Procédé de traitement à haute température de substances solides dans un four à cuve. La présente invention est relative à un procédé de traitement -à haute température de substances solides dans un four à. cuve à l'aide de gaz chauds; ce traitement peut pro voquer la simple fusion de la substance char gée dans le four à cuve, de mitraille d'acier, par exemple, ou même la réaction entre elles des substances chargées, suivie de la fusion des produits résultant, des carbures métalli ques, par exemple.
On sait que, dans les procédés de ce genre, on rencontre des difficultés du fait que le revêtement des fours ne peut résister suffi samment, notamment à l'usure mécanique due à la. descente de la, charge et à l'usure chimi que provenant de l'attaque par les corps de la charge ou par celle des gaz chauds, employés pour la. fusion, surtout quand, pour la pro duction de cet gaz chauds, on utilise la com bustion d'un combustible avec de l'air relati vement riche en oxygène. Il en résulte des dépenses relativement élevées de réfection du revêtement du four.
En particulier, lors de la fusion au four à cuve de l'acier, par exemple sous forme de mi traille, aucun revêtement de four, excepté le carbone, ne résiste pratiquement aux hautes températures. Or, pour pouvoir employer le carbone comme revêtement du four, il faut, d'une part, qu'il n'entre en contact ni avec de l'oxygène ni avec de l'acide carbonique, étant donné qu'il est vite oxydé et détruit par ces gaz, :et il faut, d'autre part, qu'il soit protégé contre l'usure mécanique pendant la descente de la charge, parce qu'il est très peu résistant à l'usure mécanique.
Mais, d'autre part, la consommation de combustible est à peu près triplée si le char bon (ou le coke) ne doit être brûlé que sous forme de CO pour que le revêtement de car bone soit protégé contre l'attaque des gaz oxydants.
La présente invention a pour but notam ment de remédier à ces inconvénients. Elle permet entre autres de protéger aussi com plètement que possible le revêtement du four et, dans le cas particulier de l'acier, elle per met l'utilisation d'un revêtement en carbone et d'assurer la :combustion finale du charbon en acide carbonique, tout en évitant l'absorp tion du carbone par la charge.
En outre, on peut, en appliquant le procédé selon l'inven tion, activer la circulation des gaz chauds dans la chambre -de fusion à l'aide d'une cir culation artificielle de gaz, sans que la haute température nécessaire aux gaz chauds et pro duite par la combustion du. combustible avec de l'oxygène à forte teneur ait des consé quences nuisibles dans la chambre de fusion.
Le procédé suivant l'invention, pour le traitement à haute température de substances solides dans un four à cuve à l'aide de gaz chauds est caractérisé en ce que l'on fait arriver ces gaz chauds sous forme -de gaz réducteurs tout autour de la surface exté rieure de la charge :du four située dans la chambre,de fusion et formant une co lonne qui se tient d'elle-même à une certaine @distance :
de la paroi de ladite chambre, pour provoquer 1a fusion de la charge le long de cette surface, et en ce que l'on fait circuler ensuite au moins une partie desdits gaz à travers la hauteur .de la charge située au-dessus .de la chambre de fusion et dans laquelle, par leur chaleur, ils provo quent l'échauffement de la charge au-dessus de la chambre de fusion.
Cet échauffement peut avoir lieu jusqu'à fusion agglomérante de la charge; toutefois, si par sa nature, celle-ci ne édonne pas lieu à une fusion agglomérante, on, peut charger, dans le four à cuve qui est alors :de préfé rence à section carrée, par couches successi ves disposées -de manière .à se croiser, :des, briquettes allongées qui renferment, finement broyées et intimement mélangées, les matiè res premières dans les proportions voulues pour l'obtention -du produit final.
L'invention est également relative à une installation pour la mise en couvre -du procédé, laquelle est caractérisée par un élargissement ,de la cuve formant chambre de fusion et re lié séparément à au moins deux générateurs des gaz chauds.
On voit que, grâce au fait que la charge dans la chambre -de fusion se tient d'elle même, la plus grande partie du revêtement du four se trouve protégée. Toutefois, (dans les endroits dans lesquels s'accumulent les matières fondues et éventuellement les sco ries, on ne peut éviter le contact de telles-ci 'avec le revêtement, mais la surface corres pondante du revêtement est petite et peut être protégée par des mesures -dont on don nera un exemple plus loin.
Dans certains cas, par exemple, le cas particulièrement important .de l'acier, le re vêtement du four ne peut être en pratique que constitué par des briques en carbone; dans ce cas, la combustion -du combustible avec de l'oxygène plus ou moins pur est faite avantageusement de manière que les. gaz de combustion ne contiennent que de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène.
Les :dessins ci-joints illustrent schémati quement et à titre :d'exemple, diverses for mes d'exécution du procédé selon l'invention.
Les fi-. 1 et 2 sont relatives au cas ci- dessus -de la fusion -de l'acier.
Selon la fig. 1, on dispose sur le côté de la cuve a recevant la charge à fondre, 2 à 4 cuves à combustible b qui sont chargées de coke ou @de charbon. Par les tuyères d, on insuffle de l'oxygène plus ou moins pur avec ou sans charbon pulvérisé.
Le combustible brûle en .donnant seule ment CO et éventuellement H2, étant donné que l'acide carbonique et la vapeur d'eau ne peuvent pas subsister au-dessus de 2000 en présence de carbone solide.
Les gaz -de combustion composés de CO et -de HZ circulent dans la chambre de fusion autour 4e la colonne .de la matière à fondre et la portent à fusion sur la surface exté rieure. Quand la fusion a progressé jusqu'à ce que la colonne ne puisse plus supporter le poids delamatière à fondre située au-dessus de la zone de fusion, la colonne est refoulée par cette matière et le processus de fusion recom mence sur la matière ,descendue.
Pour assurer la formation -d'une colonne -de matière à fondre se maintenant d'elle- même au-dessous de la cuve de chargement proprement dite, c'est-à-dire dans la chambre de fusion élargie, la matière à. fondre est sou mise à l'extrémité inférieure -de la cuve a à un commencement .de fusion a-gloméran-te, de façon qu'elle se soit suffisamment soudée pour que la colonne se maintienne d'elle- même lorsqu'elle descend dans la chambre de fusion élargie.
Dans ce but, et aussi pour obtenir une combustion aussi complète que possible en <B>CO'</B> et H20, on insuffle par g de l'air secon daire éventuellement enrichi en oxygène, à l'aide duquel le CO, montant de la chambre de fusion dans la cuve a, est brûlé en COZ', soit complètement, soit partiellement, selon les besoins.
On peut ainsi garnir la chambre de fu sion d'un revêtement non fusible, par exem ple en carbone; cela n'est possible que parce que le revêtement n'est pas exposé à une ac tion oxydante ou à une usure provoquée par la descente de la charge.
En outre, lors -de la fusion de mitraille d'acier dans le four, l'acier liquide collecté à la base .du four absorberait -du carbone -du re vêtement et détruirait celui-ci, ce qui doit être évité. A cet effet, la rigole collectrice h, dans laquelle on recueille l'acier liquide, est donc recouverte avec du graphite qui ne passe que très difficilement en solution dans. l'acier, tandis que les autres parties .du re vêtement dans la chambre de fusion et dans la zone de combustion des cuves de combus tion sont constituées par des briques de car bone bien moins chères.
Il faut faire en sorte*que le socle puisse résister à la pression du grand poids -de la colonne de matière à fondre. Aucun des ma tériaux réfractaires ne peut être utilisé, étant donné qu'aucun d'eux ne résiste suffisam ment à la compression, à ces hautes tempé ratures. Pour cette raison, on emploie comme support, .du fer qui est refroidi par de l'eau pour le protéger contre le ramollissement et la fusion.
Le socle de support k se compose donc d'un certain nombre de barres épaisses en acier d'environ 100 mm de diamètre, dont la moitié inférieure est constamment baignée par l'eau de refroidissement. L'espace entre les barres est .damé avec -du graphite.
Sur ce socle en barres d'acier, la colonne de matière à fondre ne peut pas entrer en fu sion et il se forme sur lui un noyau solide f. Immédiatement au-dessus du socle, la tem pérature est par exemple de 400-500'; à une hauteur de 250 mm, elle est déjà -de 800-100,0' .et à 500 mm, on atteint la tem p6rature de fusion.
Le procédé -décrit ci-dessus suffit pour la simple fusion des métaux -et -des minerais quand il faut, pour le :chauffage préalable de la matière à fondre jusqu'à la tempéra ture -de soudage ou d'agglomération, c'est-à- dire dans la cuve, une quantité de chaleur égale ou plus grande que dans la chambre de fusion pour la fusion proprement .dite, car on peut utiliser ici complètement la chaleur sen sible des gaz chauds sortant de la chambre de fusion pour le chauffage préalable de la matière à fondre;
dans certains cas, cette cha leur est insuffisante, de sorte qu'elle doit être complétée en brûlant avec -de l'air seeondaime le CO et l'hydrogène des gaz qui s'échappent dans la cuve.
Toutefois, ce mode simple d'exécution du procédé a l'inconvénient que la circulation des gaz peut éventuellement être insuffisante dans la chambre -de fusion, car la quantité de gaz circulant dans la chambre de fusion est amenée à une température très élevée, grâce à l'élimination d'une grande partie de l'azote, mais, de ce fait, elle se trouve aussi très réduite.
Une fusion rapide de la colonne de ma tière à fondre suppose une circulation très ac tive des gaz, qui doit avoir lieu de préfé rence transversalement à la colonne verticale -de matière à fondre.
On réalise de préférence cette circulation très active des gaz en faisant parcourir à ces gaz, en dehors de la chambre de fusion, un cycle où ils rencontrent .des régénérateurs de chaleur. La fig. 2 représente schématiquement une installation avec cette circulation en cycle. Elle se compose de deux régénérateurs de chaleur A.' et.
A" remplis, par exemple, avec du combustible, de la cuve B chargée avec la matière à fondre, ou avec la, matière à fondre et à réduire, de la chambre de fusion S, dans laquelle la charge -de la cuve B est fondue, ou en même temps réduite comme c'est le cas lors de la production de carbures ou d'autres composés.
Par les tuyères d, on amène de l'oxygène contenant aussi peu d'azote que possible; quant au ventilateur e, il a pour but de pro voquer une circulation en cycle de gaz allant d'un régénérateur à l'autre en traversant la chambre de fusion. Polir cela, alternative ment, on aspire le gaz d'un régénérateur et on l'insuffle par l'autre régénérateur dans la zone de fusion et de réduction, .d'où il est as piré en même temps à travers le premier ré générateur.
Après quelques minutes @de souf flage, on inverse la direction -du courant ga zeux à l'aide -des vannes d'inversion<I>le'</I> et<I>7e"</I> et on aspire le gaz "par le régénérateur dans lequel il a été insufflé auparavant.
De cette manière, on souffle le gaz conti nuellement à travers la chambre de fusion (et verticalement par les régénérateurs) et cela pendant quelques minutes -de gauche à droite et ensuite, pendant la même :durée, de droite à gauche.
En circulant de bas en haut dans un ré générateur, le gaz cède sa chaleur au com bustible de ce régénérateur et en passant de haut en bas dans l'autre régénérateur, il prend au contraire -de la chaleur au combus tible dudit régénérateur. Le ventilateur e aspire donc seulement du gaz suffisamment refroidi pour qu'il puisse fonctionner, étant donné que la température du charbon des ré générateurs. diminue de bas en haut; à l'ex trémité supérieure, elle peut être constam ment d'environ 20-30 , tandis qu'à l'extré mité inférieure, elle peut s'élever, suivant la température .de fusion nécessaire, jusqu'à 1.500-2500<B>0</B>.
Avant de pénétrer dans le ventilateur, le gaz du cycle passe à travers un réfrigérant à ruissellement non représenté sur le dessin, pour que les régénérateurs ne puissent pas s'échauffer à leurs extrémités supérieures au dessus de la température de l'eau de refroi dissement.
Etant donné que :dans cette forme d'exé cution -du procédé on insuffle continuelle ment dans la chambre de fusion une quantité aussi grande que l'on veut de gaz, tandis que pendant la combustion .du combustible avec de l'oxygène pauvre en azote, il ne se forme additionnellement qu'une petite quantité .de gaz à température très élevée, cette petite quantité de gaz se mélange au moment de sa formation -avec la quantité en général trois à six fois plus grande des gaz du cycle et par suite on peut maintenir la température du mélange gazeux à la valeur voulue et ré duire les pertes .de chaleur dans la chambre de fusion à un degré admissible.
En parcourant la chambre de fusion, le gaz cède continuellement sa chaleur à la ma tière à fondre. Cette chaleur consommée au- dessus de la température de fusion -doit être constamment remplacée. On obtient ce résul tat en brûlant le charbon des régénérateurs en CO à l'aide d'oxygène insufflé par les tuyères d et renfermant aussi peu .d'azote que possible. Le coke convient le mieux comme combustible de remplissage pour les régénérateurs.
Mais comme le coke est plus cher que le charbon, il est préférable de fournir la cha leur nécessaire principalement avec du char bon pulvérisé ou du charbon menu. Celui- ci -est introduit ' par -des tuyères, par exemple, par celles par lesquelles on insuffle l'oxygène. Mais il faut toujours brûler aussi une certaine quantité minimum du coke des régénérateurs, car sinon ceux-ci s'obstrueraient à la longue par suite :de la poussière conte nue dans le gaz non purifié circulant en cycle.
Cette fraction de coke brûlé est remplacée ensuite par le haut. On peut aussi charger les régénérateurs avec de la houille ou de lignite, mais dans ce cas, il faut les souffler à chaud jusqu'à<B>300'</B> à leurs extrémités supérieures pour éliminer le goudron par vaporisation. Les tuyères doubles peuvent alors être sup primées.
Une partie des gaz qui circulent et qui forme une partie de la quantité -de gaz pro duite par la combustion du charbon est éva cuée à l'extérieur en haut des régénérateurs <I>A'</I> et<I>A"</I> en i après avoir cédé sa chaleur au combustible chargé dans un des régénéra teurs.
Le reste de ladite quantité des gaz pro duits par la combustion est évacué en t par la partie supérieure de la cuve B après avoir cédé sa chaleur à la charge et l'avoir ainsi chauffée au préalable jusqu'à sa température de fusion. On peut augmenter la quantité de ces gaz, de façon @à porter la matière à la tem pérature de fusion en employant pour la combustion dans les régénérateurs de l'oxy gène mélangé à. une plus grande quantité d'azote.
Si cela est encore insuffisant pour four nir la chaleur nécessaire dans la. cuve, on peut procéder au chauffage préalable de la charge jusqu'au point de fusion à l'aide d'un gaz oxydant (C02), comme cela se fait lors de la fusion de la. mitraille d'acier décrite dans la première partie. Le gaz qui se forme dans ce cas par combustion du carbone en CO et doit sortir par la cuve est brûlé en C02 par une addition d'air; avec la chaleur produite, on chauffe la mitraille d'acier à une tempé rature voisine de celle de fusion.
Pour un grand nombre de processus mé tallurgiques dans le domaine des hautes tem pératures (traitement de minerais) et aussi pour la production de composés minéraux (carbures) ou de combinaisons de métaux et minéraux (ferrosilicium), on ne consomme, pour chauffer la charge jusqu''à la tempéra ture de réaction des substances chargées, qu'une petite partie de la chaleur totale né cessaire, tandis qu'on en consomme une partie bien plus grande à une température supé rieure au point de fusion de la fonte et du laitier, donc au-dessus de 1300 . Quand on fabrique des carbures et du ferrosilicium, cette limite est encore plus élevée et est de 1600 à 2000 .
Quand cette chaleur doit être produite par combustion, au lieu de l'être électriquement, on peut utiliser dans ce but, seulement la quantité qui estdégagée au-dessus de cette température, étant donné que la. chaleur con tenue :dans le gaz d'échappement au-dessous de la température de réduction et de fusion est perdue pour le processus de fusion et de ré duction.
La combustion d'un kg de carbone en CO dégage seulement 2430 calories. Si la com bustion a lieu avec de l'air, la température de combustion théorique est -de<B>16,50',</B> qui s'élève à environ 2450 quand l'air est amené après avoir été chauffé à 800 .
La quantité de chaleur utilisable, par exemple dans la zone de fusion .d'un haut- fourneau, correspond donc à un écart de tem- p6rature de 1650-1300 = 350 ou de 2450-1300 = 1150, c'est-à-dire dans le pre mier cas 350 :1650 et dans le second cas 1150 :2450 soit un cinquième jusqu'à la moi tié de la chaleur totale.
Mais pour obtenir plus d'un cinquième de chaleur utilisable, il faut apporter le supplé ment en échauffant de l'air au préalable.
Par contre, si la combustion a lieu avec de l'oxygène débarrassé d'azote, on obtient une température :de combustion théorique -d'envi ron 8000 , et le rapport entre la chaleur utile et la chaleur consommée est de:
EMI0005.0026
c'est-à-dire environ 4,1,.
Mais dans certains cas (par exemple lors du traitement des minerais) et cela contraire ment à la fusion de la mitraille d'acier, on no peut pas envoyer dans le four à cuve la. totalité du gaz nécessaire au chauffage préa lable et à la température élevée .de la fusion, parce que la charge commencerait déjà à s'ag glomérer par fusion .dans la cuve et qu'elle ne pourrait plus être traversée par les gaz.
Dans ce cas, on peut amener dans la cuve, au-dessus -de la zone (chambre) de fusion, un gaz qui, par son mélange aux gaz montants de l'ouvrage, fournit une température ne per mettant pas :à la charge de s'agglomérer déjà dans la cuve. Cette forme d'exécution du pro cédé est illustrée schématiquement à titre d'exemple en fig. 3.
L'installation supplémentaire nécessaire se compose de deux chambres<I>p'</I> et<I>p"</I> par les quelles on amène dans la cuve une partie du gaz sortant par i des régénérateurs et par t du four à cuve (fig. 2); ce gaz est chauffé jusqu'à environ 1000 -à l'aide d'une flamme d'oxygène ou d'air et de char bon pulvérisé et est introduit de nouveau dans le four à cuve en z' et z", au-dessus de la zone de fusion.
Ce gaz chauffé dans les chambres<I>p'</I> et<I>p" à</I> l000 se mélange ensuite avec du gaz plus chaud montant de la cham bre .de fusion et la température du mélange atteint environ 1100 : Lors du traitement .du minerai, on amène par ce chauffage secondaire, une grande par tie de la chaleur totale nécessaire parce que dans ce cas il faut, par kg -de carbone brûlé dans la zone de fusion, chauffer préalable ment à environ 1100 et réduire partielle ment, par le mélange gazeux, environ .6-8 kg de minerai et de chaux.
Comme il faut, lors du traitement des mi nerais, transformer par tonne de fer au moins 2500 kg de minerai -et de chaux et introduire dans la cuve à minerai, par kg de charge, au moins 1,2-5 kg de gaz chaud, soit 3000 kg par tonne de fer, pour chauffer préalablement la charge à 1100 et pour réduire le minerai, tandis que dans la marche avec de l'oxygène à 45 /o , par exemple, il peut monter de la chambre ide fusion dans la cuve, tout au plus 1500 kg de gaz par tonne de fer, il s'ensuit que, pour obtenir dans la cuve un mélange gazeux d'environ 3000 kg à la température de<B>1100',
</B> il faut amener dans cette cuve 1500 kg de gaz qui sont préalablement chauf fés à environ 800 .dans les chambres<I>p'</I> et<I>p".</I>
Si le minerai et l'addition calcaire sont briquetés ensemble après concassage préalable et rendus ainsi aptes à une réduction très poussée par le C0, la chaleur nécessaire dans la chambre de fusion -est réduite à la fusion des 2500 kg de la charge, à la compensation des pertes de chaleur dans la chambre de fu sion et dans la chambre -de combustion du four, à la réduction complémentaire du minerai dans le cas où la réduction n'est pas assez parfaite dans la cuve.
Cette chaleur corres pond à une consommation d'environ 500 à <B>600</B> kg de coke et de charbon pulvérisé par tonne de fer; il faut ajouter à cette consom mation la quantité de charbon pulvérisé né cessaire dans les chambres <I>p'</I> et<I>p"</I> pour le chauffage à<B>800'</B> -du gaz réducteur pour la réduction des briquettes de minerai, soit en viron 300-400 kg.
Le besoin total de 800-1000 kg de com bustible, ià 7000 calories de pouvoir calorifi que, peut donc être fourni ici pour û/, à. 4;/ ri, par le charbon pulvérisé bon marché et pour \/@ à 1/, par le coke, suivi nt que le foyer prin cipal fonctionne au coke ou au charbon pul vérisé.
Le charbon ou le colle n'entrent en con tact direct ni avec le minerai ni avec le fer produit et le fer ne peut donc pas absorber du carbone, de sorte que la production directe d'acier à partir de minerai dans ce procédé est rendue possible; le prix de revient est dans ce cas encore plus bas que celui :de la fonte brute obtenue au haut fourneau parce que, dans ce cas, il faut encore ajouter, pour la fabrication de cette fonte du carbone et du silieum (on peut naturellement aussi obtenir de la fonte dans le présent procédé en char geant un peu de coke dans la cuve à minerai).
Comme cela a été indiqué ci-dessus, le procédé de traitement suivant l'invention peut être utilisé en chargeant 1e four à cuve, à sec tion carrée, avec des briquettes allongées, dis posées par couches successives en croix. En effet, dans la fabrication de certains corps, tels que les carbures -de calcium ou de sili cium, on ne peut exécuter le procédé de fu sion et de réaction entre elles des matières de la charge simplement en chargeant séparé ment dans le four à cuve les matières pre mières (chaux ou calcaire et charbon, ou bien silice et charbon), parce que l'on ne peut ob- tenir que les proportions du mélange de chaux et de charbon ou du mélange de silice et de charbon demeurent toujours constantes,
ce qui est une condition nécessaire pour une formation parfaite des carbures. De plus, la. chaux ou la silice fondrait seule et ne se com binerait qu'ensuite avec le charbon; il fau drait alors maintenir constamment -dans la chambre de fusion, sous forme d'un bain de réaction, une assez grande quantité de ma tières premières liquides, ce qui est .à éviter, parce que la chaux ou la silice liquide non combinée attaquerait le revêtement du four si celui-ci ea en carbone même sous forme de graphite et détruirait finalement ce revête ment.
De plus, à l'inverse des charges qui con tiennent du fer, les briquettes fabriquées seu lement avec des composés minéraux n'ont pas en général la propriété de faciliter, par fu sion agglomérante, la formation d'une colonne stable qui puisse se maintenir d'elle-même dans la chambre de fusion sans s'appuyer la téralement sur le revêtement du four.
Les briquettes utilisées ont une longueur au moins double de la largeur et peuvent aussi être mises sous forme de barres dont la. longueur correspond à la longueur du côté du four à section carrée ou à la moitié de cette longueur.
Enfin, on fera remarquer que, dans la fa brication de corps obtenus à l'état fondu tels que le carbure de calcium ou le carbure de si licium, la réduction de la chaux ou de la si lice par le charbon ne se produit qu'à une température supérieure à 2000 : la chaleur sensible contenue, au-dessous de cette tempé rature, dans :les gaz sortant de la chambre de fusion et de réduction n'est utilisée que pour une partie relativement faible pour le chauf fage préalable, à la température de réduc tion, des matières premières.
C'est ainsi que pour produire 1 kg de carbure de calcium, on dépense 7500 calories dont 4000 sont utilisées pour la réduction ,de la chaux par le charbon et seulement 1500 calories pour le chauffage préalable des ma- Hères premières du carbure de calcium, .de sorte que 2000 calories restent disponibles.
On utilise cette quantité de chaleur pour produire, dans l'installation précédemment décrite, du gaz à l'eau qui est recueilli et utilisé, par exemple, comme gaz combustible dans des moteurs. A cet effet, on introduit de la vapeur d'eau alternativement par le haut des régénérateurs qui ont été traversés aupa ravant de bas en haut par la partie des gaz provenant de la chambre de réduction -et de fusion qui ne sert pas au chauffage préalable des matières premières.
Les gaz à haute température (2000 envi ron) provenant de la chambre de réduction et de fusion cèdent donc leur chaleur au char bon dans les cuves à combustible <I>A'</I> et<I>A"</I> (fig. 2) et leur température à la sortie du haut de ces cuves peut être abaissée jusqu'à environ 300 : cette température est ramenée ensuite, avant leur entrée dans le ventilateur qui les renvoie de haut en bas .dans la deuxième cuve à combustible pour les faire circuler en cycle, -à l'aide d'un réfrigérant à ruissellement (non figuré) comme dans le cas précédemment décrit de la circulation en cy cle de gaz à l'aide d'un ventilateur.
La vapeur d'eau, introduite en m dans le circuit des gaz circulant en cycle, passe alter nativement dans les cuves à combustible A' et A", suivant la. position des vannes d'inver sion<I>k'</I> et<I>k"</I> qui règlent le sens .de -circula tion du gaz du cycle. La vapeur d'eau, en traversant les colonnes de combustible des cuves<I>A'</I> ou<I>A",</I> préalablement chauffées par le passage de bas en haut des gaz chauds pro venant de la chambre de fusion, s'échauffe d'abord au contact du charbon incandescent à 800-1000 , puis elle est décomposée en hy drogène -et oxygène et l'oxygène devenu libre gazéifie une partie du combustible pour for mer de l'oxyde de carbone;
le mélange d'hy drogène -et d'oxyde de carbone ainsi produit s'ajoute aux gaz du cycle, traverse avec .eux la zone de fusion, puis l'autre cuve à combus tible de bas en haut, en cédant sa chaleur sen sible à ce combustible; il est ensuite recueilli en % avec da partie de gaz produite par la combustion alternative du combustible au bas des cuves par l'oxygène insufflé par les tuyères d. Une autre partie de ce gaz monte dans la cuve B renfermant les matières premières pour les chauffer jusqu'à la température de réduction et de fusion et s'échappe ensuite par t.
Process for the high-temperature treatment of solid substances in a shaft furnace. The present invention relates to a high-temperature treatment process for solid substances in an oven. tank using hot gases; this treatment can cause the simple melting of the charged substance in the shaft furnace, steel scrap, for example, or even the reaction of the charged substances with each other, followed by the melting of the resulting products, the metallic carbides , for example.
It is known that, in processes of this type, one encounters difficulties owing to the fact that the coating of the furnaces cannot resist sufficiently, in particular to the mechanical wear due to the. descent of the load and chemical wear resulting from the attack by the bodies of the load or by that of the hot gases used for the. fusion, especially when, for the production of this hot gas, the combustion of a fuel with air relatively rich in oxygen is used. This results in relatively high costs for repairing the lining of the furnace.
In particular, during the melting in a shaft furnace of steel, for example in the form of a millstone, no furnace coating, except carbon, practically withstands high temperatures. However, in order to be able to use carbon as the coating of the furnace, it is necessary, on the one hand, that it does not come into contact with either oxygen or carbonic acid, since it is quickly oxidized. and destroyed by these gases, and it must, on the other hand, be protected against mechanical wear during the descent of the load, because it is not very resistant to mechanical wear.
But, on the other hand, fuel consumption is roughly tripled if the char (or coke) is only to be burned as CO in order for the carbon coating to be protected against attack by oxidizing gases. .
The object of the present invention is in particular to remedy these drawbacks. Among other things, it makes it possible to protect the furnace lining as completely as possible and, in the particular case of steel, it allows the use of a carbon lining and ensures the: final combustion of the carbon into acid carbonic, while avoiding carbon absorption by the load.
In addition, it is possible, by applying the process according to the invention, to activate the circulation of hot gases in the melting chamber by means of artificial gas circulation, without the high temperature required for the hot gases. and produced by the combustion of. fuel with high oxygen content has detrimental consequences in the melting chamber.
The process according to the invention for the high temperature treatment of solid substances in a shaft furnace using hot gases is characterized in that these hot gases are made to arrive in the form of reducing gases all around the external surface of the load: of the furnace located in the melting chamber and forming a column which stands by itself at a certain distance:
of the wall of said chamber, to cause the charge to melt along this surface, and in that at least a part of said gases is then circulated through the height of the charge above it. the melting chamber and in which, by their heat, they cause the heating of the charge above the melting chamber.
This heating can take place until the agglomerating melting of the charge; however, if by its nature this does not give rise to an agglomerating melting, it is possible to load, in the shaft furnace which is then: preferably with a square section, in successive layers arranged in a .à manner. to cross,: elongated briquettes which contain, finely crushed and intimately mixed, the raw materials in the proportions desired for obtaining -du final product.
The invention also relates to an installation for covering the process, which is characterized by an enlargement of the vessel forming a melting chamber and linked separately to at least two hot gas generators.
It can be seen that, thanks to the fact that the charge in the melting chamber is held by itself, most of the lining of the furnace is protected. However, (in places where molten materials and possibly sawn timber accumulate, contact with the coating cannot be avoided, but the corresponding surface area of the coating is small and can be protected by measures - an example of which will be given below.
In certain cases, for example, the particularly important case of steel, the furnace coating can in practice only be constituted by carbon bricks; in this case, the combustion -du fuel with more or less pure oxygen is advantageously done so that the. Combustion gases contain only carbon monoxide and hydrogen.
The accompanying drawings illustrate schematically and by way of example, various embodiments of the method according to the invention.
The fi-. 1 and 2 relate to the above case of melting steel.
According to fig. 1, there are placed on the side of the vessel a receiving the charge to be melted, 2 to 4 fuel tanks b which are loaded with coke or carbon. Through the nozzles d, more or less pure oxygen is blown with or without pulverized carbon.
The fuel burns giving only CO and possibly H2, as carbonic acid and water vapor cannot remain above 2000 in the presence of solid carbon.
The combustion gases composed of CO and HZ circulate in the melting chamber around the column of the material to be melted and bring it to fusion on the outer surface. When the melting has progressed until the column can no longer support the weight of the material to be melted located above the melting zone, the column is pushed back by this material and the melting process begins again on the material, lowered .
To ensure the formation of a column of material to be melted maintaining itself below the actual loading tank, that is to say in the enlarged melting chamber, the material to. melting is placed at the lower end of the vessel a at a beginning of melting a-glomeran-te, so that it has welded sufficiently so that the column maintains itself as it descends in the enlarged fusion chamber.
For this purpose, and also to obtain as complete combustion as possible of <B> CO '</B> and H20, secondary air is blown in with g, possibly enriched with oxygen, with the aid of which the CO, amount of the melting chamber in the tank a, is burned in COZ ', either completely or partially, as required.
It is thus possible to furnish the fusion chamber with a non-fusible coating, for example made of carbon; this is only possible because the coating is not exposed to oxidative action or to wear caused by the descent of the load.
Further, upon melting steel scrap in the furnace, the liquid steel collected at the base of the furnace would absorb carbon from the garment and destroy it, which should be avoided. For this purpose, the collecting channel h, in which the liquid steel is collected, is therefore covered with graphite which passes only with great difficulty in solution in. steel, while the other parts of the coating in the melting chamber and in the combustion zone of the combustion vessels are made of much cheaper carbon bricks.
It is necessary to ensure * that the base can withstand the pressure of the great weight of the column of material to be melted. None of the refractory materials can be used, since none of them is sufficiently resistant to compression at these high temperatures. For this reason, iron which is cooled with water is used as the carrier to protect it against softening and melting.
The support base k therefore consists of a number of thick steel bars of about 100 mm in diameter, the lower half of which is constantly bathed in the cooling water. The space between the bars is finished with graphite.
On this base made of steel bars, the column of material to be melted cannot melt and a solid core forms on it f. Immediately above the plinth, the temperature is for example 400-500 '; at a height of 250 mm, it is already 800-100.0 '. and at 500 mm, the melting temperature is reached.
The process - described above is sufficient for the simple melting of metals - and - ores when necessary, for the: prior heating of the material to be melted up to the welding or agglomeration temperature, this is that is to say in the vessel, an amount of heat equal to or greater than in the melting chamber for the actual melting, since the sensible heat of the hot gases leaving the melting chamber can be fully utilized here for the preheating the material to be melted;
in some cases, this heat is insufficient, so that it must be supplemented by burning with -direct air like the CO and hydrogen gases which escape into the tank.
However, this simple method of carrying out the process has the drawback that the circulation of gases may possibly be insufficient in the melting chamber, since the quantity of gas circulating in the melting chamber is brought to a very high temperature, thanks to removal of a large part of the nitrogen, but, therefore, it is also very reduced.
Rapid melting of the column of material to be melted presupposes a very active circulation of the gases, which should preferably take place transversely to the vertical column of material to be melted.
This very active circulation of the gases is preferably carried out by causing these gases to travel, outside the melting chamber, a cycle in which they encounter heat regenerators. Fig. 2 schematically represents an installation with this circulation in cycle. It consists of two heat regenerators A. ' and.
A "filled, for example, with fuel, from the vessel B charged with the material to be melted, or with the material to be melted and reduced, from the melting chamber S, in which the charge from the vessel B is melted, or at the same time reduced as is the case in the production of carbides or other compounds.
Oxygen containing as little nitrogen as possible is brought in through the nozzles d; as for the fan e, its purpose is to provoke a circulation in a gas cycle going from one regenerator to another, passing through the melting chamber. Polishing this, alternatively, suck the gas from one regenerator and blast it through the other regenerator into the melting and reduction zone, from where it is sucked at the same time through the first regenerator .
After a few minutes @of blowing, the direction of the gas current is reversed using the <I> le '</I> and <I> 7e "</I> reversing valves and the gas "by the regenerator into which it was previously blown.
In this way, the gas is blown continuously through the fusion chamber (and vertically by the regenerators) and this for a few minutes - from left to right and then, for the same duration, from right to left.
By circulating from the bottom up in a regenerator, the gas gives up its heat to the fuel of this regenerator and while passing from top to bottom in the other regenerator, it takes on the contrary heat from the fuel of said regenerator. The fan e therefore only sucks in sufficiently cooled gas for it to operate, given the temperature of the coal of the regenerators. decreases from bottom to top; at the upper end it can be constantly about 20-30, while at the lower end it can rise, depending on the necessary melting temperature, up to 1,500-2,500 < B> 0 </B>.
Before entering the fan, the cycle gas passes through a trickle coolant not shown in the drawing, so that the regenerators cannot heat up at their upper ends above the temperature of the cooling water. .
Since: in this form of execution of the process, as large a quantity of gas as is desired is continuously blown into the melting chamber, while during the combustion of the fuel with lean oxygen nitrogen, there is additionally formed only a small quantity of gas at very high temperature, this small quantity of gas mixes at the time of its formation - with the quantity generally three to six times greater of the gases of the cycle and by As a result, the temperature of the gas mixture can be maintained at the desired value and the heat loss in the melting chamber can be reduced to an acceptable degree.
As it travels through the melting chamber, the gas continually gives up its heat to the material to be melted. This heat consumed above the melting temperature must be constantly replaced. This is obtained by burning the carbon from the CO regenerators with the aid of oxygen blown through the tuyeres d and containing as little nitrogen as possible. Coke is best suited as a filler fuel for regenerators.
But since coke is more expensive than coal, it is preferable to supply the necessary heat mainly with good pulverized tank or small coal. This is introduced through nozzles, for example, through those through which oxygen is blown. But a certain minimum quantity of coke from the regenerators must always be burnt, because otherwise they would clog up over time as a result: dust contained in the unpurified gas circulating in the cycle.
This fraction of burnt coke is then replaced by the top. The regenerators can also be charged with hard coal or lignite, but in this case they must be hot blown up to <B> 300 '</B> at their upper ends to remove the tar by spraying. Double nozzles can then be removed.
A part of the gases which circulate and which form part of the quantity of gas produced by the combustion of the coal is evacuated outside at the top of the regenerators <I> A '</I> and <I> A " </I> in i after having transferred its heat to the fuel loaded in one of the regenerators.
The remainder of said quantity of gases produced by combustion is discharged at t through the upper part of vessel B after having given up its heat to the load and thus having previously heated it to its melting temperature. The quantity of these gases can be increased so as to bring the material to the melting temperature by employing for combustion in the regenerators of oxygen mixed with. more nitrogen.
If this is still insufficient to provide the necessary heat in the. tank, it is possible to preheat the feed to the melting point using an oxidizing gas (C02), as is done during the melting of the. steel scrap described in the first part. The gas which is formed in this case by combustion of carbon to CO and must exit through the tank is burned to CO 2 by the addition of air; with the heat produced, the steel scrap is heated to a temperature close to that of fusion.
For a large number of metallurgical processes in the field of high temperatures (treatment of ores) and also for the production of mineral compounds (carbides) or combinations of metals and minerals (ferrosilicon), we do not consume, to heat the load up to the reaction temperature of the charged substances, only a small part of the total heat needed, while a much larger part is consumed at a temperature above the melting point of cast iron and slag, so above 1300. When making carbides and ferrosilicon, this limit is even higher and is 1600 to 2000.
When this heat is to be produced by combustion, instead of being electrically, one can use for this purpose only the quantity which is released above this temperature, since the. heat retained: in the exhaust gas below the reduction and melting temperature is lost to the process of melting and reduction.
Burning one kg of carbon as CO releases only 2430 calories. If the combustion takes place with air, the theoretical combustion temperature is <B> 16.50 ', </B> which rises to about 2450 when the air is brought in after being heated to 800.
The quantity of heat that can be used, for example in the melting zone of a blast furnace, therefore corresponds to a temperature difference of 1650-1300 = 350 or of 2450-1300 = 1150, that is to say say in the first case 350: 1650 and in the second case 1150: 2450 or a fifth up to half of the total heat.
But to obtain more than a fifth of usable heat, the supplement must be made by heating the air beforehand.
On the other hand, if the combustion takes place with oxygen freed from nitrogen, we obtain a theoretical combustion temperature of about 8000, and the ratio between the useful heat and the heat consumed is:
EMI0005.0026
that is to say about 4.1 ,.
But in certain cases (for example during the treatment of ores) and this contrary to the melting of the steel scrap, one cannot send in the shaft furnace. all of the gas required for the pre-heating and the high temperature .de fusion, because the charge would already begin to agglomerate by fusion .in the vessel and it could no longer be crossed by the gases.
In this case, it is possible to bring into the vessel, above the melting zone (chamber), a gas which, by its mixture with the rising gases of the structure, provides a temperature which does not allow: to agglomerate already in the tank. This embodiment of the process is illustrated schematically by way of example in FIG. 3.
The additional installation required is made up of two chambers <I> p '</I> and <I> p "</I> through which part of the gas leaving the regenerators and t is brought into the tank. shaft furnace (fig. 2); this gas is heated to about 1000 - with the aid of a flame of oxygen or air and pulverized good char and is introduced again into the shaft furnace in z 'and z ", above the fusion zone.
This gas heated in the <I> p '</I> and <I> p "at </I> l000 chambers then mixes with hotter gas rising from the melting chamber and the temperature of the mixture reaches approximately 1100: During the treatment of the ore, one brings by this secondary heating, a large part of the total heat necessary because in this case it is necessary, per kg of carbon burned in the melting zone, to first heat to approximately 1100 and partially reduce, by the gas mixture, about .6-8 kg of ore and lime.
As it is necessary, during the treatment of minerals, transform per tonne of iron at least 2500 kg of ore -and lime and introduce into the ore tank, per kg of load, at least 1.2-5 kg of hot gas , that is 3000 kg per ton of iron, to preheat the load to 1100 and to reduce the ore, while in the march with oxygen at 45 / o, for example, it can rise from the ide fusion chamber in the tank, at most 1500 kg of gas per tonne of iron, it follows that, in order to obtain in the tank a gas mixture of about 3000 kg at a temperature of <B> 1100 ',
</B> it is necessary to bring into this tank 1500 kg of gas which are previously heated to about 800. In the <I> p '</I> and <I> p "chambers. </I>
If the ore and the lime addition are briquetted together after preliminary crushing and thus made suitable for a very thorough reduction by the C0, the heat required in the melting chamber is reduced when the 2500 kg of the charge is melted, at the compensation for heat losses in the fusion chamber and in the combustion chamber of the furnace, with additional reduction of the ore in the event that the reduction is not sufficiently perfect in the tank.
This heat corresponds to a consumption of about 500 to <B> 600 </B> kg of coke and pulverized coal per tonne of iron; add to this consumption the quantity of pulverized coal required in the <I> p '</I> and <I> p "</I> chambers for heating to <B> 800' </B> - reducing gas for the reduction of ore briquettes, about 300-400 kg.
The total requirement of 800-1000 kg of fuel, ià 7000 calories of calorific value, can therefore be supplied here for û /, à. 4; / ri, by cheap pulverized charcoal and for \ / @ to 1 /, by coke, followed by whether the main hearth works with coke or pulverized charcoal.
The coal or glue does not come into direct contact with either the ore or the iron produced and therefore the iron cannot absorb carbon, so the direct production of steel from the ore in this process is made possible; the cost price is in this case even lower than that of: raw cast iron obtained in the blast furnace because, in this case, it is still necessary to add, for the manufacture of this cast iron, carbon and silieum (one can naturally also obtaining smelting in the present process by charging a little coke to the ore tank).
As indicated above, the treatment process according to the invention can be used by loading the shaft furnace, square section, with elongated briquettes, arranged in successive cross layers. In fact, in the manufacture of certain bodies, such as calcium or silicon carbides, the process of melting and reacting the materials of the charge with each other cannot be carried out simply by charging separately into the furnace. tank the raw materials (lime or limestone and charcoal, or silica and charcoal), because it is not possible to obtain that the proportions of the mixture of lime and charcoal or of the mixture of silica and charcoal always remain constant ,
which is a necessary condition for a perfect formation of the carbides. In addition, the. lime or silica would melt alone and only then combine with charcoal; it would then be necessary to keep constantly in the melting chamber, in the form of a reaction bath, a fairly large quantity of liquid raw materials, which is to be avoided, because the lime or the uncombined liquid silica would attack the coating of the furnace if this is carbon even in the form of graphite and ultimately destroys this coating.
In addition, unlike fillers which contain iron, briquettes made only with mineral compounds do not generally have the property of facilitating, by agglomerating fusion, the formation of a stable column which can be formed. maintain itself in the melting chamber without resting the terally on the furnace lining.
The briquettes used have a length at least double the width and can also be put in the form of bars including the. length corresponds to the length of the side of the square-section oven or to half of this length.
Finally, it will be pointed out that, in the manufacture of bodies obtained in the molten state, such as calcium carbide or silicon carbide, the reduction of lime or silicon by carbon only occurs. at a temperature above 2000: the sensible heat contained, below this temperature, in: the gases leaving the melting and reduction chamber is only used for a relatively small part for the preliminary heating, to the temperature of reduction, raw materials.
Thus, to produce 1 kg of calcium carbide, 7500 calories are expended, 4000 of which are used for the reduction of lime by charcoal and only 1500 calories for the preliminary heating of the raw materials of calcium carbide, .so that 2000 calories remain available.
This quantity of heat is used to produce, in the installation described above, water gas which is collected and used, for example, as fuel gas in engines. To this end, water vapor is introduced alternately from the top of the regenerators which have previously been passed through from the bottom to the top by the part of the gases coming from the reduction and melting chamber which is not used for preliminary heating. raw material.
The high temperature gases (around 2000) coming from the reduction and melting chamber therefore give up their heat to the tank in the fuel tanks <I> A '</I> and <I> A "</I> (fig. 2) and their temperature at the outlet from the top of these tanks can be lowered to around 300: this temperature is then brought back, before their entry into the fan which returns them from top to bottom. in the second tank to fuel to make them circulate in cycle, using a trickle cooler (not shown) as in the previously described case of gas cycle circulation using a fan.
The water vapor, introduced in m into the gas circuit circulating in the cycle, passes alternately into the fuel tanks A 'and A ", depending on the position of the reversing valves <I> k' </ I > and <I> k "</I> which regulate the direction of the gas circulation of the cycle. The water vapor, passing through the fuel columns of the <I> A '</I> or <I> A "tanks, </I> previously heated by the passage from bottom to top of the hot gases coming from the melting chamber, heats up first on contact with the incandescent carbon to 800-1000, then it is decomposed into hydrogen and oxygen and the oxygen which has become free gasifies part of the fuel to form carbon monoxide ;
the mixture of hydrogen and carbon monoxide thus produced is added to the gases of the cycle, passes with them through the melting zone, then the other fuel tank from bottom to top, releasing its heat to sible to this fuel; it is then collected in% with da part of gas produced by the alternative combustion of the fuel at the bottom of the tanks by the oxygen blown in by the nozzles d. Another part of this gas rises in the tank B containing the raw materials to heat them up to the reduction and melting temperature and then escapes through t.