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"Perfectionnement aux fours à sole et procédé ' de fusion dans ces fours".
La présente invention a pour objet un per- fectionnement aux moyens de chauffage, et à la manière .de les mettre en oeuvre sélectivement, d'une sole de fusion et, plus spécialement, un perfectionnement des fours à sole et de la marche à suivre pour procéder à une opération de fusion à l'intérieur de ceux-ci.
Lorsqu'on utilise des fours à sole pour la fabrication de l'acier, on emploie couramment à l'heure actuelle deux procédés. L'un d'entre eux consiste à placer sur la sole du four tous les matériaux ferreux, tels que des riblons d'acier, de la ferraille, de la fonte brute, etc... à l'état solide, et à soumettre ladite charge à l'action des
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produits de la combustion en vue de la faire fondre. 1.'autre procédé employé couramment consiste à prendre, pour préparer la charge placée sur la sole, des proportions variées de riblons de fer solides et de fer fondu tel qu'on l'obtient en utilisant un haut fourneau, ou tout autre appareillage de fusion du fer.
Quelque soit le procédé utilisé, les matériaux ferreux solides doivent être chauffés à des températures de beaucoup supérieures à leur point de fusion et on y arrive d'habitude en faisant pas- ser de la manière courante avec les fours à sole, une flamme constitué'!' par les produits de la combustion à température éle- vée au-dessus de la sole, ainsi que sur la charge de métaux ferreux à fondre. On obtient en général ces flammes à tempéra- ture élevée grâce aux principes bien connus de la récupération.
On sait depuis longtemps que cette manière d'utiliser le combustible pour la chambre de fusion d'un four à sole à un faible rendement thermique global. Ceci est évident si l'on considère la quantité de chaleur nécessaire pour la fusion de l'unité de:poids de matériaux métalliques par rapport à la quantité totale de chaleur effectivement consommée pour provoquer la fusion d'une charge donnée. On admet en général que, lors de la fusion d'une charge donnée de riblons et de fonte par les procédés classiques utilisés avec les fours à sole à récupération, le rendement thermique global obtenu est seule- ment de l'ordre de 22 à 28
On a fait récemment diverses tentatives en vue d'augmenter le rendement thermique des fours à sole.
Un des procédés les plus prometteurs est le procédé par addition d'oxygè- ne et de combustible qui comporte, en gros, l'injection d'un combustible liquide associé à de l'oxygène très pur à l'aide d'un brûleur commun monté à l'intérieur du fourneau de façon à diriger la flamme constituée par les produits de la combustion dudit combustible au voisinage immédiat ou sur la charge de ma-
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tières solides placée sur la sole de fusion.
On trouvera une étude sur le procédé par addition d'oxygène et de combustible et les brûleurs correspondants dans l'article intitulé "Oxy-
Fuel Processus" commençant à la page 67 du numéro de février
1961 de la revue "Iron and Steel Engineer", Dans le procédé par addition de combustible et d'oxygène, le brûleur correspon. dent occupe une position fixe et passe à travers la voûte en matière réfractaire du four, de façon que la flamme de ce der- nier soit dirigée verticalement de haut en bas de manière à venir lécher la charge de matières solides placée juste au- dessous du brûleur.
Dans certains cas, le brûleur est monté de manière à pouvoir se déplacer dans le sens vertical si bien qu'on peut élever ou abaisser ce brûleur de manière à régler la distance de la flamme de ce dernier par rapport à la charge de matières solides placées sur la soif de fusion, Ce déplacement du brûleur dans le sens vertical ne s'est pas avéré très inté- ressant étant donné qu'il faut qu'il y ait toujours une distan- ce suffisante entre l'extrémité du brûleur et la surface de la charge de matières solides pour permettre un mélange de l'oxygène et du combustible suffisamment intime pour fournir une flamme ayant des caractéristiques avantageuses.
Il est possible, avec un réglage approprié du rapport oxygène-combustible et de la vitesse de ces derniers, d'obtenir par la combustion une'flamme ayant une température de l'ordre de 2200 à 25000 C.
Quand une flamme aussi chaude arrive di- rectement sur la charge de matières solides froides, la vitesse de transfert de la chaleur à ces matières solides est excep@ ion- nellement rapide, de sorte que ces matières solides atteignent rapidement leur point de fusion.
On n'obtient toutefois, dans la pratique, ce rendement thermique élevé que pendant un laps de temps très court parce que, lorsque le brûleur est monté de la manière indiquée, la flamme est dirigée seulement sur la
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faible partie de la charge qui est juste au-dessous du brûleur à combustible et oxygène, avec comme conséquence la formation d'une dépression semblable à un cratère dans la charge de matiè. res solides, tandis que les matières voisines constituant les parois d'une dépression de ce genre restent à une température relativement basse par rapport à celle des matières fondues.
Il est évident que le procédé par addition de combustible et d'oxygène tel qu'il était connu avant la présente invention a un rendement limité quand on l'utilise dans un four à sole, et on a observé, d'une manière générale, qu'il n'est pas satisfaisant pour les raisons suivantes la formation d'un bain de métal liquide dans la dépression en forme de cratère provoque une nette diminution de la vitesse de fusion étant donné que la vitesse d'absorption de la chaleur par la masse de métal diminue considérablement. Il en résulte que le bain fondu et les métaux à l'état solide réfléchissent la chaleur intense produite par la flamme en direction du re- vêtement réfractaire du four avec les détériorations de ce dernier qui en sont la conséquence.
Par ailleurs, puisque le brûleur est fixe, le point d'arrivée de la flamme par rapport aux garnitures réfractaires du four est fixe, provoquant ainsi une attaque et des dommages permanents à une portion donnée de la structure du four, d'où il résulte qu'une utilisation fré- quente du brûleur fixe à oxygène et combustible contribue à la destruction prématurée du revêtement réfractaire du four.
De plus, étant donné que les brûleurs à oxygène et combustible sont disposés de façon que la flamme atteigne les matières so- lides dans une zone située au-dessous desdits brûleurs et à la verticale de ceux-ci, lesdites matières solides étant mises en place par l'intermédiaire d'un orifice de chargement ou d'une porte associée et, en particulier par les orifices de chargement ou les portes au voisinage immédiat des extrémités du
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four, lesdites flammes de combustible et d'oxygène réagissent sur la flamme arrivant en provenance des brûleurs d'extrémité de manière à subdiviser ou fractionner la flamme en provenance de ces derniers.
Quand cela se produit, la flamme ainsi sub- divisée en provenance du brûleur d'extrémité est détournée vers les garnitures réfractaires des parois latérales du four, ce qui entratne une diminution du rendement thermique de la flamme en provenance des brûleurs d'extrémités et cause des dommages aux garnitures réfractaires des parois latérales.
Pour essayer de remédier aux difficultés ci-dessus provenant de l'interaction des flammes, on a conçu et utilisé le brûleur à combustible et oxygène de manière à réaliser le mélange du combustible et de l'oxygène après leur éjection à très grande vitesse du brûleur, de façon à obtenir un cône de flamme de diamètre aesezfaible. Ce procédé, bien que remédiant en partie à l'inconvénient signalé, n'élimine pas complètement les difficultés résultant de l'interaction des flammes; on a observé, au contraire qu'il augmente l'ampleur des dépressions gênantes en forme de cratère au sein de la charge solide, puisqu'une région plus restreinte de la charge est en contact avec le cône de diamètre plus réduit de la flam- me ainsi obtenue.
Dans certaines installations de fours à sole classiques à récupération, on a fait passer verticalement à travers la voûte du four plusieurs brûleurs fixes à combus- tible et oxygène très rapprochés les uns des autres dans le sens de la longueur du four, dans le but de compléter la source de chaleur normale et de réaliser un recouvrement substantiel des flammes sur à peu près toute la longueur de la charge de matières solides sur la sole de fusion, pour essayer de réali- ser une fusion à peu près uniforme de la charge.
On a observé, dans les cas de ce genre, que la quantité totale de chaleur
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fournie par les brûleurs est de beaucoup supérieure à la limi- te de résistance des garnitures réfractaires du four, Par ailleurs, lorsqu'on réduit la quantité de chaleur fournie par chaque brûleur de manière à diminuer le dégagement total de chaleur afin de protéger les garnitures réfractaires, le ralentie sement résultant de la vitesse de chauffage et de fusion de la charge de matières solides va à l'encontre du but recherché en espaçant d'une faible quantité les brûleurs verticaux.
Bien que la discussion ci-dessus constitue plutôt une critique des procédés connus d'utilisation des fours à sole, on doit aussi se rendre compte qu'il est pratiquement impossible, avec n'importe quel procédé de fusion sur sold de réaliser une répartition uniforme en poids et en volume de la charge de matières solides froides sur la surface de la sole par les procédés de chargement classiques. Par conséquent, il est très souhaitable, du fait de l'épaisseur irréguilière. de la charge à froid, de prévoir des moyens de régler le débit de combustible en fonction de la charge, de manière à soumettre sélectivement les zones de forte épaisseur à une exposition plus longue à la flamme que les autres zones.
Bien que cet inconvénient d'une répartition inégale de la charge et de l'ab- sence d'un réglage sélectif de l'action de la flamme sur celle- ci soit connu depuis le début des procédés de fusion sur sole et soit associé à un faible rendement thermique, personne n'a trouvé, antérieurement à la présente invention un remède à l'inconvénient existant concernant la fusion sur sole décrite ci-dessus.
Un premier objet de la présente invention, est l'obtention d'une action sélective de la flamme sur des zones prédéterminées de forte épaisseur d'une charge de matiè- res solides déposées sur une sole de fusion.
Un second objet de la présente invention
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est la détermination sélective de la zone d'action d'une flam- me verticale sur une charge de matières solides déposées sur une sole de fusion de manière à améliorer les rendements ther- miques de l'opération de fusion,
Un troisième objet de l'invention est la réalisation d'un four à sole comportant plusieurs brûleurs à combustible verticaux et alignés, réglables dans le sens de la longueur de four de manière à faire varier sélectivement la zone d'action de la flamme résultant de la combustion dudit combustible sur la charge de matières solides à fondre.
Un autre objet de la présente invention est la réalisation d'un four à sole comportant plusieurs brûleurs de combustible verticaux écartés les uns des autres, montés de manière à traverser, tout en étant orientés vers le bas, la voûte du four, chacun de ces brûleurs verticaux com- portant un support mobile permettant des déplacements horizon- taux, lesdits supports mobiles étant conçus de manière à per- mettre un déplacement horizontal prédéterminé en réponse à des moyens de commande, de manière à ajuster la position des brûleurs verticaux par rapport à la charge, afin de déplacer la zone d'action de leur flamme d'une partie à l'autre de la charge à fondre.
Encore un autre objet de la présente in- vention est la réalisation du chauffage de riblons dans un four à sole en utilisant l'action directe d'une flamme verti- cale produite par plusieurs brûleurs montés de manière à tra- verser verticalement la voûte du four et à permettre ainsi un déplacement prédéterminé desdits brûleurs de façon à dé- placer sélectivement la zone d'action directe de la flamme verticale produite par ceux-ci vers différentes portions de la charge et à rester sélectivement l'afflux de combustible aux brûleurs en question de manière à agir isolément sur chaque
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zone d'action de la flamme verticale d'un ou plusieurs desdita brûleurs, afin de fondra cette charge avec un bon rendement,
La description qui va suivre,
en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique et en fera apparaître d'autres particularités, - la figure 1 est une vue latérale schématique d'une coupe verticale d'un four à sole comportant les particularités caractéristiques de l'invention, - La figure 2 est une vue en plan du four de la figure 1.
- La figure 3 est une vue en plan et 4 une échelle fortement agrandie d'une portion de l'équipement représenté sur les figures 1 et 2.
- La figure 4 est une vue en élévation latérale de l'équipement de la figure 3.
- La figure 5 est une vue en bout et en élévation, ainsi qu'en coupe partielle, de l'équipement de la figure 4.
- La figure 6 est une vue schématique en élévation latérale, après suppression de certaines parties, représentant une autre forme de réalisation d'une portion de l'équipement de la figure 1,
Si l'on se réfère aux dessins ci-annexés, et en particulier à la figure 1, la présente invention est représentée en se reportant à une forme de réalisation bien connue de four 10 à sole et à récupération, lequel comprend une sole 12, des parois d'extrémité 14, des parois latérales 16 et une voûte 18 en matériaux réfractaires, possédant des prises d'air classiques 20.
Comme c'est d'ordinaire le cas, des brûleurs de combustible d'extrémité classiques 22
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font saillie à travers les parois debout 14 opposées, et sont disposés de manière à diriger leurs flammes sur une charge non représentée qui est déposée, à travers des portes ou des orifices de chargement 24 espacés et percés dans une des parois latérales 16, sur la sole de fusion 12.
L'espace- ment des orifices de chargement 24 est tel que la charge de matières solides à fondre peut être déposée et répartie sur la sole de fusion 12 et leurs dimensions leur permettent de recevoir les cuillères de chargement normalisés (non re- présentées), étant entendu que ces orifices 24 sont munies de portes (non représentées) qui sont en général fermées, sauf quand on introduit les cuillères de chargement dans le four ou quand on observe les progrès de la fusion de la char- ge. La répartition de la charge de matières solides est plus ou moins liée aux dimensions et à l'espacement des orifices de chargement 24.
Dans la forme de réalisation représentée, on a disposé un bâti de renforcement 26 dont les dimensions sont à peu près celles du four 10, et on utilise une partie de ce bâti, au-dessus de la voûte 18 comme support pour plusieurs brûleurs 28, 30 et 32 à combustible et oxygène verticaux, écartés les uns des autres, montés de manière à traverser, tout en étant orientés vers le bas, la voûte 18 en passant, respectivement, par des ouvertures allongées fixes 34 36 et 38 d'allumage, ayant une forme sensiblement rec- tangulaire.
Les brûleurs à combustible et oxygène seront, de préférence, du type à mélange ultérieur, comme, par exemple les brûleurs "Linde-AB-3" qu'on trouve dans le commerce, afin d'obtenir la flamme verticale désirée bien qu'on puisse utiliser des brûleurs des types à mélange à la sortie ou à mélange préalable quand la réalisation du brûleur et la vitesse de sor- tie de ce dernier sont suffisantes pour diriger la flamme ver-
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ticalement de haut en bas, comme on l'explique ci-après, de manière qu'elle vienne au contact de la charge de corps soli- des sur la sols'de fusion.
C'est ainsi que le bâti 26 est muni, outre ses poutres transversales normales 40 - 42 et 44 - 46 servant de supports (voir figures 1 et 2) aux extré- mités opposées du four, de poutres transversales écarter 48 et 50 disposées entre les précédentes et fixées aux barres longitudinales supérieures 52 et 54 du bâti 26, au-dessus de la voûte 18.
Les poutres transversales 48 et 50 sup- portent un couple de pièces 56 et 58 en forme de rails, écartées et disposées dans le sens de la longueur de la voûte 18, et conçues de manière à supporter les orifices d'allumage espacés 34, 36 et 38,
Si l'on se reporte aux figures 4 et 5 l'orifice d'allumage 34 y est représenté comme ayant une òrme rectangulaire et comme comportant une paroi creuse destinée à constituer une chambre de refroidissement 35, de telle sorte que lorsqu'on relie une telle chambre, par exemple au moyen de tuyaux 60 et 62 à une source (non représentée) de re- mise en circulation d'un agent de refroidissement, par exemple de l'eau, ledit orifice peut supporter les températures rencon- trées en service.
Tous les orifices 34, 36 et 38 sont construits de manière identique et sont alignés les uns par rapport aux autres, leurs grands côtés étant orientés dans le sens de la longueur de la voûte 18, chacun des orifices d'al- lumage espacés étant, dans la forme de réalisation représentée à peu près à l'alignement par rapport à l'un des orifices es- pacés de chargement associés 24, tandis que les longueurs des ouvertures des orifices 34, 36 et 38 sont à peu près égales aux largeurs des portes ou des orifices de chargement 24.
On se rendra compte, toutefois que les longueurs des orifices d'allumage peuvent varier dans de grandes proportions de manière
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à être plus grandes ou plus petites que la largeur des orifi- ces de chargement. On se rendra compte aussi que dans les cas où, comme dans certaines techniques d'utilisation des tours à sole, on a l'habitude de jeter ou de pousser des parties de la charge dans le sens de la longueur de la sole, de manière à entasser les matières solides d'un côté ou de l'autre d'un orifice de chargement donné, on ajustera la disposition des orifices d'allumage par rapport aux orifices de chargement as- sociés de façon que la flamme atteigne directement les régions où la charge de matières solides est la plus épaisse.
Les orifices d'allumage sont munies de rebords 64 et 66 au contact de leur arête supérieure et qui se prolongent vers l'extérieur (voir figure 5), et qui sont reliés, respective- ment, aux pièces 56 et 58 en forme de rails, grâce à des barres d'accouplement 68 et 70, respectivement, de manière à maintenir en position suspendue d'utilisation les orifices d'allumage à travers la voûte réfractaire 18.
Pour maintenir les br@ûleurs à combustible et oxygène 28, 30 et 32 dans la position verticale, tout en conservant la possibilité de les déplacer à l'intérieur de leurs orifices d'allumage respectifs 34, 36 et 38, chaque brûleur est déplacé et supporté par un chariot mobile 72 qui est monté sur les pièces espacées 56 et 58 en forme de rail. Les chariots 72 sont tous construits de manière identi- que, de telle sorte qu'on se contentera de décrire l'un d'eux représenté par les figures 3, 4 et 5.
Par conséquent, dans la présente forme de réalisation, chaque chariot 72 estconsti- tué par quatre pièces d'angle espacées constituées par des cor- nières 74 qui sont fixées aux angles d'une pièce 76 servant de socle et s'étendant verticalement au-dessus de celle-ci pour aboutir à un châssis 78 rectangulaire constitué par des fers cornières auxquels elles sont soudées. Deux couples die-
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tincts de flasques 80 et 82, sont fixés à la partie infé- rieure de chacun de deux cotés parallèles du châssis 78; des galets à gorge 84 sont fixés, entre ces flasques, de ma- nière à pouvoir rouler sur des chemins de roulement 57 et 59 montés respectivement sur les rails écartés 56 et 58.
Des cornières 86 et 88 (voir figures 4 et 5) sont placées entre les extrémités des cornières d'angle 74, sont soudées à ces dernières et disposées de manière à supporter des flasques
90 et 92 orientés vers le haut, auxquels sont fixées des barres d'accouplement pivotantes 94, et dont l'utilité sera expliquée plus en détail ci-après.
Les barres d'accouplement
94 reliant entre eux les chariots voisins 72 sont raccordées par des tendeurs à vis représentés en 93 sur la figure 2, tandis que les barres d'accouplement d'extrémité 94 des cha- riots 72 situés aux extrémités sont montées de manière à pouvoir glisser dans des pièces guides 95 fixées sur des bar- res transversales espacées 48 et 50, lesdites barresd'ac- couplement d'extrémité 94 étant montées de manière à pouvoir être couplées par l'intermédiaire d'autres tendeurs à vis 97 à des moyens de commande qu'on décrira ci-après, On peut ajus- ter individuellement les tendeurs à vis 93 et 97 de manière à agir sur la liaison entre les chariots ou à séparer un cha- riot donné ou encore à séparer les chariots de l'un oul'autre des moyens de commande.
La plaque d'assise 76 est percée d'un orifice central 96 destiné à recevoir un des brûleurs
28, 30 ou 32 et porte à sa partie supérieure une collerette
98 alignée avec le trou de fix ation et de soutien d'un des- dits brûleurs dans sa position de fonctionnement vertical, A la partie supérieure de chacun de ces brûleurs, les voies de passage (non représentées) de l'oxygène et du combustible sont raccordées par des canalisations souples 100 et 102 (voir figure 2) à des sources appropriées (non représentées)
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fournissant les quantités dosées nécessaires d'oxygène et de combustible destinées à fournir la quantité de chaleur deman- dée.
L'opérateur peut facilement régler individuellement les quantités d'oxygène et de combustible fournies aux brûleurs 28, 30 et 32, de manière à ajuster sélectivement la sono d'action de la flamme de ces derniers, ou même à supprimer sélectivement la zone d'action de la flamme d'un ou plusieurs. des brûleurs verticaux,
On a prévu, comme on le voit sur les figu- res 1 4 et 5, une garniture de matière réfractaire 104 pour chacun des orifices d'allumage 34, 36 et 30, dans le but de conserver la chaleur dans le four 10 et de protéger les chariots 72 de cette chaleur.
Dans la présente forme de réalisation, cette garniture 104 a une forme à peu près rectangulaire et sa largeur est telle qu'elle recouvre l'ouver- ture rectangulaire de l'orifice d'allumage associé, tandis que sa longueur est à peu près le double de la longueur de l'ouver- ture rectangulaire de l'orifice d'allumage associé. La garni. ture 104 est aussi percée d'une ouverture centrale 106 de dimensions lui permettant de recevoir le brûleur associé, et elle est supportée grâce à quatre barres de connexion 108 écartées par la plaque 76 disposée à la partie inférieure d'un chariot 72, laquelle sert à obturer an glissant, la surface supérieure de l'orifice d'allumage associé.
Ainsi, chaque brû- leur disposé verticalement et sa garniture associée pour chacun des orifices d'allumage sont conçus de manière à pouvoir être déplacés en même temps dans le sens de la longueur de l'ouver- ture rectangulaire de l'orifice d'allumage associé quand on dé- place le chariot correspondant par rapport à ladite ouverture, de la manière qui sera décrite ci-dessous.
Si l'on se reporte aux figures 1 et 2, un moyen de commande 110 représenté sous la forme d'un piston
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mû- par un liquide, est monté sur chaque coupla de barres trans.. versâtes 40, 42 et 44, 46 normalement espacées de la char- pente 26, aux extrémités opposées du four 10 au-dessus de la voûte 18, ledit piston (non représenté) étants relié par 1* intermédiaire du tendeur. vis associé 97 à la barre 94 d'accouplement d'extrémité du chariot 72 adjacent d'extrémité.
Les pistons 110 sont montés en opposition et sont couplés, dans la pratique,de manière à être excité. dans des sens oppo- sés par une source d'énergie convenable (non représentée) afin de provoquer un déplacement simultané orienté et prédéterminé des divers chariots espacés et interconnectés 72 dans le sens de la longueur du four, en vue de déplacer en même temps les brûleurs à combustible et oxygène 28,30 et 32, ainsi que les garnitures 104 dans un sens ou dans l'autre, le déplacement desdits brûleurs s'effectuant dans le sens de la longueur et dans les limites de leurs orifices d'allumage rectangulaire respec- tifs.
Si l'on a représenté deux ensembles de commande 110, bien qu'il soit évident qu'un seul de ces ensembles suffis* en fait, pour provoquer le déplacement déterminé à l'avance des chariots interconnectés 72, c'est surtout par mesure de sécu- rité, en cas de mise hors d'usage de l'un de ces ensembles.
Il peut y avoir avantage, dans certains cas, à faire rouler un des chariots d'extrémité 72 indépendamment de l'autre couple de chariot, auquel cas le chariot 72 choisi est séparé du chariot 72 voisin au moyen du tendeur à via 93, tandis que l'on se sert alors de l'ensemble 110 de commande associé pour déplacer seulement le chariot 72 choisi,
opérateur peut facilement régler à distance la course du piston (non représentée de cha- cun des ensembles 110 de manière à commander la longueur et la sens du déplacement du chariot 72 considéré et( par conséquente le déplacement simultané des brûleurs à combustible et oxygène ainsi que des garnitures transportés par ces derniers par rap-
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port aux limites, dans le sens de la longueur, des orifices d'allumage rectangulaires associés à ces derniers, un change- ment représentatif de la position du brûleur 28 étant indiqué par les contours en trait mixte de la figure 4.
En fonctionnement normal, les matériaux ferreux solides constitués par des riblons d'acier-, de la fer- raille et de la fonte sont normalement chargés dans le four 10 en quantités croissantes à l'aide de cuillères de chargement bien connues (non représentées) qu'on fait passer à travers les orifices de chargement 24 de manière à entasser des ma- tières solides sur la sole 12, On commence habituellement par placer dans le four une fraction déterminée de la charge finale de riblons d'acier;
il y a lieu de noter que la plus grande partie de cette fraction de la charge se trouve néces. sairement, étant donnéees les dimensions limitées des orifices de chargement 24, à proximité de ces orifices de chargement, mais répartie d'un bout à l'autre de la sole, à peu près à l'alignement avec ces orifices. Il convient également d'obser- ver que les extrémités des brûleurs 28, 30, et 32 à com- bustible et oxygène sont au voisinage immédiat de la voûte du four, de sorte que, bien qu'ils soient à l'alignement par rapport aux orifices de chargement associés, ils ne gênent pas les mouvements des cuillères de chargement à travers les ori- fices de chargement.
Dès qu'on a commencé le. chargement de la fraction prédéterminée de la charge froide de riblons d'acier sur:'la sole 12, on allume un des brûleurs d'extrémité 2 el'on alimente ce dernier en combustible par une source de ravitaillement (non représentée) avec un débit prédéterminé ( ( de manière à maintenir l'ensemble du four à température élevée, tandis qu'on allume ensuite alternativement les brûleurs 22 en conformité avec l'inversion normale des cycles de récupéra-
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tion du four à sole.
Une fois qu'on a mis en marche lee brû- leurs d'extrémité 22, on alimente en oxygène et combustible les brûleurs 28, 30 et 32 à combustible et oxygène, avec un débit prédéterminé de manière qu'ils sortent de ces derniers, sous la forme d'une flamme verticale dégageant une chaleur in- tense arrivant sur la charge solide juste au-dessous des brû- leurs verticaux correspondants.
Lorsque la portion de la charge au-dessous de la zone atteinte par la flamme verticale s'échauffe et que la masse de ladite portion est réduite dans un rapport prédéterminé, on met en actionnes ensembles de manoeu- vre 110 de manière à déplacer en même temps dans le sens de la longueur de la voûte du four les chariots 72 interconnec- tés, afin de déplacer les garnitures 104 et les brûleurs à combustible et oxygène qu'ils supportent dans le sens de la longueur des orifices d'allumage à partir d'une position cen- trale par rapport à ces derniers vers l'une ou l'autre des positions représentées par le dessin en trait mixte de la figure 4 ou des positions intermédiaires entre celles-ci,
de manière à diriger la zone d'action de la flamme verticale sur une autre position de la charge de matières solides déposée sur la sole.
On poursuit périodiquement ce déplacement dans le sens de la longueur des brûleurs à combustible et oxygène de manière à déplacer la zone d'action de la flamme sortant des brûleurs ver- ticaux sur la charge entassée sur la sole afin de soumettre pro- gressivement et sélectivement pratiquement la totalité de sa surface à l'action directe de la flamme verticale, de manière à chauffer et à réduire très rapidement le volume de l'ensemble de la charge, avec un rendement thermique résultant élevé.
On doit se rendre compte que le déplace- ment des brûleurs verticaux est commandé par l'opérateur res- ponsable du four, et que ce déplacement n'est pas un mouvement continu, mais est commandé de manière à réaliser en un point
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particulier le chauffage et une fusion partielle, Cesréductios du volume ou fusions partielles sont limitées à une valeur juste suffisante pour empêcher la formation de cratères dans la charge, après quoi l'on déplace les brûleurs verticaux de manière à diriger la zone d'action de la flamme verticale sur une autre portion de la charge, de sorte que le chauffage et la réduction du volume global avec une fusion légère ou partielle de la char- ge soient continua, tout en conservant un rendement thermique élevé.
Lorsqu'on chauffe la charge initiale tout ¯ en réduisant son volume de la manière décrite, on ajoute pro- gressivement des quantités supplémentaires de matières solides par les orifices de chargement 24, au moyen des cuillères de Chargement, Dans les cas de ce genre, on agit en même temps sur les chariots 72 de la manière décrite ci-dessus de façon à déplacer les brûleurs verticaux à combustible et oxygène d'un coté ou de l'autre par rapport aux orifices de chargement, de façon à ne pas interrompre l'action de la flamme sur la charge lorsque la cuillère de chargement pénètre dans le four et qu'on ajoute la quantité supplémentaire de matières solides froides sur la sole de fusion.
En déplaçant de cette façon la zone d'action de la flamme, on diminue la masse de la charge froide de façon d@ minuer de manière à peu près uniforme la surface de cette masse sans y créer de dépressions en forme de cratère, ladite réduction du volume de la charge associée à une fusion partielle donnant la pos ibilité, grace la fusion superficielle partielle plus rapide et à peu près uniforme, d'obtenir plus rapidement de la place pour procéder auxdits chargements addi- tionnels de riblons froids sur la sole de fusion.
Comme exemple particulier de fusion dans un four à sole réalisé et exploité selon la présente invention et construit de manière semblable à celle représentée dans les dessins ci-annexés, on peut citer un four à récupération équipé
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de trois orifices de chargement 24 et de trois brûleurs verti- caux à oxygène et combustible qu'on fait fonctionner en utili- sant le procédé de la charge froide, tous les matériaux ferreux étant chargés à l'état solide, Une charge de ce genre a, par exemple, dans un four donné, un poids total de 172 t dont 122t sont constituées par des riblons d'acier et 50 t par de la fer- raille et de la fonte.
On charge les riblons d'acier avant d'a- jouter la fonte, la charge étant ajoutée ensuite par fractions successives au fur et à mesure de la réduction des dimensions de la masse solide, à cause des dimensions limitées de la sole de fusion. Pendant toute la période de chargement, le four est chauffé successivement à l'aide des divers brûleurs classiques d'extrémité 22 par un courant de combustible conformément aux inversions normales des cycles de récupération, ces brûleurs tour.
nissant en permanence 15.120.000 kcal/h. Quand on a mis en place la charge initiale, on allume les brûleurs verticaux à . foire combustible et oxygène de manière à leur/ débiter au total 10,080.000 kcal/h qui s'ajoutent à la chaleur fournie par les brûleurs d'extrémité, ce qui permet d'obtenir un débit total de
25.200.000 kcal/h.
Les brûleurs à dombustible et oxygène (appelée parfois brûleurs "mobiles") sont déplacés de la ma- nière décrite ci-dessus d'un point à un autre par rapport à la surface de la charge, de façon à soumettre sélectivement diver- ses portions de la charge de riblons d'acier à l'action directe de la flamme verticale d'un bout à l'autre de la charge totale des matières à l'état solide du four, constituées par des ri- blons d'acier.
En procédant à 130 chaudes du tonnage indiqué et en chargeant les matières solides à la cadence d'environ
55 t à l'heure, on réalise la fusion de la partie de la charge constituée dans la mesure désirée et obtenue en général, avant de procéder aux additions de ferraille en un temps moyen de
3 heures et dix minutes en fournissant. en moyenne, pendant ce temps environ 80.000.000 de kilocalories. Là, où l'on cite
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ou bien 3.
'on a cité dans le présent document la fusion des riblons d'acier avant de procéder aux additions de ferraille, il est bien entendu que nous donnons au terme "fusion" le sens d'opération normalement effectuée dans la pratique couran- te des fours à sole et consistant à réduire les riblons d'acier en une masse compacte très chaude presque à l'état fondu mais dont seulement une petite fraction est effectivement fondue.
Cette circonstance est souhaitable si l'on veut effectivement ramener le volume important de la charge de riblons froid à une masse compacte chaude de manière à permettre d'y ajouter plus rapidement des charges froides complémentaires. On peut arrê- ter le fonctionnement des brûleurs verticaux à combustible et oxygène après la fusion des riblons d'acier et quand on ajoute de la ferraille dans le four, étant donné que c'est la période pendant laquelle la présente invention présente le plus d'in- térêt pour l'amélioration du rendement thermique des opérations effectuées au four à sole.
Cependant, si on le désire, on peut continuer à utiliser les brûleurs verticaux pendant le charge- mont des additions de ferraille de manière à faciliter la liqué- faction complète de la totalité de la charge de matières soli- des froides.
On a observé, par opposition aux résultats obtenus avec le four objet de la présente invention, que dans le môme four, mais sans l'avantage ou l'utilisation de l'ac- tion de la flamme verticale fournie par les brûleurs verticaux mobiles à oxygène et combustible, qu'en procédant à 130 chaudes de môme tonnage et comprenant les mêmes matériaux dans les ro- portions indiquées, le temps moyen nécessaire pour transformer les riblons d'acier en une masse compacte très chaude était de quatre heures et vingt minutes avec une vitesse de chargement de 39,81 tonnes à l'heure, un tel chauffage nécessitant, en moyen ne. la fourniture d'une quantité totale de chaleur égale à
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92.850.000 kcal.
On voit ainsi quel 'utilisation de la présente invention permet, par rapport aux techniques normalisas anté- rieures d'utilisation avec récupération des fours à sole dans le but de réduire les riblons d'acier volumineux en la masse chau- de compacte souhaitée, d'obtenir un accroissement de l'ordre de 14 % du rendement thermique global, avec une augmentation de la vitesse de chargement des riblons d'acier à l'état solide d'environ 36% qui donne lieu à une augmentation à peu près proportionnelle de la capacité unitaire de production d'acier du four.
Dans la pratique on utilise en général les brûleurs verticaux à combustible et oxygène de la manière indi- quée ci-dessus conjointement avec les brûleurs d'extrémité, de manière à réaliser une réduction rapide et efficace du volume de la portion de la charge totale constituée par des riblons d'a- cier. On peut en général réduire efficacement le volume de la portion de la charge constituée par de la ferraille grâce à la chaleur de la masse fortement chauffée de riblons d'acier et à la chaleur dégagée par le fonctionnement desbrûleurs d'extrémité dont l'alimentation peut être augmentée pendant la réduction du volume occupé par les additions de ferraille.
Il est, naturelle" ment évident qu'au lieu d'ajouter la portion de la charge consti- tuée par de la ferraille sous forme de matières solides froides, on peut l'ajouter sous forme de métal chaud après l'opération consistant à réduire le volume des riblons d'acier de la manière décrite ici, auquel cas, il ne serait pas nécessaire de conti- nuer à faire fonctionner les brûleurs verticaux lorsqu'on charge ce métal chaud sur ,la sole,
Bien qu'il ait été question ci-dessus des rendements obtenus lorsqu'on procède à une réduction rapide du volume des riblons d'acier quand on utilise les brûleurs verti- caux de la manière décrite, les brûleurs mobiles ont un avantage
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supplémentaire,
à savoir qu'on peut les déplacer dans le sens de la longueur du four en les écartant de la flamme des brû- leurs d'extrémité allumés pendant une période donnée du cycle de récupération, de manière à réduire ainsi les perturbations apportées par la flamme verticale venant en contact avec la charge au parcours et au comportement de la flamme des brûleurs d'extrémité.
De plus, en réalisant un déplacement simultané des garnitures 104 et des brûleurs verticaux à combustible et oxygène qui leur sont associés, les ouvertures des orifices d'allumage rectangulaires au travers desquels passent ces brû- leurs sont couvertes en permanence de manière à limiter les pertes de chaleur par ceux-ci et à empêcher les courants d'air ascendants à travers ceux-ci et l'usure par érosion ainsi que la déformation de la flamme qui en résultent, tout en proté- geant l'équipement qui se déplace au-dessus de la voûte du four.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à un four à sole comportant trois orifi- ces de chargement et trois brûleurs verticaux à oxygène et combustible, il;est évident qu'on peut faire varier leur nombre en-fonction des dimensions du four et de la longueur de la charge placée sur la sole qu'on désire soumettre à l'action di- recte de la flamme verticale. Il est aussi évident que l'opéra- teur peut régler la marche des brûleurs verticaux à oxygène et combustible, en éteignant un ou plusieurs de ces brûleurs ou bien en réglant les débits de l'oxygène et du carburant alimen- tant un ou plusieurs de ces brûleurs de manière à régler la quantité de chaleur qu'ils fournissent à la charge.
La commande des déplacements et le fonctionnement des brûleurs verticaux est en général effectuée par l'opérateur après examen visuel de la masse fondue à travers les orifices de chargement quand on ajoute des quantités de matière supplémentaire à la charge qui se trouve sur la sole de fusion bien que, dans la pratique réelle, on déplace les brûleurs verticaux d'un côté ou de l'autre tout
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instant au cours d'une opération de chargement suivant la di- rection de décharge des cuillères de chargement dans le four.
Par l'emploi de l'invention, on augmente considérablement le rendement thermique de la période corres- pondant à la fusion du four à sole, ce qui entraîne une réduc- tion de la durée de l'opération de fusion sans usure ni éro- sion excessive des garnitures réfractaires du four, ce qui a pour conséquence une augmentation de la production du four, tout en réalisant dans l'ensemble des économies sur le prix de revient, Bien que la présente invention ait été décrite ici en se référiant à un four à sole, et, plus particulièrement à un four à récupération,
il doit être évident que la présente inven- tion est applicable à n'importe quel procédé de fusion sur sole dans lequel un ou plusieurs des brûleurs mobiles peuvent être mis en place de manière à amener la zone d'action de la flamme verticale directement sur la masse de matières solides et dans lequel on peut manoeuvrer le brûleur mobile de manière à l'a- mener dans des positions prédéterminées en vue de déplacer sé- lectivement la zone d'action de la flamme de celui-ci sur diffé- rentes portions de la charge de matières solides, pour obtenir une réduction rapide et effective du volume de cette dernière,,
Il convient d'observer en outre que lors- qu'on se sert de plusieurs brûleurs verticaux,
il peut y avoir avantage à agir sur chaque brûleur isolément de manière à déter- miner sélectivement la zone d'action de sa flamme sur la charge de matières solides au lieu d'agir en même temps sur tous ces brûleurs. Dans ce cas, chaque chariot peut être relié indi- distinet viduellement à un mécanisme commandant son mouvement, ou bien on pour peut associer /Les manoeuvrer en même temps les chariots de manière à réaliser une combinaison déterminée à l'avance, Ou a représenté ainsi sur la figure 6, un mécanisme de raccorde- ment qu'on peut utiliser pour déplacer indépendemment les uns des
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autres le::
i divers chariots, ci, pour déplacer différentes com- binaisons de ce-3 chariots, ou déplacer simultanément leur en- semble.
Ainsi qu'on le voit sur la figure 6, on se sert de trois chariots Mobiles 112, 114 et 116 comme
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d-sns la forme de réalisation dus figures 1 et Pans cette forme do réalisation, le chariot 112 est muni d'une barre
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d'accouplement lift dh;p ::ife de manière à être reliée par un, tendeur à via 1?0 à l'extrémité de la tiga 122 du piston d'un mécanisme de col.,lnande 1¯4, en observant que la tige 122 . 1'11.:.>:;e 4 travers la pièce de guidage 126, L'autre barre d'accou- pi ment 12e du chariot 13 2 est disposée do manière à être reliée par l'intermédiaire du tendeur A vis 130 à la barre d 'accouplement 15,? du chariot 114e dont l'autre barre d'accouplement est dpuse de 1IJnulè:t'e .1 être reliée par le tendeur à vis 136 à la barre d'ac- coup3ett)ent J8 du chariot 113.
De marne, l'autre barra d'accouple- Ment 140 du chariot llu est conçue de manière à pouvoir tore re¯ lie'la par le tendeur fi vis D,2 à la tige 144 du piston du mecanis- ne de commande 146, ladite tige de piston 144 étant disposée de manière à pouvoir coulisser dans la pièce de guidage 148 Dons ce cas, la tige 144 est invariablement liée à une autre barre
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d 'accouplement 150,
montée de Maniera à pouvoir coulisser gaz tin- t/'leur de la pièce de 152 fixée à la'partie sup<5- rieure de la pièce de guidage l'autre extrémité de la barre d'accoupleront 150 étant disposée de manière à pouvoir être relire par l'intermédiaire du tendeur à vis 154 à la barre
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&accouplement 134 du chariot 114, L'autre barre d'accouple- 'ment 136 du chariot 114 et ainsi disposée de manière à
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être rfliee pnr l'intermédiaire du tendeur à vis 15Ü à la tige 158 du piston d'un troisième ensemble de commande 160,
en o b s ervant que la
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tige 158 du piston est montée de manière à pouvoir coulisser à l'intérieur d'une pièce de guidage 162 fixée à la partie supérieure de la pièce de guidage 126.
Si l'on désire, avec le mode de réalisa- tion représenté sur la figure 6, déplacer simultanément les chariots 112, 114 et 116 et utiliser deux des moyens de commande 124 et 146, il suffit alors d'agir sur le tendeur à vis 156 pour séparer la tige 158 de piston de la barre d'accouplement 132, Si l'on désire déplacer isolément le chariot 116 et déplacer ensemble les chariots 112 et 114, on agit sur les tendeurs à vis 156, 154 et 136 de manière à les mettre en position de désaccouplement tandis que les tendeurs à vis 120, 130 et 142 restent en position d'ac- couplement.
Si l'on désire déplacer isolément le chariot 112. et déplacer ensemble les chariots 114 et 116, on peut alors mettre seulement les tendeurs à vis 156 et 130 en position de désaccouplement, les autres tendeurs à vis 120, 136, 154 et 142 restant en position d'accouplement de la manière re- présentée. Toutefois, si l'on désire déplacer isolément chacun des chariots 112, 114 et 116, on amène alors les tendeurs à vis 130, 154 et 136 dans leur position de désaccouplement avec les tendeurs à vis 120,156 et 142 en position d'ac- couplement, grâce à quoi le mécanisme 124 de commande règle les déplacements du chariot 112, le mécanisme 160 de com- mande règle les mouvements du chariot 114 tandis que le mécanisme 146 de commande règle les déplacements du chariot 116.
Ce qui précède constitué un exposé des divers modes d'in- terconnexions débruyables qu'on peut réaliser avec plusieurs chariots mobiles dans les cas où l'on souhaite déplacer isolé- ment l'un quelconque ou la totalité de ces chariots mobiles, tout en observant que pour désaccoupler les diverses barres d'accouplement on peut, soit les uéparer, en les dévissant, de
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leurs supports à pivot 90 ou 92 (voir figure 4) soit les soulever en les faisant pivoter en vue de les fixer, par exemple au moyen de crochets (non représentés) au chariot associé de manière à ne pas gêner le mouvement indépendant souhaite.
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"Improvement of hearth furnaces and process of melting in these furnaces".
The object of the present invention is an improvement in the heating means, and in the manner of selectively implementing them, of a melting hearth and, more especially, an improvement of hearth furnaces and the procedure to be followed. to perform a merge operation therein.
When using hearth furnaces for the manufacture of steel, two methods are currently employed. One of them is to place all ferrous materials, such as scrap steel, scrap, pig iron, etc ... in the solid state, on the bottom of the furnace, and to submit said charge to the action of
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combustion products in order to melt it. (1) Another commonly employed process consists in taking, to prepare the charge placed on the hearth, varying proportions of solid scrap and molten iron as obtained by using a blast furnace, or any other cooking equipment. melting iron.
Whatever process is used, solid ferrous materials must be heated to temperatures much higher than their melting point and this is usually accomplished by passing in the usual manner with hearth furnaces a flame formed. ! ' by the products of combustion at a high temperature above the hearth, as well as by the load of ferrous metals to be melted. These high temperature flames are generally obtained by well known principles of recovery.
It has long been known that this way of using fuel for the melting chamber of a hearth furnace has a low overall thermal efficiency. This is evident when one considers the amount of heat required to melt the unit of: weight of metallic materials relative to the total amount of heat actually consumed to cause the fusion of a given charge. It is generally accepted that, during the melting of a given load of scrap and pig iron by the conventional methods used with recovery hearth furnaces, the overall thermal efficiency obtained is only of the order of 22 to 28.
Various attempts have recently been made to increase the thermal efficiency of deck furnaces.
One of the most promising processes is the oxygen and fuel addition process, which basically involves the injection of a liquid fuel combined with very pure oxygen using a common burner. mounted inside the furnace so as to direct the flame formed by the products of combustion of said fuel in the immediate vicinity or on the load of ma-
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solid materials placed on the melting hearth.
A study on the process by adding oxygen and fuel and the corresponding burners can be found in the article entitled "Oxy-
Fuel Process "starting on page 67 of the February issue
1961 from the magazine "Iron and Steel Engineer", In the process by adding fuel and oxygen, the corresponding burner. tooth occupies a fixed position and passes through the vault of refractory material of the furnace, so that the flame of the latter is directed vertically up and down so as to come and lick the load of solids placed just below the burner.
In some cases, the burner is mounted so as to be able to move in the vertical direction so that this burner can be raised or lowered so as to adjust the distance of the flame of the latter in relation to the load of solids placed on the thirst for fusion, This movement of the burner in the vertical direction has not proved very interesting since there must always be sufficient distance between the end of the burner and the surface load of solids to allow mixing of oxygen and fuel sufficiently intimate to provide a flame with desirable characteristics.
It is possible, with appropriate adjustment of the oxygen-fuel ratio and of the speed of the latter, to obtain by combustion a flame having a temperature of the order of 2200 to 25000 C.
When such a hot flame hits the load of cold solids directly, the rate of heat transfer to these solids is exceptionally fast, so that these solids quickly reach their melting point.
In practice, however, this high thermal efficiency is only obtained for a very short period of time because, when the burner is mounted in the manner indicated, the flame is directed only to the flame.
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small portion of the charge that is just below the fuel and oxygen burner, resulting in the formation of a crater-like depression in the material charge. solids, while the neighboring materials constituting the walls of such a depression remain at a relatively low temperature compared to that of the molten materials.
It is evident that the process by adding fuel and oxygen as was known before the present invention has a limited yield when used in a hearth furnace, and it has been observed, in general, that it is not satisfactory for the following reasons the formation of a bath of liquid metal in the crater-shaped depression causes a marked decrease in the melting rate since the rate of heat absorption by the mass of metal decreases considerably. As a result, the molten bath and the metals in the solid state reflect the intense heat produced by the flame in the direction of the refractory lining of the furnace with consequent deterioration of the latter.
Furthermore, since the burner is fixed, the point of arrival of the flame in relation to the refractory linings of the furnace is fixed, thus causing attack and permanent damage to a given portion of the furnace structure, from which it results that frequent use of the fixed oxygen and fuel burner contributes to the premature destruction of the refractory lining of the furnace.
In addition, since the oxygen and fuel burners are arranged so that the flame reaches the solids in an area below and vertically above said burners, said solids being placed in place. via a loading port or associated door and, in particular via the loading ports or doors in the immediate vicinity of the ends of the
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furnace, said flames of fuel and oxygen react with the flame coming from the end burners so as to subdivide or split the flame coming from the latter.
When this occurs, the flame thus subdivided from the end burner is diverted to the refractory linings of the side walls of the furnace, resulting in a decrease in the thermal efficiency of the flame from the end burners and causing damage to the refractory linings of the side walls.
In order to try to remedy the above difficulties arising from the interaction of the flames, the fuel and oxygen burner has been designed and used in such a way as to achieve the mixture of fuel and oxygen after their ejection at very high speed from the burner. , so as to obtain a flame cone of low diameter. This process, although partially overcoming the drawback reported, does not completely eliminate the difficulties resulting from the interaction of the flames; on the contrary, it has been observed that it increases the magnitude of the annoying crater-shaped depressions within the solid charge, since a more restricted region of the charge is in contact with the cone of smaller diameter of the flame. me thus obtained.
In some conventional recuperative hearth furnace installations, several stationary fuel and oxygen burners have been passed vertically through the roof of the furnace, closely spaced one to another along the length of the furnace, in order to to supplement the normal heat source and to achieve substantial flame coverage over nearly the entire length of the solids charge on the melting hearth, in an attempt to achieve a nearly uniform melting of the charge.
It has been observed, in cases of this kind, that the total quantity of heat
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supplied by the burners is much greater than the resistance limit of the refractory linings of the furnace, Furthermore, when the quantity of heat supplied by each burner is reduced so as to reduce the total heat release in order to protect the linings refractories, the slowing down resulting from the rate of heating and melting of the load of solids defeats the desired objective by spacing out the vertical burners by a small amount.
While the above discussion is more of a criticism of known methods of using deck furnaces, it should also be appreciated that it is practically impossible with any soldering process to achieve a uniform distribution. by weight and volume of the load of cold solids on the hearth surface by conventional loading methods. Therefore, it is very desirable, due to the irregular thickness. of the cold load, to provide means for adjusting the fuel flow as a function of the load, so as to selectively subject the areas of great thickness to a longer exposure to the flame than the other areas.
Although this drawback of uneven load distribution and the absence of selective control of the action of the flame thereon has been known since the beginning of hearth melting processes and is associated with low thermal efficiency, no one has found, prior to the present invention a remedy to the existing drawback concerning the melting on hearth described above.
A first object of the present invention is to obtain a selective action of the flame on predetermined areas of great thickness of a load of solid materials deposited on a melting hearth.
A second object of the present invention
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is the selective determination of the zone of action of a vertical flame on a load of solids deposited on a melting hearth so as to improve the thermal yields of the melting operation,
A third object of the invention is the production of a hearth furnace comprising several vertical and aligned fuel burners, adjustable in the direction of the length of the furnace so as to selectively vary the zone of action of the flame resulting from burning said fuel on the load of solids to be melted.
Another object of the present invention is the production of a hearth furnace comprising several vertical fuel burners spaced apart from each other, mounted so as to pass through, while being oriented downwards, the vault of the furnace, each of these vertical burners comprising a movable support allowing horizontal displacements, said movable supports being designed so as to allow a predetermined horizontal displacement in response to control means, so as to adjust the position of the vertical burners with respect to the charge, in order to move the zone of action of their flame from one part to another of the charge to be melted.
Yet another object of the present invention is to achieve the heating of scrap in a hearth furnace using the direct action of a vertical flame produced by several burners mounted so as to vertically pass through the vault of the hearth. furnace and thus to allow a predetermined displacement of said burners so as to selectively move the zone of direct action of the vertical flame produced by them towards different portions of the load and to selectively maintain the flow of fuel to the burners in question so as to act in isolation on each
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zone of action of the vertical flame of one or more desdita burners, in order to melt this load with good efficiency,
The following description,
with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting examples, will make it clear how the invention can be put into practice and will show other features thereof, - Figure 1 is a schematic side view of a vertical section of a hearth furnace comprising the characteristic features of the invention, FIG. 2 is a plan view of the furnace of FIG. 1.
- Figure 3 is a plan view and 4 is a greatly enlarged scale of a portion of the equipment shown in Figures 1 and 2.
- Figure 4 is a side elevational view of the equipment of Figure 3.
- Figure 5 is an end view and in elevation, as well as in partial section, of the equipment of Figure 4.
- Figure 6 is a schematic side elevational view, after removal of certain parts, showing another embodiment of a portion of the equipment of Figure 1,
Referring to the accompanying drawings, and in particular to Figure 1, the present invention is shown with reference to a well known embodiment of hearth and recovery furnace 10, which comprises a hearth 12, end walls 14, side walls 16 and an arch 18 made of refractory materials, having conventional air intakes 20.
As is usually the case, conventional end fuel burners 22
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protrude through the opposing upright walls 14, and are arranged so as to direct their flames onto an unshown load which is deposited, through doors or loading ports 24 spaced and drilled in one of the side walls 16, on the melting hearth 12.
The space of the loading orifices 24 is such that the load of solids to be melted can be deposited and distributed over the melting hearth 12 and their dimensions allow them to receive the standard loading spoons (not shown), it being understood that these orifices 24 are provided with doors (not shown) which are generally closed, except when the charging spoons are introduced into the oven or when the progress of the charge melting is observed. The load distribution of solids is more or less related to the dimensions and spacing of the loading ports 24.
In the embodiment shown, there is arranged a reinforcing frame 26, the dimensions of which are approximately those of the furnace 10, and part of this frame is used, above the vault 18 as a support for several burners 28, 30 and 32 with vertical fuel and oxygen, spaced apart from each other, mounted so as to cross, while being oriented downwards, the arch 18 passing, respectively, through fixed elongated openings 34 36 and 38, having a substantially rectangular shape.
The fuel and oxygen burners will preferably be of the aftermix type, such as, for example, the "Linde-AB-3" burners found on the market, in order to obtain the desired vertical flame although it is still possible to achieve the desired vertical flame. can use burners of the outlet mix or pre-mix types when the design of the burner and the outlet speed of the latter are sufficient to direct the flame towards
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tically from top to bottom, as will be explained below, so that it comes into contact with the solid body charge on the fusion soil.
Thus the frame 26 is provided, in addition to its normal transverse beams 40 - 42 and 44 - 46 serving as supports (see Figures 1 and 2) at the opposite ends of the furnace, with transverse beams 48 and 50 placed between the previous ones and fixed to the upper longitudinal bars 52 and 54 of the frame 26, above the vault 18.
The transverse beams 48 and 50 support a pair of rail-shaped pieces 56 and 58, spaced apart and arranged lengthwise of the arch 18, and designed to support the spaced ignition ports 34, 36 and 38,
Referring to Figures 4 and 5, the ignition orifice 34 is shown therein as having a rectangular shape and as having a hollow wall for constituting a cooling chamber 35, so that when connecting a such a chamber, for example by means of pipes 60 and 62 to a source (not shown) for re-circulating a cooling medium, for example water, said orifice can withstand the temperatures encountered in service .
All of the ports 34, 36 and 38 are identically constructed and are aligned with respect to each other, their long sides oriented lengthwise of the arch 18, each of the spaced ignition ports being, in the embodiment shown approximately in alignment with one of the associated spaced loading ports 24, while the lengths of the openings of ports 34, 36 and 38 are approximately equal to the widths of the ports. doors or loading ports 24.
It will be appreciated, however, that the lengths of the ignition orifices can vary widely in such a way.
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to be larger or smaller than the width of the loading ports. It will also be appreciated that in cases where, as in certain techniques of using hearth lathes, it is customary to throw or push parts of the load in the direction of the length of the hearth, so In piling up the solids on one side or the other of a given charging port, the arrangement of the ignition ports will be adjusted with respect to the associated charging ports so that the flame directly reaches the regions where the solids load is the thickest.
The ignition orifices are provided with flanges 64 and 66 in contact with their upper edge and which extend outwards (see figure 5), and which are connected, respectively, to parts 56 and 58 in the form of rails , by means of coupling bars 68 and 70, respectively, so as to maintain in the suspended position of use the ignition orifices through the refractory vault 18.
To maintain the fuel and oxygen burners 28, 30 and 32 in the vertical position, while retaining the possibility of moving them inside their respective ignition ports 34, 36 and 38, each burner is moved and supported by a movable carriage 72 which is mounted on the rail-shaped spaced pieces 56 and 58. The carriages 72 are all constructed identically, so that we will be satisfied with describing one of them represented by Figures 3, 4 and 5.
Accordingly, in the present embodiment, each carriage 72 is constituted by four spaced corner pieces formed by cornices 74 which are attached to the corners of a piece 76 serving as a plinth and extending vertically across the body. above the latter to end in a rectangular frame 78 consisting of angle irons to which they are welded. Two couples die-
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tincts of flanges 80 and 82, are fixed to the lower part of each of two parallel sides of the frame 78; grooved rollers 84 are fixed between these flanges, so as to be able to roll on raceways 57 and 59 mounted respectively on the spaced rails 56 and 58.
Angles 86 and 88 (see Figures 4 and 5) are placed between the ends of the angle brackets 74, are welded to the latter and arranged to support flanges
90 and 92 facing upwards, to which are attached pivoting tie rods 94, the utility of which will be explained in more detail below.
Tie bars
94 interconnecting neighboring carriages 72 are connected by screw tensioners shown at 93 in Figure 2, while the end coupling bars 94 of the carriages 72 located at the ends are mounted so as to be able to slide in. guide pieces 95 fixed to spaced cross bars 48 and 50, said end coupling bars 94 being mounted so as to be able to be coupled through other screw tensioners 97 to control means which will be described hereinafter, the screw tensioners 93 and 97 can be adjusted individually so as to act on the connection between the carriages or to separate a given cart or to separate the carriages from one or the other. other means of control.
The base plate 76 is pierced with a central orifice 96 intended to receive one of the burners
28, 30 or 32 and has a collar at its upper part
98 aligned with the fixing and support hole of one of the said burners in its vertical operating position, At the upper part of each of these burners, the passageways (not shown) for the oxygen and the fuel are connected by flexible pipes 100 and 102 (see figure 2) to appropriate sources (not shown)
1
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providing the necessary metered amounts of oxygen and fuel to supply the required amount of heat.
The operator can easily individually adjust the amounts of oxygen and fuel supplied to the burners 28, 30 and 32, so as to selectively adjust the action of the flame of the latter, or even to selectively suppress the zone of flame action of one or more. vertical burners,
As can be seen from Figures 1, 4 and 5, a refractory lining 104 has been provided for each of the ignition ports 34, 36 and 30, in order to retain the heat in the furnace 10 and protect the carriages 72 from this heat.
In the present embodiment, this gasket 104 has an approximately rectangular shape and its width is such as to cover the rectangular opening of the associated ignition port, while its length is approximately the same. double the length of the rectangular opening of the associated ignition orifice. The garnished. ture 104 is also pierced with a central opening 106 of dimensions allowing it to receive the associated burner, and it is supported by four connection bars 108 spaced apart by the plate 76 disposed at the lower part of a carriage 72, which serves to slide off the upper surface of the associated ignition orifice.
Thus, each burner arranged vertically and its associated gasket for each of the ignition orifices are designed so that they can be moved at the same time in the direction of the length of the rectangular opening of the ignition orifice. associated when the corresponding carriage is moved relative to said opening, in the manner which will be described below.
Referring to Figures 1 and 2, a control means 110 shown in the form of a piston
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liquid-powered, is mounted on each coupla of transverse bars 40, 42 and 44, 46 normally spaced from the frame 26, at opposite ends of the furnace 10 above the arch 18, said piston ( not shown) being connected by 1 * the tensioner. screw associated 97 with the end coupling bar 94 of the adjacent end carriage 72.
Pistons 110 are mounted in opposition and are in practice coupled so as to be energized. in opposite directions by a suitable power source (not shown) to cause simultaneous oriented and predetermined movement of the various spaced and interconnected carriages 72 lengthwise of the furnace to simultaneously move the fuel and oxygen burners 28, 30 and 32, as well as the fittings 104 in one direction or the other, the displacement of said burners being effected in the direction of the length and within the limits of their respective rectangular ignition orifices - tifs.
If two sets of control 110 have been shown, although it is obvious that only one of these sets is in fact sufficient to cause the predetermined displacement of the interconnected carriages 72, it is above all by measurement. safety, in the event of one of these assemblies being put out of service.
It may be advantageous, in some cases, to roll one of the end carriages 72 independently of the other couple of carriages, in which case the selected carriage 72 is separated from the neighboring carriage 72 by means of the tensioner at via 93, while that the associated control assembly 110 is then used to move only the selected carriage 72,
operator can easily remotely adjust the stroke of the piston (not shown of each of the assemblies 110 so as to control the length and direction of movement of the carriage 72 considered and (consequently the simultaneous movement of the fuel and oxygen burners as well as of the linings transported by the latter in relation to
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bearing in the longitudinal direction of the rectangular ignition orifices associated with them, a change representative of the position of the burner 28 being indicated by the phantom contours of FIG. 4.
In normal operation, solid ferrous materials consisting of scrap steel, scrap and cast iron are normally charged into the furnace 10 in increasing amounts using well known charging spoons (not shown). that one passes through the loading openings 24 so as to pile up solids on the hearth 12, One usually begins by placing in the furnace a determined fraction of the final load of scrap steel;
it should be noted that the greater part of this fraction of the load is required. Surely, given the limited dimensions of the loading openings 24, close to these loading openings, but distributed from one end of the sole to the other, approximately in alignment with these openings. It should also be observed that the ends of the fuel and oxygen burners 28, 30, and 32 are in the immediate vicinity of the roof of the furnace, so that, although they are in alignment with respect to the furnace. with the associated loading ports, they do not interfere with the movement of the loading spoons through the loading ports.
As soon as we started the. loading the predetermined fraction of the cold load of scrap steel on: 'the hearth 12, one of the end burners 2 is ignited and the latter is supplied with fuel by a refueling source (not shown) with a flow rate predetermined ((so as to keep the whole furnace at a high temperature, while the burners 22 are then alternately lit in accordance with the normal reversal of the recovery cycles).
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tion of the deck oven.
Once the end burners 22 have been started, oxygen and fuel are supplied to the fuel and oxygen burners 28, 30 and 32 at a predetermined rate so that they exit from the latter. in the form of a vertical flame giving off intense heat arriving on the solid charge just below the corresponding vertical burners.
When the portion of the load below the zone reached by the vertical flame heats up and the mass of said portion is reduced in a predetermined ratio, actuation sets 110 are put into action so as to move at the same time. time in the direction of the length of the vault of the furnace the interconnected carriages 72, in order to move the linings 104 and the fuel and oxygen burners which they support in the direction of the length of the ignition ports from 'a central position with respect to the latter towards one or the other of the positions represented by the phantom drawing of FIG. 4 or intermediate positions therebetween,
so as to direct the zone of action of the vertical flame to another position of the load of solids deposited on the hearth.
This displacement is periodically continued in the direction of the length of the fuel and oxygen burners so as to displace the action zone of the flame coming out of the vertical burners on the load piled up on the hearth in order to gradually and selectively subject practically the whole of its surface under the direct action of the vertical flame, so as to heat and very quickly reduce the volume of the whole load, with a resulting high thermal efficiency.
It must be realized that the movement of the vertical burners is controlled by the operator responsible for the furnace, and that this movement is not a continuous movement, but is controlled so as to achieve at a point
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especially heating and partial melting, These volume reductions or partial melts are limited to a value just sufficient to prevent the formation of craters in the load, after which the vertical burners are moved so as to direct the zone of action of the flame vertically over another portion of the load, so that heating and overall volume reduction with slight or partial melting of the load is continued, while maintaining high thermal efficiency.
As the initial charge is heated while reducing its volume in the manner described, additional amounts of solids are gradually added through the charging ports 24 by means of the charging spoons. In such cases, at the same time, the carriages 72 are acted on in the manner described above so as to move the vertical fuel and oxygen burners to one side or the other with respect to the loading ports, so as not to interrupt the The action of the flame on the charge as the charging spoon enters the furnace and the additional amount of cold solids is added to the melting hearth.
By moving the zone of action of the flame in this way, the mass of the cold charge is reduced so as to decrease in an almost uniform manner the surface of this mass without creating therein crater-shaped depressions, said reduction. the volume of the charge associated with a partial melting giving the pos ibility, thanks to the faster and more or less uniform partial surface melting, of obtaining more quickly space for carrying out said additional loads of cold scrap on the hearth of fusion.
As a particular example of melting in a hearth furnace produced and operated according to the present invention and constructed in a manner similar to that shown in the accompanying drawings, there may be mentioned a recovery furnace equipped
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three charging ports 24 and three vertical oxygen and fuel burners which are operated using the cold charge process, all ferrous materials being charged in a solid state. a, for example, in a given furnace, a total weight of 172 t of which 122 t consists of scrap steel and 50 t of scrap and cast iron.
The scrap steel is charged before adding the cast iron, the charge then being added in successive fractions as the dimensions of the solid mass decrease, because of the limited dimensions of the melting hearth. Throughout the charging period, the furnace is heated successively with the aid of the various conventional end burners 22 by a flow of fuel in accordance with normal reversals of the recovery cycles, these burners in turn.
continuously increasing 15,120,000 kcal / h. When the initial charge has been placed, the vertical burners are lit at. fair fuel and oxygen so as to deliver a total of 10,080,000 kcal / h which is added to the heat supplied by the end burners, which makes it possible to obtain a total output of
25,200,000 kcal / h.
Oxygen fuel burners (sometimes referred to as "mobile" burners) are moved in the manner described above from point to point relative to the surface of the load, so as to selectively subject various portions to it. from the load of scrap steel to the direct action of the vertical flame throughout the total load of solid state materials in the furnace, constituted by the scrap steel.
By proceeding to 130 hot water of the indicated tonnage and loading the solids at the rate of approximately
55 t per hour, the part of the load formed is melted to the desired extent and generally obtained, before proceeding with the addition of scrap in an average time of
3 hours and ten minutes by providing. on average, during this time about 80,000,000 kilocalories. There, where we quote
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or 3.
'the melting of scrap steel has been cited in the present document before proceeding with the additions of scrap, it is understood that we give the term "melting" the meaning of the operation normally carried out in current furnace practice. hearth and consisting in reducing the scrap steel to a very hot compact mass almost in the molten state but of which only a small fraction is actually molten.
This circumstance is desirable if it is effectively desired to reduce the large volume of the cold scrap charge to a hot compact mass so as to allow additional cold charges to be added to it more quickly. The operation of the vertical fuel and oxygen burners can be stopped after the melting of the scrap steel and when the scrap is added to the furnace, since this is the period during which the present invention presents the most difficulty. Interest in improving the thermal efficiency of operations carried out in the hearth furnace.
However, if desired, the vertical burners may continue to be used during the loading of the scrap additions so as to facilitate complete liquefaction of the entire load of cold solids.
It was observed, in contrast to the results obtained with the furnace object of the present invention, that in the same furnace, but without the advantage or the use of the action of the vertical flame provided by the mobile vertical burners to. oxygen and fuel, that by proceeding with 130 hot ones of the same tonnage and including the same materials in the portions indicated, the average time required to transform the scrap steel into a very hot compact mass was four hours and twenty minutes with a loading speed of 39.81 tons per hour, such heating requiring, on average no. the supply of a total quantity of heat equal to
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92,850,000 kcal.
It can thus be seen that the use of the present invention makes it possible, compared to prior standard techniques for the use with recovery of hearth furnaces with the aim of reducing the bulky scrap steel to the desired compact hot mass, '' obtain an increase of the order of 14% in the overall thermal efficiency, with an increase in the rate of loading of scrap steel in the solid state of about 36% which gives rise to an approximately proportional increase in the unit steel production capacity of the furnace.
In practice, the vertical fuel and oxygen burners are generally used in the manner indicated above in conjunction with the end burners, so as to achieve a rapid and effective reduction in the volume of the portion of the total charge constituted. by scrap of steel. The volume of the scrap portion of the load can generally be effectively reduced by the heat of the heavily heated mass of scrap steel and the heat given off by the operation of the end burners, the feed of which can be obtained. be increased during the reduction of the volume occupied by the additions of scrap.
It is, of course, evident that instead of adding the scrap portion of the feed as cold solids, it can be added as hot metal after the reduction operation. the volume of scrap steel as described herein, in which case it would not be necessary to continue to operate the vertical burners when this hot metal is loaded on the hearth,
Although the yields obtained by rapidly reducing the volume of scrap steel have been discussed above when using the vertical burners in the manner described, mobile burners have an advantage.
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additional,
that is, they can be moved along the length of the furnace away from the flame of the lit end burners for a given period of the recovery cycle, thereby reducing flame disturbance vertical contact with the load to the path and behavior of the flame of the end burners.
In addition, by simultaneously moving the linings 104 and the vertical fuel and oxygen burners associated with them, the openings of the rectangular ignition ports through which these burners pass are permanently covered so as to limit losses. heat by these and prevent upward drafts through them and the resulting erosion and flame distortion, while protecting the equipment moving over- above the oven vault.
Although the present invention has been described with reference to a hearth furnace having three charging ports and three vertical oxygen and fuel burners, it is obvious that their number can be varied depending on the dimensions of the furnace. oven and the length of the load placed on the hearth that it is desired to submit to the direct action of the vertical flame. It is also obvious that the operator can regulate the operation of the vertical oxygen and fuel burners, by turning off one or more of these burners or by adjusting the flow rates of oxygen and fuel supplying one or more of them. these burners so as to regulate the amount of heat they provide to the load.
The movement and operation of the vertical burners is generally controlled by the operator after visual inspection of the melt through the loading ports when additional amounts of material are added to the load on the melting hearth. although, in actual practice, the vertical burners are moved to one side or the other while
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instant during a loading operation following the discharge direction of the loading spoons in the oven.
By the use of the invention, the thermal efficiency of the period corresponding to the melting of the hearth furnace is considerably increased, which leads to a reduction in the duration of the melting operation without wear or erosion. excessive tension of the refractory linings of the furnace, which results in an increase in the production of the furnace, while achieving overall cost savings. Although the present invention has been described herein with reference to a hearth furnace, and, more particularly to a recovery furnace,
it should be obvious that the present invention is applicable to any hearth melting process in which one or more of the mobile burners can be positioned so as to bring the zone of action of the vertical flame directly onto mass of solids and in which the movable burner can be maneuvered so as to take it to predetermined positions with a view to selectively moving the action zone of the flame thereof over different portions of the load of solids, to obtain a rapid and effective reduction of the volume of the latter,
It should also be noted that when more than one vertical burner is used,
it may be advantageous to act on each burner in isolation so as to selectively determine the zone of action of its flame on the load of solids instead of acting on all these burners at the same time. In this case, each trolley can be connected individually to a mechanism controlling its movement, or it is possible to associate / operate the trolleys at the same time so as to achieve a combination determined in advance, Or represented as follows in figure 6 a connecting mechanism which can be used to independently move one of the
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others on:
i various carriages, ci, to move different combinations of this-3 carriages, or simultaneously move them all.
As seen in figure 6, we use three mobile carriages 112, 114 and 116 as
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in the embodiment of Figures 1 and in this embodiment, the carriage 112 is provided with a bar
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coupling lift dh; p :: ife so as to be connected by a, tensioner to via 1? 0 at the end of the tiga 122 of the piston of a neck mechanism., lnande 1¯4, observing that rod 122. 1'11.:.> :; e 4 through the guide piece 126, the other tie rod 12e of the carriage 13 2 is arranged so as to be connected via the tensioner A screw 130 to the tie rod 15 ,? of the carriage 114e, the other coupling bar of which is due to 1IJnulè: you will be connected by the screw tensioner 136 to the tensioner bar3and) ent J8 of the carriage 113.
From marl, the other coupling bar 140 of the llu carriage is designed in such a way that it can be connected by the tensioner screw D, 2 to the rod 144 of the piston of the control mechanism 146, said piston rod 144 being arranged so as to be able to slide in the guide piece 148 In this case, the rod 144 is invariably linked to another bar
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coupling 150,
Maniera mounted to be able to slide gas from the piece 152 attached to the upper portion of the guide piece the other end of the coupling bar 150 being arranged so as to be able to be read again through the screw tensioner 154 at the bar
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& coupling 134 of the carriage 114, The other tie rod 136 of the carriage 114 and thus disposed so as to
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be reflected by means of the screw tensioner 15Ü to the piston rod 158 of a third control assembly 160,
keeping in mind that the
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piston rod 158 is mounted so as to be able to slide inside a guide piece 162 fixed to the upper part of the guide piece 126.
If it is desired, with the embodiment shown in FIG. 6, simultaneously move the carriages 112, 114 and 116 and use two of the control means 124 and 146, then it suffices to act on the screw tensioner. 156 to separate the piston rod 158 from the coupling bar 132, If it is desired to move the carriage 116 separately and move the carriages 112 and 114 together, the screw tensioners 156, 154 and 136 are acted on so as to put them in the uncoupled position while the screw tensioners 120, 130 and 142 remain in the coupling position.
If it is desired to move the carriage 112 in isolation and move the carriages 114 and 116 together, then only the screw tensioners 156 and 130 can be put in the uncoupled position, the other screw tensioners 120, 136, 154 and 142 remaining. in the coupling position as shown. However, if it is desired to move each of the carriages 112, 114 and 116 in isolation, then the screw tensioners 130, 154 and 136 are brought into their uncoupled position with the screw tensioners 120,156 and 142 in the coupling position. whereby the control mechanism 124 regulates the movements of the carriage 112, the control mechanism 160 controls the movements of the carriage 114 while the control mechanism 146 controls the movements of the carriage 116.
The above constitutes a description of the various modes of denoisable interconnections which can be achieved with several mobile carriages in cases where it is desired to move any or all of these mobile carriages in isolation, while at the same time. observing that in order to disconnect the various coupling rods one can either separate them, by unscrewing them, from
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their pivot supports 90 or 92 (see FIG. 4) or lift them by rotating them with a view to fixing them, for example by means of hooks (not shown) to the associated carriage so as not to hinder the desired independent movement.