PENDANT 27 JOURS. PAR JOUK. PAR MINUTE. MINUTE

1°) Haut fourneau n° g H8000 k. im k. Zk-fiS 22052

1°) Haut fourneau n» 2 140^00 k. S200 k. 5k.,61 2671^

2») Haut fourneau n» 2 — 4830 k. S^.jSô 2^192

Éléments pour calculer les quantités d'air fournies aux hauts fourneaux.

A 5 TUYÈRES. A 2 TUÏÈRES. A 2 TUYÈRES.

2tuycres diamètre . . . 0"',lin O'",!! 0°',12S

1 tuyère diamètre. ... O^jHO — —

Pi-cssion en mercure . . . Om,10S 0»',0S O^jOS

Température de l'air . . . 503» 0. 3130 C. 313° C.

Le calcul du nombre de calories absorbées en une minute par l'air insufflé, se fait en observant que le calorique spécifique de l'air est 0,266, celui de l'eau étant = l,et que, la température de l'air extérieur étant prise égale à lo°C., l'augmentation effective de la température de l'air sera de 290" C. au haut fourneau n° 5 et de 500° C. au haut fourneau n" 2.

APPENDICE

AIR INSl'FFLÉ CALORIES ABSORRÉES CIIAIEDR

PAR MINUTE. PAR l'ai'r. UTILISÉE.

1") Haut fourneau n" S 2221^., 3 290.222,3.0,266 = 17U7,7 17U7,7 : 22032 = 0,778 1») Haut fourneau n° 2 HO^ 300.110.0,266 = 8778 ■ 8778 : 267 U = 0,325

2») Haut fourneau n° 2 152k, 1 300.132,1.0,266= 12137 12137:2^192 = 0,80

La différence notable entre les résultats donnés par l'appareil du n° 2, les allures étant respectivement à moulage et à affinage, est attribuée: 1° à la différence des quantités d'air insufflées ; 2" à un rétrécissement effectué aux carneaux d'échappement des flammes de l'appareil, lors delà mise du fourneau à affinage, rétrécissement qui a diminué les pertes de chaleur et peut-être le dégagement des poussièi'cs de charbon.

Appareil de Wasseralfmgen modilié par M. Duchesne. — Fig. 8, pl. 4S, coupe longitudinale suivant AB, fig. 10. — Fig. 9, coupe verticale suivant CD, fig. 10 et suivant €' D', fig. 8, avec laques du foyer. — Fig. 10, plan du foyer. Échelle i/so.

a et a', fig. 8, tuyaux-mères pour l'arrivée ou la conduite et la sortie du vent, b, b, b, coudes reliant deux à deux les tuyaux horizontaux c, fig. 8, 9 et 10. — d, d, d, fig. 8, ouvreaux pour la circulation de la flamme.

Fig. 8 et 9, e, e, e, cloisons horizontales forçant les flammes à serpenter. Ces cloisons sont en maçonnerie, mais on pourrait les faire en taques de fonte jointives.

Le chauffage est méthodique.

Cet appareil conviendrait surtout pour l'utilisation des gaz des hauts fourneaux, parce qu'il présente une vaste chambre de combustion.

Appareil de Pierre D'iieure à chauffer l'air au moyen des gaz de hauts fourneaux breveté en Prusse. — Cet appareil est représenté, pl. U, fig. 13 et 14, par des croquis. Fig. \o, coupe en plan. Fig. 14, coupe en profil. A, chambre à gaz. Elle renferme deux rangées ou batteries parallèles de tuyaux doubles verticaux et concentriques en fonte t et t'. Le tuyau central t livre passage au gaz, tandis que le vide annulaire entre le tuyau t et le tuyau t' est parcouru par l'air à chauffer. Sous l'une et l'autre rangée de tuyaux se trouve un canal horizontal g, qui amène les gaz dans les divers tuyaux du centre et qui, à cet effet, présente autant d'embouchures qu'il y a de tuyaux doubles à alimenter. Les gaz, après avoir traversé les tuyaux du centre, se répandent dans la chambre A, de la manière indiquée par les flèches, puis ils sortent par la cheminée C. Ils s'enflamment et brûlent au moyen de l'air qui entre par des ouvertures à l'embouchure de chaque canal à gaz et par les fissures dans la maçonnerie de la chambre à gaz. e, entrée, et s, sortie de l'air. Chaque batterie se compose de neuf tuyaux doubles; total des tuyaux doubles par appareil et par haut fourneau 18.

CHAP. V. MACHINES SOUFFLANTES ET AIR CHAUD. 791

Surface de chauffe. — Diamètre d'un tuyau extérieur 14 pouces. Circonférence 14. 3 = 42 pouces ou Si/a pieds. Surface 3, S. 9 = 31 1/2 pieds carrés.

Diamètre d'un tuyau intérieur 8", circonférence 24" ou 2 pieds, surface 18' carrés; total de la surface de chaulfe d'un tuyau double, 49,30 pieds carrés; total de la surface des 18 tuyaux, environ 900 pieds carrés.

Le même calcul fait pour un ancien appareil Calder à 13 tuyaux d'un diamètre extérieur de 3 pouces, et d'une longueur développée de 18 pieds, ne donne qu'environ 393 pieds carrés pour la surface totale de chauffe.

D'un autre côté, la section intérieure et horizontale d'un tuyau Calder n'étant que de 7 pouces carrés, tandis que la section annulaire d'un tuyau D'heure s'élève à 63 pouces, on voit que l'air prend sept fois plus de vitesse et a, en conséquence, 7 fois moins de temps de se chauffer dans le premier que dans le second.

Un appareil D'heure suffît pour un haut fourneau produisant 30 à 60,000 k. de fonte par 24 heures, tandis que, pour le même fourneau, il en faut deux de Calder, qui, non-seulement coûtent le double, mais doivent, en outre, chauffer l'air inégalement. Cependant, il vaut toujours mieux avoir deux appareils au lieu d'un, pour posséder un appareil de rechange en cas d'accident et pour faciliter les nettoyages et les réparations sans faire chômer le haut fourneau.

Un appareil de cette espèce, mais chauffé avec du charbon, fonctionne, dit-on, chez Schimmelbusch, à Hochdahl, entre Dusseldorff et Elberfeld, en Prusse.

Appareil WhitwellQ). — On se sert du vent chaud depuis 40 ans ; mais jusqu'en 1860 ou 1861, on a rarement franchi les limites de 300 à 350» C. Aujourd'hui, il est des hauts fourneaux, dans le Cleveland surtout, dont le vent est porté à 300, 600, et même 800° C. Jusqu'ici on n'a employé que deux dispositions différentes pour réaliser ces températures élevées : l'une d'elles a été imaginée, en 1860, par Cowper, et l'autre, en 1863, par Whitwell. Nous ne décrirons que l'appareil de ce dernier qui paraît préférable à celui de Cowper à cause de la facilité de son nettoyage.

L'appareil de Whitwell est représenié par les fir/. 3 à 8, pl. 42. Il se compose d'une vaste enceinte cylindrique, rendue étanche, comme les régulateurs à vent, par une enveloppe de feuilles de tôle de 7 à 8 mm. d'épaisseur. Cette enveloppe est garnie à l'intérieur, dans toutes ses

C) V. la notice de M. L. Grûner sur les appareils à air chaud dans la R. U. des mines, ï. 35, p. 209, 1873.

APPENDICE

parties, d'un mur en briques réfraclaires qui doit protéger la tôle et conserver la chaleur. Dans l'intérieur de l'enceinte sont établies des cloisons verticales en briques, qui forcent le vent et les gaz à circuler en serpentant au travers de l'appareil, comme à travers un conduit unique de 60 mètres de longueur.

Les gaz des hauts fourneaux arrivent par le tuyau A et se répandent dans un premier compartiment à grande section, où les poussières entraînées tendent à se déposer en majeure partie. L'air pour la combustion pénètre dans l'enceinte par les soupapes a et c, s'échauffe dans les carneaux b, réservés dans la première et la quatrième cloison verticale, el s'écoule de là par une série d'ouvreaux, perpendiculairement au courant gazeux. On règle, bien entendu, l'arrivée de l'air d'après la longueur des flammes fournies par le gaz. Les cloisons sont consolidées par trois murs mitoyens qui partagent le courant général en quatre branches; mais celles-ci ne restent pas isolées, car les murs mitoyens sont eux-mêmes percés par des jours g, g. Les gaz ainsi brûlés, puis refroidis vers 150 degrés, arrivent enfin par le conduit et la valve B, à une grande cheminée de tirage.

Lorsque l'appareil est suffisamment chaud, on ferme les trois registres dont je viens de parler, puis on ouvre la vanne C, pour l'arrivée du vent froid, et le clapet D, pour la sortie du vent chaud. Le vent parcourt ainsi le serpentin en sens inverse, et s'échauffe méthodiquement. On a eu la précaution d'agrandir progressivement les sections du serpentin, pour tenir compte de la dilatation du vent.

En même temps que ce premier appareil restitue à l'air froid une partie de la chaleur qui lui avait été communiquée, un autre appareil, en tout semblable, reçoit les gaz des hauts fourneaux pour les brûler et s'échauffer à son tour. Lorsque cet effet est obtenu, le vent froid y est admis et les gaz dirigés de nouveau dans le premier, et ainsi de suite. Les inversions ont lieu toutes les heures ou toutes les deux heures.

Le nettoyage peut s'effectuer sans exiger le refroidissement préalable de l'appareil. A cet effet, on enlève les tampons en fonte et briques réfractaires E qui se trouvent dans la voûte du four, et, avec un instrument à long manche, on gratte les parois des cloisons; les poussières tombent sur le sol et sont évacuées par les ouvertures à tamponsF, placées au bas de la tour, en face de chacune des cloisons. Six à huit heures suffisent pour cette opération.

De petits ouvreaux //", permettront déjuger du degré d'accumulation des poussières et de la température des diverses régions du four. Les clapets à gaz et à air chaud sont à circulation d'eau. Au-dessous des clapets A et B, se trouvent deux petits registres ee, qui permettent déjuger

CHAP. V. MACHINES SOUFFLANTES ET AIR CHAUD

si, pendant le chauffage du vent comprimé, les clapets ne perdent pas.

Les dimensions principales d'un appareil , destiné à cliauffer 100 mètres cubes de vent par minute jusque vers 750 à 800 degrés, pour une production d'environ 40 tonnes de fonte par vingt-quatre

heures, sont les suivantes:

Diamètre extérieur de la tour 6'",70

Hauteur de la tour 8'",70

Section du serpentin à l'entrée du vent froid . 0"'"^,80 à 0"'%yO Section du serpentin à la sortie du vent chaud .... 2■"^50

Les cloisons ont 0'°,22 d'épaisseur, sauf la première, qui en a 0"',35.

La vitesse moyenne du vent froid est de l^jOO, mais, à cause des sections croissantes du serpentin, elle est plutôt, en réalité, de "2 mètres à l'entrée, de vers le centre, et de 0"',70 vers la sortie.

Le volume total des briques est de 170 mètres cubes, à savoir :

Le volume des cloisons 60™'

Celui de l'enveloppe latérale 70

Celui de la voûte 20

Celui de la plate-forme 20

Total . . . 170""

Ainsi, par m. cube de vent chauffé par minute, le four renferme 1"'',70 de briques, ou 1,70 X 1900 = 5230 k.; la surface de chauffe totale est de 7'°%50 par mètre cube de vent. La perte de pression due au frottement des gaz ne dépasse pas 0'°,005 de mercure. Néanmoins, il faut une cheminée très-haute (de SO") pour activer le tirage, sinon la combustion est languissante, et le chauffage des cloisons insuffisant. Cette circonstance est due au serpentage vertical du courant gazeux, qu'il conviendrait pour ce motif de remplacer par un serpentage horizontal.

Évaluons maintenant la quantité de chaleur accumulée par les briques, ce qui permettra de fixer les intervalles de renversement des gaz et du vent.

Supposons que le vent doive être chauffé à 800 degrés. Par chaque mètre cube de vent à fournir par minute, il faudra un nombre de calories donné par le produit 'l^,'5 X 800° X 0,259 (cal. spéc. de l'air contenant 0,0062 de vapeur d'eau) = 24-8, o5.

Si nous admettons que la chaleur ne soit prise que sur une épaisseur de 0'",01 de la couche superficielle des briques, on aura, à cause des 7°'%50 de surface de chauffe par mètre cube de vent, un volume actif de 0'"%07S de briques, ou 142SS0. Or, ce poids de briques, en se refroidissant d'un degré, abandonne 142,5X0,21 (cal.spéc.de l'argile

APPENDICE

cuite) = 30 calories; en sorte que, pour chauffer le vent à 800 degrés, il suffît que cette couche superficielle se refroidisse uniquement de 248 : 30 = 8°,2, et par heure de 8°,2.60 = 492".

En réalité le refroidissement par heure est heaueoup moindre, parce que pendant ce laps de temps la chaleur se propage de Tintérieur des briques vers la surface et relève la température. En intervertissant le courant toutes les heures et môme seulement toutes les deux heures, il ne se produira, par conséquent, que des variations assez faibles dans la température du vent. V. H.

Théorie de M. Gruner sur les avantages de l'emploi de l'air chaud dans les hauts fourneaux. — Dans les hauts fourneaux, la réduction de l'oxyde de fer peut se faire d'après trois modes représentés par les formules suivantes :

i" WO -f- Fe^ 0' = 3C0^ + 2Fe; 2» 3C + 2Fe^ 0' = 3C0' + iFe ; 3» 3C 4- Fe^ 0' = 2C0 + 2Fe.

La quantité de chaleur que dégage un kilogramme d'oxygène en se combinant avec le fer pour former de l'oxyde ferrique est comprise entre 4000 et 4500 calories et cette quantité de chaleur est nécessaire pour décomposer un poids de peroxyde de fer contenant un kilog. d'oxygène. D'après cela, il est facile de calculer que pour réduire ce poids de peroxyde, il faut, d'après le premier mode de réduction, 4300 — 420S cal. (chaleur dégagée par la transformation de CO en CO"-); d'après le second mode, 4500 — 3030 et d'après le 3% 4500 — 18550). Le premier mode de réduction peut donc s'effectuer presque sans addition de chaleur extérieure, tandis que les deux autres exigent une dépense de chaleur qui est produite par la combustion du charbon devant les tuyères. La dépense de chaleur dans un haut fourneau sera donc d'autant plus faible que la proportion de fer réduit d'après le premier mode sera plus considérable. Or, d'après M. Gruner, l'emploi de l'air chauffé a pour effet d'augmenter ce mode de réduction en diminuant la température dans la cuve du fourneau. Voici la cause de ce dernier phénomène. Pour une production de 1 k. de fonte, on a dii injecter dans un haut fourneau 3'', 751 d'air chauffé à 718° et dans un autre 5^,161 d'air à 454°, 5. Dans ce dernier appareil, la température du gueulard était de 477» et dans le premier seulement de 248". Le haut fourneau exige donc moins de charbon à mesure que la température de l'air injecté augmente et, la masse de la colonne gazeuse

(') I kil. de carbone et 1 kil. de CO dégagent, respectivement, en se transformant en C0% 8080 et 2403 calories.

CHAP. V. MACHINES SOUFFLANTES ET AIR CHAUD

ascendante devenant moindre, la température dans la cuve doit s'abaisser. Or, cet abaissement, jusqu'à 200° environ au gueulard, favorise la réduction de l'oxyde ferrique au moyen de l'oxyde de carbone et explique, en partie, l'économie de combustible que réalise l'emploi de l'air cbauffé à une hau(e température (Gruner, R. U. des Mines, t. 32, p. 403, 1872). H. V.

Maximum théorique de température qn^on peut développer par l'emploi de l'air chaud et degré de chaleur à communiquer à celui-ci pour réaliser ce maximum., d'après II. Valerius. — Dans mon mémoire, cité p. 7SS, j'ai montré que la température de combustion du carbone, brûlé à l'air libre, est de 1678° C. La moitié du carbone se transforme en CO'^ et l'autre moitié en CO(').

D'un autre côté, j'ai montré que lorsque CO brûle, sous la pression atmosphérique, avec le volume d'oxygène nécessaire à sa combustion,

11 développe une température de 2231", et qu'alors i/s de cet oxyde se transforme en CO^, tandis que les deux autres tiers restent libres II suit delà que vers 2231° le mode de combustion du carbone change. Ce n'est donc que jusqu'à cette température qu'on peut élever les produits de la combustion du carbone à l'air libre, sans provoquer un refroidissement par suite de la dissociation d'une partie de CO^ formé à des températures plus faibles.

2231°C représentent, par conséquent, la plus haute température théorique qu'on puisse réaliser dans la zone de combustion des hauts fourneaux en brûlant le carbone avec de l'air préalablement chauffé.

La température à laquelle il faut porter l'air pour atteindre ce degré de chaleur se détermine comme suit:

Supposons qu'on brûle 1 k. de carbone pur, ce qui exige l'emploi de

12 k. d'air. Soit x, la température cherchée. Le calorique spécifique de l'air étant 0,237S, le chauffage de ces 12 k. d'air exigera 12.0,2375. a; calories. Les produits de la combustion seront : 1,83 CO^, 1,1 G6 CO, azote 6,99 et air libre 3, et comme les cal. sp. des trois premiers sont respectivement 0,2169, 0,245 et 0,244, la quantité de chaleur ci-dessus chauffera ces produits de 2,85. x : 3,12 degrés.

Pour déterminer X, nous aurons, par conséquent, l'équation 1678°-j- (2,85 X : 3,12)= 2231°; d'où x = 605° C.

Le calcul qui précède suppose qu'on brûle du carbone pur d'une puissance calorifique de 8000 calories. 11 fait abstraction des cendres et de

(') Comme suite à la note au bas de la page tbîS, note qui devrait être rectifiée en certains points, nous donnons ci-dessous, d'après le mémoire cité p. 7SS, les températures de combustion de quelques combustibles brûlés à l'air libre. CO, lioO"; H, 1234" ; C, 1678°; le bicarbure d'hydrogène, C4H4, t617°C. H. V.

APPENDICE

l'hydrogène du coke, de la vapeur d'eau contenue dans l'air insufflé, de la compression de cet air, etc. Si l'on tenait compte de toutes ces circonstances, on arriverait probablement pour x à une température peu différente de 800°, qui a été adoptée dans les appareils anglais. H. V.

Calcul approximalif de l'économie de combustible qui résulte de C emploi de l'air à 600°. — Pour chauffer 12 k. d'air de 0 à 600°, il faut 2,8S. 600=1710 calories^ c'est-à-dire, autant qu'en dégagent 0k,20 de carbone. En insufflant ce poids d'air, on peut donc brûler environ i/s de carbone de moins, sans que le nombre de calories dans la zone de combustion soit diminué. L'acide carbonique que ce poids de carbone aurait formé, se serait combiné, dans son parcours à travers l'appareil, avec un poids égal de carbone pour repasser à l'état de CO. Or, c'est ce cinquième de carbone ainsi conservé qui constitue, conformément à une théorie émise dans le temps par Ebelmen (^), l'économie résultant de l'emploi de l'air chaud. En effet, le ijs de carbone gagné dans la zone de combustion peut être considéré comme ayant servi à chauffer à 600° l'air d'alimentation employé. Observons toutefois, que le chauffage de cet air s'effectue au moyen d'un combustible beaucoup moins cher que le coke, ce qui produit également une économie dont il faut tenir compte. H. V.

Fours à gaz. — La température de 2231" ci-dessus donne également le plus haut degré de chaleur qu'on puisse développer dans les fourneaux à gaz.

Pour déterminer la température à communiquer aux gaz combustibles et à l'air, on peut suivre une marche analogue à celle qui vient d'être indiquée pour l'air chaud insufflé dans les hauts fourneaux. H. V.