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HAUT-FOURNEAU A INSUFFLATION ET PROCEDE POUR LA FABRICATION
DU FER ET ANALOGUES
L'invention est relative, d'une manière générale, à la fabrication de fer coulable dans un haut-fourneau à in- sufflation et elle vise, en particulier, la fabrication de fer coulable dans un haut-fourneau à insufflation fonction- nant avec un vent contenant plus de 30% d'oxygène.
Par "fer" on désignera dans la suite, la fonte bru te d'affinage et les ferro-alliages.
On a déjà cherché à fabriquer du fer dans un haut- fourneau à insufflation en utilisant un vent contenant dava tage d'oxygène que l'air ordinaire. Ces recherches ont été faites avec un haut-fourneau à insufflation dont la construc
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tion était la même que celle généralement usitée lorsqu'on utilise de l'air ordinaire en tant que vent. Il a été éta- bli qu'en principe une augmentation modérée de la teneur en oxygène du vent (environ jusqu'à 30 % de 02) avait pour con- séquence un abaissement de la température des gaz de haut- fourneau, à la sortie du haut-fourneau, par rapport à la température qui s'établit lors de l'utilisation d'air nor- mal, et par suite une diminution de la consommation en com- bustible solide.
Par une augmentation supplémentaire de la teneur en oxygène on n'a cependant obtenu, lors des recher- ches effectuées jusqu'ici, que des dérangements dans le fone tionnement du haut-fourneau, dérangements qui devenaient plus sérieux au fur et à mesure qu'augmentait la teneur en oxygène, et qui finalement mettaient le haut-fourneau tota- lement hors d'état de fonctionner, puisqu'on ne réussissait plus à liquéfier les scories et le fer dans l'ouvrage du haut-fourneau, pour les extraire du haut-fourneau. Le haut- fourneau "gelait" par conséquent.
Un but important de la présente invention consis- te à développer un perfectionnement simple et efficace con- cernant le procédé et l'installation pour la fabrication du fer dans un haut-fourneau à insufflation avec un vent conte- nant plus de 30 % d'oxygène.
Un autre but de l'invention consiste à développer un procédé et une installation perfectionnés pour fabriquer du fer dans un haut-fourneau à insufflation en utilisant un combustible solide en morceaux présentant une résistance à la pression relativement plus faible.
Un autre but de l'invention est encore de dévelop- per de nouveaux procédé et installation perfectionnés pour obtenir lors de la fabrication du fer dans un haut-fourneau à insufflation, des gaz de haut-fourneau à plus haut pouvoir
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calorifique utilisables avantageusement pour l'éclairage, le chauffage, des réactions chimiques et d'autres usages.
Les difficultés que l'on rencontre dans le fonc- tionnement d'un haut-fourneau à insufflation, avec un vent présentant une teneur relativement élevée en oxygène (plus de 30% de O2), sont connues des spécialistes de la ques- tion. La difficulté essentielle réside dans le fait que le four est "suspendu" et qu'il tend à se former des "ponts" dans le remplissage de la cuve. Pour pallier à ces inconvé- nients, on a déjà proposé de diminuer l'angle de l'étalage et la hauteur de la cuve du haut-fourneau au-dessus de l'é- talage.
On partait de l'idée que, par l'augmentation de la teneur en oxygène, les opérations s'effectuant dans l'ouvra- ge du haut-fourneau n'étaient pas modifiées qualitativement, mais seulement intensifiées et que, par conséquent, la tem- pérature dans l'ouvrage du haut-fourneau s'élevait. Mais, on supposait pour cela que dans la cuve, au-dessus de l'étalage, intervenaient des modifications considérables dans les condi- tions de fonctionnement ainsi que des réactions, dues à la diminution importante de la quantité de gaz chauds s'élevant de l'ouvrage, correspondant à une teneur moindre en azote du vent riche en oxygène.
En raison de ces considérations, on a proposé d'in- troduire dans l'ouvrage du haut-fourneau de l'oxyde de carbo- ne ou du gaz de haut-fourneau par des tuyères situées dans les intervalles entre les tuyères d'entrée de l'oxygène et à leur voisinage. On a également proposé d'introduire du gaz de haut-fourneau dans la cuve au-dessus de l'étalage.
On croyait de cette manière pouvoir renforcer la réduction indirecte (FeO + CO = Fe + CO2) dans le remplissa- ge de la cuve au-dessus de l'étalage du haut-fourneau de fa-
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çon à diminuer le travail de réduction dans l'ouvrage et à atteindre à nouveau, dans l'ouvrage du haut-fourneau, la température qui est nécessaire au prélèvement du fer formé, des scories à l'état liquide.
En d'autres termes, on admet- tait que le refroidissement observé du fer et des scories dans l'ouvrage, lors d'une augmentation durable de la teneur en oxygène du vent, qui avait pour conséquence de rendre im- possible l'extraction de ces matières à l'état liquide, é- tait une conséquence de la plus mauvaise préparation et de la plus faible réduction indirecte, dans la partie de la cu- ve située au-dessus de l'étalage, et de la surcharge corres- pondante de la zone de l'ouvrage avec la réduction dite di- recte. Mais, toutes ces considérations et propositions se sont révélées infructueuses.
La Demanderesse a, par contre, reconnu que l'aug- mentation de la teneur en oxygène du vent avait une influen- ce directe sur les opérations s'effectuant dans l'ouvrage du haut-fourneau à insufflation, et était tout à fait indépen- dante des réactions et des conditions de travail du haut- fourneau dans la partie de la cuve située au-dessus de l'é- talage ; elle a également reconnu qu'il était donc nécessai- re de construire la zone de l'ouvrage d'un haut-fourneau, qui doit fonctionner avec un vent à teneur élevée en oxygè- ne (plus de 30 % de O2), autrement que la zone de l'ouvrage d'un haut-fourneau qui fonctionne avec de l'air ordinaire comme vent.
Comme on l'a déjà mentionné, un haut-fourneau or- dinaire à insufflation conçu pour fonctionner avec de l'air normal en tant que vent tend à geler si la teneur en oxygène du vent augmente sensiblement. Ce phénomène est d'autant plus particulier que l'on trouve dans l'ouvrage des tempéra- tures sensiblement plus élevées, lorsqu'on augmente la te-
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neur en oxygène, immédiatement en avant des tuyères, que dans un haut-fourneau ordinaire alimenté avec de l'air.
On a pu cependant constater que cette température plus élevée ne s'é- tablit que dans une zone relativement réduite en avant des tuyères, et que déjà dans ces conditions, à une petite dis- tance des tuyères, la température tombe bien au-dessous du point de fusion des scories ; celan'entraîne plus la forma- tion d'une zone de fusion et d'oxydation dans l'ouvrage, mais entre les tuyères du haut-fourneau de construction classique se forment, lors de l'augmentation de la teneur en oxygène du vent, des zones dans lesquelles les scories se prennent en masse et ces zones s'étendent jusque dans l'étalage du haut-fourneau. Le remplissage dans l'étalage est empêché, par les parois en forme de colonnes, de glisser vers le bas.
C'est la raison des phénomènes que l'on a désignés, lors des précé- dentes recherches, sous le nom de formation de ponts ou de "suspension" du four.
Selon l'invention, on a réalisé un progrès sensi- ble en ce que les tuyères ou buses par lesquelles le vent à plus haute teneur en oxygène (30 % de O2 et plus) pénètre dans l'ouvrage du haut-fourneau à insufflation, sont dispo- sées à une distance sensiblement plus réduite les unes des autres que ce n'est le cas pour des haut-fourneaux fonction- nant avec de l'air ordinaire en tant que vent. L'écartement des tuyères dans les haut four ne aux actuels est de l'ordre de 1,2 à 1,5 m, ou plus. Par contre l'invention prévoit de disposer avantageusement les tuyères à un écartement de 0,3 à 0,6 m, l'une de l'autre.
Cela signifie que le nombre des tuyères ou des buses par lesquelles on introduit le vent dans l'ouvrage du haut-fourneau est élevé, selon l'invention, à un multiple du nombre prévu pour un haut-fourneau à insuf- flation alimenté avec de l'air ordinaire en tant que vent.
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Dans l'esprit de l'invention, on peut poser en principe que le nombre de tuyères à prévoir dans l'ouvrage pour l'utili- sation d'un vent avec une teneur fortement augmentée en oxy- gène doit être choisi pour qu'il se forme devant les tuyères dans l'ouvrage, des zones de fusion relativement petites et juxtaposées de façon à constituer des zones de fusion et d'c xydation annulaires continues dans l'ouvrage autour de la zc ne centrale ou "zone morte". Par"zone de fusion et d'oxyda- tion" on désigne ici l'espace annulaire situé dans l'ouvrage à la hauteur des tuyères ou des buses et dans lequel se pro- duit une consommation sensiblement uniforme du carbone soli- de sous l'action des agents oxydants, avec formation de-com- binaisons gazeuses oxygène-carbone, de sorte que le charge- ment de la cuve descend également uniformément dans ledit ec pace annulaire.
Il y a avantage à combiner, l'utilisation, décrite ci-dessus, d'un nombre sensiblement augmenté de tuyères ou de buses pour l'entrée du vent fortement enrichi en oxygène avec une nouvelle mesure destinée à baisser la température des tuyères du haut-fourneau. Avec une forte augmentation de la teneur en oxygène du vent (3($de 02 ou plus), des tempé- ratures si élevées règnent près de la tuyère qu'une grande proportion des constituants des scories et du fer est vapo- risée. La silice, surtout, se volatilise, et le point de fu- sion des scories se trouve ainsi localement élevé, d'où il résulte un danger considérablement augmenté que le haut-four neau ne gèle, comme on l'a déjà signalé.
Ce défaut de fonctionnement d'un haut-fourneau à insufflation avec un vent à teneur fortement élevée en oxy- gène se trouve écarté, selon une autre caractéristique de l'invention, en introduisant dans les tuyères, en plus de l'oxygène, de l'oxyde de carbone, de façon que l'oxygène et
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l'oxyde de carbone se mélangent à la sortie des tuyères et puissent,le cas échéant, entrer en réaction l'un avec l'au- tre.
Selon l'invention, la tuyère a avantageusement u- ne forme telle que l'on introduit le vent fortement enrichi en oxygène par un tube disposé dans la cavité de la tuyère jusqu'au voisinage de son embouchure, et qu'on introduit l'o- xyde de carbone par l'espace annulaire de la tuyère limité intérieurement par le tube servant à l'introduction du vent oxygéné, ou inversement.
Il est difficile d'essayer d'établir exactement quelles réactions se produisent réellement dans l'ouvrage du haut-fourneau, quand on introduit en même temps, dans l'ouvrage, le vent enrichi avec de l'oxygène, et l'oxyde de carbone. Le gaz qui s'élève de l'ouvrage dans l'étalage d'un haut-fourneau fonctionnant avec de l'air ordinaire ne con- tient pratiquement (abstraction faite de l'azote) pas d'an- hydride carbonique, mais seulement de l'oxyde de carbone. Il se peut, et la Demanderesse propose cette explication, que l'oxygène et l'oxyde de carbone introduits dans l'ouvrage du haut-fourneau fonctionnant selon l'invention réagissent, d'abord pour former de l'anhydride carbonique et, qu'ensui- te, l'anhydride carbonique ainsi formé se combine dans l'ou- vrage avec le carbone solide du lit de fusion.
En outre, on ne peut pas considérer comme tout à fait impossible qu'une partie de l'oxygène soit soustraite à la réaction avec l'o- xyde de carbone, par suite des hautes températures régnant dans l'ouvrage. L'oxyde de carbone se déplaçant avec l'oxy- gène est échauffé par la réaction au moins partielle avec l'oxygène, à une si haute température que la dissociation de l'anhydride carbonique doit être prise en considération.
On peut aussi admettre que l'oxygène se combine en partie
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directement avec le carbone solide dans l'ouvrage quand le haut-fourneau fonctionne selon l'invention.
Cependant, comme il se produit aussi pratiquement une baisse de température devant les tuyères par-l'introduc- tion, faite selon l'invention, d'oxyde de carbone dans les- dites tuyères, il se produit aussi, comme action importante, une extension de la zone de fusion ou d'oxydation devant les tuyères qui est considérable par rapport à l'extension de la zone de fusion qui se forme lorsqu'on introduit un vent for- tement enrichi avec de l'oxygène, mais sans oxyde de carbone par les tuyères dans l'ouvrage du haut-fourneau à insuffla- tion. D'après ce qu'on a dit il est clair que cette extensif- de la zone de fusion devant les tuyères constitue un avanta- ge considérable pour la marche du haut-fourneau, quand celui ci fonctionne avec un vent à teneur fortement élevée en oxy- gène.
L'extension de la zone de fusion agit, d'une part, en ce qu'on n'a plus besoin que les tuyères soient très rappro- chées l'une de l'autre pour obtenir une zone de fusion annu- laire continue dans l'ouvrage. Mais, d'autre part, l'exten- sion de la zone à haute température, devant les tuyères agit aussi en direction de la partie centrale ou "zone morte".
L'addition d'oxyde de carbone à l'oxygène dans les tuyères, à l'embouchure intérieure de celles-ci, entraine donc aussi un élargissement de la zone de fusion annulaire dans l'ouvra ge et, par suite, on obtient essentiellement, en liaison a- vec la baisse de température, les mêmes conditions de fonc- tionnement favorables que dans l'ouvrage d'un haut-fourneau, qui fonctionne avec de l'air ordinaire en tant que vent.
Il est sans importance, dans l'esprit de l'inven- tion, que le haut-fourneau dont l'ouvrage est construit con- formément à l'invention, soit au-dessus dudit ouvrage, c'est à-dire depuis l'étalage et au-dessus, réalisé d'une manière
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quelconque. On peut utiliser toute forme avantageuse pour cette partie du haut-fourneau, qui assure une descente ré- gulière du-chargement. Il découle des conditions de travail envisagées pour le haut-fourneau de prévoir, au-dessus de l'étalage, soit une hauteur de cuve relativement élevée, si l'on veut atteindre une température comparativement basse des gaz de haut-fourneau à l'extrémité supérieure du four, soit de raccourcir la cuve si l'on veut laisser sortir les gaz à une température plus élevée.
Le choix entre ces possibilités dépend essentiel- lement de la nature du combustible solide dont on dispose.
Si l'on dispose d'un combustible solide à haute résistance à la pression, par exemple du coke, et qu'on veuille con- sommer la plus petite quantité possible de ce combustible précieux par tonne de fer préparée dans le four de la cuve, on utilisera avantageusement un haut-fourneau à insuffla- tion avec une cuve haute. Dans d'autres cas, c'est-à-dire quand le combustible est moins résistant à la pression, on utilisera avantageusement un four avec une cuve basse, la température des gaz de haut-fourneau à la sortie supérieure de la cuve étant ainsi plu s élevée.
La question de savoir si on doit utiliser un haut- fourneau à insufflation avec une cuve haute ou une cuve bas- se dépend aussi, en outre, des données que l'on fixe à la composition des gaz de haut-fourneau. Si Un haut-fourneau est construit avec une cuve haute, la réduction indirecte mentionnée précédemment prend une importance considérable, et le gaz de haut-fourneau obtenu contient beaucoup dtanhy- dride carbonique, Pour cette raison, la consommation d'un combustible solide est d'autant plus faible. Si un haut- fourneau à insufflation est construit avec une cuve basse, la teneur en anhydride carbonique des gaz de haut-fourneau
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diminue, mais la consommation de combustible solide augmen- te.
Ces relations ont de l'importance lorsque les gaz de haut-fourneau doivent être utilisés pour des réactions chi- miques, par exemple pour la synthèse d'hydrocarbures à par- tir d'oxyde de carbone et d'hydrogène. Dans ce cas la présen- ce d'anhydride carbonique dans les gaz de haut-fourneau est nuisible. Si le gaz de haut-fourneau contient beaucoup d'an- hydride carbonique, celui-ci doit être plus ou moins élimi- né avant la synthèse des hydrocarbures, par exemple par un lavage dudit gaz avec de l'eau sous pression élevée. Il est évident que cette difficulté disparaît si l'on utilise un haut-fourneau à insufflation avec une cuve basse et qu'on obtient un gaz de haut-fourneau à faible teneur en anhydri- de carbonique.
Par l'expression "oxyde de carbone" qui définit le gaz que l'on introduit, selon l'invention, dans une tuyè- re de haut-fourneau à insufflation, avec de l'oxygène ou de l'air à haute teneur en oxygène (plus de environ 30 % de O20 on entend désigner dans la présente description et dans les revendications, aussi bien l'oxyde de carbone pur que les gaz qui, en dehors de l'oxyde de carbone, contiennent d'au- tresconstituants, par exemple de l'anhydride carbonique. On peut aussi utiliser comme gaz contenant de l'oxyde de carbo- ne non seulement une partie des gaz de haut-fourneau se dé- gageant à la partie supérieure du haut-fourneau, mais aussi, par exemple, du gaz préparé dans un système producteur de gaz, éventuellement avec,l'utilisation d'un combustible fi- nement divisé.
On sait que, outre l'oxyde de carbone, l'hydrogè- ne est également hautement réactif et qu'à certaines tempé- ratures et dans certaines conditions, certains minerais sont réduits plus facilement par l'hydrogène que par l'oxyde de
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carbone. Grâce à cela la consommation de combustible solide par tonne de fer est diminuée d'autant.
L'invention prévoit, pour cette raison, d'introdui re, le cas échéant, .en plus de l'oxyde de carbone, de l'hydre gène dans les tuyères d'un haut-fourneau à insufflation fone tionnant avec un vent à haute teneur en oxygène (plus de 30 % de 02) de façon qu'aussi bien l'oxyde de carbone que l'hydre gène puissent se mélanger et réagir avec l'oxygène à l'embc chure de la tuyère.
On ne peut pas prévoir sûrement quelles réactions produira l'hydrogène à l'intérieur du haut-fourneau, et ce qu'on a dit précédemment des réactions de l'oxyde de carbo- ne avec l'oxygène est encore valable ici, de façon analogue.
Il se peut que l'hydrogène réagisse d'abord avec l'oxygène, avec formation de vapeur d'eau, ce qui donne naissance à une très haute température, et qu'en conséquence il réagisse en- suite avec le carbone solide en donnant lieu à la formation d'oxyde de carbone et à la reformation d'hydrogène. Toute- fois, il se peut aussi que l'hydrogène réagisse d'abord avec l'oxyde de fer et le réduise, ou que les deux réactions pos- sibles précitées se produisent simultanément. Mais, dans cha que cas l'hydrogène ajouté facilite le travail rationnel dans l'ouvrage et aussi dans l'étalage comme il est évident sans plus de détails. La quantité d'hydrogène introduite dans l'ouvrage avec l'oxyde de carbone ne peut en aucun cas être choisie telle que les réactions dans l'ouvrage soient perturbées.
A la place d'oxyde de carbone ou de mélanges d'o- xyde de carbone et d'hydrogène, on peut aussi, selon une au- tre caractéristique de l'invention, introduire dans l'ouvra- ge du haut-fourneau, sous certaines conditions, des hydro- carbures à l'état de gaz ou de vapeur, ou à l'état finement
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divisé (pulvérisé) en même temps que l'oxygène, et il est, d'autre part, aussi possible d'ajouter au courant d'oxygè- ne des hydrocarbures en même temps que l'oxyde de carbone ou, éventuellement, de l'hydrogène. Les hydrocarbures se com- binent à l'oxygène dans l'ouvrage avec formation d'anhydri- de carbonique et de vapeur d'eau, qui se combinent ensuite au carbone solide avec formation d'oxyde de carbone et d'hy- drogène, si l'on veut accepter cette explication comme rela- tant ce qui se passe dans l'ouvrage.
En tout oas, on réalise dans l'ouvrage une raréfac- tion de l'oxygène par addition d'un hydrocarbure, aussi bien que par addition d'oxyde de carbone et d'hydrogène, ce qui entraîne un abaissement des températures extrêmement élevées au voisinage des tuyères, et une répartition assez uniforme de la chaleur dans l'ouvrage avec une extension correspondan- te des zones de fusion et dbxydation.
La quantité d'hydrocarbures ajoutée a naturellement une influence sur la composition du gaz de haut-fourneau se dégageant à l'extrémité supérieure du haut-fourneau. On peut, de cette façon, par un choix approprié des propriétés et de la quantité des hydrocarbures ajoutés, obtenir un gaz de haut fourneau présentant une composition avantageuse donnée, et, qui contienne, par exemple, de l'oxyde de carbone et de l'hy- drogène dans un rapport tel qu'il est avantageux pour la syn- thèse d'hydrocarbures.
En modifiant la quantité de l'oxyde de carbone que l'on introduit, selon l'invention, dans les tuyères du haut- fourneau fonctionnant avec un vent riche en oxygène (plus'de 30 % de O2), on peut influer sur la température du lit de fu- sion dans les différentes zones du haut-fourneau, et sur la composition des gaz de haut-fourneau qui se dégagent à l'ex- trémité supérieure du haut-fourneau.
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Quand on introduit dans les tuyères, en plus de l'oxygène, de l'oxyde de carbone en quantité correspondant à un mélange de 21% de O2 et 79 % de 00, on a pratiquement les mêmes conditions de fonctionnement, au point de vue du transfert et de la répartition de chaleur dans la partie supérieure du haut-fourneau à insufflation au-dessus de la cuve, que lors de l'utilisation d'air en tant que vent.
Si on diminue, par contre, l'addition d'oxyde de carbone, la zone de fusion en question devant les tuyères diminue et si on diminue encore l'addition d'oxyde de car- bone, il se forme finalement dans l'ouvrage entre les tuyè- res des parois solides de scories, si les tuyères ne sont pas à une distance convenable l'une de l'autre. Il est, par conséquent, avantageux d'équiper désormais le haut-fourneau à insufflation, pour l'introduction d'oxygène et d'oxyde de carbone ou de l'oxygène, avec un nombre de tuyères tel que, même avec la plus petite addition d'oxyde de carbone à l'o- xygène, dans l'ouvrage, on maintienne une zone de fusion continue et parfaite.
On peut utiliser avantageusement lfinvention avec un haut-fourneau à insufflation fonctionnant à haute pres- sion.
On a illustré sur le dessin annexé, à titre d'exc= ple, l'utilisation pratique de l'invention sans que celle-ci soit limitée à la forme de réalisation représentée et décri- te ci-après.
Sur le dessin annexé : La fig. 1 est une vue en coupe verticale d'une partie d'un haut-fourneau équipé selon l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe suivant II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'une tuyère du haut-fourneau selon les figs 1 et 2.
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Sur la fig. 1, on a représenté uniquement la partie inférieure d'un hautr-fourneau à insufflation, équipé et fonc- tionnant selon l'invention. La partie supérieure du haut-four- neau à insufflation peut être réalisée de toute façon désirée connue des spécialistes de la question pour chaque mode de fonctionnement souhaité.
La partie du haut-fourneau représentée comprend, l'ouvrage, l'étalage et une partie de la cuve. L'ouvrage est constitué par une maçonnerie réfractaire 1, entourée de la chemise 2 usuelle en tôle d'acier ou analogue. Au voisinage du fond 2 se trouvent le trou de coulée 4 pour le soutirage du fer fondu liquide et, un peu plus haut, une ouverture .2. pour le soutirage des scories fondues. Au-dessus de l'ouver- ture sont disposées dans un plan des tuyères ou buses 6.
Comme on le voit sur la fig. 3, chaque tuyère 6 est munie d'une chemise de refroidissement 7, parcourue par de l'eau de refroidissement, ou analogue, arrivant par une tubu- lure 8, ladite eau pouvant s'écouler de la chemise de refroi- dissement par une tubulure 9.
Dans l'intérieur de la tuyère et axialement à son ouverture est disposé un tube 10 portant une série de nervu- res 11, à son extrémité intérieure, grâce auxquelles il est maintenu à l'intérieur du canal de la tuyère 6. Devant l'em- bouchure du tube 10, le canal de la tuyère est un peu rétré- ci comme il est représenté en 12. Le tube 10 est avantageu- sement disposé de façon réglable dans la tuyère 6, de façon qu'on puisse modifier la distance séparant l'embouchure du tube 10 de l'embouchure de la tuyère 6. Grâce à ce montage, on peut agir sur le mode de formation du mélange des agents que l'on introduit par le tube 10 et des agents s'écoulant dans l'espace annulaire existant entre le tube 10 et la pa- roi intérieure de la tuyère 6.
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Le corps de la tuyère 6 est disposé dans un carter conique 13 appliqué contre l'habillage 2 de la maçonnerie ré- fractaire 1.
On fait passer par la conduite 14 l'oxyde de car- bone, ou un mélange d'oxyde de carbone et de vapeur d'eau, comme on l'a décrit précédemment, ladite conduite 14 débou- chant dans l'espace annulaire entre le tube 10 et la tuyère 6.
On introduit de l'oxygène par la tubulure 15 re- liée à l'intérieur du tube 10. Les tubulures 14 et 15 sont contrôlées par des vannes de réglage désignées par 16 et 17 à la fig. 1. Elles sont reliées à la conduite collectrice 18, en forme d'anneau, pour l'alimentation en oxygène et à la conduite 19 en forme d'anneau, pour l'admission d'oxyde de carbone, ou d'un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène.
Lors de la réaction, il se développe devant chaque tuyère, à l'intérieur du haut-fourneau, une zone à haute tem pérature représentée sur la fig. 2 par la ligne pointillée 20, zone dans laquelle on atteint une température supérieure au point de fusion des scories et du fer.
Comme on le voit sur la fig. 2 , les tuyères 6 sont disposées à une distance telle l'une de l'autre que les zo- nes 20 à haute température, ou zones de fusion, se touchent ou se chevauchent. On réussit ainsi à former dans l'ouvrage du haut-fourneau, autour de la zone centrale ou "zone morte". désignée en 21,- une zone. annulaire continue dans laquelle sont fondus les scories et le fer.
Plus on ajoute d'oxyde de carbone à l'oxygène, plus la zone de fusion autour des tuyères 6 s'élargit, pour atteindre finalement, lorsque la teneur en oxyde de carbone est suffisante, l'extension représentée par la ligne poin- tillée 22, qui correspond sensiblement à l'état qui règne
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dans l'ouvrage, lors du fonctionnement du haut-fourneau avec de l'air ordinaire utilisé en tant que vent.
Le lit de fusion du haut-fourneau présente la com- position qui est nécessaire pour obtenir le fer à fondre dans le four et qui correspond à la composition et aux propriétés du minerai à transformer. Le lit de fusion contient également une quantité suffisante de coke en morceaux pour permettre le passage des gaz se formant dans l'ouvrage, à travers le char gement de la cuve. L'inclinaison de l'étalage 23 du haut-four neau dépend de la hauteur totale du four utilisé et surtout de la hauteur de la cuve.
Comme on le voit sur la fig. 2, le nombre des tuyè res d'insufflation 6 qu'il y a lieu de prévoir, selon l'inve tion, est sensiblement'supérieur à celui qui existe dans un haut-fourneau fonctionnant avec de l'air ordinaire en tant que vent. De préférence, la distance séparant les tuyères d'insufflation l'une de l'autre. est de 0,25 à 0,8 m, et il est avantageux dans tous les cas de maintenir la distance en= tre deux tuyères d'insufflation voisines à une valeur infé- rieure à 2,1 m.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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INSUFFLATION FURNACE AND METHOD FOR THE MANUFACTURING
IRON AND ANALOGUES
The invention relates, in general, to the manufacture of castable iron in a blast furnace and it aims, in particular, to the manufacture of castable iron in a blast furnace operating with the blast furnace. a wind containing more than 30% oxygen.
The term “iron” will be used hereinafter to denote refining pig iron and ferro-alloys.
Attempts have already been made to make iron in a blast furnace using a vent containing more oxygen than ordinary air. This research was carried out with an insufflation blast furnace, the construction of which
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tion was the same as that generally used when ordinary air is used as the wind. It has been established that in principle a moderate increase in the oxygen content of the wind (approximately up to 30% of 02) results in a lowering of the temperature of the blast furnace gases at the outlet. of the blast furnace, in relation to the temperature which is established during the use of normal air, and consequently a decrease in the consumption of solid fuel.
By a further increase in the oxygen content, however, in the research carried out so far, only disturbances in the operation of the blast furnace have been obtained, disturbances which became more serious as and when increased the oxygen content, and which ultimately put the blast furnace completely inoperable, since it was no longer possible to liquefy the slag and iron in the blast furnace structure, to extract them from the blast furnace. blast furnace. The blast furnace therefore "froze".
An important object of the present invention is to develop a simple and efficient improvement in the process and plant for the production of iron in a blast furnace with a blast containing more than 30% of. oxygen.
Another object of the invention is to develop an improved method and plant for making iron in a blast furnace using solid lumpy fuel having relatively lower pressure resistance.
Another object of the invention is still to develop new improved process and installation for obtaining, during the manufacture of iron in an insufflation blast furnace, blast furnace gases at higher power.
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heat that can be used advantageously for lighting, heating, chemical reactions and other uses.
The difficulties encountered in operating an insufflation blast furnace with a wind having a relatively high oxygen content (over 30% O2) are known to those skilled in the art. The essential difficulty lies in the fact that the furnace is "suspended" and that it tends to form "bridges" in the filling of the tank. To overcome these drawbacks, it has already been proposed to reduce the angle of the shelf and the height of the blast furnace tank above the shelf.
It was assumed that, by increasing the oxygen content, the operations carried out in the blast furnace work were not qualitatively modified, but only intensified and that, consequently, the The temperature in the blast furnace was rising. However, it was assumed for this that in the tank, above the display, considerable modifications in the operating conditions took place as well as reactions, due to the significant decrease in the quantity of hot gases rising from the structure, corresponding to a lower nitrogen content of the oxygen-rich wind.
Because of these considerations, it has been proposed to introduce carbon oxide or blast furnace gas into the blast furnace structure through nozzles located in the gaps between the inlet nozzles. oxygen and their vicinity. It has also been proposed to introduce blast furnace gas into the vessel above the display.
In this way it was believed to be able to reinforce the indirect reduction (FeO + CO = Fe + CO2) in the filling of the vessel above the display of the blast furnace.
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Lesson to reduce the reduction work in the work and to reach again, in the work of the blast furnace, the temperature which is necessary for the removal of the iron formed, of the slag in the liquid state.
In other words, it was assumed that the observed cooling of iron and slag in the structure, during a lasting increase in the oxygen content of the wind, which had the consequence of making extraction impossible. of these materials in the liquid state, was a consequence of the worse preparation and the weakest indirect reduction, in the part of the vat situated above the display, and the corresponding overload. weighting of the structure area with the so-called direct reduction. But, all these considerations and proposals turned out to be fruitless.
The Applicant, on the other hand, recognized that the increase in the oxygen content of the wind had a direct influence on the operations carried out in the structure of the blast furnace with insufflation, and was completely independent. - dante of the reactions and working conditions of the blast furnace in the part of the vessel located above the shelf; it also recognized that it was therefore necessary to build the area of the work of a blast furnace, which must operate with a wind with a high oxygen content (more than 30% O2), otherwise than the area of the work of a blast furnace which operates with ordinary air as the wind.
As already mentioned, an ordinary blast furnace designed to operate with normal air as the wind tends to freeze if the oxygen content of the wind increases significantly. This phenomenon is all the more particular as one finds in the work appreciably higher temperatures, when increasing the temperature.
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more oxygen, immediately in front of the tuyeres, than in an ordinary blast furnace supplied with air.
It has been observed, however, that this higher temperature is only established in a relatively small area in front of the nozzles, and that already under these conditions, at a small distance from the nozzles, the temperature falls well below the melting point of the slag; this no longer leads to the formation of a melting and oxidation zone in the structure, but between the nozzles of the blast furnace of conventional construction are formed, when the oxygen content of the wind increases, zones in which the slag sets in mass and these zones extend into the display of the blast furnace. The filling in the display is prevented by the column-shaped walls from sliding down.
This is the reason for the phenomena which have been referred to in previous research as the formation of bridges or "suspension" of the furnace.
According to the invention, significant progress has been made in that the tuyeres or nozzles through which the wind with a higher oxygen content (30% of O2 and more) enters the structure of the blast furnace with insufflation, are arranged at a considerably shorter distance from each other than is the case for blast furnaces operating with ordinary air as the wind. The spacing of the nozzles in the current top furnaces is of the order of 1.2 to 1.5 m, or more. On the other hand, the invention provides for advantageously placing the nozzles at a spacing of 0.3 to 0.6 m, one from the other.
This means that the number of nozzles or nozzles through which the wind is introduced into the structure of the blast furnace is raised, according to the invention, to a multiple of the number provided for a blast furnace supplied with air. ordinary air as wind.
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In the spirit of the invention, it can be assumed that the number of nozzles to be provided in the structure for the use of a wind with a greatly increased oxygen content must be chosen so that it forms in front of the nozzles in the structure, relatively small and juxtaposed melting zones so as to constitute continuous annular melting and oxidation zones in the structure around the central zc or "dead zone". By "melting and oxidation zone" is meant here the annular space located in the structure at the height of the nozzles or nozzles and in which a substantially uniform consumption of the solid carbon under l. The action of the oxidizing agents, with the formation of oxygen-carbon gas combinations, so that the load of the vessel also descends uniformly in said annular space.
There is an advantage in combining the use, described above, of a significantly increased number of nozzles or nozzles for the entry of the highly oxygen-enriched wind with a new measure intended to lower the temperature of the upper nozzles. -furnace. With a sharp increase in the oxygen content of the wind (3 ($ of 02 or more), temperatures so high prevail near the nozzle that a large proportion of the constituents of the slag and iron are vaporized. the silica, above all, volatilizes, and the melting point of the slag is thus locally high, from which there results a considerably increased danger of the blast furnace freezing, as has already been pointed out.
This malfunction of an insufflation blast furnace with a wind with a strongly high oxygen content is eliminated, according to another characteristic of the invention, by introducing into the nozzles, in addition to oxygen, carbon monoxide, so that oxygen and
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the carbon monoxide mixes at the outlet of the nozzles and can, if necessary, react with one another.
According to the invention, the nozzle has advantageously a shape such that the wind highly enriched in oxygen is introduced through a tube arranged in the cavity of the nozzle up to the vicinity of its mouth, and that the air is introduced. Carbon o- xide by the annular space of the nozzle internally limited by the tube serving for the introduction of the oxygenated wind, or vice versa.
It is difficult to try to establish exactly what reactions actually take place in the blast furnace structure, when one introduces at the same time, into the structure, the wind enriched with oxygen, and the oxide of carbon. The gas which rises from the work into the display of a blast-furnace operating with ordinary air contains practically (apart from nitrogen) no carbon dioxide, but only carbon monoxide. It is possible, and the Applicant offers this explanation, that the oxygen and carbon monoxide introduced into the structure of the blast furnace operating according to the invention react, first to form carbon dioxide and, that The carbon dioxide thus formed then combines in the work with the solid carbon in the melt bed.
In addition, it cannot be considered quite impossible that part of the oxygen should be withdrawn from the reaction with carbon dioxide, owing to the high temperatures prevailing in the structure. Carbon monoxide moving with oxygen is heated by the at least partial reaction with oxygen to such a high temperature that the dissociation of carbon dioxide must be taken into account.
We can also admit that oxygen partly combines
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directly with the solid carbon in the work when the blast furnace is operating according to the invention.
However, as there also practically occurs a drop in temperature in front of the nozzles by the introduction, made according to the invention, of carbon monoxide into said nozzles, there also occurs, as an important action, a extension of the melting or oxidation zone in front of the tuyeres which is considerable compared to the extension of the melting zone which is formed when a wind is introduced which is highly enriched with oxygen, but without oxides of carbon through the nozzles in the blast furnace structure. From what has been said it is clear that this extensive melting zone in front of the tuyeres constitutes a considerable advantage for the operation of the blast furnace, when the latter operates with a wind with a strongly high content of oxygen.
The extension of the melting zone acts, on the one hand, in that there is no longer any need for the nozzles to be very close to one another to obtain a continuous annular melting zone. in the book. But, on the other hand, the extension of the high temperature zone in front of the nozzles also acts in the direction of the central part or "dead zone".
The addition of carbon monoxide to the oxygen in the tuyeres, at the internal mouth of the latter, therefore also causes a widening of the annular melting zone in the opening and, consequently, one obtains essentially , in conjunction with the drop in temperature, the same favorable operating conditions as in the construction of a blast furnace, which operates with ordinary air as wind.
It is irrelevant, in the spirit of the invention, whether the blast furnace, the work of which is constructed in accordance with the invention, is above said work, that is to say since 'display and above, carried out in a
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any. Any advantageous shape can be used for this part of the blast furnace, which ensures a regular descent of the load. It follows from the working conditions envisaged for the blast furnace to provide, above the shelf, either a relatively high tank height, if one wants to achieve a comparatively low temperature of the blast furnace gases at the upper end of the oven, or to shorten the tank if you want to let the gases out at a higher temperature.
The choice between these possibilities depends essentially on the nature of the solid fuel available.
If you have a solid fuel with high resistance to pressure, for example coke, and you want to consume the smallest possible amount of this valuable fuel per ton of iron prepared in the kettle furnace , use will advantageously be made of a blast furnace with a high vessel. In other cases, that is to say when the fuel is less resistant to pressure, a furnace with a low vessel will advantageously be used, the temperature of the blast furnace gases at the upper outlet of the vessel thus being higher.
The question of whether to use an insufflating blast furnace with a high or a low vessel also depends, in addition, on the data which one fixes for the composition of the blast furnace gases. If a blast furnace is built with a tall vessel, the above-mentioned indirect reduction assumes considerable importance, and the resulting blast furnace gas contains a lot of carbon dioxide. For this reason, the consumption of solid fuel is low. 'so much weaker. If an insufflation blast furnace is constructed with a low vessel, the carbon dioxide content of the blast furnace gases
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decreases, but the consumption of solid fuel increases.
These relationships are important when blast furnace gases are to be used for chemical reactions, for example for the synthesis of hydrocarbons from carbon monoxide and hydrogen. In this case the presence of carbon dioxide in the blast furnace gases is harmful. If the blast furnace gas contains a lot of carbon dioxide, this must be more or less removed before the synthesis of the hydrocarbons, for example by washing said gas with water under high pressure. Obviously, this difficulty disappears if an insufflation blast furnace with a low vessel is used and a low carbon anhydride blast furnace gas is obtained.
By the expression "carbon monoxide" which defines the gas which is introduced, according to the invention, into a blast furnace nozzle with insufflation, with oxygen or air with a high content of oxygen (more than about 30% of O20 is intended to denote in the present description and in the claims, both pure carbon monoxide and the gases which, apart from carbon monoxide, contain other constituents, carbon dioxide, for example. It is also possible to use as carbon oxide-containing gas not only a part of the blast furnace gases released at the upper part of the blast furnace, but also, by example, gas prepared in a gas producing system, optionally with the use of a finely divided fuel.
It is known that, in addition to carbon monoxide, hydrogen is also highly reactive and that at certain temperatures and under certain conditions certain minerals are reduced more easily by hydrogen than by carbon monoxide.
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carbon. Thanks to this, the consumption of solid fuel per tonne of iron is reduced accordingly.
The invention provides, for this reason, to introduce, where appropriate, in addition to carbon monoxide, hydrogen chloride in the tuyeres of an insufflation blast furnace operating with a wind at high oxygen content (over 30% O 2) so that both carbon monoxide and hydra gene can mix and react with oxygen at the nozzle mouth.
It is not possible to predict with certainty what reactions the hydrogen will produce inside the blast furnace, and what was said previously about the reactions of carbon monoxide with oxygen is still valid here, so similar.
It is possible that the hydrogen first reacts with oxygen, forming water vapor, which gives rise to a very high temperature, and that consequently it reacts subsequently with solid carbon giving occurs in the formation of carbon monoxide and the reformation of hydrogen. However, it is also possible that the hydrogen first reacts with the iron oxide and reduces it, or that the above two possible reactions occur simultaneously. But, in each case the added hydrogen facilitates rational work in the work and also in the display, as is evident without further details. The quantity of hydrogen introduced into the structure with the carbon monoxide can in no case be chosen such that the reactions in the structure are disturbed.
Instead of carbon monoxide or mixtures of carbon monoxide and hydrogen, it is also possible, according to another characteristic of the invention, to introduce into the opening of the blast furnace, under certain conditions, hydrocarbons in the gas or vapor state, or in the finely
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divided (pulverized) together with the oxygen, and it is, on the other hand, also possible to add hydrocarbons to the oxygen stream at the same time as carbon monoxide or, optionally, 'hydrogen. Hydrocarbons combine with oxygen in the structure with the formation of carbon dioxide and water vapor, which then combine with solid carbon with the formation of carbon monoxide and hydrogen, if we want to accept this explanation as relating what is happening in the work.
In all cases, a depletion of oxygen is achieved in the structure by the addition of a hydrocarbon, as well as by the addition of carbon monoxide and hydrogen, which causes the extremely high temperatures to drop. vicinity of the nozzles, and a fairly uniform heat distribution in the structure with a corresponding extension of the melting and oxidation zones.
The amount of hydrocarbons added naturally has an influence on the composition of the blast furnace gas released at the upper end of the blast furnace. It is in this way, by an appropriate choice of the properties and of the amount of the hydrocarbons added, to obtain a blast furnace gas having a given advantageous composition, and which contains, for example, carbon monoxide and carbon dioxide. hydrogen in such a ratio as is advantageous for the synthesis of hydrocarbons.
By modifying the quantity of carbon monoxide which is introduced, according to the invention, into the tuyeres of the blast furnace operating with a wind rich in oxygen (more than 30% of O2), it is possible to influence the the temperature of the smelting bed in the various zones of the blast furnace, and on the composition of the blast furnace gases which are released at the upper end of the blast furnace.
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When we introduce into the tuyeres, in addition to the oxygen, carbon monoxide in an amount corresponding to a mixture of 21% O2 and 79% 00, we have practically the same operating conditions, from the point of view heat transfer and distribution in the upper part of the blast furnace above the vessel, than when using air as a blast.
If, on the other hand, the addition of carbon monoxide is reduced, the melting zone in question in front of the nozzles decreases and if the addition of carbon monoxide is further reduced, it is finally formed in the structure. between the nozzles of solid slag walls, if the nozzles are not at a suitable distance from each other. It is, therefore, advantageous to equip from now on the blast furnace with insufflation, for the introduction of oxygen and carbon monoxide or oxygen, with a number of nozzles such that, even with the smallest addition of carbon monoxide to oxygen, in the work, a continuous and perfect melting zone is maintained.
The invention can advantageously be used with a blast furnace operating at high pressure.
The appended drawing has illustrated, by way of example, the practical use of the invention without it being limited to the embodiment shown and described below.
In the attached drawing: FIG. 1 is a vertical sectional view of part of a blast furnace equipped according to the invention.
Fig. 2 is a sectional view along II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is a sectional view, on a larger scale, of a blast furnace nozzle according to Figs 1 and 2.
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In fig. 1 shows only the lower part of an insufflation blast furnace, equipped and operating according to the invention. The upper part of the blast furnace can be made in any desired manner known to those skilled in the art for each desired mode of operation.
The part of the blast furnace shown comprises the work, the display and part of the vessel. The structure consists of a refractory masonry 1, surrounded by the usual jacket 2 made of sheet steel or the like. In the vicinity of the bottom 2 are the tap hole 4 for the withdrawal of liquid molten iron and, a little higher, an opening. 2. for withdrawing molten slag. Above the opening are arranged in a plane nozzles or nozzles 6.
As seen in fig. 3, each nozzle 6 is provided with a cooling jacket 7, through which cooling water, or the like, arriving through a pipe 8, said water being able to flow from the cooling jacket through a tubing 9.
In the interior of the nozzle and axially at its opening is disposed a tube 10 carrying a series of ribs 11, at its inner end, by means of which it is held inside the channel of the nozzle 6. In front of the nozzle. mouth of the tube 10, the channel of the nozzle is somewhat narrowed as shown at 12. The tube 10 is advantageously disposed in an adjustable manner in the nozzle 6, so that the distance can be varied. separating the mouth of the tube 10 from the mouth of the nozzle 6. Thanks to this assembly, it is possible to act on the mode of formation of the mixture of the agents which are introduced through the tube 10 and of the agents flowing into the annular space existing between the tube 10 and the inner wall of the nozzle 6.
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The body of the nozzle 6 is placed in a conical casing 13 applied against the covering 2 of the refractory masonry 1.
Carbon monoxide, or a mixture of carbon monoxide and water vapor, is passed through line 14, as described above, said line 14 opening into the annular space between tube 10 and nozzle 6.
Oxygen is introduced through tubing 15 connected to the interior of tube 10. Tubing 14 and 15 are controlled by control valves designated 16 and 17 in FIG. 1. They are connected to the collecting pipe 18, in the form of a ring, for the supply of oxygen and to the pipe 19 in the form of a ring, for the admission of carbon monoxide, or a mixture of carbon monoxide and hydrogen.
During the reaction, it develops in front of each nozzle, inside the blast furnace, a high temperature zone shown in FIG. 2 by the dotted line 20, zone in which a temperature above the melting point of slag and iron is reached.
As seen in fig. 2, the nozzles 6 are disposed at such a distance from each other that the high temperature zones 20, or melting zones, touch or overlap. We thus succeed in forming in the blast furnace structure, around the central zone or "dead zone". designated in 21, - a zone. continuous annulus in which slag and iron are melted.
The more carbon monoxide is added to the oxygen, the more the melting zone around the nozzles 6 widens, to finally reach, when the carbon monoxide content is sufficient, the extension represented by the dotted line 22, which substantially corresponds to the prevailing state
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in the work, when operating the blast furnace with ordinary air used as wind.
The smelting bed of the blast furnace has the composition which is necessary to obtain the iron to be melted in the furnace and which corresponds to the composition and the properties of the ore to be transformed. The melt bed also contains a sufficient quantity of coke in pieces to allow the passage of the gases forming in the structure, through the charge of the tank. The inclination of the shelf 23 of the built-in oven depends on the total height of the oven used and above all on the height of the tank.
As seen in fig. 2, the number of insufflation nozzles 6 which should be provided, according to the invention, is appreciably greater than that which exists in a blast furnace operating with ordinary air as the wind. . Preferably, the distance separating the insufflation nozzles from one another. is 0.25 to 0.8 m, and it is advantageous in all cases to keep the distance between two neighboring insufflation nozzles at a value less than 2.1 m.
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