Procédé pour décarburer des pièces de fonte de fer ou d'alliages de fer contenant du carbone, et installation pour la mise en aeuvre de ce procédé. Dans le brevet N 266703 est décrit et.
revendiqué un procédé pour décarburer au moins partiellement des pièces de fonte de fer ou d'alliages de fer, en traitant ces pièces avec un mélange gazeux à action décarboni- sante, à une température comprise entre 850 et l100 C, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on chauffe lesdites pièces dans un four pratiquement étanche aux gaz, et initialement rempli d'air, en ce qu'on fait circuler les pro duits gazeux résultant de la réaction de l'air avec le carbone contenu dans la fonte, et l'on reconditionne lesdits produits en un endroit non en contact avec les pièces avec une quan tité d'un gaz oxydant telle que le mélange gazeux en contact.
avec les pièces contienne entre 20 et 33 % de CO et entre 0,1 et 8,0 % de C0<B><U>,</U></B> et n'ait qu'une action décarbonisante mais non oxydante sur le métal.
L'application pratique de ce procédé né- cessite l'emploi d'instruments pour mesurer la composition de l'atmosphère gazeuse dé- carbonisante en contact avec la fonte;
ces ins truments sont. équipés de dispositifs élec triques auxiliaires qui fonctionnent. automa tiquement, ouvrent. et ferment les valves à travers lesquelles l'air et,/ou la vapeur recon- ditionnant l'atmosphère sont. admis dans la zone de reconditionnement du four, au cas où la composition de ladite atmosphère sor tirait des limites de composition prévues à n'importe quel stade du cycle de décarboni- sation.
La présente invention concerne un pro cédé pour décarburer des pièces de fonte de fer ou d'alliages de fer contenant du carbone, caractérisé en ce que l'on chauffe les pièces à une température comprise entre 850 et 1100 C dans un four pratiquement étanche aux gaz, le carbone contenu dans les pièces réagissant dans cet.
intervalle de tempéra tures avec l'oxygène initialement présent dans l'atmosphère du four pour produire un mélange gazeux contenant du CO et du C02, on fait circuler le mélange gazeux résultant de la réaction en cir cuit fermé au contact des pièces et évacue du four l'excès clé mélange que l'on brûle au moins en partie et dont on utilise la chaleur de combustion pour produire de la vapeur et l'on introduit une partie au moins de-la vapeur ,si produite dans le circuit.
des gaz dans # ain le four, en un endroit non en contact avec les pièces, en opérant de façon que, après la pé riode de mise en train, la composition du mé lange gazeux qui circule en contact avec les pièces se maintienne automatiquement entre clés limites telles que ledit mélange ait une action décarburante mais non oxydante sur le métal.
De préférence, la quantité de vapeur in troduite dans le circuit des gaz est déterminée de manière que le rapport de la chaleur sen- Bible de la vapeur qui entre dans le four pour reconditionner l'atmosphère à la valeur calo rifique totale du gaz produit par la réaction du carbone contenu dans le métal avec l'atmosphère décarbonisante, ne dépasse pas 171/o.
On peut, au début. de l'opération de recon ditionnement de l'atmosphère, introduire un faible courant d'air concurremment à la. va peur, dans le circuit des gaz pour réduire l'hydrogène contenu dans l'atmosphère du four à la fin du cycle de décarbonisation et, en conséquence, rendre aussi petit que pos sible le risque d'explosion quand la charge est retirée du four.
Quand on emploie un tel courant d'air, le rendement du dispositif fournissant la vapeur doit être réduit, et le débit d'air déterminé de telle façon que, en combinaison avec l'amenée de vapeur, les exigences de reconditionnement vers la fin du cycle de décarbonisation soient satisfaites mais non dépassées. Au début du cycle, le dé bit de ce courant d'air est d'ailleurs très faible par rapport à celui de la vapeur et n'influe guère sur la composition de l'atmo sphère du four. Il est bien entendu qu'on règle, dans ce cas, les proportions relatives d'air et de vapeur, de façon que ladite com position reste dans lesdites limites.
La quan tité d'air qui s'écoule alors est inférieure à celle de la vapeur de reconditionnement qu'il faudrait encore fournir vers la fin du cycle de décarbonisation si l'on n'ajoutait pas d'air à la vapeur.
Avant que l'on commence de chauffer la charge de fonte, l'atmosphère peut être for mée d'air seulement; on peut aussi purger entièrement ou partiellement la chambre de traitement, et l'atmosphère peut contenir de l'oxygène avec de la vapeur, du dioxyde ou du monoxyde de carbone ou un mélange d'un ou plusieurs de ces gaz avec de l'air.
Le dessin schématique annexé est une élévation en .coupe transversale d'un four rempli de fonte et d'un dispositif fournissant de la vapeur qui coopère avec ce four.
Le four représenté comprend une cham bre a formée à l'intérieur d'un bloc calori- luge a', et. une sole b faite en même matière. Autour d'une ouverture recevant la sole située au bas de la chambre est prévu un rebord c qui, quand la sole est en place, pé- riètre dans un caniveau d contenant du sable, ménagé autour de ladite sole.
Le bloc a' est fixé à. demeure, et n'im porte quel dispositif approprié est prévu pour abaisser la sole et la faire sortir de la' cham bre, et pour la remettre en place, de sorte qu'une charge de fonte e peut être introduite et retirée quand la sole est. dans la position abaissée.
A l'intérieur de la chambre, le bloc pré sente plusieurs corps de chauffe f et un venti lateur<I>g</I> qui est porté par un arbre<I>h</I> monté de façon étanche dans le plafond de la chambre.
Le plafond de la chambre présente un pas sage i pour les gaz et un orifice j d'admission de la vapeur et /ou de l'air, le passage i se ter minant au-dessous d'une chaudière k montée à l'extérieur du four. Des moyens automatiques l sont prévus pour maintenir l'eau à un ni veau constant dans la .chaudière.
L'orifice d'admission j débouche, d'une part, dans la chambre du four dans le voi sinage de l'ceil ou centre du ventilateur g et, d'autre part, dans -la chaudière, au=dessus du niveau de l'eau.
Un tuyau nz d'amenée d'air, ayant une branche n, qui débouche aussi dans la chau dière au-dessus du niveau de l'eau, pénètre dans l'embouchure de l'orifice i pour fournir l'air de combustion. La circulation d'air dans le tuyau ni et la branche n peut être con trôlée par les robinets o et p respectivement.
Le ventilateur est construit et entraîné de telle façon qu'il fait circuler l'atmosphère du La charge c est empilée sur la. sole, de façon four dans la direction indiquée par les flèches. que le haut de la charge soit à une certaine distance du ventilateur. Par conséquent, la vapeur et/ou l'air admis dans la. chambre a par l'orifice j ne peuvent pas oxyder la fonte quand cette dernière est. chaude, car cet air et/ou cette vapeur sont intimement mélangés avec l'atmosphère que fait circuler le venti lateur avant d'entrer en contact avec la fonte.
Quand une charge de fonte a été intro duite sur la sole et que cette dernière a été mise en place dans l'ouverture du four, de l'air est amené par le tuyau m et la branche n., le ventilateur est mis en rotation, et la charge est chauffée par les éléments f.
Au commencement. du cycle de décarbo- nisation, la charge de fonte est entourée par l'air à l'intérieur de la chambre a et, quand ladite charge est chauffée, le carbone con tenu dans la fonte réagit avec l'oxygène de l'air pour donner des produits gazeux qui renferment un mélange de CO et de C02 et que le ventilateur fait circuler à l'intérieur de la chambre.
En même temps, tout excès de gaz à l'in térieur de la chambre s'écoule à travers le passage i et est enflammé à l'extrémité ou verte de ce dernier à. l'aide d'un brûleur à veilleuse (non représenté) ; l'eau de la chau dière est chauffée et la vapeur engendrée est mélangée avec l'air passant de la branche n dans la chambre a. dans la région centrale du ventilateur où les gaz ne sont. pas en contact avec la fonte;
l'air, ou le mélange d'air et de vapeur, se mélange avec les produits gazeux qui circulent, de faon à transformer en C09 une partie du CO contenu dans lesdits pro duits, reconditionnant ainsi les produits pour produire une atmosphère qui a. une action décarbonisante mais non oxydante sur la fonte, et qui retourne ensuite vers la fonte et circule à travers elle.
Les chiffres qui suivent sont un exemple type des résultats obtenus en mettant en cnuvre le procédé dans un four chargé d'ap- proximat.ivement cinq tonnes de fonte de fer empilée sur la sole, de façon à permettre aux gaz qui circulent. de pénétrer entre les piles et à travers elles.
Après avoir chargé le four et commencé le chauffage, un courant continu de 1,416 m3 d'air par heure fut amené dans la chambre du four à travers la branche n, la chaudière <I>k</I> et l'orifice d'admission j. Quatre heures après le commencement du cycle de chauffage, l'intérieur de la. chambre du four atteignit une température de 900 C, et un excès suffisant de produits gazeux com bustibles commença à s'écouler par le pas sage i pour leur permettre de s'enflammer à la sortie dudit passage et d'engendrer de la vapeur dans la chaudière.
Deux heures plus tard, la. charge atteignit une température de 1050 C, et la production de gaz, due à la réaction entre le carbone contenu dans la fonte et l'atmosphère du four, fut à son maximum; par conséquent, la vapeur était aussi engendrée dans la chau dière et introduite dans la. chambre au rythme maximum. La teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère en contact avec la fonte, était de 4%; elle était mesurée, sur un échantillon sec, avec un appareil analy tique Orsat.
Dix-huit heures, trente heures et trente huit heures respectivement après le commence ment du cycle de décarbonisa,tion, la teneur en dioxyde de carbone, mesurée avec ledit appareil, était de 8 %, 11% et 9,5 olo;
après trente-huit heures de traitement, la flamme à hextrémité du passage s'éteignit, le chauffage de la charge fut arrêté, l'amenée d'air coupée, et la charge fut laissée refroidir à l'intérieur du four avant d'être retirée.
On notera d'après ].'exemple qui précède que la composition de l'atmosphère, recondi- tionnée en contact avec la fonte, varie de temps en temps au cours du cycle de décarbo- nisation;
en outre, le taux de production des produits gazeux résultant de la réaction entre ladite atmosphère et le carbone contenu dans la fonte et., par conséquent, le volume des produits en excès qui sont évacués du four, varie aussi. Cas variations dans la com position et le volume des produits évacués modifient le rendement du dispositif fournis sant la vapeur, au cours du cycle de décar- bonisation, et ledit dispositif est construit et réglé de telle façon qu'à aucun moment pen dant un cycle il ne dépasse un rendement maximum calculé,
sinon des conditions appa- raîtraient dans le four sous l'action des quelles la fonte s'oxyderait..
Le rendement du dispositif fournissant. la vapeur peut être réglé de bien des faons, par exemple en ne brûlant qu'une partie du volume total des gaz produits en excès, par le degré de combustion de ces gaz, par le taux des échanges de chaleur entre les gaz qui brûlent et le dispositif fournissant la vapeur, en faisant varier les pertes de chaleur dudit dispositif, par la quantité de condensation tolérée dans les tuyaux amenant la vapeur du générateur de vapeur à la zone de recondi- tionnement du four, ou en éliminant une proportion déterminée de la vapeur engen drée;
dans la pratique, cependant, le rende ment est d'ordinaire fixé avant le commence ment du premier cycle de décarbonisation dans un four particulier, en réglant à la main l'air qui est mélangé avec les produits évacués devant être brûlés et, automatique ment pendant que se déroule chaque cycle, par la variation du taux des échanges de cha leur avec le dispositif fournissant la vapeur, résultant des changements graduels du vo lume des produits gazeux qui sont évacués du four au cours du cycle.
Par rendement du dispositif fournis sant la vapeur, il faut entendre ici le rapport de la chaleur sensible de la vapeur qui entre dans le four pour reconditionner l'atmosphère (elle est distincte de la vapeur réellement. en gendrée, dont une partie peut se condenser et retourner au dispositif fournissant la vapeur, ou peut aussi être évacuée au dehors) à la va leur calorifique totale du gaz produit par la réaction du carbone contenu dans la fonte avec l'atmosphère décarbonisante.
Le rendement désiré d'un dispositif parti culier fournissant la vapeur peut être réglé empiriquement en faisant varier un ou plu sieurs des facteurs mentionnés plus haut. Ce pendant, quand on a obtenu une fois ce rendement désiré, le dispositif fonctionne de façon autoréglante pour n'importe quelle charge de fonte pouvant être introduite dans la zone de traitement,du four, et pour n'im porte quelle température de traitement.
Il est entendu que le dispositif n'est pas suffisamment autoréglant pour maintenir exactement uniforme la composition de l'atmosphère déea.rbonisante pendant. tout le cycle, ou pour conserver exactement linéaire la relation entre le volume de la vapeur en gendrée et la quantité de carbone enlevé de la fonte.
Cependant, le dispositif est auto- réglant entre des limites assez serrées pour des buts pratiques, en ce sens qu'il maintient la composition de l'atmosphère en contact avec la fonte entre les limites nécessaires pour assurer la décarbonisation sans oxydation simultanée de la fonte à toits les stades de chaque cycle de traitement.
Pour mieux faire comprendre le sens de l'expression autoréglage , on peut consi dérer les réactions de décarbonisation qui ont lieu et les volumes relatifs de la vapeur four nie dans la zone de reconditionnement et des gaz résultants produits.
Comme dit plus haut, dans les stades ini tiaux du processus, le carbone contenu dans la fonte réagit avec l'oxygène de l'air dans le four étanche ou sensiblement étanche aux gaz, et produit du CO et du C02; le mélange des gaz en excès, évacué du four, est brûlé à la sortie du passage i pour engendrer de la vapeur dans la chaudière h.. Si l'on suppose maintenant que la charge de fonte est traitée à 1050 C et que, de la vapeur totale qui est engendrée à, un stade particulier du cycle, 2,832 m3 par heure sont. amenés dans la chambre a par l'orifice j,
les réactions de dé- carbonisation sont les suivantes:
EMI0004.0039
EMI0004.0040
Le rapport CO/CO2 désiré dans le mé lange des gaz résultants dans la zone de traitement pour que ledit mélange présente la puissance décarbonisante maximum, tout en restant non oxydant pour la. fonte, est d'envi ron 3:1 et, par suite, la réaction (1) doit prédominer sur la réaction (2) également dans le rapport 3:1.
En outre, une certaine quantité de vapeur doit traverser le four inchangée, de sorte que le mélange des gaz résultants, formé de 112, C0, C'02 et H20, satisfasse à l'équilibre de la réaction de formation du gaz à l'eau qui, à 1050 C, est approximativement égal à 0,5; ainsi,
EMI0005.0003
Pour satisfaire à ces conditions, les réac tions de déearbonisation (1) et (2) peuvent s'écrire sous forme combinée:
EMI0005.0005
8H20 <SEP> + <SEP> 4C <SEP> 5H2 <SEP> + <SEP> 3C0 <SEP> + <SEP> C02 <SEP> + <SEP> 3H20.
Donc, chaque quantité de 2,832 m3 de va peur engendre 4,248 m3 de mélange gazeux ayant la composition suivante : 41,7 07o H2, 25 % CO, 8,3 % C02 et 25 % H20. Les va- leurs calorifiques de H2 et de CO sont res pectivement 2893 et 2866 kcal;m3;
la, chaleur contenue dans 4,248 m3 du mélange gazeux (sans tenir compte de la chaleur sensible) est donc de 4,248. (0,417. 2893 + 0,25 .2866) = 8100 kcal Maintenant, pour engendrer 2,832 m3 de vapeur à la pression atmosphérique à partir d'eau à 10 C, la chaleur nécessaire est de 204 + 1229 =1433 kcal, ce qui est considérablement moins que la cha leur contenue dans le volume correspondant du mélange gazeux engendré.
Donc, si le dis positif fournissant la vapeur est réglé de fa çon que le rendement dudit dispositif ne dé passe pas
EMI0005.0031
le processus (le décarbonisation sera auto- réglant.
Par exemple, si les 2,832 m3 de vapeur qui sont fournis par heure dans la zone de traite ment du four deviennent insuffisants par rapport à la quantité de carbone pouvant être retirée de la fonte, la réaction (1) de décarbonisation augmente aux dépens de la réaction (2), et les pourcentages de H2 et de CO dans le mélange gazeux produit augmen tent ainsi que le volume dudit mélange.
Par conséquent, la chaleur totale contenue dans le mélange gazeux produit. par la réaction entre l'atmosphère en contact. avec la fonte et le carbone contenu dans la fonte augmente aussi, ce qui, à son tour, augmente la quan tité de vapeur engendrée et amenée dans la zone de traitement, tendant ainsi à com penser le manque de vapeur.
De faon semblable, si les 2,832 m3 de vapeur fournis dans la zone de traitement sont trop grands pour la quantité de car bone disponible, la réaction (2) augmente aux dépens de la réaction (1), réduisant ainsi la chaleur contenue dans le mélange ga zeux ainsi que son volume et, par suite, la quantité de vapeur engendrée dans la chau dière et amenée dans ladite zone de recondi- tionnement.
D'autre part, supposons que la fonte est décarbonisée à l'autre extrémité de la gamme de températures optimum, à savoir à 850 C. température à laquelle le rapport CO/C02 dans l'atmosphère en contact avec la fonte doit être voisin de 2:1 pour une décarbonisa- tion maximum salis ox@-dation, et la valeur polir laquelle la réaction du gaz à l'eau at teint l'équilibre est voisine de 0,9.
Avec de telles conditions de travail, des calculs analogues montrent que chaque quan tité de 2,832 m3 de vapeur produit. 4,177 m3 de mélange gazeux ayant approximative- ment la composition suivante:
10,8 % C02, 22,2 % CO, 43,0 % H2 et 24,0 % H20, une valeur calorifique d'approximativement 1869 kcal,
lm3 et une chaleur totale de 7806 keal. Le rendement requis du dispositif fournissant la vapeur est donc de
EMI0005.0082
On voit d'après ces calculs que le rende ment maximum du dispositif fournissant la vapeur est approximativement le même dans toute la gamine des températures, de traite ment, de 850 à 1100 C, et qu'un dispositif qui est construit de façon à ne jamais fonc tionner avec un rendement dépassant sen- siblement 17%, sera autoréglant,
du point de vue pratique, dans toute la gamme de températures susdite.
Cependant, il est entendu que les rende- ments calculés plus haut. de 17,5 % à 1050 C et 18,
5 % à 850 C sont les rendements théo- riques maximums pour lesquels le dispositif. fournissant la vapeur peut fonctionner sans créer de conditions oxydantes dans la cham bre de traitement; dans la pratique, le dispo sitif sera réglé de façon à fonctionner avec -un rendement quelque peu inférieur pour être sûr que de telles conditions oxydantes ne soient pas créées.
Quand les conditions désirées de fonc tionnement ont été une fois établies empi riquement, l'invention supprime la. néces sité de prévoir des instruments ou des appa reils spéciaux pour faire varier l'arrivée d'air et/ou de vapeur de reconditionnement au cours du processus, et emploie l'énergie calorifique disponible dans le gaz évacué; de phis, si le four et/ou le dispositif fournissant la vapeur cessent de fonctionner à un stade quelconque du cycle de traitement, le processus s'arrêtera sans autre et ne provoquera aucun dommage à la charge;
ainsi un arrêt ou un arrêt partiel d'une partie quelconque du dispositif four nissant la vapeur ou du dispositif d'amenée d'air fera cesser ou réduira l'amenée de va peur etiou d'air dans la chambre de traite ment; par exemple, l'obstruction du passage i ou de l'orifice ,j diminuera l'amenée de va peur, et l'extinction accidentelle de la flamme à la sortie du passage i, ou une panne du dispositif d'amenée d'eau T, arrêtera com plètement l'arrivée de la vapeur;
d'autre part, si l'air de combustion ne peut arriver par le tuyau m, le rendement de ladite flamme diminuera et l'amenée de vapeur sera réduite.