Brevet FR2070864A1 — publié le 19710917

La présente invention se rapporte aux perfectionnements de l'opération au haut fourneau, et plus particulièrement à ce par fectionnement de l'opération obtenu par extension, notamment vers le centre du haut fourneau, des zônes de combustion situées en face des tuyères du haut fourneau. Pour une opération spécifique au haut ourneau destiné à la fusion de minerais, des matières premières métalliques, du coke et des fondants sont enfournés dans le gueulard du haut fourneau et du vent, sous forme d'air chauffé pouvant etre enrichi en oxygène et en humidité, OU une combinaison des deux est introduite à proximité du foyer par des tuyères disposées sur la périphérie du haut fourneau. Le vent entrant dans le haut fourneau encourage la combustion du coke en face des tuyères en y créant des zones ou couloirs de combustion. Ces zones sont essentiellement constituées par des espaces remplis de gaz contenant un nombre important de particules liquides ou solides en suspens.Les zones de combustion indépendantes l'une de l'autre sont généralement ellipsoides. La chaleur et les gaz réducteurs se dégageant du coke en combustion, font fondre le métal et le laitier tout en initiant les réactions chimiques, qui se produisent à l'intérieur du haut fourneau et qui entrainent en premier lieu la réduction des oxydes métalliques. Au cours de cette opération, les charges appelées lit de fusion, descendent dans le haut fourneau, et du métal et du laitier fondus sont récupérés dans un creuset situé à la partie inférieure du haut fourneau au-dessous des zones de combustion. Dans le but d'augmenter la production et le rendement du haut fourneau par augmentation de la chaleur apportée aux zones de combustion, on a augmenté la vitesse d'insufflation et les températures du vent tout en l'enrichissant en combustible et en oxygène Cependant, nous avons fait l'expérience que ces techniques ont un succès très restreint conduisant souvent à l'accrochage des charges, c'est- -dire à une interruption de la descente régulière des charges Pour contrôler la température et limiter au maxImum l'accrochage, on peut ajouter de l'humidité, mais ceci conduit à une réduction du rendement des combustibles. Par conséquent, cette invention a pour objectif de perfectionner l'opération au haut fourneau. Un autre objectif de llin- vention est d'assurer une meilleure productivité et un meilleur ren devent & l'opération au haut fourneau en allongeant considérable- ment les zones de-combustisn s'établissant en face des tuyères du haut fourneau, afin de permettre l'utilisation de volumes et de températures de vent plus élevés et/ou d'oxygène sans l'addition proportionnelle d'humidité ou la substitution d'une partie du co ke par un combustible moins exothermique. Un autre objectif de l'invention est d'étendre les zones de combustion en dirigeant des courants de gaz oxydant, indépendamment du vent, sur "lEomme mortffr, afin de bruler des parties de "l'homme mort". Conformément à la présente invention, des courants de gaz oxydant indépendants du vent, une fois que les zones de combustion sont établies par le vent en face des tuyères, sont dirigés sur "lthomme mort" à travers des zônes de combustion,de manière à bruler des parties de "I'homse mort", élargissant ainsi les zones de combustion ainsi que la surface disponible pour les réactions chimiques et le transfert de chaleur. Ceci permet d'utiliser des vitesses de vent et des températures qui, à défaut de surfaces élargies de réaction et de transfert de chaleur, conduiraient à l'accrochage mentiOnné plus haut, et par conséquent augmenteraient la productivité et le rendement du haut fourneau. Pour la suite de la description détaillez de l'invention, il sera utile de se conformer aux dessins ai-annexés représentant une application schématisée de l'invention à un haut fourneau produisant de la fonte. Une tuyère classique 10 est mise en place dans la paroi 11 d'un haut fourneau. Un tube d'injection 12 relie la tuyère 10 à la conduite d'alimentation d'air 13. De l'air chaud ou du vent pouvant etre enrichi de manière conventionnelle en combustible ou en oxygène, avec ou sans addition d'humidité, produit par des cowpers est alimenté à la conduite 13 par l'intermédiaire de la circulaire d'usage non représentée sur le schéma, et delà parvient au centre du haut fourneau en passant par la tuyère 10. Un haut fourneau moderne spécifique peut avoir Jusqu'à 20 tuyères équidistantes disposées sur la périphérie du haut fourneau. Normalement, la température du vent chaud est de 1i490C (2100 F) à 1260 C (23000F > . A son entre dans le haut fourneaur le vent chaud enflamme et brûle le coke à proximité de la tuyère, afin de produire-, et de la chaleur pour faire fondre la charge, et de la chaleur et des gaz réducteurs nécessaires aux réactions chimiques, qui ont lieu à l'intérieur du haut fourneau A des conditions d'opération normales, une zone ou un couloir de combus tion 14 s'établit en face de chacune des tuyères sous l'action du vent chaud entrant dans le haut fourneau. Dans le cadre de cette description, considérons que cette z5ne de combustion est de constitution généralement ellipsoïde. Elle contient essentiellement du gaz en mouvement et des particules liquides et solides 15-15.Les flèches 16-16 et 17-17 indiquent d'une manière simplifiée l'allure du mouvement des gaz à l'intérieur de la zône de combustion. La zône qui contient un mélange de particules solides, plastifiées et liquides, et qui se situe légèrement au-dessus du couloir, dans lequel passent les gaz, représente la surface critique principale de réaction et de transfert de chaleur propre au haut fourneau. Normalement, les zônes de combustion s'établissant en face des tuyères restent indépendantes l'une de l'autre et, dans un haut fourneau moderne, à ces conditions de travail spécifique, celles-ci pointent 122 cm vers le centre du haut fourneau, cote prise aux tuyères. Ceci a pour effet qu'il subsiste au centre du haut fourneau une masse de matière 18 relativement inactive (diamètre 6,7 m environ), qui est substantiellement constituée par du coke et appelée "homme mort". Les traits mixtes 19 marquent le plan limite entre la zône de combustion et l'homme mort à des conditions de travail conformes. Les dimensions physiques des zOnes de combustion et la relation entre celles-ci et la réaction critique principale et la surface de transfert de chaleur, ont une forte incidence sur la productivité d'un haut fourneau. Notamment, le paramètre de l'ex- tension des zones de combustion vers le centre du haut fourneau influe sur la productivité. Or, pour un haut fourneau donné, les dimensions physiques des zônes de combustion, à des conditions de travail équilibrées, ne varient pratiquement pas, indépendamment du volume de vent, de sa température et de son enrichissement éventuel en oxygène, combustible ou humidité. En conséquence, une augmentation du volume et de la température de vent et/ou du volume d'oxygène injecté pour un poids particulier du lit de fusion (minerai/coke), ainsi qu'une introduction additionnelle de combustible restent sans effet majeur sur le rendement du haut fourneau; au contraire, il en résulte souvent un accrochage. Selon l'invention, la productivité et le rendement du haut fourneau sont augmentés par un dimensionnement plus large des zones de combustion, ce qui favorise également la relation existant entre ces dernières et les surfaces de réaction critique principale et de transfert de chaleur. Ceci est obtenu par la création de courants de gaz oxydant et indépendants du vent chaud qui sont dirigés sur l'homme mort, en passant par les zones de combustion, afin de bru ler du coke dans la zône dite "homme mort". Selon un premier mode de réalisation de l'invention, un tube 20 est monté à l'intérieur de la tuyère 10 et du tube d'injection 12 et raccordé à une source de gaz oxydant non représentée, en passant par l'alimentation d'air 13. Un gicleur supersonique à diaphragme convergent-divergent , est monté à l'extrémité de la conduite 20 située à proximité immédiate de la sortie de tuyère 10. Le gaz oxydant est envoyé dans la conduite 20 à une vitesse et pression suffisantes pour qu'il sorte du gicleur à vitesse supersonique; ainsi, il traverse la zône de combustion et parvient à la zône dite "homme mort" sans avoir subi de réaction ou de décomposition sensible dans la zône de combustion existante.A l'impact du gaz oxydant avec l'homme mort, le coke est brûlé et la zone de combustion prend de l'extension de manière que la limite séparant la zône de combustion de l'homme mort, se situe alors à 22. L'extension des zones de combustion représentée sur le dessin par la distance entre les limites 19- et 22, ainsi que la relation entre cette dimension et les surfaces de réaction critique principale et de transfert de chaleur (le plan légèrement au-dessus des zones de combustion), permettent l'utilisation de volumes de vent plus importants, de températures plus élevées et un enrichissement accru en oxygène, qui, à l'absence de zones de combustion plus étendues, conduiraient à l'accrochage des charges.Le courant de gaz oxydant doit passer à une vitesse supersonique de manière à pouvoir traverser les zônes de combustion seulement avec une réaction ou décomposition faible. Des courants de gaz injectés à des vitesses supérieures à celle des gaz sortant des tuyères, mais inférieures à la vitesse supersonique, ne sont pas à meme d'augmenter sensiblement la profondeur de pénétration du couloir de combustion. Selon un second mode de réalisation de l'invention, une lance est incorporée dans le haut fourneau, soit par l'intermédiaire d'unetuyère, soit par un autre orifice approprié dans la paroi du haut fourneau, lance qui passe à travers la zône de combustion et qui débouche sur l'homme mort qui, par l'intermédiaire de cette lance, est alors alimenté d'un courant de gaz oxydant. Des vitesses de. gaz supersoniques ne sont pas requises en cas d'utilisation d'une telle lance. Des courants de gaz oxydant convenant pour cette ope ration, peuvent etre constitués par de l'air, de l'oxygène, des mélanges d'airret de vapeur d'eau et des mélanges d'oxygène et de vapeur, le terme "d'air" embrassant également I 'air enrichi en oxygène. Pour perfectionner davantage les opération au haut fourneau, les courants de gaz oxydant peuvent être préchauffés avant d'etre injectés dans le haut fourneau. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'entre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS Procédé pour la production de métal dans un haut fourneau, dans lequel sont enfournés des matières premières métalliques, du 'oke et des fondants, et dans lequel est insufflé du vent a proximité du ioder par des tuyères disposées sur la périphérie du haut four nean, créant des zones de combustion en face de chaque tuyère, ainsi qu une masse de matière inactive centrée par rapport aux zones de combustion et au haut fourneau, ce procédé étant caracté- risé par le fait que des courants de gaz oxydant sensiblement indépendants du vent sont créés et dirigés sur la masse de matière inactive en passant par les zones de combustion, afin de brûler le coke contenu dans ladite masse de matière inactive, et d'allonger ainsi considérablement les zônes de combustion. 2. Procédé selon la revendication 1., caractérisé-par le fait que ledit gaz oxydant est un gaz choisi parmi le groupe comprenant l'air préchauffé, 18oxygène, les mélanges d'air et de vapeur et les mélanges d'oxygène et de vapeur. 3. Procédé selon la revendication 1., caractérise par le fait que le courant de gaz oxydant est établi comme courant de gaz su supersonique traversant les zOnes de combustion pour venir en contact avec la masse de matière inactive. 4. Procédé selon la revendication l., caractérisé par le fait qu'il implique également l'utilisation-de lances portant sur ladite masse de matière inactive en traversant les zones de combustion, et que les courants de gaz oxydant sont créés et alimentés par lesdites lances. 5. Procédé selon la revendication 1., caractérisé par le fait qu'il implique également une augmentation consécutive du volume de vent insufflé par les tuyères par unité de temps.