MATIÈRES MÊLÉES AU COMBUSTIBLE

Les appareils de ce groupe peuvent se rapporter à quatre types principaux :

1° Tas à Tair ; 2^ Bas foyers ; 30 Fours à cuve ; 4° Fours Hoffmann.

Tas à TaJr. — Ce mode de chauffage, le plus simple de tous, dont Tusage remonte certainement à la plus haute antiquité^ reçoit aujourd'hui encore des applications industrielles importantes, notamment pour la cuisson du plâtre, la cuisson des briques et le grillage de certains minerais sulfurés, sansparler de la fabrication du charbon de bois dont il a été question plus haut.

Le dispositif le plus simple, encore employé aujourd'hui par les Arabes du sud de TAlgérie pour la cuisson du plâtre, consiste à creuser dans le sol une cavité plus ou moins hémisphérique en rejetant la terre à la circonférence extérieure de façon à faire un bourrelet s'élevant au-dessus de la surface du sol. On empile au fond de ce trou la pierre à plâtre avec des branchages servant de combustible, en s'arrageant pour que le sommet du tas reste audessous du bourrelet de terre environnant la fosse. On met le feu par le bas et on laisse la cuisson se faire tranquillement.

La difficulté principale de ce mode de cuisson provient de l'action du vent qui s'oppose à la circulation verticale des gaz chauds. Lorsqu'une face d'un tas est frappée par un courant d'air, elle ne s'échauffe pas et il n'y a pas de cuisson de ce côté ; par contre, la face opposée, par où sortent les gaz chauds, est beaucoup trop chauffée et donne du plâtre surcuit également impropre à l'usage. La pratique d'enterrer les tas en cuisson a précisément pour objet de les préserver contre l'action du vent.

Dans les installations plus perfectionnées, au lieu d'enterrer ainsi les tas, ce qui limite nécessairement leurs dimensions, on protège leurs faces latérales par des écrans de natures variées. Pour la cuisson des briques en tas, on construit des murs jointifs avec des déchets de briques provenant des cuissons précédentes et Ton badigeonne la surface extérieure avec de la terre délayée. On place en outre extérieurement, du côté du vent, des claies en paille, des toiles ou des planches, car les briques ne sont jamais complètement imperméables aux gaz.

Ces tas de briques dans certains pays, comme le nord de la France, atteignent des dimensions énormes, lo et 15 m. de hauteur sur 30 m. de base. Le combustible employé est du menu charbon placé pendant l'empilage entre les assises de briques crues; à la partie inférieure du tas on a ménagé des canaux vides qui serviront pendant la cuisson à Tarrivée de Tair nèces« saire à la combustion |du charbon. Ils sont remplis au début de petit bois destiné à l'allumage.

La cuisson du plâtre dans le bassin parisien se fait en tas de

3 m. de hauteur, 5 à 6 m. de largeur et autant de profondeur, mais alors la cuisson se faisant à poste fixe, dans des usines situées à proximité des carrières, on peut avoir des installations permanentes pour protéger les tas contre l'action du vent. Es sont entourés^ sur trois de leurs faces latérales, par des murs en maçonnerie formant des stalles, dont un certain nombre sont placées à la suite Tune de Tautre. La face antérieure restée libre, pour permettre le chargement et le déchargement des tas, est protégée pendant la cuisson par de grandes plaques en tôle qui s'opposent à la déperdition de la chaleur et maintiennent contre cette face libre les gaz chauds provenant de la combustion d'une certaine quantité de charbon placée sur le front du tas. La cuisson de la masse est obtenue au moyen de charbon, généralement de coke, chargé à la base des tas, dans des conduits horizontaux, maçonnés en pierre sèche avec de gros fragments de pierre à plâtre. On ne peut pas, comme dans la cuisson des briques, répartir uniformément le combustible dans la masse parce qu'il serait alors impossible d'en séparer les cendres, dont la présence nuirait à la blancheur du plâtre.

Bas foyers. — Les bas foyers sont constitués par des cuves rectangulaires creusées en terre et maçonnées latéralement avec des produits réfractaires ; elles peuvent avoir une profondeur de 0,25 à 0,50 m., une largeur de 0,50 m. à i m. et une longueur de I m. à 1,50 m. Le combustible employé est du charbon de bois que Ton brûle au moyen d'air soufflé par une tuyère placée sur le bord supérieur et légèrement inclinée vers le bas. On obtient ainsi, depuis la tuyère jusqu'à l'extrémité opposée du foyer une température et une composition de gaz régulièrement variables ; la flamme est oxydante près de la tuyère, réductrice à l'extrémité opposée, elle est neutre vers le milieu, en un point auquel correspond en même temps le maximum de température.

Cet appareil, presque complètement abandonné aujourd'hui, a pendant longtemps été très répandu dans la métallurgie du fer; la forge catalane était un bas foyer où Ton plaçait le minerai dans

ia zone rédactrice, puis on ramenait le fer réduit dans des régions plus chaudes pour fondre la scorie et faire des loupes de fer que Ton agglomérait ensuite par le forgeage; plus tard, on a fabriqué le fer par oxydation de la fonte au four comtois qui est également un bas foyer; on plaçait alors la fonte près de la tuyère^ dans la région oxydante et on obtenait comme dans la forge catalane une loupe de fer qui était forgée. Ce procédé donnait du fer de qualité tout à £ait supérieure, mais d'un prix de revient très élevé en raison de la consommation considérable de charbon de bois, combustible très coûteux.

Le même dispositif a été également employé pour différentes autres opérations métallurgiques» en particulier pour le traitement des minerais de cuivre.

Cet appareil est complètement abandonné aujourd'hui à cause de la dépense énorme de combustible qu'il entraînait, le charbon brûlé rayonnant à 1 air libre la majeure partie de sa chaleur. Ce rayonnement rendait en même temps le travail très pénible pour les ouvriers. Ce four semble avoir été l'origine du haut-fourneauy c'est-à-dire des fours à cuve. On a commencé par mettre une cheminée sur le bas foyer pour protéger l'ouvrier contre la flamme, puis on a chargé des matières dans cette cheminée pour utiliser les chaleurs perdues des flammes et la cheminée a fini par devenir la partie principale du four auquel l'ancien bas foyer n'a plus servi que de creuset.

Foort à cuve. — La forme schématique d'un four à cuve est celle d'un cylindre vertical librement ouvert à son extrémité supérieure et fermé en bas par une grille ou tout autre dispositif permettant de sortir à volonté les matières contenues dans le four.

Les matières à cuire sont chargées pêle-mêle avec le charbon par l'ouverture supérieure appelée gueulard. L'air pénètre par la partie inférieure et vient brûler le charbon au milieu même de la matière à cuire. On règle le déchargement de la matière cuite à la partie inférieure, le chargement de la matière crue et du combustible à la partie supérieure de façon à maintenir

autant que possible la zone de combustion à un niveau constant.

Le dispositif de sortie des matières à la partie inférieure varie suivant Tétat des matières à extraire. Si elles sortent à l'état solide comme dans la cuisson de la chaux, ou dans le grillage du carbonate de fer, on emploiera soit une grille dont on peut remuer ou enlever quelques barreaux pour faire descendre la matière, soit simplement un talus latéral d'éboulement où la matière tombe d'elle-même quand on enlève celle qui est déjà sortie et forme la base du talus. Dans le cas au contraire de matières sortant à Tétat liquide comme la fonte, le plomb et en général les métaux préparés par fusion^ on ménage à l'extrémité inférieure du four un creuset où s'accumule le métal liquide; il suffit de percer de temps en temps la paroi du creuset pour faire couler le métal au dehors.

La circulation de Tair nécessaire pour assurer la combustion du charbon est considérablement retardée ou gênée par les matières solides qui remplissent le four sur toute sa hauteur. Le tirage naturel provenant de la température des gaz chauds dans le four suffit cependant dans bien des cas, à condition de ne charger que des morceaux d'assez grosse dimension de façon à laisser de larges passages à Tair; dans les fours à chaux, par exemple, qui ont 10 à 15 m. de hauteur, on ne charge guère que des morceaux pesant plus de i kg. Des fragments plus fins et surtout la poussière arrêteraient complètement le tirage. Quelquefois on peut renforcer le tirage au moyen d'une cheminée placée au milieu du four ou même latéralement : mais dans ce cas, il faut maintenir le gueulard constamment fermé par un couvercle et ne l'ouvrir qu'au moment du chargement. L'installation des cheminées sur des fours déjà très élevés et parfois pas très stables en raison des dislocations produites dans la maçonnerie par l'action de la chaleur présente certaines difficultés. On préfère souvent produire le tirage au moyen d'un ventilateur aspirant ou d'un éjecteur tronconique au centre duquel on dirige un jet de vapeur ou d'air comprimé ; ce dernier dispositif a l'avantage de pouvoir fonctionner avec des fumées à toutes tem-

pératures mais son rendement mécanique est inférieur à celui des ventilateurs. Ceux-ci, par contre, ne peuvent pas aspirer de fumées à une température supérieure à 600®, et encore, pour atteindre sans inconvénients cette température, faur-il des dispositions spéciales d'appareils et prendre des précautions multiples pour empêcher le chaufiage des coussinets.

Au lieu de provoquer le tirage des fours à cuve par aspiration des fumées, on peut le provoquer par soufflage de l'air pur à la partie inférieure. Il faut dans ce cas une fermeture hermétique de la partie inférieure du four; cette condition est naturellement remplie dans les fours servant à la préparation des métaux à Tétat fondu et l'on emploie toujours alors le soufflage par des tuyères, c'est-à-dire par des tuyaux étroits pénétrant à travers la paroi du four. Avec les matières sortant à l'état solide le soufflage est d'une application très délicate. Il faut de très larges portes pour permettre aux ouvriers de faire le défournement, beaucoup plus larges que le gueulard servant au chargement. L'opération du défournement est beaucoup plus longue que celle du chargement et, par suite, nécessite des arrêts du soufflage beaucoup plus prolongés que dans le tirage par aspiration. Enfin, tous les résidus et déchets tombés par terre au moment du défournement rendent difficile la fermeture des portes. Use produit par les joints des fuites d'air qui augmentent beaucoup les dépenses dû soufflage.

Bilan thermique. — Le chaufiage dans les fours à cuve est le plus économique de tous ceux que l'on peut employer industriellement. La circulation inverse des matériaux chauflfés et du courant gazeux donne lieu à une récupération intéressante de la chaleur ; l'air firoid traverse, en arrivant, les matières déjà cuites et reprend leur chaleur pour la ramener avec lui dans la zone de combustion et, par suite, de cuisson ; inversement à la partie supérieure, les matières froides chargées récupèrent la chaleur des fumées et empêchentcelles-cid'allerse perdre dans l'atmosphère; cesmatières arrivant ainsi chaufiées dans la zone de combustion ont besoin, pour atteindre la température de cuisson, d'une moindre quantité

dechaleoret» par suite, d'une moindre consommation de charbon; Certains fours à chaux bien conduits utilisent jusqu'à 60 0/0 de la chaleur disponible dans le combustible.

On commet souvent au sujet de cette récupération ^ une erreur grave; on suppose que théoriquement elle devrait permettre dans tous les cas de &ire sortir les matières élaborées par le bas du four et les fumées par le haut à la température ambiante, c'est*» à-dire sans emporter aucune partie de la chaleur fournie par le combustible et donner ainsi un rendement calorifique de 100 0/0, la totalité de la chaleur ayant été absorbée dans les réactions produites. Il n'en est pas ainsi parce que les chaleurs spécifiques des quantités de gaz ou de matières solides qui échangent mutuelle^ ment leur chaleur ne sont pas les mêmes; il suffit de faire le calcul des poids de gaz et des poids de matière solide qui traversent en sens inverse dans l'unité de temps une même section horizontale du four pour en déduire, si Ton connaît leurs chaleurs spécifiques, les quantités de chaleur qui sont emportées inutilement^à l'extérieur; par exemple, dans un four à chaux, il est impossible avec un fonctionnement théoriquement parfait, de faire sortir les fumées au-dessous de 300°, et dans les conditions habituelles d'une bonne marche industrielle, elles ne sortent guère au-des« sous de 600^. Ce calcul très simple donne l'explication d'anomalies qui surprennent parfois dans la marche des fours à cuve : On a, par exemple, souvent essayé d'augmenter leur hauteur dans Tespoir de faire sortir les fumées plus froides. Le résultat a toujours été négatif, car l'excédent de chaleur emporté parles fumées ne provient pas d'un contact insuffisant avec les matières solides, qui ne permettrait pas réchange complet des quantités de chakur^ mais uniquement de la différence des chaleurs d'échauffement. Autre fait également surprenant à première vue : si on laisse passer à travers un four à cuve, un four à chaux par exemple, une quantité d'air en excès par rapport à celle qu'exige la combustion du charbon, bien loin d'abaisser la température des fumées, comme cela semblerait naturel, on l'élève et la perte de chaleur croît doublement tant par l'augmentation de la masse

4l8 INTRODUCTION A l'ÉTUDE DE LA MÉTALLURGIE

de fumées chaudes que par l'élévation plus grande de leur tempe* rature. Dans un four à chaux en efiet, la masse des fumées et leur chaleur spécifique sont bien supérieures à celles du calcaire enfourné, elles ne peuvent lui céder toute leur chaleur et le font d*autant moins que leur masse augmente par adjonction d*un excès d'air. Cest pour ce motif que dans la plupart des fours à chaux la température des fumées ne peut guère tomber au-dessous de 600^ comme on Ta indiqué plus haut.

La répartition de la température dans un four à cuve donne lieu à des particularités curieuses, trop souvent ignorées. Lorsque Ton charge dans un semblable four une matière à cuire d'une Qgture déterminée avec un poids donné de charbon, et que le fQur est supposé en marche théorique parfaite, c'est-à-dire avec une tranche en combustion horizontale et maintenue à un niveau fixe dans le four, les températures se répartissent du haut en bas du four suivant une loi entièrement déterminée que l'on ne peut en aucune façon modifier. Le fait essentiel est que la combustion du charbon se produisant au contact d'air déjà très fortement chauffé produit une température de combustion extraordinairement élevée. Nous avons signalé ce fait dans Tétude des gazogènes, page 335;. on peut faire les calculs par bien des méthodes différentes et ils conduisent nécessairement tous au même résultat. Voici une forme de raisonnement particulièrement frappante dans le cas des fours à chaux. Le carbonate de chaux se décompose à 900^, sa décomposition absorbe 440 cal. -kg par kilo de calcaire; cette quantité de chaleur est fournie par les gaz chauds provenant du charbon dont la combustion s'est produite plus bas dans le four. Si on brûle 120 kg. de carbone pur par tonne de chaux cuite^ ce qui est le minimum pratiquement nécessaire, soit 67 g. par kilo de calcaire décomposé, les fumées provenant de ces 67 g. de carbone devront être initialement à la température de 2.400^ pour pouvoir céder en se refroidissant au carbonate de chaux la quantité de 440 cal. nécessaires à sa décomposition. En fait, il se produit dans la masse, par conductibilité, un certain nivellement des températures, comme cela a été indiqué à l'occasion des gazogènes,.

mais néanmcHos la température devrait, dans tous les cas, rester supérieure à celle de la fusion de la chaux. Si ces températures énormes ne sont pas atteintes, cela tient à Tirrégularité habituelle de la marche des fours à cuves. Dès qu'on arrive à la régulariser un peu, il se produit de suite des ramollissements et des collages qui bloquent les matières contenues dans le four et arrêtent complètement son fonctionnement. Cest là une difficulté très grave dans certaines applications, comme celle de la fabrication de la chaux hydraulique et Ton s'en tire par des artifices plus ou moins compliqués dont le plus simple est d^abandonner les fours à euxmêmes et de leur laisser prendre une allure tout à fait irrégulière, ce qui augmente d'ailleurs la dépense de combustible.

Formation d'oxyde de carbone. — Les fours à cuve présentent, au point de vue du chaufifage,une difficulté spéciale résultant du contact prolongé du charbon avec les produits de la combustion. L'acide carbonique formé tend à réagir sur le charbon pour donner de Toxyde de carbone, et les fumées emportent ainsi à Tétat de chaleur latente une fraction considérable de la chaleur disponible dans le combustible, les 2/3 si la totalité de Tacide carbonique était transformée en oxyde de carbone, ce qui n'arrive d'ailleurs jamais. Ce dégagement d'oxyde de carbone au sommet des hauts-fourneaux était autrefois la cause d'une perte sèche, car on laissait ces gaz se dégager librement. On utilise aujourd'hui cet oxyde de carbone pour la production de la force motrice en le brûlant dans les moteurs à explosion ; néanmoins sa formation est encore une cause de perte, car on pourrait avoir à bien meilleur compte ce gaz combustible au moyen d'un gazogène qui brûlerait des combustibles deux fois moins coûteux que le coke des hautsfourneaux. De plus, cette formation d'oxyde de carbone amène, au point où elle se produit, un refroidissement brusque qui peut entraîner des inconvénients graves, quand on se propose, comme dans les hauts fourneaux^ d'éliminer les matières élaborées à l'état fondu.

Par contre, il est vrai, cette formation d'oxyde de carbone

est Utile dans les fours de réduction. Cest précisément le cas du haut-fourneau où Toxyde de fer est réduit par une partie de Poxyde de carbone formé au voisinage de la zone de combustion. Cette formation de Toxyde de carbone dépend de la température et aussi de Tétendue des surfaces de contact entre les fumées et le charbon. Il se fait très peu d'oxyd'ï de carbone dans les fours à chaux, même bien conduits, où la température atteint facilement de 1.500 a 1.700^ dans la zone de combustion, température bien supérieure à celle de réaction de Tacide carbonique sur le charbon. Mais dans ces fours le charbon est disséminé entre des morceaux de calcaire laissant entre eux de larges passages aux gaz. Au contaa de chaque morceau de charbon incandescent, il doit se taire un peu d*oxyde de carbone, mais il est brûlé un peu plus loin par des gaz encore riches en oxygène qui le rejoignent après être passés dans l'intervalle des morceaux de calcaire.

Irrégralarité d^allure. — La conduite des fours à cuve présente deux difficultés très graves, Tune résultant de Yirrégulariti de la circulation des gaz qui entraîne des irrégularités correspondantes dans la combustion et Tautre résultant des collages qui se forment entre les matières chauffées jusqu'à ramollissement et les parois des fours.

L'irrégularité du passage des gaz est inévitable, car les diffé* rents morceaux de matières solides chargées par le sommet ont des formes et des dimensions irrégulières et s'enchevêtrent eo tombant de façons inégales. L*air passe donc plus ou moins rapidement aux différents points d'une même section horizontale, le charbon brûle plus vite là où il arrive plus d*air et la zone de combustion s^élève ; en un point voisin où le courant d'air est plus lent elle restera au contraire plus basse ; on doit donc avoir des hauts et des bas dans la surface de combustion et, par suite, dans une même section horizontale, des régions à température variable. Il se fait alors des échanges horizontaux de chaleur et, grâce à ce mécanisme, la zone de température plus élevée, au lieu d'être un plan géométrique, s'étale sur une certaine hauteur ea

prenant une température moyenne inférieure à la température maxima correspondant à l'allure théorique.

Ces irrégularités, accidentelles, variables sans aucune loi n*ont pas grand inconvénient, elles seraient plutôt avantageuses dans cenains cas en abaissant la température maxima. Mais il se produit en outre des irrégularités systématiques dans les passages de gaz ety par suite, dans la régularité de la combustion, qui dérangent totalement la marche du four, abaissent considérablement son rendement calorifique et donnent une cuisson très irrégulière. Il y a trois causes principales à ces irrégularités systématiques. ' Les passages offerts à l'air sont toujours beaucoup plus grands au voisinage de parois contre lesquelles les pointes des fragments solides viennent buter au lieu de s'enchevêtrer avec les morceaux voisins, comme cela a lieu dans la masse; l'air circule beaucoup plus rapidement et, par suite, le feu s'élève très rapidement contre les parois. La zone de combustion tend ainsi à prendrjc la forme d'un œuf dont l'équateur se trouve au gueulard du four ; on rencontre très souvent des fours à chaux ou à ciment marchant avec cette allure, parfois même la pointe inférieure de l'œuf arrive au niveau de la grille inférieure et alors il n y a plus de combustion au centre du four, le charbon sort non brûlé. On remédie dans une certaine mesure à cet inconvénient en chargeant contre le^ parois des matériaux de plus petite dimension pour réduire le$ vides offerts au passage de lair.

Une seconde cause d'irrégularité systématique provient du mode de chargement. Les matières solides projetées par le gueulard s'éboulent en tombant à l'intérieur du four et les plus gros morceaux vont plus loin dans le sens de la vitesse acquise par leur chute. Dans une partie du four, les matériaux plus gros offrent un passage plus facile aux gaz et la zone de combustion tend alors> au lieu de rester horizontale^ à s'incliner obliquement, à couper le four en diagonale. On observe fréquemment cette disposition dans certains fours servant à la cuisson du cimen^ à prise rapide. Pour éviter cet inconvénient, il faut s'astreindre à fêter successivement les matières de tous les côtés du gueulard,

mais cela est souvent difficile, parfois même impossible quand on emploie des appareils à chargement mécanique ou qu'on amène les matériaux par des voies de chemins de fer arrivant d'un seul coté du gueulard. D*autre part, quand le chargement se fait à la pelle, les ouvriers ont la tendance très naturelle de répéter toujours les mêmes gestes. Enfin, dans quelques cas particuliers, le mode de déchargement des fours à cuve, très souvent dissymétrique, peut créer des irrégularités systématiques semblables, par exemple un tirage plus rapide de la pierre cuite et surtout des poussières vers le devant du four. Parfois aussi, dans les fours adossés au terrain, les pertes de chaleur par la face antérieure et les entrées d'air à travers les fissures des maçonneries contribuent à produire un effet analogue.

Une troisième cause de dissymétrie, plus difficile encore à éviter que les précédentes, résulte de ce que la marche théorique normale d*un four à cuve correspond à un équilibre instable de la masse gazeuse. En tous les points d'une même section horizontale, les vitesses d'ascension du gaz ne peuvent jamais être rigoureusement égales. Dans une région déterminée, la vitesse est plus grande que dans les régions voisines, la combustion aussi est plus a:tive et, par suite, la température des fumées plus élevée; il en résulte un accroissement local du tirage qui tend à exagérer encore cette inégalité et le feu monte de plus en plus vite. Ce phénomène a pour effet de multiplier l'influence de toutes les irrégularités systématiques précédemment indiquées. On peut remédier dans une certaine mesure à cet inconvénient, en maintenant la zone en combustion aussi près que possible du sommet de la charge en évitant cependant de laisser les fumées sortir trop chaudes. Ce mode de procéder est particulièrement avantageux dans les fours à chaux et à ciment où il permet en outre de détruire avec un ringard en fer les accrochages, aussitôt qu'ils commencent à se produire ; mais il faut pour cela des ouvriers très soigneux et très habiles.

Chauffage Eldred. — Un ingénieur américain, M. Eldredapré-

conisé un procéda de conduite des fours à cuve, assez singulier à première vue, qu'il justifie par des considérations d'une exactitude plus que douteuse. Il se pourrait cependant que ce procédé de chauÔage donnât en pratique des résultats satisfaisants en levant précisément la difficulté relative au collage des matières surcuites. Il prend avec un ventilateur une partie des fumées s'échappant par le gueulard et les renvoie au bas du four, se mélanger avec l'air d'alimentation. Cette addition de fumées doit nécessairement abaisser la température maxima de la zone de combustion sans modifier aucunement les quantités de chaleur fournies par le combustible pour la décomposition du calcaire. Supposons que l'on fasse ainsi repasser un volume de fumées égal à celui que fournit la combustion du charbon ; ces fumées prises à 600^ circulent constamment à travers le four en décrivant un cycle fermé. En chaque point du four la température sera sen* siblement la moyenne entre celle de 600® et celle des fumées ordinaires. La température sera ainsi abaissée dans la zone de cuisson de 2.400 à 1.500^, cesfumées bien que plus froides fourniront cependant autant de chaleur à la décomposition du calcaire> parce que leur masse aura été doublée.

Profils des fours à cuve. — La forme des fours à cuve varie dans des limites extrêmement étendues, dépendant d'une part de la nature des opérations qu'ils sont destinés à accomplir et, d'autre party des tentatives souvent irréfléchies faitespour remédiera quelques-uns des inconvénients signalés plus haut.

Les cubilots (fig. 63), fours servant à la seconde fusion de la fonte, ont une forme exactement cylindrique, ils sont constitués par une enveloppe de tôle rivée, à l'intérieur de laquelle se trouve un mince revêtement rétractaire construit en briques ou en pisé. Ils ont de 0,50 m. à I m. de diamètre intérieur, et de 3 m. à 6 m. de hauteur. Ce sont donc des appareils de petite dimension dont la masse totale est assez faible, cette disposition est nécessitée par leur marche discontinue; dans bien des fonderies, ils travaillent seulement quelques heures par jour et sont ensuite éteints pour

£tre rallumés le leodemain. Fa marche normale, la partie inférieure est remplie par uae masse de combascible, du coke métallurgique, sur lequel les tuyères soufHem Tair de combustioa ; les gouttelettes de foute liquide s'écoulent à travers cette masse incandesceate ; à la partie supérieure se trouve le mélaagej de

Rg. 65. — CaHlot avec avaai- creuset. Ecbeik 0,01 ni. par i m,

coke et de fonte chargé par le gueulard. La proportion de combustible brûlé est assez faible, voisine de 10 0/0, il se forme cependant de l'oxyde de carbone tandis que dans les fours à chaux, où la proportion de combustible est plus grande et la température beaucoup plus élevée, il ne s'en forme pour ainsi dire pas. Cela rient à ce qu'à la partie inférieure du cubilot la fonte en fusion se sépare

du combustible et laisse celui-ci remplir la totalité de la section du cubilot ; on est alors dans les conditions voulues pour la formation d'oxyde de carbone. Si la totalité de Tacide carbonique n'est pas réduit par le charbon, cela tient à la grosseur du coke employé et aussi à Tétroitesse du diamètre du cubilot. La zone à combustion complète s'élève notablement au-dessus du niveau des tuyères.

Le haut-fourneau servant à la réduction des minerais de fer pour la fabrication de la fonte est, de tous les fours àcuve. celui qui s'éloigne le plus de la forme cylindrique. Il présente cependant à la partie inférieure une région cylindrique, de faible hauteur et de diamètre relativement étroit où se trouvent placées les tuyères destinées à amener le vent ; c'est Vouvrage, Son diamètre ne dépasse guère 2 à 4 m. ; ses dimensions sont fixées par la nécessité d'avoir en ce point la température la plus élevée possible pour obtenir la fusion des laitiers, souvent très rëfractaires et fondant parfois au-dessus de 1.500®. Le diamètre de l'ouvrage doit être tel que la zone à combustion complète, c'est-à-dire à température maxima, se trouve sensiblement à son centre; cette distance dépend à la fois de la grosseur et de la dureté du coke, de la pression et de la température du vent. A la partie supérieure, le hautfourneau est relativement étroit, 3 à 5 m. de diamètre, pour permettre l'installation d'une fermeture métallique avec les appareils de chargement automatique et les prises de gaz. La partie centrale au contraire est renflée pour augmenter le volume intérieur du fourneau et permettre au minerai de séjourner le plus longtemps possible au contact des gaz réducteurs formés à la sortie de louvrage ; la réduction des gros fragments de minerai est assez lente en raison du temps nécessaire à la pénétration par diffusion des gaz réducteurs jusqu'au centre des morceaux. On donnait autrefois aux hauts-fourneaux des formes géométriques^ un tronc de cône pour la partie supérieure formant le ventre; un tronc de cône renversé, les étalages^ raccordaient le ventre à IVwvrage, celui-ci, enfin, était cylindrique et prolongé par le creuset de même diamètre (fig. ^4). Mais bientôt, à l'usage, les parois

se roQgeaient, tous les angles s'arrondissaient et le fourneau n'en morchait que mieux. Aujourd'hui on tend à donner au ventre une forme de plus en plus cylindrique eu le raccordant par des surfaces courbes de grand rayon au gueulard d'une pan et à l'ouvrage de l'autre, parfois même directement au creuset (fig. 65).

Fig. 64. —Ancien haut-fourneau Fig. 6;. — Haai-fouraeau moderne (1858). C1901).

Pour terminer l'étude des fours k cuve, on donnera ici quelques données numériques montrant les limites extrêmes entre lesquelles varient les dimensions de ces fours et leur production.

Nature da foar

Coniom. en Goneom. de kg. de charb. charb. ^/^ Capacité Section par m* de de

en m' en m* section et par )i, matière Matière

Foar à grillage de la sidérose . 4 5

Four à chaux 8

Cubilot 3

Petit haut-fourneau . . . 170 Grand haut-fourneau . . 580 Fours pour mattes cuivreuses 24

Petit four à plomb ... 3

Grand four à plomb. . . 30

sidérose

chaux

fonte

minerais

Four HoffmanB. — Les fours Hoâman diffèrent complètement, par leur disposition générale, des fours à cuve et cependant ils en dérivent directement, leur disposition ayant pour but de permettre une récupération des chaleurs perdues analogue à celle des fours ï cuve en évitant seulement de déplacer la matière chauffée pendant sa cuisson. Ces fours ont été imaginés pour la cuisson des briques que Ton ne pouvait songer à charger pêle-mêle avec le combustible dans un four à cuve où elles se seraient brisées pendant la descente ; ils ont été appliqués plus tard à la cuisson du ciment Portland avec Tespoir d'éviter les difficultés résultant du collage dans les fours à cuve.

Le four Hoffmann est composé d'une série de chambres juxtaposées formant un circuit continu fermé , leur nombre varie en général de 12 à 24; elles furent primitivement disposées sur une circonférence; on préfère aujourd'hui, pour économiser les frais de construction et diminuer les pertes de chaleur, les disposer sur deux lignes parallèles formant un massif rectangulaire arrondi seulement aux extrémités. Le principe du fonctionnement de ces appareils est le suivant : une chambre étant en cuisson, c'est-à-dire en pleine combustion du charbon, envoie ses fumées chaudes dans les chambres voisines au nombre de deux ou

trois placées à la suite Tune de Tautre et de là les fumées se rendent à une cheminée centrale. L'air nécessaire à la combustion traverse, avant d'arriver dans la chambre en cuisson, trois à six chambres renfermant des produits déjà cuits. On obtient ainsi la récupération des chaleurs des fumées pendant leur traversée de chambres renfermant des produits non encore cuits, et la récupération des chaleurs des produits cuits par le courant d'air frais qui reprend leur chaleur avant d'arriver sur le charbon. Lorsqu'une chambre est cuite, ce qui demande habituellement 24 heures, on avance partout d*une chambre et l'opération recommence de la même façon.

Pour réaliser cette marche et éviter en même temps la formation d'oxyde de carbone, on n'enfourne pas le combustible eo même temps que les briques crues, mais on réserve dans Tempi* lage de ces dernières des vides verticaux, des sortes de cheminées, correspondant à des trous percés dans la voûte, bouchés en temps ordinaire par un tampon en fonte. Au moment de la mise en cuisson d'une chambre, on remplit de charbon tous ces puits par les ouvertures de la voûte. Pour régler la circulation du courant gazeux, il faut pouvoir mettre à volonté telle ou telle, chambre en communication avec la cheminée et telle ou telle autre avec l'air extérieur. Toutes les chambres sont réunies à la cheminée centrale par des conduits habituellement fermés par un registre ou plutôt un clapet à joint de sable; on peut ouvrir à volonté Tun ou Tautre au moyen d'une tige en fer sortant à travers la maçonnerie au-dessus du massif du four. Toutes les chambres présentent également des portes communiquant avec l'extérieur qui servent au passage des ouvriers pour Tempilage des briques crues et l'enlèvement des briques cuites. On mure ces portes une fois l'empilage des briques crues achevé ; celles qui ne sont pas encore fermées donnent le passage nécessaire à l'entrée de Tair frais. Mais il faut encore, pour assurer la circulation de l'air dans la bonne direction, un dispositif particulier qui est une des caractéristiques essentielles du four Hoffmann. La dépression produite dans la chambre en communication avec la

cheminée y appelle Tair par les deux chambres adjacentes, et la majeure partie de l'air tend à arriver du côté où se fait Tempilage, parce que de ce côté le nombre des chambres à traverser avant d'arriver à une porte ouverte est bien moindre. On obtient la circulation de Tair dans la direction voulue au moyen de cloisons étanches placées momentanément entre celles des chambres remplies de briques crues qui restent encore en dehors du cycle de cuisson. Chaque fois que Ton veut avancer ce cycle d'une chambre, on enlève une cloison et on avance en même temps d'une chambre la communication avec la cheminée. Au début, on faisait cette cloison au moyen de grandes feuilles de tôle que Ton introduisait et que Ton enlevait par des fentes ménagées dans la maçonnerie. Mais les dislocations du tour rendaient cette manœuvre très difficile; les tôles se coinçaient, si on ne leur ménageait pas des passages de dimensions exagérées. G>mme cela arrive souvent, on a fini, après avoir essayé les dispositifs les plus compliqués, par en trouver un d'une simplicité et d'une perfection absolues; on fait la cloison avec des feuilles de papier goudronné maintenues en place entre les briques de deux empilages successifs. Pour enlever le papier au moment voulu, il suffit d'avancer d'une chambre la communication à la cheminée sans se préoccuper de cette cloison. Le tirage appelle les gaz chauds à travers les fuites et les petits trous que présente toujours le papier, et celui-ci prend immédiatement feu.

Voici, à titre d'exemple, quelques données numériques relatives à un four circulaire à dix compartiments, de 35 m. de diamètre, chaque compartiment présentant les dimensions suivantes : 2,80 m. de hauteur, 3,50 m. de largeur et 6,40 m. de longueur, soit 50 m', pouvant renfermer 22.000 briques ; la consommation de charbon était de 4 1. par 24 heures, soit 17 kg. par heure et par mètre carré de section. La hauteur de la cheminée était de so m., son diamètre intérieur à la base, de 3,75 m. Les sections des conduits reliant la cheminée à chaque compartiment sont déterminées de façon à ce que la vitesse des gaz chauds n'y dépasse pas 10 m. ï la seconde. Le volume total des maçonneries du four était de

820 m* et le poids des armatures de 5.500 kg. La répartition des températures dans les chambres successives du cycle de cuisson a été trouvée la suivante :

Eotrée d'air Caisson Sortie des famées

Irrégularités d'allure. — La récupération dans ce four n'est pas aussi complète que dans les fours à cuve en marche normale parce que le déplacement du point de la combustion nécessite réchauffement périodique des briques de tout le massif de maçonnerie. La récupération de la chaleur des briques et des maçonneries ne peut être complète, parce que la chaleur spécifique de la masse d'air froid à échauffer est bien inférieure à celle de s matières solides à refroidir. Ce refroidissement incomplet a en outre l'inconvénient de rendre difficile l'enlèvement des briques cuites ; il faut ouvrir en grand les portes des chambres et les clapets des orifices de chargement du combustible, pour arriver à refroidir ces chambres de façon à permettre aux ouvriers d'y pénétrer.

Ces alternatives d'échauffement et de refroidissement ont en outre rinconvénient de disloquer les maçonneries qui gonflent et se dilatent au moment du chauffage. Il se produit, surtout aux extrémités du massif dans les parties courbes, des fentes de plusieurs centimètres d'ouverture; on cherche parfois à les boucher en y introduisant du sable, du mortier réfractaire ou des fragments de briques. C'est une mauvaise pratique, qui empêche ces fentes de se refermer au refroidissement; il faut simplement les obturer de l'extérieur pour empêcher les rentrées d air en collant sur la surface libre de la maçonnerie des bandes de papier ou de toile.

La pénétration d'air résultant des défauts de construction, des fentes et de la perméabilité des maçonneries, est énorme; on trouve généralement dans la cheminée des fours Hoffmann un excès d'air considérable, la quantité totale évacuée par la cheminée pouvant être de deux à quatre fois celle qui serait nécessaire

poar la combustion du charbon brûlé. Cet air bien entendu ne passe pas dans la chambre en combustion^ sans qlioi le chauffage serait impossible, mais il réduit le tirage de la cheminée en y augmentant la masse des gaz et en diminuant ainsi leur température.

Cet air en excès pénètre principalement par les trois directions suivantes : les clapets fermant la communication de la cheminée avec les chambres ne sont pas étanches, les clapets à frottement ou simple contact laissent toujours des ouvertures, les clapets à joints de sable, plus étanches quand ils sont neufs, peuvent à la longue cesser de fonctionner; le sable est chassé du joint, le clapet se déforme et se perce sous l'action delà chaleur, etc.. Pour vérifier Tétanchéité des clapets on colle une feuille de papier sur l'ouverture par laquelle le canal de fumées débouche dans chaque chambre, on perce cette feuille d'une ouverture de i dm* par exemple, et on mesure la dépression de pan et d'autre de cette feuille de papier, on a ainsi tous les éléments pour calculer le volume d'air aspiré par les fuites.

Les fentes existant dans la maçonnerie des chambres en chauffage donnent également accès à de Tair, on doit autant que possible les boucher, comme cela a été indiqué précédemment.

Enfin toutes les maçonneries de briques sont plus ou moins poreuses, tant par suite de l'ouverture partielle des joints que de la porosité même de la brique ; on réduit ce passage offert à Tair en badigeonnant fréquemment la surface extérieure avec un coulis argileux très liquide, mais on n'arrive jamais à le supprimer complètement. La pénétration de l'air à travers une maçonnerie de 1 m. d'épaisseur pour une différence de pression de i cm. d'eau ne peut guère tomber au-dessous de 10 1. à l'heure et peut, dans certains cas, s'élever à 100 l.Pour cette raison, on doit considérer un four Hoffmann dont les fumées ne renferment que de 10 à 20 0/0 d'air en excès comme parfaitement conduit.

Il ne sera pas inutile de signaler en pissant une difficulté à laquelle donne parfois lieu le fonctionnement des fours Hoffmani> et que l'on peut être assez long à découvrir malgré sa simplicité^

432 INTRODUCTION A L*feTUDE DE LA MÉTALLURGIE

extrême. Les ouvriers, dans le chargement des matières à cuire, oublient souvent de laisser un espace vide devant le canal de sortie des fumées et le bouchent même quelquefois complètement; le tirage du four est coupé, la combustion n'avance pas et Ton cherche de tous les côtés la cause de cet arrêt, incriminant sans motifs la hauteur de la cheminée, la section des conduits de fumées, etc.