Forno a riverbero

Un forno a riverbero è un forno in cui il calore viene riflesso (riverberato) dal tetto del forno. In questo tipo di forno il combustibile (carbone, gas, olio combustibile, ecc.) Viene bruciato in una camera diversa da quella dei materiali trattati. Ciò limita le interazioni indesiderabili tra la combustione e i materiali da trattare.

Questi forni antico principio sono stati dei miglioramenti al XVIII ° e XIX esimo  secolo in particolare per migliorare i metodi di lavorazione metallurgica. Una delle prime applicazioni è la puddellatura della ghisa , processo essenziale della prima rivoluzione industriale . Questi forni sono stati e vengono utilizzati nell'industria metallurgica, nella cottura della ceramica e nei prodotti chimici.

Storico

L'utilizzo del forno a riverbero è legato alla necessità di sostituire il carbone di legna con il carbone , abbondante ed economico. Tuttavia, i vapori solforosi che infastidivano coloro che usavano il carbone erano giustamente associati all'infragilimento del ferro da parte dello zolfo. Il metallurgista inglese John Percy , fa risalire l'uso del forno a riverbero in metallurgia a un brevetto concesso da Jacques VI e I st Jean Rovenzon nel 1613. Recupera i diritti di un brevetto Simon Sturtevant, che non era riuscito a portare a compimento l'idea:

“Si dice che Rovenzon 'praticò in modo soddisfacente' ciò che Sturtevant aveva promesso e non aveva mantenuto; ma non ci sono prove a sostegno del fatto. Il nuovo titolare del brevetto aveva composto un Trattato dei Metallica , "diverso da quello pubblicato da Simon Sturtevant sul suo brevetto". Rovenzon sembra essere l'inventore delle “stufe ingrandenti; fuochi di raffineria e predisposizione di locali caldaie [sic], in cui "i materiali da fondere o forgiare possono essere tenuti separati dal combustibile"; e descrive chiaramente la stufa riverberante. Conclude il suo piccolo trattato, annunciando che “[…] questa nuova invenzione (sua) […] produrrà“ gli stessi risultati con il carbone di mare e le sue nuove fornaci, se c'è una fabbrica adatta per stabilirvi la fornace ”. L'invenzione di cui parla è stata probabilmente l'uso della stufa a riverbero ... "

- John Percy, Trattato completo di metallurgia, t.  3 , p.  14-15

Il forno riverberante termine è menzionato nella chimica dei trattati o scultura del XVII °  secolo per designare un forno per fondere lo smalto o abbattere sostanze laboratorio, in cui la fiamma non è applicato direttamente al calore prodotto ma riverberava da una volta.

In metallurgia, forno a riverbero come la intendiamo noi appare oggi in Gran Bretagna , e più precisamente al confine tra Galles e l'Inghilterra nell'ultimo terzo del XVII °  secolo . Da quel momento si caratterizza per la separazione tra la stufa e il prodotto da riscaldare e da una canna fumaria alta che consente l'attivazione del caminetto a tiraggio naturale. Il combustibile preferito è il carbon fossile . Viene utilizzato sia per la metallurgia estrattiva (riduzione del rame o dei minerali di piombo, raffinazione del piombo contenente argento) sia per la rifusione del ferro (soprattutto vecchie pistole) per produrre oggetti stampati.

E 'stato utilizzato in Francia per la riduzione del vantaggio, ma già a partire dal 1730 , probabilmente con un legna di riscaldamento sparato  ; le temperature più basse ottenute in questo modo probabilmente spiegano perché in quel momento non veniva utilizzato per la fusione.

Dal 1750 , il forno a riverbero fu associato agli altiforni a coke per produrre grandi parti in ghisa (artiglieria, corpi cilindrici) in fabbriche come Carron (Scozia) o Bersham (Galles). Nel 1775 , la Marina francese fece intervenire un fabbro britannico, William Wilkinson , per costruire un forno a riverbero per la fabbricazione di artiglieria in ghisa: questa doveva essere la fonderia Indret . Successivamente furono costruite fornaci dello stesso tipo a Ruelle , ad Angoumois ea Creusot (Borgogna).

Costituzione

I forni a riverbero hanno assunto varie forme. I primi erano un miglioramento dei forni a pozzo. Consentivano l'uso di combustibili come il legno che produceva fiamme. Nei primitivi forni a riverbero le fiamme occupano l'intera cavità del forno e al centro vengono posti i materiali da riscaldare. Il miglioramento del forno a riverbero è consistito nel separare i combustibili dai materiali da riscaldare ed in particolare nell'effettuare il riscaldamento su un lato del forno. Pertanto, i combustibili e i materiali da riscaldare vengono separati. Questo, oltre a migliorare il riscaldamento, evita di mescolare i materiali metallici con i combustibili e quindi di inquinare o modificare il metallo. Il forno a riverbero è quindi costituito da un focolare dove viene bruciato il combustibile, e da un laboratorio dove vengono posti i metalli o minerali.

Costituzione di un forno a riverbero del XVIII ° al XIX °  secolo

Un forno a riverbero è costituito da quanto segue:

Il calore generato dalla combustione passa sopra l'altare, attraversa il laboratorio seguendo la volta e viene poi evacuato dal rampicante e dal camino.

Griglia

La griglia è presente solo nei forni che utilizzano combustibili solidi: carbone , legna. Supporta il carburante. La spaziatura delle barre e le loro forme permettono alla cenere di fluire nella parte inferiore chiamata posacenere, dove sarà facile rimuoverle. Questo spazio consente anche la circolazione dell'aria.

Le griglie possono essere orizzontali, inclinate o a gradini. La griglia orizzontale presenta il grande svantaggio del caricamento manuale discontinuo. Il "guidatore" deve aprire il vecchio modo per caricare il forno. Questa apertura fa raffreddare il forno. Grüner menziona un esperimento di confronto tra il funzionamento di un forno da parte di diversi operatori. Il risultato mostra una differenza del 25% nel consumo di carburante tra i vari operatori. Le griglie inclinate oa gradini possono essere alimentate automaticamente da un dispositivo posto all'esterno del forno che permette al carbone di scorrere per gravità o per azione di una persona.

L'altare

L'altare è il muro che separa il pavimento (e quindi i materiali da trattare) dal combustibile. A volte c'è qualche ambiguità sulla definizione esatta di questa parte. Gaspard Monge nel suo lavoro sulla fabbricazione dei cannoni lo definisce come: "... la parte della fornace su cui è posta la massa del metallo" e non come la separazione. Grüner lo chiama nel suo trattato sulla metallurgia il ponte o l' altare maggiore . L' altare (o il ponticello ) è una piccola diga che separa la suola dal rampante. Questa separazione esiste nel caso in cui la suola è concava e quindi impedisce al metallo liquido di fluire nella rampa.

L'altare è esposto ad alte temperature, quindi è realizzato con materiali refrattari . Opzionalmente può essere dotato di mezzi di raffreddamento. La sua altezza dipende dal suo utilizzo. Quando si vuole proteggere il metallo dalla fiamma ed evitare così un'azione chimica che ne modificherebbe la natura, si costruisce più in alto. Ma d'altra parte, il forno perde la sua efficienza calorifica.

Suola

Anche il focolare è realizzato in materiali refrattari. La sua natura, forma e dimensioni dipendono strettamente dall'uso del forno.

Per la puddling, dal 1818 , la suola è in ghisa raffreddata da acqua circolante. È ricoperto di scoria di base che migliora l'affinamento della ghisa.

Il fondo è piatto quando il forno viene utilizzato solo per il riscaldamento. È cavo (o concavo) quando il forno è destinato alla fusione del metallo. La forma può essere rettangolare, se l'operatore non ha alcuna azione da intraprendere durante il riscaldamento, oppure ovale se deve intervenire (caso di forni a budello).

In alcuni casi, il calore residuo viene utilizzato dopo il focolare dotando il forno di altri focolari o facendo passare il flusso attraverso caldaie a vapore.

La cassaforte

Utilizzare nella metallurgia

Il forno a riverbero può essere utilizzato per diversi tipi di operazioni come la tostatura (riscaldamento di sostanze solide come i minerali ), il riscaldamento o la fusione.

Industria dell'acciaio

In acciaio , il forno a riverbero è stato utilizzato in tutto il XIX °  secolo, nel metodo di affinatura , che trasforma il maiale ferro lavorando su un metallo riscaldato a diventare pastoso. Il processo viene abbandonato all'inizio del XX °  secolo, quando convertitori consentono sia la preparazione dell'acciaio fuso.

Agli inizi del XX °  secolo, il processo di Siemens-Martin appare. Permette di affinare il ferro fuso, consentendo la produzione di acciaio di buona qualità. Nel 1950, più della metà dell'acciaio mondiale è stato prodotto da questo processo, che è scomparso negli anni '80 quando si è diffuso il convertitore di ossigeno.

Metallurgia dei metalli non ferrosi

Il forno a riverbero viene utilizzato per la tostatura e per la fusione del minerale. In quest'ultimo ruolo compete con l' altoforno . Infatti, consente la fusione di minerali molto fini, come quelli provenienti da impianti di arricchimento del minerale, senza essere trascinati dai gas. Dalla fine del XX °  secolo, a causa dei vincoli ambientali, il forno a riverbero scompare gradualmente, sostituito da altri metodi come il flash fusione .

Rete metallica

Il forno a riverbero è particolarmente indicato per la tostatura di materiali polverulenti, che verrebbero trascinati dalla corrente gassosa se fossero trattati in un forno a pozzo, anche perché la loro permeabilità è insufficiente. Ma se il metodo ha portato alla fine del XIX °  secolo, era già obsoleto agli inizi del XX °  secolo. Infatti, essendo relativamente debole il contatto tra l'atmosfera calda e quella ossidante, la tostatura è lenta e incompleta, anche se il carico viene regolarmente restituito.

Torrefazione il forno a riverbero è quello di ampliare il forno uno strato di 8 a 10  cm di spessore e la bevanda (a mano XIX °  secolo, e quindi automaticamente all'inizio del XX °  secolo, come nel Edwards forno). Poiché solo lo strato superiore è sottoposto a tostatura ossidativa, è necessaria una spalatura manuale o una rastrellatura meccanica, ma questo spesso non è sufficiente per ottenere una tostatura rapida e completa. Inoltre i gas che derivano dalla tostatura (gas solforosi, ossidi di zinco,  ecc. ) Non vengono espulsi vigorosamente dal letto di materiale e tendono a rimanere negli spazi tra i grani (per adsorbimento ), cosa che ne penalizza la progressione. Ossidazione . Tuttavia, questo fenomeno è molto meno penalizzante nei forni a riverbero che in altri processi (forno a pozzo, tostatura in stalli o cataste,  ecc. ) Poiché i gas lasciano la carica più velocemente. Grazie alla sua flessibilità, il forno a riverbero, che consente il controllo della temperatura indipendentemente dal grado di ossidazione, è uno strumento popolare per la desolforazione dei minerali.

I forni a riverbero rimangono ostacolati dalla loro scarsa efficienza termica. Per migliorarlo e facilitare l'accesso al carico, il fondo dei forni grill è lungo e stretto. Nel XIX °  secolo, è di almeno 10 metri di lunghezza e più di 2 metri di larghezza. Ci sono due aree: l'area del riscaldamento, vicino al ponte del fuoco (o altare), e l'area del laboratorio, dove il materiale si riscalda lentamente, che è da 15 a 20 volte più grande. I materiali vengono spinti lungo il focolare, dal camino verso il focolare. Per facilitare il loro movimento, il pavimento è quindi talvolta inclinato, oppure è predisposto per un flusso a cascata (ripiano forno). Per avere una griglia ossidante, le prese d'aria sono aumentate. L'aria fredda, più densa, circola sotto i fumi, a contatto con la carica che si ossida. Ma se intendiamo trattare i fumi (ad esempio per recuperare lo zolfo), l'aria in eccesso deve essere limitata. In questo caso la rotazione frequente del prodotto steso sul focolare deve essere fatta meccanicamente, altrimenti l'accesso al carico provoca prese d'aria ricorrenti. Sono stati proposti molti sistemi, dai forni con ripiani inclinati in cui il carico precipita (forni Hasenclever  (de) ) ai forni con sistemi a griglia meccanica.

Come la maggior parte dei processi di tostatura, la sinterizzazione dovrebbe essere evitata per consentire una facile manipolazione del materiale. Ma per la tostatura dei minerali di piombo, è comune che la sinterizzazione, o anche la fusione, avvenga nella stessa fornace.

Fondere il minerale di rame o nichel in un opaco

Agli inizi del XXI °  secolo, il flash fusing per oltre il 60% della produzione di rame. È indispensabile davanti al forno a riverbero, prima per considerazioni ecologiche, poi per il risparmio energetico che consente. Durante lo shock petrolifero del 1973 , lo soppianta definitivamente.

Poiché il forno a riverbero brucia principalmente idrocarburi , fonde in un ambiente medio povero di ossigeno libero. Il matte è leggermente ossidato e quindi contiene poco rame, tra il 40 e il 50%. La resa è bassa perché il bagno essendo poco agitato, gli scambi termici sono meno efficienti. Buona invece la separazione tra il metallo e la scoria : la scoria, che contiene meno dello 0,6% di rame, non viene rilavorata. Infine, i fumi della combustione degli idrocarburi sono abbondanti e contengono meno dell'1% di SO 2 : questa concentrazione è troppo bassa per garantire una desolforazione economica e troppo alta per essere rilasciata in atmosfera.

Agli inizi del XXI °  secolo, il forno a riverbero sopravvive solo in alcune fabbriche. Pertanto, dei 30 forni a riverbero in funzione nel 1984, solo 10 sono ancora in funzione nel 2002. Viene utilizzato per fondere i minerali di rame, eventualmente contenenti zinco, in matte. Tale forno è lungo circa 40  m ed è costruito principalmente con refrattari acidi (a base di silice). Esso è dotato di una caldaia a recupero di calore, in grado di recuperare dal 35 al 50% del calore dai gas di combustione, che fuga dal forno a 1200  ° C . La scarsa efficienza termica del forno a riverbero è compensata dal fatto che si accontenta praticamente di qualsiasi combustibile. Ma “un grande svantaggio rende impossibile l'utilizzo di tali forni in un buon numero di regioni abitate: è l'enorme volume di fumo prodotto sia dalla combustione che dall'ossidazione dei solfuri. La spolveratura dei fumi è costosa e spesso incompleta, a causa del loro volume. Contengono SO 2 gasinquinante, ma in concentrazione troppo bassa per produrre acido solforico ” . Ad esempio, il camino dei forni a riverbero dell'Hudson Bay Mining and Smelting Co  (en) , a Flin Flon , è alto 250  m .

Una configurazione tipica di un forno a riverbero alla fine del XX °  secolo è quella di quelli utilizzati in fonderia Onahama ( Giappone ): 2 forni 9,73 x 33,55 x 3,69 m e 11,1 x 33,27 x 4,0 m , producendo 1000 tonnellate al giorno di matte al 43% di rame e la stessa scoria allo 0,6% di rame. Questi forni sono alimentati con minerale di rame concentrato e scorie di trasformazione Peirce-Smith in quantità equivalente. Il gas viene desolforato in un'unità che produce gesso .

Sviluppi attuali e futuri

Il forno di lampo che assicura, agli inizi del XXI °  secolo, il 50% della produzione mondiale del rame e il 30% della produzione di nichel, è una diretta evoluzione della lampada forno.

Note e riferimenti

Appunti

  1. La tostatura dei minerali di piombo solforosi è complessa. Se l'ossidazione è troppo vigorosa, si forma solfato di piombo (II) (PbSO 4 )), che è infusibile e difficilmente ossidabile. Viene quindi ridotto mescolandolo con un materiale carbonioso ( coke , carbone ,  ecc. ): PbSO 4 (s) + C (s) → PbO (s) + SO 2 (g) + CO 2 (g). Questo metodo che consiste nell'alternare ossidazione e riduzione del riscaldamento consente anche di eliminare l' arsenico e lo zinco presenti nel minerale.

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Bibliografia

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