Brevet FR2044658A1 — publié le 19710226

Titre: Dispositif automatique produisant un fluide gazeux à température com stante par mélange de prélèvements à étages différents de l'échangeur de chaleur. La présente invention a pour objet la production d'air chauffé dans les échangeurs de chaleur à empilage erainversions,à une temperature toujours égale,nécessaire pour la bonne marche de @ous les appaireils producteurs utilisant de l'air chauffé,pour leur combus@ion er en particulier dans les @tès grands bau@s fourneaux madernes, surfou@ que,pour ces derniers,la température du Vent chaud ne doir plus être inférieure à celle du point de fusion de la fonte à l'en@rée du Haut Foruneau, si on veur éviter, sûrement, pour les fourneaux de @@ès grandes dimensions de plus graves difficultes d'exploitation que celles que l'onconstate déjà dans les hau@s fourneaux modernes de plus en plus gros producteurs. @vec ce procédé on o@- tiendt@ la moyenne de température la plus élevée,ce qui est impossible avec les insuflations d'air ftais, ac@uellement praliquées. Actuellement done on arrive à alimenter les hauts fourneaux,pour leur assu rer une allure aussi régulière que possible, avec du Vent à une temperature à peu près la même,mais pour celà on prend comme temperature de @égime la tempé ta@ure que l'on atteinfen fin de cycle, c'est à dire avant l'invention à l'échangeur de chaleur, en procédant à des insuflations d'air frais, d'allure décroissamte du début à la fin de la période au Vent . Le procédè l le grave défaur d'abaisset considétablement la moyenne de la tempéralure de l'air chauffé puisqu'une parlie imporlante du volume de l'air total n' est pas passée dans l'échangeur et par conséquent ne transporte aucune calorie. Leci se traduit par la perte du bénéfice que peut procurer l'apport de coloties, à haut potentiel, si difficile à obteniz dans le système en usage.- Lette invention a pour but de faire passer la to@alité de l'air à chauffer dans l'échangeur et de pouvoir ainsi obtenir la charge calo@ifique totale eraussi, déjà,une amélioration de @endement.- L'est par un dispositif de prise d'air à une température très élevée e@aussi proche que possible de la température programmée, prélevée par sou@irage,avant la sorlie de l'empilage er dans celui-ci, er mélangé automatiquement dnas la proportion qui convient avec l'air qui a traversé l'empilage dans toute sa hauteur,que la température finale constante est obtenue.- Le mélange est réalisé élec@toniquement par des vannes penduloires très sensibles dans lesquelles rou@e possibilité de fri@tion est exclue.- L'empilage à l'endtoir où les prises de soutirage sont situées sont spécialement étudies pour pouvoir étre,en cas de besoin, fortement chauffé en parmonence ou par intermittence, selon les besoins du setvice à assurer.@ Lette parfie de l'empilage qui constitue la sole de la chambre de combustion est,en méme Temps, con@ue pour servit de masse règulatrice, comme volant calorifique.Sous cette masse régulatrice, à la hauteur des prises du soutirage, l'invention a prévu, dans l'empilage, une chambre d'écoulement, constituées de canaux hotizontaux et transversaux, en plus des eanaux verticaux.@ Seuls peuvent convenir, pour l'application de l'invention les empilages de ba@leur téduite,à masse accumulatrice de caloties à action volonfairement lente pour compléter le travail du soulitage.~ Lette masse régulatrice, située au sommet de l'empilage, forme la sole de la chambre de combustion et celle-ci, pour assurer le but poursuivi par l'invention, est réalisée pour résister, sansdem mage, à des surthauffes prolongèes, ce qui permet à l'exploitant de @oujours assurer sa production dans les meilleures conditions.@ Les empilages de hauleur réduite, qui seuls peuvent recevoit un système de soutirage, sont constitués d'éléments mixtes c'est à dire composés de ruchages céramiques et métalliques, ces derniers dans la partie inférieure de l'empilage où les températures ne dépassent pas 600 c à 700 c, ceci pour permettce la disposition de la chambre d' écoulement et de la masse réguiatrice, tout en assutant la récupération tapide et patfaire des calories à bes potentiel et d'évacuet les fumées à la température vaulue.@ Pour établir la chambre d'écoulement, assurant le soulirage, il faur que le revélement réfractaire de pro@ection du blindoge soit réalisé avec des matériaux modernes damés et cuits ou moulés sur place et par conséquent ne subissant plus les effets de la dilatation, sont en plus ancrés à l'enveloppe et restent immu@blement fixes.@ Cespropriètes indispensables du revétement permettent de pratiquer dans celui-ci les ouverfutes qui doiventêlte d'une fixite permanen@e et rigouzeuse, permettant le prélèvement de la quantité d'air chaud à une température inférieure à celle de l'air qui débouche au sommet dans la chambre de combustion pour abaisser par mé lange dans le collecteur la température de l'air principal, pour obtenir une température toujours la même au haut-fourneau ou autre u@ilisateur. Les quantités d'air à mélanger pour obtenir un mélange final à température finale constante, sontréglées élec@toniquement par un po@en@iométre pyromé@trique dont l'action ampli@iée,comman- de les mouvements de vannes pendulaires,ultra sensibles spéciales,dans lesquelles toute friction estimpossible, étudiées pour trés grands débits à tréshautes températures Les résistances à l'écoulement sont soigneusement calculées pour que celle du cireuit de soutirage soit toujours égale ou inférieure à celle du eircuit prineipal et dans le même ordre d'idée, pour réduire les pertes de charge,le plus possible,le nombre des prises de soutirage doif étre asser important et en rapportavec les volumes @ traiter et à répartir uniformément.~ Un nombre asser élevé de points de soulirage a également l'avantage de diminuer l'importance des surfaces des orifices de possage à pratiquer dans le revétement et d'éviter,ainsi,des accrochages possibles du ruchage, surtout lors de la mise é feu,très pe@ probables mais qu'une grande prudence doil cenpendant prévoir. (Ces@ pour leurs fuibles mouvements en ba@ teur,que les ruchages mixtes sont cboisis).~ L'avantage d'avair aussi,decefait,un nombre important de vannes automatiques est de permettre l'ulilisation de vannes de dimensions moindres, ayant moins d'inertie et par conséquent plus sensibles aux commandes électroniques.~ Le réglage du mélange ne s'opère qu'au niveau du soutirage, parce que les vannes livrant passage à l'air final ne conviendraient pas à des opérations de réglage,étant du type par tout ourien .~ Done par mesute de sécurité absolue, les ouvertures livrant passage à l'air soutiré sont réalisées comme représentées au dessin, elles sont constituées pardeux courbes, dont la supérieure forme une vo@@e trés cintrée avec la clé qui les réunit toutes les deux et forme ainsi, à la fois un pilier et un guidage pour empécber le ruchage d'accrocher l'aréte supérieure de l'orifice lors du mouvement ascendant, trés important, que la dilatation provoquera dans l'empilage, lors de la mise à feu.~ L'invention comprend aussi le matériel nécessaire à l'erécution de cespos sages, car le revétement de ceux-ci est réalisé, à la face chaude,par unproduit céramique réfractaire spécial qui se five par damage,à cuisson sur place lors de la mise à feu mais qui fait prise à fait, dès son utilisation,ce qui permet d'attendre la cuisson pour arriver à la résistance définitive.~ Dans le cas d'orifices,comme ceux qui nous occupent, on les obtientau moyen de modéles qui ont les caractéristiques e@actes, en plein, des passages à réaliser.~ Ces modèles ne peuvent étre relirés que lorsque la prise à l'air est effectuée.~ Tour donner à ces modèles le maximum de solidirè,on les réalise en métal, constitué par un alliage antimonieux à dilatation quusi nulle,qui fond rapidement lors de la mise à feu et de la cuisson sur place du revétement réfractaire,le métal fondu est recueilli dans une cavité prévue à cet effer, à l'extérieur. Ces formes,en mètal, une fois coulées,ne seront pas déborras sées,(contrairement à la pratique coutante en fonderie) du sable durci à l'inté rieur de la pièce er que l'on appelle le noyou, ceci pour donner à ces modèles le maximum de solidité pour résister,sans dèformation au domage pneumatique du revétement.~ Le noyau sera enlevé une fois la prise à l'air ter@@née,avant la mise en place de l'empilage.~ Le fair de conserver le noyau de la forme jusqu'après la mise e@place du revêtement er son premier séchage à l'air permetde réduire considérablement l'épaisseur de ces modèles et par conséquent und diminution importante du poids en résulre.Le métal prévu a aussi l'avantage d'avoir un coeffieient de dilatation très faible,une température de fusion peu élevée.~ La forme convexe de la partie inférieure jointe à la faible dilatation du métal rendent impossible toute poussée nuisible sur le revêtement.~ L'invention assure à l'exploitation des hauts forneaux modernes un immense progrès par la possibilité de les alimenter,en permanence,avec du vent chaud à une température jamais inférieure à 1225 c à l'entrée, avec des variations de quelques degrés seulement,mais toujours au dessus du point de fusion de la fonte.~ De ce fait,les masses figées que provoquait l'introduction d'un poids formidable d'air, à une température inférieure de centaines de degrés à celle de la fusion de la fonte, qui est recueillie dans cet état de fusion à ce niveau et que l'air rencontre dès son entrée et avec la fonte liquideilyale laitier dans son meilleur état de fluidité, ne se produisent plus.~ Les avantages d'un débit de vent très chaud à une température constante toujours la même et égale ou supérieure à 1225 c, c'est à dire à très haute température,jamais atteinte, à l'entrée même du haut fourneau,sont now breux et considérables les principaux sont:: a) Inutilité du règlage permanent,(trés coûteux), du débit du vent chaud à chaque tuyère, attendu que les raisons qui provoquaient la formation des masses figées justifiant ce réglage de débit ont disparu.~ La circulation du flux gazeux étant normalement assurée il n'y aura plus d'usure onormale du revêtement du forneau! Le débit du vent est toujours prévu,à l'origine du fourneau, pour étre le même, en permance, à chaque tuyére condition impérative de marche ralionnelle .~ Les raisons de dérèglement de la réparlition uniforme de tair n'existant plur, les débits identiques seront réglés,si nécessaire,une fois pour toutes,pour tenir compte de la position de chaque porte vent dans la Circulaire ,lors de la mise en service du fourneau.~ b) La production des fontes de haute qualité,gente Bessemer ou L.D. et autres similaires est grandement facilitée parce que la carburation et surtout la réduction difficlle de certains éléments comme le silicium(Si) et le manganèse (Mn) ne s'opère qu'à haute température.~ La valeur de l'invention apparait trés nettementici.~ c) L'apport important et régulier de calories par le vent améliore considé rablement la consommation du coke, cependant que pour la téduction eti la carburation la présence du coke, en quantite moindre estlargement compensèe par l'ailure très régulière et partant toujours très chaude du fourneau. d) La diminution de consommation du coke ent@aine la diminution de la quantité de soufre dans la fonte, condition très favorable pour la production d' aciers de qualité genre LD.~ La teneur en soufre est,d'autre part,fortement diminuée avec des laitiers trés chauds,surfout s'ils sont calcaires,car ces lailiers, alors, absorbent 15 à 20 fois plus de soufre que la fon@e~ Lapre- sence facilitée, par une allure très chaude, du Mn comme précisé en b), en quan titè importante a la propriété de protéger la fonte contre le soufre.~ Il faut se capp@er que les fontes sulfureuses se figent très capidement,ce qui diminue la fluidité.~ e) L'appoint régulier de calories par le vent très chaud. à 1225 c aux tuyères du fourneau, n'augmente pas le volume des gaz réducteurs ramené à la tonne de fonte et de coke @tilisé et ainsi la vitesse de circulation de ceux-ci est diminuée ce qui est favorable à la réduction,dont la vitesse optimum n'est pas dépassée, ainsi on accentue les avantages du soufflage sous pression.~ f) Le vent trés chaud à 1225 c constants aux tuyères n'apporte à la fonte d' éléments mauvais,comme le soufre, ce qui est le cas avec le mazout ordinaire que l'on peut injecteur et est par conséquent très nuisible.~ g) Il n'augmente pas le volume des gaz de combustion,au contraire,par conséquent la capacité de tous les auxiliaires du fourneau reste la même, toutes choses semblables par ailleurs, au contraire les volumes gazeux sontdiminués.~ h) Le rendement augmente done et le prix de revient diminue.~ i) La production est augmentée et la qualité très améliorée.~ j) La circulation du vent chaud étant régulière et normale dans tout le fourneau celle-ci ne ser@ plus arbitrairement intense le long des parois et par conséquent l' usure de celles-ci deviendra normale et la vie des fourneau augmentera considé @ablement.~ k) Les pertes calorifiques anormalement élevées du fait d'une circulation @rra- tionnellement grande le long des parois diminueront elles aussi fortement.Le prix de revient sera amélioré, car par l'usure des parois très améliorée, la vie des fourneaux prolongée, les pertes calorifiques beaucoup plus faibles entrainant une dépense d' eau de refroidissement du blindage très diminuée, les frais d'exploitation à la tonne de fonte seront considétablement moins élevés.~ Ci-après certaines justilications scientifiques de ce qui précède: sion traite du vent chaud dans ses deux constituants on a oxygène 1/5 azote 4/5 et l'un et l'autre transportent des calories prises à l'échangeur mais à une température,toutd'abord quivarie dans le temps et qui est trés inférieure depuis que le type d'échangeur actuellement en usage existe,à la température du point de fusion de la fonte~ Dans ces conditions on peut dire que le refroidissement local,aux niveaux des tuyères que l'on constate dans les hauts forneaux modernes de grandes dimensions, que cette invention veut combattre, toutau moins pour sa partie maléfique,c'est à dire celle qui concerne la grande différence qui existe entre la température du vent chaud et celle de la fonte en fusion qu'il rencontre dès son entrèe dans le fourneau est à imputer en valeur proportionnelle à chacun des composants de l'air qui entre dans le fourneau,car l'oxygène ne réagit pas en totali@è dés le niveau des tuyè@es, toute fois pour ce composant du vent on peut dire qu'il n'est pas suspeeté de refroidir, dans les fourneaux aetuèls, la partie basse de ceux-ci allendu qu'ilya à son actif la réaction que ptovoque la eombusrion du coke avec gtand dégagement de chaleur.~ Pour ne pas compliquer l'examen du problème il n'est pas tenu compte,momentanément,de la présence de l'orygène insuffisament chauffé comme sus ceptible de contribuer au refroidissement que l'on constate au niveau des tuyères.~ Il est cependant certain que la totalitè de l'oxygène de l'air arrivant au fourneau ne réagit pas entièrement à ce niveau puisque la combustion ne se termine que beaucoup plus haut mais on peur néglige ce point.~ Il n@en est pas de même pour l'autre composant l'azote,qui représente en poids et en volume 4 fois la proportion de l'oxygène.~ De plus l'azote est un gaz inerte@ qui n'aide en rien aux réactions utiles du milieu.~ Comme il arrive dans le haut fourneau à une température trés inférieure à celle de ce milleu,ilcommence par prendre à ce milieu la choleur qui lui manque pour étre en état d'équilibze avec lui,il y a donc refroidissement correspondant de ce milieu,c'estune vérité scientifique, on en constate les effets nuisibles.~ Avec du vent chaud à 1225 c au moins,en permanence, par les dispositions de l'invention, on qagne déjà au moins 300 c de température sur les meilleures installations actuelles, il en résulte que la fonte qui se trouve descendre liquide à proximité des tuyères reste liquide et fluide et que les laitiers eux aussi ont une fluidité très améliorée qui empêche leur figement en masses compactes qui nuisent très fortement à la parfaite circulation du vent .~ Même avec le réglage du débit à chaque tuyére,ce qui ne résout zien,le vent trouvantà proximité, c'est à dire vers la paroi,gràce à sa force vive une perméabilité plus grande, qu'il se mointient tant bien que mal,s'écoule en quantite anormale le long de la partie inférieure de la paroi, surtout, ce qui provoque,par une combustion beaucoup trop intense en cet endroit, la détérioration prématurée du revétement du fourneau, ce qui est contraire à son fonctionnement normal et rationnel.~ D'autre part on sait que pour brûler 1 kg de coke il faut 3m@300 d'air, lesquels contiennent 3300x4/5=2@@620 d'azote, on a donc en poids à 0@ et à 760%:: 1.251x2.6@0= 3kg300, ce qui pour 1000kgs de coke donne 3300kgs d'azote !~ Si on prend 1' exemple d'un haut four heau brûlant 1600 T. de coke par jour on a le poids formidable,journalier de 5280 Tonnes de gaz inerte, c'est à dite un tonnage presque ègal à celui que réprésente tous les matériaux que tecoit le fourneau dans le même temps,mais pas au même point d'introduction et à une @empérature trés inférieu- re à celle des produits se trouvant dans l'enceinte là où il vient déboucher,un refroidissement important de ces matrères doit obligafoitement en résulter.~ On s'imagine très bien que tonnage formidable que représente le poids de l'arote introduit journellement dans le haut fourneau à une @empérature très inférieute à celle qui règne à son point d'introduction, provoque un abaissement de tempéture très inférieu re,qui modifle l'état physique d'une partie plus ou moins importante de ces matières selon l'écart des températures qui existe.~ Ou lieu de céder au milieu trés chaud les calories qu'il l'ransporte l'azote arrivant à une température moins élevée,commence par en absorber encore pour trouver, selon loi naturelle,son èquitibre calorifique. et ainsi perturbe,considérablement,en refroidissant partiellement une partie de ces matières, la marche du fourneau dans sa partie principale et qui doit étre la plus chaude, très uniformément.Les calories que l'azote absorbe encore et transporte avec celles que ce gaz possède à son arrivée au four neau ne sont certes pas perdues mais leur action bénéfique ne se produit pas là où elle serait le plus nécessaire.- O@u contraire en arrivant à une température insuffisante dans les fourneaus provoque une action nuisible que l'invention fait disparaitre. Bien entendu pour avoir du vent chaud à 1225 C aux tuyères il faudra qu' il sorte des échangeurs à plus de 1300 C. Les dessins en annexe représentent:: 1 ) La planche 1-2 dans la partie supérieure,une vue en élévation,en coupe sur l'aux vertical,de la partie supérieure de l'échangeur et de son empilage où s'effectuent soutirage et mélange.- La partie inférieure de cette planche 1-2 teprésente 'une vue en élévation de face et une coupe de profil d'une sortie de l'échangeur au niveau de la chambre d'écoulement qui est prévue dans l'empilage. 2 ) La planche 2-2 représente une vue en élévation-coupe du principe de la position tangentielle et inclinée des arrivées des deux courants de vent chaud dans le collecteur de mélange.- Le dispositif de soutirage de l'air comprenden particulier une chambre d'écoulement#, se situant dans la partie supérieure de l'empilage E à un niveau où la température de régime est assez sensiblement inférieure à la tem péture du sommet pour abtenir après mélange de l'air prélevé avec l'air ayant traversé la sole régulatrice # de l'air chaud à température toujours la même,pour ar river à l'appareil utilisateur,un baut fourneau,par exemple, à une température constante en soutenue de 1225 C, pendant la durée de l'inversion. Cette chambre d'écoulement# est réalisée avec des blocs#en cér@mique réfractaire constituée d'une manière appropriée au service à assurer ayant les mêmes formes et dimensions extérieures que les blocs formant le teste de l'empilage E. Toutefois les blocs# au lieu de n'avoir,comme les autres blocs de l'empilage,que des canaux verticaux# sont réalisés avec,en plus,des canaux horizontaux#com muniquant avec les canaux verticaux # pour court-circuiter une partie du vent chaud ascendant et permettre la circulation transversale qui alimentera par les ouvertures # dans la paroi circulaire # le mélange.- Ces ouvertures # recoivent des Vannes de régulation# à commande elecrtique à action proporrion- nelle réglée pour maintenir le mélange à température constante,par un potentiométre pyromértique.- L'air prélevé vient se déverser dans le collecteur# en# où le mélange s'opère avec l'air qui a traversé la sole régulatrice#.- Le mélange ainsi abtenu et main tenu à la température programmée sort par les vannes # fermant les ouvreaux# assurant alternativement le service des brû leurs# ou la sortie de l'air le plus chaud qui va vers le collecteur de mélange# où il débouche en# après avoir traversé la chambre de combustion #.- La prise de température de l'air qui servira à la commande électronique des vannes du soutirage qui tèglent la température finale du mélange sera prise en # avant la sorlie vers le fourneau.~ Les ouvertures # dans la paroi circulaire # qui constitue le revétement de l'échangeur,ont untracé spécial très étudié, à la face chaude#, constitué par deux courbes# et #avec clé# formand pilier en les réunissant et servant d'appui au tevétement. Cette clé forme,en plus,guidage côté face chaude pour,éventuellement main renir le ruchage en bonne direction.~ Ce pilier # est limité côté face froide en #.- Ces ouvertures qui livrent passage à un flux d'air très chaud sont constituées à la face chaude# par un revétement réfractaire plastique accroché pour très hautes tempèratures et derrière ce revétementilya un produitisolant réfrac faire#.~ La bride# recoit la vanne pendulaire#,trés sensible,pour le ré- glage électronique du mélange (régleur de proportion).~ Le conduit # représente le passage permettant la récupération du métal fondu,employé pour la fabrication des modèles des passages#,ce métal disparaitra lors de la mise â eu de l'échangeurE. Récapitulation des principes directeurs du soulirage permetlant l'obtenlion d'une température constante, à moyénne très élevée,au Vent chaud pour hauts fourneaux. 1 ) Dans un appareillage constituant un échangeur de chaleur à empliage,à inversions,pour chauffer l'air nécessaire à la combustion,utilisé dans certains appareils industriels,comme le"vent"nècessaire à la marche des hauts fourneaux,par exemple, caractérisé en ce que,afin d'avoir en permanence une température parfaitement constante pendant toute la durée du cycle de l' air chauffé et pour éviter d'avoir tecours,comme celà se pratique actuellement,à des insuflations d'air frais qui ont le défaut d'abaisser les moyennes ilest prévu de prélever, par soulirage dans l'échangeur lui même,de l'air déja très chaud pour le mélanger à l'air plus chaud sortant par le sommet de l'empilage après l'avoir entièrement traversé, Ce prélèvement s'effectue dans des conditions variables pour atteindre toujours la même tempèrature.~ 2 ) Dans l'appareillage comme 1 ) caractérisé en ce que le soutirage de l'air néces saire à abaisser la température de l'air anant traversé toute la hauteur de l'empilage se fait à une hauteur dèterminée par le calcul,pour que le mélange tienne la tempèrature programmée.~ 3 ) Dans l'appareillage comme en1 et2 ci-dessus caractérisé en ce que la sortie de l' air soutiré s'opère par une chambre d'écoulement d'une certaine capacité prévue dans l'empilage à la hauteur des tubulures de sortie vers le collecteur où a lieu le mé lange.~ Cette chambre est réalisée au moyen de blocs cér@miques réfractaires à canaux verticaux comme le reste de l'empilage,mais ayant en plus que les blocs notmaux des ca noux horizontaux communicont avec les canaux verticaux,permettant l'échappement la tèral d'une partie proportionnelle et variable de l'air cbauffé à une température infer nédiaire convenant au mélange.~ Les blocs de cette chambre d'écoulement ont les