II. i

i46 EXTRACTION DU FER.

C'est par legueielaniG^ ouverture pratiquée à la partie supérieure de la cuve, qu'on introduit le mélange des minerais , du fondant et du combustible , et c'est par la base de l'ouvrage qu'aiïlue incessamment l'air nécessaire à la combustion. Le charbon joue dans cette opération un triple rôle : une première portion développe la chaleur nécessaire à l'action chimique et à la fusion des corps qui doivent se liquéfier; une seconde portion, en passant à l'étal d'oxyde de carbone , constitue l'agent réducteur qui sert à ramener le fer à l'état métallique ; enfin , la troisième , en s'unissant au métal réduit , le change en fonte fusible.

Il résulte de là que , dans un haut fourneau en activité , il y a constamment deux colonnes en mouvement : l'une ascendante, gazeuse , formée à son entrée d'air atmosphérique et de vapeur d'eau, et, à sa sortie, d'azote, de toutes les matières qui se sont dégagées du minerai , du fondant et du combustible, enfin de tous les produits de la combustion; l'autre descendante, formée de matières solides à son origine, l'est en définitive de matières liquides qui se séparent en laitier et en fonte.

§ 699. Je commencerai par vous indiquer les moyens employés par M. Ébelmen pour déterminer la composition chimique de la colonne ascendante prise en différents points de sa hauteur.

Je vous ferai voir ensuite comment on peut , au moyen des faits observés par ce chimiste , établir d'une manière simple et nette la théorie des hauts fourneaux.

On éprouve de grandes difficultés pour puiser avec certitude des gaz dans certaines parties du fourneau que parcourt la colonne ascendante; on y parvient néanmoins en laissant plonger dans chacune de ces parties, pendant un temps suffisant , un tube aspirateur dont la matière doit être choisie d'après la température qu'elle doit supporter. Ainsi au gueulard , dans la cuve , aux étalages même , on peut puiser les gaz au moyen d'un tuyau de fonte ; tandis qu'à la partie inférieure de l'ouvrage, près des tuyères, il faut employer un tube de porcelaine luté , préservé de l'action immédiate du feu par une double enveloppe de fer et de terre réfractaire , et encore est-on obligé , dans ce cas , de ne donner qu'une partie du vent.

Dans les expériences de M. Ébelmen , le tube aspirateur se trouvait toujours en communication avec un tube rempli de ponce

impré^ée d'acide sulfurique , qui faisait ainsi connaître le poids de la vapeur d*eau contenue dans les gaz.

Le gaz desséché arrivait dans un gazomètre à mercure d'une capacité de 1600 centimètres cubes environ , ou dans un récipient rempli d'eau recouverte d'une couche d'huile pour préserver le gaz de tout contact avec l'eau. Le gaz desséché arrivait dans un appareil de Liebig , y cédait son acide carbonique et passait ensuite sur de l'oxyde de cuivre porté au rouge ; le carbone et l'hydrogène donnaient alors naissance à de l'acide carbonique et à de Teau qui pouvaient être recueillis et pesés. L'azote était dosé directement.

§ 700. M. Ébelmen a pu s'assurer que le gaz des hauts fourneaux contient, dans son plus grand état de complexité, de la vapeur d'eau , de l'acide carbonique, de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène libre et de l'azote ; et que , dans le cas où l'^n ajoute au charbon du bois en nature , on y rencontre en outre de l'acide acétique et des carbures d'hydrogène.

Nous allons consigner dans le tableau suivant la composition moyenne des gaz extraits à diverses hauteurs d'un haut fourneau roulant au coke.

Com/fosiiion des gaz extraits d'un fourneau au coke.

TOISIRAOB

de U lorèra.

aa-4eMus

de U tayère.

AU VBNTM.

A LA MOITli

U cuf e.

AU GUBDLARD .

Acide carbonique.

Oxyde de carbone.

Hydrogène

Azote

Totaux

L'inspection de ces chiffres va nous permettre de nous rendre un compte exact de la marche de l'air dans le haut fourneau et des phénomènes chimiques qui s'y accomplissent.

L'air arrivant par la tuyère brûle du charbon et forme de l'acide carboaique en développant une quantité de chaleur considérable.

i48 EXTRACTION DU FER.

Cet acide carbonique rencontrant, à mesure qu'il s'élève dans l'ouvrage et dans les étalages, du charbon incandescent, se transforme en oxyde de carbone , en même temps que par le fait de cette transformation il se produit une notable absorption de chaleur. L'oxyde de carbone rencontrant à la partie supérieure des étalages et dans la cuve de l'oxyde de fer suffisamment échauffé, le réduit en repassant à l'état d'acide carbonique. Nous trouvons donc ce gaz aux deux extrémités de l'appareil : en bas, il résulte de la combustion directe du charbon aux dépens de l'oxygène de l'air ; en haut , de la combustion de Toxyde de carbone aux dépens de l'oxygène de l'oxyde de fer.

Si nous suivons maintenant la colonne descendante, nous voyons qu'à la partie supérieure le minerai commence par se dessécher, se déshydrater, mais sans éprouver d'altération ; dès qu'il a atteint une température suffisante dans la partie inférieure de la cuve, l'oxyde de carbone le réduit, repassant à l'état d'acide carbonique qui s'ajoute à celui que dégage la castine. Dans cette partie de l'appareil le minerai perd en moyenne, d'après les recherches d'Ébelmen , les ff de son oxygène par la réaction de l'oxyde do carbone, et les 3V restant depuis les étalages jusqu'à la tuyère par l'action directe du carbone. Dans les étalages la chaux conmienco à réagir sur la gangue, en même temps que le fer réduit se transforme en fonte en s'unissant avec du carbone et de petites quantités de silicium. Cette fonte, môiée aux silicates, arrive dans l'ouvrage, où règne la température la plus élevée; c'est dans la zone où se produit l'acide carbonique que la fusion complète s'opère; les matières, en arrivant dans le creuset, se séparent suivant leurs densités respectives , la fonte gagnant le fond , tandis que le laitier surnage et finit par déborder, s'écoulant du fourneau, à mesure qu'il s'emplit, par la dame D, pierre réfractaire taillée en prisme, qui se trouve au-dessous et un peu en avant de la paroi de l'ouvrage qui porte le nom de tjrmpe T.

Nous avons dit tout à l'heure qu'une portion de l'oxyde de fer des minerais échappait à la réduction par l'oxyde de carbone dans la cuve, et qu'elle était réduite dans les étalages par le charbon en nature.

Cela tient à ce que les charges ne descendent pas dans le fourneau d'une manière parfaitement régulière, qu'il se manifeste ,

comme on dit, des chutes de mines, et que par conséquent une portion du minerai arrive dans les étalages avant d'avoir eu le contact de Toxyde de carbone. Cet oxyde de fer s'unit alors avec la silice, et sous cette forme il exige pour sa réduction une température considérable et l'intervention du charbon. Ce fait se trouve mis en évidence par la présence d'une certaine quantité d'oxyde de carbone qui se produit dans le voisinage des tuyères , et dont la présence dans cette partie de l'appareil ne saurait trouver d'autre explication que dans l'action du charbon sur le laitier.

§ 7(M . Un fait des plus remarquables qui se produit dans ces réactions, c'est l'abaissement brusque de température qui se manifeste dans l'appareil par suite de la conversion de l'acide carbonique en oxyde de carbone.

D'après Ébelmen, l'espace où se développe ce maximum de chaleur est très-petit, et cela à cause de la rapidité de la conversion de l'acide carbonique en oxyde de carbone. Il en résulte un refroidissement brusque et considérable dont nous allons facilement nous rendre compte.

En effet, d'après Dulong,

1 litre de vapeur de carbone donne en brûlant a litres CO' et dégage 7858 unités de chaleur.

2 litres d'oxyde de carbone donnent

aussi en brûlant ^ litres CO' et dégagent 6260 unités de chaleur. En se transformant en oxyde de carbone,

I litre de vapeur de carbone n'a donc

produit que iSgS unités de chaleur,

soit i environ de la chaleur totale.

Recherchons maintenant quelles seront les températures de combustion de l'acide carbonique et de l'oxyde de carbone , la combustion du charbon s'opérant dans l'air.

Or la température de combustion d'un composé binaire étant l'élévation de température qu'aurait le composé formé si toute la chaleur dégagée dans la combinaison des deux éléments était employée à élever sa température , elle sera par conséquent égale à la quantité de chaleur dégagée (mesurée au moyen du calorimètre), divisée par le produit de la chaleur spécifique et do la masse de ce composé.

i5o EXTRACTION DU FER.

Or on a:

Chaleur spécifique de l*acide carbonique ... 0,121 Chaleur spécifique de Toxyde de carbone. . . o, 288 Chaleur spécifique de Tazote 0,275

I litre d'oxygène pèse i,436

I litre d'azote pèse. i ,a63

I litre de vapeur de carbone pèse i ,077

I litre d'acide carbonique pèse i ,976

I litre d'oxyde de carbone pèse i,^^7

Ceci posé, on obtient par la formation de l'acide carbonique ao moyen de l'air :

I litre de vapeur de carbone pesant i ,077

i3,567 I^s produits de la combustion sont :

QoanUlé de châleor ^,99 prend le g»

ea i*échanffknl de 1*.

Acide carbonique. . 3 , g5o o , 873

Azote 9,617 2,645

La température de combustion sera par conséquent

1378 = ^^^^°- Si avec la même quantité d'air il ne se forme que de Toxydc de carbone, on aura

2 litres de vapeur de carbone pesant. . 2, i54 9"*,6i5 d'air pesant 1^)490

qui produiront :

Qotnltté de chaleur que prend rr le gu en l'éebauflfent d« l*.

4 litres d'oxyde de carbone pesant. 5,027 » «448

7'",6i5 d'azote pesant 9,617 2,645

La température de combustion sera dans ce cas - = 780**.

EXTRACTION DU FER. i5i

On voit doue que ia température s'abaissera de 2tà3a à 780 degrés par la transformation de Tacide carbonique en oxyde de carbone dans le courant d'air qui traverse le fourneau. La combustion de la moitié du charbon vis-à-vis de la tuyère produit donc une température énorme; tandis que la combustion de l'autre moitié détermine une absorption considérable de chaleur* latente, et un abaissement correspondant dans la température du foyer.

Dans les hauts fourneaux alimentés par le coke, la partie de Tappareil où s'opère la transformation complète de l'oxygène en oxyde de carbone paraît plus éloignée de la tuyère que dans les fourneaux au charbon de bois. Les ouvrages de ces derniers sont aussi généralement moins élevés que ceux des fourneaux à coke. La plus importante cause de refroidissement des gaz est donc la formation de l'oxyde de carbone. L'expulsion de l'acide carbonique et de Veau des minerais qui s'opère à des hauteurs différentes de la cuve produit également une absorption considérable de chaleur latente, encore indéterminée quant à présent.

§ 702. Nous avons vu plus haut que la majeure partie de l'oxyde de fer était réduite dans la cuve sans dépense de charbon , tandis que l'autre portion donnait lieu à une consommation plus ou moins grande de ce combustible. Les recherches de Dulong vont encore nous servir à expliquer c^ résultats.

En effet, ce physicien a observé que dans la combustion du fer par l'oxygène i litre de ce gaz produisait &»i6 unités de chaleur. L'oxyde de fer en perdant son oxygène absorbera nécessairement toute la chaleur produite dans la combinaison. Il y aura donc 6216 unités de chaleur rendues latentes.

Si l'on admet maintenant que la réduction s'opère par la transformation de l'oxyde de carbone en acide carbonique, ce qui a lieu sur toute la hauteur de la cuve, on trouve que 2 litres d'oxyde de carbone en se combinant avec i htre d'oxygène produisent 6266 unités de chaleur, nombre sensiblement égal au précédent. On peut donc admettre d'après cela que la réduction de l'oxyde de fer par l'oxyde de carbone a lieu sans effet calorifique sensible.

n n'en est plus de môme si la réduction s'opère au moyen du charbon avec formation d'oxyde de carbone. Dans ce cas i litre d'oxygène ne dégage, pour transformer 1 litre de vapeur de carbone en a litres d'oxyde de carbone, que 1598 unités de chaleur,

i5a EXTRACTION DU FER.

d'où Ton conclura nécessairement qu'il y a 4.618 unités de chaleur rendues latentes par la réduction de Toxyde de fer en fer métallique. Il se brûle, en outre, en même temps, i litre de vapeur de carbone. Il y a donc, dans ce cas, double consommation de charbon : la première nécessaire pour restituer au fourneau les 4618 unités de chaleur rendues latentes; la seconde employée à la formation de 2 litres d'oxyde de carbone.

Parmi les minerais de fer, les uns, comme les hydroxydes en grains à gangue argileuse ou calcaire , sont entièrement réductible par Toxyde de carbone ; les autres, comme les peroxydes anhydres et les silicates, exigent une température très-élevée; de plus, leur réduction est accompagnée de la formation d'oxyde de carbone. Ces derniers consommeront donc une proportion plus considérable de charbon.

§ 703. Les dimensions des hauts fourneaux varient suivant qu'ils sont alimentés par du charbon de bois ou par du coke. Dans le premier cas, on leur donne environ 10 mètres de hauteur depuis le fond du creuset jusqu'au gueulard ; ils n'ont en général que deux tuyères. Dans le second, cette hauteur s'élève jusqu'à i5ou 18 mètres; ils reçoivent en outre [fig, 180, PL VU) le vent de trois tuyères.

Lorsqu'on fait usage de charbon de bois, on cherche à produire les laitiers les plus fusibles; les dosages du fondant et du minerai sont faits alors de telle sorte , que l'oxygène des bases réunies soit à Toxygène de la silice : : !i : 3. Yient-on à remplacer le charbon de bois par du coke, il faut, alors même qu'on opère avec des minerais identiques, forcer la proportion de castine, bien qu'en agissant de la sorte on diminue notablement la fusibilité des laitiers. Cela tient à ce que le coke étant presque toujours pyriteux , il se produirait du sulfure de fer qui, passant dans la fonte, en altérerait la qualité. Or, dans le cas où l'on emploie un excès de chaux, le soufre se transforme tout entier en sulfure de calcium qui jouit de la propriété de se dissoudre dans le laitier, de sorte qu'on n'a plus à craindre alors que la fonte soit sulfurée. Mais ce laitier devenant moins fusible, il devient nécessaire de développer une plus grande quantité de chaleur dans ces appareils. Comme à cette température élevée le fer décompose la silice en présence de charbon , il en résulte nécessairement que les fontes

DES FONTES. i53

au coke sont plus riches en silicium que les fontes au charbon de bois.

Quoi qu'il en soit , lorsqu'il s'est accumulé dans le creuset une quantité convenable de fonte , on débouche avec un ringard le trou de coulée qu'on avait maintenu fermé pendant l'opération à l'aide d'un tampon d argile ; le métal fondu s'écoule et vient se rendre dans des cavités creusées dans le sable ; il prend alors la forme de demi-cylindres auxquels on donne les noms de gueuses ou gueusettes, suivant leurs dimensions.