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La présente invention a pour objet les procédés de coupe ou
découpe de matériaux dans lesquels on forme, à la sortie d'une buse de
coupe, un jet de liquide à haute pression.
Les procédés de coupe par jet de liquide, notamment de
liquide cryogénique, sont confrontés à un problème de cohérence du jet
de liquide, en raison notamment de l'apparition de phénomènes mal
contrôlés de couche limite à l'interface entre la périphérie du jet
liquide et son environnement, généralement fortement tourbillonnaire
en utilisation. Ces problèmes imposent des contraintes de mise en
oeuvre, notamment de vitesse de défilement, pour garantir l'abtention
de coupes en profondeur avec une largeur de saignée tolérable.
La présente invention a pour objet de proposer un nouveau
procédé de coupe permettant de conférer une meilleure cohérence au jet
de liquide sur une distance plus grande à la sortie de la buse, et
donc de permettre l'obtention de coupes plus rapides et plus soignées
et/ou une souplesse d'utilisation accrue.
Pour ce faire, selon une caractéristique du procédé selon
l'invention, on forme simultanément, dans la buse, un jet de gaz
autour du jet de liquide, la vitesse d'éjection du jet de gaz étant
supérieure à la vitesse d'éjection du jet de liquide, typiquement au
moins le double de la vitesse du jet de liquide. De préférence, le
liquide et le gaz ont la même composition.
L'obtention de jets homogènes de gaz est correctement
maîtrisable et permet ainsi de réaliser, autour du jet de liquide
central, un interface à vitesse d'écoulement parallèle limitant les
phénomènes de couche limite à la périphérie du jet liquide et assurant
ainsi à celui-ci une homogénéité et une cohérence convenables sur une
distance de plusieurs centimètres à la sortie de la buse.
Selon un aspect plus particulier de l'invention, convenant
pour la découpe rapide et en profondeur de matériaux métalliques, le
liquide et le gaz sont de l'oxygène.
L'oxycoupage avec jet d'oxygène liquide gainé par un jet
d'oxygène gazeux se révèle particulièrement intéressant en sidérurgie,
notamment pour la découpe de bandes ou de brames de métal directement
en sortie de coulée continue. En effet, la cohérence du jet liquide
: ' ~' ' ~
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étant augmentée sur une distance plus importante, on peut opérer avec
une distance buse de coupe/pièce à découper plus importante, ce qui
augmente la durée de vie de l'installation de coupe. Par ailleurs, la
présence d'un gainaye d'oxygène gazeux facilite grandement l'opération
d'amorçage en bord de bande ou de brame. D'autre part, en cas de
coupure accidentelle de l'alimentation en oxygène liquide, la coupe
peut se poursuivre, à vitesse certes plus réduite, avec le seul
oxygène gazeux.
La présente inven-tion a pour autre objet de proposer un
dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, du type
comprenant une buse de coupe comportant un premier canal débouchant
dans un orifice d'éjection et des moyens pour alimenter le premier
canal en liquide sous pression, dans lequel la buse comporte un
deuxième canal formé concentriquement autour du premier canal et
déboîtant dans l'orifice d'éjection, des moyens étant prévus pour
alimenter le deuxième canal en gaz sous pression.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront de la description suivante de modes de
réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement lim-itatif,
faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un disposi-tif pour
la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et
- les figures 2 et 3 sont deux variantes de réalisation de
la buse de la coupe de la figure 1.
On a représenté sur la figure 1 une installation de découpe
par jet liquide comprenant une buse de coupe 1 dans laquelle est formé
un canal 2 d'éjection de gaz sous pression. Pour obtenir une grande
vitesse de sortie sans éclatement du jet gazeux, le canal 2 présente,
au voisinage de son orifice d'éjection 3, un profil intérieur
convergent-divergent, définissant un col de section réduite 4,
communément appelé tuyère de Laval. Dans le canal 2 est disposée,
concentriquement et coaxialement, une tubulure centrale S définissant~
en amont de l'orifice d'éjection 3, un canal interne 6 de petite
dimension transversale. Typiquement, l'extrémité d'éjection 7 du canal
6 est située en amont de l'orifice d'éjection 3 de la buse 1.
;
, .
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Le canal 2 est alimenté, par une canalisation 8, en un gaz
sous pression provenant d'un réservoir de ga~ 9, mis en pression, si
nécessaire, par un compresseur 10. Pareillement, le canal 6 est
alimenté, par une canalisation 11, en un liquide sous pression
provenant d'un réservoir de liquide 12 et mis en pression par une
pompe 13. On comprendra que le jet de liquide à haute pression 14
émergeant de l'extrémité d'éjection 7 du canal 6 est entouré
concentriquement par un jet tubulaire coaxial de gaz 15 émergeant de
l'orifice d'éjection 3 de la buse l à une vitesse supérieure à celle
des particules l;quides du jet 14, libérant ce dernier des problèmes
d'interface avec l'atmosphère environnante.
Le procédé selon l'invention trouve une application
particulièrement avantageuse pour l'oxycoupage en pro~ondeur à grande
vitesse de matériaux métalliques, tels que lingots, brames ou plaques,
notamment directement en sortie de coulée continue ou à froid. Dans ce
cas, le liquide sous haute pression est constitué d'un liquide ou d'un
mélange de liquide combustible, de préférence de l'oxygène liquide ou
d'un mélange liquide d'oxygène et d'ozone, le gaz sous pression
délivré par la canalisation 8 étant dans ce cas de l'oxygène gazeux.
La canalisation 11 est munie d'un gainage isolant, par exemple à
gainage sous vide et/ou à circulation de liquide cryogénique tel
l'azote liquide. La pression de l'oxygène liquide alimentant le canal
6 est supérieure à lO MPa, la pression de l'oxygène gazeux alimentant
le canal 2 étant supérieure à 0,15 MPa pour obtenir une vitesse
d'éjection sonique ou supersonique du jet de gaz, alors que la vitesse
du jet de liquide demeure inférieure à 200 m/s. Typlquement, la
pression de l'oxygène liquide est supérieure à 30 MPa, typiquement de
l'ordre de 40 à 50 MPa, la pression de l'oxygène gazeux étant alors
supérieure à 0,5 MPa, typiquement de l'ordre de 0,7 à 0,8 MPa.
Selon un aspect particulier de l'invention, comme représenté
sur les figures 2 et 3, pour effectuer une préchauffe du matériau
métallique à découper et promouvoir un effet mixte mécanique et
chimico-thermique de l'oxygène liquide éjecté, la buse l comporte une
série de troisièmes canaux 16, disposés concentriquement autour des
canaux 2 et 6 et convergeant vers l'orifice d'éjection 3 de la buse l,
, .
4 ~3~0
au-tour duquel ils débouchent en une couronne d'oriFices d'éiection
circulaire 17. Les troisièmes canaux 16 sont alimentés, par des
canalisations 18, 18' en gaz oxycombustibles, par exemple de l'oxy-
butane, de l'oxy-propane, de préférence une association d'oxygène et
d'un composé de propylène et de méthyl-acétylène commercialisé sous
l'appellation "Tétrène" ou une association d'oxygène et d'un composé
d'éthylène et d'acétylène commercialisé sous l'appellation "Crylène",
sous une pression typiquement comprise entre 20 KPa et 50 KPa. Dans ce
cas, le composé "Crylène" étant disponible sous forme liquide, on
envisagera avantageusement le gainage de la ligne d'oxygène liquide 11
par un conduit de "Crylène" liquide, pour permettre une super-
isolation de la canalisation d'oxygène liquide et une pré-vaporisation
du composé "Crylène" à son entrée dans la buse 1.
L'angle divergent de la tuyère de Laval est typiquement
compris entre 3 et 7 degrés. Dans l'application où le liquide et le
gaz sont de l'oxygène, le diamètre D du col sonique 4 est
avantageusement compris entre 1,6 et 3,2 mm, le diamètre d du canal 6
d'oxygène liquide étant compris entre 0,3 et 0,4 mm.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, pour
s'a-ffranchir des problèmes de dimensionnement relatifs de la tubulure
5 et du col 4, la tubulure 6 est raccourcie de fa~on que son extrémité
d'éjection 7 soit située en amont du col 4, ce qui Favorise, au niveau
de ce dernier, une légère mise en vitesse du jet de liquide en offrant
un débit accru de ga~ de gainage. Dans ce cas, le diamètre D du col 4
peut être réduit à une valeur inférieure à 1 mm, ce qui permet de
réduire encore le diamètre effectif des jets 14 et 15 et donc de
réduire les largeurs de saignée.
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