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"Procédé et moyen pour le refroidissement des chambres de combustion ou chambres de réaction à haute tempé- rature, dans les procédés de réduction en fusion " L'inté@êt pour la réduction en fusion s'est lar- gement accru au cours des dix dernières années. La réduc- tion en fusion peut être défini courte une réaction do ré- duction dans laquelle la température est suffisamment élevée pout quo soit l'agent réducteur (par exemple le carbone), soit l'oxyde (par exemple le minerai de fer), soit l'une et l'autre de ces substances se trouvent à l'état fondu. Lorsqu'on dit que l'agent réducteur (car- bone) est à l'état fondu, on entend qu'il se trouve en solution dans le bain du métal.
Le procédé de la réduction en fusion peut se subdiviser en trois processus constituants :1) la car- buration du bain de métal ; 2) la décarburation du bain; et 3) le transfert de chaleur au bain. C'est dans le bain que règnent les conditions de réduction, tandis que les
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conditions d'oxydation existent au-dessus du bain. L'o- xyde do carbone qui se dégage de la réduction s'enflam- me avec l'oxygène au-dessus du bain et la chaleur ainsi produite est retournée dans le bain pour fournir la cha- leur qu'exigent les réactions de réduction et de carbura- tion.
A chacune des trois réactions du processus - carbu- ration, décarburation ct transfert de chaleur - s'appli- que l'une des substances de départ du procédé, à savoir : le carbone sous forme de coke, de charbon, do gaz ou d' huiler l'oxygène sous forme d'oxyde métallique; ot l'oxy- gène sous forme de gaz pour la combustion do l'oxyde de carbone en anhydride carbonique, Dans la description sui- vante, la réduction en fusion se rapporte à la réduction de l'oxyde de fer, mais le traitement peut s'appliquer à d'autres métaux que le fer.
Dans une variante connue du procédé de réduction en fusion, la matière constituant le carbone est fournie en excès et la réduction se produit dans une couche do poudre de coke qui flotte sur la crasse et le bain de fer.
L'opération est effectuée dans un four rotatif qui donne lieu, dans une certaine mesure, à un mélangeage et sort à transférer directement la chaleur au bain, à partir du revêtement du 'four chauffé par rayonnement.
Dans le cadre do la présente invention, il ost 'prévu que toute la réaction, y compris la carburation et la décarburation, se produit dans le bain. Le carbone peut être injecté dans le bain, cc qui signifie que l'on pourrait directement utiliser de l'huile ou du gaz. L' oxyde de fer qui sert d'agent décarburnnt - et naturelle- ment aussi de source de for - doit.tre de granulome trio aussi basse que possible, et cette condition est remplie
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au mieux par un concentré de minerai de fer enrichi. La grosseur de grain du concentré de minerai doit également Être faible pour que la réaction avec le bain soit aussi rapide que possible et - comme on l'indiquera ci-après - pour qu'il présente une Grande surface en vue d'une rapi- de absorption de chaleur.
Le transfert de chaleur au bain se produit par rayonnement à partir de la combustion de l'oxyde do car- bone avec l'oxygène. Cette chaleur de rayonnement peut être directement transférée au bain et, conformémcnt à l'invention, transférée au minerai pour chauffer celui- ci à une température élevée. Le minerai absorbe cette chaleur de rayonnement lors de son mouvement vers le bain de for et, de cette manière, la chaleur rayonnéo est transférée indirectement au bain. La quantité de chaleur qui est transférée au bain est de 1 à 1,5 mil- lions de kcal par tonne de fer brut.
Une partie importan- te do cette chaleur peut être transférée par l'intermé- diaire du concentré de minerai si celui-ci peut être chauffé à une température élevée par rayonnement à par- tir de la zone des hautes températures. Le concentré de minorai peut être chauffé jusqu'à son point de fusion.
Cela n'est possible que si le concentré de minerai est chauffé dans le môme réacteur ou dans le même four où s'effectue la réduction et si le minerai atteint direc- toment le bain sans entrer en contact avec le garnissage du four. L'oxyde de fer fondu exerce une corrosion ox- trômoment sévère sur le matériau de revêtement du four.
Si le concentré de minerai est pré-chauffé à 1000 C, il peut absorber environ 0,3 million de kcal, sur la base
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d'un concentré de minerai enrichi et avec une consomma- tion de 1,5 tonnes de concentré pour une tonne de fer brut. En cas de chauffage à 1500 C - Par conséquent au- dessus du point de fusion de l'oxyde - la chaleur absor- bée atteint environ 0,5 million de kcal. Dans ces cas, la chaleur que le concentré de minerai apporte au bain s'é- lève à 25 - 40% de la chaleur totale qui doit être trans- féréc à co dernier.
La vitesse du transfert de chaleur par rayonna-. ment est proportionnelle à la puissance quatrième de la différence entre les températures dans la zone de com- bustion et dans le bain. Pour cette raison, il est sou- haitable de maintenir la température du bain aussi basse que possible (condition qui est favorisée par uno haute teneur on carbone dans le bain) et, en même temps, la température dans la zone de combustion doit être aussi élevée que possible. A cette dernière fin, il est souhai- table d'utiliser de l'oxygène pur pour la combustion.
Avec l'oxygène, la température peut se situer aux envi- rons de 2500 C, en particulier lorsque l'oxygène est pré- chauffé conformément à la présente invention.
Etant donné les hautes températures de combus- tion, le garnissage du four est soumis à de fortes solli- citations et, dans la pratique, il n'existe pas de matiè- re qui soit capable de résister à do telles températures de service. Un refroidissement du garnissage peut être évidemment obtenu do différentes manières, par des mesu- res prises à l'extérieur du four ou à l'intérieur du garnissage réfactaire, mais alors on ne peut éviter de fortes pertes de refroidissement, étant donné qu'un flux de chaleur se maintient de l'intérieur à l'extérieur,
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à travers le garnissage du four ou de la chambre.
Au lieu de cela, la présente invention associe de façon avan- tageuse le refroidissement, au pré-chauffage d'au moins l'une des substances de départ outrant dans la réaction.
A cette fin, la présente invention se caractérise par le fait qu'une matière en poudre, en particules ou liqui- de, sous forme d'au moins un rideau ou couche de refroi- dissement qui entoure quasi-totalement une zone à haute température de la chambre de combustion ou de réaction, joue le rôle d'agent de refroidissement entre le garnissa- ge de cette chambre et la zone à haute température. La matière refroidissante peut être constituée par un concen- tré de minorai finement divisé qui est fourni sous for- me d'un courant entro la zone de combustion et le garnis- sage. La matière pulvérulente absorbe ainsi une large part de la chaleur rayonnée, selon ce qui a été indiqué ci-dessus. et fournit directement cette chaleur au bain.
La matière do refroidissement peut être également consti- tuée par une quelconque substance inerte telle que le sa- blc. Elle peut également consistor en une fusion de gueuses de première fonte, dans le cas d'un procédé do fabrication do l'acier à partir de fonte en gueuses par soufflage d'oxygène à travers colle-ci. On peut égale- mont utiliser un autre liquide.
L'effet de refroidissement peut être encore amélioré si l'on fournit un gaz tel que l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène destiné à brûler dans la cham- bre de combustion, à travers un garnissage réfractaire et poreux do la chambre de combustion. L'oxygène ou le gaz, introduit do cette manière, s'oppose au flux de cha- leur à travers le garnissage poreux. L'oxygène traverse
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à force le garnissage de l'extérieur vers l'intérieur et refroidit do cette manière le garnissage,tandis quo lui-même est réchauffé.
Dans le cadre de l'invention se situent diffé- rentes combinaisons du refroidissement direct par le passage du gaz et du refroidissement indirect dû à l'et- èt de rideau de la substance constituant l'oxyde.
Quelques formes d'exécution pour la mise en oeuvre de l'invention ont été schématiquement représen- tées en coupe verticalement sur les figures 1 à 10 an- nexées.
La figure 1 est une coupe verticale d'une for- me d'exécution do l'invention.
La figure 2 est une coupe transversale d'une boite de refroidissement à l'extérieur de la paroi du four ou de la chambre.
La figure 3 représente un réseau de distribu- tion pour le gaz de refroidissements
La figure 4 est une coupe verticale de la par- tie inférieure du four ou de la chambre.
La figure 5 représente, à plus petite échelle, un four réalisé selon une variante.
La figure 6 illustre une autre forme d'oxécu- tion du moyen qui fournit le rideau de refroidissement.
La figure 7 représente, en coupe verticale, une ' forme d'exécution qui combine celles des figures 5 et 6.
La figure 8 contre une autre forme d'exécution du dispositif destiné à produire les rideaux ou couchas de refroidissement.
La figure 9 représente une autre forme d'exécu- tion du sommet du four.
La figure 10 est une vue de détail d'une autre forme d'exécution.
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A titre d'exemple, l'invention peut s'appli- quer à un traitement do réduction en fusion qui s'ef- fectue essentiellement de la manière suivante. Les prin- cipes exposés sont mis en oeuvre de façon spécifique, mais il ont évident que d'autres voies peuvent être en- visacées dans la pratique, Selon la figure 1, le four ou réacteur 1 comprend une partie supérieure la et une partie inférieure lb. Le fer brut 12, sous forme liqui- de, ot la crasse 13 se trouvent dans la partie inférieu- re lb. Le garnissage 2 du four est ici constitué de ma- tériaux traditionnels, de préférence de briques non po- reuses. La profondeur du bain de fer doit ôtre de 0,5 m au minimum et est normalement comprise entre 1 et 2 m.
Cette épaisseur est nécessaire afin d'obtenir une carbu- ration complète lorsque l'on utilise une huile ou un gaz comme agent de carburation, mais, bien qu'à un moindre. lorsqu'on utilise degré, elle est également importante/d'autres agents de carburation tels que le coke ou le charbon pulvérulent.
L'agent du cnrburntion peut être fourni par un tube 3 à . chemise de refroidissement par l'eau, au fond du four.
L'alimentation peut aussi bien s'effectuer par le c8té du four ou par le haut, à condition que l'embouchure du tube.d'alimentation se décharge il. l'intérieur du bain do for brut, Le soutirage du fer brut peut s'effectuer en continu à travers un orifice de sortie 4, dont le niveau se trouve relativement loin de la surface du bain de for brut. La crasse qui est de m8me soutirée en continu est vidangée à un niveau plus élevé, par l'orifice 4a d'éva- cuation de la crasse.
La combustion avec l'oxygène de l'oxyde de car- bone provenant du bain, ainsi que la fourniture du con-
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centré de minerai s'effectuent dans la partie supérieure la du four. Dans cette partie, les parois 5 du four sont' poreuses et sont refroidies par l'oxygène, comme on le décrira ci-après en détail. L'alimentation en concentré de minerai s'effectue par le haut, sous forme d'un ou de plusieurs rideaux 6 qui svront également décrits par la suite. Outre l'oxygène qui est introduit à travers le matériau 5 du revêtement poreux, l'oxygène parvient aussi directement dans la zone de combustion la.
Le gaz d'échap- pement, qui est principalement constitué d'anhydride car- bonique, quitte le four à sa partie supérieure par les orifices 7 d'échappement du gaz.
La caractéristique principale de l'invention - à savoir le refroidissement du matériau de garnissage et sa protection contre le rayonnement - va maintenant fai- re l'objot d'une description plus détaillée.
La paroi de revêtement poreux 5 peut être cons- tituée de différentes matières céramiques, mais en règle générale plus les températures du fusion et de ramollisse- , ment de la matière sont élevées, plus faible est la quan- tité de gaz de refroidissement nécessaire pour obtenir la température de protection voulue au niveau do la sur- face interne du garnissage.
Si l'on utilise par exemple la terre réfractaire poreuse, la température de la sur- face interne doit être inférieure à 1400 C, tandis quo la silice poreuse peut supporter dos températures attei- , gnant 1650 C et la magnésite poreuse peut atteindre 2000 C. Lorsque le bain de fer brut est à une températu- re de 1400 C, il est manifeste quo la chaleur de rayonno- ment provenait d'une paroi en terre réfractaire rofroi- die est insignifiante, tandis quo celle qui provient d'
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une paroi en magnésite refroidie peut être importante.
Pour cette raison, la paroi pout contribuer au transfert de chaleur au bain.
La paroi poreuse 5 est construite de telle sorte que la matière céramique est enfermée dans une boîte pla- to 8 pour permettre la pénétration forcée de l'oxygène à travers la paroi (voir figure 2). L'épaisseur de la pa- roi 5 peut être très faible, étant donné que la matière de garnissage ne présente la température notablement éle- vée que dans une couche interne de quelques millimètres d'épaisseur. Par conséquent, l'épaisseur de la paroi n' est déterminée qu'à partir de considérations de solidité.
La paroi poreuse peut être constituée de grands ou de pe- tits segments ou éléments 5a (voir figure 3). L'alimenta- tion en oxygène de chaque élément 5a peut être réglée sé- parément s'ilnécessitent des quantités différentes de gaz de refroidisserent. L'oxygène est fourni par un tube
9 muni d'@mbranchements 10 et de soupapes 11 destinées au réglage de l'admission d'oxygène dans les différentes sections de la boite 8. En traversant la briqua poreuse
5a, l'oxygène est réchauffé à un(; température approxima- tivement égale à la température de la surface du garnis- sage 5 qui fait face à la chambre do combustion la, c' cst-à-diro 1400 - 2000 C.
De cette manière, on peut parve- nir à un refroidissement simultané de la paroi 5 et à de hautes températures dans la zone de combustion la.
Outre l'effet de pur refroidissement qu'exerce le gaz traversant la brique 5, ce gaz joue également un autre rôle très important. C'est-à-dire qu'il maintient un courant gazeux continu depuis la surface interne du garnissage vers la zone da combustion la. De la sorte, on
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@ évite le contact direct do la crasse avec la paroi ot sa pénétration dans celle-ci. A coté des hautes températures, l'action de la crasse est la cause majeure des détériora- tions de la matière réfractaire.
Lorsqu'on combine le re- froidissement par le passage d'un gaz ot le refroidisse- ment par réduction du rayonnement sous l'effet du rideau de concentré de minorai ci-après décrit, il est particu- @lièrement important d'éviter ce contact direct avec la paroi. Le concentré de minerai, par exemple l'oxyde de fer pur, et en particulier sous forme de fusion, est ex- trêmement corrosif vis-à-vis de toutes les matières céra- niques, et un refroidissement dû à un rideau de concen- tré de minerai présuppose le passage do gaz à travers la matière de garnissage, afin d'empocher que la minorai en-- richi parvienne au contact de la paroi.
. La figure 4 montre comment est disposé le gar- nissage poreux 5a aux niveaux où se trouvent la crasse flottante 13 et le fer brut 12.Cette paroi poreuse 5, telle qu'elle se présente ici, s'étend sur toute la pro- . fondeur de la crasse 13, de sorte que le courant gazeux @ qui traverse la paroi 5a s'opposera à un contact entre la crasse et le garnissage 5a. Toutefois, la crasso n' est souvent pas aussi agressive lorsque sa teneur on fer est relativement faible.
Le refroidissement par utilisation de l'autre substance de départ entrant dans la réduction on fusion, c'est-à-dire le concentré de minerai, so produira, selon l'invention, de telle sorte que le minorai traité méca- niquement sera employé sous forme d'un ou do plusieurs ri- deaux absorbeurs de chaleur entre la zone dos températu- res vraiment élevées dans la chambre de combustion la ot
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la matière poreuse 5, 5a du garnissage. De cette manière, une partie seulement de la chaleur de rayonnement par- vient à la paroi et la quantité d'oxygène qui doit être envoyée à travers le garnissage est plus faible.
En fait, la quantité de gaz traversant le garnissage est réduite au point qu'une partie de la quantité Nécessaire à la réac- tion, par exemple 300 à 350 n3 de O2 par tonne do fer brut, peut être envoyée directement dans la chambre de combustion la par le tube 18, en vue de la combustion do l'oxyde de carbone.
Les figures 5 à 8 indiquent différentes disposi- tions pour la formation des rideaux de concentré de mine- rai. On n'a représenté sur ces figures que les détails né- cessaires concernant l'addition du concentré de minorai et le garnissage. La figure 5 correspond à la forme d' exécution de la figure 1. Le minerai enrichi mécanique- mont parvient ici dans une oolonne 14 annulaire et le cou- rant du concentré de minerai forme un rideau circulaire à l'intérieur de la zono de combustion la. Sur la figure 5, la zone de combustion est suffisamment haute pour qu' il ne soit pas nécessaire de prévoir un rideau complémen- tairo sous le plafond de cette zone.
La figure 6 représen- te une forme d'exécution dans laquelle le concentré do minerai est introduit par une tige creuse 16 et proje- té vers les c8tés du four au moyen d'un disque 15 à ro- tation rapide, qui peut être creux et refroidi par eau.
Le concentré de minorai tombe alors vers le bain. L'o- xygèno nécessaire à la combustion parvient par une tige creuse interne 17 qui traverse le disque rotatif 15 et le minerai traité mécaniquement est distribué autour do cotte tige 17 pour atteindre le disque rotatif.
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La vitesse du transfert de chaleur au bain de fer brut est proportionnelle à la dimension de la sur- face du bain et, par conséquent, on doit s'efforcer d' obtenir une surface aussi grande que possible, exprimée - en m2/t/h. A cette fin, le four et la zone de combustion sont convenablement disposés selon le mode indiqua sur la figure 7. Cette forme d'exécution constitue une combinai- son des formes d'exécution des figures 5 et 6. Ici, le minerai enrichi est soumis à un mouvement horizontal très énergique vers les parois de la chambre, sous l'offot du disque rotatif 15: A proximité plus immédiate des parois se trouve un orifice d'entrée complémentaire pour la four- niture de minerai enrichi.
Cet orifice d'entrée complé- mentaire est, de même que sur la figure 5, une fonte an- nulaire et la quantité supplémentaire do minorai enrichi ainsi fournie s'oppose à ce que le minerai introduit au centre vienne heurter les parois du four.
Dans la forme d'exécution représentée sur la figure 8, il est ajouté de l'oxygène au concentré de mi- norai par des tuyères 19 situées on un grand nombre d' emplacements, de sorte que les courants d'expansion du concentré de minerai constituons effectivement un écran qui protège le garnissage poreux 5 de la haute tempéra- ture régnant au centre de la zone de combustion la. Dans ce cas, tout l'oxygène qui ne traverse pas le revêtement poreux 5 est fourni par les tuyères 19 assurant l'alimen- tation en concentré de minerai.
Dans la forme d'exécution représentée sur la fi- gure 9, le concentré de minerai est fourni par un tube 20 qui est conçu de telle sorte que le courant de minerai présente la forme d'un c8ne 22. Dans ce cas, la zone de combustion l@ a également la forme d'un cône, au contre
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duquel l'oxygène est fourni par un tube 21 et la combus- tion du CO se produit. Le courant de concentré de mine- rai se déplace avec une grande vitesse parallèlement à la paroi du four. Les gaz d'échappement quittent le four par l'orifice de sortie 7 à sa partie supérieure et, comme le montre la figure 9, ils doivent traverser le courant re- froidissement de minerai.
Au niveau de l'orifice de sor- tie 7, un fort courant complémentaire de minerai peut être prévu comme l'indique la figure 10, afin d'éviter que de petites particules de minerai à faible vitesse n' accompagnent le gaz d'échappement à la sortie du four.
En tout cas, là où le concentré de minerai est fourni, il peut l'être des manières suivantes :
1) il se dirige simplement de haut en bas à partir d'un tube d'alimentation;
2) il est fourni en même temps que l'oxygè- ne; ou
3) il est fourni mécaniquement à une gran- de vitesse.
Dns les variantes 2) et 3), le concentré de minerai a une plus grande énergie cinétique et il est par conséquent plus facile de diriger le courant (ou les courants) de minerai selon le trajet voulu et de provoquer sa pénétration de haut en bas dans la crasse ot dans le bain de fer brut.
On remarquera que l'invention concerne un re- froidissement au moyen d'oxygène traversant la paroi po- reuse, aussi bien qu'un refroidissement au moyen de mi- norai, ainsi que des combinaisons de ces deux mesures.
Au lieu de construire les parois en des matières poreu- par nature ou perméables aux gaz, elles peuvent être
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pourvues de passages traversants tels quo canaux fins ou pores. La pardi 5 peut se terminer immédiatement au- @ dessus ou au-dessous du bain de crasse 13.