II. — Les combustibles

A. — Notions générales sur les combustibles. — Avant d'aborder Tétude des divers combustibles utilisés en métallurgie, il est indispensable de donner quelques définitions et d'exposer les propriétés générales de ces agents calorifiques.

1® Qu'est-ce qu'un combustible? On nomme combustibles les substan-

NOTIONS PHÉLIMINAIRES 19

ces susceptibles de se combiner avec Toxygène en dégageant assez de chaleur pour que la combinaison une fois commencée en un point ne s'arrête plus et se propage progressivement dans toute la masse.

La combustion est donc l'union, à température élevée, d'un corps combustible avec l'oxygène de l'air.

Le carbone et l'hydrogène, pris isolément, ou combinés entre eux, développent beaucoup de chaleur en s'unissantà l'oxygène ; aussi détermine-t-on cette combinaison par la mise en feu des végétaux anciens ou modernes dont la partie essentielle est une matière hydrocarburée. C'estlà le moyen économique le plus employé pour produire la chaleur.

Il importe toutefois de signaler l'utilisation d'autres combustibles tels que le silicium, le phosphore, etc.. qui, par leur union avec l'oxy-^i gène, réalisent dans certaines conditions spéciales une grande quantité de chaleur. Mais ces combustibles ne sont pas des combustibles d'apport comme les précédents, ils ne sont pas placés au contact ou à part de la matière à échauffer, ils existent tout formés dans cette matière même, y jouant le rôle de corps étrangers. Quand ils s'unissent à l'oxygène, ils échauffent la masse dans toutes ses parties par leur combustion intermoléculaire. Il n'en sera question que dans l'étude des procédés métallurgiques où ils sont utilisés.

Nous ne considérerons par suite dans cette étude préliminaire que les combustibles qui doivent leur valeur à la présence du carbone et de l'hydrogène.

2*> Propriétés générales des combustibles. —Les combustibles ne sont presque jamais purs; les matières étrangères dont la présence diminue leur valeur sont les cendres. On peut admettre que la valeur commerciale d'un charbon diminue de 2 à 5 0/0 par chaque unité de teneur en cendres : c'est-à-dire que si le prix du charbonpur estp, celui du charbon à n 0/0 de cendres variera de p 1 1 — -^ 1 à p [ 1 — tjw; j

A partir de 30 0/0 de cendres environ, la valeur industrielle d'un com- ' bustible devient à peu près nulle.

Les combustibles sont dits crus lorsqu'ils contiennent beaucoup de cendres et que ces cendres sont inoffensives.

Les combustibles sont dits impurs lorsqu'ils renferment des éléments nuisibles à la qualité des métaux que l'on se propose d'isoler. C'est ainsi que les combustibles sulfureux ou phosphoreux nuisent à la qualité du fer et de l'acier. Les bois et le charbon de bois sont des combus-

tibles relativement purs, mais cette pureté n'est pas absolue car on y rencontre toujours au moins des traces de phosphates et de sulfates alcalins ou alcalino-terreux. Les tourbes renferment souvent du sulfure de fer ou du sulfate de chaux, et presque toujours aussi des phosphates de fer et de chaux. Les combustibles minéraux sont toujours plus ou moins sulfureux; les phosphates y sont plus rares, et l'arsenic ne s'y rencontre que d'une façon exceptionnelle.

L'état de division influe aussi considérablement sur la valeur des combustibles. Les poussières, le menu brûlent plus difficilement que le même combustible simplement réduit en fragments de la grosseur du poing. Le menu se tasse et s'oppose au passage libre de l'air. De là l'obligation d'agglomérer ce menu, soit par pression, soit par traitement calorifique spécial, comme nous le verrons dans la suite, ou d'adopter des appareils particuliers de combustion.

B. — Description des combustibles. — Nous distinguerons deux classes de combustibles : les combustibles naturels et les combustibles artificiels.

1** Les combustibles naturels se divisent en deux classes ; a) les combustibles modernes, dont la formation se continue de nos jours : bois et tourbes ; — b) les combustibles fossiles : liçnites, houilles et anthracites.

2"* Les combustibles aj'tiflciels soniceux qu'on obtient en soumettant les combustibles naturels à certains traitements tels que la dessiccation ou la torréfaction, la carbonisation et l'agglomération. Nous citerons le charbon de bois et le coke métallurgique que nous étudierons avec quelques détails.

1° Les combustibles naturels. — Ils se subdivisent, comme on l'a dit ci-dessus, en combustibles modernes et combustibles fossiles. Nous n'en donnerons qu'une description très sommaire.

à) Combustibles modernes. — Le bois n'est pas employé pour les opérations métallurgiques proprement dites ; il sert tout au plus à pratiquer quelques allumages pour les mises en marche de certains foyers métallurgiques.

La tourbe, produit de la décomposition et de l'entassement des mousses dans certaines vallées ou plateaux humides, ne peut servir pour les opérations qui demandent une température élevée.

On ne l'emploie en métallurgie que faute d'autres combustibles et

NOTIONS PRÉLIMINAIRES 2i

jarpais à Tétat naturel. Il faut la dessécher et la façonner en briquettes. Quand on s'en sert, on cherche à obtenir par carbonisation incomplète des g^az combustibles qu'on brûlera dans des appareils spéciaux.

b) Combustibles fossiles. — Ces combustibles contiennent principalement, abstraction faite des cendres, du carbone et de Thydrogène, avec un peu d'oxygène et d'azote. L'hydrogène s'y trouve à l'état de combinaisons mal connues et très variées : les produits de la distillation sont nombreux et divers.

Les houilles se subdivisant en houilles sèches ou flambantes, houilles grasses et houilles maigres et anthraciteuses, il y a en réalité dans cette classe cinq espèces de combustibles dont les propriétés générales vont en se modifiant d'une manière continue des lignites aux anthracites.

A mesure qu'on avance dans la série, les combustibles deviennent de plus en plus maigres, c'est-à-dire qu'ils contiennent moins de matières volatiles et donnent plus de carbone fixe à la distillation.

Les cendres des charbons fossiles se composent principalement de matières terreuses, surtout d'argile. On y trouve peu de phosphore, * mais toujours plus ou moins de pyrite.

Les ligntles^ constitués par une substance charbonneuse, à cassure résinoïde et provenant de la décomposition de matières végétales dont on peut encore distinguer la structure, ont un emploi analogue à celui de la tourbe.

Ils valent cependant un peu mieux à cause de leur densité plus élevée.

Les houilles sèches ou flambantes sont dures, compactes, d'un brun noir, dégagent à la distillation beaucoup de g'az, mais ce gaz est peu éclairant. Elles conviennent par suite très bien pour le chauffage des fours dans lesquels la chaleur n*est pas produite par la combustion directe du charbon mais par celle de gaz combustibles provenant de sa distillation ou carbonisation incomplète.

Le résidu de la carbonisation donne un coke, conservant la forme du fragment, mais non aggloméré.

Les houilles grasses sont moins dures, souvent très noires et très brillantes, à cassure lamelleuse, dégagent un gaz très éclairant, elles gonflent et fondent au feu en donnant un coke bien aggloméré. Leur pouvoir calorifique (1) peut être très élevé. Comme ce charbon s'agglomère de lui-même, on peut en brûler le menu sur des grilles. Il y en

(1) Voir plus loin à Y étude théorique de la combustion la définition précise du pouvoir calorifique et de la température de combustion.

22 UÉTALLURblE DU FER

a de très nombreuses variétés se distinguant entre elles par leur richesse en matières volatiles, par leur pouvoir calorifique, par leur facilité plus ou moins grande d'agglomération.

Cette classe de combustibles pourra donner satisfaction aux besoins les plus variés : production de gaz d'éclairage ou de gaz à brûler dans les appareils métallurgiques, fabrication de coke à gaz et de coke métallurgique, chauffage direct des foyers, etc..

Les houilles sèclies et anthracitsuses sont noires, souvent ternes, brûlent sans fumée et avec une flamme courte. Elles constituent de bons charbons de chauffage, mais pas en menu car elles ne collent pas. Le coke qu'elles produisent est très friable et ne peut être utilisé. En France on les emploie souvent à l'état de briquettes.

Les anthracites présentent à un plus haut degré les propriétés des houilles maigres. Ils ont une couleur noire ou grise.

Quand ils sont purs ils sont très durs et peuvent servir dans certains foyers métallurgiques où on les entasse sur une assez grande hauteur en fragments de dimensions régulières..

Il est nécessaire que l'air puisse aisément circuler dans les interstices afin d'entretenir la combustion; car ils brûlent difficilement souvent sans flamme et sans fumée. Les morceaux isolés s'éteignent rapidement.

Les anthracites ne sont pas toujours durs et résistants ; cela peut provenir soit de la nature de leurs cendres et alors la cassure est plus ou moins schisteuse, soit de la dislocation qu'ils ont subie par le fait du soulèvement des roches encaissantes, pendant le cours des périodes géologiques.

Cet aperçu fort succinct sur cette classe de combustibles n'a d'autre but que d'en rappeler les principales propriétés, renvoyant pour plus de détails aux traités spéciaux. (Ti^aité de métallurgie du û' Percy, Métallurgie de Gruner^ Métallurgie générale de M. U. Le Verrier^ etc..)

Du pétrole. — Les premiers termes des hydrocarbures saturés (i) CH^ C*H®, etc.. jusqu'à C* H** sont gazeux à la température ordinaire. A partir du 5® terme C* H^^, ils se présentent sous forme de liquides mobiles, insolubles dans l'eau et qu'on rencontre en grande quantité dans la nature. Par leur mélange, ils constituent les huiles de pétrole ou pétrole brut.

(1) On appelle hydrocarbures saturés les carbures d'hydrogène dont la formule chimique s'écrit : G°H2«»-f2.

En Europe, le prix du pétrole est beaucoup trop élevé pour les usages industriels : cependant, quelques essais de chauffage au pétrole ont été faits en France pour certains foyers métallurgiques ; notamment au Creusot il y a quelques années.

En Amérique, le pétrole s'emploie beaucoup : dans la Pensylvanie, rOhio, rillinois et rindiana, le pétrole brut fait une concurrence souvent victorieuse au charbon de terre.

En Russie, le pétrole est fort employé, même pour le chauffage de certaines locomotives.

A Pittsburg, on dispose encore de quantités assez fortes de gaz naturel pour alimenter les verreries, les usines à fer et l'industrie métallurgique en général ; au fur et à mesure qu'il diminue, le chauffage au pétrole prend sa place.

Le pétrole sert dans les usines métallurgiques à la production de la

Fig. 1. Fig. 2.

B, Becs Bunsen. — T, Porte de travail. — A, Conduite d'arrivée d*air.

vapeur, aux diverses fusions et au réchauffage des blocs de fer et d'acier destinés aux divers travaux de transformation à chaud tels que le laminage et le pilonnage, etc..

L'air et l'huile naturelle ou lourde sont introduits dans les foyers à température élevée par un bec Bunsen de très grande puissance dont la flamme est projetée dans la cavité de ces foyers.

Une méthode préférable consiste à faire arriver la flamme du bec Bunsen par le fond d'une grille mobile recouverte de fragments de briques réfractaires qui, sous l'action du feu, sont portées au rouge vif et donnent autant de chaleur que l'anthracite en combustion.

L'emploi d'un bec unique laisse souvent à désirer parce que le four n'est pas chauffé uniformément; ce qui présente un grand inconvénient

pour les fours à réchaufferies métaux qui doivent subir ultérieuremenl une transformation mécanique quelconque.

Le bec unique de très fort débit est remplacé par (rois brûleurs analogues de petit calibre.

Chacun fonctionne indépendamment et au moment où on le désire.

Nous verrons dans la suite, lors de l'exposé des méthodes d'élaboration des métaux dérivés du fer, quelques dispositifs spéciaux de foyers à pétrole que nous étudierons avec quelques détails.

2® Les combustibles artificiels. — Les combustibles artificiels utilisés en métallurgie sont le charbon de boiSy les agglomérés et le coke.

Nous ne donnerons qu'un aperçu général sur les propriétés et la fabrication du charbon de bois et des agglomérés, nous réservant d'exposer moins sommairement les divers procédés de fabrication du coke dont l'emploi est si important.

a) Le charbon de bois. — Le bois n'est guère employé en métallurgie qu'à l'état de charbon. La carbonisation, en éliminant toutes les matières volatiles, donne un combustible composé de carbone presque pur, ayant un pouvoir calorifique et une température de combustion très élevés.

La carbonisation se fait presque toujours en meules d'après les procédés connus; mais on a aussi construit des fours spéciaux en maçonnerie dans lesquels on obtient un rendement un peu meilleur et une é^nomie de main d'oeuvre. Ces avantages ne sont toutefois appréciables que si les fours peuvent être utilisés pendant une assez longue période pour en amortir les frais de construction : ils arrivent bientôt en effet à être trop éloignés des coupes qui se déplacent sans cesse dans la forêt, l'augmentation des frais de transport fait alors plus que compenser l'économie réalisée.

Le charbon de bois contient 3 à 4 0, de cendres; elles sont alcalines et il s'y trouve un peu de phosphates, mais pas de soufre. La faible proportion des cendres, leur fusibilité, l'absence du soufre, la présence des alcalis facilitant, ainsi qu'il sera dit plus tard, la fusion et l'épuration des matières, sont les causes de la supériorité de ce combustible pour certaines opérations métallurgiques.

b) Les agglomérés. — Les menus des houilles maigres, impropres à la fabrication du coke et doués d'un pouvoir calorifique considérable, sont ceux que l'on emploie d'ordinaire pour la fabrication des agglomérés. La substance qui sert de ciment pour réunir ces menus de

houilles maigres et qui, en même temps, n'augmente pas la teneur en cendres du combustible, est le brai sec ou gras.

La fabrication des agglomérés comprend la préparation de la pâte et la compression des briquettes.

La quantité de brai nécessaire varie d'ordinaire de o à 10 0/0, elle est fonction de la nature même des houilles. On a pu cependant faire des agglomérés en chauffant à 300 ou 400®, et sous pression, des houilles grasses : dans ce cas, les hydrocarbures fusibles à cette température constituent le ciment.

Le brai sec doit être préalablement broyé ; le brai gras est broyé ou fondu dans une chaudière.

Le charbon subit un essorage destiné à le dessécher avant ou après son mélange au brai.

Le brai et le charbon sont livrés ensuite en proportions déterminées par distributions automatiques aux appareils mélangeurs.

Pour pouvoir donner aux briquettes une cohésion suffisante dans toutes leurs parties, leurs dimensions ne doivent pas être exagérées. Dans le sens suivant lequel s'exerce la compression, l'épaisseur ne doit pas dépasser 10 à 12 centimètres : quant aux dimensions transversales, elles varient de 15 à 30 centimètres. Leur forme est le plus souvent celle d'un parallélipipède rectangle; quelques machines donnent cependant ëdes briquettes cylindriques.

La pression exercée varie de 100 à 250 atmosphères, suivant la nature du charbon et la proportion de brai.

Il existe un très grand nombre de machines à mouler les briquettes; leur description n'offrirait qu'un intérêt trop éloigné.

Les agglomérés ont un excellent pouvoir calorifique, à cause des principes combustibles renfermés dans le brai qui entre dans leur constitution ; mais il sont d'un emploi assez rare en métallurgie car ils coûtent trop cher, aussi sont-ils surtout utilisés par la marine et les chemins de fer.

Quantaux briquettes de lignites et de tourbe, elles sont peu employées d'une manière générale : nous ne les citerons que pour mémoire, car elles ne sont d'aucun usage en métallurgie.

La tourbe n'est guère employée que dans des fours à gaz : il n'est pas alors nécessaire de l'agglomérer.

c) Le coke, — Toutes les houilles calcinées à l'abri de l'air donnent un résidu composé de carbone à peu près pur qu'on appelle

coke. Le coke a un pouvoir calorifique plus faible que la houille, car les matières volatiles éliminées par la calcination se composent en grande partie d'hydrocarbures combustibles. En outre, les cendres qui restent intactes se concentrent dans le résidu de la carbonisation, et celui-ci est moins pur que le combustible primitif. Il semblerait donc qu'il n'y ait pas avantage à carboniser la houille.

i® De remploi du coke (l). — Les houilles ne peuvent pas être employées dans les fours de grande hauteur dits fours à cuve {hauts fourneaux el cubilots) servant à produire la fonte ou à la refondre. Elles s'écmsent sous les poids des charges à traiter, s'opposent, en bouchant les interstices, au libre passage des gaz réducteurs et, quand elles sont grasses, se boursouflent et s'attachent aux parois.

La transformation des houilles en coke ofire encore l'avantage d'éliminer une partie du soufre qui s'y trouve à l'état de pyrite, et qui peut produire des effets nuisibles dans la métallurgie du fer. Nous reviendrons plus loin sur ce point spécial. ,

Le coke entre donc pour une forte part dans le prix de revient de la fonte; le charbon de bois qui, au commencement du siècle, était encore d'un usage général en France, y a été presque complètement remplacé par le coke.

En Suède et en Autriche il n'en est cependant pas ainsi à cause de l'abondance du combustible végétal et de la nécessité de certaines fabrications spéciales qui justifient encore son emploi.

La fabrication du coke remonte à plusieurs siècles en Angleterre ; en France, elle n'a guère commencé qu'il y a quatre-vingts ans.

La production a été constamment en croissant en Europe et l'augmentation a été rapide pendant les dernières années.

Le chauffage des locomotives a été en France, au début des chemins de fer, un débouché très important pour le coke : les cahiers des charges imposaient la fumivorité et l'emploi de combustible cru était complètement interdit. Dès 1854, l'emploi de la houille fut autorisé; à l'heure actuelle on n'emploie plus le coke que sur la ligne de ceinture de Paris, dans les longs tunnels et dans les tramways urbains.

Aux Etats-Unis, l'industrie du coke est relativement récente, mais

(1) Nous renvoyons pour l'étude complète du coke métallurgique et de ses procédés de fabrication au remarquable travail paru il y a quelques années dans le Bulletin de la Société de l'industrie minérale et dû à M. l'ingénieur Rossigneux. Il nous a été fort utile pour notre rédaction.

NOTIONS PRÉLIMINAIKES 27

elle s'y développe très rapidement. Jusq u^en 1 874, la très grande majo- * / rite des hauts-fourneaux marchait à Tanthracite ; à la suite d'une grève de mines, on fut obligé d'avoir recours au coke. On mélangea d'abord le coke à l'anthracite, puis on finit par s'en servir presque exclusivement dans certaines régions. D'ici dix ans, l'Amérique produira plus de coke que n'en produit actuellement l'Angleterre.

L'Australie possède un bassin important de houille grasse et ce pays doit être rangé au nombre des producteurs de coke.

Les bassins houillers de l'Extrême Orient sont encore peu connus et peu développés : celui du Tonkin commence à donner lieu à une exportation importante.

2* Propriétés du coke métallurgique. — Le coke métallurgique dif- ^ fère du coke provenant des usines à gaz. Ce dernier sert surtout pour les chauflFages domestiques et quelques chauffages industriels; cependant des essais faits aux hauts-fourneaux de Saint-Louis (Bouches-du- Rhône) ont prouvé qu'on pouvait avantageusement l'employer en mélange avec le coke métallurgique dans la proportion de 30 0/0 et même de 50 0/0 dans certains cas. Cet emploi ne s'est, du reste, pas répandu.

Le coke du gaz provient, comme on sait, de la distillation de la houille en morceaux et n'est qu'un produit accessoire de la fabrication du gaz d'éclairage. Nous ne saurions en parler ici.

Le coke métallurgique doit être très dense et surtout d'une grande ^^ résistance à l'écrasement. La résistance du coke est due à deux éléments: 1^ la nature de la houille; les houilles sèches à longue flamme, c'est-à-dire ayant plus de 40 0/0 de matières volatiles, ou les houilles trop peu grasses en ayant moins de 19 0/0 ne sont guère susceptibles, en général, de fournir un coke résistant ; le meilleur coke est donné par les houilles contenant de 20 à 30 0/0 de matières volatiles; 2** le '^ procédé de carbonisation ; la forme, les dimensions du four et sa température ont une grande influence et doivent être soigneusement étudiées pour chaque nature de combustible.

Le coke est généralement d'autant plus résistant qu'il est plus dense, au moins pour une même qualité de charbon. Une grande densité du coke procure un autre avantage dans les hauts-fourneaux; c'est de diminuer le volume de la charge et d'augmenter la capacité utile du ^ fourneau. Cependant, le coke employé dans les cubilots {petits fours à cuve employés pour refondre la fonte) ne doit pas être trop dur car il

demanderait trop de tirage, mais il doit être dense pour ne pas être écrasé par la fonte avec laquelle il est en contact; il en est de même pour celui qu'on emploie dans les fonderies.

3» Corps accompagnant le carbone dans le coke. — Nous examinerons successivement la teneur en cendres, en soufre, en phosphore et en autres corps étrangers.

— Teneur en cendres. — Le coke métallurgique dit non lavé contient de 12 à 15 0/0 de cendres; le coke lavé de 6 à 9 0/0. Ces expressions de coke lavé ou non lavé n'ont souvent qu'une valeur commerciale; le charbon qui fournit le coke à 12 0/0 subit dans bien des cas un lavage au moins partiel, et, d'autre part, certaines usines peuvent fabriquer du coke à 8 0/0 de cendres avec du charbon tel qu'il sort du puits.

— Teneur en soufre. — Tous les cokes renferment une proportion plus ou moins élevée de soufre ; certains cokes n'en contiennent que 0,25 0/0, d'autres en contiennent jusqu'à 2,3 0/0.

Ainsi que nous l'avons dit plus haut, le coke contient généralement moins de soufre que la houille qui a servi à sa fabrication.

La pyrite se rencontre dans toutes les houilles, sous forme de lames minces intercalées entre les feuillets et surtout à l'état de FeS^. Ce bisulfure se trouve sous deux formes de même composition chimique, mais de natures fort différentes : la pyrite cubique ou martiale, ou fer y sulfuré jaune, dure, compacte, inaltérable à l'air et la pyrite blanche, dite marcassite, moins dense et altérable à l'air humide s'y transformant en sulfate.

Ces deux pyrites chauffées au contact du charbon peuvent se trans- ' former plus ou moins complètement en FeS, perdant la moitié de leur soufre.

Il n'est pas démontré, en effet, que la transformation de FeS*^ en FeS soit intégrale, car on a constaté dans le coke la présence de pyrite magnétique attirable à l'aimant Fe^S*.

On a cru pendant longtemps que le soufre provenait entièrement de la pyrite de fer ; en réalité, le soufre combiné au fer ne forme qu'une fraction restreinte du soufre total. Il résulte de récentes analyses confirmées par les recherches de MM. Berthelot et André (1) au sujet de l'état du soufre dans les diverses parties des plantes à différents degrés de croissance que le soufre présent dans la houille y existe non seule-

(1) Communication à rAcadémie des Sciences du 19 janvier 1891

ment à Tétai de pyrite, mais aussi à l'état de combinaison org^anique avec le carbone, comme il Test dans les matières animales et dans un grand nombre de matières végétales.

II en résulte que certains procédés d'élimination du soufre basés sur Faction de certains gaz ou de la vapeur d'eau sur la pyrite n'ont pas grande valeur.

On admet qu'une nouvelle partie du soufre est éliminée pendant l'extinction du coke, pratiquée au moment de sa sortie des fours où il a été élaboré, par l'action de la vapeur d'eau à haute température donnant de l'oxyde de fer et de l'hydrogène sulfuré. Il est incontestable, en effet, qu'une certaine élimination de S se produit pendant l'extinction, reconnaissable, du reste, à l'odeur de l'hydrogène sulfuré produit; mais on a constaté bien souvent et par des mesures précises que ce départ de S était bien faible. Avec certains charbons, pourtant très sulfureux, l'odeur d'hydrogène sulfuré est à peine sensible.

— Teneur en phosphore. — La teneur en phosphore des houilles est très variable, ainsi qu'il résulte des expériences de M. A. Carnot au laboratoire de l'Ecole supérieure des Mines.

La teneur varie de 0,008 0/0 à 0,4 0/0.

Pratiquement la quantité de Ph contenue dans la houille d'une couche déterminée est sensiblement proportionnelle à sa teneur en cendres: le phosphore est à l'état de phosphate dans les cendres et se conserve intégralement dans les cendres du coke ; il n'y a aucune élimination pendant la carbonisation.

— Teneur en autres corps. — Le soufre et le phosphore sont les deux éléments principaux pouvant exercer sur la qualité des métaux de la famille du fer une action nuisible.

Quant aux autres corps tels que le plomb, le cuivre et l'arsenic, etc., les nombres trouvés aux analyses prouvent qu'heureusement ils n'existent qu'à l'état de traces et que leur influence est tout à fait insignifiante à côté de celle du soufre et du phosphore.

Pour ce qui concerne l'arsenic notamment, on estime qu'il ne peut en rester dans le coke à l'état appréciable, car selon toute apparence, ce métalloïde se trouve dans la pyrite à l'état d'arsenio-sulfure ou de / mispickel. Or, ce minéral calciné à l'abri de l'air perd son arsenic qui se sublime à l'état de sulfure. La plus grande partie de l'arsenic doit donc se volatiliser pendant la carbonisation.

40 Préparation du charbon avant la carbonisation. — Avant d'être

30 MÉTALLURGIE Dl! FRI)

introduit dans les fours où doit se produire la carbonisation, le charbon doit être soumis à un broyage.

On avait commencé par fabriquer le coke avec de la houille en gros morceaux ; mais le menu donne du coke aussi bon, parfois même supérieur : il vaut donc mieux réserver le gros qui a une très grande valeur pour le brûler comme charbon de forge.

Le broyage des charbons s'impose pour plusieurs raisons : on obtient d^abord par cette opération un coke plus homogène au point de vue chimique, car les morceaux d'une certaine grosseur peuvent renfermer des lits schisteux qui formeraient plus tard un plan de clivage dans le j coke. En outre, la densité du coke se trouve augmentée, car sous l'action de la chaleur il se forme pendant la carbonisation avec le poussier de houille et par l'intermédiaire des gaz de la distillation une pâte grasse et collante sans solution de continuité.

La houille même en menus morceaux ne contient pas assez de poussier pour combler les vides ; il y a toujours avantage à la broyer de façon à n'avoir pas de fragments de plus de un centimètre comme dimension moyenne.

Les broyeurs employés sont ordinairement des broyeurs Carr.

Enfin, il est fait usage de différents appareils spéciaux, soit pour mesurer mécaniquement la proportion des charbons de diverses natures employés, soit pour en constituer un mélange aussi intime que possible.

C. — Fabrication du coke. — La carbonisation en plein air et par un procédé analogue à celuî qui se pratiquait pour le bois a été le premier moyen employé pour la fabrication du coke. Les tas avaient i à 2 mètres de hauteur, ils étaient circulaires ou rectangulaires et avaient une cheminée au centre communiquant avec des conduits ménagés à la base pour l'arrivée de l'air. La carbonisation durait plusieurs jours ; quand elle était complète, on éteignait la masse par étoufTement ou par aspersion d'eau.

Pour carboniser le menu, on remplaçait le procédé en tas par celui des stalles. On entassait le charbon entre 3 murs en réservant des carneaux pour la circulation de l'air au moyen de rondins en bois qu'on ^ plaçait à différentes hauteurs et qu'on retirait après avoir tassé le charbon autour : puis on allumait et on laissait la combustion se propager lentement.

Ces procédés en las ou en stalles entraînaient une main-d'œuvre

considérable et étaient d'un très faible rendement. C'était aux dépens du carbone fixe que se faisait le chauffage de la masse ; une grande partie du charbon placé à la base des tas était convertie en cendres et le rendement, dans les meilleures conditions, ne dépassait pas 50 à 00 0/0.

La carbonisation en plein air a disparu en France vers 1855.

1* Anciens fours à coke ou fours à boulanger, — Le four à boulanger ne diffère du four à cuire le pain que par la présence au sommet de la voûte d'un orifice servant au chargement de la houille menue et à la sortie des flammes. La porte latérale formée d'un cadre en fer garni de briques sert à la sortie du coke et à l'introduction de l'air nécessaire à la combustion.

Fig. 3. — Four à coke, dit de Boulanger. — Elévation. — Coupe verticale A B,

Fig. 4. — Four à coke, dit de boulanger. — Coupe horizontale CD.

Pour la mise en train, le four doit être séché et porté au rouge au moyen d'un feu allumé sur la sole, la porte restant ouverte pour l'arri-

vée de Pair. Quand le four est rouge, on ferme la porte et on charge la houille par la voûte. Pour les opérations suivantes, on fait le chargement aussitôt que le four est vide sans lui laisser le temps de se refroidir.

La houille commence à distiller dans la couche supérieure sous Tinfluence de la chaleur qui rayonne de la voûte ; les gaz de la distillation brûlent, grâce à Tair qui s'introduit pat les fissures des parois. La chaleur se propageant peu à peu de haut en bas, la distillation continue sans grande consommation de coke, car l'air n'arrive qu'en petite quantité. L'opération est terminée quand l'atmosphère du four devient claire, parce qu'alors il ne se produit plus d'hydrocarbures. Il faut ensuite opérer l'extinction du coke qui peut se faire de deux façons : par étoufîement dans le four même en bouchant hermétiquement toutes les issues ou par aspersion d'eau. Le coke est ensuite retiré à l'aide de crochets.

Il est presque impossible d'éviter la combustion d'une certaine quantité de coke, soit pendant l'opération, soit pendant le défournement qui est long et pénible ; de plus, la carbonisation s'opère fort irrégulièrement.

Aussi, ce système peu économique est-il presque complètement abandonné en France ; il est cependant encore employé dans les pays où la houille est à bon marché.

II importe toutefois, avant de décrire les fours perfectionnés en usage aujourd'hui, de signaler les transformations d'ordres divers qu'on a essayé d'apporter aux fours à boulanger.

Nous citerons :

a) Le four Maurice dans lequel la porte est complètement fermée et qui est muni pour l'arrivée de l'air d'orifices placés sur toute la circonférence du four. Ces orifices pratiqués dans des briques spéciales sont disposés à une assez grande hauteur au-dessus delà charge et de façon que les filets d'air prennent, dès leur entrée dans le four, une direction ascendante en rasant la voûte.

b) Ix four Aitken dans lequel on insuffle de l'air chaud ou froid par un tuyau en fonte régnant autour de l'extérieur du four et portant des tubulures rapprochées placées dans des briques de forme spéciale, subdivisant le courant en minces filets.

c) Les fours Adam etBaum. — Ces deux inventeurs par des dispositifs qui leur sont propres ont rendu mobile la sole du four à boulanger.

de façon à permettre un défoumement plus facile et l'extinction du coke à Tair libre.

Quelle que soit la valeur de ces divers perfectionnements, il importe de ne pas oublier qu'un des avantages du four à boulanger est sa simplicité et son prix d'installation peu élevé; si on le complique, on lui ôte toute sa raison d'être.

2** Fours à parois chauffées. — Ces fours ont généralement la forme d'un prisme rectangulaire.

On donne le nom de four belge à tous ceux dont la plus grande dimension est horizontale. Un four belge est une espèce de couloir voûté, fermé aux deux extrémités par des portes en fonte garnies de briques réfractaires qui ont la même largeur que le four : Tune d'elles sert à laisser sortir le gâteau de coke, l'autre au passage du repoussoir à vapeur qui opère le défoumement.

Le charbon est chargé dans le four par des orifices ménagés dans la voûte et fermés par des plaques en fonte.

On dispose un certain nombre de ces fours à côté les uns des autres dans de longs massifs : les gaz en sortent par des ouvertures pratiquées dans les reins de la voûte et vont se brûler dans des carneaux ménagés entre deux fours contigus et au-dessous de la sole : toutes les parois se trouvent ainsi chauffées.

L'air destiné à la combustion est introduit par un trou de 2 à 3 cent, de diamètre pratiqué dans le haut de chaque porte.

Le coke sera moins exposé à brûler dans ces fours, car l'enveloppe de gaz dont ils sont entourés les protège de tous côtés, sauf toutefois sur les deux faces assez étroites où se trouvent les portes.

La contenance d'un four belge est d'environ trois à quatre tonnes de houille ; la durée de l'opération dépend de la largeur du four. Comme la distillation se propage en 24 heures sur une distance d'environ 0"'20 à partir de chaque paroi, la largeur sera de 0^40 si on veut carboniser en 24 heures et de 0'"80 si on veut carboniser en 48 heures. Ces largeurs sont des largeurs moyennes ; car, en principe, les fours vont en s'évasant du côté de la sortie du coke pour faciliter le défoumement.

C'est en Belgique, dès l'année 1842, que les fours à parois chauffées ont pris naissance. On vit successivement apparaître les fours de nombreux inventeurs (Brunfaut, Fromont, Dulait, Smet... etc..) se rapprochant tous plus ou moins du four Smet, dont la caractéristique est la disposition horizontale des carneaux de chauffage.

METALLURGIE DU FER

Fig. S. — Four à coke, système Siuet. — Elévation. — Couipo \eriica.\e Af NO PQJÎ,

Fig. 6. — Four à coke, système Smel. — Coupe horizontale A B C D,

NOTIONS PRÉLIIIINAIHES 35

Les fours Smet sont ordinairement groupés deux par deux pour le chauffage.

Les gaz sortent de la chambre de carbonisation par deux ouvertures situées au sommet de la voûte, et viennent en deux courants distincts chauffer d'abord une des parois verticales au moyen de deux carneaux horizontaux, puîslasole, au moyen de deux autres carneaux pour s'échapper ensuite par deux cheminées placées au milieu delà largeur du four. Les façades latérales d'un massif de fours sont soutenues par des armatures en fonte dans lesquelles on remarque des ouvertures rectangulaires destinées au nettoyage des espaces vides qui existent entre les parois de deux fours contigus.

Les fours Smet furent introduits en France, vers 1850.

Les fours Coppée, qui datent à peu près de la même époque, étaient à carneaux verticaux. M. Coppée n'est pas l'inventeur des fours à carneaux verticaux, mais ce type de fours a été perfectionné à différentes reprises par lui et par son fils, et à l'heure actuelle, on appelle communément fours Coppée tous les fours belges à carneaux verticaux.

De même, on réunit sous la dénomination de fours Smet tous les fours belges à carneaux horizontaux.

Considérons un des types de fours Coppée.

Les fours communiquent entre eux à la partie supérieure ; soit deux par deux, soit quatre par quatre et sont chargés par des ouvertures C

Les figures 7 et 8 ci-après représentent des fours communiquant deux par deux.

L'air destiné à la combustion pénètre par des tubulures en fonte .4 munies de registres et aunombre de quatre pour chaque compartiment ; cet air s'échauffe en utilisant la chaleur perdue du massif dans des carneaux longitudinaux û et £ ayant la longueur du four lui-même et séparés l'un de l'autre par des briques à claire-voie.

L'air pénètre ensuite dans les carneaux verticaux par 18 ouvertures pratiquées à la partie inférieure des carneaux Ê, et verticalement.

Une autre arrivée d'air supplémentaire se fait, en outre, par un trou de 2 cm. de diamètre pratiqué dans chacune des portes en fonte des extrémités. On évite ainsi, en partie, par cette disposition le contact direct d'une atmosphère oxydante avec la surface supérieure du chare^ement, et la quantité de coke brûlé n'est que de 2 à 3 0.0.

Les gaz qui distillent pénètrent dans les carneaux verticaux par 18

36 MÉTALLL'KGIE DU VKR

prises de flammes (voir fig. 8 ci-dessus), pratiquées à la naissance de la voûte surbaissée de chaque four. Ces 18 prises de flammes faisant face

Coupe suivant Op. Suivant Gr.

In ^-

Fig. 7. — Four Coppée. — - Coupe transversale suivant op et suivant gt\

} Jûtr ment

^eau rteur fat

Fig. 8. — Four Coppée. — Coupe longitudinale suivant m n. aux 18 ouverliires d'arrivée d'air placées au-dessous du carneau E

(fi^. 7) se correspondent dans deux fours voisins, de sorte que les gpaz d'un four peuvent se répandre dans l'autre. Le défournement se faisant en deux séries, celle des numéros impairs et celle des numéros pairs, il résulte de la disposition précédente que la houille fraîchement enfournée est de suite allumée à la surface par les flammes des fours voisins, ce qui contribue à maintenir une allure très chaude.

Dans chaque piédroit se trouvent 28 carneaux verticaux séparés les uns des autres par des cloisons verticales. Les flammes parcourent de haut en bas chacun des carneaux verticaux et se rendent ensuite sous les soles.

La figure 9 ci-jointe fait comprendre la répartition des courants gazeux. Les fours sont groupés, deux par deux au point de vue de la

Fig. 9. — Four Coppée. — Coupe en plan suivant s t.

circulation des flammes dans les carneaux placés sous les soles. Prenons, par exemple, les fours 2 et 3 :

Le carneau de sole n° 3 reçoit tous les gaz parcourant les carneaux verticaux situés à droite et à gauche du four n^ 3 ; une partie de ces gaz, un peu plus de la moitié, passe parla communication H et chauffe dans toute sa longueur la sole 4, puis va au carneau collecteur en traversant le registre G largement ouvert. Le reste des gaz s'échappe directement par le registre F. On règle l'ouverture de ces registres qui sont formés d'une dalle réfractaire, en les manœuvrant du dehors à l'aide d'un crochet par une ouverture telle que g qui est bouchée dès que le réglage est fait une fois pour toutes.

Le carneau collecteur est placé sous les fours ; on dispose en général d'une seule cheminée pour 20 fours.

Dans le four Smel dont nous avons donné le dessin, chaque groupe de fours du massif a ses cheminées spéciales: on a ainsi un tirage bien égal pour tous, mais on n'utilise pas bien la chaleur du gaz. On construit aujourd'hui comme dans les fours Coppée un carneau collecteur sous le sol afin d'éviter le refroidissement des gaz et une cheminée unique pour un certain nombre de fours. Ces gaz sont utilisés dans les deux systèmes pour le chauffage des chaudières, ainsi qu'on l'expliquera ultérieurement.

Four Appolt ou type plus complexe de fours à parois chauffées.

Le four se compose d'une chambre rectangulaire en briques d'environ

Fig. 10. — Four Appolt. — Demi-élévation. — Demi-coupe transversale suivant r«.

5 mètres de longueur, 3'"50 de largeur, 4 mètres de hauteur, subdivisée

NOTIONS PRéLIMINAIRES 39

par des cloisons de 10 à 12 cm. d'épaisseur en douze compartiments (voir fig. 11).

Chacun de ces compartiments peut être considéré comme un four distinct ayant ses parois propres et environné du haut en bas d'un espace libre; tous les vides communiquant librement et formant une chambre de combustion unique pour l'ensemble.

La série des compartiments est comprise entre quatre murs verticaux en briques réfractaires.

Entre ces murs et le massif extérieur ég^alement en briques est un matelas de matières pulvérisées p non tassées qui permettent une certaine dilatation de la maçonnerie intérieure du compartiment B. .

Les douze compartiments (1) sont placés en deux rangées de six, sous chacune desquelles est une galerie qui traverse de part en part le massif, et qui sert à la circulation des wagonnets dans lesquels tombent les charges

de coke pour le défourne- J^

ment, en F.

Le charbon placé dans l'intérieur du four n'a aucune communication avec l'air extérieur; les gaz se dégagent par des ouvertures plates B^ (voir fig. 10) disposées sur les quatre faces, en deux rangées tout à fait vers le

fond des carneaux de

, . ^. Fig. 11, — Four AppoU. -- Coupe en plan

combustion. 11 y a, en suivant m n,

outre, quelques petites

ouvertures vers le haut pour faciliter le dégagement des gaz.

L'air pour la combustion est introduit par de petits orifices pratiqués

dans le massif extérieur à trois niveaux différents et dans les voûtes qui

supportent les registres de défournement.

(1) Il existe des modèles de fours Appoll à 18 compartiments construits sur le même principe.

40 MÉTÀLLURGTE DC FER

Les flammes s'élèvent lentement dans les chambres de combustion ; une partie s'élève et sort par six carneaux c (fig. H), trois sur chaque longue face, qui aboutissent à deux cheminées servant pour tout le massif; six autres carneaux D, placés tout à fait au bas sur les mêmes faces aspirent une partie des gaz et vont rejoindre également les deux cheminées.

Ces fours conviennent bien aux mélanges très maigres ; ils ont l'avantage de chauffer brusquement la houille et de donner un coke de grande densité à cause de la hauteur des charges. Avec des charbons plus gras, le coke est trop petit, les parois sont déformées par le boursouflement de la houille. D'un autre côté, la circulation desflammes est compliquée et rend difficile la répartition convenable des températures.

Les premiers fours Appolt ont été construits en 1858 à Marquise et à Sulzbach, près deSaarbruck; on en a établi dans la suite à Commentry, auCreusot, à Aubin, etc.; il en existe également en Angleterre, en Allemagne notamment aux usines de Phœnix et en Belgique, près de Liège.

Le rendement du four Appolt est toutefois très considérable et égal presque au rendement théorique, la charge n'ayant aucune communication directe avec l'air extérieur; mais le prix du coke produit est assez élevé à cause de l'entretien si coûteux du four lui-même et de l'irrégularité des produits comme grosseur et souvent comme carbonisation.

Aussi préfère-t-on souvent àces fours dans certaines régions où l'écoulement du coke menu est assez difficile des fours belges à très faible largeur, dans lesquels on peut carboniser des charbons tout aussi maigres.

Il y a lieu de signaler le four Bauer dont l'organisation générale ressemble beaucoup à celle du four Appolt et qui n'en diffère que par des dispositifs de détail ou par le mode de défournement.

On peut aisément se rappeler la structure générale des fours à coke qu'on a décrits ci-dessus par l'image suivante : un livre peut reposer sur une table de trois façons différentes, par une de ses faces, par sa grande tranche ou par une de ses petites tranches. Il représente dans ces diverses positions la forme de la capacité intérieure des fours à boulanger et des fours à parois chauffées {fours belges et fours Appolt),

Et, en effet, les fours à boulanger ont une très grande section horizontale et une faible hauteur; lesfours belges ont une grande longueur

et une faible largeur ; les fours Àppolt ont une grande hauteur et une faible section horizontale.

3® Fours avec condensation des sous-produits, — On sait que le coke produit dans la fabrication ordinaire du gaz d'éclairage est trop tendre pour les besoins métallurgiques : il n'est utilisable que dans les petits foyers (usages domestiques). Des recherches ont été tentées pour arri- ^ ver à récupérer les sous-produits tels que les goudrons et les eaux ammoniacales, tout en produisant un véritable coke métallurgique et employant le gaz ainsi épuré au chauffage même des fours à coke.

Les fours à coke construits dans ce but spécial sont de types fort variés ; on peut néanmoins les rattacher comme organisation générale à la grande classe des fours belges à carneaux horizontaux (type Smet) ou à carneaux verticaux (type Coppée) ; en y ajoutant les dispositifs nécessaires pour leur but spécial.

Au lieu de pénétrer de suite dans les carneaux comme dans les fours à parois chauffées où ils rencontraient Tair venant du dehors qui devait les brûler, les produits gazeux de la distillation sont dirigés par aspiration dans des cuves et des serpentins où ils déposent leurs goudrons et leurs eaux ammoniacales. Gela fait, ces gaz sont refoulés sous la sole du four où on les enflamme en y mélangeant la quantité d'air nécessaire à leur combustion. La chaleur qu'ils développent est suffisante pour provoquer la distillation du charbon contenu dans le four.

Pour obtenir une bonne distillation il ne faut pas carboniser à trop haute température ; car alors le goudron se décompose dans le four, on obtient plus de coke, mais moins de sous-produits. Pour tous ces*^ motifs, la carbonisation se fait toujours plus lentement dans ces fours spéciaux que dans les fours à parois simplement chauffées.

Cette lenteur de marche augmente le prix de revient en diminuant la production.

Les frais de construction des fours de distillation sont considérables; en revanche on recueille le bénéfice delà vente des sous-produits, mais il faut pour cela que l'usine soit bien placée pour leur écoulement. Depuis quelques années l'ammoniaque a trouvé un nouveau débouché dans les fabriques de soude, les huiles de houille ont reçu des applications plus nombreuses, aussi a-t-on cherché à propager l'emploi dans les usines métallurgiques de ces fours spéciaux qui constituent une grande source de production de goudron et d'ammoniaque.

— Dans le four Knab qui est à cameaux horizontaux (type Smet), les gaz sont tout d'abord aspirés par une ouverture ménagée dans la voûte, puis après avoir traversé les condenseurs ils sont ramenés sous la sole au-dessus d'un petit foyer auxiliaire" où ils se réchauffent assez pour qu'ils puissent s'y brûler et circulent ensuite dans les carneaux des piédroits pour gagner enfin la cheminée.

— Le four Carvès est un four Knab perfectionné, soitau point de vue de la construction même du four, du chauffage préalable de l'air destiné à la combustion des gaz épurés, de la condensation mieux assurée des produits, etc..

— Le four Otto est une sorte de four Coppée adapté à la récupération des sous-produits. Ses piédroits renferment des carneaux verticaux aboutissant à un canal longitudinal placé sous la sole. H y a deux classes de fours Otto : la première classe comprend ceux dans lesquels la condensation n'a lieu que pendant une partie de la durée de la cuisson ; dans la deuxième classe, la condensation est continue comme dans les fours Carvès.

— Le four Bauer analogue au four Appolt peut aussi être muni des dispositifs nécessaires pour la condensation des sous-produits.

La plupart des fours précédents peuvent marcher avec ou sans récupération ; on ferme la valve qui communique avec le tuyau d'aspiration; on ouvre un registre donnant directement accès aux gaz dans les carneaux et on fait arriver l'air nécessaire à la combustion par des orifices ad hoc. Le four Bauer déjà cité est souvent construit dans ce but.

4) Extinction du coke. — Nous avons déjà dit plus haut que le coke était éteint par étouffement ou par aspersion.

Pour éteindre le coke par étouffement, on repoussait le gâteau de coke entre des murs disposés dans le prolongement des piédroits du four, le gâteau était recouvert de cendres de façon à empêcher tout contact de l'air. Au bout d'un temps plus ou moins long (de 12 à 24 heures), la température était suffisamment abaissée pour qu'on pût attaquer la masse et procéder à l'expédition du coke.

Ce procédé qui tend à être abandonné à cause de sa lenteur avait cependant pour avantage de donner un coke parfaitement sec, d'un aspect métallique et d'une couleur claire.

Le procédé d'extinction par aspersion est aujourd'hui généralement adopté : il est rapide, mais ne donne un coke comparable à celui qui a été éteint par étouffement que par un temps chaud et sec et encore

y a-l-il souvent des morceaux ayant reçu un peu trop d'eau et présentant un aspect noir. Une série de robinets de prise d'eau sont établis en liçne, à 6 ou 8 mètres les uns des autres, sur le bord du quai de charçement; ces robinets portent des raccords qui reçoivent les tuyaux d'arrosage à lance.

Dans certaines usines, on rencontre un mode tout particulier d'extinction : la charge totale de chaque four est reçue dans un panier en fer à claire-voie placé sur la plate-forme de déchargement dans le prolongement du four. Une grue roulante enlève le panier plein de coke incandescent et le plonge pendant quelques secondes dans un bassin plein d'eau ; puis on verse le contenu du panier sur un crible incliné opérant automatiquement la séparation du gros coke, du petit coke et des cendres.

5) Utilisation des flammes perdues des fours à coke. — Dès le début de l'emploi des fours à boulanger, on a cherché à utiliser une partie de la chaleur perdue soit pour la fabrication de la chaux, soit pour le chauffage des chaudières.

Dans un grand nombre d'installations de fours à coke actuellement existantes, on n'utilise malheureusement qu'une très faible partie des flammes perdues, 1/10 au plus. On demande simplement aux fours de produire la vapeur nécessaire pour les services accessoires : lavage, broyage, défournement mécanique et on perd une énorme quantité de chaleur qui pourrait être utilisée sans déranger aucunement la marche des fours et sans altérer en rien la qualité du coke.

L'économie réalisée par une usine possédant des hauts-fourneaux, aciéries, etc. en utilisant complètement les flammes des fours à coke serait du même ordre que celle qui a été réalisée par l'emploi des gaz combustibles sortant des hauts-fourneaux et ^ur lequel nous reviendrons longuement. Les usines métallurgiques abandonneraient alors la pratique généralement suivie d'acheter leur coke au lieu de le fabriquer elles-mêmes, pratique conduisant à un véritable gaspillage de combustible.

Il semble toutefois que depuis ces dernières années les industriels commencent à se préoccuper plus sérieusement de cette question importante. Nous donnons ci-dessous, et à titre d'exemple, le schéma d'une utilisation des flammes perdues pour le chauffage des chaudières.

Cette installation est celle qu'ont établie les Aciéries de la Marine au Boucau (Basses-Pyrénées) .

44 MBTALLURGIB DU FER

Il y a 80 fours à coke marchant en 24 heures dont les flammes sont utilisées très complètement. Les fours sont associés par groupe de 20,

Fig. 12 et 13. — Usines du Boucau. — Installation des générateurs Bclleville à la suite des fours à coke.

G G G G, Générateurs Belleville. — D D, Conduits amenant les gaz des fours à coke au générateur. — 00, Orifices distributeurs des gaz sous les faisceaux de tubes. — PP, Pompes. — R R, Régulateur de pression à minima avec soupape d'arrêt. — V V, Prise de vapeur allant aux pompes. — V, Prise de vapeur allant aux machines.

chaque groupe chauffe une chaudière Belleville de 12o'"2 de surface. 11 y a donc en tout quatre générateurs.

NOTIONS PnÉLIBlINAIRES 4.H

Chaque groupe possède deux cheminées; une première cheminée dans laquelle les flammes se rendent directement quand la chaudière est hors feu , et une deuxième cheminée qui ne sert qu'au chauffage de la chaudière .

Les gaz chauds arrivent par quatre ouvertures situées dans un même plan horizontal et qu'on peut recouvrir et fermer par quatre dalles réfractaires. Quand la chaudière fonctionne, un registre en tôle empêche les flammes de passer par la première cheminée; pour mettre la chaudière hors feu, on lève ce registre et on pousse les quatre dalles réfractaires.

La température des gaz à la base de la deuxième cheminée est de 320^

Les fours sont défournés par série de cinq, aussi régulièrement que possible, de façon à uniformiser le dégagement des gaz et la production de la vapeur.

On a quelquefois objecté que l'application du générateur trouble la marche des fours et en diminue la production. Cette objection est fondée quand la même cheminée reçoit tantôt les gaz refroidis par leur passage sous la chaudière, tantôt les gaz incandescents ; il se produit, en effet, des variations considérables de tirage, et, si le tirage est strictement suffisant dans le second cas, il devient trop faible dans le premier. Les fours cuisent mal, ou bien on est obligé de diminuer la charge. En tous cas, dans les usines métallurgiques qui trouvent un emploi constant de la vapeur nuit et jour, cet inconvénient n'existe pas, car les registres ne sont manœuvres qu'à de longs intervalles pour le nettoyage des chaudières seulement.

il en est de même avec le système des cheminées du Boucau, car on peut même calculer leurs hauteurs de façon que le tirage soit exactement égal, que les chaudières fonctionnent ou non.

Nous avons terminé la revue des différents combustibles solides et liquides employés en métallurgie.

Quant aux combustibles gazeux nous en avons donné plus haut une première utilisation dans le fonctionnement même des fours à coke à parois chauffées. Leur emploi est d'une si grande importance en métallurgie qu'on les fabrique tout spécialement dans certains foyers appelés gazogènes formant souvent partie intégrante des fours où on les brûle.

Nous verrons aussi dans le cours de cette étude que d'autres appareils ou fours métallurgiques, les hauts-fourneaux par exemple, produisent indirectement, de par leur fonctionnement même, des gaz combustibles.

46 MÉTALLURGIB DU FER

Mais l'emploi de ces combustibles gazeux n'est à proprement parler qu'un mode détourné d'utilisation d«s combustibles solides.

Quant aux flammes perdues, on a déjà vu qu'on pouvait utiliser celles des fours à coke pour le chauffage des chaudières : nous aurons l'occasion ultérieurement de donner d'autres exemples.

Article 4. — Etude théorique élémentaire de la combustion

Nous nous proposons d'exposer les notions généralement admises sur la théorie de la combustion : de cette étude devra ressortir l'avantage considérable qui résulte de l'utilisation méthodique des combustibles sous forme gazeusfc.

Le moyen le plus ordinaire pour produire de la chaleur est la combustion, c'est-à-dire la combinaison chimique d'un corps appelé combustible avec un autre appelé comburant.

Au point de vue général, tout corps qui en s'unissant à un autre dégage de la chaleur peut être appelé combustible, mais le plus souvent le combustible est un composé de carbone et d'hydrogène unis ou mélangés à d'autres éléments, le comburant est l'oxygène puisé presque toujours dans la masse atmosphérique.

I. — Pour dégager d'un combustible le maximum de chaleur y il faut d'abord que la combustion soit complète.

I 1®' Définitions. — Donnons tout d'abord quelques définitions nécessaires :

A. — Combustion complète. — La combustion est complète quand la quantité d'oxygène fournie est suffisante pour amener à leur maximum d'oxydation les divers éléments dont est composé le combustible ; elle est incomplète quand les produits de la combustion renferment encore du carbone libre, de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène libre ou partiellement carburé, etc.

Dans ce dernier cas, il y a évidemment perte de chaleur; il faudra donc s'opposer à une combustion incomplète dès que le but poursuivi sera Vutilisalion immédiate et totale de tous les éléments calorifiques contenus dans le combustible. La réalisation d'une combustion intégrale n'est pas aussi facile qu'elle le paraît.

Il faudra d'abord fournir le volume d'air nécessaire en ménageant dans les proportions convenables les orifices d'accès et les moyens de tirage et d'insufflation. Admettons que la proportion d'oxygène nécessaire à une combustion complète ait été amenée sur le combustible, il faudra encore que les molécules d'oxygène viennent forcément au contact de celles de l'hydrogène et du carbone du combustible.

Nous examinerons plus loin si c'est au combustible solide ou au combustible gazeux qu'il y a lieu, à cet. égard, de donner la préférence.

B. — Pouvoir calorifique. — On appelle pouvoir calorifique d'un combustible la quantité de chaleur dégagée par la combustion d'un kilogramme. Cette quantité évaluée en calories est exprimée, en général, par des nombres assez grands ; pour l'avoir en nombres plus simples, on l'évalue souvent en unités de vapeur. L'unité de vapeur proposée par Rankine vaut 537 calories et représente le nombre de calories nécessaires pour vaporiser un kilogramme d'eau.

On a cru longtemps que le pouvoir calorifique d'un combustible dépendait uniquement de sa nature chimique, on sait aujourd'hui qu'il varie également avec sa constitution moléculaire. Les corps isomères n'ont pas, en général, le même pouvoir calorifique.

Le pouvoir calorifique d'un corps donné se mesure au moyen d'un calorimètre, en effectuant la combustion dans le vase intérieur muni d'un dispositif spécial. Parfois on l'évalue d'une manière détournée, en chauffant un poids donné du combustible avec de la litharge et pesant le plomb réduit.

Pour donner une idée de la valeur industrielle des combustibles on préfère souvent indiquer la quantité d'eau vaporisée par chacun d'eux, lorsqu'on l'emploie à chauffer une chaudière bien établie. Le nombre exprimant le poids d'eau vaporisée devrait se confondre avec celui qui exprime le pouvoir calorifique en unités de vapeur; il est loin d'en être ainsi, car dans le chauffage des chaudières, même les meilleures, on perd une grande partie de la chaleur dégagée.

Cette perte est encore bien plus grande dans les divers appareils métallurgiques.

Il ne faut point oublier, d'autre part, que les nombres représentant les pouvoirs calorifiques sont déterminés en supposant que la combustion soit complète ; or, il se forme toujours plus ou moins d'oxyde de

48 MÉTALLURGIB DU FER

carbone, d'où perle très appréciable de calories par kilogramme de carbone incomplètement brûlé.

C. — Température de combustion. — On entend par température de combustion la température théorique que les produits de la combustion atteindraient, en admettant que la chaleur développée soit uniquement absorbée par ces produits et que les chaleurs spécifiques restent itivariables à toutes les températures.

Cette double hypothèse ne se réalise jamais complètement ; les chaleurs spécifiques croissent en général avec les températures, puis une partie de la chaleur se perd par rayonnement et par. le contact des appareils dans lesquels s'opère la combustion. Cette valeur théorique permet cependant d'apprécier la valeur relative des combustibles au point de vue de la température que l'on peut en espérer.

La température de combustion est, par suite, une sorte de mesure de l'énergie d'un combustible : chaque combustible ne pourra être employé qu'aux opérations dans lesquelles la température à réaliser est inférieure à sa température de combustion.

On trouve dans les ouvrages spéciaux (Métallurgie de Gruner^ Métallurgie de Le Verrier, etc..) les méthodes générales ou simplifiées permettant de calculer les températures de combustion théoriques des divers combustibles : nous indiquerons plus loin le mécanisme de ces méthodes.

I 2\ Il n'est pas aisé de réaliser une combuslion complète avec un combustible solide. — Supposons, ce qui est le cas à peu près général, que le combustible solide soit brûlé sur une grille ; faisant abstraction de la combustion tout à fait spéciale des hauts-fourneaux ou fours à cuve (!)•

Admettons que par un tirage approprié, un écartement convenable des barreaux de la grille et une épaisseur requise du combustible chargé on puisse disposer du cube d'air nécessaire pour une combustion complète.

Sans entrer dans le détail de la description des différents fours avec foyers à grille, ce qui ressortit à la métallurgie générale, admettons comme type celui qu'indique la figure et dont la légende explique suf-

(i) La théorie du haut-fourneau comprendra un aperçu suffisant sur la combustion dans les fours à cuve : nous ne saurions en parler maintenant sans nuire à la clarté du sujet.

fisammenl la construction. C'est le four ordinaire de puddlage servant à l'élaboration à Tétat pâteux du fer et de l'acier, c'est aussi à peu de

Fig. H et 4 5. — Four à grille (type employé au puddlage). C, Cheminée. — /?, Rampant. — L, Laboratoire. — S, Sole. — A, Aulcl. — G, Grille.

P, Porte de travail.

chose près le type des fours à réchauffer pour le travail des fers et des aciers, etc..

A. — La combustion n'est pas comparable d'un point à un autre. — Malgré les soins les plus minutieux apportés au service d'un foyer on ne peut éviter de grandes inégalités locales dans les proportions relatives d'air et de matière combustible. En supposant que le chargement ait été absolument régulier à l'origine, les différences dans le tirage ou dans la composition même du combustible entraînant une combustion irrégulière ne tarderont pas à changer les conditions initiales.

50 MÉTALLURGIE DU PBR

Il y a excès d'air là où la grille est peu couverte et sur les points où le combustible est en fragments volumineux, excès d'éléments combustibles là où la charge est haute ou fortement tassée.

Presque toujours le chargement a d'ailleurs lieu d'une façon intermittente, en sorte que non seulement les choses se passent à un moment donné d'une façon différente sur les divers points de la grille, mais encore il y a des inégalités périodiques après chaque nouvelle charge.

B. — Les divers éléments d'un combustible solide n'exigent pas tous les mêmes conditions pour une combustion complète. Il y a des pertes forcées. S'il ne s'agissait que de brûler un combustible solide obtenu à la suite d'une distillation tel que le coke ou le charbon de bois, il suffirait de prévenir la formation d'oxyde de carbone, ce qui n'est déjà pas très facile; mais, lorsqu'il s'agit de combustibles à éléments volatils il y a à assurer la combustion complète des vapeurs et des gaz dégagés à la distillation en même temps que celle du résidu solide carbonisé. Or, les conditions d'une combustion complète qui conviennent aux uns ne conviennent pas aux autres, il faut un tirage différent, etc..

L'écartement des barreaux est réglé de façon que l'air puisse arriver en quantité suffisante au contact du combustible ; plus cet écartement est grand, plus on s'approche des conditions d'une bonne combustion. Or, ou bien les barreaux sont trop serrés et alors beaucoup d'éléments ne sont pas intégralement brûlés par manque d'air, ou bien les barreaux sont trop espacés et alors une forte proportion de combustible menu coule non brûlé dans le cendrier. Cette perte n'est jamais nulle dans la pratique.

Si, d'autre part, on marche avec une forte épaisseur de combustible sur la grille ou que la vitesse d'arrivée de l'air ne soit pas suffisante, l'oxygène se trouvera en présence d'un excès de carbone ; il y aura production d'oxyde de carbone. La proportion de cet oxyde diminuera à mesure que la vitesse du courant d'air augmentera ou que la couche de combustible sera moins épaisse, mais il pourra y avoir par contre une certaine quantité d'oxygène non utilisé. Il y aura donc une épaisseur moyenne et un tirage moyen correspondant à la production minima d'oxyde de carbone.

Comme d'autre part, ainsi qu'on l'a vu précédemment, il y a aussi des hydrocarbures à brûler, il est clair que si on a pu réduire au mi-

NOTIONS PRÉLIMINAIRES Si

nimum la perle par Toxyde de carbone il n'en sera pas de même pour les produits carbures.

Pour éviter une proportion élevée de gaz non brûlés, il faut, en général, un grand excès d'air. Au fond, cet excès ne nuirait pas si la fumée pouvait toujours être abandonnée à basse température. La chaleur momentanément absorbée par l'excès d'air sera alors de nouveau utilisée, mais le plus souvent dans les foyers cela est impossible, de sorte que l'on est toujours placé dans cette alternative fâcheuse d'une perte de chaleur par excès d'air ou d'une perte causée par la présence dans la fumée de gaz non brûlés.

C. — Le comburant et les éléments combustibles n'auront pas toujours la température nécessaire pour réagir les uns sur les autres. — On n'ignore pas que pour qu'une combustion vive se produise ou continue à s'opérer, il est nécessaire de maintenir dans le milieu où on l'a déterminée une température assez élevée. Si cette température s'abaisse trop par le voisinage ou par le contact de corps refroidissants, la combustion s'arrête. Ce fait est facile à constater en plaçant dans une flamme d'hydrocarbure un corps froid quelconque, il se produit immédiatement un dépôt de noir de fumée qui disparaît si on laisse au corps le temps de s'échauffer et d'acquérir la température à laquelle la combustion peut s'effectuer. Cet appoint de chaleur nécessaire représente l'énergie initiale nécessaire pour faire passer un corps ou système de corps d'un état à un autre ainsi que l'a magistralement démontré M, Berthelot dans ses études thermochimiques.

Si l'on diminue outre mesure l'épaisseur de la couche combustible chargée sur la grille, l'air la traversera inégalement et peut-être trop vite pour qu'il puisse se chauffer jusqu'au degré nécessaire à la combustion complète des produits gazeux de la distillation.

La distillation qui s'effectue sur toute grille est une cause de refroidissement et comme elle atteint son maximum d'énergie à chaque nouvelle charge, il arrive habituellement qu'à ce moment les produits distillés comme le combustible, soumis à la distillation, sont tous deux refroidis au-dessous du point de leur inflammabilité. La combustion est alors incomplète, les produits brûlés renferment des gaz, des vapeurs combustibles et du noir de fumée,

I 3* Pourquoi la combustion de combustibles gaxeux sera-t- elle plus parfaite? On verra comment on peut transformer les combustibles

solides en combustibles gazeux par voie de combustion incomplète dans des appareils spéciaux appelés gazogènes. Le gaz combustible produit se compose d'un mélange d'hydrogène, d'oxyde de carbone, d'azote, d'hydrocarbures, etc..

Au point de vue de la chaleur totale produite, il est clair qu'on ne gagne absolument rien à gazéifier le carbone, on perd même la quantité de chaleur résultant du passage du carbone à l'état d'oxyde de carbone puisqu'on ne se propose d'utiliser que la chaleur dégagée par la com- / buslion des gaz combustibles dans un appareil distinct du gazogène. Bien plus, si les gaz combustibles ainsi produits devaient se refroidir partiellement avant d'être brûlés, on perdrait nécessairement cette fraction de la chaleur totale. Il faut donc brûler les gaz immédiatement après leur préparation, au voisinage même du gazogène dans lequel ils ont été engendrés.

Quoi qu'on fasse, il y aura une fraction de la chaleur produite par la combustion partielle qui sera perdue par conductibilité dans le gazogène lui-même ou dans le parcours effectué par les gaz du gazogène au four où on doit les brûler.

Mais s'il est vrai qu'une partie du carbone passera à l'état d'oxyde de carbone et une partie des hydrocarbures à l'état d'hydrocarbures inférieurs les avantages du combustible gazéifié résultent des motifs suivants :

A. — Il est possible aveclesgazde régler la quantité d'air nécessaire à la combustion complète et de multiplier les points ou surfaces de contact du gaz et de l'air comburant. On les fera arriver l'un et l'autre en lames parallèles alternantes de faibles dimensions, ou bien on fera pénétrer l'air en jets isolés au milieu du gaz, etc..

Disons Rvec Gvuner qu'il n'en demeure pas moins vrai, même en attribuant à l'adaçe des anciens « corpora non agunt nisi soluta » une valeur restreinte, que les gaz se combinent plus facilement qu'un corps solide et Tair et surtout qu'il est plus facile de doser l'air de façon à brûler convenablement du charbon gazéifié que de la houille en morceaux.

On doit concevoir aussi à priori que cette dernière opération sera d'autant plus difficile que le combustible solide renfermera une proportion plus élevée de cendres formées de matières terreuses incombustibles.

B, Les gaz pourront être chauffés au préalable. — De cette façon, on

assurera dans tous les cas leur inflammation : nous avons vu, en effet, que dans la combustion sur grille, nombreuses étaient les causes de refroidissement qui s'opposaient à un moment donné à l'inflammation certaine des gaz combustibles. Ce chauffage préalable pourra être réalisé en disposant au point d'arrivée des gaz une enceinte à parois fortement incandescentes échauffée, par exemple, par les produits brûlés se rendant à la cheminée, par un foyer allumé au préalable et à combustible solide mais de qualité inférieure, etc..

C. Enfin on pourra développer une chaleur d'autant plus intense que

Tair et le gaz combustibles auront été portés à une température plus élevée avant leur combustion. Or, il n'est pas possible de chauffer à haute température avant de le brûler un combustible solide.

Nous nous proposons de montrer que par ce chauffage préalable de l'air et du gaz on élève dans de très fortes proportions la température de combustion. C'est ainsi qu'on arrive à réaliser couramment dans les fours à gaz des températures supérieures à celles que donnaient dans les anciens fours les meilleurs combustibles.

Comme cette question est du plus haut intérêt nous pensons devoir lui consacrer quelques développements.

H. — 1% température de la combustion croîtra avec la chaleur apportée séparément par le comburant et par le combustible lors de la combustion.

La température produite par la combustion dépend d'un grand nombre de facteurs :

De la nature du combustible;

De celle du comburant;

De leurs proportions relatives comme il a été dit ;

De leurs températures initiales.

C'est ce dernier point que nous allons examiner.

I i^^ De Vhypothèse nécessaire pour établir la valeur de la température de combustion. — En général, la chaleur y dégagée par un foyer quelconque peut se diviser en deux parties : la chaleur R rayonnée sur les parois de l'enceinte où s'opère la combustion et qui est absorbée et

transmise par ces paVois, la chaleur G employée à élever la température des gaz de la combustion.

La chaleur rayonner R n'est jamais nulle mais on conçoit que sa valeur puisse être très faible selon la construction des foyers, le mode d'utilisation de la chaleur, etc

Examinons pour le moment le cas où le foyer est placé dam une enceinte en maçonnerie que nous supposerons assez épaisse pour qu^on puisse admettre qu'il ne se perd pas de chaleur à travers ses parois.

Dans ces conditions, la température à laquelle sont portées les parois est à peu près la même que celle du foyer ; il y a rayonnement réciproque à la même température, les parois rendent ce qu'elles reçoivent, de sorte que la chaleur transmise par rayonnement est nulle.

Dans ce cas R=0, toute la chaleur produite par la combustion est employée à élever la température des gaz qui se dégagent du foyer et on a : Q=G.

Telle est Yhypothèse nécessaire qu'il faut admettre pour pouvoir définir la température de combustion et la calculer.

C'est ainsi qu'il faut comprendre la définition que nous avons donnée antérieurement à propos des notions générales sur les combustibles quand nous avons dit plus haut : a La température de combustion est « la température théorique que les produits de la combustion atlein- « draient en admettant que la chaleur développée soit uniquement « absorbée par ces produits. »

I 2*) Expression de la température de combustion quand la chaleur rayonnée est nulle. Pour établir la valeur de la température du foyer ou de la combustion quand la chaleur rayonnée est nulle il suffit donc de déterminer d'un côté la quantité de chaleur Q fournie par la combustion et de l'autre la nature et le poids des produits de cette combustion et qui doivent l'absorber par leur élévation de température.

A — Calcul de la température de la combustion en supposant le combustible et ragent comburant à Qo. — Soit un corps composé d'un mélange de plusieurs éléments combustibles dont les poids sont Pj, Pj,

Soient q,, q^, qs,... les pouvoirs calorifiques de chacun de ces éléments : nous savons que le pouvoir calorifique d'un combustible est la quantité de chaleur exprimée en calories dégagée par la combustion

complète d'un kilogramme de ce combustible. Supposons pour l'instant que nous sachions mesurer les quantités qi, q^, qsv

Soient d'autre part pi, p^, pa,... les poids des produits respectifs de la combustion et c^, c^, C3,... leurs chaleurs spécifiques.

Pi qi +Pîq2 + P3 q3 + ou 2.Pq représentera la quantité de chaleur totale fournie au foyer par la combustion.

Cest celte chaleur qui élève au-dessus de 0® la température des produits de la combustion.

La chaleur absorbée par les produits de la combustion sera, si t est leur température commune lors de la combustion : Pi Ci t + p2 Cj t+p3C3 t+ ou t. X.pc.

Dans l'hypothèse faite de parois en maçonnerie ne laissant pas perdre de chaleur on aura : S.Pq=t. S.pc.

, S.Pq

ou t = -'

ï.pc

Rappelons que cette température théorique des produits de la combustion est établie en admettant que la chaleur développée soit uniquement absorbée par ces produits et que les chaleurs spécifiques restent invariables à toutes les températures.

Cette double hypothèse ne se réalise jamais complètement; les chaleurs spécifiques croissent en général avec les températures, puis une partie de la chaleur se perd par rayonnement et par le contact des appareils dans lesquels s'opère la combustion, ainsi qu'on l'a dit antérieurement. D'un autre côté, les pouvoirs calorifiques sont déterminés en supposant que la combustion soit complète, nous avons vu à propos * des combustibles solides combien il était difficile de la réaliser.

B. — Que devient la valenr de t quand le combustible et le comburant

xPq sont à une température supérieure à zéro? La formule t =--; — ^ suppose

le combustible et l'agent comburant à O^.

Or l'un et l'autre peuvent être chauffés à un certain degré et le sont même toujours dans les foyers avant de se combiner.

Pour apprécier l'influence de cette chaleur apportée, il suffit d'ajouter au numérateur de l'expression de t les chaleurs propres que possèdent le comburant et le combustible avant de s'unir.

Soit P le poids du corps combustible, C sa chaleur spécifique, © sa température initiale quand on l'introduit dans le foyer ; soit de même

56 MËTALLURGIR DU KEK

P' le poids du comburant (oxyçène ou air), CJ sa chaleur spécifique et 0' sa température d'arrivée au foyer.

PC0 + P'C'0' sera la quantité de chaleur renfermée dans le combustible et dans le comburant en comptant à partir de zéro.

La chaleur totale dégagée par la combustion vaudra PCe -\- P'C'e' + 2 Pq.

Si Ton suppose la chaleur rayonnée nulle on devra avoir :

D'où t =

PCe + FC'e' + s.Pq = t.s.pc PCe + Ft)'C*+2.Pq

£.pc

Lorsque les combustibles laissent des cendres, ce qui est le cas des combustibles solides, S.pc doit, bien entendu, renfermer un terme comprenant lachaleur retenue par ce résidu solide chauffé aussi comme les produits gazeux de la combustion jusqu'à la température théorique t.

La formule ci-dessus est évidemment une fdrmulc limite mais elle est fort utile à considérer pour fixer sur la valeur relative des combustibles, des erreurs d'un ordre à peu près comparable existant de l'un à l'autre.

Dans tous les cas, on devra agir sur tous les fîicteurs variables dont on dispose pour qu'on puisse l'appliquer avec plus de certitude.

Cette formule montre tout d'abord que la température de combustion sera d'autant plus élevée que les températures initiales e et 8' le seront elles-mâmes davantage. Pour avoir de hautes températures, il y a donc intérêt à chiuffer le combustible et le comburant ou simplement l'un ou l'autre avant leur combinaison. C'est, par exemple le cas des li2}itS'fo:irmxicc à fonts dj fer où l'on injecte par les tuyères de l'air porté à haute température par son passage dans une chambre à briques préalablement chauffée par la combustion d'une partie des gaz combustibles s'échappant du gueulard.

Nous verrons plus tard lors de l'étude des fours à gaz du système Siemens comment en s'appuyant sur les considérations précédentes on peut expliquer le grand rendement calorifique de ces appareils.

IH. — Expériences et lois relatives au pouvoir calorifique.

En 1780, Laplace et Lavoisier, pwis après eux Rumforty Clément et Desormes, Despretz et Didong toni des expériences les premiers dans un

iNOTIONS PRÉLIMINAIRES 57

calorimètre à g^lace, les autres dans un calorimètre à eau pour déterminer les pouvoirs calorifiques.

Lesappareils employés, fort rudimentaires du rcste,donnentdes nombres peu concordants.

Nous renvoyons au remarquable traité de « Physique industrielle » (le M. Ser pour l'étude complète de ces expériences.

I l®^ — Expériences de MM. Favre, Silbermann et Berthelot. — MM. Favre et Silbermann publièrent en 1853 un important mémoire sur les chaleurs de combustion ; ce travail fait aujourd'hui encore autorité incontestée dans la question.

Nous ne décrirons pas l'appareil employé par ces physiciens et comprenant 1** le calorimètre proprement dit, 2^ la chambre à combustion.

Les précautions minutieuses étaient prises pour avoir des combustibles et deToxygène purs. Les produits de la combustion étaient recueillis et analysés avec le plus grand soin afin de tenir compte de la chaleur qu'auraient dû dégager les gaz incomplètement brûlés.

Sept expériences faites avec des durées différentes sur la combustion du carbone ont donné sept nombres dont le plus faible est 8064 calories et le plus fort 8095 calories, la moyenne étant 8080 calories. On a trouvé constamment dans les gaz dégagés une certaine proportion d'oxyde de carbone. Pour avoir le pouvoir calorifique on ajoutait à la chaleur mesurée par le calorimètre celle que l'oxyde de carbone aurait produite pour passer à l'état d'acide carbonique.

Comme on l'a déjà dit, on remarqua que le pouvoir calorifique dépendait de l'état moléculaire du corps : le carbone dégagea l'état de charbon de bois calciné 8080 calories, tandis qu'à l'état de graphite naturel il en produit seulement 7796 et 7770 à l'état de diamant.

Les mêmes différences s'observent avec le soufre; le soufre mou ou récemment cristallisé produit 2260 calories, tandis que le soufre préparé depuis longtemps et plus agrégé ne dégage que 2220 calories.

II importe de remarquer que le pouvoir calorifique a été déterminé dans ces expériences en prenant le combustible et l'oxygène à la température du calorimètre qui s'écartait peu de celle de l'extérieur.

Il en résulte que pour les combustibles donnant comme l'hydrogène des produits gazeux qui passent à Tétat liquide à cette température on comptera dans le pouvoir calorifique la chaleur de condensation de la vapeur.

Par la même raison, quand on brûle des hydrogènes carbures et que

la vapeur d'eau produite s'échappe avec les gaz de la combustion sans être condensée, il y a lieu de retrancher du pouvoir calorifique quia, été déterminé en supposant cette condensation le nombre des calories représentant la chaleur de vaporisation de Teau.

M. Berlhelot a fait à son tour une longue série d'expériences, au moyen d'appareils d'une grande précision pour déterminer les chaleurs dégagées par la formation d'un grand nombre de corps composés.

Il se servait d'un calorimètre et d'une chambre de combustion disposés de diverses manières suivant la nature de l'expérience.

§ 2. — Lois relatives au pouvoir calorifique. — La quantité de chaleur mesurée par le calorimètre est la résultante de plusieurs actions simultanées ou consécutives.

Ainsi dans la combustion du carbone on peut distinguer trois phénomènes distincts :

1® Le passage du combustible de l'état solide à l'état gazeux, d'où absorption de chaleur.

2* La combinaison de C avec O, accompagnée d'un dégagement de chaleur.

3® La réduction de volume, CO* ayant un volume égal aux 2/3 de la somme des volumes de la vapeur de C et de ; cette réduction doit produire de la chaleur.

De même dans la combustion de H, on peut distinguer :

l^' La combinaison chimique qui produit de la chaleur.

2^ La contraction de un tiers du volume total qui en dégage également.

3® La condensation de la vapeur d'eau produite qui en abandonne encore une certaine quantité.

Dans la combustion des corps composés, il se produit des phénomènes analogues et de plus il faut tenir compte de la chaleur de décomposition (le plus souvent négative) qui doit précéder la combustion.

Dans la détermination du pouvoir calorifique, le calorimètre mesure en bloc, comme on l'a dit, toutes ces chaleurs positives ou négatives et on n'a pu trouver jusqu'à présent des lois générales permettant de calculer exactement le pouvoir calorifique d'un combustible d'une composition chimique connue.

Mais l'application des principes généraux de la physique et les résultats des expériences permettent de formuler certaines règles susceptibles de donner dans la plupart des casune indication au moins approchée de la chaleur dégagée par un combustible.

NOTIONS PRÉUMINAIRES 59

A. — Lois générales. — Nous nous contenterons de formuler ces lois renvoyant pour plus de détails aux études et expériences thermochimiques :

1^ La chaleur qui est produite dans la combinaison de deux corps est toujours égale et de signe contraire à la chaleur de décomposition.

2** La quantité de chaleur dégagée par un combustible est indépendante de l'activité de la combustion.

La combustion lente donne la même chaleur que la combustion vive, quand on tient compte convenablement des causes de refroidissement ; mais la température peut- être très différente.

3*» La quantité de chaleur dégagée est indépendante de la proportion d'oxygène qui se trouve dans le comburant.

La chaleur dégagée avec Toxygène pur est la même qu'avec l'air.

4* Dans le phénomène complexe d'une combinaison chimique, la chaleur dégagée est la somme algébrique des quantités produites par chacun des phénomènes en particulier.

C'est-à-dire qu'elle est la même que si ces phénomènes, au lieu d'être simultanés, se produisaient successivement et d'une manière indépendante.

B. — Loi de Dulong. — Cette loi n'est qu'approchée mais elle est souvent employée à cause de sa simplicité. Elle s'énonce :

ff La chaleur dégagée pir un combustible est égale à la somme des « quarititésde chaleur dégagées par la combustion des éléments qui le « constituent^ en ne tenant pas compte toutefois de la portion d'hydro- « gène qui peut former de Veau avec Voxygène du combustible. »

Cette réserve revient à admettre que l'eau est toute formée dans le combustible.

Elle s'exprime par la formule :

Q est le pouvoir calorifique d'un combustible qui contient par kilogramme les poids respectifs C de carbone, H d'hydrogène et O d'oxygène.

Cette formule s'applique au cas où la vapeur d'eau est condensée ; si elle ne l'était pas, il faudrait remplacer 34462 qui est le pouvoir calorifique de l'hydrogène par 29000, nombre obtenu en retranchant le nom*

60 MÉTALLURGIB DU FER

bre de calories correspondant à la condensation non effectuée des 34462 calories obtenues quand la vapeur produite est condensée dans le calorimètre.

Pour la plupart des corps, la loi de Dulong donne des résultats assez approchés.

Pour l'hydrogène bicarboné et pour Talcool, il y a presque identité entre les résultats du calcul et ceux de l'expérience. Pour d'autres, tels que l'hydrogène protocarboné, la différence est au contraire très considérable. Ce résultat n'a pas lieu de surprendre, la loi de Dulong ne tenant aucun compte del'état d'agrégation des molécules qui doit cependant avoir une grande influence sur la chaleur dégagée.

G. — Loi de Weller. — Welter*, en comparant les résultats obtenus par divers physiciens, fut conduit à formuler une relation entre la quantité d'oxygène absorbée et le pouvoir calorifique et il énonça la loi suivante :

« La chaleur dégagée dans la combustion est proportionnelle à lu « quantité d^oxygène absorbée. »

La loi se traduit par la formule :

Q = K.Po

Q étant le pouvoir calorifique, P^ le poids d'O nécessaire à la combustion de 1 kilo, K un facteur numérique.

Si un combustible renferme par kilogramme C de carbone et H d'hydrogène, comme il faut 16 d'O pour brûler 6 de C et 8 d'O pour 1 de H, on a pour P^

D'oùQ = 8k(|+h)

Cette loi est fort simple, mais elle est malheureusement inexacte dans certains cas, car il est démontré par l'expérience que quelques corps en se combinant avec absorbent de la chaleur au lieu d'en dégager.

C'est sur la loi de Welter qu'est fondé le procédé de Berthier pour obtenir le pouvoir calorifique d'un combustible. Il consiste à déterminer le poids d'O absorbé par la combustion en calcinant dans un creuset un poids donné du combustible avec un excès de litharge et pesant le plomb réduit.

Cette étude théorique élémentaire de la combustion clôture Texposé des notions prélimhiaires qu'il était indispensable de connaître avant d'aborder les procédés d'élaboration proprement dits.

Nous commencerons maintenant l'étude de la fabrication de la fonte qui est, actuellement du moins, le métal-mère des métaux dérivés du fer.