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" Procédé d'exploitation de hauts-fournsaux.
La présente invention concerne un procédé d'exploitation de hauts-fourneaux et elle a notamment pour objet de souffler un haut-fourneau avec un vent contenant un mélange réglé et uniforme - d'azote, d'oxygène et de valeur d'eau;. préchauffé.
Le procédé d'exploitation usuel des hauts-fourneau:;. con- siste à souffler de l'air atmosphérique à travers des réchauf- feurs pour le réchauffer jusqu'à la température désirée avant de l'envoyer dans les tuyères de distribution placées à la périphé- rie du creuset du haut-fourneau. La pression de l'air soufflé doit être assez élevée pour vaincre la résistance opposée, par la co- lonne de matières, à la montée des gaz à travers le haut-fourneau.
Dans les hauts..fourneaux américains la pression de soufflage va- rie normalement entre une atmosphère et une atmosphère et demie suivant la capacité du haut-fourneau, mais on obtient couramment des pressions supérieures au sommet en étranglant la sortie des gaz au sommet ce qui permet de réaliser une économie de coke et donna en outre dtautres avantages.
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Des recherches, effectuées en vue de découvrir d'autres perfectionnements possibles susceptibles d'être apportés à l'éco- nomie et à l'exploitation des hauts-fourneaux, ont également por- té sur l'examen du rapport entre les quantités des composants de l'air atmosphérique soufflé et les caractéristiques d'exploi- tation du haut-fourneau. Ces composants sont principalement l'a- zote et l'oxygène, et on les retrouve dans le vent avec le mène rapport relatif que dans J'air atmosphérique, c'est-à-dire en-- viron 21 % d'oxygène et 79 % d'azote.
Des expériences récentes entreprises pour modifier le rapport entre l'oxygène et l'azote ont montré que l'addition d'oxygène- au vent entraîne une augmen- tation de la combustion du coke près des tuyères, ce qui augmente le rapport CO-CO2 et par conséquent la production du fer.
Le vent contient également de l'eau en quantité variable suivant l'humidité absolue de l'air atmosphérique introduit dans les souffleries. On sait depuis longtemps que la variation de l'hu- midité contenue dans le vent est 1,'un des obstacles les plus graves que l'on rencontre pour maintenir une mise au mille de co- ke uniformément basse. L'humidité du vent est généralement plus grande le jour que la nuit et en été qu'en hiver et elle est aus- si plus grande par temps humide que -car temps sec.
Pour compenser les effets de la variation de l'humidité du vent,, l'expédiant consistant à sécher le vent par refroidissement a été adopté avec quoique succès, il y a près de cinquante ans, par James Gayler, mais on constate dans la plupart des cas que cet expédient est plus coûteux que cela n'est justifié par la quantité de coke qu'il permet d'économiser. Bien que l'on ait imaginé des procédés moins coûteux pour supprimer l'humidité contenue dans le vent, on a dé- couvert incidemment que ce qui est le plus avantageux, c'est, non pas l'absence d'humidité, Mais une plus grande uniformité de @
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l'humidité du vent* Par exemple,comme cela est indiqué dans le brevet U.S.A.
N 1.921.212 du 4 Juin 1931, brevet suivant lequel on utilise un vent sec, le degré de "poussée" du haut-fourneau ost retardé,c'est-à-dire que la vitesse de combustion du coke on face des tuyères ost réduite par suite de l'absence de l'effet cataly- tique de l'humidité, effet qui favorise la combustion du coke incandescent en avant des tuyères. En outre, lorsque l'air est très soc, la pression do soufflage augmenta et le haut-four- neau tond à "accrocher" à un degré tel que les opérateurs ont sou- vent recours à l'expédient qui consiste à introduire de la valeur d'eau dans les tuyères avec le vent pour réduire la pression et rétablir dans la charge l'humidité donnant l'effet catalytique..
Suivant la présente invention, l'humidité du vent est maintenue constante à tout moment par une addition d'humidité sous forme de vapeur d'eau en quantités réglées, mais variables et telles que l'humidité du vent soittoujours uniforme et constan- te ot au moins égale,dans la plupart des cas, au maximum d'humi- dité que l'on rencontre dans l'air atmosphérique en été par temps chaud et humide, afin d'obtenir l'économie maximum de coke et d'améliorer l'uniformité de la qualité du fer produit par la haut- fourneau.
Dans la mode de réalisation préférentiel du procédé qui fait l'objet de l'invention, la vapeur d'eau en quantités réglées pour assurer dans le vent un poids d'eau constant et déterminé d'avance, dans le but ci-dessus décrit, est ajoutée au vent froid en un point situé entre la soufflerie ou le turbo-ventilateur et les réchauffeurs par une conduite de vapeur reliée à la condui- te maîtresse de vent froid, ce point étant choisi parce que l'air do la conduite maîtresse de vent froid est ordinairement suffisam-- ment réchauffé, par suite de sa compression, pour éviter la conden- sation de l'humidité ajoutée.
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Les avantages, mentionnés ci-dossus, résultant de cotte addition de vapeur d'eau au vent froid sont accompagnés d'une perte calorifique qui se produit dans le creuset et qu'il faut contrebalancer. Cotte porto oalorifiquo est due à la réaction endothermique entre la vapeur d'eau et le coke incandescent.
Lors- que la vapeur d'eau entre dans le haut-fourneau, avec le vont, par les tuyères et qu:elle rencontre le coke incandescent du creu- set en avant des tuyères, la réaction du gazà l'eau H2O + C = H2 + CO se produit instantanément. Le refroidissement do la zone de combustion par 7 'absorption de calories nécessitée par cette réaction est contrebalancée, suivant la présente inven- tion, par l'addition au vent, d'une quantité suffisante d'oxygène, de préférence en même temps que la vapeur d'eau, pour accéder la combustion du coke de manière à compenser la perte calorifique due à la réaction endothermique du gaz à l'eau. De préférence, toutefois,
la température du vent chaud est simultanément élovSe jusqu'au maximum admissible dans la technique des réchauffeurs, température pouvant atteindre 870 C. Lorsqu'on utilise une tempé- rature du vent plus élevée, on peut ajouter moins d'oxygène, d'autant plus que l'élévation de la température du vent chaud re- présente uno augmentation de la température de l'air, de la va- pour d'eau et de l'oxygène ajouté, do sorte que le vent apporte plus de calories à la zone de réaction et que 'accélération de la consommation du coke qu'il est nécessaire de réaliser est moin- dre. D'une façon analogue, un préchauffage un peu moins poussé du vont exige l'addition d'un peu plus d'oxygène.
Le choix des proportions relatives des moyens comprenant la chaleur de la réaction endothermique, c'est-à-dire des calories et de l'oxygène ajoutés, dépend de considérations économiques. Do même, on peut utiliser les deux moyens à des degrés variables suivant les cir- constances locales,
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En augmentant ainsi l'humidité des gaz chauds soufflés et en compensant la perte calorifique due à la réaction endother- miquo entre la vapeur d'eau et le carbone chaud par 1' élévation do la température durent et l'enrichissement en oxygène, non seu- lement on augmente la teneur en hydrogène des gaz réducteurs dans la cuve par suite do la réaction endothermique,
mais il se dégage aussi dans la zone de combustion uno quantité notable d'oxygène provenant de la môme sourco, c'est à dire de la dissociation de la. vapeur d'eau qui réagit sur le coke incandescent pour donner du gaz à l'eau. La libération de cet oxygène supplémentaire accélère enco- re davantage la combustion du coke, augmentant ainsi le degré de "pousséo" du haut-fourneau et par conséquent la production de for, et on libérant également dos quantités supplémentaires des gaz réducteurs actifs,hydrogène et oxyda de carbone, pour la réduction indirecte des oxydes de for dans les otages supérieurs do la cuve du haut-fourneau.
Par exemple, l'hydrogène ainsi rendu disponible dans la partie supérieure do la cuve du haut-fourneau a une valeur spéciale à cet endroit, étant donné que sa réaction avec les oxydes do for a licu à une température inférieure à celle oxigéo pour l'oxyde de carbone. Jusqu'à un certain dogré, par conséquente cet hydrogène, complète l'action réductrice exigée de l'oxyde do carbo- no, et ceci entraîne unc nouvelle économie de coke. On conçoit donc qu'il peut Être avantageux, pour certains minerais, d'introduire;. dans lo vont, dos quantités d'eau beaucoup plus grandes quo celles qui sont contenues dans l'atmosphère par les temps es plus chauds et les plus humides.
On supposera, à titro d'exemple, que l'on ajoute au vent unc quantité de vapeur d'eau suffisanto pour être égale à l'humi- dité atmosphérique maxîma sous les climats chauds et humides, soit environ 35 grammes d'oau par mtrc cube d'air, et quo le vont est
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enrichi par 20 % d'oxygène supplémentaire pour augmenter la teneur de l'air en oxygène et la porter, de la teneur atmos- phérique d'environ 21 % à environ 25,2 %. Si, en même temps que l'on ajoute de l'oxygène, l'on porte la température du vent de 650 C à 870 C, la chaleur ajoutée au haut-fourneau en avant des tuyères par kilogramme de carbone brûlée aux tuyères,
est augmentée de 706 grandes calories comme le montre le calcul suivant :
35 g. de H20/m3 d'air correspondent à 0,0453 m3 do va- peur d'eau par m3 d'air.
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35 g. de f.T 12 0 =00453 ¯ 4,33 % de vapeur d'eau en 1,0453 volume.
Comme la combustion de 1kg. de C aux tuyères et sa en
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transformat îon/CO exigent 9,4 m3 d'air, pour une augmentation de température de 220 C (870-650 ) et avec une teneur moyenne en humidité correspondant à une capacité calorifique de 0,341 Cal/m3, la chaleur apportée est:
9,4 m3 d'air x 220 C x 0,341 = 706 Cal.
La perte calorifique due à l'addition de vapeur d'eau à l'air soufflé, perte due à la dissociation au contact du car- bone incandescent en avant des tuyèreset à la réduction en oxyde de carbone et en hydrogène, est égale à 580 Cal. comme le montre le calcul suivant :
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9,4Om3 x 35g.= 330g.dl69U,k-gC brûlé
Chaleur de formation de H2O = 57,8 Cal. par mol. gr.
Chaleur de formation de C0= 26,4 Cal. par mol. gr.
Le bilan calorifique de l'opération se traduit donc par une perte de
57,8 - 26,4 = 31,4 Cal. par mol. gr. H2O
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Comme : 330 gr. H20 = 330 18,3 mol. gr. H2O, 18 la perte, par kg. de carbone brûlé et transformé en CO est bien :
31,4 x 18,3 = 580 Cal.
En conséquence, la chaleur sensible de 706 calories ajoutée au vent par l'élévation de sa température de 220 C et par l'augmentation de 20% de sa teneur en oxygène est plus que suffisante pour compenser les 580 Cal. absorbées par la réaction endothermique de la vapeur d'eau avec le carbone in- candescent, comme décrit ci-dessus.
On remarquera que la teneur totale en eau de l'air soufflé, y compris la vapeur d'eau ajoutée, sert de base pour déterminer la chaleur perdue dans la réaction endothermique, de sorte qu'une modification de la teneur totale en eau, si cette modification est désirable pour augmenter la vitesse de réduction par l'hydrogène, exige une modification correspondante de la quantité d'oxygène ajoutée pour maintenir la température du creuset à la température désirée, par conséquent, pour cha- que modification qui est effectuée un réglage compensateur est nécessaire,ce qui exige un contrôle serré de la quantité de vapeur d'eau ajoutée et de l'oxygène ajouté, ainsi que de l'é- lévation de la température du vent si on le désire. Cette com- mande peut être effectuée automatiquement au moyen de doseurs différentiels.
La pratique, qui fait l'objet do la présente invention, de compenser, par une addition d'oxygène, la perte calorifique résultant de l'addition de vapeur d'eau, diffère donc notable- ment de l'addition de vapeur d'eau et d'oxygène au vent, sans discrimination, comme celle qui est proposée dans le brevet
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U.S.A. N 1. 518.854 du 6 Août 1920 dans lequel la vapeur d'eau est utilisée dans un but de refroidissement.
Alors que l'exemple ci-dessus est un exemple type général, on constatera qu'il est avantageux de régler indépen- damment la quantité de vapeur d'eau et la quantité d'oxygène qui sont ajoutées au vent suivant les caractéristiques parti- culières de la charge. Ainsi, pour certains minerais qui ten- dent à produire de grandes quantités de poussières dans les carneaux, ainsi que pour les minerais très réactifs et qui sont facilement réduits par des gaz à basse température, tels que les limonites, une plus grande proportion d'oxygène ajouté est généralement plus avantageuse qu'une plus grande proportion d'humidité ajoutée sous forme de vapeur d'eau.
Cela est dû/au fait que de tels minerais sont réduits plus facilement par un vent à basse température, tandis que l'importance de la faible consommation de coke peut limiter la quantité do vapeur d'eau pouvant être utilisée. D'autre part, les magnétites et les héma- tites denses tirent parti de l'invention par l'addition à la fois, d'oxygène et de vapeur d'eau en quantités relativement grandes.
Bien que l'on ait décrit ci-dessus un exemple idéal du procédé d'exploitation des hauts-fourneaux suivant la pré- sente invention, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à cc procédé d'exploitation, mais que des modifications peuvent y être apportées sans que l'on sorte de son cadre.
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"Operating process for blast furnaces.
The present invention relates to a method of operating blast furnaces and its particular object is to blow a blast furnace with a wind containing a regulated and uniform mixture of nitrogen, oxygen and water ;. preheated.
The usual operating process for blast furnaces:;. involves blowing atmospheric air through heaters to heat it to the desired temperature before sending it to the distribution nozzles placed at the periphery of the blast furnace crucible. The pressure of the blown air must be high enough to overcome the resistance which the column of material gives to the rise of the gases through the blast furnace.
In American high furnaces the blowing pressure normally varies between one atmosphere and one and a half atmospheres depending on the capacity of the blast furnace, but we commonly obtain higher pressures at the top by throttling the outlet of the gases at the top which saves coke and furthermore gave other advantages.
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Research carried out with a view to discovering other possible improvements likely to be made in the economy and in the operation of blast furnaces, also concerned the examination of the relationship between the quantities of the components. atmospheric blown air and the operating characteristics of the blast furnace. These components are principally nitrogen and oxygen, and they are found in the wind with the lowest relative ratio than in atmospheric air, that is to say about 21% oxygen and 79% nitrogen.
Recent experiments undertaken to modify the ratio of oxygen to nitrogen have shown that the addition of oxygen to the wind causes an increase in the combustion of coke near the tuyeres, which increases the CO-CO2 ratio. and hence the production of iron.
The wind also contains water in variable quantity depending on the absolute humidity of the atmospheric air introduced into the wind tunnels. It has long been known that the variation in the humidity contained in the wind is one of the most serious obstacles one encounters in maintaining a uniformly low mileage. Wind humidity is generally greater during the day than at night and in summer than in winter, and it is also greater in wet weather than in dry weather.
To compensate for the effects of varying humidity in the wind, the expedient of drying the wind by cooling was adopted with some success nearly fifty years ago by James Gayler, but it is found in most cases that this expedient is more expensive than justified by the amount of coke it saves. Although less expensive methods have been devised for removing moisture contained in the wind, it has incidentally been found that what is most advantageous is, not the absence of moisture, but a greater uniformity of @
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wind humidity * For example, as shown in U.S.A.
N 1.921.212 of June 4, 1931, patent according to which a dry wind is used, the degree of "thrust" of the blast furnace is delayed, that is to say that the speed of combustion of the coke in front of the nozzles ost reduced by the absence of the catalytic effect of humidity, an effect which favors the combustion of the glowing coke in front of the nozzles. In addition, when the air is very hot, the blowing pressure increased and the blast furnace mows to "hang" to such an extent that operators often resort to the expedient of introducing gas. water value in the nozzles with the wind to reduce the pressure and restore the humidity in the load giving the catalytic effect.
According to the present invention, the humidity of the wind is kept constant at all times by adding moisture in the form of water vapor in controlled, but variable amounts, and such that the humidity of the wind is always uniform and constant. at least equal, in most cases, to the maximum humidity which is encountered in atmospheric air in summer in hot and humid weather, in order to obtain the maximum economy of coke and to improve the uniformity of the quality of the iron produced by the blast furnace.
In the preferred embodiment of the method which is the subject of the invention, the water vapor in quantities adjusted to ensure in the wind a constant weight of water determined in advance, for the purpose described above , is added to the cold wind at a point located between the blower or the turbo-fan and the heaters by a steam duct connected to the main cold wind duct, this point being chosen because the air from the main duct of cold wind is usually sufficiently warmed, as a result of its compression, to avoid condensation of the added moisture.
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The advantages, mentioned above, resulting from the addition of water vapor to the cold wind are accompanied by a heat loss which occurs in the crucible and which must be counterbalanced. Cotte porto oalorifiquo is due to the endothermic reaction between water vapor and glowing coke.
When the water vapor enters the blast furnace, with the go, through the tuyeres and meets the incandescent coke of the crucible in front of the tuyeres, the reaction of the gas to water H2O + C = H2 + CO occurs instantly. The cooling of the combustion zone by the absorption of calories required by this reaction is counterbalanced, according to the present invention, by the addition to the wind of a sufficient quantity of oxygen, preferably at the same time as the oxygen. water vapor, to access the combustion of coke so as to compensate for the heat loss due to the endothermic reaction of gas with water. Preferably, however,
the temperature of the hot blast is simultaneously raised to the maximum permissible in heating technology, which can reach 870 C. When using a higher wind temperature, less oxygen can be added, all the more so that the rise in the temperature of the hot wind represents an increase in the temperature of the air, the water value and the added oxygen, so that the wind brings more calories to the area reaction and the acceleration of the consumption of coke which it is necessary to achieve is less. Similarly, slightly less preheating of the va requires the addition of a little more oxygen.
The choice of the relative proportions of the means comprising the heat of the endothermic reaction, that is to say the calories and the added oxygen, depends on economic considerations. Likewise, the two means can be used to varying degrees depending on local circumstances,
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By thereby increasing the humidity of the hot blown gases and by compensating for the heat loss due to the endothermic reaction between water vapor and hot carbon by the increase in the temperature and the enrichment of oxygen, not only. - the hydrogen content of the reducing gases in the tank is also increased as a result of the endothermic reaction,
but it also emerges in the combustion zone uno significant quantity of oxygen coming from the same source, that is to say from the dissociation of the. water vapor which reacts with the glowing coke to give gas to the water. The release of this additional oxygen further accelerates the combustion of the coke, thereby increasing the degree of "push" of the blast furnace and hence the production of brine, and also releasing additional amounts of the active reducing gases, hydrogen and gas. carbon oxides, for the indirect reduction of forest oxides in the upper hostages of the blast furnace vessel.
For example, the hydrogen thus made available in the upper part of the blast furnace vessel has a special value there, since its reaction with the oxides of alcohol at a temperature lower than that of the oxigeo for the carbon monoxide. Up to a certain dogre, therefore, this hydrogen completes the reducing action required of carbon dioxide, and this brings about a new economy of coke. It is therefore understood that it may be advantageous, for certain minerals, to introduce. there are far greater amounts of water in the atmosphere than in the atmosphere in hotter and wetter weather.
Suppose, by way of example, that we add to the wind a sufficient quantity of water vapor to be equal to the maximum atmospheric humidity in hot and humid climates, that is to say about 35 grams of water per cubic air mtrc, and what is going is
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enriched with 20% additional oxygen to increase the oxygen content of the air and increase it from the atmospheric content of about 21% to about 25.2%. If, at the same time as oxygen is added, the temperature of the wind is raised from 650 C to 870 C, the heat added to the blast furnace in front of the tuyeres per kilogram of carbon burned in the tuyeres,
is increased by 706 large calories as shown in the following calculation:
35 g. of H20 / m3 of air correspond to 0.0453 m3 of water vapor per m3 of air.
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35 g. of f.T 12 0 = 00453 ¯ 4.33% water vapor in 1.0453 volume.
Like burning 1kg. from C to the nozzles and its to
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transformation / CO require 9.4 m3 of air, for a temperature increase of 220 C (870-650) and with an average moisture content corresponding to a heat capacity of 0.341 Cal / m3, the heat supplied is:
9.4 m3 of air x 220 C x 0.341 = 706 Cal.
The heat loss due to the addition of water vapor to the blown air, loss due to dissociation in contact with the incandescent carbon in front of the nozzles and reduction to carbon monoxide and hydrogen, is equal to 580 Cal. as the following calculation shows:
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9.4Om3 x 35g. = 330g.dl69U, k-gC burnt
Heat of formation of H2O = 57.8 Cal. by mol. gr.
Heat of formation of C0 = 26.4 Cal. by mol. gr.
The calorific balance of the operation therefore results in a loss of
57.8 - 26.4 = 31.4 Cal. by mol. gr. H2O
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As: 330 gr. H2O = 330 18.3 mol. gr. H2O, 18 loss, per kg. of carbon burned and transformed into CO is:
31.4 x 18.3 = 580 Cal.
As a result, the sensible heat of 706 calories added to the wind by raising its temperature to 220 C and increasing its oxygen content by 20% is more than enough to compensate for the 580 Cal. absorbed by the endothermic reaction of water vapor with the incandescent carbon, as described above.
Note that the total water content of the blown air, including the added water vapor, serves as a basis for determining the heat lost in the endothermic reaction, so that a change in the total water content, if this modification is desirable to increase the rate of reduction by hydrogen, requires a corresponding modification of the amount of oxygen added to maintain the temperature of the crucible at the desired temperature, therefore, for each modification which is made an adjustment compensator is necessary, which requires tight control of the amount of added water vapor and added oxygen, as well as the rise in wind temperature if desired. This control can be carried out automatically by means of differential metering devices.
The practice, which is the object of the present invention, of compensating, by the addition of oxygen, for the heat loss resulting from the addition of steam, therefore differs markedly from the addition of steam. water and oxygen blowing in the wind, indiscriminately, like that proposed in the patent
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U.S.A. No. 1,518,854 of August 6, 1920 in which water vapor is used for cooling purposes.
While the above example is a general typical example, it will be found that it is advantageous to independently control the amount of water vapor and the amount of oxygen which are added to the wind according to the particular characteristics. of the load. Thus, for some ores which tend to produce large amounts of flue dust, as well as for highly reactive ores which are easily reduced by low temperature gases, such as limonites, a greater proportion of added oxygen is generally more advantageous than a greater proportion of added moisture in the form of water vapor.
This is due to the fact that such ores are more easily reduced by low temperature wind, while the importance of low coke consumption may limit the amount of water vapor that can be used. On the other hand, magnetites and dense hematites take advantage of the invention by the addition of both oxygen and water vapor in relatively large amounts.
Although an ideal example of the method of operating blast furnaces according to the present invention has been described above, it is understood that the invention is not limited to this method of operation, but that modifications can be made without going beyond its framework.