<Desc/Clms Page number 1>
PERFECETIONNEMENTS AUX PROCEDES ET APPAREILS DE FABRICATION DE GAZ OU MELANGES
GAZEUX UTILISABLES EN METALLURGIE ET A LEURS APPLICATIONS.
La présente invention vise la fabrication de gaz combustibles ou de mélanges gazeux à teneur élevée en hydrogène comportant une proportion d'hy- drocarbures gazeux déterminée à l'avance et qu'on peut à volonté fixer, soit fai- ble, soit très faible et même pratiquement nulle.
Elle couvre des procédés et appareils permettant la fabrication d'un tel gaz combustible ou d'un tel mélange gazeux, ainsi que son utilisation comme atmosphère gazeuse enveloppante pour pro- téger contre l'oxydation, conserver ou modifier la teneur en carbone, des métaux qu'on soumet aux divers traitements susceptibles d'en altérer la composition et les propriétés, c'est-à-dire qu'on peut rappliquer au découpage des métaux, à
<Desc/Clms Page number 2>
la réduction des oxydes métalliques, au recuit, à la brasure , soudure, etc..., à l'aide des modalités d'application et des appareils qui seront décrits plus loin, après l'étude du procédé de fabrication des gaz et des mélanges gazeux objet du brevet ainsi que de leur application générale dans la métallurgie.
Le procédé objet de l'invention permet de traiter un hydrocar- bure gazeux ou un mélange contenant un tel hydrocarbure, à une température éle- vée, déterminée et maintenue de toile façon que cet hydrocarbure donne lieu à la production d'un mélange gazeux da composition déterminée à l'avance, soit non carburant, soit carburant dans certaines limites réglables, soit même dé- carburant.
Le mélange gazeux, qui constitue un nouveau produit industriel, comporte un gaz réducteur non carburant, tel que l'hydrogène ou l'axyde de car- bone (ou même les deux), soit exempt pratiquement d'hydrocarbure gazeux, soit mélangé à une proportion définie d'hydrocarbure gazeux à l'état normal et stable (tel que la méthane) avec ou sans gaz inactif (tel que l'azote):Comme exemple type du produit gazeux obtenu par le procédé objet de l'invention, on peut citer celui qui comporterait environ 75% d'hydrogène, 20% d'oxyde de carbone et envi- ron 1% de méthane, le reste étant composé de constituants inactifs tels que l'azote.
Ce produit convient pour envelopper les métaux à température élevée (dans un four de métallurgie ou un autre appareil par exemple), et il doit pré- senter les propriétés qu'exige l'application désirée, c'est-à-dire offrir à tem- pérature élevée des caractéristiques "carbo-actives" telles qu'il exerce soit une action carburante, soit une action décarburante définie, soit aucune action c'est-à-dire qu'il peut être neutre (les propriétés carburantes, décarburantes ou neutres étant obtenues à volonté d'après l'invention).
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donné]* simplement à.titre d'exemple et sans aucune limitation, et dans lesquels :
La Fig.l représente un schéma des appareils qu'on peut utiliser pour l'application du procédé (mélangeur, chambre de faction pour la gaz, dis- positif de commande de vapeur stc..)
La Fig.2'représente de façon plus détaillée, en coupe verticale, l'élément dit "chambre de réaction" qui a pour but, comme élément 6 de la Fig.1 de soumettre la mélange gazeux à une température élevée déterminée à l'avance.
<Desc/Clms Page number 3>
La Fig.3 représente schématiquement, partie en coupe, un ensem- ble d'appareils comportant les éléments ci-dessus pour la fabrication du gaz ou du mélange gazeux désiré, et, à leur suite, un appareil métallurgique choisi pour donner l'exemple d'une application type de l'invention.
Les Fig. 4 et 4a se réfèrent à une variante de l'invention obtenue dans le cas présent par l'addition sur la canalisation 1 des figures précéden- tes, d'un dispositif auxiliaire précédant l'élément 2 de l'installation.
Par la tubulure 1 de la Fig.l, on introduit dans le mélangeur 2 un gaz combustible contenant du carbone (par exemple du gaz de ville qui con- tient une proportion marquée d'hydrocarbures gazeux à l'état normal). Un tel gaz contient généralement de l'hydrogène, de l'oxyde de carbone, du méthane et des hydrocarbures saturés d'ordre élevé désignés communément comme "illuminants".
Comme exemple de tel gaz on peut citer le gaz de houille, le gaz naturel, le ga de haut-fourneaux, le gaz de gazogène, etc..., mais on peut utiliser aussi un hydrocarbure tel que le butane.
On peut aussi à l'aide des dispositifs 3, 4 & 5 de la Fig.l ad- mettre de la vapeur d'eau qui pénètre par la tubulure 3 dans la chambre de la soupape 4, commandée par un dispositif 5, sensible à la température, de sorte que la quantité de vapeur utiliséese trouve réglée suivant los exigences du procédé et de l'application qu'on en désire faire.Le dispositif 5 effectuant ce réglage agit, sous l'effet de la température lue dans la chambrer, de fa- çon à maintenir un rapport constant entre combustible et vapeur dans le mélan- ge fourni à la chanbre de réaction 6 à travers la tubulure 7. Un dispositif py- rométrique ou thermostatique convient pour effectuer le réglage désiré, et l'in dustrie offre déjà l'exemple d'appareils acceptables pour cet usage.
Pour ju- ger de leur fonctionnement, on peut d'ailleurs disposer, dans la chanbre 2, un thermomètre 32 lisible de l'extérieur.
Avec un réglage approprié du dispositif de commando on peut être assuré que les proportions de gaz et de vapeur sont maintenues constantes, quelles que soient les variations de la pression du gaz ou de la vapeur. Si la proportion de vapeur tend à baisser, la température de la chambre 2 tombe et le dispositif 5 ouvre davantage la vanne de vapeur 4. Inversement, si la proportion de vapeur tend à augmenter, les calories augmentait dans le mélan- geur 2, et par conséquent le dispositif 5 réduit l'ouverture de la vanne et par conséquent le débit de la vapeur. Comme indiqué déjà, il n'est pas toujours
<Desc/Clms Page number 4>
nécessaire d'utiliser de la vapeur, et, si on s'en passa, le carbone dissocié s'accumule dans la chambre de réaction 6, qu' il convient de nettoyer de TEMPS à autre.
Le mélange gazeux(ou facultativement le mélange de gaz et de va- peur ) passe par la tubulure 7 dans un échangeur de calories 10, pour gagner la chambre de réaction 6, où il est soumis à une température établie antre 700 et 1100 C. environ, temperature qui entraîne sa dissociation et, en cas de présence de vapeur, provoque la réaction de la vapeur d'eau sur re charbon dissocié, avec formation d'hydrogène et d'oxyde de carbone;
un fonctionne gé- néralement avec une température d'environ 1000 C., température pour laquelle une petite proportion de méthane (1% environ) reste dans le produit de réaction Pour beaucoup d'applications industrielles, ce reste d'hydrocarbure est, soit inoffensif, soit m'orne désirable et avantageux, particulièrement pour la brasure Si on désire une proportion d'hydrocarbure gazeux plus forte (pour la carbura- tion des métaux par exemple) on établit dans la ohanbre de réaction 6 une tem- pérature plus basse. Quand, au contraire, la température est plus élevée (de l'ordre de 1100* C. par exemple), la décomposition du gaz hydrocarbure en hy- drogène et an carbone est pratiquement si complète que l'hydrocarbure non dis- socié est pratiquement négligeable.
On peut même utiliser des températures plus élevées si on désire éliminer entièrement ces traces d'hydrocarbure. Si on uti- -lise de la vapeur d'eau en proportion convantavle. on peut convertir complète- ment le carbone en oxyde de carbone à 1000 C.
On voit en 21(fig.l) la forme de la canalisation qui conduit la mélange gazeux obtenu aux appareils d'utilisation qui seront décrits plus loin.
Dans la Fig.2, on a repris les éléments 6 et 10 de la fig.l, ainsi qu'on la voit par les départs 7 et 21 reposantes au sommet de la figure.
La chambre de réaction comporte une enveloppe métallique 8, dans laquelle est logée une murette en briques réfractaires 9 formant enveloppe et reposant sur la base 30. Sur cette enveloppa 9 est montée la chambre de distribution 11 qui communique, par une conduite 12, avec l'échangeur de températures 10. L'enve- loppe 8 est entourée d'un isolant thermique 13 composé d'une matière finement divisée telle que la silice impalpable , la kieselguhr, etc..
Dans la chambre 6 est suspendue une résistance chauffante 14 supportée au moyen de crochets, par exemple à partir du mur formant envaloppa. Cette résistance a de préférence la forme d'un ruban d'alliage de nickel et chrome, qui offre l'intérêt d'exer-
<Desc/Clms Page number 5>
car un effet caralyique sur la réaction gazeuse produite dans la chambre 6, tout en Jouant le rôle de radiateur pour maintenir dans cette ohanbre la ten- pérature désirée. On peut utiliser les dispositifs régulateurs extérieurs (non représentés pour régler la température de l'appareil.
Le mélange gazeux descend dans la chambra 6 à travers les tubes de fer 15 tonnant faisceau vertical* Il gagne ainsi la région voisine du fond de la chanbre, et il remonta dans cette ohanbre, où son contact avec les résis- tances chauffantes 14 établit un équilibre chimique qui assure la formation et le maintien d'un produit ayant la composition bien définie que l'on désire.
Par la conduite centrale 16 ce produit débouche dans la tubulure de sortie 21 aboutissant aux appareils d'utilisation (brasure, traitements thermiques de métallurgie, réduction d'oxydes etc...)
S'il s'agit d'un four à braser ,il est avantageux que le mélange gazeux contienne de l'oxyde de carbone, parce que ce gaz s'oppose à l'oxydation des métaux ferreux en cours de refroidissement. Une proportion voisine de 1% d'oxyde de carbone est désirable, parce qu'elle entre en combinaison avec la vapeur d'eau qui est Inévitablement présente dans le four à braser.
Le produit gazeux obtenu oanportant principalement de l'hydrogène de l'oxyde de carbone, une proportion d'hydrocarbure gazeux exactement détermis nable à l'avance, offre des applications très variées suivant la valeur qu'on a donnée à cette proportion d'hydrocarbure gazeux et les proptiétés (carburantes, décarburantes, ou neutres) qui en résultent pour le mélange gazeux*
Le combustibiledgazeus contient généralement 4 à 5% d'azote s'il s'agit de gaz de ville. Pour certaines opérations métallurgiques, il est aven- tageux d'avoir un diluant, tel que l'azote, en proportion plus grande. Pour certaines autres applications, il peut y avoir même lieu d'élever la proportion d'azote jusqu'à 95%. le reste du mélange consistant en hydrocarbure.
L'oxyde de carbone d'un tel mélange n'est pas inflammable et, lorsqu'il est sec. il est chimiquement réducteur*
Dans la Figure 3, on retrouve les éléments 1, 2, 3, 4, 5 et 6 de la fig.l( exception étant faite éventuellement des dispositifs 4 et 5 si on n'utilise pas de vapeur d'eau). Si, au contraire, on en utilise, la propor- tion employée peut en être déterminée à la suite d'analyses et d'essais.
Géné- ralement, il cmvient d'ajouter de la vapeur d'eau en telles proportions stce- chiométriques que le carbone libéré dans la chanbre de réaction 6 Entre tota-
<Desc/Clms Page number 6>
lament en réaction pour former de l'oxyda de carbone, avec libération d'hydro.. gène (réaction du gaz à l'eau).
Le dispositif 5 agit sur la vanne de vapeur 4 pour faire varier la quantité de vapeur suivant la température du mélange gazeux contenu dans la chambre 2 et maintenir entre gaz et tapeur des proportions constantes dans le mélange réactionnel Envoyé dans 6 par le tube 7 émergeant du mélangeur 2. On peut commander la vanne de vapeur 4 par un mécanisme quelconque répondant à la température du milieu 2, par l'intermédiaire d'un gaz ou d'un autre fluide sous pression, par exemple communiquant avec un dispositiz à soufflet ('non re- présenté) transmettant à la vanna de vapeur le mouvement commandé par la pres- sion.
Avec un réglage approprié de dispositif régulateur, les proportions de gaz et de vapeur sont maintenues quelconques indépendamment des variations de pression du gaz ou de la vapeur, suivant le mécanisme d'action qu' on a @ analysé en commentant plus haut la fig.l.
Le mélange gazeux amené par le tube 7à la chambre de réaction 6 n'y entre qu'après avoir traversé l'échangeur de température 10, et une fois dans la chambre 6, il subit un traitement thermique à une température définie, mais qu'on peut régler eltre de larges limites par exemple entre 700 et 1100 C.
Le choix de cette température est déterminé en tenant compte de la température et des autres conditions de la zone de traitement, de manière . que la teneuran hydrocarbure gazeux dans le produit lui confère les qualités carburantes, décarburantes ou neutres qu'on désire.
L'hydrocarbure gazeux, décomposé dans la zone de réaction, libère la carbone, avec établissement d'un équilibre entre le gaz et le car- bone à la température choisie -.S'ill'y a de la vapeur, le carbone entre en réac- tion avec cette vapeur, s'il n'y a pas de vapeur, la charbon se dépose sous tonne de noir de fumée dans la chanbre de réaction. Dans ce cas, la chambre de réaction doit subir naturellement des nettoyages périodiques.
Le produit gazeux obtenu comporte une proportion prépondérante d'hydrogène, une proportion moindre d'oxyde de carbone et une teneur moindre d'un gaz inactif tel que l'azote et le gaz carbonique. Une petite proportion de méthane (environ ljÀ en volume) offre généralement des avantages.
La présence d'une proportion assez grande d'oxyde de carbone dans une atmosphère servant à la brasure et au recuit des métaux ferreux et autres, offre des avantages, car la tendance à l'oxydation du métal, pendant le
<Desc/Clms Page number 7>
refroidissement est considérablement réduite par ce gaz. on le comprendra ai- sément grâce aux considérations suivantes: L'hydrogène ,dont la pression effec- tive est une fraction de la pression atmosphérique, n'a d'efficacité réductive qu'à température suffisamment élevée, surtout s'il est mélangé de vapeur d'eau, qui intervient pour limiter la réaction réductrice, et même, qui risque de pro- voquer l'ocydation lorsqu'on est à température plus basse.
L'oxyde de carbone conserve au contraire un pouvoir réducteur qui s'exerce à des températures plus basses que l'hydrogène, et cela, même quand il est dilué, fût-ce dans un excès de gaz carbonique On sait en effet qu'au-dessous de 800 , l'équilibre entre les gaz CO,CO2 et le carbone solide exige que, pratiquement, la totalité du gaz oxyde de carbone ait disparu au produit des autres constituants de l'équilibre. A plus forte raison, tout mé- lange renfermant un excès d'oxyde de carbone par rapport aux taux d'équilibre dans les conditions de température et de concentration du moment, possédera ipso facto un pouvoir réducteur très élevé.
Le refroidissement d'une brasure dans un tal mélange, même si l'hydrogène, est présent, garantit ainsi de manière absolue qu'il n'y aura pas oxydation du métal.
Comme le gaz de brasure produit par le procédé ci-dessus ren- ferme surtout de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone, avec un faible taux de gaz carbonique, l'oxydation de la charge ne se produit pas pendant le refroi- dissement. Si la réduction de l'oxyde se produit dans le four à braser ou à recuire, ou si, de façon quelconque, de l'oxygène s'y introduit, il se forme d'abord de la vapeur d'eau et du gaz carbonique, mais la vapeur d'eau réagit alors sur le méthane en formant de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone. Pour une température donnée établie dans la chanbre de réaction, l'hydrogène et le méthane sont en équilibre chimique.
Un tel mélange est en équilibre ohimique par rapport au carbone de l'acier, dans un four à braser, à une température qui n'est pas très éloignée de la tempéretur de réaction liée au taux de carbone dans l'acier et les autres conditions de l'équilibre ,dont, en particulier la présence de vapeur d'eau dans le four à braser.
Si on désire effectuer une opération métallugue, telle que le recuit de l'acier, avec une atmosphère neutre, (c'est-à-dire ni carburant, ni décarburante par rapport à l'acier), il convient de recourir alors à des essais et déterminations physiques et chimiques de la teneur en carbone de l'acier, avant et après le traitement, car il faut régler les conditions du
<Desc/Clms Page number 8>
convertisseur de gaz, de façon à produire un gaz ou équilibre chimique avec l'acier (ou toute autre charge).
En soumettant les divers facteurs à des essais (température, débit, teneur en vapeur d'eau, composition de l'hydrocarbure gazeux envoyé dans le convertisseur), on peut régler la production d'un gaz neutre.
Ordinairement, il est préférable d'effectuer les opérations mé- tallurgiques portant sur des métaux ferreux à l'aide d'une atmosphère protec- trice légèrement décarburante- Cela peut se faire des deux manières suivantes:
1 ) On peut élever la température de la chambre de réaction pour décomposer compètemetn le méthame ou autres hydrocarbures gâteux, par craquage-
2 ) On peut faire varier les proportions du mélange gazeux, de façon à produire une petite proportion de gaz carbonique dans le gaz qui alimente le four métallurgique; par exemple, on peut augmenter la taux de va- peur d'eau dans le mélange envoyé à la chambre de réaction.
Si on désire utiliser à 1100 6. environ un four de brasure con- tenant une légère proportion d'humidité, on règle la température de la chambre de réaction qui est alimentée par le gaz hydrocarbure et la vapeur en propor- tions constantes, de façon à la fixer à un point un peu inférieur (1050 C)., pour lequel on obtient un gaz contenant une petite proportion d'hydrocarbure (environ 0,75% de méthane).
Il est généralement impossible d'éviter la présence dans le four d'un peu de vapeur dteau, qui s'introduit avec les pièces à traiter, la charge et les matières de traitement. Il est alors avantageux de compenser cette pro- portion de vapeur d'eau par la présence d'une proportion d'hydrocarbure un peu plus forte dans le gaz. La température de la chambre de réaction peut 'être un peu abaissée, par essais, jusqu'à ce qu'on obtienne la teneur désirée de métha- ne dans le gaz. Pour beaucoup d'opérations de brasure, il est avantageux d'a- voir une proportion de méthane de l'ordre de 1%.
Si on désire un effet carburant, par exemple lorsque les produits gazeux sortant du convertisseur doivent être utilisés dans un four à trempe superficielle, on choisit les conditions voulues pour produire un excès sensi- ble de méthane dans la produit gazeux. C'est ce qu'on obtient généralement en faisant fonctionner la chanbre de faction à températrue encore plus basse, et en descendcant dans certains cas jusqu'à 700 C, températrue pour laquelle on
<Desc/Clms Page number 9>
filant une proportion d'environ 15% de méthane dans le gaz, la teneur exacte variant suivant la nature du gaz combustible employé* pour certaines opérations métallurgiques (telles que brasure, traitement thermique et recuit, etc..),
il est avantageux de diluer l'atmosphè- re gazeuse au moyen d'une proportion très marquée d'azote, pouvant varier par exemple de 5 à 95%. La présence de l'azote tempère la violence de toutes ex- plosions qui viendraient à se produire dans le four 59. En fait, un mélange contenant une proportion aussi élevée que 955. d'un gaz' inerte, par exemple de l'azote, est ininflammable bien qu'il exerce encore un effet :réducteur sur le métal si le mélange est sec.
Si on désire produire un mélange gazeux pour des opérations métallurgiques ayant une teneur marquée en gaz inactif, tel que l'a- zote et le caz carbonique, on peut brûler d'abord une partie du combustible ga- zeux avant de l'envoyer au convertisseur, en mélange avec une quantité d'air telle qu'il se produise une combustion incomplète. Dans ce cas, on peut modi- fier légèrement le dispositif d'alimentation représenté sur les fig.l et 3, par exemple en apportant à la Fig.3 les additions que feront comprendre les Fig.4 et 4a.
Dans ces figures on fait appel à un dispositif auxiliaire (cham- bre de combustion 20) qu'on insère dans la tubulure d'alimentation en fermant la vanne 31 et en ouvrant la vanne 22, celle-ci reliée à la conduite 23 qui est également alimentée en oxygène, sa air ou en autre gaz carburant sous pression amené par la canalisation 24.
Dans la Fig.4a, on volt qu'une flamme d'oxygène est produite à l'orifice de la tubulure d'alimentation 24 débouchant dans la chambre de combus- tion 20, remplie d'une atmosphère de gaz combustible dont une partie seulement brûle en formant de l'oxyde de carbone, de gaz carbonique et de la vapeur d'eau Ces produits, en mélange avec l'azota introduit comme constituant de l'air, sort amenés par la tubulure 25 dans la chambre de mélange 2, et de celle-ci passent par la tubulure 7 dans le chambre de réaction 6. Il est avantageux de retirer la vapeur d'eau du mélange gazeux envoyé dans la tubulure 25. Cela peut se faire de toute manière appropriée, par exempleen faisant passer les gaz à tra- vers un réfrigérant 26 dont on soutire l'eau de condensation.
Dans certiaisn gas @ on peut maintenir la vapeur d'eau dans le mélange gazeux et admettre une quanti- té relativement moindre de vapeur à la chambre de mélange 2. de façon à ne pas perturber les proporti ons de gaz et de vapeur.
Les gaz amenés à la chambre de réaction par la tubrulurs 25 comportent de l'hydrogène, de l'oxyde de carbone,
<Desc/Clms Page number 10>
des hydrocarbures gazeux ttels que le méthane), do l'azote et du gaz carbonique Le mélange est, en outre additionné de vapeur d'eau en proportions qui dépen- dent de la teneur en hydrocarbure, et la réaction se poursuit comme iniuqé ci- dessus, le produit obtenu contenant des proportions d'azote qui dépendent de la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion 20.
Quant on met en marche le four de métallurgie 17 (fig.4) ,il est avantageux d'en chasser l'air en faisant fonctionner la chambre de comubstion 20 avec des proportions de gaz combustible et d'air telles que les produits consistent entièrement en gaz inertes tels que l'azote et le gaz carbonique.
Il est également désirable, pendant les période d'arrêt qui suivent un traite- ment métallurgique dans le four 17 (ou en fait toutes les fois qu'on désire ar- rêter ce four) d'en purger l'intérieur de tout gaz sombustible, de manière à éviter une explosion. C'est ce qu'on peut faire à tout moment en formant la vam ne 21 amenant le gaz combustible, en ouvrant la vanne 22 et en fournissant une quantité d'air suffisante à la tubulure 24 pour provoquer la combustion complè- tedés-rée. l1 est possible aussi d'obtenir que la chambre de combustion 20 joue le rôle de la chambre de faction 6, l'opération étant conduite alors de façon que le craquage ou la décomposition thermique des hydrocarbures non brû- lés se produise dans la chambre de combustion.
Les produits retirés de la cham- bre de combustion comportait alors du gaz carbonique, de l'azote et de l'oxyde de carbone et, si on le désire, une petite proportion d'hydrocarbure,ce mélan- ge gazeux est alors fourni au four métallurgique sans autre modification ou ré- action. Quand on désire obtenir ce résultat on fournit à la chambre de combus- tion par la conduite 24 de l'oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène, ,et on construit la chambre de combustion au moyen de réfractaires de façon à conser- ver la chaleur dégagée dans cette chambre par la combustion. Lorsque la chambre de combustion fonctionne ainsi à température élevée, il se produit une décom- position de la totalité ou d'une grande partie de l'hydrocarbure gazeux.
Dans ce cas, les gaz n'ant plus besoin de passer à travers une chambre de réaction et l'on peut se passer de la chambre 6 des fig.l, 3 et 4. Pour plus de commodi- té, et notamment si les opérations sont intermittentes, on peut maintenir au contraire cette chambre de réaction dans la série des appareils, mais les résis- tances chauffantes 18 de la Fig.3 deviennent alors sans objet ou au moins il est inutile de les porter à haute température.