RÉSISTANCE
PkU GBMTIliftnil CARRi
98 kilogrammes
En diminuant les teneurs en cendres et en silice, on augmente donc notablement la résistance du coke.
La dureté dépend «ossi du mode de caisson et de la forme dv four employé.
C'est ce que novs dirons an chapitre Thâosib 0b la CARBonf-
SÀTIOX.
Porosité. — A côté de la résista^ace, le coke doit posséder vae autre qualité qui ne semble pas compatible avec la preratèf^, mais qui est des plus nécessaire, étant donnés les enidois éa coke. Nova voulons parler de la porosité.
Un coke peut être dur et poreux à la fois. Il safBt qe^îl présente
des cavités nombreuses ou grandes et que les parois de ces cavités soient bien résistantes.
Le grain du charbon exerce à ce point de vue une certaine influence. Plus le grain est fin et régulier, plus le coke sera compact, et inversement.
Certains charbons gonflent facilement et produisent un coke avec de belles cavités. D'autres, au contraire, qui fondent aisément, ne donneront pas un coke aussi poreux.
Enfin la porosité peut être fonction du mode de carbonisation et de la forme du four employé. Un charbon contenant beaucoup de matières volatiles devra être cuit très rapidement pour donner un coke poreux. On peut, suivant les cas, avoir de 29 0/0 à 40 0/0 de pores si la carbonisation se fait en vases clos. Dans les fours ouverts, au contraire, où la carbonisation est lente, la proportion des cavités ne dépasse pas 15 0/0.
Dans un même four d'ailleurs, les couches successives de coke n*ont pas la même porosité. Les cokes des couches de tête et de pied sont toujours plus poreux que ceux des couches moyennes.
A ce point de vue, il se produit, lors de la carbonisation, les phénomènes suivants.
Pendant que les produits gazeux se développent, ils sont forcés de traverser la charge et de passer sur du coke déjà formé et rouge. Or beaucoup de ces produits volatils, comme les hydrogènes carbonés, sont décomposés : une partie de leur carbone se dépose sur la surface du combustible rouge. Les cokes contiennent donc, à câté du charbon qui provient de la décomposition immédiate de la houille, du carbone déposé par la décomposition, plus ou moins secondaire, des carbures d'hydrogène volatils. Cette dernière partie du carbone se reconnaît à Tœil et se distingue du reste de la masse par Tabsence de porosité et par sa couleur mate, d'un noir foncé.
Le même phénomène de décomposition des carbures explique les excroissances piliformes, qu'on observe souvent à la surface du coke et qui atteignent jusqu'à 2 et 3 centimètres de longueur. Ces appendices, étudiés au microscope, sont pleins; leur aspect rappelle celui d'un cordon de perles, et ils sont exclusivement formés de carbone. Très vraisemblablement, ces excroissances sont dues aux gaz, qui se dégagent de la houille grasse et qui, partant bulle à bulle, soulèvent et allongent successivement la matière solide, en formant des renflements. Ces renflements se trouvent
ensuite remplis par le charbon, qu'abandonnent les carbures en se décomposant.
Poids spécifique. — Le poids spécifique du coke varie de 1,20 à 1,90 tandis que nous avons donné pour la houille des chiffres qui variaient de 1,25 à 1,75. La nature des fours employés exerce une influence sur ce chiffre.
Un mètre cube de coke en morceaux pèsera pratiquement de 350 à 450 kilogrammes. En moyenne, il faut admettre 420 kilogrammes. Par le pilonnage, le volume du coke peut être réduit de 25 0/0,
Couleur. — La couleur du coke est essentiellement variable.
Parfois, elle est noire et sans éclat; quelquefois elle tourne au gris clair avec vif éclat métallique ou argentin. Il y a parfois aussi des teintes irisées à la surface, que Ton attribue à la présence du soufre.
La meilleure couleur est celle qui va du blanc d'argent au gris clair, la poussière paraissant gris foncé ou même noire.
On remarque souvent à la surface du coke des stries ou des raies de couleur différente, ainsi qu,e des résidus de cendres blanches qui proviennent d'une carburation incomplète. Avec des charbons anthraciteux, il y a toujours des raies noires de carbone non brûlé. Les taches noires sont aussi formées par du protosulfure de fer, résidu de la pyrite brûlée.
La couleur dépend de la nature des fours employés et du mode de cuisson adopté. Quand on récupère les sous-produits, le coke n'est jamais argenté.
En somme, la couleur n'est pas toujours un indice parfait de la bonne qualité d'un coke. Cette couleur peut d'ailleurs varier lors de l'extinction par l'eau. Si Teau employée est sale, des particules se déposent sur la surface du coke et en ternissent Téclat.
Sonorité. — Ce qui est plus spécifique pour déterminer la bonne qualité, c'est le son que rend un morceau de coke, quand on le frappe. Le bon coke doit avoir un son métallique. Un son lourd et grave n'est jamais l'indice d'un coke de bonne qualité.
Propriétés chimiqubs. — Au point de vue chimique, le coke contiendra du carbone, de Thydrogène, de l'oxygène, de l'eau, de l'azote, du soufre, du phosphore et diverses impuretés de moindre importance : c'est-à-dire tous les principes existant dans la houille qui a donné naissance au coke.
Le tableau suivant donne un exemple des teneurs dans divers pays.
Allemagne
Belgique
Angleterre
Australie
Amérique
ce
se
9,il3
Teneur en carbone. — Le coke est plus riche en carbone que le charbon qui lui a donné naissance. 11 en résulte une plus grande valeur du coke comme combustible.
Contrairement à ce qu'on pourrait croire, cette teneur varie dans d'assez larges proportions, depuis 84 jusqu'à 94 0/0. Cela tient aux principales causes suivantes.
Le carbone qui est renfermé dans le coke provient d'abord du carbone de constitution du combustible, ensuite du carbone qui se sépare à haute température des hydrocarbures. Il est enfin le résidu des produits de distillation qui ne se sont pas entièrement volatilisés.
Les teneurs en carbone varieront donc suivant les combustibles employés et suivant la nature des fours adoptés.
Teneur en matières volatiles. — Les matières volatiles, c'est-àdire l'hydrogène, l'oxygène et l'azote ne devraient pas exister dans le coke, puisque la carbonisation a pour but d'expulser tous les gaz de la houille. Mais cette carbonisation n'est jamais complète, et il reste toujours des gaz occlus.
Cette explication de la présence des gaz hydrogène, oxygène et azote par occlusion est fort plausible. C'est ainsi que, dans les fours à récupération des sous-produits, où les matières volatiles sont fortement aspirées, on trouve moins de gaz dans le coke que dans celui d'un four ordinaire. Ce sont les extracteurs qui forcent les matières volatiles à se dégager plus complètement.
L'hydrogène contenu dans le coke a tendance à se combiner avec Toxygène et, par conséquent, à absorber de la chaleur pour former
de Teau Ceci est au détriment de la chaleur développée par le carbone.
De même avec Toxygène, si la proportion de ce gaz augmente, la puissance calorifique du combustible diminue, et il faut employer d*autant plus de coke pour réduire au haut fourneau l'oxygène du minerai.
Enfin, Tazote en excès empêche la réduction au haut fourneau en diluant les gaz réducteurs. Il se transforme d'ailleurs en ammoniaque dans l'opération au haut fourneau.
Teneur en eau. — L'eau du coke est surtout de Teau hygroscopique qui se fixe dans les pores, au moment où l'on opère l'extinction. Il faut donc employer la plus faible quantité d'eau possible pour cette extinction et prolonger l'opération le moins longtemps possible, si le coke est très poreux.
Du coke, convenablement éteint, contient seulement 2 à 3 0/0 d'eau et au maximum 5 à 6 0/0. Le coke, complètement sec, absorbe, à la température ordinaire, seulement i à 2,5 0/0 d'eau, lorsque l'air est saturé d'humidité. En plongeant du coke dans l'eau, l'augmentationde poids peutêtre dei2,50/0'à 51 0/0 et atteindre 31 0/0 en moyenne. La majeure partie de l'eau ainsi absorbée peut ultérieurement s^évaporer rapidement à Tair.
Dans les achats de coke, on exige que la teneur en humidité ne dépasse pas 4 0/0. Cette humidité gêne, en effet, la marche du haatfourneau. Il faut consommer 125 kilogrammes de coke en plus par chaque unité d'eau supplémentaire dans le pourcentage.
Teneur en soufre. — Le soufre est l'impureté la plus nuisible du coke. Il ne doit pas y avoir plus de 1,25 0/0 de soufre, pour que le combustible soit acceptable dans la métallurgie. Le soufre, en effet, rend la fonte blanche et cassante.
Ce ne sont pas toujours les charbons les plus pauvres en soufre qui donnent les cokes les moins sulfureux. Tout dépend des matières minérales qui se trouvent avec le soufre dans le charbon.
Avec la chaux et la magnésie il se forme des sulfures par réduction des sulfates dans le four à coke. C'est surtout le fer qui donne des combinaisons fixes, des sulfures, qui peuvent augmenter la teneur du coke en soufre.
Si, au contraire, le soufre existe à l'état de pyrite dans les charbons, il peut être expulsé plus aisément. A basse température, les vapeurs sulfureuses se dégagent déjà
Souvent, au moment du lavage, le soufre des pyrites disparait à Télat d'hydrogène sulfuré. De même le soufre existant à l'état organique dans le charbon peut être expulsé par lavage.
Pratiquement on peut reconnaître un coke riche en soufre aux taches brunes avec couleurs irisées sur les bords qu'il montre après un certain temps d'exposition à l'air. Quand ces couleurs ressemblent quelque peu à celles de la pyrite, il y aura du fer combiné.
On a cherché par tous les moyens possibles à diminuer la teneur en soufre, quand elle était trop élevée. "Divers essais ont été faits, notamment par MM. Calvert et Chenot qui ont mélangé du sel marin pour former des sulfochlorures pendant la carbonisation. Bleibtreu a mélangé au menu gras de la chaux tamisée pour entraîner plus tard le soufre dans' le laitier. Kopp a éteint le coke avec de l'eau mélangée d'acide chlorhydrique. Scheerer a injecté dans les fours avant le défournement de la vapeur d'eau pour former de l'hydrogène sulfuré. Hoffmann a essayé des lavages au chlorure de manganèse. Enfin Grandidier a introduit dans le four de Tair sous pression chauffé à 200° ou 300° afin d'oxyder le sulfure de fer.
Quoi qu'il en soit de tous ces essais, le mieux est de n'employer dans les fours à coke que des combustibles ayant une faible teneur en soufre. Il est encore préférable de ne brûler que des produits tels que le soufre, s'y trouvant même en faible quantité, n'ait pas tendance, avec certaines matières minérales des cendres, à former des composés nuisibles plus tard lors du traitement au haut fourneau. Il faut compter qu'en moyenne le coke conservera toujours le tiers du soufre que renfermait la houille.
Teneur en phosphore. — Le phosphore contenu dans un charbon passe intégralement dans le coke. La teneur qui n'est jamais très grande varie de 0,01 à 0,02 0/0. Elle augmente suivant la qualité des charbons et sera plus élevée pour les charbons maigres que pour les charbons gras.
Le phosphore n'est pas considéré comme une impureté du coke au même degré que le soufre, car il est en général en faible quantité. Il peut parfois rendre la fonte plus fiuide. En revanche, une grande quantité de phosphore diminue la résistance et l'élasticité du fer.
Impuretés diverses. — Parmi ces impuretés, il faut ranger le fer, la silice et quelques corps de natures diverses.
La teneur en fer peut varier de 0,5 à 0,9 0/0. Ce fer provient, en général, des carbonates de fer qui se trouvent mélangés au
charbon. Nous avons dit précédemment rinconvénient qu'il y aura quand, parallèlement au fer, il existera aussi du soufre dans le coke.
La silice est nuisible en ce sens qu'elle peut diminuer la dureté du coke ; de plus, en présence du fer et de la chaux, elle augmente la proportion de mâchefer produite dans les foyers.
Enfin, comme dernières impuretés du coke, il faut citer le cuivre, Tarsenic, Tantimoine, quelquefois le zinc et le plomb qui s'y trouvent accidentellement. *
Teneur en cendres. — La plupart de ces impuretés viennent, en général, dans une analyse rapide, augmenter la proportion de cendres, qui dans un bon coke, ne doit pas dépasser 9 0/0.
Si la teneur en cendres augmente, c'est aux dépens de la proportion de carbone. Le pouvoir calorifique du coke diminue alors, et c'est un écueil pour l'emploi au haut fourneau. Il faut admettre que la consommation de combustible au haut fourneau augmente de 500 kilogrammes par chaque unité de cendres en plus du pourcentage moyen qui a été indiqué.
Il y a donc intérêt à n'employer pour la carbonisation que des charbons lavés ou bien triés.
Les cendres contiennent, en général, les matières indiquées par le tableau suivant :
Silice
Alumine
Oxyde de fer
Oxyde de manganèse
Chaux
Magnésie
Potasse
Soude
Acide sulfurique
Acide phosphorique .
COKE
DE DORTMDND
COKE
DE TRÉLYS
COKE
DE DODCHY
COKE
DE PEXKSTLTASIE
Le plus souvent, on achètera les cokes selon une échelle de prix qui varie avec la proportion des cendres.
Pouvoir calorifique. — On a vu précédemment que le pouvoir calorifique d'un combustible se calculait d'après sa composition chi-
mîque, et qu'il dépendait notamment de la quantité de cendres. C'est ainsi que des cokes à ^oO/0 de cendres développeront 6.600 calories, tandis que ceux à 10 0/0 donneront 7.000 calories, et ceux à 3 0/0 8.000 calories. Le coke se trouve ainsi avoir un pouvoir calorifique moindre que celui de la houille en raison de Télimination des hydrocarbures volatils.
Dans la pratique, la température produite par la combustion dans un haut fourneau sera modifiée par diverses circonstances.
Si le coke est compact, la chaleur sera plus forte, car le combustible donnera davantage d'acide carbonique, sans que ce gaz, mis en contact avec les parties caverneuses du coke incandescent, ait tendance à absorber des calories par une transformation ultérieure en oxyde de carbone.
La température est aussi augmentée par une insufflation d'air et par un chauffage de cet air. On introduit, en somme, une certaine quantité de chaleur qui n'aura pas besoin d'être empruntée au coke. Toutefois, si l'on envoie un excès d'air, comme cet air contient les 4/5 d'azote, il y a absorption de chaleur pour la combustion de l'azote.
De même, l'eau contenue dans le coke abaisse le nombre des calories, car cette eau, pour se vaporiser, absorbe un certain nombre de calories.
Le pouvoir calorifique du coke se détermine par les mêmes méthodes qui ont déjà été indiquées pour la houille (p. 34). On fera usage des formules théoriques données ou bien on soumettra un échantillon de coke à l'essai calorimétrique dans l'appareil Mahler. Analyse chimique. — Il faut surtout déterminer l'eau hygrométrique, les matières volatiles, les matières terreuses et métalliques.
On détermine l'eau, en chauffant à 150^ et en constatant la perte de poids ; on ne peut avoir une grande approximation qu'en multipliant les prises d'essai et les déterminations de l'eau hygrométrique. Cette opération est assez délicate. On mesure dans les usines le volume de coke employé journellement, et l'on se résigne aux incertitudes provenant du changement de l'état hygrométrique, l'absorption d'eau pouvant atteindre parfois les chiffres élevés que nous avons indiqués plus haut.
Le coke des fours fermés ne devrait pas renfermer de matières volatiles. Pourtant, selon la place où le charbon est cokéfié dans le four, il peut y avoir des gaz occlus ainsi que nous l'avons dit ; il
faut donc déterminer la proportion de ces gaz ; mais il faut procéder pour cela, à une prise d'essai très soignée. On calcine à température élevée soit au brûleur Bunsen, soit dans un double creuset avec les précautions déjà indiquées pour la houille (Voir page 26).
Parmi les autres matières à analyser dans le coke se trouvent le soufre, Tarsenic, le phosphore. L'analyse est assez difficile à cause de Texcès de carbone. Il en est de même pour les analyses de silice, d'alumine et de fer. Pour les trois premiers corps, on opère sur le coke lui-même. Pour les autres, on analyse les cendres. Les opérations sont longues, et le plus souvent on se contente de déterminer la proportion des cendres et de reconnaître à la loupe leur composition. Une incinération au moufle est alors seulement nécessaire.
Dans les établissements métallurgiques, on connaltle combustible qui a servi à donner le coke et le four où il a été brûlé. On se préoccupe peu, dans ce cas, des matières volatiles. Il en est de même de l'analyse élémentaire.
Pour l'emploi dans les foyers de locomotives, on envisage surtout la proportion des cendres qui ne doit pas dépasser 5 0/0. On détermine aussi la quantité d'eau. On fera la dessiccation par la même méthode et avec les mêmes précautions que pour la houille (Voir page 25). Il en sera de même pour Tincinération.
Emplois dans l'industrie. — Le coke trouve surtout son emploi dans la métallurgie pour la production de la fonte au haut fourneau. Il est aussi employé pour le chauffage des locomotives. Enfin, dans l'industrie, on utilise parfois comme combustibles des déchets de fab ri ration.
Emploi dans la métallurgie. — Dans la métallurgie, on emploie le coke soit comme réducteur des minerais au haut fourneau, soit comme agent producteur de chaleur dans les cubilots de fonderie.
Les qualités à demander au combustible ne sont pas les mômes dans les deux cas. La teneur en soufre, notamment, dont nous avons parlé précédemment, en indiquant ses effets pernicieux dans le haut fourneau, gêne moins pour la fusion au cubilot. Dans le cubilot, le soufre est partiellement brûlé et s'échappe avec les gaz de la com« bustion, tandis qu'au haut fourneau le soufre passe dans la fonte et la rend cassante ou impropre aux usages industriels.
Un bon coke métallurgique doit répondre aux conditions suivantes :
! Soufre 1 0/0.
Phosphore 0,018 0/0,
Eau 4 0/0,
Cendres 9 0/0,
Proportion de poussière maximum à tolérer lors
de la réception 6 0/0,
Proportion de pores. \ ^^l^^ f )^*^^ fourneau. . 40" à ^0 0/0.
^ ^ { Coke de fonderie 25 à 30 0/0,
Résistance par centimètre carré 80 kîlogr.
Poids spécifique par mètre cube après séchage à 400» pour expulser Thumidité 800 à 900 kiloSi
Au haut fourneau, le coke agit et comme réducteur et comme producteur de chaleur. Il doit donc dégager surtout de Toxyde de carbone. On choisira de préférence un coke poreux qui présentera une plus grande surface à l'oxygène de l'air. Dans le coke poreux, les gaz pénètrent plus facilement et arrivent mieux en contact intima avec le combustible.
On pourrait au haut fourneau employer du coke compact; mais il faudrait souffler Tair sous une pression plus forte et à une température plus élevée.
Au contraire, le coke compact convient aux emplois dans le cubilot. Il faut alors obtenir la plus haute température possible en brûlant complètement le combustible et en produisant de racidfi carbonique, non plus de Toxyde de carbone. Pour que cet acide carbonique se produise, il faut que Toxygène lèche la surface du coke sans le pénétrer. On emploiera donc avec avantage en fonderie le coke le pbs dense possible.
Dans Tun comme dans l'autre cas, il ne faut acheter des morceaux ni trop gros ni trop petits. Des morceaux petits offrent une plus grande surface à Faction des gaz, mais créent une plus grande résistance au passage de ces gaz. Des morceaux trop gros créent des vides trop considérables, et Teffet calorifique en est diminué d autant.
Emploi sur les locomotives. — On n'emploie pas toujours le coke sur les locomotives ; mais il y a certainement de sérieux avantages à en faire usage dans certaines circonstances. Ces avantages sont les suivants.
Tout d*abord, de tous les combustibles c'est le coke qui possède la plus grande cohésion. Tandis que cette cohésion n'est que de 45,5 0/0, en moyenne, pour la houille, elle atteint 96 0/0 pour le coke.
4o6 COMBUSTIBLES INDUSTRIELS
L'emplacement occupé par le coke est moindre que celui nécessité par le charbon. C'est ainsi que 1.000 tonnes de coke occupent la place de 1.150 tonnes de charbon.
En outre, dans les stocks longtemps accumulés de combustible, il n'y aura pas combustion spontanée, comme avec la houille.
Enfin, au point de vue de la conduite des foyers, il y aura certains avantages à employer le coke.
On a moins de mâchefers, moins de croûtes qu'avec la houille et les grilles sont, par conséquent, moins attaquées. Le coke renferme moins de cendres et moins d'humidité ; la fumée est moindre, le nombre des escarbilles moins grand aussi, et c'est un avantage pour les voyageurs, qui sont toujours exposés à recevoir ces escarbilles; on diminue aussi les chances d'incendie, quand la ligne traverse des forêts de sapins très sèches comme celles des Landes où passent les trains de la Compagnie des chemins de fer du Midi. Enfin le chauffeur conduit mieux son feu et ne craint pas de le voir tomber aussi vite qu'avec la houille. La porosité y est pour quelque chose, et le pouvoir calorifique, qui est d'une plus grande valeur, active la mise en pression de la chaudière. On peut donner, à titre d'exemple, les dimensions d'un foyer de locomotive pour chauffage au coke.
Nombre de tubes 156
Diamètre extérieur des tubes 46 millimètres
Longueur des tubes 2",86
Diamètre de la chaudière 4»,20
Longueur du foyer 0"»,85
Hauteur du foyer 1",30
Surface de la grille jusqu'au ciel de la
boîte à feu 1»,10
Surface de chauffe des tubes 58»*,9
— de la boîte à feu. . . 4»a,6
— totale 63«a,5
Surface de grille 0«2,945
Épaisseur des barreaux 26 millimètres
Espace libre entre les barreaux 24 millimètres
Pression de vapeur 10 atmosphères
En général, les principales conditions de réception imposées aux fournitures de coke dans les chemins de fer sont les suivantes :
Le coke devra présenter, au point de- vue de la cuisson, toutes les qualités qui distinguent le bon coke de gaz.
11 doit se composer de morceaux gros et moyens dont les plus
DÉFINITION 'et EMPLOIS DU COKE 457
petits ne devront pas passer à travers une grille à barreaux ronds non quadrillés et espacés de 4 centimètres ; il ne doit contenir au maximum que 7 0/0 de cendres et doit être livré dans un état de siccité ordinaire, c'est-à-dire ne contenant au maximum que 2 0/0 d'eau.
Emplois divers. — Le coke est employé avec avantage dans la fabrication de la soude pour la réduction du sulfate de sodium. On en fait usage dans les sucreries. Il sert à fabriquer la chaux et Tacide carbonique. Enfin le petit coke sera employé dans des séchoirs industriels, pour certaines évaporations rapides, toutes les fois, en général, que la combustion n'exige pas un fort tirage.
Dans le cas de la fabrication de la soude, si le coke contient de Tazote, il se formera des composés cyanogènes. Si Ton opère la fabrication de la soude à l'ammoniaque en carbonisant la chaux avec du coke au four à chaux pour obtenir de Tacide carbonique, on vitrifie cette chaux par la présence d'un excès de fer dans le coke. Il faut donc que le coke acheté dans ce cas soit assez pur.
