Brevet FR2567997A1 — publié le 19860124

La présente invention se rapporte à un disposi- tif de fusion et, en particulier, C un dispositif de fu- sion dans lequel une quantité prédéterminée de matière car- bonée en particules est envoyée dans un corps de four de fusion pour y être brelée,afin que la chaleur de combus- tion provoque la fusion de la matière à fondre. Dans des fours de fusion tels que-des hauts four- neaux, des cubilots et autres, il est habituel de charger du fer brut, par exemple du minerai de fer ou des ferrail- les, dans le corps du four, en même temps qu'une matière carbonée, avant d'y insuffler de l'air, de manière à fon- dre le fer brut par la chaleur de combustion de la matière carbonée. Ce mode de fonctionnement du four présente toute- fois un inconvénient grave en ce que le prix du charbon est élevé, ce qui augmente inévitablement le coût de fonc- tionnement du four. Des études pour réduire le prix de la matière carbonée ont -été effectuées en beaucoup d'endroits, dans ce domaine. La présente invention est établie à partir de cette situation. Autrement dit, l'invention a pour objet principal de diminuer le coût de l'opération de fusion. Elle a également pour objet un dispositif pratique qui permet d'atteindre ce résultat. Dans le dispositif inventé, c'est-à-dire un dispositif de fusion, on utilise comme ma- tière carbonée du charbon en particules et on adopte un mé- canisme unique d'envoi de la matière carbonée dans un corps de four pour y être brûlé. Un dispositif de fusion conforme à la présente invention comprend un four de fusion comportant un corps de four sensiblement cylindrique, un passage de soufflage pour introduire dans le corps de four l'air provenant d'une sour- ce existante d'alimentation en air, des moyens de distribu- tion de charbon en particules pour envoyer au corps de four une quantité prédéterminée de charbon en particules, et un conduit pour introduire dans le corps de four le charbon en particules provenant des moyens de distribution de charbon en particules. L'invention est caractérisée en ce que le passage de soufflage comporte un passage de dérivation qui reçoit une partie du flux d'air circulant dans le passage de soufflage,et le passage de dérivation est d'autre part raccordé au conduit de sorte que le flux d'air dérivé est introduit dans le conduit. Avec le dispositif suivant l'in- vention, l'air qui passe dans le conduit peut être intro- duit dans le corps de four en même temps que la matière car- bonée provenant des moyens de distribution de charbon en particules. Dans un mode de réalisation du dispositif de fu- sion conforme à l'invention, un orifice de sortie du con- duit est situé dans une tuyère du corps de four, de sorte que le charbon en particules et l'air amenés par l'inter- médiaire du conduit peuvent être introduits dans le corps de four, à travers l'orifice de sortie, et mélangés avec l'air qui arrive par le passage de soufflage. Un autre mode préféré de réalisation de l'in- vention comprend un four de fusion comportant un corps de four sensiblement cylindrique, un passage de soufflage pour introduire dans le corps de four l'air provenant d'une sour- ce existante d'alimentation en air, des moyens de distribu- tion de charbon en particules pour envoyer au corps de four une quantité prédéterminée de charbon en particules, un conduit pour introduire dans le corps de four le charbon en particules provenant des moyens de distribution de char- bon en particules, des moyens d'extraction de matière du type à vis pour pousser ou extraire le charbon en particu- les, disposés dans la partie inférieure d'une trémie à char- bon en particules faisant partie des moyens de distribution de charbon, un passage de dérivation qui est branché sur le passage de soufflage pour dériver une partie de l'air qui circule dans le passage de soufflage, et des moyens de mise en pression ou de compression pour porter à une certaine pression l'air qui circule dans le passage de dérivation, de sorte que l'air sous pression venant des moyens de mise en pression est ensuite introduit dans le conduit afin d'a- gir sur le charbon en particules poussé hors des moyens d'extraction de matière du type à vis. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, les moyens d'extraction du type à vis mentionnés ci-dessus comprennent un moteur d'entraînement, un arbre rotatif entraîné par le moteur et un ressort hélicoïdal fi- xé concentriquement sur l'arbre rotatif. Dans une autre variante de réalisation de l'inven- tion, les moyens de mise sous pression ou de compression comprennent un surpresseur. Dans encore une autre variante de réalisation de l'invention, des moyens de contournement sont prévus dans le passage de dérivation,pour contourner les moyens de com- pression. Dans une modification de l invention, la trémie de charbon en particules est constitué d'une trémie fermée de façon étanche et l'intérieur de la trémie communique avec le passage de dérivation, à l'aval des moyens de compression, de sorte que la pression de l'air dans le passage de dériva- tion agit sur le charbon en particules dans la trémie. Dans encore une autre variante de la présente in- vention, le four de fusion est un cubilot. Les fonctions et les avantages de ces divers ty- pes de four de fusion sont indiqués ci-après. Dans de tels fours,le charbon en particules peut être envoyé en quanti- té prédéterminée par les moyens de distribution de charbon en particules et,par l'intermédiaire du conduit, dans le corps de four. Puisqu'on peut ainsi envoyer la matière car- bonée dans le corps de four, sous cette forme de particu- les ou de grains fins, la température intérieure du four peut être augmentée en réponse rapide à l'envoi de la ma- tière carbonée, ce qui facilite le réglage de température dans le four. Puisque le rendement de combustion du charbon en particules est élevé et,par conséquent,la vitesse d'é- lévation de la température dans le four est également éle- vée, non seulement on peut économiser la quantité de char- bon consommée mais il devient également possible d'accep- ter une qualité inférieure de charbon. Cela contribue beau- coup à la diminution du coût de l'opération de fusion. En particulier dans le cas d'un cubilot pour la fusion de fer brut, l'élévation de température dans le four est si faci- le à obtenir qu'un taux plus élevé de mélange de ferrailles, comme fer brut,peut être accepté. Cela contribue d'autre part à l'abaissement du coût de la matière.-Encore un autre avantage réside dans l'amélioration du taux de production de ferrosiliciumd à l'enrichissement en CO dans le four. De façon plus spécifique, l'enrichissement en CO dans le four favorise l'accroissement de la capacité réductrice de l'atmosphère dans le four et limite donc la perte par oxy- dation du ferrosilicium qui est ajouté, dans un four tel qu'un cubilot, en vue du réglage de composition des métaux à fondre. Le dispositif de fusion conforme à l'invention, décrit ci-dessus, présente en outre la caractéristique de permettre l'introduction du charbon en particules et de l'air pour sa combustion, en quantité appropriée et de façon constante. A ce sujet, une description plus complète est nécessaire car cette question est controversée. La quantité d'air à introduire dans le four de fusion par le passage de soufflage doit être, d'une manière générale, réglée d'un instant à l'autre afin qu'elle puisse être adaptée en réponse aux conditions à l'intérieur du four, telles que la pression, la température, etc. Toutefois, lors- qu'on utilise du charbon en particules, la quantité d'air tend à s'écarter irrégulièrement du niveau de réglage cor- rect. Lorsqu'on utilise du charbon en particules comme matière carbonée, de l'air mis sous pression au moyen d'un compresseur, etc., agit généralement sur le charbon en par- ticules de façon à l'insuffler dansle four,et la valeur de la pression engendrée par le compresseur à cet instant doit être déterminée sur la base de la pression maximale dans le four. En effet, le charbon en particules doit dans tous les cas être introduit avec certitude,même lorsque la pres- sion dans le four est à sa valeur maximale. Cette façon de déterminer la pression de l'air comprimé provoque inévita- blement l'envoi d'une quantité excessive d'air dans le four lorsque la pression dans celui-ci diminue. Cet envoi brus- que d'une trop grande quantité d'air dans le four, par rap- port à la quantité désirée, entraîne un envoi correspondant d'une quantité excessive de charbon en particules et, par suite, une combustion imparfaite de la matière carbonée. Dans un dispositif de fusion conforme à l'inven- tion, l'inconvénient ci-dessus peut être avantageusement évité, grâce à la structure particulière décrite ci-après. Plus précisément, une partie de l'air qui est envoyée dans le four par le passage de soufflage est partiellement dérivée et le flux dérivé d'air est dirigé dans le conduit de manière à envoyer le charbon en particules dans ce con- duit,en même temps que l'air, dans le corps de four. Puis- que la pression de l'air dans le passage de soufflage est constamment réglée de manière à être à une valeur appropriée en réponse à la pression dans le corps de four, cette pres- sion diminue naturellement,lorsque la pression dans le corps de four diminue pour une raison ou une autre. Ce mé- canisme évite avantageusement l'envoi brusque d'un excès d'air et de charbon en particules, du conduit dans le four. Autrement dit, la pression de l'air introduit dans le con- duit varie en harmonie avec la pression dans le four. Cela permet de maintenir à un niveau approprié la quantité d'air 256?997 envoyée dans le four par le conduit. Cela maintient par conséquent à un niveau approprié la quantité de charbon en particules envoyée au four. Les conditions de combus- tion dans le four peuvent ainsi être maintenues à un état désiré. Un autre avantage important du dispositif sui- vant l'invention peut être observé dans le mécanisme d'uti- lisation d'une partie de l'air du passage de soufflage, com- me milieu de transport du charbon en particules: le trans- port du charbon en particules peut être effectué par l'ap- plication d'une petite force d'entraînement; la commande de la quantité totale de l'air dans le four peut être faci- lement effectuée, puisque tout l'air introduit dans le corps de four est limité à l'air envoyé par le passage de soufflage. En plus des structures décrites ci-dessus, on peut également penser à un autre mécanisme dans lequel, comme moyen d'extraction d'une quantité prédéterminée de charbon en particules du réservoir de charbon faisant par- tie des moyens de distribution de charbon en particules dans le conduit, on installe le réservoir séparément du conduit, de sorte que le charbon en particules tombe ou est introduit du réservoir dans un passage du conduit et le charbon en particules ainsi introduit est transporté par l'air sous pression. Toutefois, avec ce mécanisme, on ne peut pas éviter l'inconvénient suivant: il est nécessaire que l'en- semble du système de distribution de charbon en particules soit entièrement fermé et étanche, par exemple au moyen d'un entourage par des cloisons. Cela oblige par conséquent à exercer la pression de l'air du passage de dérivation dans le système fermé étanche, car sans cela le charbon en particules serait sûrement dispersé à l'extérieur, du fait de l'air sous pression agissant sur le conduit, à travers l'intervalle formé entre le réservoir et le conduit. Au contraire, dans un mode préféré de réalisa- tion de l'invention, l'inconvénient ci-dessus est complè- tement évité par I'utilisation de moyens d'extraction du type à vis, dans la partie inférieure du réservoir. Puis- qu'aucun intervalle n'est formé entre le réservoir et le conduit, par lequel le charbon en particules pourrait s'é- chapper, il n'est pas nécessaire de prendre des disposi- tions gênantes, comme ci-dessus. Comme charbon en particules utilisable dans l'in- vention, on peut citer le charbon en grains ou en poudre, le coke, etc. Ces matières sont généralement utilisées à une granulométrie (diamètre de particule) ne dépassant pas 3 mm et, le plus souvent, ne dépassant pas 1 mmo. La matière carbonée en particules idéale ou la plus avantageuse en uti- lisation pratique est celle dans laquelle une partie sub- stantielle des particules sont comprises entre 0,5mm et 0,07 min. Outre les dispositions qui précèdent, 1'inven- tion comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du com- plément de description ci-après, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'une installation de cubilot, dans un mode de réalisation de la présente inven- tion; et la figure 2 est une vue en élévation, à plus grande échelle, d'une partie principale des moyens d'ex- traction du type à vis. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Sur la figure 1, un dispositif de fusion est il- lustré schématiquement sous la forme d'une installation de cubilot. L'installation de cubilot comprend un cubilot , un appareil 12 de distribution de charbon en particu- les pour envoyer une quantité prédéterminée de charbon en particules, un tuyau de soufflage 14 pour introduire dans le cubilot 10 l'air de combustion venant d'une source 8 d'alimentation en air, un tuyau de dérivation 16 branché sur le tuyau de soufflage 14, et un conduit 18 d'amende de charbon en particules qui sert de passage pour le char- bon en particules entre l'appareil 12 de distribution de charbon et le cubilot 10. Le cubilot 10, d'un type usuel servant à la fusion de métaux pour des coulées, comprend un corps de four 20, sensiblement cylindrique, en matériaux réfractaires, comportant à sa partie supérieure une ouver- ture de chargement de la matière à fondre et, à sa partie inférieure, une sortie pour la fonte en fusion et une sor- tie pour les scories, et une botte à vent 22 dont l'extré- mité est raccordée à une tuyère 26. L'air reçu et canalisé dans la botte à vent 22 est soufflé dans le corps de four 20 par l'intermédiaire de la tuyère 26. L'appareil 12 de distribution de charbon en par- ticules comporte d'autre part une cuve 28 contenant le charbon en particules et un équipement 30 d'extraction du type à vis, prévu à la partie inférieure de la cuve 28. La rotation d'une vis 32 autour de son axe pousse le charbon en particules dans le conduit 18 d'amenée de charbon, à un débit prédéterminé. La vis 32 de l'équipement d'extraction du type à vis comprend, comme représenté sur la figure 2, un arbre rotatif 34 et un ressort hélicoïdal 36 fixé sur l'extrémité de l'arbre rotatif 34. La vis 32 est mise en ro- tation par la force d'entratnement d'un moteur 38. Le con- duit 18 d'amenée de charbon en Darticules part de la base de la cuve 28 et son autre extrémité est raccordée à la tu- yère 26 du cubilot 10, de manière à introduire dans la tu- yère 26 le charbon en particules extrait de la cuve 28. Le tuyau de dérivation 16, qui est branché sur le tuyau de soufflage 14, est raccordé au conduit 18 d'ame- née de charbon en particules de manière à introduire dans ce conduit 18 une partie de l'air de combustion qui circule dans le tuyau de soufflage 14,sous une certaine pression constante. Dans la partie intermédiaire du tuyau de dériva- tion 16, un surpresseur annulaire 40 est installé de maniè- re à donner une certaine pression à l'air introduit dans le tuyau de dérivation 16, avant qu'il arrive au conduit 18 d'amenée de charbon en particules. L'air mis sous pression dans le surpresseur 40 est introduit partiellement à la partie supérieure de la cuve 28, par un passage de communi- cation 42. L'égalisation de la pression dans le conduit 18 d'amenée de charbon en particules et dans la cuve 28 a pour but d'assurer l'écoulement régulier du charbon en particu- les de la cuve 28 au conduit 18 d'amenée de charbon en par- ticules, dans le flux d'air sous pression introduit dans le conduit. Le tuyau de dérivation 16 comporte également un tuyau 44 de contournement du surpresseur 40. Il est donc possible de renvoyer,à l'amont du tuyau de dérivation 16 par rapport au surpresseur 40, une partie de l'air comprimé par le surpresseur 40, au moyen de la manoeuvre d'une vanne 46 placée en position intermédiaire dans le tuyau de con- tournement 44. Dans un cubilot construit comme ci-dessus, l'air de combustionenvoyé par la source 8 d'alimentation en air, est d'abord emmagasiné dans la boîte à vent 22 puis souf- flé dans le corps de four 20, par l'intermédiaire d'un con- duit 24 d'envoi d'air et de la tuyère 26. D'autre part, une certaine quantité prédéterminée de charbon en particules est extraite de la cuve 28 de l'appareil 12 de distribution de charbon, en fonction de la vitesse de rotation de la vis 32, et introduite dans le conduit 18 d'amenée de charbon en par- ticules. Le charbon extrait est introduit, en même temps que l'air sous pression envoyé dans le conduit 18 d'amenée de charbon en particules, à la tuyère 26 et ensuite dans le corps de four 20. Autrement dit, le charbon en particu- les extrait dans le conduit 18 d'amenée. de charbon peut être envoyé dans le corps de four 20, grace à l'action d'accompagnement du flux d'air qui a été dérivé du tuyau de soufflage 14 pour être comprimé par le surpresseur 40 et renvoyé au corps de four 20 par l'intermédiaire du con- duit. Dans le cas ou la pression de l'air sortant du surpresseur 40 dépasse une valeur appropriée pour la distri- bution d'une quantité requise de charbon en particules, on peut la régler par manoeuvre de la vanne 46 sur le tuyau de contournement 44, de manière à renvoyer partiellement l'air sous pression à l'amont du surpresseur, jusqu'à ce que la pression descende à une valeur correcte. Dans une installation de cubilot de cette struc- ture, on peut obtenir divers avantages indiqués ci-après. Puisque le rendement de combustion du charbon en particu- les envoyé dans le corps de four 20 est élevé et que la température à l'intérieur du four augmente en conséquence, la consommation de charbon en particules peut être réduite. En outre, comme charbon en particules, on peut brûler du charbon de basse qualité, par exemple du charbon de rebut, ce qui contribue,avec les avantages cités plus haut,à la réduction du coût de l'opération de fusion. Un autre avan- tage du dispositif de fusion de ce type, dans lequel le charbon en particules est amené par l'air dans le corps de four 20, réside en ce que, en plus de la facilité avan- tageuse de réglage de la quantité de matière carbonée dis- tribuée, on peut remplacer progressivement la matière bru- te par des ferrailles peu coûteuses, en fonction de l'élé- vation de température dans le four. Cette augmentation du taux de mélange de ferrailles abaisse effectivement le coût de la matière. Un avantage secondaire notable de ce dispo- sitif est l'amélioration du taux de rendement de ferro- silicium utilisé dans le corps de four 20 pour le réglage de composition des métaux à fondre. Le ferrosilicium est habituellement introduit comme additif, en tenant compte d'une perte par oxydation à un certain point. Toutefois, l'enrichissement en CO2 dans ce type de four limite la per- te du ferrosilicium, du fait de l'élévation progressive de la capacité réductrice de l'atmosphère du four. Un autre avantage de ce dispositif de cubilot est la stabilisation de la quantité d'air soufflée dans le corps de four 20 et de la quantité de charbon envoyée dans le corps de four 20. La fonction de stabilisation de l'air et du charbon, qui sont empêchés de s'écarter irrégulière- ment de la valeur prédéterminée, résulte des caractéristi- ques ci-après. Puisque la pression dans le tuyau de souf- flage 14 est réglée de façon à fournir constamment une quan- tité appropriée d'air en réponse aux conditions dans le corps de four 20, la pression de l'air qui est introduit par le tuyau de dérivation 16 dans le conduit 18 de dis- tribution de charbon, pour le transport du charbon en parti- cules,varie en harmonie avec la pression à l'intérieur du four,tout en étant maintenue à une certaine valeur au-des- sus de la pression à l'intérieur du four. Autrement dit, la différence entre la pression à l'intérieur du four et la pression de l'air introduit dans le conduit 18 de distribu- tion de charbon en particules ne peut pas varier irréguliè- rement. Cela permet d'envoyer une quantité d'air sensible- ment constante dans le corps de four 20 et, par conséquent, de maintenir la quantité de charbon en particules à une cer- taine valeur prédéterminée, de sorte que les conditions de * combustion restent correctes dans le cubilot 10. Comme autre avantage de ce dispositif, on peut citer la diminution du coût de l'énergie de transport du charbon en particules et la facilité de réglage de la quan- tité d'air provenant du tuyau de soufflage 14 et à introdui- re dans le corps de four 20. Ces deux avantages résultent de l'utilisation d'une partie de l'air qui circule dans le tuyau de soufflage 14,comme fluide de transport du charbon en particules. On explique maintenant la raison et les avantages de l'utilisation de l'équipement d'extraction 30 du type à vis, décrit plus haut. Avec une vis usuelle, comportant une ailette hélicoïdale disposée autour d'un arbre rotatif, l'ailette ou nervure risque de s'user rapidement. La vis suivant la présente invention est très avantageuse,en ce que son usure est limitée. Bien qu'il ne soit pas facile d'expliquer l'effet de limitation d'usure de ce type de vis, on peut probablement l'attribuer à la structure creuse de la vis et à la déformabilité élastique du-ressort 36 ser- vant d'ailette. De plus, il faut noter ici que les moyens d'extraction à vis de ce type sont suffisamment efficaces en ce qui concerne leur capacité de poussée. La description ci-dessus se rapporte à un seul mode de réalisation. La présente invention est toutefois applicable à de nombreux types différents. Par exemple, les moyens de mise sous pression de l'air dérivé du passage de soufflage ne sont pas limités au surpresseur annulaire mais on peut utiliser d'autres types de surpresseur. Le cu- bilot auquel la présente invention peut être appliqué n'est pas limité à celui qui est décrit ci-dessus mais d'autres cubilots conviennent également. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'inven- tion ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisa- tion et d'application qui viennent d'être décrits de façon explicite; elle en embrasse au contraire toutes les varian- tes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matiè- re, sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. Par exemple, celle-ci est également applicable à un haut fourneau pour la fusion de minerais. Revendications 1. Dispositif de fusion qui comprend un four de fusion (10) comportant un corps de four (20) sensiblement cylindri- que, un passage de soufflage (14) pour introduire dans le corps de four de l'air provenant d'une source pré-établie (8) d'alimentation en air, des moyens (12) de distribution de charbon en particules pour distribuer une quantité pré- déterminée de charbon et un conduit (18) pour introduire dans le corps de four le charbon en particules distribué par les moyens de distribution de charbon, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un passage de déri- vation (16) branché sur le passage de soufflage (14),de manière à dériver une partie de l'air qui circule dans le passage de soufflage, et raccordé au conduit (18), de sorte que l'air dirigé dans le passage de dérivation est introduit dans le conduit et que cet air est envoyé dans le corps de four en même temps que le charbon en particules venant des moyens de distribution de charbon. 2. Dispositif de fusion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de sortie du conduit (18) est situé dans une tuyère (26) du corps de four, de sorte que le charbon en particules et l'air amenés par le conduit sont insufflés dans le corps de four, à travers le dit ori- fice de sortie, en même temps que l'air venant du passage de soufflage. 3. Dispositif de fusion suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'extraction (30) du type à vis, placés à la partie inférieure d'un ré- servoir de charbon en particules faisant partie des moyens de distribution de charbon, pour extraire par rotation au- tour de leur axe une quantité prédéterminée de charbon en particules, et des moyens (40) de surpression, placés dans le passage de dérivation pour communiquer une pression à l'air dérivé dans ce passage, de sorte que l'air sous pres- sion sortant des dits moyens de surpression est envoyé dans le conduit pour agir sur le charbon en particules afin que ce charbon soit envoyé dans le corps de four en même temps que cet air sous pression. 4. Dispositif de fusion suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'extraction (30) du type à vis comprennent un moteur d'entraînement (38), un arbre rotatif (34) entrainé en rotation par le moteur, et un res- sort hélicoïdal (36) fixé concentriquement sur l'arbre ro- tatif. 5. Dispositif de fusion suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de surpression (40) com- prennent un surpresseur. 6. Dispositif de fusion suivant l'une des revendica- tions 3 à 5, caractérisé en ce que des moyens de contourne- ment (44) sont prévus dans le passage de dérivation. 7. Dispositif de fusion suivant l'une des revendica- tions 3 à 6, caractérisé en ce que le réservoir de charbon en particules faisant partie des moyens de distribution de charbon est constitué d'une trémie (28) fermée de façon é- tanche et en ce que l'intérieur de la trémie communique avec le passage de dérivation (16) à l'aval des moyens de surpression (40), de sorte que la pression de l'air dans le passage de dérivation agit sur le charbon en particules dans la trémie. 8. Dispositif de fusion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le four de fusion est un cubilot.