Brevet FR2747601A1 — publié le 19971024

"Procédé de mise en train de la réaction d'un mélange aluminothermique finement divisé et dispositifs destinés à l'exécution de ce procédé." L'invention se rapporte à un procédé de mise en train de la réaction d'un mélange aluminothermique finement divisé. L'invention se rapporte en outre à des dispositifs distants destinés à l'exécution d'un tel procédé. Hans Goldschmidt est parvenu à l'exploitation technique de la réaction aluminothermique connue depuis longtemps vers la fin du siècle dernier, en ce qu'il a mis à profit l'observation du fait qu'une réaction aluminothermique mise en train en un point se propage rapidement et d'une manière contrôlée à travers le mélange aluminothermique dans son ensemble. Cet allumage contrôlé est d'une importance particulière du fait que, lors d'un déroulement violent de la réaction, des parties du mélange réactionnel sont projetées hors du creuset de réaction, qui mettent en danger les personnes travaillant avec le mélange et cela en particulier quand on utilise un mélange de plusieurs oxydes métalliques ou lorsqu'on ajoute au mélange en tant que constituants d'alliage des poudres métalliques supplémentaires. On obtient des masses fondues métalliques de composition et de propriétés différentes. Si la réaction est trop lente, il peut se produire des perturbations lors de la séparation de la masse fondue et du laitier d'oxyde d'aluminium. On utilise, en vue de l'allumage ponctuel du mélange aluminothermique, des mélanges d'aluminium finement divisé et de peroxydes alcalins ou alcalino-terreux, des mélanges contenant du peroxyde de baryum étant utilisés en particulier. On a fait réagir les mélanges avec une solution alcoolique de gomme-laque et on les a mis sous forme de briquettes. On a pourvu les "cerises d'allumage" ou "pilules d'allumage" ainsi obtenues d'un morceau de ruban de magnésium mince, qui peut être allumé à l'aide d'une allumette. La chaleur libérée lors de la combustion du magnésium a entraîné l'allumage des cerises d'allumage, qui ont à leur tour mis en train ponctuellement la réaction aluminothermique, comme ou le souhaitait. On utilise depuis bien plus longtemps exclusivement ce que l'on appelle des tiges d'allumage, qui contiennent un fil qui est enveloppé, sur une partie de sa longueur, d'une masse pyrotechnique contenant des peroxydes solidifiés. Grâce à cette tige d'allumage, il est possible de procéder à un allumage contrôlé du mélange aluminothermique, par exemple lors du soudage aluminothermique de jonction de rails souvent effectué. Les articles pyrotechniques font l'objet cependant de certaines exigences de sécurité, non seulement lors du stockage, mais aussi au cours du transport et sont en particulier à protéger de l'humidité. Il serait de ce fait souhaitable de trouver une possibilité d'allumage de mélanges aluminothermiques, qui soit utilisable en un endroit quelconque, qui satisfasse à des normes de sécurité élevées et qui ne fasse l'objet d'aucune prescription de sécurité particulière. L'objet de la présente invention est de réaliser un procédé de ce genre pour un allumage sûr du mélange aluminothermique utilisé techniquement de manière à éviter les inconvénients rencontrés dans le cas des agents d'allumage connus, décrits précédemment. Cet objet est résolu pour un procédé de mise en train caractérisé en ce que l'on introduit dans le mélange deux électrodes en forme de tige disposées à une certaine distance l'une de l'autre, et en ce que l'on produit entres les pointes des électrodes, grâce à une source d'énergie électrique, un arc électrique qui déclenche la réaction. Il s'est avéré de manière surprenante qu'en vue de la réalisation d'un arc électrique et de la réaction du mélange aluminothermique qui se met en train à la suite, il n'est pas nécessaire de mettre les électrodes dans une position d'attouchement à contact initiale, respectivement dans une situation de court-circuit, et de les éloigner ensuite l'une de l'autre. Il suffit au contraire de placer les électrodes reliées à une source d'énergie électrique à une distance l'une de l'autre ajustée antérieurement de manière fixe et de les introduire dans le mélange aluminothermique en gardant cette distance fixe. La distance des électrodes l'une par rapport à l'autre peut être dans ce cas par exemple de 10 mm, ce qui rend cependant nécessaire une source d'énergie électrique appropriée à la production d'une intensité de courant de par exemple 280 A. Dans le cas de distances plus faibles, des intensités de courant déjà plus faibles suffisent. Si les distances sont par contre plus grandes, il faut utiliser de manière correspondante des sources d'énergies plus puissantes. L'allumage de l'arc électrique est surprenant, parce que le mélange aluminothermique se compose d'un granulat d'une grandeur de grain comprise entre 1 mm et 10 mm, qui est composé essentiellement d'oxyde de fer, qui constitue, par conséquent, un corps céramique. Les composants métalliques qui sont aussi contenus dans le mélange aluminothermique ne constituent par contre qu'une proportion volumique d'environ 40 %. Il faut donc admettre que les composants métalliques ne possèdent mutuellement aucun contact traversant, se prolongeant sur une distance comme celle des électrodes citée au début. Ceci signifie que la proportion principale du mélange aluminothermique, à savoir l'oxyde de fer, contribue d'une manière quelconque à l'allumage de l'arc électrique, bien que l'oxyde de fer soit de nature céramique. Il est probable qu'il se forme sur le granulat aluminothermique dans son ensemble, entre les électrodes, en alternance rapide, des états de court-circuit et d'isolation. Le mélange aluminothermique agit dans ce cas peut-être comme un milieu qui possède partiellement les propriétés d'un isolateur et partiellement les propriétés d'un conducteur électrique. Sinon il serait impossible d'expliquer le processus pour des distance d'électrodes aussi importantes - de surcroît également constantes. Du point de vue économique, mais aussi cependant du point de vue pratique, des distances d'électrodes importantes sont néanmoins peu intéressantes, surtout pour ce qui est de la puissance nécessaire de la source d'énergie électrique. Les électrodes fixes possèdent le grand avantage d'un appareillage moindre, les distances d'électrodes à considérer comme favorables étant celles qui ne rendent nécessaire, en vue de l'allumage de l'arc électrique, une intensité de courant supérieure à 150 A. Des sources d'énergie électrique de cet ordre de grandeur, peu importe qu'il s'agisse de sources d'énergie électrique à courant alternatif ou à courant continu, sont disponibles grâce à des transformateurs, respectivement des redresseurs relativement légers, de petite taille. On peut faire appel par exemple en tant que source d'énergie électrique, à une batterie de poids lourds ayant une tension de i 2 V et une capacité de 44 Ah, les électrodes devant cependant dans ce cas présenter une distance substantiellement plus faible, pour rendre possible l'allumage de l'arc électrique. Dans ce cas, on peut renoncer aux distances d'électrodes ajustées de manière fixe, et utiliser à la place un dispositif qui rend possible un ajustage des électrodes. La construction du dispositif, nécessairement quelque peu plus compliquée du fait de la possibilité d'ajustage de la distance d'électrodes, fait cependant contrepoids à l'avantage de la batterie de poids lourd plus modeste en poids et en volume. A mentionner est le fait que l'allumage de l'arc électrique et par conséquent l'initiation de la réaction du mélange aluminothermique se font, dans le cas des électrodes se déplacçant l'une vers l'autre, à un moment avant l'attouchement de contact des électrodes. Il ne faut pas ici considérer que le mélange aluminothermique agit d'une manière similaire aux auxiliaires d'allumage connus et passe à l'état fondu entre les électrodes avant l'allumage. La distance entre les électrodes est pour ce faire trop grande. Les différences entre l'allumage selon l'invention d'un mélange aluminothermique d'une part, et l'allumage classique à l'aide d'une tige d'allumage, consistent, certes, en ce que le domaine allumé initialement par l'arc électrique s'avère être quelque peu plus petit que lors de l'utilisation d'une tige d'allumage. La réaction une fois déclenchée se propage cependant de manière soutenue et d'une façon impeccable à travers l'ensemble du mélange réactionnel, de sorte qu'un allumage de bonne qualité technique et reproductible est garanti. Le procédé selon l'invention rend possible par conséquent, à des coûts matériels réduits, un allumage sûr et reproductible du mélange aluminothermique. Des mesures de sécurité particulières ne sont pas nécessaires. Du fait que l'objectif d'utilisation principal du soudage aluminothermique est le soudage de rails dans la voie déplacée et que, pour ce faire, divers appareillages, comme des dispositifs de coupure et de rectification, sont nécessaires, on peut supposer qu'une source d'énergie électrique appropriée correspondante est en règle générale présente sur le lieu de construction. L'objet de l'invention consiste en outre à concevoir un dispositif approprié à l'exécution du procédé, qui satisfasse d'une part à une norme de sécurité élevée, qui garantisse simultanément cependant un allumage sûr et impeccable du point de vue technique du mélange aluminothermique. Cet objet est résolu pour un dispositif de ce genre caractérisé par un boîtier présentant une poignée et un organe d'actionnement, qui contient, d'une façon isolée électriquement, en vue de la production de l'arc électrique, les électrodes. Les électrodes du dispositif sont raccordées par l'intermédiaire de câbles d'une section transversale suffisante aux pôles d'une source d'énergie électrique, I'allumage de l'arc électrique se faisant grâce au déplacement de l'électrode mobile en direction de l'électrode immobile, I'arc électrique s'allumant finalement à une certaine distance des pointes des électrodes. Les deux électrodes dépassant du boîtier se prolongent de préférence sous un angle de 40 à 90 I'une par rapport à l'autre. Les extrémités des électrodes présentent de préférence une construction sous forme de bille, d'ogive ou sous forme allant en se rétrécissant de toute autre manière dans la zone d'extrémité. Les électrodes se composent d'inserts d'électrode qui sont amovibles et réglables dans des supports. Le dispositif peut être équipé d'une série d'équipements de sécurité. Un décalage autonome, non voulu des électrodes, peut produire en principe des court-circuits. Dans ce but, I'électrode réglable est sollicitée à l'encontre de la direction du déplacement contre une butée par l'intermédiaire d'un ressort. La convivialité est également augmentée en ce que la force de décalage ne doit être appliquée que dans une seule direction, de sorte que la résistance croissante de manière définie lors du déplacement de l'électrode facilite une approche lente de cette dernière. Dans le domaine d'allumage, les électrodes sont nues, c'est- à-dire électriquement non isolées. Le circuit électrique pourrait par conséquent, suite à un dépôt incorrect sur des objets électro- conducteurs, se fermer, ce par quoi le dispositif d'allumage lui-même, mais également la source d'énergie électrique et, le cas échéant, I'objet déclenchant le court-circuit, pourraient être endommagés. Il est prévu par conséquent un commutateur qui coupe au moins l'une des électrodes de la source d'énergie électrique, dès que le levier d'actionnement du dispositif, respectivement l'organe de déplacement de l'électrode, se trouve dans la position de repos. La distance d'électrode minimale que l'on peut atteindre peut être fixée par une vis de réglage, à savoir une vis de butée pour le levier d'actionnement. On peut éviter de cette manière un court-circuit par l'intermédiaire d'un déplacement incorrect de l'électrode, la distance d'électrode nécessaire à l'atteinte du point d'allumage de l'agencement d'électrodes pouvant être facilement obtenue en même temps. Le dispositif selon l'invention est illustré de plus près dans la suite par référence à la représentation graphique. Comme on peut le distinguer sur le dessin, le dispositif d'allumage 1 selon l'invention se compose d'un dispositif 3 actionnable par un opérateur 2, étant raccordé par l'intermédiaire de lignes de connexion électriques 4, 5 à une source d'énergie 6 apte à délivrer un courant de plus de 20 A. Dans le cas du dispositif 3 décrit, les électrodes présentent une distance fixe l'une de l'autre se situant entre 3 mm et mm. Le dispositif 3 est plongé par l'opérateur 2 avec ses électrodes par exemple dans un mélange aluminothermique 7 finement divisé, à la suite de quoi, grâce au concours de la source d'énergie 6, un arc électrique est allumé entre les extrémités d'électrode. Cet arc électrique met en train la réaction aluminothermique, qui se propage d'une manière contrôlée à travers le volume du mélange réactionnel dans son ensemble, qui est présent, comme on l'indique ici seulement de manière schématique, dans un creuset approprié 8. Du fait que les extrémités d'électrode, auxquelles l'arc électrique est produit, subissent une certaine usure qui provient en partie du brûlage, qui se produit du fait de l'arc électrique lui-même ou qui provient de l'influence de la réaction aluminothermique - les électrodes sont plongées dans le mélange réactionnel au début de la réaction - les électrodes sont réalisées en tant qu'inserts d'électrode remplaçables. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé comme suit pour la mise en train de la réaction d'un mélange aluminothermique: Après introduction du mélange aluminothermique 7 dans un creuset correspondant 8, le dispositif 3 est plongé par l'opérateur 2 dans le mélange aluminothermique avec les inserts d'électrode 12, 13, par exemple à une profondeur allant de 10 mm à 50 mm, à la suite de quoi se produit l'allumage de l'arc électrique. Le dispositif selon l'invention décrit ci-dessus présente, outre son caractère compact - toutes les parties de ce dispositif peuvent être transportées à l'endroit d'utilisation par une personne - également une fiabilité très élevée pour ce qui est d'un allumage reproductible, une erreur de manipulation, à la suite de laquelle l'équipement ou des personnes pourraient être l'objet de dommages, pouvant être exclue grâce aux équipements de sécurité suggérés. Au lieu de prévoir une distance fixe entre les électrodes 1 2, 13, celles-ci peuvent être réalisées de manière réglable, de sorte que l'allumage de l'arc électrique se produise au sein du mélange aluminothermique au moyen d'une diminution de ladite distance, par déplacement de l'une ou des deux électrodes. On peut en conséquence renoncer à l'utilisation d'un matériau pyrotechnique qui est soumis à des prescriptions techniques de sécurité particulières. À 2747601 REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en train de la réaction d'un mélange aluminothermique finement divisé, caractérisé en ce que - I'on introduit dans le mélange (7) deux électrodes en forme de tige (12, 13) disposées à une certaine distance l'une de l'autre, et en ce que l'on produit entres les pointes des électrodes (12, 13), grâce à une source d'énergie électrique, un arc électrique qui déclenche la réaction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les électrodes (1 2, 1 3) sont introduites dans le mélange (7) avec entre elles une distance fixe de 3 mm à 20 mm et en ce que - I'on utilise, en vue de la production de l'arc électrique, une source d'énergie (6) appropriée à la mise à disposition d'un courant de plus de A. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les électrodes (1 2, 13) sont introduites dans le mélange (7) sous réserve d'une distance fixe de moins de 3 mm et en ce que - I'on utilise, en tant que source d'énergie (6), un accumulateur portatif ayant une tension d'au moins 12 V et une charge d'au moins 44 Ah. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les électrodes (12, 13) au sein du mélange (7), respectivement pendant l'introduction dans le mélange (7), sont déplacées relativement dans le sens d'une diminution de leur éloignement l'une de l'autre, I'éloignement plus faible étant choisi en fonction des paramètres de la source d'énergie électrique (6), sous réserve qu'il soit suffisant à I'allumage de l'arc électrique. 5. Dispositif d'utilisation dans le cadre d'un procédé selon la revendication 4, caractérisé par - un boîtier (9), présentant une poignée (11) et un organe d'actionnement, qui contient, d'une façon isolée électriquement, en vue de la production de l'arc électrique, les électrodes (1 2, 1 3), - une électrode (1 3) au moins étant décalable dans le boîtier (9) par rapport à l'autre électrode (12), à savoir de manière à ce qu'il soit possible de produire un arc électrique entre les extrémités des électrodes dépassant du boîtier (9), tournées l'une vers l'autre. sous réserve des paramètres de la source d'énergie électrique (6) qui est reliée aux électrodes (1 2, 1 3). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que - la source d'énergie (6) est un accumulateur portatif (6) ayant une tension d'au moins 12 V et une charge d'au moins 44 Ah.