Brevet FR2068753A1 — publié le 19710903

La présente invention est relative aux cubilots à vent froid et plus particulièrement à un perfectionnement aux systèmes de récupération de la chaleur perdue en vue de récupérer la chaleur des gaz affluents, et à un procédé pour le réglage métallurgique de 5 la teneur en carbone des fontes obtenues dans les cubilots. Les cubilots, bien que constituant les fours à fusion de fonte les plus utilisés, ont un rendement thermique extrêmement bas, de l'ordre de 35 à 40 %. Les problèmes les plus sérieux posés actuellement par le 10 fonctionnement d'un cubilot sont les suivants : - pertes de chaleur sensible dans les fumées sortant par la gueule du four, - pertes de chaleur latente, dues aux pourcentages élevés des fumées en oxyde de carbone, 15 - oxydation du carbone contenu dans la fonte, et par suite mise en danger des propriétés physico-chimiques de la fonte, - oxydation des autres composants du bain de fonte fondue, et, dans le cas des additifs ajoutés à dessein dans la charge du cubilot, atténuation de l'influence de ces additifs sur le fonc- 20 tionnement de ce dernier. De nombreuses tentatives ont été faites dans le but de résoudre ces problèmes, totalement ou en partie, mais avec des résultats extrêmement médiocres. Le moyen le plus communément adopté a été celui des cubilots 25 à vent chaud, dans lesquels l'air est préchauffé à haute température avant d'être introduit dans le four par les tuyères. De toute façon, les avantages pouvant être atteints, aussi bien du point de vue qualitatif (meilleure qualité de la fonte produite et température plus élevée des bains de fonte fondue) que du point de vue 30 quantitatif (meilleur rendement horaire, moindre consommation de coke dans le cubilot), sont compensés par des inconvénients, tels que la complication accrue de 1'installation (déterminant des frais de mise en route et de fonctionnement plus élevés), la nécessité d'un appareillage annexe pour le préchauffage du vent 35 (entraînant une consommation accrue en combustible) et autres. 70 36201 2 2068753 Dans certaines tentatives, tendant à accroître la température du bain en fusion et le degré d'utilisation du coke-(c'est-à-dire dans le but d'obtenir à la sortie du four la quantité maximum . d'anhydride carbonique), on a essayé d'enrichir l'air avec de 5 l'oxygène, les résultats étant comparables à ceux obtenus avec les cubilots à air chaud, mais avec l'inconvénient supplémentaire d' une oxydation activée du bain en fusion, et par suite une décarbu— ration de la fonte. Dans d'autres types encore, on a tenté de récupérer à la fois 10 la chaleur sensible et la chaleur latente contenues dans les gaz effluents. En ce qui concerne la première, des installations d'échange de chaleur ont été étudiées et expérimentées, dans lesquelles les gaz effluents cédaient à contre courant une portion de la chaleur sensible à un courant d'air d'alimentation des tuyères. En 15 ce qui concerne la seconde, à savoir la récupération de la chaleur latente, elle met en jeu des appareillages dans lesquels l'oxyde de carbone s'échappant avec les gaz effluents est brûlé en anhydride carbonique, soit indépendamment, soit à l'aide d'un brûleur auxiliaire, la chaleur ainsi produite étant transférée à l'air intro-20 duit par les tuyères, directement ou non. Toutes ces tentatives impliquent dans tous les cas des appareillages extérieurs au cubilot et dans lesquels le vent froid est chauffé avant l'introduction par les tuyères. On a déjà décrit dans le brevet italien 73I4I3 un cubilot 25 récupérant automatiquement la chaleur et permettant un réglage du fonctionnement du point de vue métallurgique, et dans lequel l'air d'entrée est réchauffé au moyen d'un appareil d'échange de chaleur approprié, aux dépens de la chaleur sensible dissipée par les parois du four au dessus de 1.'orifice de charge, une fraction des 30 gaz effluents pouvant être ajoutée à l'air, de sorte que la chaleur sensible des gaz effluents soit transférée à l'air jusqu'à ce la température à la fois des gaz et de l'air atteigne un niveau opératoire commun. Ce faisant, l'air à introduire aux tuyères est préchauffé sans que soit affectée, dans l'équilibre thermique 35 d'ensemble, l'efficacité du cubilot. 70 36201 3 2068753 La présente invention, partant de la même idée de base que ce brevet italien, et la perfectionnant, surmonte un certain nombre d'autres défauts qui ont été décelés aussi bien dans la structure et le fonctionnement des cubilots à vent froid que ceux des 5 cubilots à vent chaud. * On a constaté que beaucoup des perfectionnements que l'on souhaiterait introduire dans les cubiLots impliquent des modifications notables des installations classiques, de sorte que, dans la majorité des cas, le prix de ces améliorations n'est pas com-10 pensé par les avantages économiques réels à court terme, et ne sont guère susceptibles d'être appliqués à des installations déjà existantes. En second lieu, les gaz sortant par la cheminée ou par la gueule du cubilot sont chargés de particules solides, à savoir des 15 cendres et des particules non brûlées qui, outre les problèmes connus de pollution de l'air, donnent lieu à des problèmes d'engorgement et de souillure des soupapes et de 11 appareillage annexe, que les gaz effluents soient mélangés en totalité ou en partie seulement à l'air introduit par les tuyères. 20 Enfin, des pertes absolument irrécupérables se produisent dans toute la superstructure du cubilot. Un autre problème dont on n'est jamais venu à bout jusqu' ici, en raison des limitations de fonctionnement imposées par les installations disponibles, vient du fait que, en pratique, la 25 température optimum de l'air introduit par les tuyères est fonction de la matière, donc de la fonte, traitée dans le cubilot, de la nature du coke, des spécifications de la fonte en fusion à obtenir, à savoir teneur en carbone et analogues, de la nature chimique (acide ou basique) du revêtement réfractaire et analogues. 30 La présente invention vise un cubilot perfectionné ayant une section transversale supérieure à celle de l'orifice de charge, qui est conforme au schéma de principe classique des cubilots existants actuellement, et qui est capable de : a) Abattre la poussière des gaz effluents du cubilots quand 35 ils montent par la cheminée. 70 36201 4 2068753 b) Faire cheminer de manière réglable les gaz effluents débarrassés de poussière et les mélanger à l'air d'alimentation des tuyères pour le cubilot; c) Préchauffer au besoin, en totalité ou en partie cet air de manière réglable par échange de chaleur avec les parois extérieures du cubilot au-dessus de l'orifice de charge. Comme il apparaîtra plus clairement dans la description détaillée qui suit, la conjonction des effets précités est telle qu'elle permet le réglage à la fois de la température et du pouvoir oxydant de l'air d'alimentation des tuyères, et l'élimination de toutes les impuretés des gaz effluents du cubilot. Plus particulièrement, avec le cubilot perfectionné selon l'invention : 1) On peut empêcher 11 oxydation de la fonte, 2) La teneur en carbone de la fonte peut être soit maintenue fixe, soit même accrue, 3) On réalise une économie de coke, 4) On atteint des températures de fusion plus élevées, 5) L'oxydation du fer, du silicium et du manganèse est réduite, le résultat étant une diminution de la perte totale à la fusion. Sur le dessin annexé : La figure 1 est une vue latérale schématique du cubilot perfectionné selon l'invention, La figure 2 est une coupe axiale verticale de la section supérieure du cubilot de la figure 1, La figure 3 est une coupe suivant III-III de la figure 2, La figure 4 est une coupe suivant IV-IV des figures 2 et 7, La figure 5 est une coupe suivant V-V des figures 2 et 7, La figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation du cubilot selon l'invention, La figure 7 est une vue analogue à la figure 2 du cubilot de la figure 6, et La figure 8 est une coupe suivant VIII-VIII de la figure 7. En se référant d'abord aux figures 1 à 5, la section supé 70 36201 5 2068753 rieure du cubilot perfectionné selon l'invention se compose d'une enveloppe extérieure 1 en tôle dans laquelle est disposée la gaine interne 2, fermée au sommet par un diaphragme 3. Dans la gaine 2 est pratiquée une ouverture ou fenêtre 7 par laquelle les gaz 5 sont obligés de balayer le diaphragme 3, et de suivre le trajet en spirale à section croissante défini par les plaques obliques 4, 5 et 6 montées entre l'enveloppe 1 et la face extérieure de la gaine 2, pour atteindre la paroi 29 et la chicane 40 (figures 4 et 5) . 10 Dans 1'enveloppe 1 est pratiqué un orifice de décharge 8 pour les cendres, impuretés, poussières, séparées dans le cyclone fermé par les plans inclinés précités; depuis l'orifice 8 s'étend un conduit d'évacuation 20 dont l'extrémité inférieure est équipée d'une plaque de fermeture 21 munie d'un contre-poids, prévus 15 pour l'évacuation spontanée et automatique d'un poids prédéterminé de cendres, poussières et autres, recueillies dans le conduit 20, la plaque étant également susceptible d'être manoeuvrée à la main pour permettre une évacuation à chaque moment souhaité. Sur le plan incliné 4 à travers les espaces 31 et 32, la poussière et 20 les particules séparées dans la secfcbn initiale et la section finale du conduit en spirale sont évacuées et se déposent sur les plans inclinés respectifs 5 et 6. Depuis le conduit en spirale, les gaz débarrassés de poussière passent, par l'orifice 9, dans une chambre d'évacuation fina-25 le 50, d'où ils s'en vont, par l'orifice 12, à la sortie 38 où le tirage naturel assure l'évacuation des fumées purifiées. Dans la chambre 50, un orifice d'aspiration 10 est prévu, communiquant par un conduit 14 avec un ventilateur 35. Le conduit 14 comporte un registre 19 manoeuvré par une manivellel6, dans le but de régler 30 la fraction de gaz évacué par 1'orifice 10 et de la mélanger avec de l'air froid prélevé dans l'atmosphère par l'admission d'air atmosphérique 11, qui débouche également par le conduit 51 dans le conduit 14. L'admission 11 communique avec un collecteur général circulaire d'admission d'air froid 23 qui, à son tour, par un 35 collecteur 17, alimente également une chambre de préchauffage d'air. 70 36201 6 2068753 26, formée par la chemise existant entre les parois 27 et 28 et qui communique, par le collecteur inférieur 37, l'orifice 13, le conduit 25 et le registre de réglage et de mélangeage 15, avec le côté admission du ventilateur 35. 5 La soupape 15 est manoeuvrée par une manivelle 18, tandis que des ailettes 30 sont prévues dans la chemise 26 pour favoriser l'échange de chaleur. En outre, la chemise 26 est fermée à sa base par un anneau 39, ayant aussi pour rôle de former une connexion avec la structure classique du cubilot. Sur la figure 1, on peut 10 facilement trouver les éléments énumérés ci-dessus, en considérant les positions relatives de l'orifice de chargement 24 du cubilot 22 et l'anneau 39. Le pouvoir aspirant du ventilateur 35 est déterminé par une soupape principale 34 pour le réglage quantitatif de cette force 15 d'aspiration, cette soupape étant commandée par une manivelle 33. Grâce à ce ventilateur 35, l'air, ou le mélange gaz-air, est aspiré dans le conduit 36 jusqu'à la boîte à vent 52 du cubilot 22. Il apparaît clairement que le vent fourni à la boîte à vent 52 peut se présenter suivant l'un des processus suivants : 20 1) Alimentation en air froid seul : La soupape 19 est dans une position telle qu'elle ferme l'admission de gaz dans le conduit 14 par l'orifice ÎO, et la position de la soupape 15 est telle qu'elle ferme l'admission d'air préchauffé par l'orifice 13. 25 2) Alimentation en air froid mélangé à des gaz effluents purifiés : La soupape 15 dans la même position que précédemment, tandis que la soupape 18 est ouverte et que sa position détermine le rapport du mélange entre l'air froid et les gaz. 30 3) Alimentation en air préchauffé en mélange avec de l'air froid additionné de gaz de cubilot: La soupape 15 est également ouverte et les positions relatives des soupapes 15 et 19 déterminent les proportions entre 1'air préchauffé, l'air froid et le gaz d'échappement du côté admission du venti-35 lateur 35. 70 36201 7 2068753 La souplesse et la sûreté de fonctionnement du cubilot selon l'invention sont donc clairement apparents. On observera que : Les gaz effluents chargés de poussières, mêlés aux impuretés 5 arrivant au sommet de la cheminée, à hauteur de la chicane, émergent par la fenêtre 7 et sont forcés de passer par la chambre en spirale qui les conduit à la fenêtre de sortie 9 de la dernière section du conduit intérieur, pour être évacués. Dans ce cas, les gaz sont évacués sous l'effet à la fois du 10 tirage naturel et de la pression régnant dans l'intérieur du cubilot. Dans le cas où les gaz purifiés sont prélevés en vue d'être mélangés par l'orifice d'admission 10, un mouvement tourbillonnai-re des gaz prend naissance dans le système, et provoque le dépôt 15 des poussières sous l'effet de la force centrifuge. L'orifice extrême du conduit interne 12, dont la fonctbn normale est l'évacuation des gaz de fumée, est réversible, en ce sens que, quand la force d'aspiration du ventilateur dépasse la quantité de gaz à entraîner, de l'air atmosphérique est aspiré par 20 cet orifice d'évacuation, assurant l'équilibre air-gaz exigé par la puissance du ventilateur. Il en résulte qu'avec un ventilateur approprié, il devient déjà possible de contrôler à la fois la quantité absolue et le mélange d'air et de gaz. Les soupapes pour le réglage du gaz seul 25 ou de l'air seul peuvent être considérées comme des organes annexes assurant un réglage fin du rapport désiré pour le mélange. Le ventilateur qui, à son tour, est équipé d'une soupape principale 34, placée à l'extrémité d'admission pour la mesure quantitative du débit, peut être construit de telle sorte qu'il 30 s'adapte à la fois à la quantité et à la qualité du mélange air-gaz, et dans ces conditions, il devient à la fois un appareil à puissance variable et un dispositif de conditionnement métallurgique. Si l'on considère maintenant les figures 6, 7, 8, 4 et 5, 35 on y trouve représentée une variante du cubilot qui vient d'être 70 36201 8 2068753 décrit, les organes de préchauffage d'air ayant été omis, à savoir la chemise 26, qui n'est destinée "qu'à l'utilisation avec un cubilot à vent froid. Bien que l'invention ait été décrite à propos de deux modes de réalisation, il est bien entendu que de nombreuses autres variantes et modifications peuvent en être conçues. 70 36201 9 2068753 REVENDICATIONS 1/ Cubilot à vent froid pour les coulées de fonte, caractérisé en ce qu'il comporte, au-dessus de l'orifice de chargement, un conduit pour l'évacuation des gaz, situé à l'intérieur de, et coaxial à l'enveloppe externe du cubilot, une chambre d'abattage 5 de poussières, définie par des plans inclinés montés transversalement entre cette enveloppe et ce conduit, cette chambre étant alimentée par un orifice latéral de ce conduit, et équipée d'un orifice inférieur à basculement pour l'évacuation par gravité des matières solides séparées par centrifugation, un orifice d'admis-10 sion réglable pour les gaz à évacuer, situé en aval de la chambre d'abattage de poussières, en communication avec le côté admission d'un ventilateur aspirant l'air atmosphérique pour l'alimentation des tuyères du cubilot, le mélange des gaz d'évacuation et de l'air atmosphérique se faisant en aval de ce ventilateur. 15 2/ Cubilot selon 1, caractérisé en ce que ledit conduit d'évacuation communique librement, en aval de la chambre d'abattage de poussières, avec une chambre d'évacuation destinée à l'évacuation des gaz dans l'atmosphère par tirage naturel, ledit orifice d'admission des gaz d'évacuation étant pratiqué dans cette cham- 20 bre- 3/ Cubilot selon 1, caractérisé en ce que, dans ledit conduit d'admission, pour l'entraînement des gaz d'évacuation depuis l'orifice d'admission, est montée une soupape réglable pour les gaz d'évacuation entraînés et/ou l'air froid, et pour la mesure du rap-25 port entre l'air froid et les gaz aspirés par le ventilateur, une soupape de réglage principal étant prévue en outre sur le côté admission du ventilateur. 4/ Cubilot selon 1, caractérisé en.ce que en amont de la chambre d'abattage de poussières, et en aval de l'orifice de char-30 ge du cubilot, est prévue une chemise dans laquelle circule de l'air atmosphérique, en échange de chaleur avec la paroi intérieure du cubilot, cette chemise étant reliée par un conduit au côté admission du ventilateur, ledit conduit étant muni d'une soupape 70 36201 10 2068753 réglable. 5/ Cubilot selon 1 à 4, caractérisé en ce que. la section du cubilot au-dessus de l'orifice de charge, comportant au moins la chambre d'abattage de poussières et les systèmes d'alimentation du ventilateur, est un ensemble autonome monté individuellement sur le cubilot. 6/ Cubilot selon 5, caractérisé en ce que cet ensemble autonome comprend également la chemise de préchauffage d'air.