C) FOURS SIEMENS

123. Notice historique. — Le problème proposé consistait à réduire le combustible solide en gaz et, après avoir brûlé ce dernier, à recueillir la chaleur perdue pour la restituer au four. La première partie de ce problème avait déjà été résolue, vers l'année 1846, par Faber du Faure, à Wasseralfingen, l'autre l'a été par Siemens, Les générateurs à gaz du

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premier étaient des fours semblables aux fours à griller les minerais de Scraing; seulement il avaient deux mètres de plus en hauteur et ils étaient fermés en haut par une voûte, percée au milieu d'une ouverture pour l'introduction de la tourbe, du lignite ou du bois, tous préalablement desséchés. Le chargement fait, on fermait l'ouverture par une glisssière. On prenait les gaz sur l'un des côtés, vers le sommet des générateurs, au moyen d'un tuyau collecteur de deux pieds de diamètre. Faber du Faure n'a chauffé ni l'air, ni les gaz ; seulement il a fait dans quelques fours l'essai de l'air chauffé, mais avec des appareils trèsinsuffisants.

Depuis 25 à 30 ans, plusieurs métallurgistes ont cherché à utiliser les gaz dégagés par les hauts fourneaux, les fours à coke, les fours à réchauffer, etc., ou ont tenté de produire du gaz sur une petite ou sur une grande échelle, dans divers appareils, mais jusqu'à l'apparition du régénérateur de Siemens, personne n'avait songé à faire absorber complètement la chaleur perdue des fours par un appareil à air chaud pour la restituer ensuite à l'air et aux gaz. Depuis très-longtemps, et déjà à l'époque où l'on ne connaissait encore en Allemagne, en Franche- Comté et en Espagne que les feux d'affinerie (Frischfeucr), les feux catalans ou d'autres petits foyers pour la production du fer, on avait déjà utilisé, il est vrai, les gaz de ces foyers à chauffer l'air, mais on ne l'avait fait que d'une manière grossière et l'air atteignait au plus 60 à 80° C.

Tandis qu'en Angleterre, on trouve des fours Siemens pour le réchauffage du fer dans presque tous les laminoirs, ces fours ont à peine été essayés, et ce, avec peu de succès, en Belgique, savoir chez M. Delrez, à Jupille et, à ce que l'on rapporte, on serait à la veille de les démonter.

A Sclessin, on a construit deux fours Siemens-Martin pour là fabrication de l'acier.

124. Notice bibliographique. — Les principales publications faites sur les fours Siemens sont :

1° G. Dumler, Four à gaz et à chaleur régénérée par Siemens, Namurl868;

2° C. W. Siemens, De l'application du four à gaz et à chaleur régénérée au puddlage du fer et à la production de l'acier fondu, Paris 1869;

3° Krans, Etude sur le four à gaz et à chaleur régénérée de Siemens, Bruxelles, 1869 et 1870.

4» Kosmann, Jahresberîiht, etc., 1870, 2'= livraison. 5° Armengaud, le Génie industriel, 1867.

125. Avantages des fours Siemens. — Ces avantages sont les suivants, savoir : 1° Siemens utilise dans le four même, c'est-à-dire, là où il en a besoin, les flammes qui, dans les autres fours, s'échappent par la cheminée ; 2° théoriquement, Siemens peut brûler la houille avec le minimum d'air, tandis que les fours ordinaires exigent le double de la quantité d'air strictement nécessaire, et cet air devant être chauffé, il en résulte une perte considérable ; 3° par la décomposition de l'eau dans son gazogène, Siemens se procure une source de chaleur dans le four même; 4» Siemens peut brûler des combustibles secs et de peu de valeur qui ne conviendraient pas pour l'alimentation des fours ordinaires ; S" dans le four Siemens, la chaleur est plus intense que dans les fours ordinaires, et elle est uniforme sur toute l'étendue de la sole, ce qui non-seulement permet d'agrandir celle-ci, mais dispense, en outre, de rapprocher les paquets de l'autel pour leur donner un coup de feu et les amener à la chaleur requise ; 6° dans les fours Siemens, la flamme est plus pure, c'est-à-dire, moins chargée de soufre, de silice et d'oxygène libre que dans les fours ordinaires, ce qui les rend convenables pour la refonte de l'acier, application à laquelle les fours ordinaires ne se prêtent pas.

Dans les forges, où on utilise très-bien les flammes perdues des fours à la production de la vapeur dont on a besoin comme force motrice, on n'emploie guère le four Siemens; mais l'application qui promet un grand succès à ce four dans les usines à fer consiste à fabriquer et à refondre l'acier ; car, de tous les fours connus, il est le seul qui permette d'obtenir à volonté une flamme neutre, oxydante ou carburante. Aussi le procédé Martin, basé sur cette application, se propage rapidement et s'est déjà substitué à la refonte des aciers au creuset.

126. Inconvénients des fours Siemens. — Non-seulement ces fours sont dispendieux, encombrants et embarrassants, mais ils occasionnent, en outre, une perte considérable de chaleur; car, presque toute la chaleur développée dans les gazogènes est perdue.

127. Parties des fours Siemens. — Ces fours se composent de deux parties séparées, savoir le four à gaz ou gazogène et le four à combustion avec ses régénérateurs de la chaleur.

128. Générateur ou gazogène. — Le combustible gazeux est obtenu par l'action que l'air et l'eau exercent sur le charbon à une chaleur rouge sombre. Une chambre en briques d'environ l'",80 sur 5"", 60 en plan, et de 3 m. en hauteur. Pl. 7, fig. k, reçoit, à des intervalles d'environ une ou deux heures, le combustible par des boîtes de chargement A, sur un plan B, dont l'inclinaison, par rapport à l'horizon, variable avec la nature du combustible employé, égale celle du talus que

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celui-ci formerait naturellement. La partie supérieure de ce plan incliné B est formée de plaques de fonte recouvertes de briques réfractaires; la partie inférieure, à claire-voie, C, est une grille ouverte, formée de forts barreaux plats horizontaux. Une large ouverture laissée sous le barreau le plus bas permet de retirer les crasses qui se réunissent généralement en cet endroit. Les petits trous F, munis de bouchons et ménagés sur le devant, ainsi que ceux G, sur la voûte du gazogène, ont pour but de permettre l'introduction d'une barre de fer en cas de besoin, pour diviser la masse du combustible, combler les espaces creux et détacher les crasses des murs de côté. Chaque gazogène est capable de convertir par 24 heures environ deux tonnes de combustible en gaz, lequel s'élève dans le conduit H, pour se rendre aux fours. L'épaisseur de la couche de charbon est de 0'",60 à 0",90. Les opérations qui se font dans un gazogène en travail sont les suivantes : le combustible descendant lentement sur la partie pleine du plan incliné B, s'échaulîe et dégage ses éléments volatils, les carbures d'hydrogène, la vapeur d'eau, l'ammoniaque et un peu d'acide carbonique, corps qui se produiraient aussi dans une cornue à gaz. Il reste 60 à 70 pour 100 de coke, dont la partie inférieure brûle, au moyen de l'air, en même temps que la chaleur développée élève la température de la masse placée au-dessus. On réaliserait une élévation de la température de 0 à 2200° C, si l'acide carbonique produit pouvait se dégager, mais l'augmentation n'est réellement que de 650° C, parce que le passage à travers le combustible incandescent transforme le gaz acide carbonique en gaz oxyde de carbone. Pour chaque mètre cube de gaz oxyde de carbone combustible ainsi produit, deux mètres cubes d'azote incombustible passent dans le four, car l'air atmosphérique est formé en volumes d'environ i/s d'oxygène et 4/5 d'azote. Cependant tout le coke du combustible n'est pas brûlé de cette façon; en effet, on amène au pied de la grille, par le tuyau E, de l'eau qui, en absorbant la chaleur disponible du feu, se transforme en vapeur, et chaque mètre cube de vapeur, en traversant la couche de combustible incandescent, se décompose en donnant un mètre cube de gaz hydrogène et à peu près un mètre cube de gaz oxyde de carbone avec une petite quantité, variable, de gaz acide carbonique.

Ainsi, un mètre cube de vapeur produit autant de gaz combustible que cinq mètres cubes d'air ; mais les deux opérations dépendent l'une de l'autre : car le passage de l'air à travers la grille élève la température, tandis que la formation des gaz de l'eau, aussi bien que le dégagement des carbures d'hydrogène, donne lieu à une dépense de chaleur. La production totale des gaz combustibles varie avec l'admission de l'air

cnAP. 11. —

DES FOUIiS A RÉVERBÈRE

qui, à son tour, dépend de la quantité de gaz que l'on consomme. Un registre D, introduit dans la prise de gaz, permet de fermer à volonté un quelconque des gazogènes. L'azote entre à peu près pour un tiers dans le volume du gaz.

Il est important que le conduit de gaz qui mène aux fours conserve un léger excès de pression sur l'atmosphère, afin de prévenir toute infiltration d'air à travers les crevasses. Pour atteindre ce but, on adopte, en général, la disposition suivante : on fait monter les gaz à une hauteur d'environ 20 pieds au-dessus des gazogènes, puis on les conduit horizontalement à travers un tube /, pour les amener aux fours en descendant. Par ce moyen la température des gaz, qui èst de 200 à 300°, s'abaisse de 100 à î20°, ce qui, en augmentant leur densité de 15 à 20 pour 100, les fait avancer vers les fours.

129. Régénérateurs de la chaleur. — La fig. S, pl. 7, extraite de Dummler, montre le diagramme d'un four à gaz et à chaleur régénérée. Sous la chambre de combustion K, sont placées quatre chambres régénératrices L, remplies de briques réfractaires, disposées de façon à former des chicanes ('). Les régénérateurs travaillent deux à deux, les deux de gauche communiquant avec l'extrémité gauche du four, tandis que les deux autres communiquent avec l'extrémité opposée. Le gaz entre dans le four par le conduit M et l'air par le conduit N. Depuis le conduit qui l'amène, l'air qui entre est dirigé par la valve de renversement (espèce de robinet à quatre voies) P dans le régénérateur à air, et s'y échauffe jusqu'au moment de pénétrer dans le four ; en même temps, le gaz arrivant par son conduit est dirigé par la valve de renversement R dans le régénérateur à gaz, où il s'échauffe à la même température que l'air.

Les produits de la combustion, en quittant l'extrémité opposée du four, descendent à travers la seconde paire de régénérateurs, comme l'indiquent les flèches et, après y avoir déposé leur chaleur, sont dirigés par les valves de renversement P el R dans le conduit de la cheminée.

Lorsque la seconde paire de régénérateurs s'est considérablement échauffée par le passage des produits de la combustion élevés à une haute température et que, concurremment, la première paire a été refroidie par l'entrée du gaz et de l'air, on renverse les valves P el R

(') Au lieu de donner aux briques une forme rectangulaire, il serait préférable de les rendre sphériques, ce qui procurei'ait une plus grande surface de chauffe. Le fer conduisant beaucoup mieux la chaleur que la brique, ce qui fait qu'il l'absorbe et la cède beaucoup plus facilement que celle-ci, il y aurait aussi lieu d'employer ce métal dans les chicanes des régénérateurs à la place des bi'iques, s'il n'était pas sujet à l'oxydation.

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au moyen de leviers, et on force les courants à traverser les régénérateurs en sens inverse, profitant ainsi de la paire de régénérateurs qui sont chauds pour chauffer le gaz et l'air qui entrent dans le four, tandis que la paire qui est froide absorbe la chaleur des produits de la combustion qui s'échappent. L'arrivée du gaz et de l'air au four est réglée par les clapets S, de telle sorte qu'on peut à volonté varier la nature et le volume de la flamme dans le four, tout en se servant du registre de la cheminée 7* pour obtenir l'excès de pression nécessaire dans le four sur la pression atmosphérique lorsqu'on ouvre les portes ou les trous de travail.

L^intervalle entre les renversements peut varier de 50 à 60 minutes, mais il est ordinairement de 30 minutes.

150. Composition et disposition des régénérateurs. — La quantité de briques nécessaires dans les régénérateurs pour absorber la chaleur perdue d'un four donné peut se déterminer par un simple calcul. Les produits de la combustion complète d'un k. de houille exigent, pour s'échauffer d'un degré, autant de chaleur qu'environ 16 k. de briques réfraclaires pour la même élévation de température (le cal. sp. de celles-ci étant 0,21 et celui des premiers, 3,44, § 156), et, par conséquent, en renversant toutes les lieures, 16 k. de briques des régénérateurs à chaque extrémité du four, par k. de houille brûlée en une heure dans le gazogène, suffiraient théoriquement pour absorber la chaleur perdue, si toute la masse des régénérateurs était chauffée uniformément, à chaque renversement, à la température même de la flamme, puis complètement refroidie par le gaz et l'air montants ; mais en pratique, la plus grande partie de la hauteur des empilages est largement nécessaire pour refroidir graduellement les produits de la combustion, et il n'y a qu'une petite partie, dans le haut, peut-être le quart de toute la masse, qui soit chauffée uniformément à la température même de la flamme, la ciialeur allant en diminuant graduellement jusqu'au fond. On a donc besoin de 3 ou i fois autant de briques dans les régénérateurs qu'il en faudrait pour représenter une capacité calorifique égale à celle des produits de la combustion.

La disposition et les dimensions les meilleures des briques sont déterminées par la considération de la largeur des intervalles entre elles nécessaires pour donner un libre passage à l'air et au gaz, et par cette règle, déduite des expériences de Siemens sur l'action des régénérateurs, qu'une surface de l'"'',25 est nécessaire dans le régénérateur pour absorber la chaleur des produits de la combustion d'un k. de charbon par heure.

On donne aux régénérateurs pour l'air une capacité plus grande

CIIAP. II. DES FOUnS A RÉVERBÈRE.

qu'aux régénérateurs pour les gaz, au maximum dans le rapport de 7 à 4, parce que 1° la combustion complète des gaz exige toujours un excès d'air d'au moins 20 pour 100, 2° la capacité calorifique de l'air amené en excès est plus grande dans le rapport de 19 à 16 que celle du gaz, 3° il est avantageux de chauffer d'avantage l'air que le gaz.

En plaçant les régénérateurs verticalement, et en les chauffant par le haut, on rend bien plus uniformes et méthodiques réchauffement et le refroidissement que lorsque le tirage a lieu dans toute autre direction, parce que, d'un côté, le courant chaud descendant passe plus facilement à travers la partie la plus froide de la masse, tandis que, de l'autre côté, les courants ascendants d'air et de gaz que l'on veut chauffer s'élèvent principalement à travers la partie qui se trouve la plus chaude et la ramènent à la même température que le reste.

Les régénérateurs doivent toujours être à un niveau inférieur à celui du four ; l'air et le gaz sont alors forcés de s'introduire dans le four par le tirage des régénérateurs chauds, et on peut chauffer le four à son maximum, soit avec un excès de pression intérieure, de manière que la flamme sorte par les portes, soit avec équilibre de pression, de telle façon que la flamme, se balançant à ces ouvertures, entre et sorte alternativement.

La température dans le conduit à la cheminée dépasse rarement 130° C, quelle que soit la température au four lui-même.

131. Cotit d'un four Siemens. — Le coût actuel d'une paire de fours Siemens à puddler et de gazogènes est de 10,2S0 fr., soit 862S fr. par four complet.

132. Four à réchauffer de F. Lundin. Dec. 1863. — Lundin place, entre le générateur à gaz de l'appareil Siemens et le four à réchauffer, un condensateur dont l'objet est de dessécher le gaz et de lui enlever l'acide carbonique, ce qui permet l'emploi de tous les combustibles, sans en rejeter aucune sorte, entr'autres, la sciure de bois contenant plus de 4S pour 100 d'eau hygroscopique. Avec ce dernier combustible le générateur est activé par une machine soufflante. Le condenseur se compose de deux parties en communication entre elles, savoir : 1» d'une caisse A (pl. 4, fi,g. 9), en plaques de tôle, au-dessus de laquelle se trouve un tube z, qui refroidit le gaz au moyen de huit jets d'eau, lesquels sont brisés dans la caisse contre des cônes de cuivre dirigés vers le centre des jets ; 2° d'une pile à claire-voie B, formée de 1700 k. de barres de fer, posées en couches transversales et refroidies par des filets d'eau sortant d'un tube supérieur y y, percé de trous et susceptible de tourner sous un angle de 120°, dans un plan horizontal, pour arroser les barres.

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Le gaz de sciure de bois à 45 pour 100 d'eau de mouillage contient environ 33 d'eau en poids pour 100 de gaz sec, et celui-ci est composé en volume de 11,8 CO,, 19,8 CO, 11,3 H, 4 CH4 et 53,1 N.

A son arrivée dans le condensateur, le gaz est à une température moyenne de 410° C. et il en sort à une température de 20° C, par conséquent, dépouillé de son contenu d'eau. On peut enlever l'acide carbonique au gaz en introduisant de la chaux vive dans l'eau du condensateur; mais, à en juger d'après les difficultés que présente la dépuration du gaz à éclairage, l'effet produit par ce dernier moyen doit être peu considérable.

Dans le régénérateur de Siemens, la température du gaz s'élève à 1200° C, elle passe à 2000° ou à 3100» C, suivant que la combustion s'effectue à l'air froid ou à l'air chaud, et la température dans la cheminée du four à réchauffer est de 300° C.

La pression du gaz dans tous les conduits est d'environ 0"",003 d'eau.

Les dépenses de construction pour un four complet sont évaluées par M. L. Rinman à 8600 fr.

Au moyen de ce four on peut chauffer par an 1700 tonnes de fer, avec un déchet de 11 pour 100 et en consommant 0'"^,7 de sciure de bois verte pour 100 k. de fer.

70 litres d'eau, chauffée à 30°, s'écoulent par minute du condensateur, si l'on ne travaille qu'avec un four à réchauffer, et l'on recueille 164 litres de goudron par semaine.

Le charbon de bois ordinaire, bon et sec, qui contient 8 pour 100 d'eau, produit dans les générateurs (système G. Ekman) un gaz qui, dans le régénérateur, s'élève à 1394° et développe au four une température de 2666°, la combustion se faisant à l'air froid. Consommation 0'"^,34 de charbon pour 100 k. de fer chauffé.

La durée des fours, qui est surprenante, doit être attribuée à l'éloignement des cendres.

133. Critique du four Lundin. — Selon Putsch (Ding., t. 183, p. 368), ce four consomme par quintal de fer en barres une quantité de sciure de bois qui, à raison de 2 tonnes de sciure pour 4/5 de tonne de charbon de bois, équivaut à 0,72 tonne de ce charbon. Les fours à réchauffer d'Ekman consomment 0,78 tonne de charbon de bois par quintal de fer en barres : ils sont sans soufflerie ni condensateur. Au laminoir de Dombrowa, les fours à réchauffer avec régénérateurs, mais dépouvus de soufflerie et de condenseurs, n'exigent que 0,2 tonne, et les fours à étirer de Saelboda, en Suède, 0,4 tonne de charbon de bois. Ces différences tiennent à ce que le vent forcé développe plus d'acide carbonique, mais moins d'oxyde de carbone, que le tirage

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ordinaire, et à ce que le condensateur n'élimine pas seulement l'eau, mais encore du goudron et de l'acide acétique, qui donneraient encore de la chaleur. La condensation complète des vapeurs de goudron exige des quantités considérables d'eau, savoir en 24 heures 8640 pieds cubes pour un four à réchauffer.

On doit convenir que l'idée du condensateur est très-ingénieuse, mais elle n'appartient pas exclusivement à Lundin, puisque, déjà en 18S7, Venini (Wagner, Jahres-bericht, 1860, p. 2S9 et 1862, p. 299) a pris un brevet pour des fours de verrerie activés par les gaz et pourvus de condensateurs, et plus tard, en 18S9, Uhlig a proposé à Tscheitsch, en Moravie, le principe de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz. Dans le condensateur de Lundin, l'injection d'eau en filets minces (Einspritzung) constitue le seul point nouveau et particulier. Enfin, selon Puetsch, si la disposition de Lundin convient pour la Suède, où il y a abondance de sciure de bois, elle n'aura qu'un faible avenir dans tous les pays dépourvus de cette matière première : C. Schinz (Ding., t. 184, p. 54 et 239) partage cette opinion de Puetsch, malgré le rapport favorable publié par Tunner. Selon ce dernier, à Munkfors, en Wermland, un four Lundin produit en 6 jours 1000 quintaux de fer, en consommant 11 à 14 pieds cubes de Vienne de sciure de bois pour un quintal de fer fini, avec un déchet en fer de. 11 ou 12 pour 100; auparavant on ne produisait que la moitié, en consommant 1/7 de combustible de plus avec un déchet supérieur de 1 pour 100. Un four coûte près de 9000 fr., mais il dure longtemps, ce que Tunner explique en observant que les parties alcalines des gaz restent dans le condensateur et que les vapeurs d'eau ne peuvent pénétrer dans l'intérieur du four où, selon Berzélius, elles donneraient lieu à une volatilisation de la silice.