EXPÉRIENCES RELATIVES A L'EXPLOITATION DES HAUTS-POUBNEAUX
Production d?un haut- fourneau, au charbon de bois.
La quantité de fonte, 'que fournit un haut-fourneau, dépend principalement de sa plus grande section horizontale et de la masse d'air injecté. La hauteur du fourneau n'a qu'une assez faible influence sur la quantité produite, mais elle dépend de la fusibilité des minerais. Avec des minerais présentant à peu près le même degré de fusibilité, la plus grande production correspond à ceux qui sont les plus riches en fer.
Si on veut obtenir le maximum de production, il faut que la hauteur du fourneau, pour des minerais difficilement fusibles et pour des charbons compactes, soit plus grande que pour des minerais fusibles et pour des charbons légers.
Insufflation d'air.
La quantité d'air à insuffler dans un fourneau à charbon de bois, pour obtenir une marche régulière, doit être de 10m*c* à 12ra'c-8, par minute, pour chaque mètre carré de sa plus grande section, en supposant la densité de cet air ramenée à la pression
de l'atmosphère. Si la quantité d'air est moindre, la production diminue et la consommation de charbon augmente proportîonellement. Si la quantité d'air est, au contraire, plus considérable, la quantité de combustible augmente, sans qu'il en soit de même de la production de fer.
Consommation de charbon de bois.
Lorsque la marche d'un haut-fourneau est convenablement réglée, on consomme 80 à 100 kilog. de charbon de bois, par heure et par mètre carré de la plus grande section. Il résulte de là que, pour 1 kilog. de charbon, il faut employer environ 7mc-7 d'air. La consommation de charb^ft de bois, pour 100 kilog. de fonte, peut être évaluée ainsi qu'il suit pour différents minerais:
n ~4,-i.A A~e~„ * Consommation de charbon
Nature des minerais. ^/m^i L^JS deboispour une production dans 100 kil. de minerai. de ^ ky deFfonte
Minerais facilement fusibles .| 30 „ 35 90 „ 110
Minerais de fusibilité moyenne (40 „ 50 140 „ 180
Minerais difficilement fusibles 40 „ 50 200 „ 250
Les limites inférieures, pour la consommation du charbon de bois, correspondent à la production de la fonte blanche, les limites supérieures à la fonte grise.
Les fourneaux bas consomment relativement plus de combustible que les fourneaux d'une grande hauteur.
Hauts-fourneaux au coke et à Vair froid.
Avec le coke, la quantité d'air nécessaire pour la bonne marche d'un haut-fourneau est de 6mo-25 à 8mo-75 pour chaque mètre carré de section. A cette quantité d'air correspond une consommation de coke de 50 à 70 kil., par mètre carré de section et par heure. Un kil. de coke exige, pour sa combustion, 7mcô
d'air. (4) Avec cette quantité d'air, il faut, pour produire 100 kil. de fonte, employer les quantités de coke suivantes:
Minerais facilement fusibles . . 180 à 210 kil. Minerais de fusibilité moyenne . 210 à 260 „ Minerais difficilement fusibles • 260 à 300 „
Tension de Vair dans les tuyaux de conduite^ près des tuyères.
Cette tension se détermine, en général, d'après la nature du combustible. La différence entre cette tension et la pression atmosphérique est, en centimètres de mercure:
Centimètres.
Charbon de bois tendre .... 2 à 3 Charbon de bois résineux ... 3 „ 4
Charbon de bois dur 4 „ 6
Coke léger 8 „ 13
Coke compacte 13 „ 19
Marche d?un haut-fourneau à Vair chaud.
L'emploi de Pair chaud, dans les hauts-fourneaux, a permis <le constater jusqu'ici les résultats suivants:
1° La fusion a lieu régulièrement et rapidement; la production est de moitié plus élevée qu'avec l'emploi de l'air froid.
2° La consommation de combustible, nécessaire pour la
production d'une certaine quantité de fonte, est de — à ~^plus faible qu'avec l'air froid.
\}) Cette quantité d'air, de môme que celle du N° 421 pour le charbon de bois, serait suffisante pour brûler complètement le carbon du coke en le transformant en acide carbonique.
D'après H, l'etere, en désignant par p la teneur en carbone du coke, (ou du charbon de bois) la quantité d'air à insuffler, pour 1 kilogr. de coke iou de charbon de bois), no serait que de 00445 p (en met. cub.), ce qui, pour p = 85, en moyenne, donne 3mc8 ou 4k9 d'air; cette quantité n'est que la moitié de celle que nous ayons indiquée; mais, en réalité, l'air insufflé doit simplement transformer le carbone en oxyde de caibone, lequel agit, comme réducteur, sur l'oxyde de fer.
3° La quantité d'air chaud à insuffler dans un haut-fourneau, pour la production d'une certaine quantité de fonte, est <!e
-j- plus faible que celle de l'air froid et la tension dans 1»*$
buses de - - plus petite, o
4° L'emploi de l'air chaud permet de remplacer le coke par la houille et le «charbon de bois par le bois à l'état naturel ou du moins simplement torréfié.
5° La fonte > obtenue h l'air chaud, est très douce, d'uoe teinte grise et d'une faible résistance; comme elle remplit très exactement les moules, on l'emploie, de préférence, pour les pièces de fonte moulée.
6° La qualité du fer, provenant d'une fonte de ce genre, parait, dans la plupart des cas, moins satisfaisante; mais il peut se faire que ce résultat doive être attribué h l'ignorance où l'on est encore des circonstances qui influent sur la qualité du fer.(1)
Formation des scories.
Une production de fer, dans de bonnes conditions sous le rapport de la quantité et de la qualité, correspond toujours à la formation d'une certaine quantité de laitiers ou de scories. Pour 100 kiL de fonte, cette quantité a les valeurs suivantes:
Kil. de scorie* Fours au coke donnant de la fonte grise . . . 259 à 298 Fours au coke donnant de la fonte blanche ou
demi-blanche 137 „ 201
Fours au charbon de bois, donnant de la fonte
grise 230 „ 280
Fours au charbon de bois, donnant de la fonte
destinée à la fabrication du fer 120 „ 170
(*) L'expérience a montré que l'emploi de l'air chauffé était avantageai pour la fonte de puddlage. La température la plus convenable pour l'air insufflé dépend, dans ce cas, non seulement de la qualité du fer qu'on vent obtenir, mais encore de la nature du minerai' et do celle du combustible. Pour le charbon de bois, elle varie de 100 à 250°, pour le coke, de 100 à 350°; pour l'anthracite, elle s'élève à 400° et au delà; elle doit d'ailleurs être plus forte pour la fonte grise que pour la fonte blanche ou demi-blanche.
Fondants.
Les fondants ont pour but, soit de saturer par des bases terreuses les silicates, contenus en grande quantité dans les minerais, soit de remplacer, par des substances quartzeuses, les silicates, lorsque ces derniers viennent à manquer, soit enfin de faciliter le passage des substances terreuses dans les scories, par la formation de plusieurs silicates composés.
Dimensions cPun haut-fourneau.
Les règles suivantes, relatives à la détermination des dimensions d'un haut-fourneau, ont été déduites de l'examen comparatif d'un grand nombre d'installations existantes. Les dimensions, fournies par ces règles, ne doivent, par suite, être considérées que comme des valeurs moyennes et il convient de les modifier, dans chaque cas spécial, suivant le degré de fusibilité des minerais et la nature du combustible.
Si on désigne par:
E la quantité de fonte (en kilog.j qu'un haut-fourneau doit produire en 24 heures, k la quantité de combustible (en kilog.) pour cette production, D le diamètre de la plus grande section horizontale du fourneau, H la hauteur du fourneau, depuis le fond du creuset jusqu'au
gueulard (non compris la cheminée), on a: * __
Fourneaux au charbon de bois . . . D = y — ôTfiôfifi m^'
"kË~ 117600
Diamètre du gueulard 0*43 D
Diamètre inférieur de l'étalage . . . 0*31 D
Largeur du creuset 0*22 D
Longueur „ 060 D
Hauteur du fourneau H = 3*43 D
Hauteur de la cheminée au-dessus du
gueulard 024 H
Hauteur de la cuve 0*66 H
„ de l'étalage 0-18 H
„ de l'ouvrage 0*16 H
Fourneaux au coke xj — v — tt^w^k v
D'après R. Peters, on peut prendre, comme valeurs moyennes, les dimensions suivantes:
Haut-four noau
nu charbon de bois au coke.
Hauteur du fourneau 10m* 15m-
„ de l'ouvrage . lm6 lm-9
„ de l'étalage lm9 3ml
„ de la cuve 6m-5 10m
Diamètre du gueulard lm25 2m-8
Diamètre du ventre 2m-5 4m-4
Nombre des tuyères 2 3 à 6
Hauteur des axes des tuyères au-dessus de
la dalle du fourneau 0m-47 0m*78
Autrefois l'étalage et la cuve étaient toujours formés de troncs de cônes, ayant pour base commune le cercle du ventre. Dans les nouveaux fourneaux, le ventre est souvent formé d'une partie cylindrique, de 2 à 3m- de hauteur, qui va en se rétrécissant vers le haut. Dans plusieurs fourneaux, on donne la même inclinaison à l'étalage et à la partie supérieure de l'ouvrage, ou même à cet ouvrage tout entier.
Rendement, consommation de combustible et <ïair de hauts-fourneaux de diverses grandeurs.
Le tableau suivant donne un aperçu de la production et de la consommation de hauts-fourneaux de diverses grandeurs. On a adopté, pour l'établissement de ce tableau, les données suivantes :
(235 kil. de coke pour 100k- de fonte. 6mc-18 d'air, par minute et par mètre fourneaux a coKe^'j . . .< carré de section.
1 49 kil. de coke, par heure et par mètre carré de section.
(*) Arec les proportions qu'on admet aujourd'hui, remploi- de l'air chaud fournit, en général, des résultats plus avantageux: ainsi, par exemple, la quantité de coke employée est inférieure à 2-J5k- par 100k de fonte, de même que la quantité d'air reste notablement au-dessous de 6mc- 18 par kil. de coke. Dans les hauts-fourneaux de Westphalie, d'après R. Pétera, pour
Fourneaux h charbon de bois
160 kil. de charbon de bois pour
100*- de fonte llmc-56 d'air, par minute et par
mètre carré de section.
90 kiL de charbon de bois, par heure
et par mètre carré de section.
Fourneaux à charbon de bois
Fourneaux à coke
et à air froid.
et à air froid.
H hauteur du fc
Production
de fonte par
24 henres.
Consommation de charbon de ; bois (24 heures).
Consommation d'air par !
minute '
Production de fonte par 24 heures. |
Consommation
de coke ; (24 heures). !
Consommation !
d'air par !
minute. |
Itiètrea.
| Mètres.
Kilogrammes Kilogrammes
Met. cnb.
Kilogrammes Kilogrammes
Mit cub.
SOUFFLERIES DBS HAUTS-FOURNEAUX.
Consommation d'air a" un haut -fourneau.
La consommation d'air des hauts-fourneaux, d'après les indications précédentes, est de:
Fourneaux à charbon C 10mc-25 à 12mc-85, par minute et par mètre
de bois ( carré de la plus grande section.
^ . , \ 6mc-18, par minute et par mètre carré de
Fourneaux à coke .s , , , .
la plus grande section.
100 kil de fonte, on n'emploie que 123k* de coke et 100k* de castine. La quantité d'air insufflé (ramenée à la pression atmosphérique) est de 3m,c9 pour 1 kil. de coke.
Pression de Voir dans la soufflerie..
Cette pression, qui dépend de la nature du combustible, se détermine d'après les indications du N°. 423. •
Vitesse du piston.
La vitesse du piston, par seconde, a pour valeurs:
Petites souffleries en bois Om75 à l^OO
Grandes souffleries cylindriques en fer 0m90 à l^OO)
Rapport entre les quantité éCair aspiré et insufflé.
Pour les souffleries en bois . . —
Pour les souffleries en fer . . —
Section cPune soufflerie à caisse ou à cylindre.
Soient :
V lé volume d'air (ramené à 0°) qu'un cylindre ou une caisse
doit fournir, par seconde, à un haut-fourneau, t la température de l'air aspiré, O la section du cylindre ou de la caisse, v la vitesse du piston par seconde; on a, pour les souffleries en bois, à simple effet:
Pour les souffleries cylindriques en fer à double effet: O = -| -^ (1 + 0-00367 t).
(*) Dans les installations nouvelles, la vitesse de lm20 est considérée plutôt comme une valeur moyenne que comme une valeur limite.
Course du piston.
Pour les souffleries à cylindre, la course du piston est ordinairement égale à son diamètre (1); pour les souffleries à caisse,
elle est égale à —r- de la largeur de la caisse.
Section de la soupape cPaspiration.
Cette section, pour les souffleries à caisse, est de -j-r à —^
de la section de la caisse; pour les souffleries cylindriques, elle
est de -^- à -^ de la section' d'un cylindre, lu y
Section de la soupape de refoulement.
Elle est égale à ^- de la section du cylindre ou de la caisse.
Conduites d?air.
La section des conduites d'air froid est égale à ~- de la
somme des sections des cylindres à double effet ou à -^ de lft
somme des sections des souffleries à caisse h simple effet. Pour l'air chaud, cette section doit encore être augmentée dans le rapport de 1 + 000367 T : 1, (T étant la température de l'air chaud).
Régulateur à volume invariable.
Le volume d'un pareil régulateur (récipient à air, en forme de chaudière) doit être de 40 à 60 fois supérieur au volume d'air qu'il doit recevoir et renvoyer dans chaque seconde.
(â) Cette égalité n'existe, en réalité, quo pour les valeurs du diamètre voisines de lm6* Pour les diamètres plus petits, le rapport de la course au diamètre s'élève à 1*2; pour les diamètres plus grands, il descend à 08.
Nombre des tuyères.
Les fourneaux à charbon de bois n'ont qu'une tuyère, lorsque la quantité d'air à insuffler, par minute, ne dépasse pas 30"-°-. Les fourneaux à coke ont toujours, au moins, deux tuyères. Si la quantité d'air atteint 70 à 100mc* par minute, il faut employer trois tuyères.
Somme des sections de tous les orifices des tuyères.
Si on désigne par:
o la somme des sections de toutes les ouvertures des tuyères,
V le volume d'air qui doit être insufflé, par seconde, Sans le haut-fourneau, à la température de 0° et sous la pression atmosphérique,
P la pression de l'air dans les conduites d'air, près des ouvertures des tuyères,
p la pression dans le haut-fourneau, qui est approximativement égale à la pression atmosphérique,
T la température de l'air dans les conduites,
k le coefficient de contraction pour les orifices des tuyères (ordinairement k = 0*9 à 0*95),
U la vitesse de l'air à la sortie des tuyères,
g = 9'808 l'accélération de la pesanteur,
on a:
2g. S—- 'log.nat-
Les résultats , donnés par cette formule , pour k = 0*9 et p = 76e- de mercure,, sont contenus dans le tableau suivant:
Pression de l'air dans
les conduites,
en centi-
mètres de
mercure.
Force motrice exigée par les machines soufflantes.
Si on désigne par:
V le volume (en mètres cubes) qu'occupe Pair qui doit être insufflé dans le haut-fourneau, par seconde, à 0° et sous la pression atmosphérique, P la pression de Pair dans les conduites, par mètre carré, N l'effet utile (en chevaux) que le moteur doit développer,
N = 75- - log' nat 15585- x V
Les résultats, que fournit cette formule, sont indiqués dans le tableau suivant:
Pression dans les conduites (en colonne de mercure) 3
N force en chevaux
volume d'air
Centfmètres.
D'après Grashof, l'effet d'une machine soufflante peut se calculer plus exactement de la manière suivante:
R edt en bac h er, Résultats. S • édition. 28
1° Machine soufflante cylindrique, avec soupapes à clapets.
F la surface effective du piston (section du cylindre diminuée de
la section de la tige du piston), Ft la somme des orifices des soupapes d'aspiration, F8 „ „ „ de refoulement,
f la section, d le diamètre (moyen), 1 la longueur de la conduite
d'air jusqu'au régulateur, c la vitesse moyenne du piston,
V le volume d'air (ramené à la pression atmosphérique) qui s'in- * troduit, par seconde, dans le régulateur,
ip le rapport , pour une soufflerie à simple effet,
9 „ p-, „ „ à double effet,
q un coefficient qui se rapporte aux pertes dues aux frottements
de la soufflerie (piston, tige du piston, etc.), N l'effet utile (en chevaux) de la machine motrice, b la pression barométrique (en colonne de mercure), h l'excès de pression de l'air *dans le régulateur, hj l'excès de la pression extérieure sur la pression moyenne
dans le cylindre, en arrière du piston, pendant l'aspiration, h2 l'excès de la pression moyenne, dans le cylindre, en avant
du piston, sur la pression dans le régulateur, H = h4-h1+ h2.
Avec ces notations, on a:
N__ 10333 1+^ ^ h, __n.9RR H^n.0H^H
"foôooo "lfH, + 14,k 12 b*)
En particulier, pour:
M ACHINE8 MANUFACTURIERES ET FABRICATION. 43£
On a:
75 tp ^ = 0012 &, ^ = 0-014 c* (l + 1-42 -jj- — 1-2 p)
En faisant b = 0*76, on obtient alors, pour différentes va*
N leurs de h et de c, les valeurs suivantes de -^- :
2° Machine soufflante à tiroir.
En conservant aux notations F, f, d, 1, c, V, v? Q< N, b, h, ht, h2, H leurs significations précédentes et en désignant, de plus, par:
e la largeur d'une lumière, dans le sens perpendiculaire au mouvement du tiroir, a l'autre dimension, dans le sens parallèle au mouvement, a, la largeur de la surface du tiroir, dans le sens de a, a, — a la somme des recouvrements extérieur et intérieur du
tiroir, on doit prendre S
N* 10333 l+Qi V — 75
±i(1.42+^„9WH+(,2H>(M)1^H
Dans rétablissement de ces formules, l'espace nuisible, à chaque extrémité du cylindre, a été supposé égal à 0*05 F s, » désignant la course du piston; on a admis, de plus, que la disposition du tiroir était aussi avantageuse que possible; cette disposition est déterminée par les équations ci-dessous dans lesquelles a désigne l'angle, dont la manivelle du tiroir a encore à tourner, pour arriver à sa position moyenne, au moment où le piston est arrivé à l'extrémité de sa course:
sin a
y 0-709 ^ 6 — 0-855 lç\
at 1 + sin ot\ recouvrement extr* et int* = *-- —
a 1 — sin a / , . . . ,
{ course du tiroir = &t + a.
Pour — = -Ç- = 8, -V- = 60, xp = 0-75, q = 0O9.
ae f d ^ . r
On a:
On tire de là, pour b = 0*76, c = 2m- et h = 003 0-06 0-10 ~- = 13-9 242 36-9
Les machines soufflantes à tiroir permettent d'adopter une vitesse de piston supérieure à celle qu'on peut admettre avec les soupapes ; mais il importe de remarquer que, en moyenne,* y est plus petit et ç plus grand que nous ne l'avons supposé ici. Leur effet dépend, en outre, essentiellement de la manière dont fonctionne le tiroir, pour lequel les chocs exercent une action d'autant plus nuisible que la pression de l'air est plus forte.
Appareil* de chauffage de Cair.
Température la plus avantageuse à laquelle l'air
doit être porté ^ . 300°
Surface de chauffe la plus avantageuse pour
chauffer lma d'air par minute 0m*8 à lm<*-
Vitesse la plus avantageuse de l'air dans les tubes de chauffage et dans les tuyaux qui le conduisent aux orifices des tuyères .... I0m* à 15™*
Consommation de combustible pour | 15
chauffer lnic- d'air ) 1
! Houille ■ 30 *
Effet utile de l'appareil de chauffage 0*5
Si on désigne par y cet effet utile et par k le pouvoir calorifique du combustible, la quantité de ce combustible nécessaire pour chauffer à 300°, sous pression constante, lmc- d'air, pris à la densité atmosphérique, est représentée, d'une manière
générale, par — r.
