RÉACTIONS DU HAUT-FOURNEAU

Avant d'aborder cette étude théorique, il est nécessaire d'indiquer l'organisation générale du haut-fourneau qui est l'appareil métallurgique d'élaboration des fontes ; nous réservant dans les chapitres qui suivent d'en étudier l'organisation détaillée.

Article 1®'. — Généralités sur le haut-fourneau

A. — Description sommaire du hauU-fourneau. — Les hauts-fourneaux font partie de la classe des fours dits fours à cuve et à air soufflé. Ces fours sont employés pour produire de fortes températures et les matières qu'on y charge en sortent presque toujours à l'état de fusion ; c'est ce qui arrive notamment pour la fonte de fer. On peut y distinguer quatre parties :

1° Vouvrage qui se trouve en bas et autour duquel débouchent les tuyères amenant Tair sous pression. Cet air aura été chauffé au préalable dans des appareils spéciaux dits à air chaud.

Nous en verrons plus tard la raison.

2® Le creuset est la partie du four située au-dessous des tuyères et où se rassemblent les matières fondues. Il constitue le prolongement même de l'ouvrage et en a le diamètre. Nous verrons ultérieurement qu'il y a des hauts-fourneaux à avant-creuset,

3^ Les étalages sont constitués par un tronc de cône raccordant la partie la plus large du four qu'on appelle le ventre à la partie supérieure de l'ouvrage.

4* La cuve dont l'orifice supérieur s'appelle le gueulard a la forme d'une surface de révolution et se raccorde à l'ouvrage par l'intermédiaire des étalages.

Dans les hauts-fourneaux à fonte de fer marchant au coke on a poussé parfois la hauteur jusqu'à .30 mètres; mais il vaut mieux ne pas dé-?

LE HAUT-FOUflNEAU

passer 18 ou 20 mètres. Pour les hauts-fourneaux à fonte de fer marchant au charbon de bois, la hauteur ne dépasse pas en général 12 mètres, cependant on peut aller sans inconvénient jusqti'à 13. On ne saurait dépasser cette valeur sans s'exposer à écraser les diverses charges du combustible végétal.

Quant aux fours à cuve destinés au traitement des minerais autres que ceux de fer, il y a lieu de signaler pour mémoire que leur hauteur ne dépasse presque jamais 7 mètres et quand le minerai est pulvérulent la hauteur s'abaisse parfois à 5 mètres et même à 3 mètres.

D'une manière générale, on réserve le nom de liautS' fourneaux aux fours à cuve ayant plus de 10 mètres de haut, celui de four à manche aux fours très peu élevés et on appelle demi-hauts-four^ neaux ceux qui ont des dimensions moyennes.

Fig. 16. — Haut -fourneau.

A y Appareil de chargement. — B, Plateforme de chargement. — C, Cuve. — A Prise do gaz latérale. — E, Etalages. — F, Gueulard. — G, Gaz. — GC, Cup and cône. H, Ventre. — /, Ouvrages. — L, Laveur de gaz. — M, Manchon do refroidissement. P, Creuset. — S, Support do cuve. — T, Tuyère.

B. — Chargement du haut-fourneau. — Le hautfourneau à fonte de fer dont nous nous occuperons exclusivement désormais est traversé d'une manière continue par deux courants circulant en sens inverse : Tun se compose de matières solides et du combustible chargés ensemble au gueulard, l'autre des gaz produits par la combustion.

Les matériaux solides chargés froids au gueulard comprennent le combustible, les minerais et les fondants. Ils sont versés par

66 MÉTALLUROIB DU KER

charges de coke alternant avec des charges de minerais et de fondants (1).

Le gueulard est fermé par un appareil appelé cup and cône. Le cup est fixe et repose sur le haut de la maçonnerie de la cuve sans y être scellé afin de pouvoir se soulever en cas d'explosion. Le cône peut s'abaisser quand on veut introduire dans le haut-fourneau les charges versées au préalable dans le vide annulaire constitué par l'appareil fermé.

Par ce système d'introduction des charges, les gros morceaux tombent plutôt dans la région axiale dii fourneau et les menus contre les parois.

Celte répartition des matières a pour but de s'opposer à une sortie trop rapide des gaz circulant dans le haut-fourneau ; ceux-ci s'échappant plus aisément par les parois.

Les fondants sont des substances d'addition dont le but est de déterminer la fusion de la gangue des minerais, sans perte du métal.

Supposons une gangue argileuse. On sait que les silicates doubles sont fusibles relativement aux silicates simples qu'on peut considérer comme infusibles. En ne chargeant dans l'appareil de réduction que du minerai et du charbon, la gangue ne pourrait se transformer qu'en silicate double d'alumine et de fer, et par conséquent ferait perdre une partie du métal. En ajoutant une base active, de la chaux par exemple, on déterminera la formation d'un silicate double d'alumine et de chaux et on évitera toute perte de métal. On ajoute généralement, au lieu de chaux, de la chaux carbonatée (et cela par économie) à laquelle on donne dans les usines le nom de casline.

Si la gangue est calcaire, on ajoutera de l'argile qu'on désigne aussi sous un nom spécial, celui d'erbue.

Si la gangue est purement siliceuse, ce qui est très rare, il faudra ajouter deux bases.

Si l'on possède un assortiment convenable de minerais, on peut se dispenser de l'emploi spécial d'un fondant, en mélangeant convenablement diverses espèces de minerais à gangue différente, de façon que ces gangues puissent donner lieu à la formation d'un silicate double fusible.

Souvent le fondant est un minerai stérile, c'est-à-dire très peu riche

(1) On appelle lit do fusion la masse de minerais et de fondants chargée dans le haut-fourneau en proportions relatives déterminées.

en fer, mais dont la gangue est, suivant le cas, riche en argile ou en chaux.

Les silicates fusibles qu'on obtient par ces mélanges dans le hautfourneau, silicates renfermant peu d'oxydes métalliques, s'appellent laitiers.

Laitier et fonte tombent à l'état liquide dans le creuset du hautfourneau où ils se superposent par ordre de densilé ; la fonte au fond du creuset, le laitier au-dessus.

Il sera fait allusion ultérieurement aux réactions subsidiaires qui s*y effectuent.

Le creuset a par suite deux trous de coulée bouchés par des tampons d'argile, l'un est au fond pour laisser la fonte s'échapper, l'autre est un peu au-dessous des tuyères pour se débarrasser des laitiers.

Il sera traité plus Iqin de la constitution si complexe des laitiers et du rôle si important qui leur revient dans la marche générale du hautfourneau.

C. — Alimentation d'air. — L'air nécessaire à la combustion vient d'une machine soufflante et est injecté vers te bas du haut-fourneau par les tuyères qui débouchent dans l'ouvrage.

Plus la hauteur du fourneau sera grande, plus les charges qu'il contient comprimeront fortement, au niveau des tuyères, le mélange de combustible et de matières minérale», de sorte que l'introduction du vent deviendra d'autant plus difficile que le fourneau sera plus élevé et les matières plus menues et plus friables. De là, la nécessité de limiter la hauteur des fourneaux et de lancer le vent à des pressions d'autant plus fortes que l'appareil est plus élevé.

Pour des hauts-fourneaux marchant au charbon de bois ces pressions atteignent 8 à 10 centimètres de mercure; elles peuvent atteindre 20 à 30 centimètres quand ils marchent âu coke ou à Tanthracite.

L'air lancé par la soufflerie ne va généralement pas comme autrefois directement aux tuyères, il y arrive aujourd'hui presque toujours chaud : pour cela, on le fait passer au préalable dans un appareil spécial déjà chauffé auquel il emprunte de la chaleur.

Ces appareils à air chaud, véritables récupérateurs de chaleur, très primitifs à l'origine de leur emploi, sont aujourd'hui assez perfectionnés. Ils peuvent se ramener à deux types principaux portant le nom de leurs inventeurs : le type Wliitwell et le type Cowper.

63 MÉTALLURGIR D.IT FER

Nous nous bornerons à en indiquer sommairement l'usage.

Fig. 17. — Haut-fourneau avec des appareils Whitwell le desservant.

C, Cuve. — c. Arrivée du vent chaud. — E, Etalages. — t?, Prise de gaz centrale. — g. Galerie. — 0, Ouvrage. — p. Plateforme de chargement. — /?, Creuset. — S, Supports de cuve. — 7*, Trou de coulée.

Les gaz qui sortent du gueulard sont combustiblcs(i) ; ils renferment, en effet, une assez forte proportion d'oxyde de carl)one. On les fait arriver dans un appareil dit à air chaud où on les enflamme, cette combustion s'effectuant dans un massif de matériaux réfractaires finit par réchauffer considérablement. Les gaz brûlés après avoir circulé dans les divers conduits de l'appareil sont évacués à l'air libre par une cheminée d'usine. II suffira quand un appareil a été chauffé d'inter-

(1) Une autre partie des gaz du gueulard sert à être brûlée sous les chaudières de la soufflerie.

cepter les communications avec les gaz du çueulard, avec la cheminée

Fig. 18. — Les hauts-fourneaux et leurs appareils Cowper aux usines du Creusot.

A A A A, Hauts-fourneaux. — CC CC, Gup and cône,-- DD DD DDD, Appareils Cowper. — H, Halle des machines soufflantes. — a, Aire de coulée.

et avec Tair libre qai entxait dans l'appareil pour déterminer la combustion et de le relier, d'une part, à la conduite de vent venant de la soufflerie et, d'autre part, aune conduite aboutissant aux tuyères. L'air parcourra le massif réfractaire déjà chaud, s'y échauffera et pourra arriver à une température variant de 500 à 700 ou 800<> et même plus aux tuyères du haut-fourneau.

Mais pour qu'il n'y ait pas d'interruption dans la marche du fourneau, il faut au moins deux appareils identiques : l'un marchera au gaz, c'est^ à-dire s'échauffera, tandis que l'autre déjà chauffé marchera au vent, c'est-à-dire cédera la chaleur qu'il a emmagasinée à l'air venant de la soufflerie.

En résumé, ainsi qu'on peut le voir sur la figure qui précède, toute installation de hauts-fourneaux nécessite l'aménagement d'aires de coulée de la fonte en avant des hauts-fourneaux, un nombre suffisant d'appareils à air chaude puis une soufflerie disposée dans un bâtiment spécial et un certain nombre de têtes de voie ferrée (voie large ou étroite) aboutissant près des aires de coulée.

Des vs^agonnets transporteront aux appareils affineurs la fonte refroidie et cassée en morceaux, après sa coulée sur l'aire, ou la fonte reçue chaude dans une poche de fonderie.

D'autres wagonnets recevront les laitiers dès leur coulée ou après refroidissement et les transporteront au loin.

Nous terminons ici les notions générales pratiques qu'il était indispensable de connaître avant d'aborder l'étude théorique qui doit être consacrée aux réactions du haut-fourneau ; elles serviront de préface aux notions détaillées qui seront exposées dans la suite.

Remarque. — Il faut, pour avoir la fonte, débarrasser de son oxygène l'oxyde du minerai, puis débarrasser ce dernier de sa gangue; d'où la nécessité d'établir les deux théories sur lesquelles reposent ces opérations : celle de la réduction des minerais d'une part, puis celle de la formation des laitiers, d'autre part.

Article 2. — Théorie de la réduction

Les métaux les plus usuels peuvent se ranger comme il suit dans l'ordre de leur affinité pour l'oxygène et la stabilité de leurs oxydes, les premiers étant les plus difficiles à réduire :

1* Chrome, manganèse ; — 2^ zinc, fer; — 3** étaîn, cuivre, arsenic et antimoine, piomb; — 4° métaux précieux. Ces derniers forment des oxydes décomposables par la chaleur seule.

Les métaux du troisième groupe se réduisent facilement soit par le carbone, soit par l'oxyde de carbone, Thydrogèneou les gaz carbures ; ceux du second groupe sont encore réduits par les gaz ; mais en pratique, au point de vue industriel, leur réduction complète ne s'obtient qu'avec le concours du carbone solide et d'une température assez élevée; enfin, ceux du premier groupe ne sont pas réduits par les gaz ; on ne peut les mettre en liberté que par l'action du carbone à très haute température.

Ce dernier point est à retenir ; nous verrons plus tard combien il est difficile d'introduire du chrome, du manganèse,etc... dans une fonte de fer en quantité assez notable.

A. — Desageïits réducteurs, — Les agents réducteurs sont, comme on sait, le carbone, l'oxyde de carbone, l'hydrogène et les hydrocarbures produits par la distillation ou la combustion incomplète des combustibles.

Les métaux oxydables peuvent aussi être utilisés pour décomposer les oxydes d'autres métaux : on se sert du manganèse pour réduire au rouge ou aux hautes températures l'oxyde de fer, on se sert également du silicium, de l'aluminium. Ces réactions sont mises à profit dans les procédés d'élaboration des aciers.

Faisons abstraction, dans le cas qui nous occupe, du rôle désoxydant de ces métaux ; et ne considérons que le carbone et les gaz comme agents réducteurs.

Dans le cas spécial du haut-fourneau, le carbone est chargé, comme on l'a vu, dans le four en forte proportion ; il figurera comme agent réducteur primordial, mais il y aura aussi de l'oxyde de carbone. Le carbone brûle aux tuyères; il y a donc formation d'oxyde de carbone par dissociation de l'acide carbonique rencontrant inévitablement ducharbon incandescent.

Pour une autre raison, il y aura forcément de l'oxyde de carbone dans le fourneau. On va voir, en effet, qu'il est engendré par l'action réductrice du charbon sur les oxydes. Nous examinerons plus loin le détail de ces phénomènes ; pour le moment enregistrons les faits .

1* Réduclionpar le carbone. — Examinons tout d'abord, d'une façon générale, le rôle joué par le carbone comme réducteur.

72 MBIALLU^OIE pu PER

a) Métaux réfraciaire^ — Quand les métaux ne sont réduits par le carbone qu'à haute température, CO' ne pouvant subsister en présence de C porté au rouge, la réaction suivante indique comment s'opère la réduction, M représentant le symbole d'un métal quelconque :