Brevet FR2686406A1 — publié le 19930723

L'invention concerne un dispositif permettant de diminuer la consommation de coke dans les cubilots. Le cubilot est un four à cuve permettant d'obtenir de la fonte liquide à une température suffisante pour remplir des moules. On introduit à sa partie supérieure un mélange de coke, de fondant et, de matières métalliques, sous forme solide et on recueille à la partie inférieure un métal liquide. La fusion se fait grace à la combustion du coke réagissant avec lVoxygene de lVair introduit par des tuyères dans la partie basse du four. Le cubilot traditionnel comporte à sa base une ou deux rangées de tuyères introduisant de l'air froid ou chaud, à une température, lorsqu'il est chaud ne dépasse guère 500 C.Ces tuyères, réparties sur la surface du cubilot, sont alimentées en air à partir de botes à vent entourant le cubilot et auxquelles elles sont reliées par des portevents. Dans la zone d'injection de l'air, dite zone de combustion, la réaction de l'oxygène de l'air avec le carbone du coke produit un mélange de monoxyde et de dioxyde de carbone; une partie de ce dernier est réduite par le carbone du coke, pour former du monoxyde de carbone, lorsqu'il traverse la zone la plus chaude du cubilot. Cette réaction étant endothermique, elle constitue une perte d'énergie importante à l'intérieur mEme du cubilot.De nombreux chercheurs ont pensé aux moyens de récupérer au moins partiellement cette énergie en faisant brûler du monoxyde de carbone dans la partie haute du cubilot pour que l'énergie développée à ce eau participe au préchauffage de la charge solide. Une des solutions parmi les plus repandues est celle connue sous le nom de système Poumay". Elle consistait à alimenter à partir de la boite à vent alimentant déjà les tuyères inférieures du cubilot de nouvelles tuyères plus petites disposées en spirale- dans la partie supérieure du cubilot. En fait ce système qui a été utilisé dans l'industrie n'a pas apporté les résultats escomptés.Les variations de perte de charge dans l'ensemble des circuits créaient un manque de stabilité dans la répartition de l'air dans les différentes tuyères puisqu'elles étaient toutes alimentées à partir de la meme botte à vent sans possibilité de contrtler les volumes d'air destinés aux différents circuits. Le brevet DE-39-36-384-A1 décrit un système qui prévoit deux rangées de tuyères dans le bas du cubilot: Les tuyères les plus basses sont alimentées avec de l'air à une température égale à au moins 700 C de facon à créer à ce niveau une zone aussi réductrice que possible pour éviter l'oxydation du fer et du silicium gracie à une production plus importante de monoxyde de carbone. Dans la seconde rangée de tuyères on injecte de l'air froid ou chaud qui brûlera encore un peu de carbone et une partie du monoxyde de carbone formé dans le bas. Une troisième série de tuyères est disposée en spirale dans la partie supérieure du cubilot pour y brûler du monoxyde de carbone sans brûler de coke et libérer ainsi de l'énergie participant au préchauffage de la charge. Les trois circuits d'air sont contrtlés séparément.Ce dernier procédé est bien adapté aux cubilots de grande capacité mais peu justifié pour les cubilots de faible capacité pour lesquels les investissements supplémentaires sont difficiles à amortir. L'invention concerne un dispositif de récupération d'énergie pour des installations de cubilots de petite et moyenne capacité qui sont moins sophistiquées que celles précédemment décrites. La Fig. 1A représente une vue en élévation d'une partie d'un cubilot selon l'invention comportant une injection d'air froid par des tuyères disposées suivant une seule spirale. La cuve et les boite à vent ont été éclatées pour en faciliter la compréhension. Les appareils de contre et les vannes sont dessinés de manière symbolique et seuls les éléments du cubilot nécessaires aux explications sont représentés. La Fig. 1B représente une coupe de la Fig.tA suivant le plan AA. Elle est destinée à faciliter la compréhension de la Fig.14. La Fig.2 représente -une vue en élévation d'une partie d'un cubilot selon l'invention équipé de tuyères disposées suivant deux siprales à origine décalée. En effet il est possible d'adapter des tuyères (1) Figer disposées en spirale (2)r pour injecter de l'air froid dans la partie haute du four (3) sur des cubilots classiques, qu'ils fonctionnent avec de l'air froid ou de l'air chaud et7 qu'ils comprennent une ou deux rangées de tuyères (4) dans leur partie inférieure. Le débit d'air alimentant l'ensemble de ces tuyères supérieures (1) qui sont reliées à la boite à vent (7) par un porte vent (8) est contrôlé par un débitmètre (5) qui peut être connecté à une vanne de réglage (6).Lorsque le débimètre (5) mesure une valeur de débit qui sort de la fourchette de consigne précédemment affichée, une correction est effectuée soit manuellement soit automatiquement sur la vanne de réglage (6) pour ramener le débit dans la fourchette de consigne; les vannes de réglages (6) serventessentiellement à équilibrer les débits entre les diverses tuyères (1) et à maintenir cet équilibre qui peut être rompu en cours de fonctionnement par des incidents liés, par exemple, à des morceaux de coke qui viendraient obturer partiellement une tuyère (1) Le débit global d'air alimentant la boite à vent (7) peut être réglé à partir de l'analyse de la composition et la température des gaz à la sortie du cubilot (3) par la combinaison d'une vanne Ide réglage (25) et d'un débitmètre (24); la fourchette de consigne du débit d'air sur chaque tuyère (1) doit bien évidemment varier proportionnellement au débit global. Lorsqu'on utilise, par exemple, des débitmètres (5) à diaphragme, le réglage, de chaque tuyère (1), est effectué par une vanne de réglage pour un débit déterminé de la tuyère (1) par rapport à un débit global d'air alimentant la boite à vent (7); la variation de pression dans la boite à vent (7), due à la variation de débit, engendre une variation du débit d'air sur chaque tuyère sans avoir à agir sur sa vanne de réglage (6). L'analyse des gaz, à la sortie du four, peut e.tre faite, par exemple, en mesure continue et le réglage du débit global de la bote à vent (7) peut être fait manuellement en fonction des teneurs en monoxyde de carbone mesurées. Cette facon d'opérer permet ainsi d'obtenir une consommation de coke aussi faible que possible pour la production de métal liquide à la température optima. L'air injecté dans les tuyères supérieures (1) provient de la boite à vent (7) qui est indépendante la boite à vent (9) alimentant les tuyères inférieures (4) ce qui, avec le fait que le débit d'air peut etre contrôlé et régulé, le différencie du "sytème Poumay". L'ensemble du dispositif décrit peut etre adapté à des cubilots existants ou à de nouvelles installations. Si l'installation décrite dans la demande de brevet DE-39-36-384-A1 impose cette installation de post combustion du monoxyde de carbone du fait de la température très élevée de l'air alimentant la rangée de tuyères inférieures qui en génère volontairement une quantité très importante, le dispositif proposé vise uniquement à économiser du coke sur des installations de cubilots traditionnels. Les tuyères supérieures (1) d'air froid, objet de l'invention, sont disposées en une ou plusieurs spirales (2) de manière à couvrir tout ou partie de la circonférence complète du four (21). Dans une version préférée de l'invention, les tuyères (1) sont disposées suivant une seule spirale (2) qui fait un tour complet de la cuve (3), mais elles peuvent titre aussi disposées, par exemple, suivant deux spirales (11) et (12) Fîg.2 qui font seulement un demi tour de la cuve (14); trois spirales ne feront, par exemple, que 120 degrés chacune; mais rien ntempEche de prolonger ou de raccourcir la longueur de , la ou des spirales; si les tuyères (15) et (46) situées à la base de chaque spirale sont sur des génératrices diamétralement opposées dans le cas de deux spirales (11) et (12) ou à 1209 dans le cas de trois, elles peuvent etre à des niveaux (17) et (18) différents; la tuyère la plus basse (10) fig.1 doit etre suff-isame-nt éloignée de la zone la plus chaude du four, qui se situe- entre 0,5 mètre et I mètre au-dessus des tuyères inférieures (4), afin que la présence d'oxygène ne puisse pas provoquer la combustion de coke qui générerait à nouveau la production de monoxyde de carbone.Le nombre total de tuyères (1) utilisées dépend en principe de la distance (19) minimum acceptable entre deux points d'injection d'air voisins permettant de brûler au global la plus grande quantité de monoxyde de carbone; comme laconnaissance de la concentration en gaz combustible est très variable en fonction du réglage du débit des tuyères (4) situées à la base de la cuve (3), il est difficile d'optimiser la position des tuyères (1) disposées en spirale (2) et qui interagissent les unes sur les autres.En fait le résultat s'obtient par une disposition des tuyères (1) suivant une spirale (2) ou plusieurs spirales (il) et (12) Fig.2 faisant un angle (20) Fig.1A de 30 à 60 degré avec les génératrices de la cuve (3) du cubilot et à une distance (19) les unes des autres située entre 25 et an centimètres la mesure e tant prise au débouché des tuyères (1) dans le four (22), et disposées sur une hauteur (23) allant de 1,5 à 3 mètres en fonction de la hauteur de la cuve à équiper;; plus l'angle (20) de la spirale (2) est faible7 plus on peut éloigner les tuyères (1) les unes des autres, mais en contrepartie, si la tuyère la plus haute (21) est trop proche de la partie supérieure du four (21), les gaz n'ont pas le temps d'échanger leur chaleur avec les produits solides et il y a perte d'énergie par évacuation de gaz trop chaud. Le choix du nombre de tuyères (1), du nombre de spirales(2) Fig. 1A ou (11) et (12) Fig.2, de l'angle (20) des spirales résulte du meilleur compromis entre ces paramètres compte tenu du diamètre et de la hauteur du four (21) utilisé; l'objectif étant d'optimiser le nombre de tuyères (1), donc l'investissement réalisé, en fonction des économies espérées. Nous avons représenté la boîte à vent (7) en dessous de la tuyère (10) la plus basse, mais elle peut se situer à un niveau différent de manière à faciliter au mieux l'accès aux vannes de réglages compte tenu de l'organisation des postes de travail. Sa position n'a en général pas d'influence déterminante sur le fonctionnement de l'installaton. REVENDICATIONS i-Dispositif économiseur d'énergie pour un cubilot classique à injection d'air froid ou chauffé à une température maximum de l'ordre de 500 C, constitué de tuyères (1) disposées en forme d'une ou plL"'---' spirales (2) , caractérisé en ce qu'elles sont alimentées en air froid à partir d'une boite à vent (7) à débit d'air réglable indépendante des boites à vent (9) situées à la base du cubilot, les portes vent (8) de raccordement de la boite à vent (7) aux tuyères (1) étant équipés chacun d'une vanne de réglage (6) de débit d'air ainsi que d'un débitmètre (5), afin de pouvoir régler la combustion du monoxyde de carbone dans les gaz provenant de la combustion du coke au niveau des tuyères inférieures et de réduire la consommation de coke pour une me me quantité de métal produite à une température donnée. 2-Dispositif économiseur d'énergie, suivant la revendication précédente, caractérisé en ce que deux tuyères (1) successives sont à une distance, (19) comprise entre 25 et 60 centimètres. 3-Dispositif économiseur d'énergie, suivant lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les spirales font un angle (20) avec les génératrices de la cuve compris entre 30 et 60 degrés. 4-Dispositif écoromiseur d'énergie, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance (23) entre la tuyère (10) la plus basse et la tuyère (21) la plus haute est comprise entre 1,5 mètre et 3 mètres. 5-Dispositif économiseur d'énergie, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le cas où il y a plusieurs spirales leurs origines (17) et (18) sont situées à des hauteurs différentes. 6-Dispositif économiseur d'énergie, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débitmètre et la vanne de réglages sont couplés de manière à ce qu'en fonction des dérives constatées par rapport au valeurs de consigne, la position de la vanne de réglage puisse etre automatiquement modifiée pour faire revenir le débit à la valeur de consigne. 7-Dispositif économiseur d'énergie, suivant la revendication précédente, caractérisé en ce que les dites valeurs de consigne sont établies à partir de l'analyse de la composition et de la température des gaz à la sortie du four (22).