L'EMPLOI DES COMBUSTIBLES GAZEUX

Commissaires : MM. Thenard, Berthier, Dumas, Regnault,

Ghevreul rapporteur.

Extrait des Comptes rendus des séances de V Académie des Sciences, t. XlX»

tëancodu i«' joillet 1844.

Tout le inonde sait :

Que les rainerais de fer mêlés de fondants passés au haut fourneau donnent la fonte ;

Que la fonte traitée è la forge ou au four à puddier donne le fer;

Que lefer, pour être travaillé au marteau, aux cylindres étireurs, au laminoir, doit avoir été préalablement plus ou moins chauffé dans des fours particuliers.

Ces opérations exigeant des températures continues des plus élevées, et Temploi du fer s'étendant tous les jours da«

( «57) vantage avec les nouveaux besoins de la société, on conçoit la nécessité, pour y satisfaire, de se procurer et de travailler ce métal avec le minimum de combustible. Qu^on se rappelle maintenant Ténorme quantité de chaleur dégagée avec les gaz des hauts fourneaux, avec ceux des forges et des fours à puddler ] qu'on se rappelle les efforts que Ton a faits, que Ton fait tous les jours pour appliquer cette chaleur perdue k divers usages, au travail du fer particulièrement, et la sidérurgie va apparaître sous une forme nouvelle, soit qu'on cherche le meilleur emploi possible des gaz, soit que. dans Tétude précise dont leur composition est Tobjet, on cherche un complément à nos théories de la réduction du minerai en fonte et de la fonte en fer.

L'importance des recherches dirigées vers le but d'employer utilement les gaz des fourneaux, ainsi établie d'une manière incontestable, nous dirons que les efforts tentés pour y parvenir portent principalement sur les objets suivants :

i^. L'emploi des gaz des hauts fourneaux chauffés au charbon de bois \

a^. L'emploi des gaz des foyers d'affinerie chauffés au charbon de bois \

3^. L'emploi des gaz des hauts fourneaux chauffés au coke ',

4®. L'emploi des gaz .des fours à puddler chauffés k la houille ;

5®. L'emploi des gaz provenant de combustibles sans valeur ou de peu de valeur, pris à l'état solide.

Le i8 mars 184a, nous rendîmes compte à l'Académie des recherches de M. Ebelmen sur le premier objet^ l'emploi des gaz des hauts fourneaux alimentée an charbon de bois; nous indiquâmes les procédés k Taide desquels il les avait puisés dans les diverses régions du fourneau, la composition qu*il leur avait trouvée et les conclusions auxquelles il était arrivé relativement à IVmploi qu'on peut en

faire comme combustible. EoBn nous indiquâmes les résultats de quelques essais qu'il avait tentés sur le cinçuième objet^ la conversion de combustibles solides de peu de Taleur en fluides élastiques inflammables. En même temps qat TAcadémie, conformément à aotre proposition, approuvait ce travail, elle invitait l'auteur à le continuer, et cesi en conséquence de cette invitation, et grâce à une seconde mission qui lui a été donnée par M* Legrand, sous-secrétaire d'État des Travaux publics, que de nouvelles recherches, dont l'ensemble ne comprend pas moins de quatre Mémoires étendus, ont été entreprises et renvoyées à notrt examen. Voici les titres de ces Mémoires :

Premier Mémoire, — Recherches sur la composition d» gaz qui se d^agent des foyers d'afiinerie;

Deuxième Mémoire. — Recherches sur la production et remploi des gaz combustibles dans les arts métallurgiques;

Troisième Mémoù^e, — Recherches sur la carbonisation du bois ;

Quatrième Mémoire. — Recherches sur la composition des gaz produits dans les opérations de la métallurgie de fer, etc.

Dans le compte que nous allons rendre de ces Mémoires^ nous ne suivons pas Tordre chronologique de leiu* présentation à l'Académie ; nous diviserons notre Rapport en cinq paragraphes correspondant aux cinq objets principaux que nous venons de signaler dans la sidérurgie, en ayant soin de rattacher à chacun d'eux tout ce qui intéresse la théorie des opérations métallurgiques : cette disposition des oàatières sera très-propre à faire apprécier Vétendue des travaux de l'auteur des Mémoires, la coordination des observations et des expériences auxquelles il s'est livré, et comment il atteint son but, de diriger la pratique par la théorie, en transportant le laboratoire du savant au sein même des usines qu'il devait éclairer les lumières de la science.

§ I'**. De l'emploi des gaz des HA.UTS FOURNEAUX CHAUF-

riS AU CHARBON DE BOIS, ET THÉORIE DE LA RÉDUCTION DU MINERAI DE FER.

L'emploi des gaz des hauts fourneaux cliauités au charbon de bois, et la théorie de la réduction du rainerai de fer déduite de la composition de ces gaz puisés dans les différentes régions du fourneau, ayant été Tobjet du Rapport du a8 mars, nous ne memionnons les recherches auxquelles elles ont donné lieu que pour mémoire, et lier les nouveaux travaux aux anciens.

Ç II. — De la COMPOSITION ET DE l'eMPLOI DES GAZ QUI SE DÉGAGENT DES FOYERS D^AFFINERIE, ET THÉORIE DE l' AFFI- NAGE DE LA FONTE AU CHARBON DE BOIS.

La transformation de la fonte (gueuse) en fer ^lu moyen du charbon de bois, par le procédé comtois^ coûte plus que raffinage opéré dans le four i puddler alimenté a la houille; et malgré cela, puisqu'on continue A lé pratiquer, à cause de la meilleure qualité de son produit, on conçoit l'importance de toute étude qui tendra i en diminuer les frais d'exécution, et on aperçoit dès lors la nécessité de connaître toutes les circonstances de Topération, afin de les soumettre à une théorie capable d'expliquer les manipulations de Touvrier, et d'apprécier si Femploi du combustible est le plus avantageux possible.

Les efforts de M. Ebelmen ont été dirigés vers oe double but; mais, avant de dire comment il Ta atteint, nous exposerons la théorie de Faffinage du fer opéré au charbon de bois telle qu'elle était lorsqu'il a commencé a s'en oc* cuper .

( 'fio )

A. Affinage de la fonte au charbon de bois sous le point

de vue théorique^

Une forge comtoise ou un foyer d^affincrie c«»intois est une cavité prismatique à base rectangulaire horizontale a fonte, limitée par quatre parois verticales pareillement en fonte, dans laquelle on brûle du charbon de bois, afia de produire, sous l'influence de la chaleur, deux eflèts 1° la décarburation de la fonte ^ a° Véchauffeineni ifer provenant de cette décarburation, nécessaire pour sonder toutes les parties du métal, le forger et Fédrer ei barres.

La combustion s'opère dans un foyer au moyeu de 1 air atmosphérique froid ou chaud qui s'échappe d'une ou de deux tuyères traversant celle de ses parois verticales appelée varme, La profondeur de la forge étant de o™, aS, w museau d'une des tuyères se trouvera à o", aiS et I autre a o™, 228 environ du fond. Les jets d'air étant dirigés presque horIsoQtalement, il est évident qu'au-dessous d'eux il y aura une quantité considérable de combustible qu'ils n'atteindront pas. D'un autre côté, lorsque la forge est chargée de charbon, celui-ci formant un amas de o"^, 35 à o",4^ d'épaisseur environ au-dessus des tuyères, on voit comment l'acide carbonique produit par la combustion immédiate do charbon pourra se transformer en oxyde de carbone si la température le permet, et comment il pourra se dégagerda foyer d'affinerie, avec ce gaz combustible, du gaz hydrogène provenant de la décomposition de la vapeur d'eau ps' le carbone, et de la distillation que subit le charbon avant d'être atteint par l'oxygène atmosphérique. Une conséquence de cet état de choses est donc une grande perte àf chaleur dans un foyer d'^affinerie^ si on ne tire pas p^^ de celle des gaz qui s* en dégagent à une température trèsélei^ée, et si en méine temps on ne brûle pas par Taw

lAlmosphérique l'oxyde de carbone et Fhydiogène qiiUs renferment.

Avant d'aller plus loin, disiiuguous trois régions dîffé* rentes dans une forge chargée de fonte et de cbarbon : la région moyenne, où s'opère la combustion par la projection de Tair sur le combustible; la région inférieure^ où il n*y a pas d'atmosphère comburante, et la région supé^ rieure^ occupée par. du charbon et jdes gaz dépourvus d'oxygène \ mais remarquons que les limites de ces régions n'ont pas la fixité des plans limites horizontaux, qu'on peut imaginer partager l'intérieur du haut fourneau eu trois régions corre9pondantes à celles que nous venons de distinguer dans la forge comtoise. Eflëctivemeut, dans le premier, la colonne descendante, formée du combustible, du minerai et du fondant, est d'une longueur considérable et invariable pour ainsi dire, et le vent comburant a généralement une vitesse constante ; dans la forge, au contraire, la hauteur du charbon, qui, comme la colonne descendante du haut fourneau, vient se brûler devant les tuyères, est très-variable dans le cours de l'opération, et la vitesse du vent l'est beaucoup : ajoutez a cela que la région supérieure n'est pas limitée par des parois verticales comme Test celle du haut fourneau, et vous comprendrez la diilérence existant entre les trois régions des deux appareils pyrotechniques que nous venons de comparer l'un à l'autre.

Lorsque la forge est en feu, l'affinage marche sans interruption, comme la réduction en fonte du minerai de fer opérée an haut fourneau, mais pourtant avec cette différence que le minerai, une fois sorti du haut fourneau A l'état de fonte, n'y rentre plus, taudis que la fonte, qui est arrivée au fond de la forge à l'état pâteux, en sort plus tard à l'état de loupe, et que celle-ci est partagée en dexoL lopins de fer qui, frappés au martinet, y rentrent chacun deux fois pour être chauffés au rouge soudant, et deux fois en ressortent pour être forgés.

ni. 1 1

Partageons en deux périodes le temps qui s'écoule depoï* que la fonle tombe dans la forge jusqu'à celui ou elleer sort à Tëtat de loupe, ou, en d'autres termes, divisooia deux périodes la durée de la transformation en fer d une quantité donnée de fonte.

Pendant la première période^ la fonte se trouve à 1 eupâteux au fond delà cavité en contact avec de Foxydecit fer et du charbon; les deux lopins, provenant d'une /our^ préparée antérieurement, y sont chauffés-, la durée de ceti*

période est de i heure à i** i5"; on consomme les — *'''

combustible employé dans Taffinage.

Pendant la seconde période^ la fonte est soulevée afind la ilessorner, c'est-à-dire de la séparer des sornes ou scories qui sont adhérentes au fond et aux angles de la forge La fonte dessomée est présentée au vent de la tuyère; il f* produit de Toxyde de fer et un sous-silicate de celte base l^a fonte, en partie affinée, retombe au fond de la foii^e, oo la décarburation s'achève. C'est alors que l'ouvrier aval la loupe, c'est-à-dire qu'il réunit toutes les parties du fe affiné. La durée de cette période est de 25 à 3o minutes; on

y consomme — seulement du combustible n«;ccssaire »

l'affinage.

Quelle dilférence y a-t-il entre la fonte et le fer? Tool le monde s'accorde à dire que la première contient du carbone, tandis que le second, s'il n'en est pas absolument dépourvu, en retient infiniment moins que la fonte. L adinage de celle-ci est donc une décarburation. Mais comment s'opère-t-èlle? Longtemps on a pensé que le vent des tuyères brûlait le carbone; mais, dès 1820, Tun de nous avait f^'^ remarquer (Dictionnaire des Sciences naturelles, t. XVU, p. 228) le peu de probabilité de cette opinion, d'après U double considération de la grande combustibilité du fer à la haute température qu'exige Taflinagc, et de la quaoû^^

( »63) de carbone de la fonte trop faible pour qu^îl ne se brùlàt pas plus de fer que de carbone, non-seulement relativement aux quantités absolues de ces corps, mais encore proportionnellement à leurs quantités respectives; c'est ce qui lui fit admettre ensuite la réaction de Foxyde de fer sur le carbone de la fonte. Mais, quoi qu'il en soit de cette opinion, la démonstration de la théorie de l'affinage par la voie expérimentale restait tout entière k donner. Il fallait définir les actions qui se passent dans les diverses régions d'un espace variable, dont la hauteur ne dépasse pas o'^^S et peut être réduite de moitié environ, expliquer nettement, en définitive, comment la décarburatiou s'opère par combustion au milieu du charbon sans que le fer, qui forme la loupe, s'oxyde et se carbure, et rendre compte conséqnemment des manœuvres du forgeron, qui arrive à SCS fins sans avoir jamais été guidé par la science.

Exposons maintenant les résultats des recherches de M. Ebelmen à ce sujet, et, en examinant les deux périodes de l'affinage de la fonte, nous verrous comment il a atteint le but théorique qu'il s'était proposé.

Première période. — Au moment où la fonte affinée , c'est-à-dire la loupe, vient d'être retirée du feu, il n'y a plus dans la forge que du menu charbon. Les tuyères sont à découvert, et la giteuse, déjà chaude, placée vis-a-vis d'elle, au contrevent, est couverte des débris de fer, de scories, et plus tard on ajoute les parties qui se détachent de la loupe pendant le cinglage. Enfin on recouvre le tout avec un hectolitre de charbon, et on donne le vent, mais non la totalité ; le foyer est constamment rempli de charbon. On évacue les scories pauvres de temps en temps.

C'est pendant cette opération que les deux lopins provenant de la loupe cinglée sont exposés à la température du blanc soudant vis-à-vis des tuyères et successivement, afin que les parties se rapprochant ou se soudant, on puisse ensuite les forger.

If.

M. Ebelmen a constaté que dans la région moyenne, oê le fer est exposé à la plus haute température de la forge, le charbon qui reçoit le jet d'air atmosphérique des tayères est converti en acide carbonique. Voici, en effet, la composition des gaz puisés par aspiration au moyen d'iin appareil analogue à celui dont il s'était servi pour puiser les gaj dans Tintérieur des hauts fourneaux, au niveau de la face inférieure des lopins :

Acide carbonique. . . .... 1 5 , 78 1 3 , 5r

Oxyde de carbone 8,06 i2>44

Hydrogène 0,70 0,90

Azote • . • . 75, 5i 73*75

En puisant la gaz à la hauteur de la face supérieure d& lopins, on constate la tendance de l*acide carbonique à passer à l'état d*oxyde par le contact du charbon, car ils sont composés de :

Acide carbonique 7 « 7^

Oxyde de carbone 20 , 3 1

Hydrogène 0,37

Azote 71 ,62

On voit, diaprés ces analyses, combien la région moyenne de la forge> celle où s'opère l'action immédiate de Toxygène atmosphérique sur le carbone, est restreinte dans son étendue, et nous ajouterons combien il serait inexact de la considérer comme un espace limité par des plans parallèles.

Pendant le forgeage du fer, la fonte se désagrège et tombe dans la région inférieure suir les sornes, essentiellement formées d'oxyde de fer et de silice; elle doit être en grumeaux à Tétat pâteux.

En examinant les gaz puisés dans le voisinage delà fonte placée au contrevent^ lorsque le premier et le second lopin

( .65 ) provenant de Tétirage de la loupe sont exposés au feu^ M. Ebeimen les a trouvés composés de :

Acide carbonique. . . i ,64 i «67 6, i5

Oxyde de carbone. . 29,20 ^7,85 24*11

Hydrogène 1 ,92 2 ,44 ' » ^

Azote 67 , 24 68,04 68,44

Il est évident que, dans ces circonstances, la fonte se trouve dans une atmosphère non oxydante ou très-peu oxydante, car il n'y a que l'acid&carbonique capable dé Toxyder, et il n*est qu^en petite quantité. La décarburation s'opère donc alors , dans cette première période de Taffinage^ par Toxygène des scories riches ou de Toxyde de fer, et c'est alors que les manipulations du forgeron consistent principalement à mettre les scories en contact avec la fonte; il peut y avoir action par cémentation et action par projection des scories <x>ntre la fonte, projection opérée par le vent des soufflets.

Lorsque la chaleur augmente, la fonte s'échauffe davantage; mais alors M. Ebelmcu n'a pu se procurer des ga?, le tube dont il faisait usage pour les puiser s' obstruant par la projection des scories.

La composition des gaz puisés iromédi^emept au-dessus des charbons lorsque les tuyères en sont couvertes, restait à examiner.

M. Ebeimen a trouvé les compositions suivantes aux gaz puisés, lorsque le charbon dépasse les tuyères de o^^Z et pendant le rechauffage des deux lopins :

t;> minntw.

30 minutes.

7D minutes

Acide carbonique. . .

Oxyde de carbone. .

Hydrogène

Aiote

La proportion de Toxyde de carbone augmente donc à

( '66) mesure que l'opération i^vance ; mais il y a un terme où la couche de charbon devenant moins épaisse, la proportion de ce même pityde décroit pendant que celle de Tacide carbonique augmente. L'hydrogène va en décroissant, parce que le charbon qui va se brûler en a été, en partie, dépouillé par la distillation qu'il a subie dans la région supérieure. Les analyses suivantes prouvent ce que nous disons :

Puiséii I heure après te cornmenceroeot de raffinage. Aprdt i ^ lo".

Acide carbonique . .

io,i4

Oxyde de carbone.

Hydrogène

Azote

L'acide carbonique se change .donc en oxyde de carbone dans la région supérieure, et le charbon perd son hydrogène par la chaleur de plus en plus élevée à laquelle il est exposé, jusqu'au moiùent où, parvenu dans la région moyenne, il est réduit en acide carbonique par Toxygène atmosphérique.

Telles sont les actions qui se passent dans la première période de TafBnage^ parlons de celles qui s^accomplissent durant la seconde.

Seconde période. — Pendant la seconde période, il n'y a plus dans }a forge que la fonte et une petite quantité de char* bon dont on maintient la proportion en en ajoutant à mesure qu'il s'en consume ; il se produit une gerbe brillante dans laquelle M. Ebelmen a puisé des gaz à quatre époques différentes (a, b^ c, d).

(a) La seconde période s'ouvre par l'opération du deS" sornagey qui consiste à soulever la fonte en partie afiinée, a&n d'en séparer les sornes ou scories riches.

[b) Après le dessomage, la fonte à l'état pâteux, en partie affinée, est présentée au vent des tuyères; la forge

( >67 ) ue prësenle plus alors qu'une région moyeuue cl une région inférieure; la fonte sViifaisse et descend au-dessous du ni* veau des tuyères. Dans quelques usines on ajoute, k celte époque, i5 kilogrammes de rognures de tôle, représentant

environ ^de la quantité de fer qui sera produite.

(c) La fonte, ou, comme on dit, la /;iece, repose à demi plongée dans un bain de scories riches \ le forgeron eu soulève l^èrement les diverses parties, afin de faire circuler Vair à l'entour aussitôt qu'il s*est assuré que l'affinage est opéré.

(fi) Il réunit toutes les parties de fer en une seule masse, c'est la loupe. Il refroidit les museaux des tuyères avec des battitures mouillées. Il arrête le vent et retire la loupe du feu.

Voici la composition des gaz correspondant aux quatre époques de la deuxième période :

l'* rpoquo.

'j' époque.

3c époque.

4* époque.

AciHe carbonique . .

"tS)7

Oxyde de carbone.

8,qi

Hydrogène

i,ia

Azote •

Dans la seconde période, tout Toxygiae ne se porte donc pas, comme dans la première, sur le charbon; non-seule* ment une portion reste libre de toute combinaison, mais une autre encore se porte sur du fer el du carbone de la fiwie pour produire de l'oxyde de fer, de l'oxyde de carbone et beAuooup de chaleur. Une portion d'oxyde de fer convertit les scories crue» en silicate basique, el ultérieurement l'oxyde de fer déearbure les dernières parlions de fonte. Sans doute Foxydation de la couche extérieure de la fonle est l'ofaalacle qui empêche le carbone du conibuslible

( «68 ) de pénétrer dans l'intérieur de la masse ierrense, pendant que Toxyde de fer contenu dans cette masse achève Taflinage de la fonte en réagissant sur le carbone.

On a essayé sans succès de remplacer le charbon de bo». dans raffinage comtois, par le bois vert et le bois desséchr

B. Affinage de la fonte au charbon de bois mous le point de w

de r application.

Les détails dans lesquels nous venons d^entrer expliquer)', bien, conformément à la comparaison que nous ^yon^ faite entre le haut fourneau et la forge, pourquoi les %ii qui se dégagent de celle-ci n*ont point la constance* à' composition de ceux qui se dégagent du premier : ainsi Je vent de la forge est variable-, dans la seconde 'période i( raffinage^ Tacide carbonique produit ne traverse pas une •couche épaisse de combustible, ainsi que cela a lîeadan< la première période; et dans celle-ci même, Tépaisscur At la couche au-dessus' de la région moyenne, et i 'état du charbon, suivant qu'il est froid ou qu'il a déjà éprouvé Faction de la chaleur, influent sur la nature du produit gazeux des feux d'affinerie comtois.

La première conséquence à déduire de cet état de cho5*^ est Timpossibilité d'obtenir une température assez élevée ti soutenue durant un temps suffisant pour opérer le puddlag^* de la fonte, comme on peut le faire avec les. gaz dégas:^ d'un haut fourneau. Mais on tire aujourd'hui un très-bon parti de ces gaz pour échaufier les fours où l'on expose, soit des tôles destinées à subir un nouveau laminage, soit du fer destiné k être réduit en petit fer. Dans le premî^f^ cas, il suffit d'une chaleur rouge-cerise, mais en évitant que l'atmosphère du four soit oxydante; dans le secoou cas, la température doit être plus élevée et produite aussi rapidement que possible. D'après cette difiérence de conrfi* tion de chaleur, les fours doivent diflTércr les unsdessotic^

( "69 ) dans leur disposition à recevoir les gaz combustibles et Tair nécessaire à leur combustion.

M. Ebelmen a analysé les gaz combustibles k leur entrée dans les fours annexés aux foyers d'affinerie.

Voici la composition des gaz des fours de tôlerie pendant la durée de Taffinage :

Première (lériode. Oeazième période.

Acide carbonique. . 10,66 12,21 i4>^7 '^'79

Oxyde de carbone. 16, 34 12,91 6,27 0,46

Hydrogène J^y%^ 3, 18 3, 18 P^oo

Oxygène 0,00 00,0 o,go i ,4^

Azote..; 68,82 71 970 74>7^ 81, 3o

Si ces analyses ne peuvent représenter la compositiou moyenne des gaz dégagés des foyers d'affinerie, elles mon* trent les variations de leur composition à diverses époques de raffinage.

Deux causes exercent de Tinfluence sur la nature des gaz des Jours de petit étirage : i^ Tépoque de Taffinage à la* quelle ils se dégagent des foyers d^affinerie ; 2^ le volume variable d^air qu'on introduit pour brûler les gaz com* bustibles, volume réglé au moyen d'un registre placé à To*lîge de la cheminée, et de manière a maintenir une petite Hamme bleuâtre à bords orangés, sortant par la porte du four.

Pendent le première périoile, le registre Pen'lent le deuxième période , est ouvert d^une petite quantité. le registre est fermé.

Acide carbonique i5,34 >6,44

Oxyde de carbone 8,68 i ,12

Hydrogène 3,66 0,17

Oxygène 0,00 2^02

Azote 72,32 80,25

On voit que, quand le registre est fermé, la romposition

du gaz est la même que celle du gaz du four île tôlerie dans la deuxième période de l'afQnage^ et que quand il est ouvert, au commencemetit de l'affinage, les gaz renferment moins de gaz combustibles que quand il est fermé.

Dans les fours à registre surtout, la température est trèsvariable. C'est au moment du dessornage qu^elle semble atteindre le maximum, et à partir de ce moment elle décroît très^notétblement. Cependant il semble que ce serait plus tard, lorsque la combustion du gaz est la plus complète, que ce maximum devrait être atteint. M. EJselmen explique cette .anomalie apparente : dans la première période de Taffinage, la charge du charbon se trouve telle, que les gaz dégagés du fojer sont brûlés par l'air atmosphérique h leur entrée du four à réchauffer, près du fer dont on veut élever la température. A mesure que le charbon se consume, Tespace compris entre sa surface et la voûte du four augmente, les parois du foyer s'échauffent, et les gaz parvenant au four à réchauffer, ayant le maximum de température au moment du dessornage , produisent le maximum d'effet par leur combustion; mais peu à peu le charbon diminue, l'air atmosphérique devenant en léger excès relativement au combustible, les gaz qui se dégagent parcourent un espace toujours plus grand avaât de parvenir au four, et ne produisent plus le même dégagement de chaleur.

Une appréciation exacte du rapport de la quantité de chaleur perdue à celle qui est employée dans un foyer d affinerie, est impossible à établir d'après la pure théorie, p"* ^ la raison qu'il y a trop de chaleur perdue dans deux circonstances : lorsque l'ouvrier travaille devant une large ouverture de laquelle s'échappe beaucoup de chaleur rayonnante, et lorsqu'il retire la Ipupe du feu pour la foirer. D*an autre côté, il est évidc^nt qu'on ne peut employer aussi uti' lement la chaleur des gaz des foyers d'affinerie, que si on chauffait directement le (bur annexé au foyer d'affinerie*

( »7« ) Quoi qu'il en soit , M. Thirria a établi qu'en représeulant par loole combustible nécessaire à l'affinage, on travaillera, au moyen des gaz qui s'en dégageront, une masse de fer qui aurait exigé pour être travaillée à la houille une quantité

de ce combustible correspondant à -^ — de celui qui est briijé pour raffinage.

Résumé du § II.

Le maximum de température dans. une forge a deux tuyères correspoud à la région moyenne où Toxygène de Tair et celui de la vapeur d'eau atmosphérique sont convertis en acide carbonique.

Dans la première période de Taffinage, la fonte perd du carbone et du silicium au moyen de Toxygène de l'oxyde de fer qui y est mêlé ou ajouté. ïi se produit alors de Toxyde de carbone et de la silice, et il y a du fer réduit. Suivant M. Ebelmen, la chaleur développée par la combustion du carbone et du silicium étant loin de compenser celle qui est nécessaire à la séparation de Toxygène du fer, il dok y avoir refroidissement.

Dans la deuxième période , lorsqu'il y a combustion du carbone, du silicium et d'une petite quantité de fer devant les tuyères, il y a un grand développeinent de chaleur ; mais par la raison qu'il se produit en même temps dans la masse une réaction entre l'oxyde de fer et le carbone du fer encore carburé, une portion de la chaleur développée par la combustion redevient latente.

Enfin, dans la première période, les gaz dégagés étant avec excès de matière combustible sans oxygène libre, sont d'un emploi plus avantageux pour chauffer les fours annexés aux foyers comtois, que ne le sont les gaz qui se dégagent dans la deuxième période, ceux-ci contenant de loxygène avec une moindre proportion de matière combustible.

§111. — De Là COMPOSITION ET DE L^EltfPI^OI DES GlZ DE5 HAUTS FOUKNEAUX CHAUFFÉS ILXJ COKE.

S'il existe une grande analogie entre la combustion du charbon de bois et celle du coke dans un haut fourneau, i! y a pourtant quelques différences sur lesquelles M. Ebelmes insiste avec raison.

Ainsi 9 les deux combustibles dans la r%ioa des tuyèrr' produisent de Tacide carbonique ; un peu plus haut, ce gai est converti en ox]pde de carbone, qui se trouve mêlé d'azoïV et d*hydrogène provenant de ladëcomposiiiou de la vapeur d^eau; mais il y a cette différence, que le gaz provenanK^o coke pris à o"',24 au-dessus de la tuyère contient une trace d'acide sulfhydrîque , lequel est bientôt réduit en hydrogène par le fer et le calcium du fondant , qui s'emparent du soufre pour constituer de la fonte sulfurée et un laitier renfermant du sulfure de calcium. Les gaz qui sortent du gueulard ne contiennent ni acide sulfureux ni acide salAydrique, mais une trace d'une vapeur sulfurée que Tacéuu' de plomb n'absorbe pas et qui parait être du sulfure àc carbone.

La température aux tuyères est assez élevée pour fondre le fer et la porcelairte presque instantanément; mais on remarque, â partir des tuyères, que les régions du haut fourneau chauffé au coke sont portées,. relativement aux régions correspondantes du haut fourneau chauffé au charbon de bois, à une température plus éleuée. La différe/'C^ est surtout sensible au gueulard , car la température y est dans le dernier haut fourneau, à charge haute, au»des50fi5 de I la degrés, et à charge basse, de i ta â aoo; tandis que celle du haut fourneau chauffé au coke est, à charge haute, de aa8 â 33o degrés, et à charge basse, de 36o k 43o degrés.

De la tuyère au ventre il y a presque identité de composition entre la colonne ascendante du haut fourneau au

de la tuyère.

▼entre.

( '73) coke et celle du haut fobrneau au charbon de bois. Voici des analyses de gaz d*un haut fourneau de 1 1 mètres de hauteur, marchant au coke et à Tair chaufië à i3o degrés, qu^on peut comparer à celles que nous avons indiquées dans notre précédent Rapport :

' Voi8ina|re A 0,67 au-ilei&ui Au grand

de la tuyère.

Acide carbonique ... 8 , 1 1

Oxyde de carbone. . . 1 6 , 53

Hydrogène 0,26

Azote 75 , 10

On peut dire que la colonne ascendante arrivée aux étalages ne renferme plus d'acide carbonique, et il importe de remarquer que Toxygène de l'oxyde de carbone est k Tazote dans le rapport où les gaz se trouvent dans l'air atmosphé* rique ; il faut donc eu conclure que le minerai de la colonne descendante, parvenue à la base de la cuve, a perdu déjà tout son oxygène; car autrement Toxygène de l'oxyde de carbone de la colonne ascendante, parvenue au sommet des étalages, serait à l'azote dans une proportion plus forte que dans l'atmosphère.

La colonne ascendante, prise à la moitié de la cuve du fourneau i coke, présente â l'analyse :

Acide carbonique ... o , 68

Oxyde de carbone. . . 35 , 1 2

Hydrogène 1 ,4^

Azote 62, 72

d'où il suit que, dans la moitié inférieure de la cuve, c est a peine sMl y a eu quelque réaction entre la colonne ascendante et la colonne descendante, car le rapport de l'oxygène de l'oxyde de carbone à Tazote de la première est à peu près le même que celui de ces gaz dans l'atmosphère. Cela

( 174 ) conduit donc i conclure que c^est dans la moitié supérkvt de la cu^e que la réduction du minerai doit s* opérer. F-. effet, les gaz pris au gueulard sont formés de :

Acide carbonique. • . 7 » i5

Oxyde de carbone. . a&ySy

Hydrogène 2,01

Azote 62,47 •

Il est donc évident, par la proportion de Taade cariwnique et par la diminution de celle de Toxyde de carbone. que dans la moitié supérieure de la cuve le minerai a perde tout ou presque tout son oxygène par Voxyde de carbocf de la colonne ascendante.

Puisque la réduction du minerai s'opère en totalité dio« la moitié supérieure de la cuve, il faut bien que la température y soit suffisamment élevée. Mais si elle suffit pour h conversion de Toxyde de carbone en acide carbonique pir Toxygène du mjnerai, elle serait insuffisante pour la conversion de l'acide carbonique en oxyde de carbone <d moyen du cbarbon.

Si nous comparons maintenant la colonne ascendante do haut fourneau chauffé au charbon de bois avec celle du haut fourneau chauffé au coke, nous verrons que la proporfioo de Tacide carbonique de la première augmente depuis le ventre jusqu'au milieu de la cuve (1), mais que, dans h moitié supérieure, le minerai n'a point encore perdu d'oxj* gène; la colonne ascendante conserve donc sa composition, sauf la vapeur d'eau qu'elle reçoit.

L'examen précédent démontre donc qu'il y ï bien plus de chaleur développée dans un haut fourneau au coke que dans un haut fourneau au charbon. Si nous ajoutons que pour

(1) L^acide carbonique provient à la fois de la convenion de Poxyded« carbone en acido par Toiy^ène du minerai, et de la dëcompotition dn carbonate dv obaux de la cittine.

{ '75) obtenir loo de fonte il faut brùier, dans le preoiier, 200 a a85 de coke représentant de 170 à a4sde carbone, tandis qu'il ne faut brûler dans le second que 100 à i5o de charbon de bois représentant 90 à i35 de carbone» ou plus simplement que, dans un haut fourneau, a de carbone du coke équivalent à I de carbone du charbon de bois, on aura toute certitude de Taccord du résultat pratique avec les observations précédentes.

La raison de ce résultat est que la disposition du carbone à produire, soit de Tacide carbonique en s'unissant directement avec Toxygène, soit de Toxyde de carbone en s'unissant avec l'acide carbonique, est, comme personne ne Tignore, bien plus grande dans le charbon de bois que dans le coke.

Cette différence de disposition explique comment il arrive que la région du haut fourneau comprise entre la tuyère et la limite où la colonne aseendante ne contient plus d'àcide carbonique, celui-ci s'étant transformé en oxyde de carbone, est plus étendue lorsqu'on brûle dn coke que lorsqu'on brûle du charbon de bois. Si nous considérons que la réduction du minerai est achevée à une grande distance de la tuyère» .on comprendra que la fonte obtenue avec le coke, une fois arrivée dans la région de la tuyère, sera bien plus exposée a s^afflner et même à s*oxyder par la double action de Toxygène atmosphérique et de Tacide carbonique, que ne Test la fonte obtenue avec le charbon de bois, è moins qu*on ne corrige cette tendance en employant pour la fusion d'un même poids de minerai plus de coke que de charbon de bois*

Parlons des conséquences qui résulteraient de Toxydation du fer devant les tuyères par Toxygène et par Tacide carbonique qui serait changé alors en oxyde de carbone. Rappelons les deux faits suivants :

Premier fait, — Un litre d'oxygène, en brûlant dn fer, développe 6a 16 calories ^ s'il est mêlé de 4 litres d'axote^

{ »76) celui-ci absorbant de la chaleur, la température da mélange n'est que de 2690 degrés.

Deuxième fait, — Un li tre d'oxygène mêlé à 4 1 i tces d'axotf venant à former avec le carbone du gaz acîde carbonique* pi*odaitun mélange doulla température est de aaoo degrés.

Si du fer s'oxyde devant la tuyère par Toxygène atmosphérique, la température de la colonne ascendante sen d'autant plus augmentée, qu'il se brûlera plus de fer relativement au carbone.

Si du fer s'oxyde devant la tuyère par l'acide carbonique, il faudra 2 litres de ce gaz pour produire reflet de 1 litre d'oxygène, puisque l'acide carbonique, loin d'être complètement réduit, est converti en a litres d'oxyde de carbone. Or, si le fer dégage 6216 calories avec a litres d'acide carbonique, comme s litres d'oxyde de carbone en retiennent pour leur constitution 6260 à l'état latent, il s'ensuivra que la température de la colonne ascendante ne sera pas sensiblement changée par Faction comburante de l'acide €»ibonique sur le fer. Mais les 2 litres d'oxyde de carbone une fois produits, la colonne ascendante ne sera plus exposée i se refroidir, comme elle l'aurait été si les a litres d'acide carbonique, au lieu d'être changés en a litres d'oxyde de carbone par le fer, eussent été, au-dessus de la tuyère, convertis en 4 litres d'oxyde de carbone par la réaction da charbon.

Elufin, lorsqu'il y a eu oxydation du fer devant les tuyè* res, l'oxyde est généralement, du moins en partie, a l'état de sous-silicate. Parvenu dans le creuset, il se trouve en contact avec le carbone de la fonte, avec des fragments de charbon mêlés de laitier; dès lors il y a réduction d*oxyde de fer, formation d'oxyde de carbone et refroidissement En effet, i litre de vapeur de carbone développant iSpS calories pour devenir a litres d'oxyde de carbone représentant 1 litre d'oxygène, il est évident que i litre de ce même oxygène développant avec le fer 6a 16 calories, il doi'(

( '77 ) y avoir un abaissement de température représenté par 6:Àt6 — iSpS = 46t8 calories.

M. Ebelmen part de ces principes, tirés des expériences de M. Dulongf pour expliquer un certain nombre de faits concernant ce qu'on appelle Y allure des hauts fourneaux.

Appliquons les recherches de M. Ebelmen à l'emploi des gaz des hauts fourneaux marchant aU coke, et remarquons,

avant tout, que lorsqu'on perd de ^ de la chaleur produite dans un haut fourneau chauflé au charbon, la perte

s'élève à — *— dans un haut fourneau chauiTé au coke. II y 100 •'

a donc plus de motifs encore pour employer les. gaz de ce

dernier, qu'il n'y en a pour employer ceux du premier.

Dans ces derniers temps on a employé les gaz du haut

fourneau marchant au coke, à chauffer l'eau, a la vapori--

ser, et surtout â échaufler des fours à réverbère propres au

niazéage de la fonte, ainsi qu'on Ta pratiqué à Vasseral^

fingen, dans plusieurs autres usines, et comme le rapporteur

l'a vu lui-même Tannée dernière à Vienne, dans l'usine de

M. Frerejean, où Ton a pris les dispositions suivantes. Les

gaz combustibles sont puisés 4an8 le haut fourneau, à 3*^,6

du gueulard : ils servent à chauffer l'air destiné à brûler

le coke du haut fourneau et Tair du four à mazer. La prise

des gaz ne dérange pas l'allure de ce fourneau, par la raison

que, comme il y eu a deux fois autant que dans un haut

lourneaii nfarchant au charbon de bois, si^ à partir du grand

ventre, on en soustrait la moitié de la colonne ascendante,

il en restera, pour agir sur le minerai et chauffer la colonne

descendante, autant qu'il y en a dans la colonne ascendante

du haut fourneau chaufié avec le charbon de bois.

36 à 37 Les '- de gaz combustibles qui font partie du courant

que Ton a soustrait à la colonne ascendante étant brûlés

daus le four a mazer, produisent assez de chaleur pour

m. la

{ «78 ) qu'on puisse mazer, de i^So"* à i''45"', 4oo kilogrammes <k

fonte avec un déchet de — - seulement au lieu de

lOO lOO

quii aurait lieu daqs i|u foyer de fiperie.

Afin d'exposer tout ce qui coniserne l'emploi des gaz oonibustibles provenant du coke, nous, terminerons ce paragraphe par Texamen des gaz qi|i se dégagent des foameani cylindriques appelés cubilotSy dans lesquels on liquéfie la fonte soit pour la mouler, soit pour la purifier.

Le cubilot de Vienne, dans lequel M. Ëbelmen a poisé les gaz qu'il a examinés, avait 3*^,1 de hauteur; la tujerp était à 2*", 3 au-dessous du gueulard. Il produisait looo kilogrammes de fonte moulée par heure, en consommant i8o à 200 kilogrammes de coke.

Acide carbonique. .. • n i49^9 9>^7 >>«4^

Oxyde de carbone 9i73 17182 14*93

Hydrogène».,* 0,36 \^\5 o^gfb

Azote • 75,64 7i»76 72,70

O xygène correspondant à 1 00 d^axote . aS , 02 a5 , 3o 25 , 90

Ces analyses nous apprennent que la proportion du gaz acide carbonique au gaz oxyde de carbone est asaes variable, et que le premier, relativement au volume total, e$t en quantité assez considérable, puisqu'il s'y trouve depuis 0,09 jusqu'à 0,14. Quant à loxygène repnSsenté par les deux gax, sa proportion à Tazote est assez constante jet assez voisine de celle oA il se trouve dans Tair.

Le coke réaisunt beaucoup à l'action soit de roxygine* soit de l'acide carbonique , on voit pourquoi les gaz do cubilot qui ne traversent pas une coloone de coinbustible aussi élevée que celle du haut fourneau, et qui sont en outre plus exposés à se refroidir par la forme et la construction même de Tappareil, renferment la quantité d'acide carbonique que nous y avons signalée. Dès lors on conçoit que

( «79 ) remploi de ces gaz, comme combustible, sera bicu moins avantageux que oelui des gaz des hauts fourneaux \ aussi dans un four à réverbère n'a-t«OD pu liquéfier la fonte, ainsi qu'on le fait si facilement avec le gaz des hauts fourneaux chauffés au coke.

Mais si le coke est moins disposé à convertir Tacide carbonique en oxyde de carbone, il est par U même d'un usage plus avantageux dans le cubilot que le charbon de bois ; celui-ci, passant facilement â Tétat d'oxjde de carbone, donne lieu à un refroidissement qui est rendu bien plus évident si Ton compare au cdke consommé la quantité de charbon de pin sylvestre brûlé dans un cubilot pour liqué* fier la fonte. Effectivement, looo kilogrammes de fonte sont liquéfiés, comme nous Tavons dit, par i8o à 200 kilogrammes de coke, tandis qu'ils exigent pour Tètre de 600 à 800 kilogrammes de chai4>on de pin. Ainsi donc le coke est de trois à quatre fois plus avantageux que le charbon.

Si Ton se rappelle maintenant que dans le haut fourneau on brûle, pour produire une même quantité de fonte, deux fois plus de coke que de charbon de bois, on voit comment les recherches de M. Ebelmen expliquent d'une manière simple des résultats qui seraient contradictoires sans U théorie.

Les observations précédentes expliquent encore pourquoi le coke est d'un meilleur emploi à la forge que le charbon de bois; car, relativement à celui-ci, le coke devant présenter une colonne plus haute pour que l'acide carbonique, produit en premier lieu par la combustion, soit changé en oxyde de carbone, et cette conversion donnant lieu a un abaissement de température, il en résulte qu'à égalité d'espace, le froid sera moindre avec le coke qu'arec le charbon de bois; mais il ne faudrait pas en conclure qu'à poids éga) le coke donne plus de chaleur a la forge que le charbon.

( i8o ) § IV. — Db l'emploi des gaz des fours a puddlbr caAiiit«