Brevet FR2406792A1 — publié le 19790518

La présente invention a essentiellement pour objet un four de fusion de produits ferreux, tels que ferrailles ou minerais pré-réduits, par combustion, du type comportant une cuve verticale dans laquelle une colonne de charge, constituée par les dits produits ferreux éventuellement additionnés d'un fondant, est parcourue par un courant ascendant de gaz de combustion issus de bruleurs oxy-combustibles disposés à l'étage inférieur du four, les produits qui se trouvent au voisinage des brûleurs formant une voûte rigide qui soutient la colonne et délimite, à la partie inférieure de cette dernière, une zone libre formant chambre de combustion pour les brûleurs et chambre de fusion pour le métal. Les fours de fusion de ce type actuellement connus, tels que celui décrit par exemple par le brevet belge 848.069, présentent certains inconvé- nients liés en particulier à la voûte qui se forme autour des brûleurs. La formation de cette voûte est, en fait, totalement erratique, c' est-a-dire que son emplacement et sa forme ne sont pas déterminés de façon sûre, mais dûs au hazard et d'ailleurs variables au cours du temps. Il arrive de plus fréquemment que la voûte cède sous le poids des charges, ce qui entraîne son écroulement au moins partiel. Il en résulte que la zone libre que délimite cette voûte et qui constitue la chambre de combustion, a une valeur variable, le plus souvent insuffisante, et ne permet pas aux flammes de se développer normalement. Cette instabilité de la voûte nuit considérablement à la conduite du four. La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient et propose à cet effet un four qui comporte, à la partie inférieure de la cuve verticale, des moyens de retenue de la colonne de charge au voisinage desquels débouchent des tuyères d'injection de vents oxygénées de façon que la voûte précitée se forme au niveau des dits moyens de retenue. Les moyens de retenue s'opposent à la descente de la colonne de charge et constituent par conséquent une région privilégiée pour la formation de la voûte. L'injection des vents oxygénés à cet endroit permet d'agir sur la température et de contrôler, dans les meilleuresconditions, la formation et la stabilité de la voûte et par conséquent de contrôler le volume de la zone libre dans laquelle se fait la combustion, en particulier d'assurer, à cette zone, un volume constant suffisant pour le développement des flammes. L'invention permet donc de maîtriser la voûte et par conséquent d'améliorer la conduite du four. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de retenue précités sont constitués par un étranglement prévu à la partie inférieure de la cuve et réduisant localement la section utile du four. Cet étranglement assure une surface d'appui à la voûte et lui permet de résister à la poussée de la colonne de charge. Selon une autre caractéristique de l'invention, les brûleurs précites sont prévus pour fonctionner avec une richesse globale en combustible comprise entre 1,18 et 2. Une alimentation surenrichie en combustible a pour conséquence que le courant de gaz ascendant contient des gaz combustibles résiduels qui sont brûlés au niveau des tuyères d'injection, assurant ainsi un apport de calories réglable qui permet le contrôle de la voute. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les tuyères et les bruleurs sont prévus pour que la somme de leurs débits d'oxygène soit comprise entre 0,85 et 1,03 fois le débit nécessaire à la combustion stoécchiométrique du combustible. L'expérience a montré que ces débits d'oxygène permettent d'obtenir une stabilisation optimale de la voûte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs - la figure I représente, de façon schématique et en coupe, un four selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe montrant une variante de réalisa tion de l'étage inférieur du four - la figure 3 est une vue partielle en coupe montrant une disposition possible des brûleurs à l1étage inférieur du four ; - la figure 4 est une réprésentation en coupe d'un second mode de réalisation d'un four selon l'invention. Le four représenté à la figure 1, désigné d'une façon générale par la référence 1, est un four vertical, cylindrique, de section circulaire et d'axe XX'. il comporte, à sa partie supérieure, une ouverture ou gueulard 2 muni d'un système de chargement 3 des produits ferreux (ferrailles ou minerais pré-réduits) auquel on ajoute généralement un fondant (castine). La partie supérieure du four comporte également une cheminée 4 d'évacuation des gaz du gueulard, munie d'un registre 5. La partie médiane du four constitue la cuve verticale 6 dans laquelle les matériaux enfournés par les systèmes de chargement 3 forment une colonne de charge C et dans laquelle se fait la réaction de réduction tandis que sa partie basse constitue l'étage inférieur 7 dans lequel se fait la fusion du métal.Le métal liquide se rassemble sur la sole 8 du four et passe, lorsque l'orifice de coulée obturable 9 est ouvert, dans le chenal de coulée 6a puis dans des moules de coulée (non représentés). L'étage inférieur 7 comporte une surépaisseur interne 10 en matériau réfractaire, identique par exemple à celui formant le revêtement du four, qui présente un épaulement 11 en déclivité vers l'axe XX' et délimite un espace 12 de diamètre inférieur à celui de la cuve 7 et dans lequel débouchent les brû leurs oxy-combustibles 13 alimentés en oxygène par des conduits 13a et en combustible, par exemple en gaz naturel, par les conduits 13b. L'espace 12 cons titue donc à la fois une chambre de combustion pour les brûleurs et une chambre de fusion pour le métal.La surépaisseur 10 créée, à la partie inferieure de la cuve 6 et au droit de l'épaulement 11, un étranglement qui s'oppose à la descente de la colonne de charge C. Le four comporte également deux rangées de tuyères d'insufflation de vents oxygénés : l'une supérieure 14 alimentée par une boîte ou collecteur 14a, l'autre inférieure 15, alimentée par un col lecteur 15a, cette seconde rangée de tuyères débouchant au niveau de l'épaule- ment 11. En fonctionnement, le four est alimenté régulièrement en produits ferreux et les brûleurs 13 sont réglés de façon que la combustion se fasse avec une richesse supérieure à 1, ctest- -dire avec un excès de combustible, cette richesse étant comprise de préférence entre .1,18 et 2. Les vents oxygénés, qui peuvent être de l'air ordinaire ou de l'air enrichi en oxygène, sont injectés par les tuyères 14 et 15 en quantité telle que la somme des débits d'oxygène dans les tuyères 14 et 15 (0,21 x le débit d'air dans le cas où les vents sont constitués par de l'air ordinaire) et des débits d'oxygène dans les brûleurs 13, soit égale à la quantité d'oxygène nécessaire à la combustion stoécchiométrique du combustible multiplié par un facteur compris entre 0,85 et 1,03. Dans ces conditions (présence d'un étranglement et réglage des brû leurs et des tuyères) les produits ferreux de la colonne de charge C fondent en formant à la base de ladite colonne, une voûte ou coque rigide V, en forme de dôme qui prend appui sur l'épaulement 11 et soutient la colonne de charge C. /constitue une paroi qui délimite la chambre 12 à sa partie supérieure et Cette voûte V/assure aq cette derniere un volume suffisant pour le libre déve- loppement des flammes des brûleurs. La déclivité de l'épaulement assure les meilleures conditions d'appui pour la voûte V et le fait que les tuyères 15 débouchent dans l'épaulement lui-même a pour conséquence que cette voûte se forme à la partie supérieure de l'épaulement donc entre les deux rangées de tuyères. En réglant le débit des vents dans les deux rangées de tuyères et éven tuellement leur composition, on peut commander à volonté la combustion des gaz combustibles contenus dans le courant de gaz de combustion ascendant parce que non brûlés dans les brûleurs et par conséquent régler la température du four de part et d'autre de la voûte V. On peut donc agir ainsi directement sur les caractéristiques physiques de la voûte de façon à la maintenir dans les meil leures conditions de stabilité et assurer par conséquent, à la chambre 12, un volume constant. On voit que le four selon l'invention permet de localiser la voûte et de stabiliser mécaniquement par le réglage des brûleurs et des tuyères. On a représenté à la figure 2, sur laquelle les mimes chiffres de référence désignent les mornes éléments que sur la figure 1, une variante de réalisation de l'étage inférieur du four dans laquelle la surépaisseur interne 17, munie d'un épaulement 18 identique à l'épaulement 11, est moindre dans sa partie basse, là où se trouvent les bruleurs 13. il en résulte un agrandissement de la chambre de combustion 19 qui présente un diamètre D notablement supérieur au diamètre d au niveau de l'épaulement 18. Cette configuration permet de donner un espace plus important pour le développement des flammes des brûleurs, tout en ménageant un étranglement suffisant pour s'opposer à la descente de la charge. On a représenté à la figure 3, sur laquelle les mêmes références désignent encore les mimes éléments que sur la figure 1, une variante de réalisation concernant la disposition des brûleurs. Dans cette variante, les brûleurs sont disposés selon deux rangées superposées : l'une inférieure 20, l'autre supérieure 21. Les brûleurs de la rangée inférieure 20 sont réglés pour fonctionner dans les conditions stoécchiométriques de façon à maintenir la partie inférieure de la chambre de combustion 12 à une température très élevée, tandis que les brûleurs de la rangée supérieure 21 sont suralimentés en combustible de façon à limiter l'oxydation du fer. Cette suralimentation est réglée de façon à maintenir la richesse globale, c'est-à-dire de l'ensemble des deux rangées de brûleurs, dans l'intervalle d'enrichissement de 1,18 à 2 mentionné plus haut.Le réglage pourra être tel par exemple que 80 Z de la puissance thermique totale soit fournie par les brûleurs 20 et 20 Z par les brûleurs 21, ces derniers ayant une richesse de combustion de 4,2. Cette richesse peut s'exprimer par la formule R = R P + Ri (1 - P) s formule dans laquelle - R est la richesse de combustion aux brûleurs 21 ; s - Ri est la richesse de combustion aux brûleurs 20 ; - P est la proportion de la puissance thermique fournie par les brûleurs supé rieurs 21. Ainsi qu'on l'a vu précedemment, les tuyères d'injection des vents oxygénés 15 et 14 ont pour fonction d'achever la combustion des gaz imbrûlés dans le four. Les tuyères 15 assurent cette combustion au niveau de l'épaule- ment 11 donc juste au dessous le la voûte V tandis que les tuyeres 14 assurent la combustion des gaz ayant traversé la voûte V. Les débits sont réglés de façon que le débit des tuyères 15 soit nettement inférieur à celui des tuyères 14, 10 à 50 % de l'air injecté passant par les tuyères 15 et 90 à 50 Z par les tuyères 14. Les tuyères, en particulier les tuyères 14, peuvent être munies de brûleurs destinés à assurer l'allumage des gaz. Les tuyères, en particulier les tuyères 15, peuvent être munies de moyens d'injection de poudres destinés à faciliter la fusion, limiter l'oxy- dation et faciliter la composition du laitier, par exemple de poudres de carbone, de spath fluor, d'alumine, de silice, de magnésie, etc... On a représenté à la figure 4 un autre mode de réalisation du four selon l'invention. Sur cette figure, sur laquelle les mêmes chiffres de réf é- rence désignent toujours les mêmes éléments que sur la figure 1, l'étage inférieur 25, au lieu de se trouver en alignement vertical avec la cuve 6 est décale latéralement et s'étend sensiblement horizontalement. Cet étage inférieur comporte une sole 26, un chenal de coulée 26a et un orifice de coulée obturable 27, il est revêtu intérieurement d'une paroi réfractaire 28 et délimite intérieurement un espace 29 dans lequel débouchent des brûleurs 30 et 31 traversant la paroi 28. L'espace 29 constitue donc la chambre de combustion pour les brûleurs et la chambre de fusion pour le métal.Deux rangées superposées de tuyères d'insufflation de vents oxygénés, l'une inférieure 32, l'autre supérieure 33, sont prévues à la partie inférieure de la cuve 6. La zone 34 de raccordement ou de passage entre la cuve verticale 6 et l'étage inférieur 25 constitue un étranglement qui s'oppose à la descente de la colonne de charge C et constitue, comme la surépaisseur 10 de la figure 1, une zone privilégiée de formation de la voûte V, cette voûte pouvant être contrôlée le réglage des tuyères qui débouchent à son voisinage immédiat. La voûte V prend appui d'une part sur la sole 26 et d'autre part sur la jonction supérieure 35 entre la cuve et l'étage inférieur, sa position pouvant varier selon le réglage des brûleurs et des tuyères de la position représentée en traits pleins à la position représentée en pointillés. Comme dans le cas du four précédent, les brûleurs 30 et 31 sont réglés avec un enrichisseeent global compris entre 1,18 et 2, les tuyères inférieures 32 ont un débit nettement inférieur à celui des tuyères supérieures 33 et les débits d'oxygène dans les tuyères et les brûleurs sont compris entre 0,85 et 1,03 fois le débit nécessaire à la combustion stoecchiométrique du combustible. Enfin les tuyères peuvent être munies de- brûleurs pilotes et de moyens d'injection de poudres. On donnera ci-après deux exemples de réalisation de l'invention Exemple 1 Le four utilisé est un four entièrement vertical, c'est-à-dire du type représenté à la figure 1 mais de section droite rectangulaire. Caractéristiques du four - Cuve : section interne : 0,7 x 2,2 m hauteur : 3 m - Etage inférieur section interne : 0,28 x 1,7 m hauteur : 1,5 m - Brûleurs : 40 brûleurs au total répartis selon deux séries de 20 situés à un mime niveau sur chacun des grands côtés de l'étage inférieur ; - Tuyères : rangée inférieure (15 figure 1) : 6 tuyères de diamètre 20 mm réparties en deux séries de trois sur chacun des grands côtés rangée supérieure (14 figure 1) : 6 tuyères de diamètre 20 mm réparties en deux rangées de trois sur chacun des grands côtés - différence de niveau entre les deux rangées de tuyères : 0,30 m. Fonctionnement La cuve est chargée d'un mélange constitué par un tiers de ferrailles ayant une dimension moyenne de 200 mm et de deux tiers de produits préréduits (contenant 90 à 95 Z de fer pur) ayant une dimension moyenne de 70 mm. Les tuyères sont alimentées en oxygène pur et gaz naturel avec un débit par tuyère de 22 m3 à l'heure d'oxygène et 14m3/h de- gae:naturel, La puissance thermique du four est donc de 5.000 thermies par heure. Les brûleurs fonctionnent avec une richesse de combustion de 1,27. Le rapport entre le volume de la chambre de combustion (12 fig. 1) et la puissance thermique est de 0,14 litre par thermie et par heure. On injecte par chacune des tuyères de la rangée inférieure 38 m3/h d'air (228 m3/h au total), ce qui correspond à 20 Z de l'air nécessaire pour achever la combustion du gaz naturel injecté par les brûleurs. On injecte également, par chacune des tuyères de la rangée inférieure, une poudre constituée de 10 Z de carbone, 70 Z de chaux, 10 Z de magnésie, 10 Z d'alumine, à raison de 100 kg/h et par tuyère, cette poudre étant destinée à favoriser la formation d'un laitier fluide et désulfurant. Par les tuyères de la rangée supérieure on injecte de l'air à raison de 150 m3 par heure et par tuyère (900 m3 à l'heure au total) ce qui correspond à la quantité nécessaire pour achever la combustion stoecchiomêtrique du méthane (constituant principal du gaz naturel). Les tuyères de la rangée supérieure sont munies de brûleurs pilotes. il se forme dans ces conditions, à la base de la cuve verticale, une voûte en forme de voute romane qui prend appui sur ltépaulenent en déclivité de l'étage inférieur entre les deux rangées de tuyères comme représenté à la figure 1. On stabilise en agissant sur les débits respectifs des deux rangées de tuyères (par exemple si la voute tente à monter on augmente le débit d'air des tuyères de la rangée inférieure et on diminue celui des tuyères de la rangée supérieure). Le produit final obtenu est du fer à raison de 12 t/h à une température de 16500C. Exemple 2 Le four utilisé est un four à étage inférieur horizontal, c'est-àdire du type représenté à la figure 4. Caractéristiques du four La cuve verticale a une section droite rectangulaire et l'étage inférieur a une section, par un plan vertical, de forme sensiblement trapézoIdale. - Cuve : section interne: 1 x 2 m hauteur : 4 m - Etage inférieur : section interne (par un plan horizontal) 2,5 x 1,6 m hauteur 0,5 m (raccordement avec la cuve) à 0,8 m - Brûleurs : 12 brûleurs au total donnant 1000 thermies à l'heure chacun, répartis selon une première série de cinq prévus sur la paroi sensiblement horizontale de l'étage inférieur (brûleurs 30 fig. 4) et une seconde série de sept disposés sur la paroi verticale (brûleurs 31 fig. 4). - Tuyères rangée inférieure (32 fig. 4). 6 tuyères de diamètre 30 mm rangée supérieure (33 fig. 4) 6 tuyères de diamètre 30 mm - différence de niveau entre les deux rangées : 0,50 m Fonctionnement : La cuve est chargée d'un mélange formé de 1/3 de ferrailles de dimensions moyennes de 300 mm et 2/3 d'éponges de fer d'une granulométrie moyenne de 30 mm. Les douze brûleurs sont alimentés en oxygène pur et en gaz naturel à raison de 170 m3/h d'oxygène et 110 m3/h de gaz naturel par brûleur. La puissance thermique du four est ainsi de 12.000 thermies par heure et la richesse de combustion de 1,3. Le rapport entre le volume de la chambre de combustion (2 m3) et la puissance thermique est de 0,17 L par thermie et par heure. Par chacune des tuyères de la rangée inférieure on injecte 100 m3/h d'air (600 m3/h au total) ce qui correspond à 20 % de la quantité nécessaire pour achever la combustion stoecchiométrique du gaz naturel. On injecte également par chacune de ces tuyères 200 kg/h d'une poudre constituée d'un mélange de 10 Z de carbone, 70 Z de chaux, 10 Z d'alumine, 10 Z de magnésie. Par chacune des tuyères de la rangée supérieure on injecte 400 m3/h d'air (2400 m3 a l'heure au total), ce qui correspond à l'achèvement de la combustion stoecchiométrique du gaz naturel. Ces tuyères sont munies de brûleurs pilotes d'une puissance de 20 thermies par heure. il se forme dans ces conditions, à la base de la cuve verticale, une voûte qui prend appui sur la sole et sur la zone de raccordement entre la cuve et l'étage inférieur. On stabilise cette voûte par le réglage des débits respectifs des brûleurs et des tuyères, comme dans le cas précédent. Le produit final obtenu est du fer à raison de 30 t. par heure à une température de 1650c C. Bien entendu l'invention est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et de nombreuses variantes pourraient y être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Four de fusion de produits ferreux, tels que ferrailles, fontes, minerais pré-réduits, etc..., par combustion, du type comportant une cuve verticale dans laquelle une colonne de charge constituée par les dits produits ferreux éventuellement additionnés d'un fondant, est parcourue par un courant ascendant de gaz de combustion issus de brûleurs oxy-combustibles disposés à l'étage inférieur du four, les produits qui se trouvent au voisinage des brû- leurs formant une voûte rigide qui soutient la colonne et délimite, à la partie inférieure de cette dernière, une zone libre formant chambre de combustion pour les brûleurs et chambre de fusion pour le métal, ledit four étant caractérisé en ce qu'il comporte, à la partie inférieure de la cuve verticale, des moyens de retenue de la colonne de charge au voisinage desquels débouchent des tuyères d'injection de vents oxygénés de façon que la voûte précitée se forme au niveau des dits moyens de retenue. 2. - Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de retenue précités sont constitués par un étranglement prévu à la partie inférieure de la cuve et réduisant localement la section utile du four. 3. - Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étrangle- ment précité est constitué par une surépaisseur interne de la paroi réfractaire de l'étage inférieur du four. 4. - Four selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surépaisseur est moindre dans la partie basse de l'étage inférieur où se trouvent les brûleurs de sorte que la section utile de la zone précitée est supérieure à celle de la partie basse de la cuve verticale. 5. - Four selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surépasseur de la paroi précitée forme, à sa partie supérieure, un épaulement en déclivité vers le centre du four. 6. - Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux rangées superposées de tuyères d'insufflation de vents oxygénés. 7. - Four selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tuyères de la rangée inférieure débouchent sensiblement au niveau de l'epaule- ment précité. 8. - Four selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un étage inférieur décalé par rapport à la cuve verticale et s'étendant sensiblement horizontalement, le passage faisant communiquer ledit étage inférieur et ladite cuve constituant l'étranglement précité. 9. - Four selon les revendications 6 et 8, caractérisé en ce que les deux rangées de tuyères de vents oxygénés débouchent à la partie inférieure de la cuve verticale. 10. - Four selon la revendication 1, caractérise en ce que les brQ- leurs précités sont prévus pour fonctionner avec une richesse globale en combustible comprise entre 1,18 et 2. 11. - Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tuyères et les brûleurs sont prévus pour que la somme de leurs débits d'oxygène soit comprise entre 0,85 et 1,03 fois le débit nécessaire à la combustion stoecchiométrique du combustible. 12. - Four selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tuye- res de la rangée inférieure sont prévues pour délivrer les vents oxygénés avec m débit compris entre 10 et 50 Z du débit des tuyères de la rangée supérieure. 13. - Four selon la revendication IO, caractérisé en ce qu'il comporte deux rangées superposées de brûleurs, les brûleurs de la rangée inférieure étant prévus pour fonctionner en condition stoeechiométrique.