes gazeuses permet d'obtenir toute température de fusion voulue dans le creuset du four de fusion et, par suite du préchauffage élevé des gaz de réintroduction, de faire usage d'un minimum d'oxygène. Les fumées produites par le processus de combustion destiné au chauffage de l'échangeur de chaleur 2 sont réinjectées, pareillement à ce qui est pratiqué pour les fours à cuves décrits qui font usage de combusti-
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bles solides, par des conduites 11 en plusiours endroits dans le four à cuve pour refroidir les gaz de cuve ascendants au-dessus de la zone de réduction dans la mesure où la formation de CO est considérablement rédui- te.
Il se produit dans ce processus un dépôt de carbone par la décomposi- tion de CO et l'on règle la quantité et la température des gaz réinjectés dans le four à cuve de manière que, dans ce cas, se produisent les dépôts les plus abondants de carbone. Ce carbone se déplace vers le bas avec le minerai et le fondant dans le four à cuve et parvient dans la région où les gaz chauds, contenant de préférence CO2 et H20, s'élèvent à partir de la zone de fusion. Le CO2 y réagit avec le carbone formé, avec formation de CO et de H2 et le CO,ainsi que le H2 formé de la même manière, servent de moyen réducteur dahs la zone de réduction. Tant qu'il y a un excès de fumées, il peut être évacué par la conduite 12.
Le même dispositif permet de réaliser la marche du four de fu- sion et de réduction par l'air, Dans ce cas, l'air est amené déjà avant l'échangeur de chaleur et y est réchauffé. Pour empêcher néanmoins un en- richissement en azote, on ne réintroduit pas par la conduite 9 les gaz de gueulard du four à cuve, mais on peut utiliser à cet effet, de manière connue, d'autres gaz, par exemple du C02 qui peut être récupéré par le lavage du gaz de gueulard par un autre procédé ou provenant de sources étrangères, pour augmenter la teneur en C02 dans les gaz introduits dans le four à cuve. Dans ce cas, on amène le gaz naturel par la conduite 5 et on le brûle avec ce mélange de C02 et d'air, très chaud., dans la zone de fusion du four.
Le chauffage de l'échangeur de chaleur 2 a lieu dans ce cas par la combustion du gaz naturel avec l'air; les fumées de ce processus de com- bustion sont réinjectées par les conduites 11 dans le four à cuve et l'excédent est évacué par la conduite 12.
Le dessin représente trois conduites 11. En principe, on désire un grand nombre de conduites et un grand nombre d'endroits d'injection, mais pour-des raisons pratiques, on doit limiter ce nombre d'endroits de réinjection à quelques uns.
Cette marche à l'oxygène et à l'air et la marche non explici- tement décrite à l'air enrichi en oxygène donnent lieu à une autre variante encore du procédé, dans lequel on ne se limite pas au dépôt de carbone dans la seule zone C du four à cuve 1, mais dans lequel une petite quantité de coke est chargée avec le minerai. De cette manière, la consommation de carbone du four est indépendante de la quantité de carbone provenant de la décomposition. Dans les pays où il y a manque de coke ou de charbon à coke approprié, on peut aussi penser à utiliser le coke de pétrole. La quantité du coke à charger n'est qu'une fraction de la quantité de coke nécessaire pour la marche utilisant uniquement les combustibles solides.
Cette quantité de coke peut être réduite de toute manière voulue, jusqu'à zéro, comme le montrent les procédés décrits ci-dessus.
Il est en outre possible d'employer, au lieu du gaz naturel, d'autres gaz, particulièrement les plus riches en hydrocarbures. Il est aussi possible d'employer des combustibles liquides comme le pétrole et les dérivés du pétrole qui jouent le rôle du gaz naturel. Ces combustibles ne pourraient être employés dans un four de construction ordinaire, car une condition importante de la mise en oeuvre du procédé est le préchauffage élevé de l'air comburant et des gaz de réintroduction et, pour des raisons d'économie, la réinjection des fumées froides dans le four à cuve, pour contrecarrer la formation du CO et pour favoriser le dépôt du carbone.
Le mode d'exploitation du four de fusion et de réduction décrit donne lieu à une variante où des gaz réducteurs à haute teneur en CO et en H2 peuvent être injectés au-dessus de la zone de fusion, comme l'indique la ligne en pointillé 13. Ces gaz réducteurs peuvent être obtenus par un processus de décomposition thermique ou une combustion partielle avec l'oxygène du gaz naturel ou des gaz hydrocarbonés ou du pétrole. Cette in-
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troduction par la conduite 13 ne touche pas la zone de fusion du four.
Les gaz introduits se mélangent avec les gaz contenant le CO2 et le H20 sortant de la zone de fusion et servent uniquement à la réduction de l'oxy- de dans la zone de réduction. Leur effet est accru par la nouvelle formation de CO et de H2 à partir du CO2 et du H20 provenant de la zone de fusion et avec le carbone séparé dans la zone C et se déplaçant vers le bas.
Une autre modification du procédé résulte de la possibilité, particulièrement lors de la marche à l'oxygène, de renoncer à l'échangeur de chaleur et de réinjecter des fumées froides provenant d'autres sources dans la cuve du four à cuve. On peut envisager de préférence les fumées de chaudière provenant des mêmes combustibles gazeux ou liquides, et régler, avec l'oxygène ou une addition de gaz de réintroduction, le maximum de température, ou encore par la combustion avec l'air. Dans ces? cas, les gaz de réintroduction provenant de la partie supérieure du four à cuve ne sont pas préchauffés, mais sont introduits directement avec le combustible et l'oxygène dans la zone de fusion du four à cuve.
REVENDICATIONS.
1. - Four à cuve destiné au traitement des minerais et à la fusion du fer comportant de préférence un chauffe-vent à feu direct, caractérisé en ce que les fumées froides sortant du chauffe-vent sont réintroduits dans la colonne de chargement du four à cuve.