Brevet FR2349386A1 — publié le 19771125

La présente invention concerne un dispositif a lance qui permet d'obtenir de hautes températures concentrées pour le déooupage de gr^indes masses e matériaux de genres divers, en particulier de masses ferreuses de fonte ou autres, de ferrailles, de scories de fusion et analogues. Dans de nombreux secteurs techniques, il se pose le problème de découper de grandes masses de matériaux aux calibres de moindres dimensions, en vue de leur manipulation ou de leur réutilisation conséoutive. I1 en est ainsi, a titre d'exemple dans le cas des fonda de coulée en métallurgie du fer, en vue de récupérer le fer, des grosses masselottes à séparer des produits coulés en moulea dans la fonderie de l'acier} de la démolition de grandes masses ferreuses ou de mitrailles de fonte ou dtacier afin de les réduire aux calibres requis par les hauts fourneaux. On ne doit pas considérer que les remarques précitées au sujet du domaine de la métallurgie visent à limiter les secteurs dans lesquels le problème spécifié ci-dessus est ressenti: on peut encore évoquer les démolitions de structures en matériaux divers, par exemple des réfractaires, des bétons à armatures correspondantes et analogues. Depuis quelques années, dans le but de résoudre le problème précité, on a diffusé sur le marché les "lances thermiques" ainsi dénommées. Lesdites lances sont des outils qui apportent dans la zone de coupe de très fortes quantités d'oxygène sous pression. Elles sont habituellement formées par un tube en acier à l'intérieur duquel est fourni de l'oxygène. Une fois le processus de coupe amorcé par un moyen connu quelconque, qui déclenche la fusion du matériau dans la zone d'attaque de la coupe, la lance envoie sur ladite zone un puissant iet d'oxygène qui permet de maintenir la coupe amorcée. Le tube de la lance subit une fusion et son acier constitue la matière rapport dans la zone de coupe, qui est particulièrement nécessaire lorsqu'on doit procéder à la réduction de la teneur en carbone dans la fonte. En vue d'augmenter l'acier d'apport, on a imaginé dans le passé d'introduire dans le tube de la lance des baguettes de matières à base d'acier, ou encore formées par des cibles à brins entrelacés.Les résultats qui peuvent être obtenus dans lesdits types de lances se sont dès le début avérés intéressants par rapport au: systèmes courants de coupe utilisés dans le passé (par esgsple, le chalumeau oxyacétylénique) mais ils ont comporté des limites notables tant en ce qui concerne la consommation de la lance que la température assez peu élevée pouvant être atteinte, sans parler de la vitesse de coupe, encore insatisfaisante. Au cours de l'évolution des lances thermiques, on a opté pour une première forme dans laquelle on a imaginé d'adjoindre à la gaine tubulaire en fer, et à l'intérieur de celle-oi, un câble en un matériau fortement réducteur, tel que l'aluminium, le magnésium ou analogues. On a en effet pensé à exploiter la grande affinité de l'aluminiums du magnésium et similaires, pour l'oxygène et leurs fortes propriétés réductrices: les réactions exothermiques observées représentent en effet d'après les graphiques la voie à suivre pour obtenir des rendements de coupe suffisamment élevés. Un exemple de lance du type évolué précité est donné, selon une vue en coupe, dans la figure 2 des dessins annexés (la figure 1 repue sentant le type primitif, formé par la simple gaine métallique). On a indiqué par I la gaine tubulaire extérieure en fer ou analogues et par 2 les torons du câble en aluminium formant la matière d'apport réductrice, qui caractérisent ledit type de lances rencontrées en pratique mais présentant toutefois une série d'inconvénients qui ont conduit à renoncer à leur emploi généralisé auquel on devait pourtant s'attendre en se basant simplement sur les calculs théoriques. En premier lieu, se pose en effet le problème de pouvoir disposer de câbles à brins entrelacés en aluminium, qui ne sont pas touJours aisément disponibles sur le marché et qui créent par suite un problème d'approvisionnement: problème qui s'accompagne de celui, d'importance considérable, du cott élevé des cables en aluminium qui tend à déconseiller leur emploi dans les lances thermiques, si l'on tient compte de leur consommation élevée. Un second problème est inhérent à la nécessité d'introduire le cable en aluminium de façon qu'il soit solidement maintenu à l'intérieur de la gaine tubulaire, en s'y trouvant convenablement calé: une telle opération demeure problématique et ceci d'autant plus si l'on songe au fait que de l'oxygène sous haute pression circule à l'intérieur du tube et tend à faire glisser le câble par rapport à la gaine. Mais il existe un autre inconvénient, encore plus grave, qui concerne le bon fonctionnement mSme de la lance ainsi conçue: comme mentionné ci-dessus, le câble intérieur doit être li à la gaine extérieure.Ceci implique que ledit cale ait un diamètre extérieur du même ordre que le diamètre intérieur de la gaine, de sorte que la section utile pour le passage de l'oxygène se trouve en pratique fortement réduite. Plus particulièrementa l'oxygène ne parvient pas à passer à l'intérieur du câble et se trouve envoyé presque uniquement dans les interstices exigus (indiqués par 3) subsistant entre le cible et la gaine.La conséquence immédiate de cette situation réside dans le fait que ce sont presque uniquement les couches les plus extérieures du câble en aluminium qui participent à la réaction exothermique de réduction, tandis les parties les plus voisines de l'âme du câble y participent peu ou nullement. Ceci signifie, en d'autres termes que la consommation de la lance n'est pas uniforme, mais qu'elle est circonscrite au fer et aux dites couches extérieures, tandis que l'âme du câble se consume beaucoup moins. Il est ainsi aisément compréhensible, qu'après une courte période d'utilisation, la lance présente une partie centrale du caabîe en aluminium non consumée, qui pend par suite hors de la partie restante (en particulier hors de la gaine), ce qui rend ainsi extrêmement difficile la mise en oeuvre du découpage par l'emploi d'un tel équipement. D'après tout ce qui vient d'être mentionné ci-dessus, il appsrait de façon évidente que les lances du type à matière d'apport sous forme de câbles à brins entrelacés bloqués ou calés de quelque façon que ce soit à l'intérieur de la gaine, présentent une foule d'inconvénients s'opposant à leur efficacité théorique apparente. D'autre part, l'industrie éprouve constarnrnent le besoin de perfectionner les lances thermiques jusqu'alors disponibles, pour diminuer leur coat, en accroître la maniabilité, mais encore surtout obtenir la vitesse de coupe la plus élevée possible sous l'effet d'une réaction emotherique de rendement élevé. L'invention se situe dans le secteur technique précité et elle a précisément pour but de réaliser une lance thermique de type perfectionné destinée à dépasser nettement les performances des lances connues jusqu'à présent, en y ajoutant une nette diminution des colts de fabrication, des consommations en matières et énergies, de l'emploi de main d'oeuvre et du temps de coupe. Les buts précités ainsi que d'autres qui apparaîtront clairement dans ce qui suit sont atteins avec une lance à découpage thermique comprenant une gaine tubulaire extérieure dans laquelle est envoyé de l'oxygène sous pression X ladite lance localisant uns réaction entre l'oxygène et un matériau fortement réducteur entrant dans la constitution de la lance, celle-ci étant caractérisée par le fait que ledit matériau fortement réducteur constitue ladite gaine et qu'à l'intérieur se trouve logé, coaxialement à la gaine, un second élément essentiellement tubulaire, de préférence à base de fer, concourant à la réaction exothermique. D'autres caractéristiques et avantages seront mieux compris à la lecture de la description suivante d'une lance de l'invention, donnée à titre d'exemple sous une forme d'exéoution préférée, mais non exclusive, en référence aux dessins annexes, dans lesquels: Les figures I et 2 illustrent comme mentionné ci-dessus les solutions courantes adoptées jusqu'alors, décrites dans l'introduction; La figure 3 représente une vue schématique, donnée a titre indicatif, d'un équipement prévu pour l'emploi de la lance, et également de type courant; La figure 4 représente enfin une vue en coupe d'une lance de l'invention dans l'une de ses formes d'exécution possibles préférée, la coupe étant effectuée selon la ligne IV-IV de la figure 3. L'installation utilisant une torche selon l'invention est, comme mentionné ci-dessus, de type courant. Elle se compose d'une source d'oxygène 4, qui peut comprendre une ou plusieurs bouteilles, ou être constituée par une distribution autonome selon la puissance et les nécessités de l'installation. A travers un réducteur de pression 5 et une soupape de manoeuvre 6, l'oxygène parvient, d'une manière avantageuse, à un préchauffeur 7 (qui pourrait toutefois être aussi bien omis). L'oxygène préchauffé traverse un tube flexible 8 résistant à la chaleur, isolé et protégé thermiquement, pour éviter les pertes de chaleur et pour assurer la sécurité du personnel. Ledit tube se termine par un raccord 9 d'étanchéification hermétique et de blocage sar du branchement de la torche 10 représentée sous forme de tube cylindrique, contre un désengagement éventuel. Ledit raccord 9 est muni d'un robinet à oswgène, pour permettre le replacement de la torche, aLors que la régulation du débit d'oxygène est effectuée par l'intermédiaire du réducteur 5. Jusqu'au point qui vient d'entre mentionné, l'installation est classique. Par contre, la nouveauté de l'invention réside dans la structure de la torche 10, illustrée en coupe transversale, selon la ligne IV-IV de la figure 3, dans la figure 4. En substance, la lance se compose d'une gaine extérieure Il en aluminium et d'une aine 12 également tubulaire, en fer, intérieure et concentrique à la gaine il. Les deux constituants précités sont dimen sonnés de façon convenable, ainsi qu'on le précise ci-après, pour laisser de toute manière, en plus du passage central 13, un interstice 14 assimilable, en premiers approximation, A une couronne cylindrique. On peut prévoir plusieurs moyens pour assurer la présence dudit interstice, suivant les besoins.Dans la solution la plus immédiate, les éléments Il et 12 peuvent être simplement deux tubes, de fabrication classique et disponibles sur le marché, que l'on soumet à un centrage, par exemple à l'aide de vis de fixation radiales. De nombreuses autres solutions sont toutefois possibles, parmi lesquelles celle qui est illustrée dans 12 figure 6 dans laquelle on peut voir que la gaine il en aluminium a été extrudée en présentant, des appendices 15, distribués sur la surface intérieure du tube 11, qui exercent la fonction de cales d'écartement. Une légère percussion effectuée éventuellement par l'extérieur sur le tube permet, par suite d'une légère déformation ainsi créée, de bloquer solidement entre eux les tubes 11 et 12. On peut constater immédiatement qutil est très simple de se procurer les deux tubes nécessaires ou de les produire de façon économique (ce qui aboutit à un faible cobt de la lance), que leur positionnement mutuel est très facile, et qu'une lance selon l'invention est plus légère, pour un même diamètre, par rapport à celles de type classique illustrées dans les figures 1 et 2. Il est toutefois également évident que l'agencement de la lance de l'invention permet d'éliminer les obstacles au libre passage de l'oxygène qui occupe ainsi toute la section de la lance, concourant ainsi uniformément à l'action de coupe, avec une consommation également uniforme. On peut encore constater de manière surprenante que la disposition adoptée (avec la gaine extérieure en aluminium) entraîne un rapport entre les constituants prenant part à la réaction exothermique qui avoisine le rapport idéal correspondant au rendement thermique le plus élevé.En tenant compte également à cet égard du fait que ledit matériau du bloc à découper (par exemple lorsqu'il continent du fer) interviens dans la réaction (c'est-a-dire que l'on rend optimal le rapport aluminium/fer pour l'obtention d'une réaction hautement exothermique) et aussi du fait que l'aluminium est placé à l'extérieur de la lance, à savoir entre le fer à découper et le fer du tube intérieur, la position géométrique des trois éléments Fe-Al-O-Fe-O se trouve finalement parfaitement équilibrée On a effectué des essais comparatifs de mise en oeuvre des lances des trois types représentés dans les figures 1, 2 et 4.Dans tous les trois cas, on a utilisé au départ des lances d'une longueur de 3 mètres, alimentées en oxygène sous 9 atmoaphères. La section transversale desdites lances est de 3/8 gas. Âvec chacune de ces différentes lances, on a découpé des blocs égaux de même section s' élevant à 2640 cm2 et de même épaisseur s'élevant à 24 cm. Les résultats obtenus sont reportés dans les tableaux suivants. TABLEAU I Gaine en fer Gaine en Fe Gaine en Al et câble en et tube Al coaxial en Fe Poide de la lanoe par m.linéaire 800 g 900 g 700 g Temps nécessaire pour le découpage du bloc de 24 cm x 110 cm n 2640 cm 2 15 minutes 13 minutes 11 minutes Surface découpée par heure de travail 10.560 cm2 12.185 cm2 14.400 am2 Surface découpée par m. linéaire de lance consommée 2237 cm2 277 cm2 2778 cm2 Consommation d'oxygène par unité de surface découpée (en litres) 15,15/cm2 0,2/cm2 7,57/cm2 Largeur de coupe 8 cm 6 cm 5 cm Poids de fer détruit par cm2 de coupe 62,24 S c2 46,80 g/os2 39 g/om2 En oomparant les valeurs prises dans le tableau ci-dessus, on peut déduire les données figurant dans le tableau Il ci-après, pour les deux types de lance exothermique, en ce qui conoerne les variations en pourcentages du rendement par rapport aux gaines classiques en fer (tube de 3/8 gas en Fe). TABLEAU II Gaine en fer Gaine en Pe Gaine en AI (base 100) et câble en et tube AI coaxial en Fe Diminution du temps de coupe pour une section de coupe égale effectuée 100 -13,33% -26,66% Augmentation de la surface découpée par m de lance consommée 100 -87,61% +24,18% Gaine en fer Gaine en Pe Gaine en Al (base 100) et câble en et tube Ai coaxial en Fe Diminution de la consommation d'oxygène par unité de surface découpée 100 -98,67% -49,50% Diminution de l'épaisseur de coupe 100 -25% -37,50* Diminution de la destruction du fer 100 -24,80% -37,33% Les écarts correspondants en pourcentages du coût de travail (selon les prix en cours) entre la lance de l'invention et celles du premier et respectivement du second types, sont reportés dans les tableaux III et IV suivants:: TABLEAU III Ecarts en pourcentages entre les coûts de travail par utilisation respective de la lance de l'invention par rapport à la lance du type à tube de fer vide: Main d'oeuvre -8,33% Lance +32,75% Oxygène -50 % Fer détruit -35,89% Economie globale (économie pondérée) obtenue dans l'exécution du travail 40,26% TABLEAU IV Ecarts en pourcentages entre les coûts de travail par utilisation de la lance de l'invention par rapport à la lance du type à tube de fer à intérieur constitué par un cable en Al:: Main d'oeuvre -19,49% Lance -93,6 Oxygène +3688% Fer détruit -14,74% Economie globale (économie pondérée) obtenue dans ltexécution du travail 22,23% D'après les résultats précités, il parait évident que la lance de l'invention constitue un progrès technique essentiel qui est rchaussé par les considérations déjà présentées ci-dessus au sujet de son court nettement plus réduit par rapport à celui de la lance du second type précité, et de sa plus grande maniabilité dérivant de son moindre poids pour une gaine de même diametre. L'invention peut être mise en oeuvre suivant de nombreuses modifi- cations qui apparaitront de façon évidente aux spécialistes du secteur technique considéré, tant en ce qui concerne les détails de corstruction que le choix des matériaux, sans pour autant sortir du cadre et de l'esprit de ladite invention. Par exemple, lorsqu'on désire découler de la fonte au lieu de fer, il est alors nécessaire de faire varier les rapports entre Al et Fe, dans le sens d'une augmentation du second desdits éléments. On peut obtenir entre autres un tel résultat - sans qu'il faille intervertir les matériaux de la gaine et respectivement du tube - en diminuant l'épaisseur de la gaine 11 en aluminium, ou en augmentant celle du tube 12 en fer. En particulier, la réaction exothermique de la lance de l'invention pouvant être considérée comme achevée et complète même avec les éléments mêmes qui sont présents dans la lance (Fe-Al-O), du fait que ltair ambiant ne prend pas part à la réaction, on peut comprendre que la même lance peut être appliquée sans difficulté à des travaux sous-marins. REVENDICATIONS t) Lance pour le découe exothermique de matériaux comprenant une gaine tubulaire extérieure dans laquelle est envoyé de l'oxygène sous pression, ladite lance localisant une réaotion exothermique entre l'oxygène et un matériau fortement réducteur entrant dans la constitution de la lance, ladite lance étant caractérisée par le fait qu'à l'intérieur de celle-ci, et coaxialement à la gaine, se trouve logé un second élément essentiellement tubulaire creux, concourant à la réaction exothermique. 2) Lance selon la revendication 1, caractérisée par le fait, que ladite gaine est constituée par le matériau fortement réducteur et que ledit élément tubulaire creux est constitué par un matériau à base de fer. 3) Lance selon la revendication I ou 2, caractérisée par le fait que la gaine et l'élément essentiellement tubulaire définissent, outre le passage intérieur audit élément tubulaire, un interstice entre eux. 4) Lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractériste par le fait que l'interstice présente sensiblement la forme d'une couronne cylindrique. 5) Lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la gaine et l'élément tubulaire coaxial sont calés par des moyens de positionnement coaxial réciproque,