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La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de la fonte au haut-fourneau par insufflation d'air, en partant de minerais me- nus ou fins, sans agglomération préalable, un four pour la mise en oeuvre de ce procédé et une tuyère utilisée dans un tel fouro
On sait les difficultés rencontrées quand on charge directement (c'est-à-dire sans agglomération préalable) dans le haut-fourneau des maté- r iaux à l'état menu ou compiètement l'état de poudre.
Ces matériaux menus et ces poudres, en tombant de la benne ou du skip dans le haut fourneau, restent en suspension dans le courant gazeux qui les entraîne partiellement. En employant des matériaux à forte proportion de poudre, ou bien des matériaux se pulvérisant pendant le chargement, on a recueilli, dans certains cas, un poids de poussière dans les épurateurs, dé- passant 10 % du'poids'de la fonte produite.
Ces matériaux en poudre causent de graves inconvénients dans le fonctionnement du haut-fourneau, soit lorsque les moyens de chargement com- portent des organes qui amènent la charge au contact direct des parois (clo- che de distribution large) soit dans le cas inverse (cloche étroite)o En effet, dans le premier cas, les poudres descendent le long des parois en adhérant au réfractaire, c'est-à-dire en formant ce que l'on appelle des "revêtements" qui, à leur tour, empêchent un éboulement régulier de la char- ge, notamment à la hauteur du ventre du haut-fourneau, ou un peu plus haut, et, souvent,elles arrivent à bloquer le four ou à former des "voûtes" qui s'éboulent par intermittence en conduisant à une fonte de composition irré- gulière et de mauvaise qualité -(parce qu'elle est riche en soufre)
Les éboulements intermittents provoquent la chute sur le bain (de fonte et de laitier) à très haute température d'une matière qui n'a pas subi une préparation convenable et ils provoquent aussi de forts bouillonnements, avec sortie de laitier par les tuyères et danger pour les personnes qui se trouvent près du fouro
Ces inconvénients s'aggravent si les minerais traités contiennent des alcalis, du zinc et, en général, des matières qui se volatilisent à hau- te température et qui se condensent de nouveau à basse température.
Ainsi, par exemple, le zinc que l'on obtient par réduction se volatilise et, en pré- sence de CO2, s'oxyde de nouveau dans la zone du ventre et de'la cuve en formant ZnO qui se dépose sur les parois en produisant des "revêtements"o
Au -contraire, dans le cas où les poudres sont employées dans des fours ayant une cloche de distribution petite par rapport au diamètre du four elles créent une zone centrale peu perméable, de sorte que les gaz s'échap- pent le long des parois et le four travaille comme une "cheminée". les gaz de sortie ont une teneur élevée en CO et faible en CO2, par conséquent le rendement de la réduction est bas (insuffisante réduction indirecte).
Un examen plus approfondi du comportement à haute température du minerai en morceaux et, respectivement, du minerai en poudre, a permis d'éta- blir que le miherài en morceaux se réchauffe régulièrement au contact du gaz passant entre les morceaux et qu'il subit progressivement la réduction et, par conséquent, qu'il se transforme régulièrement en fonte et en laitier à basse teneur en oxyde de fer dès qu'il arrive dans les zones à très haute température ; au contraire les poudres se comportent de façon tout-à-fait différente, puisque sous l'effet de la chaleur elles revêtent immédiatement d'une croûte réduite et demi-fondue isolante la partie intérieure qui, par- tant, se chauffe très lentement ;
parconséquent, il se forme des blocs impé- nétrables à l'action des gaz qui arrivent dans la zone très chaude, tandis qu'à l'intérieur ils sont encore formés par de l'oxyde de fer plus ou moins aggloméré, la fusion se produit donc avant que la réduction soit complète, et on obtient un laitier à haute teneur en FeO, ce qui nuit aux conditions
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- de¯ marche du four (haute teneur en soufre dans la fonte et forte consomma- tion de coke).
Il arrive, par conséquente que les blocs de poudres se comportent, dans un certain sens, comme des blocs de minerai de dimensions excessives (lesquels, comme on le sait, parviennent au creuset sans avoir subi les ré- actions préparatoires et ne subissent,pas la réduction indirecte) et qu'ils se conduisent même de façon pire parce que la formation de la susdite croûte empêche la chaleur de parvenir régulièrement à l'intérieure
La situation est encore pire quand, avec la poudre de minerai, des- cned une petite quantité de poudre de àoke;
dans ce cas, il se forme des blocs à demi-réduits et semi-fluides, auxquels, spécialement le long des parois de la cuve, s'incorporent d'autres matériaux de la charge, en formant des ponts ou revêtements imperméables aux gaz et qui empêchent l'éboulement régulier de la charge, avec les conséquences précédemment indiquées.
En somme, un four de type connu traitant des poudres a une marche très irrégulière : la pression change sans cesse, ainsi que le pourcentage de CO2 dans les gaz, et la qualité de la fonte produite. Ce n'est que dans les cas exceptionnels, à condition de contrôler, avec précision, et de fa- çon continue, les modalités de chargement, que 1 on peut utiliser sans graves inconvénients une charge qui contient un petit pourcentage de matiè- re en poudre.
La tendance, indiquée plus haut, à la formation de voûtes est aussi en relation avec la forme du four, puisque le haut-fourneau de cons- truction usuelle a une section horizontale relativement limitée avec des parois qui, en se revêtant de dépôts de maté.:ci.aux (déjà désigné par le nom de "revêtements"), facilitent l'appui périphérique des voûtesCelles-ci se.
forment suivant les lignes isothermes à l'intérieur du matériel de charge, en constituant des sortes de calottes à concavité dirigée vers le hauto
La présente invention concerne un procédé spécial qui permet d'ob- vier aux inconvénients indiqués ci-dessus et de produire de la fonte dans un four @ insufflation d'air dans lequel peut être traitée une charge cons- tituée entièrement par de la matière fine (dimensions ces grains de 0,1 mm à lmm) ou pulvérulente (à dimensions inférieures à 0,1 mm)o Il permet aussi de traiter du minerai ayant des dimensions plus grandes (jusqu'à environ 5 mm)o
L'invention a aussi pour objet un four convenant particulièrement bienpourle mise en oeuvre du procédé et une tuyere susceptible d'être em- ployée dans le dit fouro
Le procédé suivant l'invention,
d'après lequel on effectue la ré- duction de --Baserais métalliques en morceaux menus (non agglomérés d'une ma- nière quelconque) avec du charbon (dont au moins un tiers est en morceaux de dimensions inférieures à 10 mm) et de scorifiants (en morceaux de 0-10 mm), en insufflant de l'air préalablement chauffé à environ 700 C, pour obtenir du métal et du laitier qui se rassemblent au fond du bassin et qui sont extraits de manière connue, procédé qui est remarquable en ce que l'on opère avec une épaisseur de couche des matériaux de charge, au dessus du laitier liquide, inférieure ou égale à 1,80 m, que l'air est introduit dans cette couche en, au moins, trois points, au-dessous d'un plan passant au tiers de la hauteur de la couche,
cette introduction ayant lieu à l'aplomb du centre de gravité de polygones convexes obtenus en subdivisant la surface horizontale du bas- sin, chacun de ces polygones ayant une aire inférieure ou égale à 6 mètres carrés et ses sommets à des distances du centre de gravité correspondant qui sont entre elles dans un rapport compris entre 2/3 et 4/3/ Les modalités indiquées ci-dessus ont pour but d'éliminer pratiquement, soit, la courbure des surfaces isothermes près de la zone de fusion, soit, l'action de "soutènement" des parois.
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Exemple d'application du procédé :
Dans un petit four expérimental, ayant un bassin, ou cuve, carré relativement étendu de 5 x 5 mètres et 9 tuyères (du type qui sera décrit plus en détail par la suite), on a chargé la matière suivante (rapportée à 1000'kg de fonte produite):
EMI3.1
<tb> minerai <SEP> fin <SEP> enrichi <SEP> à <SEP> 59 <SEP> % <SEP> de <SEP> Fe <SEP> 1710 <SEP> kg
<tb>
<tb> coke <SEP> en <SEP> petis <SEP> morceaux <SEP> (de <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 40 <SEP> mm) <SEP> 760 <SEP> "
<tb>
<tb> calcaire <SEP> en <SEP> morceaux <SEP> de <SEP> 0/10 <SEP> mm <SEP> 200 <SEP> "
<tb>
La charge, bien mélangée avant son introduction dans le four, occupait une couche d'une hauteur totale de 110 cm; dans cette couche péné- traient, du haut, neuf tuyères jusqu'à une profondeur de 90 cm.
Les tuyères insufflaient dans la charge de l'air chauffé à environ 680 C' à une pression de 1,6 atm qui s'avéra suffisante pour intéresser au- tour de chaque tuyère une zone ayant un rayon de plus d'un mètre. Le volume d'air introduit correspondait à un débit de 2600 + 2800 m3 par tonne de co- ke sec.
Les tuyères étaient refroidies par de l'eau qui circulait dans chacune de celles-ci avec un débit de 15 litres par minute et qui subissait un réchauffement de 18 C.
On 2 obtenu une production journalière d'environ 50 tonnes (c'est- à-dire 2 T/m ) de fonte à teneur moyenne en carbone, et de fonte pour fon- deries, avec production d'un laitier analogue au laitier du haut-fourneau et une production de gaz s'échappant à une température comprise entre 100 et 150 C et qui contenait de 22 à 25 % de CO2
Par mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, on a donc pu traiter un minerai qui ne pouvait pas l'être par l'une des méthodes précédem- ment connues.
Le four suivant l'invention est remarquable en ce qu'il est fermé, qu'il comporte un bassin de coulée relativement étendu et d'une hauteur li- mitée, et plusieurs tuyères descendant à l'aplomb des sommets d'un réseau dont les côtés ont une longueur inférieure à deux mètres,-. il en résulte, au point de vue fonctionnel que la section horizontale de ce bassin reste sub- divisée en zones, à chacune desquelles correspond l'action d'une tuyère dis- posée dans l'axe de la zone.
De préférence, les organes qui portent ces tuyères permettent de les déplacer lentement, soit, horizontalement soit verticalement, même pen- dant la marche du four.
Dans une forme particulière de réalisation, chaque tuyère traverse la voûte du four, par l'intermédiaire d'un joint hydraulique, pour empêcher les fuites de gaz.
La tuyère suivant l'invention est constituée par un tube métalli- que à double paroi, refroidi par circulation d'un fluide, revêtu d'un iso- lant thermique à l'intérieur et fermé à l'extrémité inférieure, de manière à ménager une chambre communiquant avec l'extérieur par plusieurs ouvertures à direction sensiblement radiale avec une faible composante dirigée vers le bas.
Quand le support de la tuyère permet le déplacement de cette der- nière pendant le fonctionnement du four, il peut être avantageux que sa sur- face externe soit munie d'ailettes qui, pendant le mouvement, peuvent ainsi remuer la charge.
A titre nullement limitatif, on a représenté au dessin annexé une formé préférée de réalisation de la tuyère suivant l'invention (avec quelques
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variantes) ainsi qu'une fig. forme préférée de réalisation du four, dessin sur lequel : la fige 1 est une vue en coupe verticale axiale d'une tuyëre ; la fige 2 est une variante de la fig. 1 ; la et, 3 est une vue, à plus grande échelle, d'une portion du corps de la tuyère ;
la figo 4 est une vue d'un détail du système de traversée de la voûte du four, 5, les fige horizontale 6, 7 représentent, respectivement, en coupe longitu- dinale partielle, en projection l'invention. et en coupe transversale, un four suivant 1),
Dans l'exemple représenté au dessin (figo une la tuyère de souffla- ge suivant l'invention est constituée par un bras formé d'un tube extérieur 1 et d'un tube intérieur 2, maintenus à certaine distance 1 un de l'au- tre, de manière à laisser entre eux un espace libre 3, dans lequel on fait circuler un liquide réfrigérant, le tube 2, à son tour, étant revêtu à l'intérieur d'un tube 4, en matière réfractaire, en contact direct avec le tube 2, et qui ménage un passage central libre 5 par lequel arrive l'air chaud sous pression.
L'extrémité inférieure du conduit 5 présente un fond arrondi et est en communication avec l'extérieur au moyen d'un certain nombre d'ouver- tures 7 à direction sensiblement radiale, avec toutefois une faible composan- te verticale dirigée vers le -bas.
A l'intérieur de l'espace 3 est disposé un tube 10 pénétrant jus- qu'au fond de la tuyère et parcouru,!1:par un liquide réfrigérant, qui arrive par un tube 17 et qui s'échappe du dit espace 3 par une tubulure spéciale 18.
Dans une autre forme de réalisation, représentée sur la figo 2, la tuyère comporte les mêmes éléments que ceux déjà décrits et portant les mê- mes chiffres de référence 1,2,3,4,5 mais ici les ouvertures de sortie 8 ont une forme allongée et lefond arrondi présente la forme d'une calotte 9,
Dans une variante, conrespondant à la figo 3, la tuyère de souffla- ge, indiquée dans l'ensemble par 1, peut être munie d'ailettes en saillie à la périphérie vers l'extérieur et servant à remuer la charge quand la tuyè- re est animée d'un petit mouvement alternatif dans le sens vertical.
La fig, 4 montre une possibilité de montage de la tuyère 1 sur la voûte 12.,du four avec des moyens réalisant un joint hydraulique, constitué par une petite cuve annulaire 32, destiné à contenir un liquide, fixée sur la voûte 12 et ouverte vers le haut, dans laquelle pénètre un'organe en for- me de cloche 33 fixé sur le corps de la tuyère 1 et dirigé vers le bas.
Les figo 5, 6, 7 montrent clairement, quoique d'une manière sché- matique, les caractéristiques de construction du four suivant l'invention.
Celui-ci comprend un bassin ou cuve 11, de surface horizontale très étendu et d'une hauteur limitée, fermé par une voûte 12 traversée par des trémies 13 ainsi que par des organes de guidage qui ne laissent pas passer les gaz (par exemple du type représenté sur la fig, 4) dans lestais sont intro- duites, par le haut, les tuyères de soufflage 1 qui reçoivent l'air du tube distributeur 14 alimenté par le collecteur 15.
Les tuyères sont aùssi alimentées en eau de circulation qui arri- ve froide par le tube 17 et qui est évacuée par le tube 18 (fig. 1).Les parois du four sont traversées par les canaux 20 d'évacuation des gaz qui
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vont aux collecteurs 21, et par l'ouverture 22 de déchargement du métal pro- duit et du laitier.
L'ensemble des tuyères subdivise la, surface du bassin (fig. 6) en plusieurs zones en contact mutuel (qui même péuvent chevaucher) indiquées sur la figure par les cercles 29 qui définissent la zone d'action de chaque tuyè- re, c'est-à-dire l'espace auquel arrive l'air soufflé par la tuyère.
L'emploi de la tuyère décrite et le fonctionnement du four ressor- tent clairement de la figo 7 ; on prépare sur le fond du bassin une charge de coke 23 qui arrive un peu au-dessus des orifices 1, d'où sort un jet d'air chaud sous pression qui alimente la combustion du coke ; au-dessus du coke on fait arriver, au moyen des trémies 13, des couches alternées de minerai 24 et de coke 25, avec des scorifiants convenables, qui sont renouvelées à intervalles convenables de manière à maintenir constant le niveau supérieur de la charge, sans jamais atteindre le niveau des conduits 20 ;
dans cer- tains case on préfère mélanger au préalable les minerais, le coke et les char- ges correctrices, au lieu de travailler en couches alternées.,
Grâce à la combustion du coke, activée par l'insufflation par les tuyères, d'air chaud et sous pression, on obtient une température élevée qui provoque la réduction du minerai 24 en contact avec cet air ; il se forme ainsi' de petites zones de métal qui descendent au fond, en 26, et qui,sont successivement extraites par l'ouverture 22, en même temps que se forme une couche de laitier 27 qui flotte sur la couche précédente et qui sert à épurer le métal qui traverse successivement ce laitier.
Ainsi qu'on .le voit sur les fige 5, 6 et 7, les tuyères de souffla- ge 1 sont alimentées par des tubes distributeurs d'air, alimentés à leur ' tour par un collecteur général-15.
De ce qui précède, il résulte que, si l'on suit le procédé décrit, et si l'on opère avec le four également décrit, on ne permet pas à la matiè- re en poudre constituant la charge de s'agglomérer et de former des "ponts" ou des voûtes qui, ou bien, ne peuvent pas se former du tout, ou bien, ne peuvent pas se maintenir sur toute la section du four et ne pourraient pas intéresser seulement une zone limitée du four en l'absence d'un effet de soutènement en périphérie. Par conséquent, on peut traiter des matériaux constitués uniquement par des poudres.
Un autre avantage réside dans la mobilité des tuyères qui peuvent être soulevées ou'abaissées même pendant la marche du four, en déplaçant dans celui-ci les zones oxydantes (où prévaut le CO2) et les zones réductrices (où l'on a un excès de CO).
Pour proportionner la hauteur de la charge au-dessus des orifices de sortie des tuyères, on fait en sorte que cette hauteur moyenne ne dépas- se pas la moitié du côté du carré équivalent à l'aire du bassin du four ; de cette manière, on évite:les phénomènes de faux éboulement et d'agglomération de la charge le long des parois.
Il est bon que la charge soit effectuée de manière à lui faire prendre une hauteur plus grande le long du corps de la tuyère, c'est-à-dire de manière à lui faire former une sorte de cône partiel, une hauteur légé- rement plus grande correspondant ainsi au zones où la pression de l'air chaud est plus élevée ; les gaz ont ainsi tendance à s'échapper uniformé- ment de toute la surface de la charge.
On peut opérer en marche acide (avec une faible consommation de coke) par exemple pendant 20 heures, ensuite extraire le laitier acide et affiner la fonte dans les 4 heures suivantes, grâce à l'emploi de laitiers fortement désulfurants; on utilise, dans ce cas, les tuyères mobiles dans le sens vertical. Il peut aussi être utile d'avoir plusieurs ouvertures, pour
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la coulée des laitiers, situées à des hauteurs différentes.
Le four suivant l'invention peut aussi servir comme four-réservoir (mélangeur ou affineur ' lorsqu'il est construit pour pouvoir contenir la production de 24 heures (ou de 48 heures) de manière à produire une qualité moyenne constante.
De la description qui précède, on voit que la construction du four et des tuyères et les modalités de fonctionnement décrites permettent aux gaz de la réaction de traverser uniformément la couche de charge qui est maintenue meuble'et perméable, de telle sorte quj'une colonne ascendante de gaz entoure les grains.
L'uniformité de distribution de l'air peut être encore accrue par utilisation d'une tuyère multiple, c'est-à-dire constituée par un bras ra- mifié et qui se termine sous forme de plusieurs canaux adducteurs d'air, chacun desquels étant muni de plusieurs orifices de sortie.
On a indiqué les valeurs numériques parmi lesquelles on doit choi- sir la hauteur de charge et la limite inférieure pour la dimension du four dans le sens horizontal*
Ces valeurs sont critiques en ce qui concerne le fonctionnement du four, c'est-à-dire pour l'application du procédé suivant l'invention, puisque, si l'épaisseur de la charge était inférieure à 0,80 m ; on aurait une forte perte de chaleur et les gaz sortiraient trop chauds ; inversement, l'expérience a démontré que, si la dite couche de charge avait une épaisseur supérieure à 1,30 m, les gaz ne pourraient plus se dégager en-traversant ré- gulièrement la charge et il y aurait formation. de voûtes et de zones agglo- mérées.
Ainsi, un four de largeur inférieure à trois mètres donnerait lieu à un fonctionnement peu sûr, parce que la charge pourrait déjà avoir tendance à prendre appui sur les parois et ne pas descendre régulièrement.
Enfin, on a fixé à trois au moins le nombre de tuyères dans le sens de la dimension horizontale la plus petite du four, afin de rompre en au moins trois points la voûte qui tendrait à se former par suite d'une éven- tuelle agglomération spontanée de la charge, en l'empêchant de se maintenir par simple appui des parois latérales. En effet, à l'aplomb des tuyères, les températures sont plus hautes et la voûte subit une interruption.