Brevet FR2685035A1 — publié le 19930618

DISPOSITIF DE MONTAGE DE DEUX PIECES EN MATERIAUX A COEFFICIENTS DE DILATATION DIFFERENTS, SOUMISES A DE8 VARIATIONS DE TEMPERATURE ELEVEES La présente invention a trait à un dispositif d'assemblage l'une sur l'autre de deux pièces constituées dans des matériaux ayant des coefficients de dilatation de valeur substantiellement différente et susceptibles de subir des variations de température élevées, de l'ordre de plusieurs centaines de degrés centigrades de nature à entraîner des dilatations différentielles engendrant des contraintes pouvant être préjudiciables à l'une et/ou l'autre des pièces. L'invention vise plus spécifiquement le montage d'une plaque d'un matériau réfractaire sur une paroi métallique et plus particulièrement encore le montage d'une plaque dite "sole chaude" dans un divergent de tuyère à plasma, mais il est évident qu'elle peut s'appliquer plus généralement au montage de plaques, planes ou non, de revêtement d'une paroi, soit intérieure, telle qu'une paroi de conduit ou d'enceinte, soit extérieure, et dont les matériaux respectifs, des plaques de garnissage et de la paroi réceptrice, sont appelés à subir des variations de température très importantes. La sole chaude d'une tuyère à plasma est une plaque plane en matériau réfractaire tel qu'une mousse de silice par exemple, disposée dans la continuité de la paroi interne du divergent de la tuyère et destinée à constituer un écran local au système de refroidissement de la paroi de la tuyère, ce qui permet d'augmenter sensiblement le niveau de flux thermique disponible en sortie de la tuyère. Une telle plaque est habituellement fixée par collage sur une semelle métallique en contact par sa face opposée avec la structure refroidie de la tuyère dont elle est solidaire. Le problème majeur de ce type de montage est celui de la dilatation différentielle importante entre la plaque en matériau réfractaire et la semelle métallique, ladite plaque pouvant être portée à des températures atteignant ou dépassant 17000C et, ce, pour des durées pouvant être importantes de l'ordre de 30 minutes par exemple. C'est ainsi que pour une sole chaude d'une cinquantaine de centimètres de longueur, il est usuel de constater un différentiel d'allongement entre sole et semelle de l'ordre de 2 à 3 mm, ce qui pose évidemment des problèmes de tenue, à la fois du matériau réfractaire de la sole et du matériau de collage de cette dernière sur la semelle métallique. Un tel problème se rencontre dans d'autres secteurs d'activité, par exemple les revêtements réfractaires pour conduites destinées à véhiculer des flux de gaz portés à des températures élevées de l'ordre de 20000C à 25000C. Dans le brevet FR-2.577.471 déposé par la Demanderesse, il est proposé un type de revêtement susceptible d'apporter une solution au problème des dilatations différentielles, constitué d'une structure réfractaire formée de plusieurs couches superposées de caractéristiques thermiques différentes permettant d'absorber les dilatations différentielles. Toutefois, une telle technologie est complexe et aboutit à des structures multicouches d'épaisseur substantielle, inappropriée en particulier à l'incorporation d'une sole chaude dans une structure de tuyère à plasma. L'invention a pour but essentiel de proposer un autre mode de montage visant tout à la fois à éliminer les contraintes dues à la différence de comportement entre le matériau réfractaire porté à haute température et le support métallique qui peut être lui-même et dans le même temps, refroidi, et à permettre éventuellement un changement aisé du matériau réfractaire, en cas notamment d'endommagement de celui-ci ou de remplacement par un matériau de caractéristiques différentes adaptées à d'autres essais. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de montage de deux pièces en matériaux à coefficients de dilatation différents, soumises à des variations de température élevées, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison d'une couche d'un matériau isolant thermique compressible, interposée entre la pièce support et la pièce rapportée et de moyens propres à maintenir ladite pièce rapportée contre ladite couche, solidaires de la pièce support et agencés en sorte de permettre un jeu relatif entre les deux pièces dans un plan parallèle au plan général de ladite couche, les parties de surface de la pièce rapportée en contact avec lesdits moyens étant parallèles audit plan général et un matériau similaire à celui de ladite couche étant interposé entre lesdites parties de surface et lesdits moyens de maintien. Dans le cadre de l'application de l'invention au montage d'une sole chaude en matériau réfractaire sur la paroi d'une tuyère à plasma, la pièce support est une semelle métallique, la couche isolante intermédiaire est d'épaisseur constante et interposée entre deux faces planes respectivement de la sole chaude et de la semelle métallique et les moyens de maintien sont constitués par une ou plusieurs brides périphériques présentant une aile d'appui parallèle auxdites faces planes et dont la face de travail est munie d'un patin isolant du même matériau que ladite couche intermédiaire. Un tel montage permet, grâce à l'interposition d'une couche d'un matériau isolant thermique et compressible au droit de toutes les zones de contact entre la sole chaude, ou pièce rapportée, et la semelle métallique, ou pièce support, un déplacement relatif entre ces deux pièces, notamment dans un plan parallèle au plan général de la couche interposée, sans contrainte lors de la montée en température et donc de la dilatation, de ladite sole. Il est à noter, à ce propos, que la prévision de patins d'isolation et de glissement au droit des liaisons entre la sole en matériau réfractaire et les brides de maintien, généralement métalliques, évite toute détérioration de la sole au voisinage desdits points de fixation, en assurant une meilleure répartition des contraintes dans la masse du matériau réfractaire. Par ailleurs, le montage amovible et aisé, par brides, de la sole en matériau réfractaire permet le changement rapide de sole lorsqu'il est nécessaire de changer de matériau en fonction des conditions d'essai. Le matériau constitutif de la couche d'interposition et des patins isolants peut être un matériau à base de fibres souples choisi dans le groupe comprenant le produit dénommé commercialement papier ASH 1600 de la Société ASH, le produit dénommé commercialement feutre PYRONAP 70 de la Société KERLANE et tous matériaux réfractaires fibreux souples à base d'alumine et/ou de silice résistant aux températures susceptibles d'être rencontrées. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation du montage selon l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard du dessin annexé sur lequel - Figure 1 est une vue partielle en coupe verticale d'une sole chaude montée conformément à l'invention, - Figure 2 est une vue partielle de gauche du dispositif de la figure 1. Sur le dessin on a représenté en 1 une plaque ou sole chaude 1 en un matériau rigide réfractaire de forme générale trapézoïdale, montée sur une semelle métallique 2 formée par une plaque également de forme générale trapézoïdale. La plaque 1, destinée en particulier à être montée dans le divergent d'une tuyère à plasma pour des essais à hautes températures d'éprouvettes ou analogues, est constituée par exemple d'un matériau choisi dans le groupe comprenant la mousse de silice, notamment le produit dénommé ZYAROCK 50 ou 75 commercialisé par la Société VESWIUS, les matériaux fibreux rigides à base d'alumine et de silice, traités ou non en surface, tels que le produit dénommé KAPYROK S 1600 commercialisé par la Société KAPYROK, le produit dénommé KERANAP 70 commercialisé par la Société KERLANE, ou le produit dénommé PROCELIT 160 ou 170 commercialisé par la Société PROCELIS. Le choix du matériau tient compte en particulier des conditions de fonctionnement à supporter, telles que température de surface ou cisaillement aérodynamique, des paramètres à privilégier pour chaque type d'essai, tels que durée de vie ou état de surface du matériau réfractaire en cours de tir, et des coûts des différents matériaux, variables suivant la température maximale de fonctionnement supportable. La plaque 1 présente une surface supérieure 3 sensiblement plane destinée à être placée de niveau avec la paroi interne inférieure du divergent de la tuyère dans laquelle elle sera montée. La face inférieure de la plaque 1 est plane et repose sur la face supérieure plane de la semelle métallique 2 par l'intermédiaire d'une couche 4 d'un matériau isolant, par exemple à base de fibres souples. Ce matériau peut être, à titre d'exemple, le produit dénommé papier ASH 1600 commercialisé par la Société ASH, le produit dénommé feutre PYRONAP 70 commercialisé par la Société KERLANE ou tous matériaux réfractaires fibreux, compressibles, à base d'alumine et/ou de silice résistant aux températures de fonctionnement imposées. L'épaisseur de la couche 4 est constante, de l'ordre de quelques millimètres. La plaque 1 repose sur la couche intermédiaire isolante 4 et est maintenue en place et légèrement plaquée contre la semelle métallique 2 à l'aide de brides métalliques 5, dont une est illustrée sur les figures, constituées par des pattes en forme d'équerre. Chaque bride 5 comporte une aile verticale 5a directement fixée à la semelle métallique 2 par une ou plusieurs vis 6 vissées dans des trous 7 ménagés dans la tranche de la semelle 2 et une aile 5b dont la face d'appui 5c, parallèle au plan général de la couche 4, est en regard d'une partie de surface 8 ménagée dans la plaque 1, parallèlement audit plan général de la couche 4. Entre les surfaces en regard 5c et 8 est disposé un patin isolant thermique et compressible 9 pouvant être en même matériau que la couche 4. La surface 8 est ménagée, dans le mode de réalisation illustré, par usinage d'un logement 10 dans la tranche de la plaque 1 permettant, d'une part, l'engagement de l'aile 5b de la bride et de son patin 9 et, d'autre part, l'intégration de l'ensemble bride 5-vis 6 à l'intérieur du volume général de la plaque réfractaire 1 et de la semelle métallique 2 qui est également, à cet effet, pourvue d'un logement 11 de réception dudit ensemble bride 5-vis 6. Avec un tel montage, la couche intermédiaire 4 évite tout contact direct entre la plaque 1 et la semelle 2 et les patins 9 interdisent tout contact indirect via les brides 5 dont les ailes verticales Sa, bien que plaquées contre la semelle 2, sont à distance suffisante du rebord 12 de la plaque 1 délimité lors de l'usinage du logement 10 et dont l'extrémité des ailes 5b est également à distance suffisante du fond dudit logement 10. Ainsi, au cours des montées en température de la tuyère, la plaque 1 pouvant être portée à des températures atteignant ou dépassant 17000C, la couche 4 et les patins 9 font office de semelles de glissement autorisant un libre déplacement relatif entre la plaque réfractaire 1 et la semelle métallique 2 dans un plan parallèle au plan de la couche 4. Le montage permet d'absorber toutes dilatations différentielles entre les deux éléments 1 et 2, les contraintes de dilatation étant uniformément réparties dans la masse de la plaque 1, y compris dans les zones de fixation de cette plaque, grâce à la prévision des patins de glissement isolants 9. L'intégration des organes de fixation 5,6 à l'intérieur du volume général défini par l'association plaque 1-semelle 2 permet d'éloigner ces organes de fixation des parois latérales de la sole et, en ajoutant un écran de protection, représenté en 13 sur les figures, en matériau fibreux souple, d'assurer une meilleure protection des organes de fixation vis à vis d'éventuelles infiltrations de gaz chauds sur les flancs de la sole. Le dispositif de l'invention permet ainsi d'augmenter la durée de vie des plaques réfractaires 1, de changer facilement de plaque et de réduire les coûts de fabrication et de maintenance des soles chaudes. La fixation de l'ensemble plaque 1-semelle 2 sur la structure refroidie de la tuyère s'effectue à la manière habituelle, par l'intermédiaire de la semelle métallique 2. La plaque 1 comportera généralement deux jeux de brides 5 réparties sur les deux flancs longitudinaux opposés de la plaque 1, habituellement trapézoïdale. L'invention peut s'appliquer bien entendu au montage de toute pièce, notamment isolante, devant supporter des variations de température importantes, sur une structure support, notamment métallique, soumise ou non aux mêmes variations de température. C'est ainsi qu'un tel montage peut être utilisé par exemple dans des conduits de gaz chauds de hauts-fourneaux, des souffleries chaudes, des bancs d'essai de propulseurs d'engins ou d'avions, de moteurs à propergols solides ou liquides, soumis à des flux thermiques convectifs ou radiatifs. Enfin, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne la forme et l'agencement des organes de maintien de la plaque réfractaire 1 sur la semelle 2 et des patins 9 ou analogue interposés entre ces organes et ladite plaque réfractaire. REVENDICATIONS =:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:= 1 Dispositif de montage de deux pièces en matériaux à coefficients de dilatation différents, soumises à des variations de température élevées, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison d'une couche (4) d'un matériau isolant thermique compressible, interposée entre la pièce support (2) et la pièce rapportée (1) et de moyens (5,6) propres à maintenir ladite pièce rapportée (1) contre ladite couche (4), solidaires de la pièce support (2) et agencés en sorte de permettre un jeu relatif entre les deux pièces dans un plan parallèle au plan général de ladite couche (4), les parties de surface de la pièce rapportée (1) en contact avec lesdits moyens (5,6) étant parallèles audit plan général et un matériau (9) similaire à celui de ladite couche étant interposé entre lesdites parties de surface et lesdits moyens de maintien. 2. Dispositif selon la revendication 1, plus particulièrement destiné au montage d'une sole chaude en matériau réfractaire (1) sur la paroi d'une tuyère à plasma, caractérisé en ce que la pièce support est une semelle métallique (2), la couche isolante intermédiaire (4) est d'épaisseur constante et interposée entre deux faces planes respectivement de la sole chaude (1) et la semelle métallique (2) et les moyens de maintien sont constitués par une ou plusieurs brides périphériques (5) présentant une aile d'appui (5b) parallèle auxdites faces planes et dont la face de travail (5c) est munie d'un patin isolant (9) du même matériau que ladite couche intermédiaire (4). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de maintien ou brides (5) sont agencés dans des logements (10,11) ménagés à cet effet dans les flancs latéraux des pièces (1,2) et fixés directement sur la pièce support (2). 4. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau de la couche intermédiaire (4) et des patins (9) est un matériau fibreux choisi dans le groupe comprenant le produit dénommé commercialement papier ASH 1600, le produit dénommé commercialement feutre PYRONAP 70 et tous matériaux réfractaires fibreux compressibles à base d'alumine et/ou de silice résistant aux températures susceptibles d'être rencontrées.