Brevet FR2658748A1 — publié le 19910830

CDES Ri PTION La présente invention a pour objet les procédés de coupe ou découpe de matériaux par jet de liquide dans lesquels on forme, à la sortie d'une buse, un jet de liquide à haute pression. Les procédés de coupe de ce type, utilisant initialement de l'eau came liquide de coupe, mettent en oeuvre des pressions de liquide élevées, supérieures à i 5 M Pa (soit 150 bars), pouvant atteindre, avec les ponpes de très haute pression actuellemrent disponibles, des pressions de l'ordre de 400 i Pa Outre les problèmes d'usure au niveau de la buse, en raison des hautes vitesses d'éjection du liquide, les procédés de coupe par jet de liquide sont confrontés à un problème de cohérence du jet de liquide pour éviter sa dispersion sans devoir élargir de façon importante le diariètre de sortie du canal d'éjecticnr, en raison 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, notamment pour la découpe de matériaux à forte valeur ajoutée, des contraintes de mise en oeuvre pour garantir l'obtention de ccupes en profondeur avec une largeur de saignée tolérable. La présente invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de coupe par jet de liquide 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'extension du procédé à de nouveaux domaines de coupe ou de découpe de matériaux divers. Pour ce faire, selon une caractéristique du procédé selon I'invention, on forme sirrmultanémrrent, dans la buse, un jet de gaz à moyenne pression autour du jet de liquide à haute pression. L'obtention d'un jet homogène de gaz à moyenne pression est actuellement correctement maîtrisée et permet ainsi d'assurer, autour du jet de liquide central à haute vitesse, un interface à vitesse intermédiaire lirmitant 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 l'orifice d'éjection de la buse. Selon un aspect de l'invention, pour la découpe de matériaux non métalliques ou de tôles minces, le liquide est avantageusement de l'eau, éventuellement chargée en liants/abrasifs, à une pression supérieure à 100 M Pa, typiquement supérieure à 200 Wi Pa, le gaz étant de l'air ou un gaz neutre à une pression supérieure à 0,5 M Pa, pouvant atteindre 2 N Pa Selon cet aspect de l'invention, le procédé proposé limite les problèmes d'interface entre la buse d'éjection et le ratériau à découper, et notanment les projections en retour du liquide vers la buse. Selon un aspect plus particulier de l'invention, convenant pour la découpe rapide et en profondeur de matériaux métalliques, le liquide sous pression est un liquide ou un mélange de liquides combustibles, avantageusement de l'oxygène liquide, le gaz de gainage étant un gaz ou un mrelange de gaz carombustibles, typiquement de l'oxygène gazeux. Selon cet aspect de l'invention, I'oxycoupa e classique, avec apport d'oxygène sous seule forme gazeuse, est très grandement amélioré par l'énergie cinétique du jet d'oxygène liquide qui, avec l'aide d'une flamme de chauffe et de la chaleur produite par la ccrbustion du métal découpé, se vaporise partiellement dans la saignée et contribue à promouvoir une coupe thermique à très grande vitesse avec très peu de perte en oxygène de coupe L'oxycoupage avec jet d'oxygène liquide gainé par un jet d'oxygène gazeux se révèle particulièren-ent intéressant en sidérurgie, notar Tment pour la découpe de bandes de r nétal directement en sortie de coulée continue En effet, la cohérence du jet liquide étant augmentée sur une distance plus importante, on peut opérer avec une distance buse d'injection/pièce à découper plus importante, ce qui augmente la durée de vie de l'installation de coupe D'autre part, la présence d'un gainage gazeux facilite grandement l'opération d'amorçage en bord de bande ou de brame Enfin, en cas de coupure accidentelle de I'alimentation en oxygène liquide, la coupe peut se poursuivre, à vitesse certes plus réduite, avec le seul oxygène gazeux. La présente invention a pour autre objet de proposer un dispositif pour la mise en oeuvre des procédés ci-dessus, du type comprenant une buse formée avec un premier canal et des moyens pour alimenter le premier canal en liquide sous haute pression, dans lequel la buse comporte en outre un deuxième canal formé concentriquement autour du premier canal, et des moyens 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, donnés à titre illustratif nais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un vue schénatique d'un dispositif 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 coupe de la figure 1. Dans la description qui va suivre, et sur les dessins, les élàïents identiques ou analogues sont repérés par les rmêmers chiffres de référence. Cn a représenté sur la figure 1 une installation de découpe par jet liquide comprenant une buse de coupe I clns laquelle est formé un canal 2 d'éjection de gaz scus pression Pour obtenir une grande vitesse de sortie sans éclatenent du jet gazeux, le canal 2 présente, au voisinage de son orifice d'éjection 3 un profil intérieur convergeant- divergeant définissant un col de section réduite 4, communément appelé tuyère de Laval Dans le canal 2 est disposée, concentriquement, une tubulure centrale 5 définissant, au niveau de l'orifice d'éjection 3 de la buse 1, un canal interne G de petite dimension transversale 6 Typiquement, iorifice d'éjection 7 du canal 6 est situé dans le canal 2, en amont de l'orifice d'éjection 3 de ce dernier. Selon un aspect de l'invention, le canal 2 est alimenté par une canalisation 8 en un gaz sous pression provenant d'un réservoir de gaz 9, mis en pression, si nécessaire, par un cowpresseur 10 Pareillient, 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 & corprendra que le jet de liquide à haute pression 14 émergeant de l'orifice d'éjection 7 du canal 6 est entouré concentriquement par un jet annulaire de gaz 15 émergeant de l'orifice d'éjection 3 du canal 2 à une vitesse intermédiaire entre celle des particules liquides du jet 14 et Il'atmosphère environnante. Pour la découpe à froid de matériaux, tels que les matériaux plastiques, le cuir eu les tissus, le liquide fourni par la canalisation 11 peut être de l'eau, éventuellement chargée en fibres polymères et/ou particules abrasives, ou de l'azote liquide Selon la cureté du matériau à découper et la vitesse de coupe, la pression de liquide fournie par la pompe 13 est supérieure à 15 W Pa, typiquement supérieure à 50 Mv Pa, jusqu'à 300 ou 400 &Pa, la pression du gaz accompagnateur étant supérieure à 0,5 N Pa, typiquement entre 1 et 3 M Pa. Le procédé selon l'invention trouve une application particulièrenent avantageuse pour l'oxycoupage en profondeur et à grande vitesse de matériaux rrtallicues et notamnent de lingots, de brames, ou de plaques directement en sortie de coulée continue Dans ce cas, le liquide sous haute pression est constitué d'un liquide ou d'un miélange de liquides cotrbustibles, plus particulièrement de l'oxygène liquide ou d'un mélarnge liquide d'oxygène et d'ozone Le gaz sous pression délivré par la canalisation 8 est typiquement, dans ce cas, de l'oxygène gazeux Comnme précédeieent, la pression de liquide est supérieure à 15 N Pa, typiquement supérieure à 50 v Fa, de préférence entre 100 et 400 Nia, la pression de I'oxygène gazeux étant supérieure à 0,5;'Pa, typiquement entre I et 3 N Fa, de préférence au voisinage de 2 M Pa Comme représenté sur les figures 2 et 3, pour effectuer une préchauffe du matériau rmétallique à découper et promouvoir l'effet mixte mécanique et thermique de l'oxygène liquide éjecté, la buse comnporte une série de troisièmes canaux 16, disposés concentriquement aux canaux 2 et 6 et convergeant vers l'orifice d'éjection 3 du canal 2, autour duquel ils débouchent en une couronne d'orifices d'éjection circulaire 17 Les troisièes canaux 16 sont alimentés, par des canalisations 18,18 ' en gaz oxy-combustibles, par exemple de l'oxy-butane, de l'oxy-propane, de préférence une association d'oxygène et d'un ccrrposé de propyléne et de méthyl- acétylène corrmercialisé sous l'appellation Tétrène, ou une association d'oxygène et d'un composé d'éthylène et d'acétylène coarmercialisé sous l'appellation Crylène, sous une pression typiquement comprise entre 20 k Pa et 50 k Pa. L'alngle divergent de la tuyère de Laval est typiquement coarpris entre 3 et 7 degrés. Dans l'application o 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 millirrètres, le diamètre d du canal 6 d'oxygène liquide étant compris entre 0,3 et 0,4 millimètres, ce qui, pour une pression d'oxygène liquide de 80 Mia, correspond à un débit d'éjection de un litre par minute, la pression de l'oxygène gazeux dans le canal 2 étant de l'ordre de 1,5 M Pa. Connme représenté sur la figure 3, pour s'affranchir des problèmes de dimensionnements relatifs de la tubulure 5 et du col 4, la tubulure 6 est raccourcie de façon que l'orifice d'éjection 7 du canal 6 soit situé en amont du col 4, ce qui favorise, au niveau de ce dernier, une remise en vitesse du jet de liquide en offrant un débit accru de gaz de gainage Dans ce cas le diarmètre du col 4 peut être réduit à une valeur inférieure à 1 millimètre, ce qui permet de réduire le diarrétre effectif des jets 14 et 15. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à i 'ho Trme de l'art. REVENDICATIONS 1 Procédé de coupe par jet de liquide, dans lequel on forme, à la sortie d'une buse ( 1), un jet de liquice à haute pression ( 14), caractérisé en ce qu'on forme simultanément, dans la buse ( 1), un jet de gaz à moyenne pression ( 15) autour du jet de liquide. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est amené ( 11) à la buse ( 1) à une pression supérieure à 15 t Pa. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide est amené ( 11) à la buse ( 1) à une pression supérieure à 50 Iv Pa. 4 Procédé selon l'une des reverndications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz est merné ( 8) a la buse ( 1) à une pression supérieure à 0,5 M Pa. Procédé sel Ion l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide est de l'eau. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide est un matériau liquide combustible. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le liquide est de I'oxygène. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz est de l'air. 9 Procédé selon l'une des revendications i à 5, caractérisé en ce que le gaz est un gaz neutre. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le gaz est un gaz ou un mélange de gaz coibustibles. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le gaz est de l'oxygène. 12 Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau à découper est simultanément chauffé par une flan Tme. 13 Dispositif pour la mise en oeuvre du proceédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant une buse ( 1) formée avec un premier canal ( 6), et des moyens ( 11,12,13) pour alimenter le premier canal ( 6) en liquide sous haute pression, caractérisé en ce que la buse ( 1) comporte un deuxième canal ( 2), formé concentriquement autour du premier canal ( 6), et des moyens ( 8,9,10) pour alimenter le deuxième canal ( 2) en gaz sous pression. 14 Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le deuxième canal ( 2) forme un convergent-divergent. Dispositif selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce que le premier canal ( 6) débouche dans le deuximne canal ( 2) en amont de l'erbouchure d'éjection ( 3) du deuxièmre canal ( 2). 16 Dispositif selon la revendication 14 et la revendication 15, caractérisé en ce que le premier canal ( 6) débouche dans le deuxière canal ( 2) en amont du col ( 4) du convergent-divergent. 17 Dispositif selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que la buse ccrporte au moins deux troisièmes canaux ( 14) d'amenée de gaz oxy-car Lustibles de chauffe débouchant ( 17) à l'extérieur de la buse ( 1), à distance de l'embouchure d'éjection ( 3) du deuxième canal ( 2).