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"PERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES ET APPAREILS POUR LA DECARBURA- TION DE LA FONTE OU DES PIECES COULEES EN ALLIAGE DE FONTE , "
On a déjà décrit ,dans le brevet belge n 461. 261 un procède destiné à décarburer (c'est-à-dire ,à recuire) la fonte ou des pièces coulées en alliage de fonte , qui consiste à chauffer les pièces à une température de 850 à 1.100 C à l'intérieur d'un four sensiblement étanche aux gaz et initia.
lement rempli d'air ,à faire circuler les produits gazeux de la réaction de lfair avec la teneur en carbone des pièoes coulées, et à conditionner de nouveau les produits gazeux précités en un point hors de contact d'avec les pièces coulées par l'addition dune quantité contrôlée dair et/ ou de vapeur
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afin qu'une partie de la teneur en oxyde de carbone des pro- -duits soit transformés en anhydride carbonique, la composition de l'atmosphère gazeuse en contact avec leapièces coulées étant maintenue dans certaines limites de composition afin que cette atmosphère exerce une action décarburante mais sensiblement non- oxydante sur les pièces traitées.
L'application pratique de ce procédé antérieur nécessite l'emploi d'instruments pour mesurer la composition de l'atmosphère gazeuse de décarburation en contact avec les pièces coulées, ces instruments étant équipés de dispositifs électriques auxiliaires qui assurent automatiquement l'ou- verture et la fermeture des vannes à travers lesquelles l'air et/ou la vapeur qui sert à régénérer l'atmosphère est introduit dans la zone de régénération du four, au cas où la composition de cette atmosphère s'écarterait des limi- tes désirées de sa composition à une phase quelconque du cycle de recuisson.
Suivant la présente invention, un procédé pour recuire de la fonte ou des pièces coulées en alliage de fonte consiste à chauffer une charge de pièces coulées à une température comprise entre 850 et 1.100 C dans un four étanche ou sensiblement étanche aux gaz, la teneur en carbone des pièces coulées réagissant dans cette gamme de température avec l'oxygène disponible présent dans l'at- mosphère du four au début de l'opération afin de produire un mélange gazeux contenant du 00 et du 002, à faire circuler les produits gazeux de la réaction dans un système fermé, à évacuer du four les produits en excédent, à brûler ces produits,
à utiliser la chaleur qui se dégage de la combus- tion de ces produits évacués pour alimenter un générateur de
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vapeur cet appareil de distribution de vapeur fonctionnant à un pourcentage maximum de rendement ou au-dessous de ce "pourcentage préalablement déterminé, et enfin à, introduire de la vapeur provenant dé cette installation dans le système de circulation en un point hors de contact d'avec les pièces coulées, de façon que le procédé soit auto-régulateur, en ce que les produits gazeux en circulation sont régénérés pour maintenir la composition de l'atmosphère en contact avec les pièces coulées dans des limites telles que cette atmosphè- re exerce sur ces pièces une action décarburante mais non- oxydante.
Il est préférable que la quantité de vapeur intro- duite dans le système de circulation soit déterminée d'avance en faisant fonctionner l'équipement générateur et distribu- teur de vapeur à un pourcentage de son rendement ne dépassant pas sensiblement 17 %; et cela à tout instant pendant le cycle de recuisson des pièces.
On peut éventuellement ajouter à, l'alimentation en vapeur du système circulatoire un petit flux d'air ayant un débit prédéterminé, afin de réduite la teneur en hydro- gène de l'atmosphère du four à la fin du cycle de recuisson, ce qui minimise le risque d'explosion au moment où l'on décharge le four. Lorsqu'on emploie ce courant d'air, le ren- dement de l'installation de génération et de distribution de vapeur doit être réduit et la quantité d'air admise dans une unité quelconque de temps doit être déterminée, de telle sorte qu'en combinaison avec l'alimentation en vapeur on puisse satisfaire aux conditions de régénération à la fin du cycle de décarburation sans dépasser toutefois ces conditions.
Ainsi, il faut prévoir un débit d'air inférieur aux débits
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équivalents de vapeur de régénération qu'il serait nécessai- re d'introduire à la fin du cycle de recuis son si on n'ajou- tait pas d'air à la vapeur.
Avant de commencer à chauffer la charge de pièces coulées, l'atmosphère du four peut se composer d'air seul.
Par contre, en purgeant complètement ou partielle- ment la chambre de traitement, l'atmosphère peut se composer d'oxygène, de vapeur, d'anhydride carbonique ou d'un mélange formé d'un ou plusieurs de ces gaz avec de l'air et/ou de l'oxyde de oarbone.
Pour permettre de mieux comprendre et mettre en ap- plication l'invention succinftement décrite ici, on va se ré- férer maintenant au dessin schématique annexé qui représente à titre d'exemple non-limitatif une élévation en coupe d'un four chargé de pièces coulées, ainsi que son installation auxiliaire pour la production et la distribution de vapeur.
Le four représenté sur le dessin comprend une cham- bre a formée à l'intérieur d'une structure a' isolée thermique- ment ainsi qu'une sole 1} composée d'un matériau analogue.
Autour d'une ouverture formée dans le fond de la chambre pour recevoir la sole b, on a aménagé une cloison verticale c.
(qui s'étend vers le bas) et qui, lorsque la sole est en place, pénètre dans un auget d prévu autour de la sole et qui con- tient du sable.
La structure a forme une partie fixe et on peut pré- voir un mécanisme de tout type approprié pour abaisser ou éle- ver la sole, ou pour l'introduire ou la sortir de l'ouverture de la chambre afin de permettre le chargement de pièces coulées e, ou le déchargement de ces pièces par rapport à la sole lorsque celle ..ci est abaissée.
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A l'intérieur de la chambre, la structure a' comporte un certain nombre d'éléments chauffants f ainsi qu'un venti- lateur g solidaire d'un arbre de commande ¯4 monté dans un palier étanche aux gaz dans le toit de la chambre.
Dans l'épaisseur de ce toit on a prévu un évent i et une ouverture d'admission j pour l'air et/ou la vapeur, l'évent étant disposé de façon à se terminer vers le haut au-dessous d'une chaudière k montée à l'extérieur du four.
Un dispositif 1 d'un type quelconque, capable de commander automatiquement l'alimentation de la chaudière en eau pour maintenir le niveau de celle-ci à un niveau constant est associé à la chaudière.
L'ouverture d'admission j débouche d'une part dans la chambre du four au voisinage du centre du ventilateur g et d'autre part à, l'intérieur de la chaudière, au-dessus du niveau de l'eau.
Une conduite m d'alimentation d'air, qui comporte, une dérivation n qui débouche également à l'intérieur de la chaudière au-dessus du niveau d' eau, se prolonge à l'inté- rieur de l'embouchure de l'évent 1, pour lui fournir.de l'air comburant . La circulation d'air dans la conduite m et dans sa dérivation M peut être contrôlée respectivement au moyen de robinets o et p .
La construction et l'entratnement du ventilateur sont prévus de manière à assurer la circulation de l'atmosphère du four dans le sens indiqué par les flèches. De même, la charge ± est empilée au-dessus de la sole de manière que le sommet de cette charge se situe à une certaine distance du ventilateur . Par conséquent, toute vapeur et/ou air intro- duit dans la chambre a par l'admission j n'est pas en condi-
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tion d'oxyder les pièces éboulées lorsque celles-ci sont chauf- fées, étant donné que cette vapeur et/ou eau est mélangée d'une façon homogène avec l'atmosphère que fait circuler le ventilateur avant d'entrer en contact avec les pièces couplées.
Lorsqu'on a placé une charge de pièces coulées sur la sole et que celle-ci a été élevée à l'intérieur de l'ouver- ture du four, on introduit de l'air par la conduite m et la dé- rivation n, on fait tourner le ventilateur g puis on chauffe la charge au moyen des éléments f.
Au commencement du cycle de recuisson, la charge de pièce coulée est entourée par l'air que contient la chambre a et au fur et à mesure que cette charge est chauffée, le car- bone que contiennent ces pièces coulées réagit avec l'oxygène de l'air pour produire les composés gazeux qui comprennent un mélange de CO et de CO2 et qui sont mis en circulation à l'intérieur de la chambre par le ventilateur, En même temps, tout excédent gazeux à l'intérieur de la chambre s'échappe par l'évent et est enflammé à l'extrémité ouverte de cet évent au moyen d'un brûleur fonctionnant en veilleuse (non représenté), ce qui chauffe l'eau dans la chaudière et produit de la vapeur qui est immédiatement mé- langée à l'air provenant de la dérivation m,
ce mélange s'échappant par la conduite d'admission j jusqu'à l'intérieur de la chambre a au centre du ventilateur qui refoule les gaz hors de contact d'avec les pièces coulées et l'air, ou le mélan- ge d'air et de vapeur, se mélange alors aux produits gazeux mis en circulation pour transformer une partie de la teneur en oxyde de carbone de ces produits en anhydride carbonique, ce qui régénère ces produits gazeux pour former une atmosphère dont l'action sur les pièces coulées est décarburante mais non oxy-
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dante et qui est renvoyée vers les pièces pour circuler entre celles-oi.
Les chiffres exposée ci-après constituent un exemple pratique des résultats obtenus dans la mise en application du procédé dans un four chargé avec environ 5 tonnes de pièces cou- lées en fonte, empilées au-dessus de la sole de façon à permet- tre aux gaz en circulation de pénétrer facilement à travers les piles de pièces.
Après avoir chargé le four et commencé le chauffage, on a introduit dans la chambre du four 1,416 m3 d'air à travers la dérivation m la chaudière k et la conduite d'admission j.
Quatre heures après le commencement de la phase de che fage, l'intérieur de la chambre du four a atteint une températu- re de 90000 et le débit de produits gazeux combustibles en excé- dent qui ont commencé de circuler à travers l'évent! est suffi- sant pour être enflammé à l'extrémité de sortie de cet évent pour produire de la vapeur dans la chaudière.
Deux heures après, la charge a atteint une température de 1050 C et la production de gaz, due à la réaction produite entre la teneur en carbone des pièces coulées et l'atmos- phère du four, avait atteint sa valeur maximum. Par consé- quent, la vapeur produite dans la chaudière et introduite dans le, chambre atteignait son maximum. La teneur en anhydri- de carbonique de l'atmosphère en contact avec les pièces coulées était de 4 % mesurée à sec à l'aide d'un appareil d'analyse Orsat.
Dix-huit, trente et trente-huit heures après le début du cycle de recuisson, les teneurs en anhydride car- bonique, mesurées à l'aide de l'appareil précité, étaient respectivement de 8 %, il % et 9,5 %; après 38 heures de
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traitement, la flamme à l'extrémité de l'évent a été éteinte le chauffage de la charge arrêté ; on a coupé l'alimentation d'air et on a laissé refroidir la charge à l'intérieur du four en prévision de son extraction.
D'après l'exemple décrit ci-dessus, on remarquera que la composition de l'atmosphère régénérée en contact avec les pièces coulées varie d'un moment à l'autre au fur et à mesure que se poursuit le cyole de recuisson; en outre, le taux de production des substances gazeuses résultant de la réaction entre cette atmosphère et la teneur en carbone des pièces coulées et, par conséquent, le volume des produits en excédent qui s'échappent du four, varient également.
Ces variations dans la composition et dans le volume de produits gazeux s'échappant de la chambre modifient le rendement de l'installation de génération de vapeur au cours du cycle de recuisson, cette installation étant construite, agencée et réglée de manière qu'à aucun moment, au cours d'un cycle quelconque de recuisson, elle ne dépasse un rendement maximum calculé au préalable, car autrement des conditions se créeraient dans le four qui entraîneraient l'oxydation des pièces ooulées.
Le rendement de l'installation de production et de distribution de vapeur peut être réglé de plusieurs façons; par exemple, en ne brûlant qu'une partie du volume total de l'excédent gazeux produit ; enagissant sur le taux de combus- tion auquel ce gaz est brûlé, sur le taux de transfert calo- rifique entre les gaz combustibles et l'installation géné- ratrice de vapeur, en modifiant les pertes calorifiques de l'installation productrice de vapeur, en agissant sur la quantité autorisée de condensation dans les conduites d'alimentation en vapeur entre la chaudière et la zone de régéné-
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ration du four, ou encore en laissant s'échapper à perte une proportion prédéterminée de la vapeur produite;
toutefois, dans la pratique, on règle le rendement à la main avant le commencement du premier cycle de recuisson, dans un four particulier, en réglant la quantité d'air destinée à être mélangée aux produits à brûler s'échappant du four et, ce qui se produit automatiquement pendant chaque cycle de reouisson, en modifiant le taux de transfert calorifique vers l'installation productrice de vapeur par suite des changements graduels du volume des produits gazeux qui s'échappent du four, au fur et à mesure que se poursuit la recuisson.
Le rendement de l'installation productrice et distributrice de vapeur, en ce qui concerne l'invention, est défini par le rapport entre la chaleur sensible de la vapeur qui pénètre dans le four à des fins de régénération doit (que l'on /distinguer de la vapeur réellement produite, dont une partie peut se condenser et revenir vers l'installa- tion productrice ou s'échapper comme vapeur perdue) et la valeur calorifique totale du gaz produit par la réaction entre la teneur en carbone des pièces coulées et l'atmosphère décarburante.
Le rendement recherché dans toute installation particulière de production et de distribution de vapeur peut être réglé par tâtonnement en modifiant un ou plusieurs des faoteurs de réglage énoncés plus haut. Cependant, lorsqu'- on a atteint ce rendement recherché, l'installation fonc- tionne avec un réglage automatique, quelle que soit la chargé de pièces ooulées introduite dans la zone de traitement du four et quelle que soit la température de traitement.
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Il est bienéntendu que l'installation ne comporte pas un réglage automatique au point que celui-ci maintienne la composition de l'atmosphère décarburante à une valeur exac- tement uniforme pendant toute la durée de chaque cycle de re- cuisson,ou qu'il maintienne un rapport exactement linéaire entre le volume de vapeur produite et la quantité de carbone éliminée des pièces coulées.
Toutefois, l'installation est à réglage automati- que dans des limites suffisamment rapprochées pour des fins pratiques, en ce qu'elle maintient la composition de l'atmosphè- re en contact avec les pièces coulées dans les limites nécessai- res pour assurer la décarburation des pièces ooulées sans en produire simultanément l'oxydation, et cela à toutes les phases de chaque cycle de recuisson, et il est bien entendu que l'ex- pression "à réglage automatique" utilisée ici doit être compri- se dans ce sens.
Pour permettre de mieux comprendre la oaractéristi- que de réglage automatique du procédé suivant l'invention, on va examiner ci-après quelles sont les réactions décarburantes produites ainsi que les volumes relatifs de vapeur fournis à la zone de régénération et de gaz qui en résulte.
Comme on l'a déjà indiqué, au cours des phases initiales de l'opération la teneur en carbone des pièces coulées réagit avec l'oxygène de l'air à l'intérieur du four étanche ounsensiblement étanche aux gaz, pour produire de l'oxyde de carbone et de l'anhydride carbonique ; mélange gazeux en excédent qui s'échappe du four est brûlé à la partie supérieure de l'évent j, pour produire de la vapeur dans la chaudière k.
Or, si l'on suppose, que la charge de pièces coulées subit un recuit à 1050 C et que, sur la quantité totale de vapeur produite au cours d'une phase particulière du cycle
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derecuisson, on introduit 100 m3 horaires de vapeur dans la chambre a à travers la conduite d'admission j, les réactions effectives de décarburation sont :
EMI11.1
Le rapport CO/CO2 recherché pour le mélange gazeux résultant dans la zone de traitement pour assurer à, ce mélange le maximum de pouvoir décarburant, tout en restant non oxydant pour les pièces coulées, est d'environ 3 : 1et, par consé- quent, la réaction (I) doit prédominer sur la réaction (II) également dans le rapport de 3 : 1.
En outre, une certaine quantité de vapeur doit traverser inchangée le four afin que le mélange gazeux résul- tant, composé de H2, 00, CO2 et H2O puisse satisfaire à l'é- quilibre de la réaction du gaz à l'eau lequel, à 105000, est à peu près égal à 0,5 de sorte que:
EMI11.2
Pour satisfaire à ces conditions, les réactions décarburantes (I) et (II) en forme composés peuvent s'écrire comme suit:
EMI11.3
Par conséquent, tous les 100 m3 de vapeur produisent 150 m3 de mélange gazeux dont la composition est de 41,7 % de H2,25 % de 00,8,3 % de CO2 et 35 % de H2O.
Les valeurs calorifiques du H2 et du 00 sont respectivement de 3.893 et de 2.843 Mth/m3; la teneur calorifique de 150 m3 du mélange gazeux (en négligeant la chaleur sensible) est dont la suivante: 150 x (0,417 x 2893) + (0,35 x 3843) = 387.850 M th
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Or, pour produire 100 m3 de tapeur à la pression at- mosphérique avec de l'eau à 10 C, la chaleur nécessaire est de 7.220 + 43.280 = 50.500 M th, ce qui est considérablement inférieur à la teneur calorifique du volume correspondant- du mélange gazeux produit.
Par conséquent, à condition que la chaudière et l'installation de distribution de vapeur soient construites de manière que le rendement de l'installation ne dépasse pas
EMI12.1
50.500 x 100 = 1795 % l'opération de décarburation 2877850 sera soumise a un réglage automatique.
Par exemple, si les 100 m3 horaires de vapeur four- nis à la zone de traitement du four devenaient insuffisants par rapport à la quantité de carbone présente à extraire des pièces coulées, la réaction de décarburation (I) augmenterait aux dépens de la réaction (II) et leapourcentages de H et de 00 dans le mélange gazeux produit et le volume de ce mélange augmenterait. Il en résulte que la teneur calorifique totale du mélange gazeux produit par la réaction entre l'at- mosphère en contact avec les pièces coulées et la teneur en carbone des pièces coulées augmente également, déterminant ainsi à son tour l'augmentation de la quantité de vapeur pro- duite et fournie à la zone de traitement, ce qui a tendance à compenser cette insuffisance de vapeur.
De même, si le quantité supposée de 100 m3 de vapeur introduite dans la zone de traitement était trop grande pour la quantité de carbone présente, la réaction (II) augmenterait aux dépens de la réaction (I) ce qui réduirait la teneur calo- rifique et le volume du gaz produit et s'échappant du four et, par conséquent, la quantité de vapeur produite dans la chau- dière et introduite dans la zone de régénération.
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On pourrait supposer, de même, que les pièces de cou- lée sont dédarburees à l'autre extrémité de la gamme optimum de températures, à savoir à. 850 C, température à laquelle le rapport 00/00 de l'atmosphère en contact avec les pièces serait d'environ 2 : 1 pour produire la décarburation maximum sans oxydation, tandis que la valeur à laquelle la réaction du gaz à l'eau atteint son équilibre est aux environs de 0,9.
Dans ces conditions d'opération, des calculs analo- gues démontrent que pour 100 m3 de vapeur on obtient 147,5 m3 de mélange gazeux dont la composition approximative est de 10,8 % de CO2, 22,2 % de 00, 43,0 % de H -et 24,0 % de H2O, une valeur calorifique d'environ 1869 M th/m3 et un contenu calorifique total de 275,661 M th.
Le rendement exigé pour l'installation conductrice et distributrice de vapeur est
EMI13.1
donc de 50.500 x 100 = 18,4 . 275.661
D'après ces calculs, on voit que le rendement maximum de l'installation de production et de distribution de vapeur est approximativement la même sur toute la gamme des tempéra- tures de recuisson, c'est-à-dire entre 850 et 1.1000, et une installation construite de manière à ne jamais fonctionner avec un rendement dépassant sensiblement 17 % peut être considéré comme étant à réglage automatique, dans toutes les conditions pratiques d'emploi et sur la totalité de cette gamme de température.
Cependant, il est bien entendu que les rendements indi- qués ci-dessus de 17,5% à 105000 et de 18,5 % à 85000 ne constituent que des rendements théoriques maximum auxquels l'installation de production et de distribution de vapeur peut fonctionner sans créer des conditions d'oxydation à l'in- térieur de la chambre de traitement,
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Dans la pratique, l'installation sera exploitée à des rendements légèrement inférieurs, pour éviter de créer éventuellement des conditions favorables à l'oxydation.
Lorsque les conditions de marche recherchées ont été établies par des essais, le prodédé suivant l'invention sup- prime la nécessité de prévoir des instruments ou des appa- reils spéciaux pour faire varier l'alimentation en air et/ou vapeur de régénération au fur et à mesure que le cycle de recuisson se poursuit, et utilise l'énergie calorifique disponible dans les gaz qui s'échappent de l'évent ; de plus, si le four et/ou l'installation de production et de dispoti- tion de vapeur cessait de fonctionner efficacement au cours d'une phase quelconque du cycle de recuisson, ce dérangement n'aurait aucune conséquence fâcheuse attendu que l'opération serait arrêtée automatiquement sans aucun effet nuisible sur la charge ;
par conséquent, toute panne totale ou partielle d'une partie quelconque de l'installation de production de vapeur ou d'alimentation d'air ne détermine qu'une cessation ou une réduction de la fourniture d'air et/ou de vapeur à la chambre de traitement; par exemple, si l'évent i ou la conduite d'ad- mission j venait à s'obturer, il n'en résulterait qu'une ré- duction de l'alimentation en vapeur ; demême, une extinction involontaire de la flemme à la sortie de l'évent! ou ,un arrêt de l'alimentation d'eau en 1 ne ferait qu'arrêter la fourniture de vapeur; par ailleurs, si l'alimentation en air comburant venait à cesser à travers la conduite n, le rende- ment de la flamme se réduirait et déterminerait une réduction de la fourniture de vapeur à. la chambre de traitement.