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"Perfectionnements apportés ou relatifs au procédé de fonctionnement des hauts fourneaux."
Cette invention se rapporte au fonctionnement de hauts fourneaux dans des conditions de pressions internes considérablement plus grandes que cel- les normalement employées.
Bien qu'il soit très possible de construire dans l'avenir des fours à pression plus élevée ayant une plus grande capacité de soufflage, on est limité par des considérations pratiques en ce qui concerne la pression de souffle ge qui reste comprise entre 50 et 40 livres par pouce carré,et en ce qui concer- ne la, pression au sommet qui reste à 20 liv. p.c. dans les types de fours exis- tants, dans lesquels des modifications appropriées de la capacité de soufflage et de l'étranglement, et de la manipulation des gaz de sortie, sont utilisées pour augmenter la pression dans le haut fourneau.
Néanmoins, il serait extrêmement avantageux d'obtenir dans les hauts fourneaux existants les avantages considéra-
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bles découlant du fonctionnement du procède dans des conditions de pressions et de vitesses de soufflage encore plus élevées .
On a trouvé selon la présente invention que ces avantages pourrai- ent être obtenus par une commande appropriée des conditions opératoires)tout en maintenant les hauts fourneaux aux pressions précitées de 30 à 40 liv./p.c. pour au sommet le soufflege et aux pressions/allant jusqu'à 20 liv./p.c., ou environ. Il est également possible, et ceci reste dans le cadre de la présente invention,d'améli- orer la production, le fonctionnement et les opérations, et d'accroître l'écono- mie en travaillant à des pressions plus élevées (par ex. jusqu'à une pression statique moyenne de 7 atmosphères), aussi bien qu'à des pressions plus basses (par ex. une pression statique moyenne de 2 atmosphères), pressions auxquelles le présent type de haut.. fourneau peut fonctionner.
Le procédé de la présente invention permet également l'utilisation de minerais à dimensions de particule plus fines qui constituent de façon tou- jours croissante la majeure partie des réserves, par suite de l'épuisement des minerais de plus gros calibre. De plus, même en utilisent ces minerais fins, le procédé de l'invention assure le maintien d'une quantité de solides dans les gaz de sortie (par ex. la poussière de carneau ) bien en dessous de la produc- tion habituelle au cours d'un fonctionnement normal.
Ces différents avantages sont obtenus, selon la présente invention, par le réglage approprié de certaines variables opératoires dans des limites spécifiées, comme on le décrira ci-dessous. Ces variables opératoires sont, en particulier, la vitesse des gaz à travers le haut fourneau, et le dosage.
En ordre principal, les économies qui peuvent être réalisées dans le fonctionnement d'un haut fourneau travaillant selon les principes de la pré- sente invention, sont l'augmentation de la production de fer, la diminution du coke, la diminution de poussière de cerneau produite, et l'obtention d'une qua- lité de fer plus uniforme avec un moindre pour cent de fontes tombant hors des limites de prescription.
Qu de montée
Un réglage approprie de la vitesse en cheminée/linéaire moyenne
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des gaz réducteurs dans les interstices de la charge du four, rend possible une augmentation sélsible,au-dessus de la normale, de la quantité de vent soufflé par unité de temps, et partant de la production de fer du haut fonrneau;
ce réglage augmente également l'efficience thermique du haut fourneau en augmentant le co- e efficient de transfert de chaleur et en diminuant les pertes de chaleur par tonnE de fer produit.En outre, on a trouvé selon l'invention que ce réglage de la vi- tesse des gaz rend possible d'accroître sensiblement le dosage avec éco- nomie de combustible, de réaliser des températures plus élevées entraînant une économie de coke, de diminuer la chute de pression dans la colonne de charge du four pour obtenir un fonctionnement plus homogène avec moins de glissement et d'accrochage, et de diminuer de façon appréciable la quantité de poussière chassée hors du four.
En vue d'une économie d'ensemble la plus grande, ce ré- glage sera de préférence réalisé en enrichis@@@sant par de l'oxygène l'air de soufflage tout en maintenant les pressions moyennes les plus élevées que la cu- ve du haut fourneau est capable de supporter, par étranglement des gaz de sor- tie. En se référant aux formes de réalisation préférées de l'invention, il se- ra maintenant décrit le fonctionnement d'un haut fourneau du type moderne. La quantité normale de vent soufflé par minute ( ou taux de soufflage normal) dont il est question ci-dessus est le taux de soufflage normal auquel un haut fournea donné est destiné à fonctionner en utilisant des pressions au sommet ne dépassait' pour pas 2,5 liv./ p.c. environ.
Les procédés calculer ces taux de soufflage sont bien connus et utilisés par toutes les aciéries.
L'invention sera maintenant décrite en détail en se référant aux dessins ci-annexés, dans lesquels: la Fig. 1 représente de façon fort schématique et partiellement en coupe, une élévation latérale d'un haut-fourneau muni de l'équipement néces- saire pour réaliser le procédé de la présente invention;
La Fig. 2 est un graphique montrant la vitesse moyenne en che- minée ou de montée des gaz du four, par rapport au dosage;
La Fig. 3 est un graphique montrant la vitesse des gaz du four dans l'espace libre au sommet du four, juste au-dessus de la ligne de charge ,
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par rapport à la poussière de carneau produite par tonne de fer;
La Fig. 4 est une esquisse d'un système de commande de laveur de gaz .
La Fig. 1 illustre un haut fourneau 10 muni d'un équipement au- xiliaire présentant certaines caractéristiques spéciales trouvées désirables pour le fonctionnement à une pression statique moyenne élevée , les appareils étant pour le reste d'un modèle tout à fait classique.
Au cours du fonctionnement du haut fourneau selon le nouveau pro- cédé et muni de l'équipement décrit, une turbo-souffleuse 12 fonctionne pour fournir l'air de soufflage, et la pression statique moyenne dans la cuve du four 10 s'élève jusqu'au niveau désiré par suite de l'étranglement de l'évacuation des gaz, au moyen, par exemple, de la soupape de réglage 40. La pression de souf- flage est augmentée en proportions appropriées dépendant de la pression au som- met du four et de la chute de pression dans la colonne de charge, qui dépend de différents facteurs tels que la vitesse des gaz à travers la colonne de charge, la pression statique moyenne dans la cuve, et le caractère de la charge.
Le vent soufflé, défini en pieds cubes de soufflage par minute délivrés au fourneau, est alors réglé au degré désiré au moyen d'une commande de la vitesse de la turbo- souffleuse et par tout enrichissement d'oxygène alimenté au conduit 14 au delà de la turbo-souffleuse. L'air de soufflage est comprimé par la turbo-souffleuse 12 et passe par le conduit 14, le four 15, et le tuyau à mouvement 16 pour at- teindre les tuyères 18. L'oxygène d'enrichissement peut être fourni de toute ma- nière désirée, comme par ex. en utilisant un séparateur 20 qui peut être un sé- parateur du type Linde-Fränkl .
L'azote secondaire venant du séparateur dispa- raît en 22, tandis que l'oxygène est fourni à l'air de soufflage à l'endroit approprié, déterminé par les pressions relatives de l'oxygène sortant et de 1' air de soufflage, par ex., l'oxygène peut être envoyé par le conduit 24, comman- dé par la soupape 26, au conduit 28 qui fournit l'air à la turbo-souffleuse, ou bien il peut être envoyé par le conduit 50 (commandé par la soupape 52)
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au conduit 14, au delà de la turbo-souffleuse. Comme variante à ce dernier procé- dé, on peut employer un compresseur 34 pour élever la pression de la fourniture d'oxygène au conduit 14, l'oxygène arrivant à ce dernier conduit en passant par le conduit 56 commandé par la soupape 38.
Comme on l'a déjà indiqué, une pression statique est imposée à la cuve du fourneau par tous moyens appropriés, par est. une soupape de réglage 40, actionnée par la pression, qui comme montré consiste en trois tuyaux contenant chacun un papillon, et qui se décharge dans un précipitateur Cottrell. Afin d' créées assurer l'étanchéité du sommet du fourneau 10 contre les fuites/par suite de la pression régnant dans le fourneau, une trémie 42 et une cloche inférieure 44 peu- vent chacune être faites d'une pièce, avec leurs surfaces de contact 46 et 47, respectivement adaptées à frottement dur . Suivant une variante, un organe d'é- tanchéité flexible tel qu'une garniture refroidie par l'eau intérieurement, peut être associé à la surface inférieure 46 de la trémie 42 pour assurer une fermetu- re étanche aux gaz conjointement avec la cloche 44.
Des soupapes de drainage à surface dure 48,49 sont prévues dans la position habituelle, au sommet de tuyaux de montée 48a et 49a respectivement. Le gaz provenant du fourneau passe par des tuyaux de descente 50, 50a, et de là par un collecteur de poussières sec 51, et de là par un conduit 52 vers un laveur hu- mide 55. Ce dernier possède un système de commande S et un tuyau de débordement 0, représentés avec plus de détails ci-après avec référence à la Fig. 4, pour main- tenir le siphon dans le laveur humide dans des limites prédéterminées, en dépit des variations de pression dues par ex. au glissement ou à l'accrochage de la chai ge.
En général, l'appareil laveur comprend un laveur de haut fourneau W , un conduit de débordement, un conduit de sortie de secours, ou de sûreté, et un dispositif de réglage de flotteur pour maintenir le niveau de la surface de l'eau sensiblement constant dans le laveur.
Le laveur W est de forme classique, consistant en un cylindre 101
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ayant une admission près de son fond (non montré) pour le gaz sale à laver, une sortie près de son sommet (non montré) pour l'échappement du gaz propre , des moyens ( non montrés) pour faire sortir T'eau sous forme pulvérisée sur le gaz montant, et une trémie H à la base du cylindre 101 pratiquement remplie d'eau.
La trémie H a un conduit de décharge 108 qui est ouvert à son extrémité inféri- eure et possède une soupape 105 pour fermer l'ouverture. Cette soupape est commai dée manuellement par un câble 104 et le liquide et les solides déchargés par le conduit 102 sont évacués par une connexion d'égoût 105.
Un conduit de débordement 106 s'étend vers le haut à partir du con- duit 102 jusqu'à un niveau prédéterminé de la surface du liquide se trouvant dans le laveur, et se décharge dans une connexion d'égoût 107. Une soupape 108 dans le conduit 106 possède un levier 109 par lequel la sapape peut être action- née à partir d'un appareil qui va être décrit ci-dessous.
Un conduit de sortie de sûreté 110 est incliné vers le haut à par- tir d'une trémie H, en un point situé au-dessus du conduit 102, et est ensuite recourbé vers le bas pour venir s'ouvrir dans une connexion d'égoût 111. L'ex- trémité de sortie inférieure du conduit de sûreté 110 est commandée par une sou- pape 112 .
Un commutateur à flotteur, désigné d'une façon générale par le nu- méro de référence 11µ est mis en position le long du laveur W au niveau de sur- face prédéterminé pour l'eau se trouvant dans le laveur. Ce commutateur com- prend un logement 116 qui communique par un tuyau 117 avec la trémie H au-des- sus de l'extrémité d'entrée du conduit 110, et qui communique par un tuyau 118 avec le cylindre 101 bien au-dessus du niveau normal de la surface du liquide se trouvant dans le laveur. Un tuyau 119 qui sert à amener l'eau d'appoint dans le laveur, est relié par la conduite 120 au logement 115, et l'écoulement de li- quide par la conduite 120 est commandé par une soupape 121.
A l'intérieur dù logement 115, un flotteur ( non montré) est supporté à l'extrémité d'un bras ( non montré) qui est fixé à un arbre 122 mon- té à rotation dans le logement. Le logement est placé dans une position telle par rapport au laveur que, lorsque la surface de l'eau dans le laveur se trou-
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ve au niveau prédéterminé, le bras du flotteur est sensiblement horizontal. Sur l'arbre 122 est fixé un bras 125 dont l'extrémité gauche sert à indiquer la posi- tion du bras du flotteur à l'intérieur du logement 115,tandis que l'extrémité droite du bras sert à relier une source d'énergie électrique 124 avec l'une quel- conque des trois bvrnes 125,126 et 127.
La borne 125 fait partie d'un circuit électrique qui comprend un so- lénoide 128. Ce solénoïde commande une soupape 129 qui commande à son tour l'écou- lement du fluide sous pression allant de la source 150 à un cylindre 131 qui sert à actionner la soupape 112 du conduit de sortie de sûreté 110.
Les bornes 126 et 127 sont reliées respectivement aux moteurs de pousseurs 132 qui sont à leur tour reliés respectivement aux extrémités opposées du levier 109 qui commande la soupape 108 du conduit 106.
Le fonctionnement de l'appareil décrit ci-dessus est en substance comme suit: les soupapes 105 et 112 sont fermées et la soupape 108 est réglée de façon que la vitesse normale d'écoulement de l'eau qui sort par le conduit 106, soit approximativement la même que la vitesse d'écoulement de l'eau dans le la- veur. Dans ces conditions, le niveau de la surface de l'eau dans le laveur sera sensiblement en alignement avec le bras de commutation 125 de la Fig. 1. Vu que la quantité de solides dans la trémie H varie et tend à provoquer des variations dans l'écoulement de l'eau par le conduit 106, il se produit fréquemment des fluc- tuations dans le niveau de la surface de l'eau dans le laveur.
Lorsque de telles variations apparaissent et bien qu'elles soient d'un faible degré, le bras de com- mmtation 125 mettra en contact et coupera le contact avec la borne 126 à de courts intervalles. Lorsque le bras ferme le contact, il excite le pousseur qui se trou- ve dans son circuit, et le pousseur ouvre un peu davantage la soupape 108. permet- tant ainsi à l'eau de s'écouler à une vitesse plus grande et au niveau d'eau de s'abaisser dans le laveur. Lorsque le niveau tombe, le flotteur tombe avec lui et le bras 125 interrompt le contact avec la borne 126. Le piston du pousseur tend alors à retourner dans sa position première et déplace la soupape 108 en
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conséquence.
Cette action de mise en et hors contact est continue, sauf dans le cas de conditions opératoires anormales qui peuvent entraîner une élévation ou une chute du niveau de la surface du liquide jusqu'aux limites prédéterminées.
Le gaz évacué du laveur 55 passe par le conduit 55 vers la soupape de réglage 40 déjà mentionnée. Le conduit 55 s'étend vers le bas pour former une extrémité aveugle destinée à permettre de recueillir l'eau et les solides entrai- nés avec le gaz ; sont recueillis au fond et peuvent être enlevés de temps en temps par une porte appropriée 57.
Au lieu d'utiliser une soupape de réglage 40 pour commander la pres sion du gaz à l'intérieur du four, cette pression de gaz peut être maintenue par un système de récupération mécanique. Dans ce cas, 55 peut désigner un sépara- teur de poussières sec servant d'auxiliaire au collecteur de poussières 51, et 40 désignera un conduit sans soupape menant au mécanisme de récupération mé- canique, ce dernier servant alors de moyen. d'étranglement ou de réglage pour maintenir la pression dans le four.
Le laveur humide (ou le séparataur de poussières) 55 est également conduit muni d'un de sortie de sûreté 58 communiquant avec une autre soupape de drainage 59, cette dernière étant placée tout près des soupapes de drainage 48 et 49 au sommet du four, de sorte que l'évacuation des gaz peut se faire à un niveau suffisamment élevé et éloigné de l'espace de travail situé au fond du four. La conduite de sortie 58 et la soupape de drainage 59 servent à drainer le gaz propre hors du laveur 55 pendant un léger glissement du four.
Une conduite de compensation 66 commandée par une soupape 62 per- met l'écoulement du gaz lavé depuis la sortie 58 du laveur humide 55 jusque dan s l'espace compris entre les cloches, pour équilibrer suffisamment la pression au-dessus et en dessous de la cloche inférieure 44 pour permettre le basculage de cette dernière. Une conduite de sûreté 64 commandée par une soupape 66 pro- cure un moyen de vider l'espace entre les cloches de façon que la cloche supé- rieure puisse être basculée.
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A titre d'exemple, on supposera que le fonctionnement par le bou- veau procédé exposé ici, est réalisé avec un ahut fourneau et une charge ayant les caractéristiques suivantes ( qui sont d'usage courant):
EMI9.1
<tb> diamètre <SEP> du <SEP> creuset <SEP> 27 <SEP> pieds
<tb>
<tb> volume <SEP> de <SEP> travail <SEP> 44346 <SEP> pds <SEP> cu.
<tb>
<tb> fauteur <SEP> de <SEP> travail <SEP> 82 <SEP> pds
<tb>
<tb> diamètre <SEP> de <SEP> la <SEP> ligne <SEP> de <SEP> charge <SEP> 20 <SEP> pds
<tb>
<tb> dosage <SEP> en <SEP> fer
<tb> #56% <SEP> minerai <SEP> Mesabi,
<tb> 36% <SEP> minerai <SEP> ancien <SEP> calibre <SEP> (old <SEP> Range
<tb> ore),
<tb> 8% <SEP> scories <SEP> sole <SEP> ouverte <SEP> (Open <SEP> Hearth <SEP> 50% <SEP> Fe
<tb> slag#
<tb>
<tb> coke <SEP> 86,
5% <SEP> carbone
<tb>
On peut alors calculer la vitesse de gaz moyenne des gaz réducteurs également au travers du volume de travail du four (appelée/ci-après et dans les revendica- tions :vitesse de gaz de montée moyenne) par la méthode suivante : vitesse de gaz de montée moyenne en pieds par seconde égale:( vent délivré en pds eu/ sec.6 60% F, 14,7 liv. pc/ab.) x (corrections de pression absolue et température pour coefficient la moyenne des conditions dans la masse ) x (de dilatation de gaz ) : ( surface transversale effective moyenne du volume de travail du four).
D'une façon spécifique, dans le cas d'un four ayant les dimensions et la charge précitées,avec un soufflage d'air de 75. 000 pds. cu. /min., une pres- sion de soufflage de 21 lv./p.c. et une pression au sommet de 2,5 lv/ p.c., et ayant une température de tuyère de 2.800 F et une température de sommet de 500 F, toutes conditions normales pour un haut fourneau de ce genre, la vitesse de gaz de montée moyenne est calculée comme suit : Vitesse de gaz de montée moyenne:= 75000 x 14.7 x 2010 x 1.35 = 67,2 p./s.
60 26;4 520 54 , où 75000 = air délivré calculé, pds.cu. sec. c 60 F, 14,71v.p.c.ab. (absolu)
60 26,4 = pression du four statique absolue moyenne = (pression soufflage + pression sommet) + 14,7 = 21+ 2,5 ¯ 14,7 lv.p.c.ab
2 2 2610 = température du four absolue moyenne ( R) = (temp. tuyère + temp. sommet) + 460 = 2800 + 500 + 460
2 2
520 = température de l'air absolue ( R) = 60 + 460
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coefficient
1,35 = dilatation de gaz = %N dans vent = 79 %N dans gaz du sommet 58,5
54 = surface transversale effective moyenne du volume de travail du four = pour cent de vides x volume de travail = 6,10 x 44.346 pds.car. hauteur de travail 82
On a trouvé, suivant la présente invention, que la vitesse de gaz.
de montée moyenne ainsi calculée commande le dosage du four, c'est-à-dire, dans les limites/d'autant plus faible sera la vitesse, d'autant plus élevée sera la charge permise. De plus, lorsque la vitesse de gaz de montée moyenne calculée est comparée au dosage, comme à la Fig. 2, on trouve une vitesse de montée moyen ne critique supérieure pour les gaz passant dans la colonne de charge du four, d'environ 60 pds/ sec, en dessous de laquelle le dosage peut être élevé forte- ment jusqu'en un point optimum où il atteint une valeur limite dictée par les exigences thermiques du procédé de fusion.
Ainsi, le dosage de 2,3 ou moins porté par le four à la vitesse de gaz de montée moyenne normale d'environ 65 pds / sec. peut être fortement augmenté jusqu'au moins 2,45 et même jusqu'à 2,8 , par étranglement de la sortie des gaz afin de diminuer la vitesse de gaz de mon- tée moyenne jusqu'à une vitesse comprise entre environ 45 et 55 pds/sec., ce dernier chiffre étant juste en dessous de la vitesse de gaz de montée critique supérieure susmentionnée. L'économie de plus de 200 liv. de coke sec par tonne de fer, rendue ainsi possible par le réglage de la vitesse de gaz de montée moy- enne, est de première importance par suite des réserves décroissantes de coke métallurgique.
Par taux de soufflage normal, on désigne le vent fourni au four en travaillant à des pressions de sommet normales et en'soufflant de l'air ordi- naire (21% d'oxygène) à des vitesses aussi élevées que possible, limitées habi- tuellement par la tendance àu four à accrocher et à produire une trop grande quantité.de poussières. Ce taux de soufflage normal est suffisant pour produire du fer à un tonnage approximativement égal à celui du débit normal du haut four- neau.
Par "dosage" on désigne le rapport deslivres de matière ferreuse chargée, telle que minerai, écailles, scories de sole ouverte,aux li-
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vres de coke sec chargé, calculé pour une période de temps tel qu'un cycle opé- ratoire ou un jour. Ce rapport est communément employé dans l'industrie de l'a- cier. Dans les cas où la charge contient des quantités appréciables de minerais carbonatés, comme la Sidérite, le poids du C02combiné dans la matière ferreuse chargée, doit être exclu des chiffres donnant la quantité de livres de matière ferreuse chargée, lors du calcul du dosage.
Les dosages augmentés obtenus par la réalisation de la présente invention, peuvent être exprimés dans les chiffres du dosage, comme déjà indi- qué ici, ou bien ils peuvent être exprimés en pour cent en tant qu'augmentation des dosages habituels de la. pratique antérieure, c'est-à-dire sans utilisa- tion de la pression. Une bonne valeur, déjà quelque peu élevée, pour les do- sages réalisés dans la pratique antérieure est, comme déjà indiqué, 2,5. Par- tant, le dosage de 2,45 qui peut être obtenu par le principe de la présente in- vention représente un accroissement de 6,5% par rapport à ladite valeur normale, les dosages encore plus élevés de 2,7 et de 2,8 qui peuvent être obtenus par le nt procédé de l'invention, représente/ des accroissements d'environ 17% et 22% res- pectivement.
La ligne pleine de la Fig. 2 représente les valeurs calculées pour le dosage sur la vitesse de gaz de montée moyenne, ces valeurs étant éga- lement les valeurs moyennes observées dans la pratique. Il est évident que les réglages, les conditions opératoires et les constituants de la charge, dans n' importe quel haut fourneau, ne pourront jamais être maintenus avec un degré d' exactitude tel que les résultats obtenus seront toujours sur la ligne pleine représentée à la Fig. 2. Cependant, ils tomberont dans la gamme relativement restreinte indiquée par les lignes en traits représentées de chaque côté de la ligne pleine de la Fig. 2.
Dans la réalisation de la présente invention, les raisons princi- pales de l'économie en coke réalisée par le réglage de la vitesse de gaz de mon- tée moyenne dans la gamme des conditions de pressions autorisées par les limi-
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tarions qu'implique chaque fois l'ensemble turbo-souffleuse et haut fourneau , sont : 1- une utilisation plus efficace de la puissance réductrice des gaz du haut fourneau par une meilleure distribution des gaz dans la colonne de charge et un plus long temps de contact, ces deux facteurs étant-réalisés par une plus faible vitesse des gaz.
La justification de ceci apparaît dans la diminution sur- venant dans le rapport CO/C02des gaz du sommet quittant le haut fourneau lorsque la vitesse décroît, 2- une transmission de chaleur plus efficace par un écoule- ment des gaz plus uniforme et un plus long temps de contact des gaz chauds ascen- dants avec la charge descendante, ce qui provient également du décroissement de la vitesse. Ainsi, la température des gaz sortante du sommet du haut fourneau a été trouvée être en fontion directe de la vitesse pour une pression de gaz du four statique moyenne donnée ; 5- l'utilisation de températures de soufflage plus élevées à des pressions plus élevées dans la cuve du haut fourneau.
La commande de la vitesse des gaz permet d'obtenir dans le procédé du haut fourneau,une autre économie importante. La poussière de carneau produite par tonne de fer a été trouvée être une fonction de la vitesse des gaz dans 1' espace libre, comme on l'a représenté à la Fig. 5. Cette vitesse des gaz dans 1' espace libre est la vitesse des gaz dans l'espace libre juste au-dessus de la charge, à l'endroit de la ligne de charge du haut fourneau. Elle est calculée par la méthode suivante : vitesse des gaz dans l'espace libre au-dessus de la charge à la li-gr gne de charge, en pieds par seconde = (vent délivré en pds.cu./sec.
@ 60 F, 14,7 liv. p.ea.ab.) x (corrections de pression absolue et de température pour les conditions à la ligne de charge ) x ( coefficient de dilatation des gaz): (surface transversale du four à la ligne de charge).
Spécifiquement, dans le cas d'un haut fourneau ayant les dimensions et la charge spécifiées plus haut, alimenté en air à un taux de vent de 85.000 pds. eu./minute, avec une pression au sommet de 10 liv./p.c. à une température au sommet de 500 F,ladite vitesse des gaz dans l'espace libre est calculé comme suit :
EMI12.1
Vitesse des gaz dans l'espace libre= 75000 x 14.7 x 760 x 1.55 = 4,5 pds/sec. 60 24,7 520 514
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ou
75000 = vent délivré calculé en pds.cu./sec. @ 60 F, 14,7 liv./p.c.abs.
60
14,7 = 14,7 = correction de pression absolue pour pression au sommete 104/P.
14,7+10 24,7 c.
460 + 500 = 760 = correction de température absolue pour température au sommet
460 + 60 520 Q 300 F
1,55 = coefficient de dilatation des gaz = %N en vent = 79 %N en gaz sommet 58,5
514 = surface transversale du four à la ligne de charge, en pieds, carrés.
On notera de nouveau qu'une vitesse critique est atteinte, celle-ci étant une vitesse en dessous de laquelle.la production de poussières du haut four- neau devient sans conséquence. Ainsi, si l'on règle la vitesse dans l'espace li- bre à en dessous environ 4,7 pds. /sec., la poussière de carneau produite sera de 1 ordre de 90 livres ou moins par tonne de fer au lieu du chiffre normal de plus de 200 livres par tonne de fer pour un fonctionnement à 75000 pds.cu./ min. devant délivré-:- à une pression au sommet de 2,5 liv./p.c. L'économie résultante dans la production de fer élève réellement le dosage "effectif" de la charge. En outre, des économies résultent du fait d'avoir à agglomérer seulement la quantité plus petite de poussière de carneau pour le rechargement du haut fourneau.
La vitesse de gaz de montée moyenne, si elle est élevée au point que la vitesse de gaz dè l' espace libre dépasse la valeur de transport de poussière critique trouvée, est importante dans la détermination de savoir combien de poussière sera produite à l'endroit de la partie presque verticale de la courbe de la Fig. 3 , vu que la vitesse de gaz de montée moyenne contrôle dans une large mesure les tendances au glissement et aux crevasses de la charge par le réglage de la chute de pression dans la masse.
Ainsi, plus la vitesse de gaz de montée moyenne est élevée, plus brusque sera le fonctionnement et plus grande sera la quantité de poussière lan- cée dans l'espace au-dessus de la ligne de charge d'où elle peut être transpor- tée dans les tuyamx de descente sous l'action des vitesses de gaz dans l'espace libre, excédant la valeur critique d'environ 4,6 pds/sec.
Bien que, comme on le notera au regard des calculs exemplatifs qui précèdent, il n'y ait pas de rapport direct entre la vitesse de gaz de montée
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moyenne et la vitesse de gaz dans l'espace libre, le point de vitesse critique d'environ 4,5pds./sec. de cette dernière correspond grosso modo à une vitesse d'environ 45 pds./sec. pour la première.
Il y a trois procédés pour faire décroître la vitesse de montée moyenne des gaz au travers de la charge du haut fourneau: (1) augmenter la pression statique moyenne à l'intérieur du haut fourneau.
(2) Diminuer le volume de vent soufflé.
(5) Enrichir le souffle d'air par de l'oxygène.
Il est évident que la méthode (2) n'est pas désirable, sauf éven- tuellement pendant les périodes de crises, étant donné que de faibles tonnages de fer seront produits lorsqu'on utilise de faibles volumes de vent.
Au tableau I ci-dessous, sont indiqués des données et des calculs pour différents fonctionnements d'un haut fourneau ayant les dimensions particu- lières données ci-dessus, avec une pression au sommet normale de 2,5 liv./p.c. et avec des pressions au sommet augmentées de 10 liv./p.c. et de 20, avec de 1' air ordinaire dans chaque cas, et également avec de l'air à 25% d'oxygène et avec de l'air à 40% d'oxygène. ". air à 25% d'oxygène" et " air à 40% d'oxygène" signifient respectivement de l'air contenant sensiblement 25% de 02 et 74% de N2, et de l'air contenant sensiblement 40% de O2 et 59% de N2, tous les chif- fres étant donnés en volume.
Dans la colonne portant l'en-tête "Vent (ou 02) dé- livré (p.c./m.)"les chiffres entre parenthèses montrent la teneur d'oxygène par p.c./m. dans le vent délivré, par exemple, 90. 000 p.c. /m. d'air à 25% d'oxygè- ne contient 22.500 p.c./m. d'oxygène (p.c./m. signifiant ici pieds cubes par mi- nute). L'air normal est représenté avec 21% d'oxygène.
Les représentations des Figs. 2 et 5 et les chiffres sous la rubrique "pas d'enrichissement en air"au tableau I , sont basés sur des séries extensibles d'opérations ou campagnes ré- elles,tandis que les chiffres pour la balance du tableau I sont obtenus par des calculs basés sur les résultats obtenus pratiquement au cours de ces opérations, sur leur expérimentation et sur des considérations thévriques valables.
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A titre d'exemple, et en se référant au tableau I, on suppose qu' il est désirable de fournir à ce haut fourneau envirmn 22. 000 p.c./m.d'oxygè- ne dans le vent. Ceci n'est pratiquement pas faisable avec de l'air ordinaire sans addition de pression au sommet, parce que, en tre autres choses, la vites- se du gaz serait grande au point de chasser la charge hors du haut fourneau.
Même avec addition de pression au sommet, l'opération est difficilement réalisa ble avec l'équipement actuellement disponible, vu que la capacité de soufflage et la pression requises sont en général trop élevées. Cependant, en enrichis- sant le souffle en oxygène, et en imposant des conditions de pression et de sou flage praticables, on peut facilement introduire 22.000 p.c. m.d'oxygène dans le vent. Ainsi, en soufflant 90. 000 p.c.m. d'air à 25% d'oxygène avec liv./ une pression au sommet de 20/po. ca.,on peut obtenir de bons résultats de fonc- tionnement en observant le principe de la présente invention. -Des résultats aussi bons peuvent être obtenus en soufflant 60.000 p.c./m. d'air à environ 37% d'oxygène, avec une pression au sommet d'environ 10 liv./po.ca.
Les données et calculs du tableau I sont basés sur les résultats du fonctionnement d'un haut fourneau de la dimension décrite ci-dessus avec une charge de minerais dite rectiligne utilisant des minerais des Lacs non traités (Lake ores), comme défini précédemment, ou bien en utilisant un mine- rai contenant certaines quantités d'agglomérés, d'écailles ou de résidus mé- talliques de façon telle que la teneur en fer des matières ferreuses dans la charge soit approximativement 48-54%, avec du coke contenant environ 86,5% de carbone et environ 3 à 8% d'humidité. Pour différents types de charge, les valeurs du tableau I devraient être modifiées par des procédés familiers à 1' homme de l'art.
Ainsi, pour des charges ayant une teneur en fer plus élevée, per exemple celles ayant plus de 60% de fer dans les matières ferreuses char- gées, les rapports de charge normaux seraient si élevés ou'il résulterait du réglage de la vitesse des gaz une augmentation relativement petite. Pour des charges à teneur en fer plus faible, par ex. 45% de fer ou moine, l'augmenta- tion du rapport de charge rendue possible par le réglage de la vitesse des gaz devrait s'avérer hautement avantageuse. Etant donné que les réserves en mi
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TableauI
Dosage, production de fer, taux de coke sec et production de poussière de carneausèche pour différentes vitesses de gaz de haut-fourneau et différents degrés d'enrichissement d'air.
Vent (ou 0 ) Pres. Pres. Vit. gaz Dos- Prod.fer Taux coke Poussière délivré (p/m) somme, souf. moye.dal8. age. ton. net./jour. sec livton. cârne sèche
EMI16.1
- . , - 0) ( iv/Do. c) (I)ie ft%)- - fer.- liv/ton/ter, Pas d'enrichissement en air
EMI16.2
<tb> 2,5 <SEP> 16 <SEP> 59,4 <SEP> 2,58 <SEP> 998 <SEP> 1652 <SEP> 120
<tb>
<tb>
<tb> 60.000 <SEP> 10 <SEP> 25,5 <SEP> 45,2 <SEP> 2,725 <SEP> 1151 <SEP> 1429 <SEP> 40
<tb>
<tb>
<tb> (12.
<SEP> 600) <SEP> 20 <SEP> 55,5 <SEP> 54,4 <SEP> 2,80 <SEP> 1196 <SEP> 1580 <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 21 <SEP> 67,2 <SEP> 2,28 <SEP> 1187 <SEP> 1710 <SEP> 260
<tb>
<tb>
<tb> 75.000 <SEP> 10 <SEP> 28,5 <SEP> 52,4 <SEP> 2,58 <SEP> 1558 <SEP> 1507 <SEP> 125
<tb>
<tb>
<tb> (15.750) <SEP> 20 <SEP> 38,3 <SEP> 40,5 <SEP> 2,77 <SEP> 1467 <SEP> 1402 <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 26,5 <SEP> 75,1 <SEP> 2,24 <SEP> 1400 <SEP> 1755 <SEP> 7'400
<tb>
<tb>
<tb> 90.000 <SEP> 10 <SEP> 55,8 <SEP> 58,1 <SEP> 2,415 <SEP> 1520 <SEP> 1608 <SEP> 160
<tb>
<tb>
<tb> (18.
<SEP> 900) <SEP> 20 <SEP> 45,8 <SEP> 45,5 <SEP> 2,72 <SEP> 1657 <SEP> 1485 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 51,5 <SEP> 79,1 <SEP> (probablement <SEP> irréalisable)
<tb>
<tb>
<tb> 105.000 <SEP> 10 <SEP> 58,8 <SEP> 65,9 <SEP> 2,515 <SEP> 1690 <SEP> 1680 <SEP> 255
<tb>
<tb>
<tb> (22.
<SEP> 050) <SEP> 20 <SEP> 48,8 <SEP> 50,8 <SEP> 2,625 <SEP> 1955 <SEP> 1480 <SEP> 150
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> à <SEP> 25% <SEP> d'oxygène <SEP> (en <SEP> volume)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 16 <SEP> 62,0 <SEP> 2,54 <SEP> 1168 <SEP> 1660 <SEP> 140
<tb>
<tb>
<tb> 60.000 <SEP> 10 <SEP> 25,5 <SEP> 47,3 <SEP> 2,695 <SEP> 1559 <SEP> 1441 <SEP> 45
<tb>
<tb>
<tb> ( <SEP> 15.000) <SEP> 20 <SEP> 33,5 <SEP> 55,9 <SEP> 2,795 <SEP> 1412 <SEP> 1591 <SEP> 22
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 21 <SEP> 70,2 <SEP> 2,26 <SEP> 1404 <SEP> 1720 <SEP> 310
<tb>
<tb>
<tb> 75.()Ou <SEP> 10 <SEP> 28,5 <SEP> 54,7 <SEP> 2,515 <SEP> 1576 <SEP> 1544 <SEP> 150
<tb>
<tb>
<tb> (18.
<SEP> 750) <SEP> 20 <SEP> 58,5 <SEP> 42,5 <SEP> 2,75 <SEP> 1756 <SEP> 1412 <SEP> 34
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 26,3 <SEP> 76,4 <SEP> 2,225 <SEP> 1650 <SEP> 1750 <SEP> 7400',
<tb>
<tb>
<tb> 90.000 <SEP> 10 <SEP> 55,8 <SEP> 60,6 <SEP> 2,365 <SEP> 1765 <SEP> 1645 <SEP> 195
<tb>
<tb>
<tb> (22.500) <SEP> 20 <SEP> 45,8 <SEP> 47,5 <SEP> 2,695 <SEP> 2059 <SEP> 1440 <SEP> 57
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 105.000 <SEP> 2,5 <SEP> 51,5 <SEP> 82,6 <SEP> (probablement <SEP> irréalisable)
<tb>
<tb>
<tb> (26.250) <SEP> 10 <SEP> 58,5 <SEP> 66,7 <SEP> 2,285 <SEP> 1987 <SEP> 1702 <SEP> 295
<tb>
<tb>
<tb> 20 <SEP> 48,8 <SEP> 55,0 <SEP> 2,565 <SEP> 2250 <SEP> 1515 <SEP> 170
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> à <SEP> 40% <SEP> d'oxygène <SEP> (en <SEP> volume)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 16 <SEP> 71,5 <SEP> 2,
25 <SEP> 1789 <SEP> 1728 <SEP> 250
<tb>
<tb>
<tb> 60.000 <SEP> 10 <SEP> 25,5 <SEP> 54,4 <SEP> 2,51 <SEP> 2050 <SEP> 1550 <SEP> 70
<tb>
<tb>
<tb> (24.000) <SEP> 20 <SEP> 33,5 <SEP> 41,4 <SEP> 2,765 <SEP> 2210 <SEP> 1408 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 21 <SEP> 80,9 <SEP> 2,215 <SEP> 2200 <SEP> 1754 <SEP> >400
<tb>
<tb>
<tb> 75.000 <SEP> 10 <SEP> 28,5 <SEP> 63,0 <SEP> 2,326 <SEP> 2520 <SEP> 1670 <SEP> 150
<tb>
<tb>
<tb> (50.000) <SEP> 20 <SEP> 38,5 <SEP> 48,7 <SEP> 2,68 <SEP> 2700 <SEP> 1450 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 26,5 <SEP> 88,0 <SEP> (probablement <SEP> irréalisable)
<tb>
<tb>
<tb> 90.000 <SEP> 10 <SEP> 33,8 <SEP> 70,0 <SEP> 2,265 <SEP> 2700 <SEP> 1717 <SEP> 285
<tb>
<tb>
<tb> (36.000) <SEP> 20 <SEP> 45,8 <SEP> 54,7 <SEP> 2,51 <SEP> solo <SEP> 1550 <SEP> 150
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5 <SEP> 51,5 <SEP> 95,
2 <SEP> (probablement <SEP> irréalisable)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 105.000 <SEP> 10 <SEP> 38,8 <SEP> 76,9 <SEP> 2,225 <SEP> 5090 <SEP> 1750 <SEP> >400
<tb>
<tb>
<tb> (42.000) <SEP> 20 <SEP> 48,8 <SEP> 61,2 <SEP> 2,565 <SEP> 5500 <SEP> 1645 <SEP> 160
<tb>
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nerais sont maintenant constituées en grande partie de minerais maigres, l'impor- tance du réglage de la vitesse des gaz ne peut pas être surestimée.
Comme il ressort clairement de ce tableau et de l'exposé précédent aussi bien que de la Fig. 2, les résultats désirables de la présente invention sont obtenus en exerçant une pression au sommet sur les gaz de sortie et en souf- flant suffisamment d'air pour créer une vitesse de montée moyenne des gaz du haut fourneau de moins de 60 pieds par seconde et de préférence ne dépas- sant pas 55 pieds par sec., tout en maintenant une pression statique moyenne à l'intérieur du haut fourneau d'au moins une atmosphère. La pression au sommet ainsi exercée doit être au moins de 5 liv./po.ca., et pour la plupart des hauts fourneaux elle sera, à des fins pratiques, de l'ordre général de 10 à 20 liv./po. ca.
Pour des hauts fourneaux travaillant sous une pression statique interne moy- enne de 7 atmosphères par ex., construits pour fonctionner dans ces conditions, et ayant une capacité de soufflage adéquate, la pression au sommet, afin d'avoir une vitesse de gaz de montée moyenne de 45 pds./sec. sera de l'ordre de 6,6 at- mosphères, et le vent sera délivré à environ 7,4 atmosphères. Pour un haut four- neau auquel on applique les données du tableau I, le vent soufflé sera alors d' environ 225.000 p.c./m. d'air ordinaire.
L'emploi d'un souffle consistant en ait enrichi en oxygène confè- re encore d'autres avantages, comme il est démontré dans l'exposé qui précède et au tableau I.
On notera, en se référant spécialement au tableau I, que la pro- duction élevée de fer, le faible taux de coke et la faible proportion de pous- sière de carneau sont obtenus avec des dosages dépassant 2,45 , et ces vitesses de gaz de montée moyennes n'excédant pas environ 55 pds./sec. De préférence, cette vitesse de montée est maintenue au-dessus d'environ 55 pds./sec., bien que des vitesses inférieures puissent être employées avec une certaine diminution dans la proportion de coke par rapport à ce qui pourrait être obtenu à une vites- se plus élevée (mais en dessous d'environ 55 pds./sec.), mais cedi sera générale- ment compensé par une augmentation des frais relatifs au soufflage, ou par une
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diminution du rendement.
En général, les meilleurs résultats, dans le fonctionne- ment suivant la présente invention, sont obtenus avec un dosage d'environ 2,7 à 2,8 (c'est-à-dire environ 17% à 22% au-dessus de la normale), une vitesse de gaz de montée moyenne de 35 à 45 pds.sec., et une vitesse de gaz dans l'espace libre de moins que 4,5 pds./sec. Ces opérations ont lieu dans la zone du point d'inflexion supérieur de la courbe de la Fig. 2, et en dessous du point de la Fig. 3 où la production de poussière de carneau monte presque verticalement .
Comme il apparaît clairement à la Fig. 3, il n'y a pas de limite inférieure critique pour la vitesse de gaz dans l'espace libre. Cependant, les autres conditions étant égales, lorsque la vitesse de gaz de montée moyenne di- minue, la vitesse de gaz dans l'espace libre diminue également, bien que pas né- cessairement dans la même proportion. Dans les gammes inférieures de vitesse de gaz de montée moyenne exposées ici, c'est-à-dire environ 55 pds. /sec., les vi- tesses de gaz dans l'espace libre seront généralement de l'ordre de 3 à 4 pds./ sec.
En se reportant au tableau I, on notera que, pour la pression au sommet normale d'environ 2,5 liv./po.ca., la, pression de soufflage normale d'en viron 21 liv./po.ca., le volume de vent maximum normal délivré au haut fourneau, d'environ 75. 000 p.c./m., et la vitesse de gaz normale d'environ 67 pds./sec., le dosage est d'environ 2,28, le tonnage en-fer est d'environ 1187, la proporti- on de coke d'environ 1710, et la poussière de carneau d'environ 260 livres par tonne de fer. Ordinairement, lorsqu'on augmente le taux de soufflage, la propor- tion de coke et la production de poussière de carneau augmentent également.
Ce- pendant, on verra que l'on peut, par réglage de la vitesse des gaz, augmenter le taux de soufflage d'air non enrichi jusqu'à 105. 000 p.c./m., et diminuer la pro- portion de coke de la valeur normale de 1710 jusqu'à 1480, diminuer la poussière de carneau de passé 100 livres par tonne de fer, et augmenter la production de fer d'environ 700 tonnes par jour. En outre, avec de l'air à 25% d'oxygène, dans un fonctionnement normal en ce qui concerne les autres conditions, à un taux de
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soufflage de 75.000 p.c./m. à une pression au sommet de 2,5 liv./po.ca., on no- tera que la proportion de coke augmentera effectivement à moins qu'on utilise le réglage de la vitesse des .gaz pour augmenter le dosage.
Lorsque ceci est ré- alisé, une économie d'environ 500 liv. de coke par tonne de fer est rendue pos- sible, de même qu'une réduction considérable de la poussière de carneau.
Une autre caractéristique du réglage de'la vitesse des gaz, mise en lumière au tableau I, est sa souplesse. Ainsi, l'opérateur peut régler la vi- tesse des gaz, et partant le dosage, pour conditionner le fonctionnement de fa çon adéquate (conditions opératoires constituées par les limitations de pression de la turbo-souffleuse et du sommet du haut fourneau, la situation économique dàminante et les frais d'installation )de façon à équilibrer la proportion de coke, la production de fer, la production de poussière de carneau, et les frais relatifs au soufflage afin de faire fonctionner le haut fourneau dans des con- ditions d'économie optima.
En utilisant les nouvelles commandes de réglage variables de cette invention-vitesse des gaz et enrichissement du soufflage -, l'opérateur peut ré. aliser des économies de différentes espèces et adapter le fonctionnement du haut fourneau aux conditions et demandes de l'ensemble de l'aciérie dont le haut fourneau fait habituellement partie intégrante. Par exemple, si l'alimenta- tion en coke est limitée et la demande de fer en fonte dépasse les disponibili- tés d'un fonctionnement normal odur haut fourneau, l'opérateur peut adapter le dosage (qui commande la consommation encoke) à une proportion d'environ 2,7 en diminuant les vitesses des gaz à travers le haut fourneau jusqu'à par exem- ple 40 pds. par sec., en allant jusqu'à une pression au sommet de 20 liv./po. ca.
Dans ces conditions, la production sera augmentée d'environ 280 tonnes par jour avec sensiblement la même consommation de coke journalière totale. Si main- tenant le haut fourneau ne peut fonctionner pour des raisons purement physiques à de telles pressions internes, l'opérateur pourra alors obtenir les mêmes résul, tats en allant judqu'à environ 10 livres de pression ausommet et en enrichis-
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sent en oxygène l'air de soufflage.
Avec cette même limite de pression au sommet et avec des demandes de production encore plus intense, l'opérateur pourra aug- menter le sougflage en concédant une certàine réduction de l'économie du coke ou maintenir le même dosage élevé désirable grâce à un enrichississement de 1' air de soufflage, tout en continuant à travailler avec la pression au sommet ma- ximum pouvant être utilisée sans danger dans le haut fourneau.Il apparaît clai- rement au tableau I que des conditions opératoires variables dans de grandes li- mites peuvent être réalisées avec n'importe quel haut fourneau donné en se ser- vant des variables représentées par la vitesse des gaz et l'enrichissement de l'air de somfflage, tout en travaillant dans des conditions de pression- au sommet plus élevées que la normale.
La souplesse obtenue par le procédé de la présente invention est, par conséquent, de la plus grande importance pratioue.
En fait, en créant ces possibilités de réglage adéquat de la vitesse des gaz dans le haut fourneau, l'invention ouvre la voie à des productions d'une ampleur toute nouvelle pour les hauts fourneaux connus à ce jour, et permettant des résultats considérés jusqu'à présent comme impossibles.
Revendications.
1. Le procédé de fonctionnement d'un haut fourneau, procédé dans lequel l'air est soufflé dans le haut fourneau à un taux de soufflàge au-dessus de la normale, et l'évacuation des gaz hors du haut fourneau est étranglée, ca- ractérisé en particulier en ce que le dosage de la charge est maintenu entre 2,45 et 2,8 , et en ce que l'évacuation des gaz est étranglée de façon à mainte- nir une pression au sommet du haut fourneau d'au moins cinq livres par pouce carré, une pression statique moyenne à l'intérieur du haut fourneau d'au moins une atmosphère, et une vitesse de gaz de montée à travers la masse moyenne ente tre 35 et 55 pieds par seconde.