THJÉORIE DU HAUT-FOURNEAU
Nous avons dit précédemment que pour faire entrar en fusion la gangue dû minerai, il fallait la transformer en silicate double de chaux et d'alumine; et que si cette gangue était siliceuse ou argileuse, ^n devait ajouter une certaine quantité de carbonate de chaux (Castine) pour la rendre fusible.
L'addition du carbonate de chaude a aussi pour but de déplacer le protoxide de fer, cpii tend toujours à entrer dans le laitier pour former un silicate de fer fusiMe qui est irréductible par le charbon.
L'expérience a démontré que le silicate d'alqmine et de chaux le plus fusible , est celui dans lequel rosigène de l'acide est le double de celui des deux bases. Il faut en outre que la chaux soit en plus forte prqport ion que l'alumine .
Les bons laitiers présentent la composition suivante :
^ce /i5 à 55 p. 100
Chaux ..... 25 à 35 — Alumine «... i5 à 20 — ao plus.
On doit , dans un haut-fourneau à charbon de bois , tâcher d'obtenir des laitiers se rappi*ochant, par leur composition , du silicate qui entre le plus facilement en fusion.
On a remarqué que , dans un fourneau à coke , il y aurait de l'inconvénient à donner au laitier la composition précédente , parce que la fonte serait sulfureuse ; on augmente alors la quantité de chaux, et l'on cherche à rapprocher le laitier d^un silicate, dans lequel la quantité d'oxigène est la même dans l'acide et dans les bases; le soufre passe alors dans le laitier à l'état de sulfure de calcium.
Le meilleur laitier pour les fontes grises contient 50 de silice , 30 de chaux , et 18 d'alumine.
Lorsqu'on travaille en fonte blanche, il faut forcer un peu la proportion de chaux , et rendre ainsi le laitier plus fusible. Le travail en fonte blanche est ordinairement accompaj^é de laitiers contenant du protoxide de fer.
Le protoxide de manganèse dans le laitier donne des résultats avantageux pour les fontes blanches; il augmente la fusibilité du laitier , fait passer du manganèse dans la fonte, et rend l'affinage pour acier plus facile.
356 THiORIfi DO HAUT-FOURNEAIT.
Le laitier, étant destiné à recouvrir la fonte et à la préserver de l'action oxidante de Tair qui entre par les tuyères, doit avoir une certaine densité pour ne pas être déplacé par le courant d'air.
Nous donnerons ici les analyses de ^elques laitiers, que l'on doit à M. Berthier.
Lailien provenant de minerais oxidés,
Smce UU.li 60,0 39,0
Chtiix. 28,6 20,6 19,6
Magnésie. 1,6 7,2 2,/ï
Alumine 17,0 7,6 26,0
Protoxidedefer ..... UA 3,0 5,0
Protoxide de inang;anèse. 2,0 3,6 »
LjoUierê provenami de minerais earhonatis.
Silice 56,0 66,0 65,6
Chaux 13,0 8,0 6,2
Magnésie 9,3 5,0 8,6
Alumine 6,5 9,0 4,6
Protoxide de fer 5,0 9,0 1,8
Protoxide de manganèse. 9,5 7,0 . 33,6
Soufre » » 0,7
Laitiers provenant de fourneaux chauffés au coke.
Silice 35,6 66,6
Gliaux. 38,6 28,3
Magnésie. 1,5 »
Alumine 16,2 18,8
Protoxide de fer 1,2 1,8
Protoxide de manganèse. 2,6 2,6
Soufre 1,6 1,2
Scories de forges catalanes.
Silice 31,1 26,8
Protoxide de fer 31,6 61,0
Protoxide de manganèse . 27,6 3,2
Chaux 3,2 3,0
Magnésie 2,6 1,6
Ahimine 3,6 7,6
TUÉOUŒ DU HALT-FOaHiNEAU. 357
Scories provenant de raffinage de fontes communes.
Silice 19,S 28,0 5,6
Protoxide de fer lUfi 70,0 85,5
Protoxide de manganèse. 3,6 » traces. .
Chaux 1,8 0,^ 3,4
Alumine 1,2 0,8 0,1
Acide phosphorique. . . » » Zi,7
Pour foire comprendre la théorie des réactions chimiques qui se pro-^ duisent dans un haut-fourneau , nous donnerons un résumé succinct des travaux importants de M. Ebelmen , sur la composition des gaz des hautsfourneaux.
En examinant un haut-fourneau en activité, on reconnaît que d'un côté, on introduit par la tuyère une quantité d'air considérable; et que de l'autre, on jette constamment par le gueulard des couches alternatives de minerai et de combustible.
Il faut donc considérer dans un haut^foumeau deux coloimes : l'une gazeuse , qui a un mouvement ascensionnel très rapide ; l'autre solide qui s'abaisse lentement vers le creuset.
M. Ebelmen a pensé avec raison , que s'il était possible d'extraire du haut-fourneau, le gaz pris à différentes hauteurs, on pourrait établir d'une manière précise la théorie du haut-fourneau en déterminant la composition chimique de la colonne ascendante depuis sa sortie par le gueulard jusqu'à son origine à la tuyère. Les premières expériences furent faites sur deux hauts-fourneaux, dont l'un travaillait au charbon de bois, et l'autre avec uxx mélange de bois et de charbon.
En pratiquant des ouvertures latérales sur le fourneau, M. B)elmen en a retiré des gaz qui ont présenté la composition suivante :
Gaz du gueulard.
Acide carbonique. 12,88
Oxide de carbone . 23,51
Hydrogène .... 5,82
Azote 57,79
La quantité de vapeur d'eau a varié de 9 à 14 p. 100 en volume , suivant que les gaz étaient puisés lorsque la charge du fourneau s'élevait au niveau du gueulard ou lorsqu'elle se trouvait au-dessous.
De 1",33 à 2",67 au-dessous du gueulard, la quantité de vapeur d'eau diminue rapidement, et les proportiims des autres gaz restent les mêmes.
358 THÉORIE t)V flAUT-FODRNEAU.
A une distance de 2-,67 k 5",67, Teau disparaît complètement ; les quantités d'acide carbonique et d'hydrogène diminuent , tandis que Toxidede carbone augmente.
ComposiUcn des gaz pris au ba$ 4e la cuve, Oxide de cai^ne. - 35,(H ■ * Hydrogène .... 1,92 Azote 6a,07
100,00 On voit qUe dans cette partie du haùt-fourneau l'acide carbonique disparaît complètement , et qu'il est transformé eit oxide de carboné.
Composition des gaz pris au bas de t étalage.
Acide carbonique. 0,31
Oxide de carbone . 41^59
hydrogène .... 1,42
Azote 56,68
Gû% pris au niveau de la tythpe.
Oxide de carbone . 51,35 Hydrogène .... 1,25 Azote Û7,Ù0
Toutes ces analyses ont été fai^ sur un liaut-fomiieBu travaillant au charbon de bous. Elles font connaître les modifications qu'éprouve la colonne gazeuse^ en traversaqt les couches de minerais et de combustibles. On voit que si l'air introduit par les tuyères brûle le carbcme en produisant d'abord de l'acide carbonique^ ce gaz est immédiatement décomposé en oxide de carbone*
Nous devons faire remarquer que le gaz qui contient 51 p. 100 d oxide de carbone a été pris dans la tympe et qu'il ne représente pas la composition normale de la colonne gazeuse ascendante ; car le mélange de laitier et <ie charbon qui recouvre la fonte, dégage continuellement de l'oxide de carbone, ce qui explique l'excès de ce gaz par rapport à l'azote.
L'oxigène de l'air se c^ngeant d'abcmi en acide carbonique, puis en oxide de carbone , on conçoit que la colonne ascendante doive présenter successivement les deux compositions suivantes :
Ac!<ie carboiUque. . . . $0,S »
Oxkle de carbotoe. ... m 41,6 Azote 70^2 79,2
L'hydrogètte que Ton trouve dans les gaz jusqu'à la cuve , est produit
thJkorui du haut-fouemsàu. 959
par la vapeur d*eau qui est décomposée par le charbon, en hydrogène et ea oxide de carbcMie.
A mesure que la colonne gazeuse s'élève, la proportion d'oxide de carbone diminue de 51 p. 100 à 23 p. 100 , tandis que la quantité d'acide carbonique augmente. Ce changement de composition est dû à l'action de l'oxidede carbone sur le peroxide de fer, qui donne du fer métallique et de l'acide carbonique.
La quantité d'hydrogène augmente également , et elle est beaucoup plus forte au gueulard que dans les étalages.
Il peut sembler extraordinaire , au premier abord , de trouver de l'hydrogène dans un haut-fourneau en 'présence du peroxide de fer qui est réduit si facilement par ce gaz. Mais M. W. Henry a démontré que si l'on fait passer une étincelle électrique dans un mélange d'oxide de carbone, d'hydrogène et d'oxigène, c'est l'oxide de carbone qui se combine avec l'oxigtoe pour produire de l'acide carbonique , tandis que l'hydrogène reste inactif. L'oxide de carbone a donc plus d'affinité pour l'oxigèneque n'en a l'hydrogène ; il est naturel alors que , dans un haut-fourneau , ce soit l'oxide de carbone qui agisse de préférence sur l'oxide de fer et que l'hydrogène reste sans action. En supposant même que l'affinité de l'oxide de carbone et de l'hydrogène pour l'oxigène fût la môme, c'est celui des deux gaz dont la proportion serait plus considérable qui agirait de préférence; or, comme dans le haut-fourneau la quantité d'oxide de carbone est toujours plus forte que celle de l'hydrogène, on conçoit que ce dernier gaz n'exerce aucune action sur l'oxide de fer.
On peut déduire des expériences de M. Ebelmen les conséquences suivantes :
l"" Dans la cuve d'un haut-fourneau le minerai et la castlne perdent leur humidité et leur acide carbonique ; le combustible dégage aussi de la vapeur d'eau et des substances empyreumatiques.
C'est également dans la cuve que l'oxide de carbone réduit le peroxide de fer ; toutefois la réduction s'opère avec lenteur dans la partie supérieure du fourneau ; car l'oxide ne perd que le 1/5 de son oxigène dans le haut de la cuve ; tandis que dans une zone du fourneau très resserrée en hauteur et qui se trouve un peu au dessus du raccordement de la cuve et des étalages, on observe que, dans deux heures au plus, la quantité d'oxigène abandonnée s'élève à près de la moitié de celle contenue dans le peroxide de fisr.
Le minerai perd dans la^uve les 28/33 de son oxigène par la réaction de l'oxide de carbone sur le peroxide de fer, et les 5/33 restants dq[)uis les étalages jusqu'à la tuyère, par l'action directe du carbone.
M. Ebelmen attribue la variation si subite dans la vitesse de réduction des minerais, au dégagement de l'acide carboi^que de la castine et du minerai calcaire.
360 TUÊOHIK DU HAUT-FUUHNKAU.
Comme il est démontré que Tacide carbonique absorbe une grande quantité de calorique latent pour passer à Tétat gazeux , les gaz doivent se dépouiller dans la zone où s'opère la calcination du carbonate de chaux, d'une partie de la chaleur sensible qu'ils possèdent, et perdre de leur énergie réductive, soit par leur abaissement de température, soit par le mélange d'une nouvelle quantité d'acide carbonique. En s'appuyanl sur des expériences de Dulong, M. Ebelmen établit ausâi que la conv^^sion de l'acide carbonique en oxide de carbone doit être accompagnée d'un refroidissement considérable qui s'oppose à la réduction.
2* L'oxide de fer qui a perdu , par l'action de l'oxide de carbone , une grande partie de son oxigène , est réduit complètement , par le charbon , à la partie supérieure des étalages ; le fer se carbure au bas des étalages et se liquéfie, ainsi que le laitier, à trois décimètres au-dessus de la tuyère.
3** L'hydrogène qui provient de la décomposition de la vapeur d'eau par le charbon , et de la distillation des combustibles hydrogénés , reste sans action sur l'oxide de fer.
4* Les métallurgistes admettent tous que la zone de fusion dans les hautsfourneaux est limitée à 0'",30 au-dessus de la tuyère. C'est aussi à cette limite que la transformation de l'acide carbonique en oxide de carbone est complète; cette réaction donne lieu à une forte absorption de chaleur latente et à un abaissement considérable de température , et l'on peut dire que dans les hauts-fourneaux il se fait deux combustions bien dififérentes; celle du charbon cpii forme de l'acide carbonique donne de la chaleur, tandis que la combustion de l'oxide de carbone produit du froid.
Les résultats précédents ont été obtenus avec un fourneau alimenté par le charbon de bois ; M. Ebelmen a voulu les comparer à ceux que donnerait un fourneau travaillant au coke.
La combustion du charbon de bois et celle du coke dans un hautfourneau présentent les dififérences suivantes :
Les gaz provenant de la combustion du coke, pris à 0'",24 [au-dessus de la tuyère, contiennent des traces d'acide sulfhydrique. En outre , les régions du haut-fourneau chaufifé au coke sont portées , relativement au fourneau chaufTé pardu charbon de bois, à des températures plus élevées.
Dans un haut-fourneau chauffé au coke, la colonne ascendante gazeuse éprouve les mêmes modifications que dans un fourneau au charbon. Mais comme le coke résiste beaucoup plus à l'action de l'oxigène que le charbon , et qu'il décompose plus lentement l'acide carbonicpie ^i oxide de carbone , les changements de composition de la colonne gazeuse sont plus lents, et l'on retrouve de l'acide carbonique dans les gaz pris dans le voisinage de la tuyère, ce qui n'aiTiverait pas dans le fourneau à charbon.
THJfORlB 0U UAUT-rOURNËAU. 361
Ces circonstances expliquent la nécessité où Ton se trouve de donner plus d*éléyation aux fourneaux au coke qu'à ceux au charbon de bois.
Conqmition des gaz extraits dtm fourneau au eoke^ par M. Ebelmen.
Acide carbonique . . .
Oxidc de carbone . • .
Hydrogène
Aiote
Voisinage d«la tujère.
aa*<ks8iu
delà
tnyère.
Au grand ventre.
A la moitié
de
la cave.
Au Suenlard.
1,35 6/iA7
On voit, d'après ces analyses , que la colonne ascendante arrivée aux étalages ne contient plus sensiblement d*acide carbonique, et queVoxigène de Toxide de carbone est à Tazote, dans le même rapport que dans Tair atmosphérique; ce qui prouve que le minerai de la colonne descendante a perdu tout son oxigène lorsqu'il arrive au bas de la cuve ; car autrement Toxigène d^ l'oxide de carbone serait à Tazote dans une proportion plus forte que dans Tair.
Il résulte aussi des analyses précédentes , que les gaz pris au milieu de la cuve , contiennent une quantité d'oxide de carbone dont Toxigène est à l'azote dans les mêmes rapports que dans l'air atmosphérique , ce qui démontre qu'à cette partie du fourneau il ne s'est encore produit aucune réaction entre la colonne ascendante et la colonne descendante; et que la réduction s*opère dans la partie supérieure de la cuve ; aussi trouvetrHon une forte proportion d'acide carbonique dans 1|BS gaz qui sortent du gueulard.
Il faut en nK>yenne , dans un haut-fourneau , deux fois plus de coke que de charbon de bois pour obtaiir le même poids de la même nature de fonte. Quand on emploie le charbon de bois au lieu de coke dans les cubilots où l'on refond la fonte , on trouve au contraire qu'il faut trois fois plus de charbon de bois que de ixke pour refoudre 100 kilogrammes de fonte. Ces deux résultats qui paraissent contradictoires ont été très nettement expliqués par M. Ebelmen. (Ann. des Mines, t. V, iSkU^ p. 32 etsuiv., et p. 63).
Les gaz des hauts-fourneaux contiennent une quantité d'oxide de car-
362 THKOaiB DU HàUTHK)UINKàU.
IxMie assez considérable pour ^e Tindustrie ait pensé à en tirer un parti utile en les brûlant.
M. Berthier annonça le premier qu'on pouvait employer les gaz des hauts-fourneaux pour chauffer les chaudières des machines à vapeur.
Vers Tannée 1809, M. Âubertot se servit des gaz des bauts-fourueaux pour cuire de la chaux, des briques, ou même griller des minerais. Depuis quelques années on emploie ces gaz dans Taffinage de la fonte.
Pour utiliser les gaz des hauts-fourneaux , on pratique à cet effet des ouvertures latérales dans le haut-fourneau , au tiers de la cuve à partir du gueulard, et Ton extrait ainsi des gaz qui , mélangés à une quantité suffisante d'air chaud, brûlent facilement et chauffent les fours d'affinage.
Il résulte encore des travaux de M. Ebelmen qu'on n'utilise guère dans un haut-fourneau que le tiers de l'effet utile produit par le combustible, et que la colonne ascendante contient une quantité de combustible qui représente environ les deux tiers de celui que l'on brûle dans les hautsfourneaux. On comprend donc tout le parti que l'on peut th*er de la combustion des gaz perdus dans le haut-fourneau. M. Ebelmen pense que les gaz doivent être recueillis près du gueulard.
