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PROCEDE, POUR LA REALISATION D'OPERATIONS METALLURG'IQUES, AU FOUR A CUVE
BAS ET FOURS, A CUVE CONVENANT POUR LA REALISATION DE CE PROCEDE .
Le traitement métallurgique d'oxydes métalliques, par exemple de minerais de fer, peut'être réalisé sans difficultés particulières lorsque la teneur en oxygène dans le vent soufflé ne dépasse pas 35 % environ. Dans le cas de teneurs plus élevées en oxygène dans le vent soufflé, il se produit des dérangements importants. Ces dérangement consistent principalement en phénomènes d'accrochage de la charge (formation de voûtes) dans le four et en ce que le four n'admet plus levvent soufflé. Ces dérangements peuvent être si forts qu'ils rendent considérablement plus difficile et même impossible. le ,fonctionnement du four.
Il est connu, il est vrai, que l'on peut également travailler avec des teneurs plus élevées désirées en oxygène dans le.vent souf- flé, lorsqu'on ajoute au vent un gaz auxiliaire, par exemple de la vapeur d'eau ou de l'acide carbonique, séparément ou en mélange, qui abaisse la températu- re du four.
L'addition d'un tel gaz auxiliaire dans les proportions habituel- lement employées jusqu'ici entraîne des inconvénients, qui consistent, d'une part, en ce que la possibilité d'utilisation de la chaleur de combustion du carbone dans l'ouvrage du four est abaissée par le gaz auxiliaire, et en ce que, par l'augmentation de la quantité de gaz de gueulard en raison de l'ad- dition du gaz auxiliaire ou-de ses produits de décomposition à la quantité de gaz provenant de réactions métallurgiques,la capacité de production du four à cuve est abaissée de façon indésirable.
Les inconvénients mentionnés de l'addition d'un gaz auxiliaire, 'par exemple de vapeur d'eau ou d'acide carbo- nique, se manifestent surtout parce qu'on ne savait pas jusqu'ici dans quelle proportion optimum ce gaz auxiliaire devait être ajouté si l'on voulait évi- ter les inconvénients de façon aussi complète que possible et obtenir les avantages' que l'on peut atteindre dans le cas d'un dosage correct de la pro- portion de gaz auxiliaire.
Comme on devait, en raison de l'ignorance de la proportion optimum de gaz auxiliaire, compter jusqu'ici avec l'utilisation de très grandes quantités-de gaz auxiliaire, et comme ainsi le traitement mé- tallurgique, avec de l'dxygène d'une concentration supérieure à 35% environ,. devenait peu sûr au point de vue du fonctionnement et de la technique, le four à cuve bas,fonctionnant avec de l'oxygène à concentration élevée, ne
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pouvait jusqu'ici pas s'introduire dans la pratique métallurgique.
Cet in- succès d'une mesure,bonne en elle-même, est dû surtoutà la causé suivan- te :la possibilité d'utilisation de la chaleur de combustion du carbone, disponible dans l'ouvrage du four, était considérablement réduite par l'ad- dition d'un gaz auxiliaire, tel que vapeurs d'eau ou acide carbonique ou -- gaz de gueulard recyclé ou de mélanges de ces gaz, dans les proportions choi- sies jusqu'ici, et¯en outre - dans le cas d'une vitesse donnée du gaz au gueulard, qu'oncne pouvait pas dépasser pour d'autres raisons -"la capacité de production du four était considérablement réduite par l'accroissement obligatoirement produit de la quantité de gaz de gueulard et par la diminu- tion résultante de la proportion de gaz provenant des réactions métallurgi- ques dans la quantité totale du gaz de gueulard.
La présente invention a pour but d'indiquer les moyens techni- ques par lesquels on peut, dans un four à cuve bas fonctionnant avec de l'oxy- gène fort concentré, régler les conditions de fonctionnement de telle manière que les inconvénients mentionnés dans ce qui précède ne puissent pas se pro- duire.
La solution, faisant l'objet de la présente invention, de ce problè- me est basée sur une constatation, découverte et confirmée par des essais effectués en grand et qui n'était pas connue jusqu'ici, et elle consiste en ce que la combustion du vent soufflé à concentration élevée en oxygène ou d'oxy- gène avec du charbon est réalisée de telle manière que la température maximum dans l'ouvrage du four et au niveau des tuyères est limitée à une valeur qui atteint au maximum la température du début de vaporisation du laitier ou scorie et reste de préférence un peu au-dessous de cette température.
Le principe de la présente invention peut être réalisé' de diffé- rentes manières dans le cas du four à cuve bas. On peut, d'une part, ajouter au vent soufflé, consistant en oxygène ou en un milieu gazeux à concentra- tion élevée en oxygène, en fonction de la teneur du vent en oxygène, de la vapeur d'eau oude l'acide carbonique ou un autre gaz, tel que par exemple du gaz de gueulard recyclé, séparément ou en mélange, dans la proportion né- cessaire pour atteindre la température mentionnée. Un autre moyen pour réa- liser le principe de la présente invention consiste à insuffler'l'oxygène de manière inégale, et cétte inégalité peut avoir lieu dans l'espace ou dans le temps, ou à la fois dans l'espace et dans le temps.
L'oxygène peut être insufflé sous forme d'oxygène fort concentré, sous forme d'air enrichi en oxy- gène ou dans un autre milieu gazeux.
Il est enfin décrit, comme exemples de réalisation de la présen- te invention, différents fours à cuve bas qui permettent de réaliser le pro- cédé précédemment défini.
En ce qui concerne le principe de la présente invention, à sa- voir que la combustion du vent soufflé à concentration élevée en oxygène est'- réalisée de telle manière que la température maximum dans 'l'ouvrage ou au ni- veau des tuyères soit limitée à une valeur qui atteint au maximum la tempé- rature du début de vaporisation du laitier ou scorie et reste de préférence un peu- au-dessous de cette température, on peut mentionner ce qui suit.
Il a été téabli que, pour une concentration croissante d'oxygè- ne dans le vent soufflé, les températures de combustion, se produisant dans l'ouvrage du four sans contre-mesures particulières, augmentent très forte- ment. Dans le cas de le.utilisation d'oxygène pur, ces températures sont, selon la conduite de l'opération, supérieures à 3.000 C. Il en résulte que, dans le cas d'un four à cuve fonctionnant avec une telle concentration éle- vée en oxygène, les températures dans l'ouvrage montent au-delà des tempéra- tures de vaporisation des substances normalement présentes dans le laitier ou scorie. Il est connu, par exemple, qu'à 2.200 C, la tension de vapeur de la silice, à 2.700 C celle de l'alumine, et à 2.850 C celle de la chaux, at- teint l'atmosphère.
Comme il s'agit, dans les laitiers ou scories industriels constamment d'un mélange de ces constituants, éventuelle ment avec encore d'autres oxydes métalliques, les températures du début de vaporisation du laitier ou scorie sont un peu plus élevées que celles des substances pures.
Il faut toujours compter avec le fait que, lorsque la température dans l'ou-
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vrage du four dépasse 2.300-2.500 C, il se produit, selon la composition du laitier ou scorie, une vaporisation importante de constituants de celui-ci.
Ceci a pour conséquence que les oxydes vaporisés se séparent à nouveau un peu au-dessus de l'ouvrage, où la température des constituants du lit de fu- sion est un peu inférieure aux points de vaporisation correspondants. Une' partie de ces oxydes reste, il est vrai, sous forme de brouillard dans le gaz de gueulard et a pu de cette manière être constatée dans le gaz de gueu- lard de fours à cuve fonctionnant de cette manière. Comme les points de so- lidification des constituants du laitier ou scorie sont voisins des tempéra- tures de vaporisation, une grande partie des constituants du laitier ou sco- rie, séparés de la phase gazeuse, sont séparés au-dessus de l'ouvrage sous forme cristalline solide.
Ceci a pour résultat que les trajets pour le passage du gaz sont rétrécis et sont finalement complètement engorgés, de sor- te que la pression, sous laquelle le vent doit être insufflé dans le four, s'élève notablement et que le four n'admet finalement plus du tout de vent soufflé. En outre, l'engorgement des constituants du lit de fusion par des constituants du laitier ou scorie séparés par cristallisation à partir de la phase gazeuse, forme, très près au-dessus de la zone de combustion dans l'ouvrage, une voûte, qui amène des phénomènes d'accrochage dans le four.
Conformément à la présente invention, on doit conduire la com- bustion dans l'ouvrage du four de telle manière que la température de pointe que peut y produire la combustion de l'oxygène avec le carbone, ne dépassé pas la température du début de vaporisation du laitier ou scorie, ou, mieux encore, reste un peu au-dessous de celle-ci. On connaît en elles-mêmes différentes mesures pour limiter la température dans le cas de l'utilisa- tion d'oxygène dans un four à cuve. Ces mesures peuvent, par exemple, con- sister dans l'addition de vapeur d'eau ou d'acide carbonique à l'oxygène.
Mais on ne savait toutefois pas jusqu'ici jusqu'à quel degré cette limita- tion de température doit avoir lieu dans les opérations mentionnées. Ceci constituait un défaut sensible des opérations effectuées jusqu'ici, car les mesures pour la limitation de température sont la plupart du temps coûteu- ses et ne doivent pour cette raison avantageusement avoir lieu qu'au degré absolument nécessaire. Comme on ne possédait pas les connaissances ici men- tionnées, on restait, en utilisant de grandes quantités du gaz auxiliaire, avec les températures maxima dans le cas des opérations métallurgiques en question, considérablement au-dessous de la limite maximum possible, indi- quée et définie ici pour la première fois par exemple à 1800-2.000 C.
Pour autant que les mesures pour la limitation de la température consistent en une addition de vapeur d'eau ou.d'acide carbonique à l'oxygène, une limitation de la quantité ajoutée est, dans le sens de la présente invention, nécessai- re en particulier lorsque le but principal de l'opération est, par exemple, le traitement métallurgique de -minerais de fer. Dans ce cas, on veut obte- nir une consommation de combustible aussi faible que possible par tonne de fer extrait. Or, cette consommation spécifique de combustible devient d'au- tant plus grande que la proportion de vapeur d'eau ou d'acide carbonique dans l'oxygène est plus grande.
Pour un lit de¯fusion donné, on peut établir, par des appareils de laboratoire connus, la température du début de vaporisa- tion du laitier ou scorie, et on peut déterminer de cette manière quelle est la température maximum qui ne doit pas être dépassée dans l'ouvrage du four, sans que les dérangements de fonctionnement mentionnés se produisent.
On peut mesurer de façon continue les températures dans le four, par exem- ple par voie optique à travers les regards des tuyères, et on peut, par exem:- ple à l'aide d'un mélange plus ou moins important de vapeur d'eau et/ou d'a- cide carbonique à 1-oxygène, régler à la valeur désirée la température devant les tuyères. Particulièrement avantageuse est la construction d'un mécanisme de commande, par lequel l'addition de vapeur d'eau et/pu d'acide carbonique est commandée directement à partir de l'instrument de mesure de la températu- re, de sorte qu'il est maintenu constamment une température moyenne désirée.
La valeur de la température devant les tuyères d'un four à cuve est une ré- sultante des influences suivantes, s'opposant l'une à l'autre
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1. - La quantité d'oxygène brûlée par unité de temps dans un vo- lume réactionnel donné.
2. - La quantité de chaleur à consommer pour le chauffage préa- lable des constituants réactionnels à la température de réaction.
3. - La chaleur de fusion et éventuellement la chaleur de vapo- risation pour les différents constituants réactionnels.
4. - Les chaleurs de réaction pour les réactions qui se dérou- lent.
5. - Les pertes de chaleur à travers les parois du four à cuve.
La combustion de l'oxygène est la plus rapide, la réaction des constituants solides et liquides entre eux est la plus lente de ces opéra- tions'.
Le procédé selon l'invention permet, dans des formes de réalisa- tion particulières, la suppression des inconvénients mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire qu'on peut régler la température dans le four à cuve, en ce qui concerne sa valeur et sa distribution, de manière à éviter les inconvénients précédemment mentionnés dus à l'enrichissement en oxygène. On peut, par exem- ple, obtenirque la quantité d'oxygène insufflée soit déterminée d'après la vitesse de réaction des réactions-métallurgiques.
Mais ceci ne signifie rien d'autre que le fait que la quantité d'oxygène à amener à un volume réaction- nel déterminé peut être réduite par rapport à ce qui est le cas dans le procé- dé connu précédemment mentionné, car .on peut ainsi économiser la quantité d'oxygène qui ne peut pas être utilisée dans le voisinage immédiat de la com- bustion d'oxygène pour des réactions métallurgiques et qui, dans le procédé connu, devait être amenée, par décomposition, d'un gaz auxiliaire ou de va- peur d'eau, sous d'autres formes utiles.
Le procédé selon l'invention est décrit ci-après en référence à quelques exemples.
Sur les dessins ci-joints, la fig. 1 représente schématiquement une vue en coupe axiale d'un four à cuve qui peut être utilisé pour la réali- sation de l'un de ces exemples d'exécution du procédé. ler exemple.-
On utilise ici un four à cuve, qui, comme moyen pour le souffla- ge inégal, présente des tuyères disposées à plusieurs niveaux superposés, ces niveaux étant situés l'un par rapport à l'autre à une distance telle que les tuyères de chaque niveau constituent, par leur réunion, un espace de réaction travaillant indépendamment de ceux des autres niveaux. Plusieurs fours à cuve sont ainsi en une certaine mesure superposés l'un à l'autre, à savoir, en nombre tel que la somme de toutes les quantités de gaz produites donne au gueulard la vitesse maximum d'écoulement du gaz.
Par chacune de ces tuyères on insuffle une quantité d'oxygène, qui est seulement telle que la température devant la tuyère ne dépasse pas la valeur admissible pour le garnissage du four, mais que, dans l'espace du four atteint par la tuyère, il se produise une décomposition aussi complète que possible des cpnstituants du lit de fusion. Il faut, dans le cas de plusieurs espaces de réaction disposés l'un au-dessus de l'autre, tenir compte du fait que seule la couche réactionnelle supérieure doit fournir la grande quantité de chaleur pour le chauffage des constituants solides prenant part à la réaction, à la tempé- rature de réaction et que les couches réactionnelles inférieures regoivent des constituants ayant été fortement chauffés au préalable.
C'est pourquoi on admet à la couche réactionnelle supérieure, par les tuyères correspondan- tes, des quantités plus grandes correspondantes d'oxygène. En outre, on prend soin que, par une distance suffisante entre les niveaux des tuyères l'un par rapport à l'autre, les températures élevées, se produisant au voisinage immédiat de l'orifice de sortie des' tuyères, diminuent jusqu'à la rangée sui- vante de tuyères, par les réactions, consommant de la chaleur, se produisant entre temps, jusqu'à la température minimum., c'est-à-dire à la température de réaction la plus basse économiquement possible.
L'allure de la températu-
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re, mesurée dans le four à cuve, à partir du haut vers le bas, est alors la suivante :
A partir du gueulard jusqu'au niveau le plus élevé de tuyères, un accroissement d'abord lent, puis rapide jusqu'à la température de pointe favorable pour le four, par exemple 2000 C. Diminution de la température jusqu'à la température réactionnelle la plus basse désirée, entre les niveaux des tuyères, par exemple 1500 C. Nouvel accroissement de la température jus- qu'à 2000 C environ au deuxième niveau de tuyères.
Les rangées de tuyères, disposées l'une au-dessus de l'autre, don- nent ainsi un espace de réaction allongé, étiré dans le sens vertical, avec des températures variant rythmiquement dans le sens vertical. On peut, par exemple, décaler l'une par rapport à l'autre deux tuyères correspondant à des rangées différentes superposées, de sorte que, par exemple, les matières qui sont passées à travers la zone de combustion d'une tuyère de la rangée supé- rieure de tuyères, sont exposées à nouveau à une zone de température maxi- mum, non pas au niveau de la rangée de tuyères immédiatement suivante, mais seulement de la.rangée d'après. On réussite ainsi à rendre aussi petites que possible les distancés entre les niveaux des tuyères, sans sacrifier ainsi l'effet avantageux de cette-disposition,
On insuffle par les tuyères seule- ment une quantité d'oxygène -telle que la température maximum optimum pour l'opération à réaliser ne soit pas dépassée.
On reconnait d'après ce qui précède que l'on insuffle l'oxygène par les tuyères de façon inégale dans l'espace, en ce que l'on introduit plus d'oxygène par la rangée supérieure de tuyères et que l'espace, compris entre deux rangées de tuyères, ne reçoit pas les mêmes quantités d'oxygène que l'espace de réaction situé dans la région immédiatement adjacente à chaque rangée de tuyères.
Grâce à'cette insufflation inégale dans l'espace, la diminution mentionnée plus haut, atteinte par rapport à des procédés connus, de la quan- tité d'oxygène à insuffler dans le four à cuve, n'entraîne pas les inconvé- niénts d'une diminution d'efficacité et d'une diminution de la profondeur de pénétration de l'oxygène dans le four. Les conditions ne sont pas telles que la diminution de la quantité d'oxygène abaisserait la température à l'en- droit du gueulard,ce-qui, comme il est connu, est de la plus grande importan- ce pour la capacité de production maximum d'un four à cuve pour un lit de fusion donné. Dans le mode opératoire mentionné ci-dessus, le four est ainsi- utilisé de façon complète.
Pour empêcher que la force de pénétration des cou- rants individuels d'oxygène sortant des tuyères soit diminuée, on peut accroî- tre de manière appropriée la pression d'oxygène; on obtient ainsi encore l'a- vantage que l'on peut faire travailler les différentes rangées superposées de tuyères avec des pressions de soufflage différentes et avec des profon- deurs de pénétration différentes.
Les espaces de réaction, qui sont alimen- téss en oxygène.- par les différentes rangées de tuyères et qui sont reliés entre eux par les constituants réactionnels changeant de place en direction verticale, deviennent ainsi indépendants l'un de l'autre. On donnera alors avantageusement la pression de soufflage la plus élevée aux tuyères inférieure$, car celles-ci trouvent en cet endroit la charge en morceaux'd'une grosseur qui est déjà fortement diminuée par les réactions qui se sont déroulées dans les couches supérieures.
La profondeur de pénétration pour une vitesse don- née du jet d'oxygène est en général plus petite dans le cas d'une matière en grains-fins que dans le cas d'une matière en gros morceaux, On peut éga- lement insuffler l'oxygène sous des pressions différentes dans le groupe de tuyères à basse pression et/bu dans le groupe de tuyères à haute pres- sion.
2ème exemple. -
Dans le cas de fours d'assez grand diamètre, le procédé, dé- crit dans le premier exemple, de la distribution de l'oxygène en un nom- bre assez grand de courants partiels, convient moins en raison de la pro- fondeur de pénétration réduite. La forme de réalisation suivante du pro-
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cédé convient mieux pour de tels fours.
Pour la mise en oeuvre de cet exemple de réalisation on peut par exemple utiliser le four selon la fig. 1 des dessins ci-joints. 1 dé- signe l'enveloppe du four à cuve, 2 le dispositif de chargement, 3 le conduit d'évacuation de gaz du gueulard, 4 le trou de coulée, 5 un tube axial de gui- dage, et 6 une paroi de cuve perforée avec au total six rangées superposées d'orifices de soufflage 11 comme moyen pour réaliser une insufflation inéga- le d'oxygène. 7 désigne le charbon pour le chauffage, chargé dans l'espace annulaire entre l'enveloppe 1 et le tube 5, tandis que 8 désigne la matiè- re réactionnelle se trouvant à l'intérieur du tube de guidage axial 5. 9 dé- signe un anneau conique monté dans la cuve, et 10 le conduit d'évacuation pour le gaz de balayage et le gaz de distillation lente.
On pourrait éga- lement prévoir deux ou un plus grand nombre de parois ou anneaux perforés 6, disposés à une certaine distance l'un de l'autre.
L'oxygène n'est ainsi plus insufflé, comme dans le premier exem- ple, par des tuyères individuelles, mais par les nombreux orifices de souf- flage 11 de la paroi cylindrique 6 de la cuve. Cette paroi s'étend sur tou-. te la hauteur de la zone de réaction. De l'oxygène est insufflé, par les ori- fices 11, seulement sous une pression telle qu'il se forme, entre la charge et la paroi perforée 6 de la cuve, un matelas de gaz, qui empêche dans une grande mesure la transmission de chaleur à partir de la charge à la paroi de la cuve. La paroi perforée 6 de la cuve est refroidie par l'oxygène passant 'par les orifices 11. Mais il pourrait également être prévu un refroidisse- ment additionnel par de l'eau. L'oxygène brûle avec le carbone de la charge dans la zone extérieure du four.
La répartition de l'oxygène est inégale dans l'espace. Les gaz chauds de la combustion s'écoulent vers l'axe du four et dans la région axiale vers le haut vers le gueulard 3. Un four à cuve fonc- tionnant de cette manière présente, dans toutes ses parties, une répartition de température pouvant être réglée de façon particulièrement facile et dimi- nuant constamment. Pour le réglage avantageux de la température, on peut, dans la partie supérieure de la zone de réaction, c'est-à-dire par les ran- gées supérieures d'orifices de soufflage, insuffler plus d'oxygène que par les rangées inf.érieures de ceux-ci.
A cet effet, on peut, par exemple, donner aux orifices supérieurs de soufflage une plus grande section transversale intérieure qu'aux orifices inférieurs, où les prévoir en nombre plus grand que les orifices inférieurs.
Enfin, on pourrait également donner aux orifices supérieurs 11 une plus gran- de section transversale intérieure et les prévoir en même temps en plus grand nombre.
Le tube de guidage axial 5, qui s'étend jusqu'à hauteur de la zone de fusion, est particulièrement efficace, en ce que la résistance à l'é- coulement à l'intérieur de celui-ci est, relativement à celle régnant dans l'espace annulaire entourant ce tube, réduite à un degré tel que le gaz s'écoule principalement ou complètement par ce tube axial 5. Le gaz est forcé de passer suivant la région axiale du four, même lorsque la pression de soufflage à partir des orifices 11 ne se fait sentir que dans la zone ex- térieure, de sorte que la division de l'oxygène en un nombre plus grand de courants partiels moins pénétrants par le soufflage par les orifices 11 est possible également dans le cas d'un grand diamètre de la cuve.
La déviation des gaz vers l'axe du four devient alors particulièrement efficace, lorsque la colonne de matière 8, chargée par le tube axial 5, est en morceaux plus grossiers et présente ainsi, également dans la zone de réaction, une résis- tance à l'écoulement plus faible que la partie 7 de la charge, descendant dans l'espace annulaire extérieur.
3ème exemple. -
On prend, dans celui-ci, des mesures pour la dimitation de la tem- pérature dans le four à cuve. Ceci a lieu, par exemple, par l'insufflation de vapeur d'eau, dont l'effet de limitation de la température se restreint principalement à la zone extérieure du four adjacente à la paroi 1 de l'ouvra-
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ge, tandis qu'on laisse, dans la région axiale du.four, la température-'Monter jusqu'à une valeur qui ne serait pas supportée par le garnissage du fouro
Le four comprend, comme moyen pour l'insufflation inégale d'oxy- gène, au même niveau, deux groupes différents de tuyères de soufflage.
Par le premier groupe, on insuffle sous une pression relativement faible,,-de sor- te que le milieu, introduit par les tuyères de ce groupe, ne possède qu'une profondeur de pénétration relativement faible. A l'endroit de ces tuyères, la température de pointe de la combustion est limitée par le fait qu'on ajou- te de la vapeur d'eau fortement chauffée à l'oxygène de gazéification ou au milieu de gazéification contenant cet oxygène. L'écartement horizontal de ces tuyères est relativement petit, de sorte qu'il existe'un nombre assez grand de tuyères avec une section transversale de soufflage relativement petite.
Il en résulte que toute la paroi intérieure de l'ouvrage est protégée par le courant gazeux sortant de ce premier groupe de tuyères, à une températu- re relativement basse. On alimete le deuxième groupe de tuyères avec de l'oxy- gène fortement concentré sous une pression de soufflage élevée et avec ou sans mesures particulières pour la limitation de la température. Grâce à. la pression élevée, l'oxygène, insufflé par ces tuyères, traverse la zone ex- térieure du four en un jet fermé et se répartit seulement à l'intérieur de la colonne de la-charge. Il se produit en cet endroit une température élevée correspondante, mais qui ne peut plus être nuisible pour l'enveloppe du four.
On choisit de préférence un nombre de tuyères du deuxième groupe plus faible que celui des tuyères du premier groupe. On obtient une protection particu- lièrement efficace de la paroi du four'en disposant les tuyères'du deuxième groupe à l'intérieur ou prèsdes tuyères du premier groupe, de sorte que le jet à haute pression dans la zone extérieure est entouré d'une nappe à tem- pérature plus basse.
On peut également insuffler des milieux de gazéification diffé- rents par les deux groupes de tuyères. Cette différence des milieux peut également consister en ce qu'on insuffle, sous une pression plus faible, un milieu de gàzéification froid ou plus froid et, sous une pression plus élevée, un milieu-de gazéification chaud ou plus chaud.
Si on fait fonctionner le four avec des tuyères sous des pres- sions de soufflage différentes, on peut alimenter les tuyères à basse pres- sion, par exemple, avec de l'air pur et dans certaines circonstances à froid, tandis qu'on insuffle, par les tuyères à haute pression, de l'oxygène plus fortement concentré, qui est éventuellement préalablement chauffé. On in- sufflera de préférence le milieu de gazéification, se trouvant sous une pres- sion plus faible, par un grand nombre d'orifices de soufflage (paroi perforée), et par contre le milieu de gazéification sous forte pression par un petit nom- bre de tuyères, dans l'intérieur de la cuve du four.
Si on fait arriver, pour une raison quelconque nécessaire au déroulement du procédé, à l'ouvrage du four du gaz de gueulard recyclé ou un autre gaz, qui ne contient ou ne con- tient qu'à peu près pas d'oxygène libre, on insuffle le gaz.de gueulard re- cyclé ou cet autre gaz par les tuyères à basse pression, tandis qu'on insuf- fle l'oxygène de gazéification par les tuyères à haute pression. Dans certai- nes circonstances, on ajoute au gaz des tuyères à basse pression encore une faible quantité, d'oxygène.
4ème exemple. -
Un moyen additionnel possible,pour limiter la valeur de la tem- pérature devant les orifices de soufflage d'oxygène, consiste dans le souf- flage inégal de celui-ci dans le temps. Comme il a déjà été mentionné'pré- . cédemment, les températures élevées excessives dans l'ouvrage du four à cu- ve, dans le cas de l'utilisation d'oxygène fortement concentré, sont dues à ce que les réactions endothermiques n'absorbent pas assez vite la chaleur produite par la combustion de l'oxygène.
Pour faire concorder l'apport de chaleur et la consommation de chaleur dans un espace de réaction donné, on interrompt de temps en temps le soufflage d'oxygène, de sorte que les opéra- tions endothermiques qui continuent.à se dérouler (par exemple la réduction des oxydes de fer) consomment, dans cette période de temps, la même quantité
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de chaleur que celle fournie au four par la combustion d'oxygène. On inter- rompt le soufflage d'oxygène opaprèss avoir atteint une température de poin- te très favorable devant la tuyère de soufflage (par exemple 2000 C). Comme la réduction du fer continue à se dérouler et comme il sé produit-également des phénomènes physiques d'équilibrage de chaleur, la température commence à baisser à partir de cet instant.
Lorsqu'une température limite inférieure éprouvée (par exemple 1800 C) est atteinte , on continué le soufflage d'oxy- gène, à savoir, à nouveau jusqu'à ce que la température de pointe soit attein- te, etc...
Pour obtenir, dans le cas de cet exemple de réalisation de l'in- vention pour la limitation de température, une admission continue d'oxygène au four, il est avantageux d'alimenter certains groupes de tuyères toujours alternativement avec la même quantité d'oxygène. Mais on pourrait également insuffler, par chaque tuyère, pendant un court espace de temps, par à-coups, la totalité de l'oxygène et réaliser cette admission d'oxygène, d'une tuyère à l'autre, successivement, suivant un cercle, autour du four. Dans certai- nes circonstances, il est nécessaire de veiller à ce que, pendant la durée de non-soufflage par une tuyère, celle-ci ne soit pas engorgée.
On peut'y obvier, par exemple, en n'arrêtant pas 'complètement le courant d'oxygène,. mais en continuant faiblement le soufflage ou en insufflant un autre gaz, par exemple du gaz de gueulard recyclé, également sous une pression réduite; pendant l'in- tervalle de temps. On forme ainsi, entre l'oxygène ët le gaz combustible, un matelas de vapeur d'eau ou de gaz protecteur.
Si on travaille avec des orifices de soufflage sous haute pres- sion et sous basse pression, on peut effectuer un soufflage inégal dans le temps soit seulement par les orifices de soufflage sous haute pression ou seulement par les orifices de soufflage sous basse pression, soit par les deux genres d'orifices.
Les formes de réalisation décrites dans les différents exemples peuvent également être combinées entre elles. On peut ainsi, suivant l'utilisation du four, les dimensions et les matières premières traitées dans un four à cuve, obtenir des modes opératoires avec des résultats tech- niquement et économiquement particuiièrement favorables.
Le principe de l'invention, ainsi que les mesures y reliées pour le réglage de la température, permettent de réaliser, de façon sûre au point de vue du fonctionnement, une série d'opérations avec de l'oxygè- ne fortement concentré, opérations dans lesquelles une concentration élevée en oxygène dans le milieu de gazéification constitue la condition préalable pour l'obtention des produits désirés. Mais, pour certains de ces procé- dés, les caractéristiques mentionnées de l'invention ne sont pas suffisantes pour un mode d'exécution économique et sûr au point de vue du fonctionnement.
Dans ces cas, il est prévu, conformément à l'invention, des caractéristiques complémentaires, décrites ci-après. Il s'agit d'un groupe de caractéristi- ques, qui fixent d'une manière nouvelle la distribution, dans l'espace, des constituants du lit de fusion dans le four à cuve.
Dans les procédés connus, on a toujours eu tendance à réaliser un mélange intime et irrégulier de tous les constituants réactionnels, Ceci avait lieu par le fait qu'on chargeait, au gueulard d'un four à cuve, sans mesures particulières assurant une séparation.entre les différents constituants de la matière composant la charge, qui descendait ensuite, se mélangeait ainsi et s'échauffait, et que les différents constituants de la matière composant la charge réagissaient entre eux et/ou avec les gaz mon- tant dans la cuve.
La présente invention est au contraire basée sur la constatation que différentes opérations au four à cuve se déroulent plus facilanent, et qu'on ne peut obtenir des effets déterminés que lorsqu'on réussit à faire fonctionner le four de telle manière que des constituants gazeux liquides ou solides déterminés ne peuvent pas du tout réagir entre eux, ou ne peuvent le faire que dans des conditions déterminées.
Le procédé selon l'inven- tion est par suite caractérisé en ce qu'on charge par le gueulard le four à
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cuve avec au moins deux constituants solides, de compositions chimiques dif- férentes,en les séparant 1-'un de l'autre,de sorte qu'ilsforment dans le four des colonnes distinctes, qui ne possèdent que sur une partie de leur hauteur des surfaces de contact entre elles exemptes de cloison de séparation.
On obtient ainsi que deux matières solides, introduites séparément dans des pro- portions convenablement dosées, par exemple des matières d'une nature en grains, peuvent descendre dans une cuveà côté l'une de l'autre sans se mélan- ger entre elles dans une mesure notable, mais on doit veiller toutefois à as- surer un passage libre du gaz et à éviter des températures trop élevées pour la matière des parois ainsi que des attaques par corrosion.
Le four à cuve pour la réalisation-du procédé est caractérisé par au moins une cloison de séparation disposée dans sa partie' supérieure et isolant l'un de l'autre deux espaces de chargement. Cette cloison de sé- paration peut être constituée par un tube, qui isole un espace de chargement intérieur par rapport à un espace de chargement extérieur et qui est prolon- gé jusque dans la zone de réaction ou la zone de fusion des constituants de la charge, descendant dans le tube, avec les constituants de la charge descen- dant dans l'espace extérieur. Mais les espaces de chargement séparés par la cloison peuvent également constituer les parties supérieures de deux cu- ves partielles situées à côté l'une de l'autre.
On évite ainsi que les deux parties de la charge puissent réagir entre elles au-dessus de la zone de fu- sion ou de réaction du four.
Les dessins ci-joints représentent à'titre d'exemple, de manière schématique, quatre fours à cuve, en référence auxquels il est expliqué com- ment peut être réalisé le procédé selon l'invention,,
La fig. 2 est une vue en coupe verticale à travers un four à cuve pour l'obtention de gaz et de fer.
La fig. 3 est une vue en coupe correspondante à travers un four à cuve pour l'obtention de ferro-alliages ou analogues.
La fig. 4 est une vue en coupe verticale à travers un four à cuve, qui consiste en deux cuves partielles travaillant conjointement.
La fige 5 représente un four à cuve, consistant en deux cuves partielles travaillant conjointement, pour la fusion de mitraille de fer et d'acier.
Le four à cuve selon la fig. 2 comprend une paroi extérieure 1 avec des tuyères 2, un trou de coulée 3, et un dispositif de chargement 4 d'un mode de construction connu. A l'intérieur du four est monté un tube vertical axial, 5, qui délimite un espace de chargement intérieur 5a, et qui isole cet espace 5a, sur une partie de la hauteur du four à cuve, par rapport à un espace de chargement extérieur annulaire 6a, situé entre ce tube 5 et la paroi 1 de la cuve. Le tube 5 s'étend vers le bas jusque près et au-des- sus de la zone de réaction et de fusion 7a des parties ou constituants de la charge introduits dans les deux espaces de chargement.
Ce tube consiste, dans sa partie inférieure, en une matière résistant à la chaleur, et son ori- fice supérieur est situé à l'intérieur du four à hauteur du conduit déva- cuation de la cuve. Mais le tube pourrait également faire,saillie hors du four. On peut, à l'aide de ce four à cuve, obtenir des gaz et du fer. Le tube 5 peut également être muni d'un couvercle (non représenté), qui peut être actionné de l'extérieur de la cuve, de manière à dégager l'orifice du tube 5 lorsque ce dernier doit être chargé. On pourrait également pré- voir plus de deux de ces tubes. Le ou les tubes pourraient également sor- tir obliquement de la cuve sur le côté du four.
On connait des procédés pour la fabrication de gaz combustibles et de gaz qui conviennent pour des applications de synthèse, procédés dans lesquels on effectue la coulée du laitier ou scorie sous forme fluide. Alors qu'il serait techniquement et économiquement particulièrement avantageux de gazéifier au'lieu de coke, directement du charbon, on devait, dans les pro- cédés connus, utiliser du coke dans la plupart des cas ; ne pouvait en par- ticulier pas utiliser du charbon lorsque celui-ci contenait, dans une mesure
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importante, des constituants en grains fins ou se désagrégeant, lors de la cokéfaction, en un coke en grains fins. Il se formait alors dans le four (gé- nérateur) un mélange de scorie ou?laitier fondu et de coke fin, qui produisait des adhérences et engorgeait le générateur.
Comme mesure destinée à éviter les inconvénients cités ci-dessus, on ajoutait au lit de fusion fréquemment du minerai de fer ou une matière contenant de l'oxyde de fer. L'oxyde de fer contenu dans la scorie fondue était alors réduit par les fines particules de charbon y enrobées, de sorte que celles-ci étaient utilisées et ne consti- tuaient plus une cause de dérangement pour l'opération de gazéification,
Mais,outre la garantie mentionnée ci-dessus d'une marche du four exempte de dérangements, l'addition de minerai de fer au lit de fusion d'un générateur à coulée de métal est également fréquemment désirable pour obtenir, outre la production de gaz, 'de la fonte brute comme sous-produit. On peut, de cette manière, outre le gaz, produire des quantités importantes de fonte brute, sans nuire à la production de gaz du générateur.
La fonte brute ainsi obtenue est particulièrement économique, car elle est produite avec du char- bon au lieu de coke, et n'entraîne pratiquement pas de frais d'installation.
Si, comme mentionné plus haut, on ajoute du minerai de fer au lit de fusion d'un générateur à coulée de métal, il se produit, de façon corres- pondant aux opérations dans la cuve d'un haut-fourneau à tuyères, une action chimique réciproque entre le gaz et les oxydes de fer déjà au-dessus de la zone de fusion du générateur. Les oxydes de fer subissent une réduction in- directe partielle par l'oxyde de carbone et, pour autant qu'il en existe, par l'oxygène dans les gaz montant dans la cuve du générateur. Des propor- tions correspondantes du gaz sont ainsi transformées en CO2 et H2O.
Ceci si- gnifie une diminution de la qualité du gaz, et, pour autant que 1?oxyde de fer a pour but d'éliminer de la scorie ou laitier fondu les particules de charbon en suspension (réduction directe), une action diminuée du minerai de fer au point de vue de la garantie d'une marche du four exempte de déran- gementso Alors que, dans le cas de la production de gaz de chauffage, la diminution de qualité du gaz par la réduction indirecte dans la cuve n'a pas de conséquences importantes, elle est insupportable dans le cas de la produc- tion de gaz de synthèse dans le générateur à coulée de métal à l'aide d'oxy- gène et de vapeur d'eauo Dans ce cas, la diminution de la teneur en CO et H20 est indésirable et nuisible pour les opérations suivantes..
A l'aide du four à cuve représenté sur la fig. 2, il est possi- ble de réaliser un procédé de gazéification, dans lequel la réduction indi- recte dans la cuve est empêchée dans une grande mesure. Le minerai de fer 7, nécessaire pour réaliser la gazéification et pour produire la fonte brute, est, au moyen du dispositif de chargement, introduit, séparément du charbon, dans le tube 5 du four à cuve et est guidé dans ce tube jusque près et au-des- sus de la zone de fusion 7a. Au lieu d'un seul tube, on pourrait en utiliser plusieurs. Ce tube est si large qu'il garantit un glissement sûr du minerai dans celui-ci. Dans l'espace annulaire entre le tube 5 et la paroi 1, on charge, également au moyen du dispositif de chargement 4, du charbon en mor- ceaux.
Après avoir quitté le tube 5 qui le protège, le minerai de fer n'a plus que peu d'occasion d'entrer en réaction avec les gaz réducteurs, avant de parvenir dans la zone de fusion 7a. Il descendra, sensiblement sous for- me d'une colonne fermée de minerai, et sera finalement fondu. Les possibili- tés d'une réaction sont d'autant plus faibles que le minerai 7 est en grains plus fins, car le gaz est empêché de pénétrer dans la colonne de minerai dans le cas d'un minerai fin. La réalisation du procédé de gazéification au moyen du four selon la fig. 2 est par suite particulièrement favorable dans le cas de l'utilisation de minerais en grains fins et pulvérulents, ce qui est particulièrement remarquable au point de vue économique.
Mais on peut, au moyen du four selon la fig. 2, également réali- ser le procédé d'une autre manière, qui est particulièrement favorable lors- . qu'on doit produire d'assez grandes quantités de fonte brute comme sous-pro- duit ou lorsque du fer doit, comme par exemple dans le four à cuve bas fonc- tionnant avec de l'oxygène, être le produit principal, tandis qu'on veut ob-
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tenir, comme sous-produit, un gaz de valeur aussi élevée que possible,, On charge alors le four à cuve, qui est avantageusement construit comme four à cuve bas, avec un charbon de gazéification en morceaux dont la grosseur'n'est pas inférieure à 5 mm, mais est autant que possible supérieure à 10 mm. Le charbon fin et le minerai fin sont mélangés et sont introduits dans le tube 5, séparément du charbon en morceaux.
Ce mode opératoire permet d'utiliser le charbon fin disponible.
A mesure que le mélange de charbon et de minerai, en descendant dans le tube 5, est chauffé à travers la paroi de ce dernier il se produit, en commençant à 700 G environ, la réduction directe de l'oxyde de fer par le charbon. Dans ce cas, le tube est avantageusement perforé à partir de la zone de réduction vers le bas, pour laisser sortir les gaz, se formant au cours de la réduction, dans la partie restante de la cuve.
Si l'on doit produire d'assez grandes quantités de fer, il est avantageux, dans'certaines circonstances, de charger du minerai en morceaux grossiers avec du charbon en morceaux dans l'espace annulaire entre le tube axial 5 et la paroi 1, et d'amener le minerai fin, ou un mélange de minerai fin et de charbon fin, par le tube 5 directement à la zone de fusion du four à cuve. Dans le cas de dimensions données du four selon la fig. 2 et dans le cas d'un chargement séparé des constituants réactionnels, la quantité de minerai de fer, subissant une fusion par unité de charbon gazéifié, dépend dans une forte mesure dq l'apport de chaleur qui a lieu dans la zone de fu- sion. Cette quantité de minerai de fer est d'autant plus grande qu'il est amené plus de chaleur à température élevée à la zone de fusion.
Dans le cas de la gazéification avec de l'oxygène, on peut obtenir, devant les tuyères, des températures élevées, qu'on peut régler à toute valeur désirée par le mé- lange de quantités appropriées d'hydrogène.
Suivant que le ou les tubes 5 sortent de la cuve verticalement Vers le haut sous le dispositif de chargement ou sortent latéralement dans une po- sition inclinée, il existe différents modes possibles de chargement du mine- rai, ou du mélange de charbon et de minerai, à côté du charbon de gazéifica- tion. Mais la dispcsition d'un tube vertical axial selon la fige 2 est par- ticulièrement favorable, On déverse, au moyen du dispositif de chargement 4, la totalité de la charge 7 dans le tube axial 5. Lorsque le contenu du tube est descendu à un degré tel que celui-ci peut recevoir une nouvelle char- ge, on ajoute une charge de minerai ou un mélange de charbon et de minerai.
Le tube 5 est alors à nouveau rempli jusqu'à sa partie supérieure. On char- ge ensuite, au moyen du dispositif 4, du-charbon en morceaux 6, qui, étant donné que le tube 5 est plein, tombe complètement dans l'espace annulaire en- tre le tube 5 et la paroi 1 de la cuve. Mais on pourrait également changer entre elles les.deux compositions de la charge et charger le charbon en mor- ceaux dans le tube 5, et le mélange de charbon et de minerai dans l'espace annulaire. Ceci est particulièrement favorable lorsqu'on doit obtenir du fer comme produit principal. .Le laitier ou scorie 8, se rassemblant dans l'ouvrage du four à cuve, et le fer liquide 9 sont évacués par le trou de cou- lée 3.
Au moyen du four à cuve représenté sur la 'fige 3, on peut obtenir des ferro-alliages ou analogues. Ce four présente essentiellement la même construction que le four selon la fig. 2. Il comprend à nouveau une paroi 1 de la cuve avec des tuyères 2, un trou de coulée 3,,un dispositif de char- gement 4 et un tube axial'5. Le tube 5 constitue ici aussi une cloison de séparation, qui isole un espace de chargement intérieur par rapport à un es- pace de chargement extérieur et qui s'étend jusque près et au-dessus de la zone de fusion des constituants de la charge, 'se trouvant dans le tube.5, a- vec les constituants de la charge se trouvant dans l'espace annulaire exté- rieur.
Ce four convient en particulier pour l'obtention d'alliages de gran- de valeur lorsqu on le fait fonctionner avec de l'oxygène. Les conditions pour l'obtention d'alliages de grande valeur, tels que ferro-silicium, fer- ro-manganèse, ferro-chrome ferro-aluminium, fer-silicium-aluminium,alu- minium-silicium, etc..., sont les suivantes
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1. - Les oxydes métalliques considérés et le charbon réducteur doivent être amenés en contact entre eux à température aussi élevée que possible. La température de réduction est, dans la plupart des cas, de 2000 C et davantage.
2. - Il ne doit pas exister de gaz fortement oxydants O2, CO2 et H2O dans la région de la zone de réduction.
3. - Avant que le métal réduit passe à partir de la partie la plus chaude de l'appareil de réduction dans des zones plus froides, dans les- quelles il est soumis à l'action de CO, la matière réduite doit s'être unie à d'assez grandes parties de l'alliage.
4. - Si l'un des constituants de l'alliage se présente sous forme de vapeur en raison de la température élevée de réduction, il doit exister, dans l'espace de réduction, un autre constituant d'alliage solide ou liquide, qui peut amener la vapeur métallique à une phase solide ou liquide.
Si l'une des conditions ci-dessus n'est pas remplie ou n'est qu'incomplètement remplie, 1'opération de réduction est dérangée et on ne peut pas obtenir d'alliages ou seulement des alliages à faibles pourcen- tageo
Les conditions mentionnées ci-dessus pour la plupart des allia- ges employés dans la technique pouvaient jusque ici être très bien remplies dans des fours à cuve bas électriques. C'est pourquoi on a jusqu'ici utilisé uniquement de tels fours à cet effet. Mais une réduction dans des fours à cuveras électriques exige de grandes quantités d'énergie électri- que, est par conséquent coûteuse et ne peut être réalisée économiquement que dans des régions où le prix du courant électrique est très bas.
Bien qu'on puisse, dans un four à cuve bas fonctionnant avec de l'oxygène, atteindre les mêmes températures élevées que dans un four à cuve électrique, on n'a jusqu'ici pu obtenir que des alliages avec une te- neur relativement faible,en constituants difficilement réductibles, par exemple du ferro-silicium, avec environ 30 % de-silicium.. alors que, d'au- tre part, on peut parvenir jusqu'au silicium métallique dans le four élec- trique. Comme on peut régler de manière exactement pareille les proprié- tés des constituants du lit de fusion et leur distribution relative 'dans les deux types de fours, l'échec du four à cuve à oxygène constaté jusqu'ici n'était dû qu'au fait qu'il existait, dans son ouvrage, de l'oxygène et son premier produit de combustion CO2.
Ces constituants gazeux exercent une forte action oxydante sur les constituants de l'alliage présentant une grande affinité pour l'oxygène. Il se formeraibien, en premier lieu, des alliages à pourcentage élevé sous l'influence de la température élevée et surtout lorsqu'on travaille avec des agglomérés de minerai et de charbon, dans les- quels les constituants réactionnels sont mélangés intimement entre eux, dans les fours à cuve bas connus, fonctionnant avec de loxygèneo Mais ces allia- ges à pourcentage élevé, en ruisselant à travers la zone d'oxydation, se dégraderont ensuite à nouveau en alliages à faible pourcentage, Grâce au four représenté sur la fig.
3, on peut réaliser un procédé de fabrication des alliages mentionnés, en..le faisant fonctionner avec de l'oxygène. Le four est-de préférence un four à cuve bas.
Dans un four à cuve à vent soufflé, la composition des gaz au niveau des tuyères est très variable. Dans le cas de la pression habituel- le du vent soufflé, par exemple, la zone à gaz contenant de l'oxygène pénè- tre, devant l'orifice des tuyères, jusqu'à 1 m environ à l'intérieur du four.
La zone à gaz renfermant CO2 ou H2O s'étend encore un peu au-delà,, Mais toute la partie intérieure du four est-exempte de O2, CO2 et H2O. Dans le cas d'un four d'un diamètre intérieur de 5 m, une colonne intérieure, d'un dia- mètre de 3 m environ, aurait par exemple une phase gazeuse consistant seule- ment en oxyde de carbone ou en gaz inertes existant dans tous les cas. Dans le cas d'une diminution de la pression du" vent et.d'un accroissement de la section transversale des tuyères, l'espace exempt de gaz oxydants pourrait encore être élargi.
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A 1?intérieur du four à cuve, en particulier lorsqu'on le fait fonctionner avec de $?oxygène fortement concentré,'il existe par suite fonda- mentalement les mêmesconditions ou bien celles-ci peuvent être produites, que dans un four à cuve électrique, cest-à-dire une température élevée, une phase gazeuse de CO et un degré de répartition, favorisant la réduction, en- tre oxyde et agent réducteur. Comme-, dans le four selon la fig. 3, le tube 5 s'étend .jusque près et au-dessus de la zone de fusion du four, la matière,. introduite dans le tube 5 au moyen du dispositif de chargement 4, parvient. dans une grande mesure sans' être mélangée avec la partie de la charge passant à l'extérieur du tube 5, dans la zone de fusion et de réduction.
La pression de soufflage du vent et la section transversale des tuyères sont déterminées d'après le rapport du diamètre du tube au diamètre intérieur total du four, de telle manière que la face limite intérieure de la zone contenant 02, CO2 et H20 coïncide approximativement avec'la surface latérale extérieure de la colonne de charge 7 descendant à travers le tube 5.
On charge dans le tube 5 un mélange 7 du minerai à réduire avec le charbon réducteur (minerai en morceaux grossiers et charbon réducteur en morceaux grossiers ou agglomérés . de minerai et de charbon), tandis qu'on charge, dans l'espace annulaire entou- rant le tube 5, le charbon de soufflage 6 (allant de charbon en petits mor- ceaux jusqu'à du charbon en grains fins). On doit, par des mesures particu- lières, veiller à ce que la chaleur, produie'par la combustion du charbon de chauffage, parvienne jusqu'au charbon réducteur dans le four. A cet ef- fet, on crée dans le tube 5 des conditions d'une nature telle que la résis- tance à l'écoulement'dans celui-ci soit notablement plus faible que dans l'es- pace-annulaire.
On l'obtient'par le fait que la charge dans le tube 5 est en morceaux plus grossiers que dans l'espace annulaire, ou qu'on lui donne dans le tube 5 une hauteur de couche plus faible à traverser. On pourrait également accroître par des moyens mécaniques la résistance à l'écoulement dans l'espace annulaire, par exemple par une pièce de recouvrement mobile et amovible. Tous ces moyens servant à conduire lé gaz fortement chauffé, qui se forme devant les tuyères, dans la région axiale du four, 'où il cède sa chaleur pour produire le travail de réduction.
Pour obtenir des alliages à forte concentration, on charge dans le tube 5, non pas un mélange en morceaux.grossiers des constituants réac- tionnels, mais des agglomérés dans lesquels ces constituants sont contenus, mélangés intimement entre eux, dans le rapport prescrit..
On peut opérer de façon correspondante pour l'obtention de car- bures liquides dans le four à cuve selon la fig. 3, par exemple pour la fabrication de carbure de calcium.
Le laitier ou scorie 6 et le produit métallique 9 se séparent d'après le poids spécifique au-dessous du niveau des tuyères. Devant les tuyè- res 2 se trouve un espace 10, dans lequel'-de l'oxygène libre est contenu à côté des produits de la combustion. Autour de cet espace 10 est située une zone 11, dans laquelle il n'existe plus loxygène libre, mais bien le produit primaire de la combustion du charbon, acide'carbonique, à côté de faibles quan-' tités d'hydrogène. Dans 1-'espace restant 12 du four, la phase gazeuse con- siste seulement en oxydé de carbone, et éventuellement en gaz inertes.
Un four à cuve, présentant fondamentalement la même- nature que celui de la fig. 3 pour l'obtention de' ferre-alliages, peut également être utilisé pour la fabrication d9acier ou de produits de la nature de l'acier. Dans ce cas on charge, dans le tube axial, le minerai de fer avec le charbon réducteur. On emploie de préférence ici également le minerai et le charbon réducteur sous forme d'agglomérés.? dans lesquels les consti- tuants réactionnels sont contenus à côté d'un de l'autre sous forme de grains fins. Par le choix d'une composition appropriée des.agglomérés, on peut obtenir, dans l'ouvrage du four, un fer avec une faible teneur en car- bone, comprise entre 'des limitea étroites.
Pour. lé :choix ,de la teneur en carbone dans les agglomérés, il.faut tenir,compte du fait qùe la surface latérale extérieure de là colonne intérieure de la charge est en contact avec le charbon de chauffage,'de sorte qu'il se produit dans la zone limite une- action additionnelle de réduction et de.carburation-. Les autres éléments d'ac-
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compagnement et impuretés du fer doivent être compris entré des limites qui ,sont nécessaires pour l'utilisation du fer comme acier., Comme constituants du lit de fusion de la cuve, il ne peut normalement entrer dans l'acier que Mn, Si, C, P, S et 0. La teneur du fer en manganèse peut être réglée sans difficulté à la valeur nécessaire par une détermination appropriée du lit de fusion.
La teneur en Si dépend de la température de réaction, de la quanti- té relative de charbon réducteur et de la teneur du laitier ou scorie en SiO2. Si on travaille avec des agglomérés de minerai et de charbon, le rap- port de la quantité du charbon réducteur à celle de l'oxygène du minerai est la valeur ayant l'influence principale.
Si la composition des agglomérés est telle qu'après consomma- tion de la totalité du charbon réducteur, il reste encore une faible propor- tion de FeO dans le laitier ou scorie, la formation de Si n'est pas possible.
La réduction du silicium peut être utilisée pour l'équilibrage de la répartition de chaleur et de température dans la zone de réaction. Les gaz, passant de la zone de combustion devant les tuyères à travers le tube axial jusqu'au gueulard, réchauffent à des températures élevées les cons- tituants du lit de fusion rencontrés sur leur trajet. De façon correspondant à l'allure de l'écoulement des gaz dans le four, la zone de températures éle- vées, nécessaires pour la réalisation de réactions endothermiques de réduc- tion,, s'étend à partir du niveau des tuyères jusque près de l'orifice infé- rieur du tube axial.
En raison des réactions qui'ont lieu dans la zone, la grosseur des morceaux des constituants du lit de fusion diminue à partir du haut vers le bas, de sorte que par exemple les agglomérés de minerai et de charbon, chargés dans le tube axial, qui avaient initialement approxima- tivement la grosseur du poing, n'ont plus, au niveau des tuyères, en moyen- ne que le tiers ou le quart seulement de.cette grosseur. La résistance de la colonne de la charge à l'écoulement des gaz. augmente par suite à mesure qu'on approche du bas, de sorte que les parties de cette colonne situées le plus bas sont traversées par des quantités diminuées de gaz et que l'apport de chaleur, la température et la vitesse de réaction sont ici plus petits.
Pour utiliser la partie axiale du four au niveau des- tuyères et au-dessous pour la réalisation des réactions, on donne aux agglomérés de minerai et de charbon un excédent de minerai, de .sorte qu'après combustion de la totalité du charbon contenu dans ces agglomérés, il existe encore un: reste d'oxyde de fer dans le laitier ou scorie. On charge le charbon nécessaire pour la ré- duction de ce reste d'oxyde de fer, comme charbon en morceaux avec les agglo- mérés. Ceci a pour résultat que, dans la zone la plus chaude de la partie axia- le du four, qui est parcourue par les gaz chauds de la combustion, il existe, à la périphérie des agglomérés, toujours un excédent de charbon, qui, conjoin- tement avec la température élevée, -conduit à une'réduction énergique du sili- cium.
Le fer fortement chargé en silicium,formé dans cette zone, vient en contact, dans des régions situées plus bas de la colonne de la charge, avec le minerai, qui n'est plus réduit par le charbon en raison d9un'manque de ce- lui-ci, et:réagit avec ce minerai.- avec formation de fer et d'acide silicique et avec dégagement de chaleur. Le four est ainsi, dans le cas de ce mode de fonctionnement, chauffé dans ses coucies 'axiales inférieures-plus froides, par l'oxydation'des produits formés dans les couches supérieures plus chau- des.
On peut également faire fonctionner le four en chargeant, avec les ag- glomérés de charbon et d'une proportion insuffisante de minerai, dans un rapport convenable., des agglomérés, qui, en raison de leur compos ition, donnent un alliage de fer fortement chargé de silicium par des réactions de réduction se produisant à l'intérieur, dans la zone la plus chaude du four.
On choisit, pour ces agglomérés, de préférence des dimensions inférieures à celles des autres,agglomérés, à savoir des dimensions telles que ces agglo- mérés réagissent de façon complète principalement dans la zone la plus chan- de du fouro
L'élimination du phosphore et du soufre a lieu par des opérations sur la scorie.
On peut ajouter la chaux,, nécessaire pour'la.déphosphoration et pour la désulfuration, au lit de fusion chargé dans le tube axial, ou mé- langer cette chaux comme constituant additionnel aux agglomérés de minerai
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et de charbon,, Mais, si 1'addition.de chaux-est élevée dans le cas d'une' gangue défavorable ou/et d-lune faible.- teneur- du minerai en. fer9 il est plus avantageux de cha.rgerlla cl,1alPC" non pai$,a Vec le-.lit de fusion dans le tube axial mais avec le 'charbon de chaufgè,..ds' çspace. annulaire extérieur du four à cuve, car là chaux;
a point,dé fusion'élevé reste comme matière in- différente entre les constituants'(oxyde de fer et charbon) réagissant éntre eux et diminue la vitesse de riaut4<?no" La d.éphosphoration et la désulfura-' tion ont alors lieu--lors du ruissellement-du fer à travers la scorie -basique formée dans l8ouvrage du four. " La déspzyjation du-fer au four à cuve peut'être réalisée essen- tiellement avec les mêmes moyens que ceux précédemment mentionnés dans la des- cription de la réduction du silicium.. On doit veiller à ce 'que des substan- ces, produisant une désoxydation réglable,''parviennent dans la partie infé- rieure du four et y. fixent l'oxygène dissous dans le fer.
Ceci peut avoir lieu par le fait.qu'on produit dans la zone la plus chaude du four partiel- lement un fer fortement chargé' de silicium, qui se décompose à nouveau dans la partie inférieure du four.
La fige 4 représente un four à cuve,, dans lequel les espaces recevant la charges,séparés par la cloison 15, constituent les parties supé- rieures de deux cuves partielles 13 et 14 situées à côté l'une de 'l'autre.
Ces cuves partielles communiquent entre elles dans la zone de fusion et de gazéification. Lacloison de séparation 15 entre.les deux cuves partielles
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13 et 14 est prolongée vers le bas jusqu'à r9nd:ro'it ou le permet la résis- tance de la matière constitutive de lailoî'àon,à la chaleur. Par la tuyère 16, on peut insuffler de 1oxygène' ou un autre gaz'dans la cuve partielle 13. Cette cuve partielle 13 comprend'un condùit'd'èva.cuation de gaz 17, et la cuve partielle 14 un conduit d9évacuatîori dé gaz 18. Le fond 19 de la cu- ve partielle 13 est incliné vers le bas en partant de la cuve 'partielle 14.
Au-dessus de ce fondla cuve partielle 13 comprend un trou de coulée 20, et la cuve partielle 14 comprend un trou de coulée 21 et un trou de coulée 22. Chaque cuve partielle comprend en outre un dispositif de chargement 23.
On pourrait également utiliser plus de deux cuves partielles, séparées dans
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leur partie supérieure par des Qlol'sons' 0 : . :", ,
Par la disposition de deux cuves partielles séparées l'une de l'autre par une cloison dans leur partie.supérieure, les constituants réac- tionnels solides et liquides, soumis à la pesanteur, sont maintenus écar- tés l'un de l'autre, tandis que les opérations se déroulant dans les deux cuves partielles ne sont en relation entre.elles essentiellement que par la phase gazeuse.
Dans le plus grand nombre des procédés'à réaliser'dans un tel four, il s'agit de la transmission de la chaleur sensible, produite
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dans une cuve partielle par la combustion d?oxygène avec ,du charbon, par Pin- termédiaire des produits gazeux dé'la combustion,, aux constituants réation- nels de l'autre cuve partielle. 'En général.on réalise par suite une opéra-
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tion exothermique dans,19und es cuvés'.parti.les et une opération endother- mique dans l'autre cuve partielle.
Les sections transversales des cuves partielles, travaillant conjointement, diffèrent de grandeur' entre elles. Elles peuvent également être différentes comme forme. - Particulièrement favorables sont deux ou un plus grand nombre de'cuves partielles,'en relation entre'elles, de section transversalé rectangulaire, qui sont disposées- parallèlement 1-'une à l'autre, suivant leurs longs cotés. La grandeur de la section transversale de cha- cune des cuves partielles en relation entre elles.est fonction de la vites- se de réaction de l'opération réalisée dans celle-ci
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Les cuves partielles du four 1selon ia figo 4-1' travaillant con- jointement, diffèrent également en'''le's- 'èorm;
n,e hauteur, parce que les opé- rations,se déroulant dans les différentes euveay sont .soumises-a des condi- tions différentes au point de vue de la' durée, des températures nécessaires, des quantités de gaz à y faire passer etc... Il serait naturellement éga- lement possible d'utiliser des fours à cuve avec'des cuves partielles de
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même hauteur et/ou de même section transversale Les.'cuvés'partielles tra-
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vaillant conjointement pourraient également fonctionner, en totalité ou en partie, avec le gueulard ouvert. Des différences additionnelles peuvent rési- der dans la division et l'évacuation des produits se rassemblant dans la par- tie inférieure du four.
La paroi 26, séparant les deux bassins 24 et 25, à la partie inférieure des cuves partielles, peut être refroidie. La'coulée peut avoir lieu de façon,discontinue., permanente ou permanente par moments.
Le four selon la fig. 4 permet, par exemple, de réaliser un pro- cédé servant à l'obtention d'acier, d'un ferro-alliage, de scories de carbu- res et analogues. A cet effet, le four est construit comme un four à cuve bas. Dans un tel procédé, il est important que la scorie fluide du combus- tible ne puisse pas se-.mélanger ou réagir avec les produits principaux flui- des. Ceci est rendu impossible par la paroi 26, qui sépare l'un de l'autre les deux bassins 24 et 25. On charge de charbon la cuve partielle 13, qui constitue ainsi une cuve de gazéification. On charge de minerais oxydés la cuve partielle 14, qui sert ainsi de cuve de réaction pour la réduction de ces minerais.
On maintient à une valeur aussi élevée que possible la tempé- rature à l'endroit du bord inférieur de la cloison de séparation 15, pour rendre aussi petite que possible la zone dans laquelle il peut se produire un mélange des matières constituant la charge, descendant dans les cuves partiel- les adjacentes. Au-dessous du bord inférieur de la cloison 15 séparant les cuves partielles 13 et 14, il se forme une surface de contact direct 27, en- tre les matières constituant la charge, à leur sortie des cuves.partielles, On choisit les dimensions des sections transversales des cuves partielles de telle manière que les charges adjacentes descendent approximativement avec la même vitesse, pour éviter dana une grande mesure un mélange de ces charges.
Par la tuyère 16, on insuffle de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène dans le lit de charbon de la cuve partielle 13. Les gaz de combustion très chauds produits passent.entièrement ou pour la plus grande partie dans la cuve de réduction 14, y cèdent leur chaleur sensible à la charge et permettent ainsi les-différentes réactions endothermiques, par exemple la réduction d'oxy- de de fer par le charbon. Les gaz peuvent en outre participer dans la cuve partielle 14 également à des réactions chimiques, par exemple réduire des mi- nerais de fer avec formation diacide carbonique et de vapeur d'eau.
Par le choix de conditions appropriées de pression, on peut veiller à ce qu'une par- tie du gaz soit évacuéepar le conduit 17 de sortie de gaz de la cuve de ga- zéification 13 et entraîne ainsi les produits de distillation lente du char- bon, tandis quune autre partie du gaz, après avoir traversé 'la charge de la cuve de réduction 14, s'échappe par le conduit 18 de sortie de gaz de celle- ci. La paroi 26 évite que la scorie fluide 28 du charbon se mélange avec les produits de réaction fluides de la cuve de réduction 14.
Pour obtenir dans la cuver 14 des produits complètement purs, on déplace le seuil 29, en- tre les deux cuves partielles, vers la-.cuve partielle 14 à un degré tel que la surface de séparation 27 entre les deux colonnes de charge se trouve en- core dans la région du fond 19 de la cuve 13. La scorie 28 du charbon est évacuée par le trou de coulée 20, la scorie 30 de la cuve 14 est évacuée, séparément de la première, par le trou de coulée 21. Le produit métallique 31 est évacué, sans qu'il vienne en contact avec la scorie de charbon 24, par le trou de coulée 22.
La fig. 5 représente également un four à cuve, dans lequel les espaces recevant la charge, séparés par la cloison 15, constituent les par- ties supérieures de cuves partielles 13, 14 situées à côté l'une de l'au- tre. On pourrait ici également prévoir plus de deux cuves partielles,,¯ La cuve 14 a un gueulard ouvert 32. Cette cuve partielle 13 est particuliè- rement large, pour.qu'on puisse-également y charger de la mitraille de gran- des dimensions. Dans la cuve partielle 13 débouche une tuyère 33, et dans la cuve 14 une tuyère 34. Une tuyère 35 s'étend, obliquement de l'extérieur, du haut vers le bas, vers le bassin de four 36 commun aux deux cuves partiel- les.
A partir de ce bassin 36, un trou de coulée 37 pour la scorie sétend vers l'extérieur, à savoir, sur le côté de la cuve partielle 13. Par dessous se trouve un trou de coulée 38 pour le produit fluide obtenu.
Il est décrit ci-après comment on peut faire fonctionner le four
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à cuve selon la fig. 5 pour la fusion de mitraille de fer et d9acier.
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On charge la mitraille dans la cuvé patiell"1.18,, tandis qu'on introduit du charbon dans la cuve partielle 13 par un dispositif de chargement39.
La cuve partielle 13 sertainsi de'cuve de gazéification. La surface la- térale limite 40 de la charge de charbon présente partiellement la forme
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d'un talus d?éboulement naturel et est déterminée en partie par les pièces de mitraille dans- la cuve partielle'14.. Par les tuyères 33, on insuffle dans la partie inférieure du four de '19 air préalablement chauffé ou froid, éventuellement enrichi en oxygèneo Les gazchauds de la combustion s'écou-
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lent à travers la cuve à mitraille 14 jusqu9à l'air libre Qt réchauffent ainsi la mitraille jusqu9à une température élevée.
Pans la cuve à mitrail- le 14 on insuffle, par les tuyères 35 et 34, de,19air additionnel, qui sert en totalité ou en partie à brûler complètement les gaz combustibles formés dans la cuve de gazéification 130 Vair insufflé par la tuyère 35 sert égale- ment à effectuer une combustion partielle du fer. Le fer s'échauffe ainsi très fort et fond ou, lorsqu'il est déjà fluideil peut, avec la chaleur pro- duite par la combustion., provoquer la fusion de fer additionnel. Par la tuyè-
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re 35, on peut égalementinsuffler de 1?ojtµgèùe fortement concentré ou 'un gaz contenant de 19 ogêre à létat préalablement chauffé.
Par la combustion de fer devant la tuyère 35, il se forme,en cet endroit une scorie d9oxyde de
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fer, qui se mlâ:d.g;avec la scorie de charbon dans la région de-la cuvé de g a- zéification 13 Comme le -trou de coulée 37 pour la scorie de charbon se trou- ve sur le cotéde la cuve;de gazéification 13 la scorie dpoxyd de fer, four- mée dans la cuve -à mitraille 14,' doit,? ,en' s 9 écoulaait vers le tr6u-d& coulée 37, passer à travers la cuve de gazéification'13 et y est réduite par le char- bon. Le trou de coulée 38 pour le fer.fluide'est également situé sur le c8-- té de la cuve de gazéification 13,-de sorte que le fer, contenant de¯ l9oxy- gène, formé dans la cuve à mitraille 14., est désoxydé entraversant la cuve de gazéification 13.
Pour obtenir que les conditions restent les mêmes, il -est avantageux de travailler dans ce.cas avec une coulée, permanente. Si on désire produire une distillation lente du charbon, on accroît avantageuse- ment la pression dans le système, de .telle manière qu'unie partie-du gaz for-
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mé puisse être évacuée sous pression, àu-4essqs<da la charge de charbon del e la cuve de gazéification 13, avec les produits de distillation lente du char- bon.
On peut produire cetaccroissement'de pression dans le système en dis- posant, sur le gueulard ouvert de la cuve' à mitraille 14, une pièce de recou- vrement mobile, qui ne laisse qu9un orifice étroit'de sortie pour les gaz'
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de la combustion et qui peut être enlevée pour ,e chargement dd '1a cuve par- tielle 14.
R E V E NDD I C A T ION S
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===============7?========== 1. - Procédé pour la réalisation dopérations métallurgiques,
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en particulier pour le trâitement métallurgique de minebaisi#dé fer au.four à cuve bas, caractérisé'en ce qu9on réalise la combustion,du vent soufflé,
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d'une concentration élevée en oxygène, bu d'oxygéne avec du charbon de tel- le manière que la¯température maximum-dans l'ouvrage du.four et au niveau des tuyères est limitée à une valeur qui.atteint au maximum la température du début de vaporisation du laitier ou scorie et reste, de préférence un peu au-dessous de cette température.
2. - Procédé pour le réglage, de'la valeur de la:température et de sa distribution dans un four à cuve.,''en particulierdans un tel four fonc- tionnant avec enrichissement en oxygène,, caractérisé en 'ce qu'on insuffle iné-
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galement 1-9oxygene,
30 - Four a cuve pour la réalisation du procédé selon revendication 1, caractérisé¯ par des moyens pour le.soufflage.inégal de l'oxygène.
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PROCESS, FOR THE PERFORMANCE OF METALLURG'IC OPERATIONS, IN THE TANK OVEN
BOTTOMS AND OVENS, WITH TANK SUITABLE FOR CARRYING OUT THIS PROCESS.
The metallurgical treatment of metal oxides, for example iron ores, can be carried out without particular difficulties when the oxygen content in the blown wind does not exceed about 35%. In the case of higher oxygen contents in the blowing wind, significant disturbances occur. These disturbances consist mainly of load hooking phenomena (formation of arches) in the oven and in that the oven no longer admits the blown wind. These disturbances can be so strong that they make it considerably more difficult and even impossible. the operation of the oven.
It is known, it is true, that it is also possible to work with the desired higher contents of oxygen in the blown vent, when an auxiliary gas, for example water vapor, is added to the wind. carbonic acid, separately or as a mixture, which lowers the temperature of the oven.
The addition of such an auxiliary gas in the proportions usually employed hitherto involves drawbacks, which consist, on the one hand, in that the possibility of using the heat of combustion of the carbon in the structure. of the furnace is lowered by the auxiliary gas, and in that, by increasing the amount of top gas due to the addition of the auxiliary gas or-its decomposition products to the amount of gas from metallurgical reactions, the production capacity of the shaft furnace is undesirably lowered.
The drawbacks mentioned in the addition of an auxiliary gas, for example water vapor or carbonic acid, arise mainly because it was not yet known in what optimum proportion this auxiliary gas should. to be added if it is wished to avoid the disadvantages as completely as possible and to obtain the advantages which can be achieved in the case of a correct dosage of the proportion of auxiliary gas.
As one had, due to ignorance of the optimum proportion of auxiliary gas, heretofore to reckon with the use of very large quantities of auxiliary gas, and as thus the metallurgical treatment, with oxygen of 'a concentration greater than about 35% ,. became unsafe from the point of view of operation and technique, the low-shaft furnace, operating with oxygen at high concentration, did not
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could so far not be introduced into metallurgical practice.
This failure of a measure, good in itself, is mainly due to the following cause: the possibility of using the heat of combustion of the carbon, available in the furnace structure, was considerably reduced by the 'addition of an auxiliary gas, such as water vapors or carbonic acid or - recycled top gas or mixtures of these gases, in the proportions chosen so far, and - in addition - in the case of a given speed of the gas at the top, which could not be exceeded for other reasons - "the production capacity of the furnace was considerably reduced by the necessarily produced increase in the quantity of top gas and by the decrease - resulting ratio of the proportion of gas from metallurgical reactions in the total quantity of top gas.
The object of the present invention is to indicate the technical means by which it is possible, in a low-shaft furnace operating with strong concentrated oxygen, to adjust the operating conditions in such a way that the drawbacks mentioned therein. above cannot happen.
The solution, which is the object of the present invention, of this problem is based on an observation, discovered and confirmed by tests carried out on a large scale and which was not known hitherto, and it consists in that the combustion of the blown wind at a high oxygen or oxygen concentration with charcoal is carried out in such a way that the maximum temperature in the furnace structure and at the level of the nozzles is limited to a value which reaches the maximum temperature of the furnace. start of vaporization of the slag or slag and preferably remains a little below this temperature.
The principle of the present invention can be realized in different ways in the case of the low shaft furnace. One can, on the one hand, add to the blowing wind, consisting of oxygen or a gaseous medium with a high concentration of oxygen, depending on the oxygen content of the wind, water vapor or carbonic acid. or another gas, such as, for example, recycled top gas, separately or as a mixture, in the proportion necessary to reach the mentioned temperature. Another way to realize the principle of the present invention is to infuse oxygen unevenly, and this inequality can occur in space or time, or both in space and in time. time.
The oxygen can be blown in the form of strong concentrated oxygen, in the form of oxygen enriched air, or in another gaseous medium.
Finally, there is described, as exemplary embodiments of the present invention, various low-shaft ovens which make it possible to carry out the process defined above.
With regard to the principle of the present invention, namely that the combustion of blown wind with a high concentration of oxygen is carried out in such a way that the maximum temperature in the structure or at the level of the nozzles is limited to a value which maximally reaches the temperature of the start of vaporization of the slag or slag and preferably remains a little below this temperature, the following may be mentioned.
It has been established that, for an increasing concentration of oxygen in the blown wind, the combustion temperatures occurring in the furnace structure without particular countermeasures increase very sharply. In the case of the use of pure oxygen, these temperatures are, depending on the conduct of the operation, above 3,000 C. As a result, in the case of a shaft furnace operating with such a high concentration In addition to oxygen, the temperatures in the structure rise above the vaporization temperatures of the substances normally present in the slag or slag. It is known, for example, that at 2,200 C the vapor pressure of silica, at 2,700 C that of alumina, and at 2,850 C that of lime, reaches the atmosphere.
As it is, in industrial slag or slag constantly a mixture of these constituents, possibly with still other metal oxides, the temperatures at the start of vaporization of the slag or slag are a little higher than those of the substances. pure.
Always reckon with the fact that when the temperature in the or-
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kiln temperature exceeds 2,300-2,500 C, depending on the composition of the slag or slag, significant vaporization of its constituents occurs.
This has the consequence that the vaporized oxides separate again a little above the structure, where the temperature of the constituents of the fusion bed is a little lower than the corresponding vaporization points. A part of these oxides, it is true, remains as a mist in the top gas and could thus be observed in the top gas of shaft furnaces operated in this way. As the points of solidification of the constituents of the slag or slag are close to the vaporization temperatures, a large part of the constituents of the slag or slag, separated from the gas phase, are separated above the work under solid crystalline form.
This has the result that the paths for the passage of the gas are narrowed and are finally completely blocked, so that the pressure, under which the wind must be blown into the furnace, rises noticeably and the furnace does not accept. finally no more wind blown. In addition, the clogging of the constituents of the fusion bed by constituents of the slag or slag separated by crystallization from the gaseous phase, forms, very near above the combustion zone in the structure, a vault, which causes hooking phenomena in the oven.
In accordance with the present invention, the combustion must be conducted in the work of the furnace in such a way that the peak temperature which the combustion of oxygen with carbon can produce there does not exceed the temperature at the start of vaporization. slag or slag, or better yet, stay a little below it. Various measures are known in themselves for limiting the temperature in the case of the use of oxygen in a shaft furnace. These measures may, for example, consist in the addition of water vapor or carbonic acid to the oxygen.
However, it was not yet known to what extent this temperature limitation should take place in the operations mentioned. This was a noticeable defect in the operations carried out so far, since the measures for the temperature limitation are most of the time expensive and therefore should advantageously only be carried out to the extent absolutely necessary. As we did not have the knowledge mentioned here, we remained, using large quantities of the auxiliary gas, with the maximum temperatures in the case of the metallurgical operations in question, considerably below the maximum possible limit indicated. and set here for the first time for example at 1800-2000 C.
In so far as the measures for the limitation of the temperature consist of an addition of water vapor or of carbon dioxide to the oxygen, a limitation of the amount added is, in the sense of the present invention, necessary. in particular when the main purpose of the operation is, for example, the metallurgical treatment of iron ores. In this case, the aim is to obtain as low a fuel consumption as possible per tonne of iron extracted. Now, this specific fuel consumption becomes all the greater the greater the proportion of water vapor or carbonic acid in the oxygen.
For a given smelting bed, it is possible to establish, by known laboratory apparatus, the temperature of the start of vaporization of the slag or slag, and in this way it can be determined which is the maximum temperature which must not be exceeded. in the furnace structure, without the aforementioned operating faults occurring.
The temperatures in the furnace can be measured continuously, for example optically through the nozzles of the nozzles, and it is possible, for example: - using a more or less significant mixture of vapor d For water and / or 1-oxygen carbonic acid, adjust the temperature in front of the nozzles to the desired value. Particularly advantageous is the construction of a control mechanism, by which the addition of water vapor and / or carbonic acid is controlled directly from the temperature measuring instrument, so that a desired average temperature is constantly maintained.
The value of the temperature in front of the tuyeres of a shaft furnace is a result of the following influences, opposing each other
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1. - The quantity of oxygen burnt per unit of time in a given reaction volume.
2. - The amount of heat to be consumed for the preliminary heating of the reaction constituents to the reaction temperature.
3. - The heat of fusion and possibly the heat of vaporization for the various reaction constituents.
4. - The heats of reaction for the reactions which take place.
5. - Heat losses through the walls of the shaft furnace.
The combustion of oxygen is the fastest, the reaction of solid and liquid constituents with each other is the slowest of these operations.
The process according to the invention makes it possible, in particular embodiments, to eliminate the drawbacks mentioned above, that is to say that the temperature can be regulated in the shaft furnace, with regard to its value and distribution, so as to avoid the previously mentioned drawbacks due to oxygen enrichment. It is possible, for example, to obtain that the quantity of oxygen blown in is determined according to the reaction rate of the metallurgical reactions.
But this does not mean anything other than the fact that the quantity of oxygen to be brought to a determined reaction volume can be reduced compared to what is the case in the previously mentioned known process, since it is possible to thus saving the quantity of oxygen which cannot be used in the immediate vicinity of the combustion of oxygen for metallurgical reactions and which, in the known process, had to be supplied, by decomposition, from an auxiliary gas or water vapor, in other useful forms.
The process according to the invention is described below with reference to a few examples.
In the accompanying drawings, fig. 1 schematically represents a view in axial section of a shaft furnace which can be used for carrying out one of these exemplary embodiments of the process. the first example.-
A shaft furnace is used here, which, as a means for the uneven blowing, has nozzles arranged at several superimposed levels, these levels being situated relative to each other at a distance such that the nozzles of each level constitute, by their union, a space of reaction working independently of those of the other levels. Several shaft furnaces are thus to a certain extent superimposed on one another, namely, in such number that the sum of all the quantities of gas produced gives the throat the maximum gas flow speed.
Through each of these nozzles a quantity of oxygen is blown, which is only such that the temperature in front of the nozzle does not exceed the admissible value for the lining of the furnace, but that, in the space of the furnace reached by the nozzle, it There is as complete a decomposition as possible of the constituents of the melt bed. In the case of several reaction spaces arranged one above the other, it should be taken into account that only the upper reaction layer has to provide the large amount of heat for heating the solid constituents taking part in the reaction. reaction, at the reaction temperature and the lower reaction layers receive components which have been strongly heated beforehand.
Therefore, correspondingly larger amounts of oxygen are admitted to the upper reaction layer via the corresponding nozzles. In addition, care is taken that, by a sufficient distance between the levels of the nozzles relative to each other, the high temperatures, occurring in the immediate vicinity of the outlet of the 'nozzles, decrease to the next row of tuyeres, by the reactions, consuming heat, occurring in the meantime up to the minimum temperature, that is to say at the lowest economically possible reaction temperature.
The appearance of the temperature
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re, measured in the shaft furnace, from top to bottom, is then:
From the top to the highest level of nozzles, an increase at first slow, then rapid until the peak temperature favorable for the furnace, for example 2000 C. Decrease in temperature to the reaction temperature the lowest desired, between the levels of the nozzles, for example 1500 C. Further increase in temperature to around 2000 C at the second level of the nozzles.
The rows of nozzles, arranged one above the other, thus provide an elongated reaction space, stretched in the vertical direction, with temperatures varying rhythmically in the vertical direction. It is possible, for example, to offset with respect to each other two nozzles corresponding to different superimposed rows, so that, for example, the materials which have passed through the combustion zone of a nozzle of the row upper nozzle, are again exposed to a zone of maximum temperature, not at the level of the immediately following row of nozzles, but only of the next row. We thus succeed in making the distances between the levels of the nozzles as small as possible, without thus sacrificing the advantageous effect of this arrangement,
Only a quantity of oxygen is blown through the nozzles, such that the optimum maximum temperature for the operation to be carried out is not exceeded.
It is recognized from the above that the oxygen is blown through the nozzles unevenly in space, in that more oxygen is introduced through the upper row of nozzles and that the space, included between two rows of nozzles, does not receive the same quantities of oxygen as the reaction space located in the region immediately adjacent to each row of nozzles.
Thanks to this uneven blowing in space, the reduction mentioned above, achieved with respect to known methods, in the quantity of oxygen to be blown into the shaft furnace, does not cause the disadvantages of 'a decrease in efficiency and a decrease in the depth of penetration of oxygen into the furnace. The conditions are not such that the decrease in the amount of oxygen would lower the temperature at the top of the throat, which, as is known, is of the greatest importance for maximum production capacity. of a shaft furnace for a given melting bed. In the procedure mentioned above, the furnace is thus fully utilized.
In order to prevent the penetrating force of the individual streams of oxygen exiting the nozzles from being reduced, the oxygen pressure can be appropriately increased; the further advantage is thus obtained that the different superposed rows of nozzles can be made to work with different blowing pressures and with different penetration depths.
The reaction spaces, which are supplied with oxygen by the different rows of nozzles and which are interconnected by the reaction constituents changing place in vertical direction, thus become independent of each other. The highest blowing pressure will then be given advantageously to the lower nozzles $, since the latter find there the charge in pieces of a size which is already greatly reduced by the reactions which have taken place in the upper layers.
The penetration depth for a given oxygen jet velocity is generally smaller in the case of a fine-grained material than in the case of a coarse-grained material. oxygen at different pressures in the low pressure nozzle group and / or in the high pressure nozzle group.
2nd example. -
In the case of ovens of fairly large diameter, the method, described in the first example, of distributing oxygen in a fairly large number of partial streams, is less suitable because of the depth of the furnace. reduced penetration. The following embodiment of the pro
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cede is more suitable for such furnaces.
For the implementation of this exemplary embodiment, it is possible for example to use the oven according to FIG. 1 of the attached drawings. 1 denotes the casing of the shaft furnace, 2 the charging device, 3 the gas outlet duct from the top, 4 the tap hole, 5 an axial guide tube, and 6 a vessel wall perforated with a total of six superimposed rows of blowing holes 11 as a means of achieving uneven blowing of oxygen. 7 denotes the coal for heating, loaded into the annular space between the casing 1 and the tube 5, while 8 denotes the reaction material inside the axial guide tube 5. 9 denotes a conical ring mounted in the vessel, and the discharge pipe for the purging gas and the slow distillation gas.
One could also provide two or more walls or perforated rings 6, arranged at a certain distance from each other.
The oxygen is thus no longer blown, as in the first example, by individual nozzles, but by the numerous blowing orifices 11 of the cylindrical wall 6 of the vessel. This wall extends over all. te the height of the reaction zone. Oxygen is blown through the orifices 11 only under a pressure such that a gas mattress is formed between the charge and the perforated wall 6 of the vessel, which largely prevents the transmission. heat from the load to the wall of the tank. The perforated wall 6 of the vessel is cooled by the oxygen passing through the orifices 11. However, additional cooling by water could also be provided. The oxygen burns with the carbon in the charge in the outer zone of the furnace.
The distribution of oxygen is uneven in space. The hot combustion gases flow towards the axis of the furnace and in the axial region upwards towards the throat 3. A shaft furnace operating in this way has in all its parts a temperature distribution which can be be set particularly easily and constantly decreasing. For the advantageous control of the temperature, it is possible, in the upper part of the reaction zone, that is to say through the upper rows of blowing openings, more oxygen be blown than through the lower rows. . prior to these.
For this purpose, it is possible, for example, to give the upper blowing orifices a larger internal cross section than the lower orifices, where they can be provided in greater number than the lower orifices.
Finally, the upper orifices 11 could also be given a larger internal cross section and provided at the same time in greater number.
The axial guide tube 5, which extends up to the height of the melting zone, is particularly effective, in that the resistance to flow inside it is, relative to that prevailing. in the annular space surrounding this tube, reduced to such an extent that the gas flows mainly or completely through this axial tube 5. The gas is forced to pass along the axial region of the furnace, even when the blowing pressure from of the orifices 11 is felt only in the outer zone, so that the division of oxygen into a greater number of less penetrating partial streams by the blowing through the orifices 11 is possible also in the case of a large diameter of the tank.
The deflection of the gases towards the axis of the furnace then becomes particularly effective, when the column of material 8, loaded by the axial tube 5, is in coarser pieces and thus presents, also in the reaction zone, a resistance to the flow weaker than part 7 of the load, descending into the outer annular space.
3rd example. -
Measurements are taken therein for the temperature reduction in the shaft furnace. This takes place, for example, by blowing in water vapor, the temperature limiting effect of which is mainly restricted to the outer zone of the furnace adjacent to the wall 1 of the opening.
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ge, while in the axial region of the oven, the temperature is left to rise to a value which would not be supported by the lining of the oven.
The furnace comprises, as a means for uneven blowing of oxygen, at the same level, two different groups of blowing nozzles.
The first group is blown under a relatively low pressure, so that the medium introduced by the nozzles of this group has only a relatively small depth of penetration. At the location of these nozzles, the peak combustion temperature is limited by the addition of strongly heated water vapor to the gasification oxygen or to the gasification medium containing this oxygen. The horizontal spacing of these nozzles is relatively small, so that there is a fairly large number of nozzles with a relatively small blast cross section.
As a result, the entire inner wall of the structure is protected by the gas stream leaving this first group of nozzles, at a relatively low temperature. The second group of nozzles is fed with highly concentrated oxygen under high blowing pressure and with or without special measures for limiting the temperature. Thanks to. the high pressure, the oxygen, blown by these nozzles, passes through the outer zone of the furnace in a closed jet and is distributed only inside the column of the charge. A corresponding high temperature occurs at this point, but which can no longer be harmful to the casing of the oven.
Preferably, a number of nozzles of the second group is chosen which is smaller than that of nozzles of the first group. Particularly effective protection of the furnace wall is obtained by arranging the nozzles of the second group inside or near the nozzles of the first group, so that the high pressure jet in the outer zone is surrounded by a tablecloth at lower temperature.
Different gasification media can also be blown through the two groups of nozzles. This difference in media can also consist in blowing in, under a lower pressure, a cold or colder gasification medium and, under a higher pressure, a hot or hotter gasification medium.
If the furnace is operated with nozzles under different blowing pressures, the low pressure nozzles can be fed, for example, with clean air and in certain circumstances cold, while blowing , by the high-pressure nozzles, more highly concentrated oxygen, which is optionally heated beforehand. The gasification medium, which is at a lower pressure, is preferably infused with a large number of blowing orifices (perforated wall), and on the other hand the high pressure gasification medium by a small number. bre of nozzles, in the interior of the furnace tank.
If, for whatever reason necessary for the operation of the process, recycled top gas or another gas which contains or does not contain free oxygen is introduced into the furnace, the recirculated top gas or this other gas is blown through the low pressure nozzles, while the gasifying oxygen is blown through the high pressure nozzles. In some circumstances, a small amount of oxygen is added to the gas from the tuyeres at low pressure.
4th example. -
A possible additional means of limiting the value of the temperature in front of the oxygen blast orifices consists in blowing the latter unevenly over time. As already mentioned 'pre-. formerly, the excessively high temperatures in the shaft furnace structure, in the case of the use of highly concentrated oxygen, are due to the endothermic reactions not absorbing the heat produced by combustion quickly enough. oxygen.
To match the heat input and heat consumption in a given reaction space, the oxygen blowing is occasionally interrupted, so that endothermic operations which continue to take place (e.g. reduction of iron oxides) consume, in this period of time, the same amount
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of heat than that supplied to the furnace by the combustion of oxygen. The oxygen blowing is interrupted after having reached a very favorable peak temperature in front of the blowing nozzle (for example 2000 ° C.). As the iron reduction continues to take place and as physical heat balancing phenomena also occur, the temperature begins to drop from this point on.
When a proven lower limit temperature (eg 1800 C) is reached, oxygen blowing is continued, ie again until the peak temperature is reached, etc.
In order to obtain, in the case of this exemplary embodiment of the invention for limiting the temperature, a continuous admission of oxygen to the furnace, it is advantageous to feed certain groups of nozzles always alternately with the same quantity of oxygen. oxygen. But we could also blow, through each nozzle, for a short space of time, in spurts, all of the oxygen and achieve this oxygen admission, from one nozzle to another, successively, following a circle , around the oven. In certain circumstances, it is necessary to ensure that, during the period of non-blowing by a nozzle, the latter is not clogged.
This can be avoided, for example, by not completely stopping the flow of oxygen. but by continuing the blowing weakly or by blowing in another gas, for example recycled top gas, also under reduced pressure; during the time interval. Thus, between the oxygen and the combustible gas, a water vapor or protective gas mattress is formed.
If you work with high pressure and low pressure blowing orifices, you can perform an uneven blowing in time either only through the high pressure blowing orifices or only through the low pressure blowing orifices, or by the two kinds of orifices.
The embodiments described in the various examples can also be combined with one another. It is thus possible, depending on the use of the furnace, the dimensions and the raw materials processed in a shaft furnace, to obtain operating methods with particularly favorable technical and economic results.
The principle of the invention, as well as the measures connected to it for the regulation of the temperature, make it possible to carry out, in a safe manner from the point of view of operation, a series of operations with highly concentrated oxygen. in which a high concentration of oxygen in the gasification medium constitutes the prerequisite for obtaining the desired products. But, for some of these processes, the mentioned features of the invention are not sufficient for an economical and safe mode of operation.
In these cases, it is provided, in accordance with the invention, additional characteristics, described below. It is about a group of characteristics, which fix in a new way the distribution, in space, of the constituents of the melting bed in the shaft furnace.
In the known processes, there has always been a tendency to achieve an intimate and irregular mixture of all the reaction constituents. This took place by the fact that one charged, at the top of a shaft furnace, without particular measures ensuring a separation. between the different constituents of the material composing the charge, which then descended, thus mixed and heated up, and that the different constituents of the material constituting the charge reacted with each other and / or with the gases rising in the tank.
The present invention, on the contrary, is based on the observation that various operations in the shaft furnace proceed more easily, and that certain effects can only be obtained when it is possible to operate the furnace in such a way that liquid gaseous constituents. or determined solids cannot react with each other at all, or can only do so under specific conditions.
The process according to the invention is therefore characterized in that the throat furnace is charged.
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tank with at least two solid constituents, of different chemical compositions, separating them 1-'from the other, so that they form in the furnace separate columns which have only a part of their height of contact surfaces between them free of a partition wall.
It is thus obtained that two solids, introduced separately in suitably proportioned proportions, for example substances of a granular nature, can descend into a tank next to each other without mixing with each other in This is an important measure, but care must be taken to ensure a free passage of the gas and to avoid temperatures which are too high for the material of the walls as well as corrosion attacks.
The shaft furnace for carrying out the process is characterized by at least one partition wall arranged in its upper part and isolating two loading spaces from each other. This partition wall can be formed by a tube, which isolates an internal loading space from an external loading space and which is extended into the reaction zone or the melting zone of the constituents of the load. , descending into the tube, with the constituents of the charge descending into the outer space. However, the loading spaces separated by the partition can also constitute the upper parts of two partial tanks located next to each other.
This prevents the two parts of the feed from reacting with each other above the melting or reaction zone of the furnace.
The accompanying drawings show, by way of example, schematically, four shaft furnaces, with reference to which it is explained how the process according to the invention can be carried out,
Fig. 2 is a vertical sectional view through a shaft furnace for obtaining gas and iron.
Fig. 3 is a corresponding sectional view through a shaft furnace for obtaining ferro-alloys or the like.
Fig. 4 is a vertical sectional view through a shaft furnace, which consists of two partial vessels working together.
Fig. 5 shows a shaft furnace, consisting of two partial vessels working together, for melting scrap iron and steel.
The shaft furnace according to fig. 2 comprises an outer wall 1 with nozzles 2, a taphole 3, and a loading device 4 of a known construction method. Inside the furnace is mounted an axial vertical tube, 5, which delimits an internal loading space 5a, and which isolates this space 5a, over part of the height of the shaft furnace, with respect to an external loading space annular 6a, located between this tube 5 and the wall 1 of the tank. The tube 5 extends downward to near and above the reaction and fusion zone 7a of the parts or components of the charge introduced into the two charge spaces.
This tube consists, in its lower part, of a material resistant to heat, and its upper orifice is located inside the oven at the height of the discharge duct of the tank. But the tube could also protrude out of the oven. With the help of this shaft furnace, gas and iron can be obtained. The tube 5 can also be provided with a cover (not shown), which can be operated from outside the tank, so as to release the orifice of the tube 5 when the latter is to be loaded. We could also provide more than two of these tubes. The tube (s) could also exit obliquely from the pan on the side of the oven.
Processes are known for the manufacture of fuel gases and gases which are suitable for synthetic applications, processes in which the casting of the slag or slag in fluid form is carried out. While it would be technically and economically particularly advantageous to gasify instead of coke directly from coal, in the known methods coke had to be used in most cases; in particular could not use charcoal when the latter contained, to an extent
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important, constituents in fine grains or disintegrating, during coking, into a coke in fine grains. A mixture of slag or molten slag and fine coke then formed in the furnace (generator) which produced adhesions and clogged the generator.
As a measure to avoid the above-mentioned drawbacks, iron ore or a material containing iron oxide was frequently added to the melt bed. The iron oxide contained in the molten slag was then reduced by the fine particles of coal coated therein, so that these were used and no longer constituted a cause of disturbance for the gasification operation,
But, in addition to the aforementioned guarantee of trouble-free furnace operation, the addition of iron ore to the smelting bed of a metal-casting generator is also frequently desirable to achieve, in addition to gas production. , 'pig iron as a by-product. In this way, in addition to gas, it is possible to produce large quantities of pig iron, without adversely affecting the gas production of the generator.
The pig iron thus obtained is particularly economical, since it is produced with coal instead of coke, and involves practically no installation costs.
If, as mentioned above, iron ore is added to the smelting bed of a metal casting generator, corresponding to the operations in the bottom of a blast furnace with nozzles occurs, a chemical interaction between gas and iron oxides already above the melting zone of the generator. The iron oxides undergo partial indirect reduction by carbon monoxide and, if any, by oxygen in the gases rising in the generator vessel. Corresponding proportions of the gas are thus transformed into CO2 and H2O.
This means a decrease in the quality of the gas, and, as far as the purpose of the iron oxide is to remove the suspended carbon particles from the slag or molten slag (direct reduction), a diminished action of the ore. from the point of view of guaranteeing trouble-free operation of the furnace o Whereas, in the case of the production of heating gas, the reduction in gas quality by the indirect reduction in the tank has no significant consequences, it is unbearable in the case of the production of synthesis gas in the metal-casting generator using oxygen and water vapor o In this case, the reduction of the CO and H20 content is undesirable and harmful for the following operations.
Using the shaft oven shown in fig. 2, it is possible to carry out a gasification process, in which the indirect reduction in the vessel is prevented to a great extent. The iron ore 7, necessary to carry out the gasification and to produce the pig iron, is, by means of the loading device, introduced, separately from the coal, into the tube 5 of the shaft furnace and is guided in this tube up to and including above the fusion zone 7a. Instead of a single tube, several could be used. This tube is so wide that it guarantees safe sliding of the ore in it. In the annular space between the tube 5 and the wall 1, also by means of the loading device 4, coal in pieces is charged.
After leaving the tube 5 which protects it, the iron ore has little opportunity to react with the reducing gases, before reaching the melting zone 7a. It will descend, substantially in the form of a closed column of ore, and will eventually be melted. The possibilities of a reaction are all the weaker the finer the ore 7 is, because the gas is prevented from entering the ore column in the case of a fine ore. Carrying out the gasification process by means of the furnace according to FIG. 2 is therefore particularly favorable in the case of the use of fine-grained and powdery ores, which is particularly remarkable from an economic point of view.
But it is possible, by means of the oven according to fig. 2, also carry out the process in another way, which is particularly favorable in this case. that relatively large quantities of pig iron must be produced as a by-product or when iron is to be, as for example in the low-shaft furnace operated with oxygen, the main product, while 'we want to ob-
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keep, as a by-product, a gas of as high a value as possible ,, The shaft furnace, which is advantageously constructed as a low-shaft furnace, is then charged with a gasification carbon in pieces, the size of which is not less than 5 mm, but as far as possible greater than 10 mm. The fine coal and the fine ore are mixed and are introduced into tube 5, separately from the lump coal.
This procedure makes it possible to use the fine carbon available.
As the mixture of coal and ore, going down through tube 5, is heated through the wall of the latter, there occurs, starting at about 700 G, the direct reduction of iron oxide by the coal. . In this case, the tube is advantageously perforated from the reduction zone downwards, to let out the gases, forming during the reduction, in the remaining part of the vessel.
If relatively large quantities of iron are to be produced, it is advantageous in certain circumstances to load coarse lump ore with lumpy coal into the annular space between the axial tube 5 and the wall 1, and feeding the fine ore, or a mixture of fine ore and fine coal, through tube 5 directly to the smelting zone of the shaft furnace. In the case of given dimensions of the furnace according to fig. 2 and in the case of a separate charge of the reaction constituents, the amount of iron ore undergoing melting per unit of carbonated coal depends to a large extent on the heat input which takes place in the melting zone. if we. This quantity of iron ore is all the greater the more heat is brought at high temperature to the melting zone.
In the case of gasification with oxygen, high temperatures can be obtained in front of the tuyeres, which can be adjusted to any desired value by mixing suitable quantities of hydrogen.
Depending on whether the tube or tubes 5 exit the tank vertically Upwards under the loading device or exit laterally in an inclined position, there are different possible modes of loading the ore, or the mixture of coal and ore. , next to gasification coal. However, the arrangement of an axial vertical tube according to figure 2 is particularly favorable. By means of the loading device 4, the entire load 7 is poured into the axial tube 5. When the contents of the tube have fallen to to such a degree that this can receive a new charge, an ore charge or a mixture of coal and ore is added.
Tube 5 is then filled again to its upper part. Lumpy coal 6 is then loaded by means of the device 4, which, since the tube 5 is full, falls completely into the annular space between the tube 5 and the wall 1 of the tank. . But one could also change between them the two compositions of the charge and charge the coal in lumps in the tube 5, and the mixture of coal and ore in the annular space. This is particularly favorable when iron is to be obtained as the main product. The slag or slag 8, collecting in the work of the shaft furnace, and the liquid iron 9 are discharged through the pouring hole 3.
By means of the shaft furnace shown in fig 3, ferroalloys or the like can be obtained. This oven has essentially the same construction as the oven according to FIG. 2. It again comprises a wall 1 of the vessel with nozzles 2, a tap hole 3, a loading device 4 and an axial tube'5. The tube 5 here also constitutes a partition wall, which isolates an internal loading space from an external loading space and which extends to near and above the melting zone of the constituents of the load, 'lying in the tube. 5, with the constituents of the charge lying in the outer annulus.
This furnace is particularly suitable for obtaining high value alloys when operated with oxygen. The conditions for obtaining high value alloys, such as ferro-silicon, ferro-manganese, ferro-chromium, ferro-aluminum, iron-silicon-aluminum, aluminum-silicon, etc., are the following
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1. - The metal oxides considered and the reducing carbon must be brought into contact with each other at as high a temperature as possible. The reduction temperature is, in most cases, 2000 C and above.
2. - There must be no strong oxidizing gases O2, CO2 and H2O in the region of the reduction zone.
3. - Before the reduced metal passes from the hottest part of the reduction apparatus into colder areas, in which it is subjected to the action of CO, the reduced material must have settled. united with quite large parts of the alloy.
4. - If one of the constituents of the alloy is present in vapor form due to the high reduction temperature, there must be in the reduction space another solid or liquid alloy constituent which can bring the metallic vapor to a solid or liquid phase.
If any of the above conditions is not fulfilled or is only incompletely fulfilled, the reduction operation is disturbed and no alloys or only low percentage alloys can be obtained.
The above-mentioned conditions for most of the alloys employed in the art could heretofore be very well fulfilled in electric low-shaft furnaces. This is why hitherto only such ovens have been used for this purpose. But reduction in electric tank ovens requires large amounts of electric energy, is therefore expensive and can only be achieved economically in regions where the price of electric current is very low.
Although the same high temperatures can be achieved in a low-shaft furnace operating with oxygen as in an electric-shaft furnace, it has so far only been possible to obtain alloys with a relatively high content. low, in difficultly reducible constituents, for example ferro-silicon, with about 30% silicon, while on the other hand it is possible to reach metallic silicon in the electric furnace. Since the properties of the constituents of the melt bed and their relative distribution in both types of furnaces can be controlled in exactly the same way, the failure of the oxygen tank furnace observed heretofore was due only to fact that there was, in his work, oxygen and his first product of combustion CO2.
These gaseous constituents exert a strong oxidizing action on the constituents of the alloy having a high affinity for oxygen. In the first place, high percentage alloys will be formed under the influence of high temperature and especially when working with agglomerates of ore and coal, in which the reaction constituents are intimately mixed with each other, in the known low-shaft furnaces, operating with oxygen, but these high percentage alloys, streaming through the oxidation zone, will then degrade again into low percentage alloys, thanks to the furnace shown in fig.
3, a method of manufacturing the mentioned alloys can be carried out by operating it with oxygen. The oven is preferably a low shaft oven.
In a blown shaft furnace, the composition of the gases at the level of the nozzles is very variable. In the case of the usual pressure of the blown wind, for example, the gas zone containing oxygen penetrates, in front of the orifice of the nozzles, up to approximately 1 m inside the furnace.
The gas zone containing CO2 or H2O extends a little further, but the entire interior of the oven is free of O2, CO2 and H2O. In the case of a furnace with an internal diameter of 5 m, an internal column, with a diameter of about 3 m, would for example have a gas phase consisting only of carbon monoxide or of existing inert gases. in all cases. In the case of a decrease in the wind pressure and an increase in the cross section of the nozzles, the space free of oxidizing gases could be further enlarged.
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Inside the shaft furnace, particularly when operated with highly concentrated oxygen, there are therefore basically the same conditions, or they can be produced, as in a shaft oven. electric, that is to say a high temperature, a gas phase of CO and a degree of distribution, favoring the reduction, between oxide and reducing agent. As-, in the oven according to fig. 3, the tube 5 extends up to and above the melting zone of the furnace, the material ,. introduced into the tube 5 by means of the loading device 4, arrives. to a great extent without being mixed with the part of the charge passing outside the tube 5, in the fusion and reduction zone.
The blowing pressure of the wind and the cross section of the nozzles are determined from the ratio of the diameter of the tube to the total inside diameter of the furnace, so that the inner boundary face of the area containing 02, CO2 and H20 approximately coincides with 'the outer side surface of the load column 7 descending through the tube 5.
A mixture 7 of the ore to be reduced with the reducing carbon (ore in coarse pieces and reducing carbon in coarse or agglomerated pieces of ore and coal) is charged into the tube 5, while one charges, in the annular space surrounded by - before tube 5, blowing carbon 6 (ranging from small pieces of coal to fine grain coal). Special measures must be taken to ensure that the heat produced by the combustion of the heating coal reaches the reducing carbon in the furnace. To this end, conditions are created in tube 5 of such a nature that the resistance to flow therein is notably lower than in the annulus.
This is achieved by the fact that the load in the tube 5 is in coarser pieces than in the annular space, or that it is given in the tube 5 a lower layer height to pass through. The resistance to flow in the annular space could also be increased by mechanical means, for example by a movable and removable covering part. All these means serve to conduct the strongly heated gas, which forms in front of the nozzles, into the axial region of the furnace, where it gives up its heat to produce the reduction work.
In order to obtain alloys at high concentration, in the tube 5 is charged not a mixture of coarse pieces of the reaction constituents, but agglomerates in which these constituents are contained, intimately mixed with one another, in the prescribed ratio.
It is possible to operate in a corresponding manner for obtaining liquid carbides in the shaft furnace according to fig. 3, for example for the manufacture of calcium carbide.
The slag or slag 6 and the metallic product 9 separate according to the specific gravity below the level of the nozzles. In front of the nozzles 2 is a space 10, in which free oxygen is contained alongside the products of combustion. Around this space 10 is located a zone 11, in which there is no longer free oxygen, but the primary product of the combustion of coal, carbonic acid, alongside small amounts of hydrogen. In the remaining space 12 of the furnace, the gas phase consists only of oxidized carbon, and possibly inert gases.
A shaft furnace, having basically the same nature as that of FIG. 3 for obtaining iron alloys, can also be used for the manufacture of steel or products of the nature of steel. In this case, the iron ore is charged with the reducing carbon in the axial tube. The ore and the reducing carbon in the form of agglomerates are preferably also employed here. in which the reaction components are contained side by side in the form of fine grains. By choosing an appropriate composition of the agglomerates, iron with a low carbon content within narrow limits can be obtained in the furnace construction.
For. l: choice, of the carbon content in the agglomerates, it must be taken into account that the outer side surface of the inner column of the feed is in contact with the heating carbon, so that it occurs in the limit zone an additional reduction and de.carburation action. The other elements of ac-
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companion and impurities of iron must be understood within limits which are necessary for the use of iron as steel., As constituents of the melting bed of the vessel, it can normally enter the steel only Mn, Si, C , P, S and 0. The iron manganese content can be easily adjusted to the required value by appropriate determination of the melt bed.
The Si content depends on the reaction temperature, the relative amount of reducing carbon and the SiO2 content of the slag or slag. If working with aggregates of ore and coal, the ratio of the amount of reducing carbon to that of oxygen in the ore is the value having the main influence.
If the composition of the agglomerates is such that after all the reducing carbon has been consumed, a small proportion of FeO still remains in the slag or slag, the formation of Si is not possible.
Silicon reduction can be used for balancing the heat and temperature distribution in the reaction zone. The gases, passing from the combustion zone in front of the nozzles through the axial tube to the throat, heat to high temperatures the constituents of the melt bed encountered in their path. Corresponding to the shape of the gas flow in the furnace, the zone of high temperatures, necessary for carrying out endothermic reduction reactions, extends from the level of the tuyeres to close to the lower hole of the axial tube.
Due to the reactions which take place in the zone, the size of the pieces of the constituents of the smelting bed decreases from top to bottom, so that for example the agglomerates of ore and coal, loaded in the axial tube, which initially had approximately the size of a fist, no longer have on average only a third or a quarter of this size at the level of the nozzles. The resistance of the load column to gas flow. consequently increases as one approaches the bottom, so that the lower parts of this column are crossed by diminished quantities of gas and that the heat input, the temperature and the reaction rate are here more small.
In order to use the axial part of the furnace at the level of the tuyeres and below for carrying out the reactions, the agglomerates of ore and coal are given a surplus of ore, so that after combustion of all the coal contained in these agglomerates, there is still one: iron oxide residue in the slag or slag. Charcoal necessary for the reduction of this iron oxide residue is charged as lumpy charcoal with the agglomerates. This has the result that, in the hottest zone of the axial part of the furnace, which is traversed by the hot gases of combustion, there is always, at the periphery of the agglomerates, a surplus of coal, which, together - evenly with the high temperature, - leads to an energetic reduction of the silicon.
The iron heavily loaded with silicon, formed in this zone, comes into contact, in regions situated lower in the column of the load, with the ore, which is no longer reduced by the coal due to a lack of this. it, and: reacts with this ore - with formation of iron and silicic acid and with release of heat. The furnace is thus, in the case of this mode of operation, heated in its cooler lower axial layers, by the oxidation of the products formed in the hotter upper layers.
The furnace can also be operated by charging, with the coal agglomerates and an insufficient proportion of ore, in a suitable ratio., Agglomerates, which, by reason of their composition, give a strong iron alloy. charged with silicon by reduction reactions occurring inside, in the hottest zone of the furnace.
For these agglomerates, dimensions are preferably chosen which are smaller than those of the other agglomerates, namely dimensions such that these agglomerates react completely mainly in the wettest zone of the oven.
The removal of phosphorus and sulfur takes place through slag operations.
Lime, necessary for dephosphorization and desulphurization, can be added to the smelting bed charged in the axial tube, or this lime can be mixed as an additional constituent to the ore agglomerates.
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and coal, but, if the lime addition is high in the case of unfavorable gangue or / and low-content of the ore. fer9 it is more advantageous to cha.rgerlla cl, 1alPC "not pa $, with the melting bed in the axial tube but with the charcoal, .. in the outer annular space of the shaft furnace, for there lime;
At a high melting point, the material (iron oxide and carbon) reacting with each other as a matter of no difference between them and the rate of flow decreases. Dephosphorization and desulfurization then take place - when the iron runs off through the basic slag formed in the work of the furnace. "The de-enzymeation of the iron in the shaft furnace can be carried out essentially with the same means as those previously mentioned in the description. silicon reduction. Care must be taken to ensure that substances which produce an adjustable deoxidation reach the lower part of the furnace and therein. fix dissolved oxygen in iron.
This can take place by the fact that in the hottest part of the furnace, an iron heavily loaded with silicon is produced, which decomposes again in the lower part of the furnace.
Fig 4 shows a shaft furnace in which the load-receiving spaces separated by the partition 15 constitute the upper parts of two partial vessels 13 and 14 located adjacent to each other.
These partial tanks communicate with each other in the melting and gasification zone. The partition 15 between the two partial tanks
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13 and 14 is extended downwards to r9nd: r'it or allows the resistance of the material constituting the lailoî'àon, to heat. Through the nozzle 16, oxygen or another gas can be blown into the partial tank 13. This partial tank 13 comprises a gas evacuation duct 17, and the partial tank 14 a gas evacuatîori duct. 18. The bottom 19 of the partial tank 13 is inclined downwards starting from the partial tank 14.
Above this bottom, the partial tank 13 comprises a tap hole 20, and the partial tank 14 comprises a tap hole 21 and a tap hole 22. Each partial tank further comprises a loading device 23.
One could also use more than two partial tanks, separated in
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their upper part by Qlol'sons' 0:. : ",,
By the arrangement of two partial tanks separated from each other by a partition in their upper part, the solid and liquid reaction constituents, subjected to gravity, are kept separate from each other. , while the operations taking place in the two partial tanks are related to entre.elles essentially only through the gas phase.
In most of the processes to be carried out in such a furnace, it is the transmission of sensible heat, produced
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in one partial vessel by the combustion of oxygen with coal, via the gaseous products of combustion, to the actual constituents of the other partial vessel. 'In general, an opera-
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exothermic reaction in 19 one of the partial vats and an endothermic operation in the other partial vat.
The cross sections of the partial tanks, working together, differ in size from each other. They can also be different in shape. - Particularly favorable are two or a greater number of 'partial vats,' in relation to each other, of rectangular cross-section, which are arranged parallel to one another, along their long sides. The size of the cross-section of each of the partial vessels in relation to each other is a function of the reaction rate of the operation carried out in it.
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The partial tanks of the furnace 1 according to figo 4-1 'working together, also differ in' '' le's- 'èorm;
n, e height, because the operations taking place in the different areas are subject to different conditions from the point of view of the duration, the temperatures required, the quantities of gas to be passed through, etc. ... It would of course also be possible to use shaft furnaces with partial tanks of
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the same height and / or the same cross section.
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Valiant jointly could also work, in whole or in part, with the throat open. Additional differences may reside in the division and discharge of the products collecting in the lower part of the oven.
The wall 26, separating the two basins 24 and 25, at the lower part of the partial tanks, can be cooled. The flow can take place discontinuously, permanently or permanently at times.
The oven according to fig. 4 enables, for example, a process for obtaining steel, a ferroalloy, fuel slag and the like. For this purpose, the oven is constructed as a low shaft oven. In such a process, it is important that the fluid slag of the fuel cannot mix or react with the main fluids. This is made impossible by the wall 26, which separates the two basins 24 and 25 from one another. The partial tank 13 is charged with coal, which thus constitutes a gasification tank. Partial vessel 14 is charged with oxidized ores, which thus serves as a reaction vessel for the reduction of these ores.
The temperature at the lower edge of the partition 15 is kept as high as possible, in order to make as small as possible the area in which there can be a mixture of the materials constituting the charge, descending. in the adjacent partial tanks. Below the lower edge of the partition 15 separating the partial tanks 13 and 14, a direct contact surface 27 is formed, between the materials constituting the charge, at their exit from the partial tanks. cross sections of the partial tanks in such a way that the adjacent loads descend with approximately the same speed, in order to avoid to a great extent a mixing of these loads.
Through the nozzle 16, oxygen or a gas containing oxygen is blown into the carbon bed of the partial tank 13. The very hot combustion gases produced pass entirely or for the most part in the tank. reduction 14, give up therein their sensible heat to the load and thus allow the various endothermic reactions, for example the reduction of iron oxide by carbon. The gases can furthermore participate in the partial vessel 14 also in chemical reactions, for example reducing iron ore with formation of carbon dioxide and water vapor.
By the choice of suitable pressure conditions, it can be ensured that part of the gas is evacuated through the gas outlet pipe 17 of the gasification tank 13 and thus entrains the slow distillation products of the coal. good, while another part of the gas, after passing through the charge of the reduction vessel 14, escapes through the gas outlet pipe 18 thereof. The wall 26 prevents the fluid slag 28 of the coal from mixing with the fluid reaction products of the reduction vessel 14.
In order to obtain completely pure products in the tank 14, the threshold 29 is moved between the two partial tanks towards the partial tank 14 to such a degree that the separation surface 27 between the two charge columns is located. still in the region of the bottom 19 of the tank 13. The slag 28 of the coal is discharged through the taphole 20, the slag 30 of the tank 14 is discharged, separately from the first, through the taphole 21. The metallic product 31 is discharged, without it coming into contact with the carbon slag 24, through the taphole 22.
Fig. 5 also shows a shaft furnace, in which the spaces receiving the load, separated by the partition 15, constitute the upper parts of partial vessels 13, 14 located next to one another. It is also possible here to provide more than two partial tanks ,, ¯ The tank 14 has an open mouth 32. This partial tank 13 is particularly wide, so that one can also load scrap of large dimensions. . In the partial tank 13 opens a nozzle 33, and in the tank 14 a nozzle 34. A nozzle 35 extends obliquely from the outside, from top to bottom, towards the furnace basin 36 common to the two partial tanks. the.
From this basin 36, a taphole 37 for the slag extends outwards, namely, on the side of the partial vessel 13. Below is a taphole 38 for the fluid product obtained.
How the oven can be operated is described below.
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with tank according to fig. 5 for the smelting of iron and steel scrap.
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The grape shot is loaded into the patiell "1.18" cuvé, while coal is introduced into the partial tank 13 by a loading device39.
Partial tank 13 crimped with gasification tank. The boundary side surface 40 of the carbon filler partially has the form
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of a natural landslide slope and is partly determined by the pieces of scrap metal in the partial tank '14. Through the nozzles 33, the lower part of the furnace is blown with preheated or cold air, possibly enriched with oxygen o Hot gases from combustion flow
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slow through the grape chamber 14 to the open air Qt thus heat the grape shot to a high temperature.
Through the nozzles 35 and 34, additional air is blown into the submachine tank 14, which serves in whole or in part to completely burn off the combustible gases formed in the gasification tank 130 The air blown through the nozzle 35 is used. also to effect a partial combustion of the iron. The iron thus heats up very strongly and melts or, when it is already fluid, can, together with the heat produced by combustion, cause the fusion of additional iron. By the nozzle
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re 35, it is also possible to insufflate with highly concentrated ojtµgèùe or a gas containing ogere in the preheated state.
By the combustion of iron in front of the nozzle 35, it forms, in this place a slag of oxide of
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iron, which is mlâ: dg; with the coal slag in the region of the gasification tank 13 Like the casting-hole 37 for the carbon slag is on the side of the gasification tank 13 the iron oxide slag, formed in the grape-shot tank 14, 'must ,? , in 's 9 flowed to the casting 37, pass through the gasification tank' 13 and is reduced there by the coal. The taphole 38 for the fluid iron is also located on the side of the gasification tank 13, so that the iron, containing oxygen, formed in the scrap tank 14., is deoxidized passing through the gasification tank 13.
To obtain that the conditions remain the same, it is advantageous to work in this case with a permanent casting. If it is desired to produce a slow distillation of the coal, the pressure in the system is advantageously increased, so that part of the formed gas is
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me can be evacuated under pressure, less than the charge of coal from the gasification tank 13, with the products of the slow distillation of the coal.
This increase in pressure in the system can be produced by placing a movable cover on the open throat of the scrap tank 14, which leaves only a narrow outlet for the gases.
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combustion and which can be removed for loading the partial tank 14.
R E V E NDD I C A T ION S
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=============== 7? ========== 1. - Process for the realization of metallurgical operations,
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in particular for the metallurgical treatment of minebaisi # iron in the low-vessel furnace, characterized in that one carries out combustion, blown wind,
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of a high concentration of oxygen, drunk oxygen with charcoal in such a way that the maximum temperature in the furnace structure and at the level of the nozzles is limited to a value which reaches the maximum temperature the start of vaporization of the slag or slag and remains, preferably a little below this temperature.
2. - Method for adjusting the value of the temperature and its distribution in a shaft furnace, '' in particular in such a furnace operating with oxygen enrichment, characterized in 'that one breathes in-
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also 1-9oxygen,
30 - Shaft furnace for carrying out the process according to claim 1, characterized ¯ by means for le.soufflage.inéglage of oxygen.