Brevet FR2777569A1 — publié le 19991022

La présente invention concerne, d'une part, un mélange gazeux combustible contenant de l'hydrogène ou du gaz naturel, et de l'acétylène, et, d'autre part, un procédé d'oxycoupage d'un métal ou d'un alliage métallique par chauffage à l'aide d'une flamme et apport d'un flux d'oxygène de coupe mettant en oeuvre un tel mélange gazeux combustible. Classiquement, l'oxycoupage met en oeuvre, d'une part, une flamme de chauffe et, d'autre part, un jet ou flux d'oxygène de coupe. La flamme de chauffe, habituellement nourrie par un mélange de gaz combustible et d'oxygène de chauffe, conditionne en grande partie le rendement et la qualité de l'oxycoupage. Actuellement, les gaz combustibles connus pour l'alimentation de la flamme de chauffe sont l'acétylène, le propane, le méthane, l'hydrogène et d'autres gaz de pétrole liquéfié (G. P. L.), l'éthylène, le propylène éventuellement mélangé avec du méthylacétylène, ou encore des mélanges de gaz tels que le CRYLENETM (mélange comportant environ 73% d'éthylène, 22% d'acétylène et 5% de propylène), le TETRENETM (mélange de type MAPP comptant environ 39% de méthylacétylène et de propadiène, 44% de propylène et 17% d'un mélange de butane, propane et de leurs dérivés insaturés); le TETRENETM et le CRYLENETM sont commercialisés par la société L'AIR LIQUIDE. Par ailleurs, des mélanges de gaz de pétrole liquéfié (G. P. L.) dont certains constituants comportent des radicaux -OH, sont également utilisés pour alimenter une flamme d'oxycoupage. On peut citer, par exemples, les mélanges combustibles suivants qui sont disponibles dans le commerce: FLAMEXTM, CHEMTANE IITM, HGXTM,OU EXCELLENETM. Or, les mélanges sophistiqués précités et les gaz spécifiques dérivés d'hydrocarbures ont des coûts relativement élevés, notamment de mise en oeuvre, étant donné qu'ils consomment beaucoup d'oxygène. Par ailleurs, ils sont souvent sensibles au froid et sont conditionnés sous une faible pression. L'acétylène, bien que permettant d'obtenir des vitesses de coupe élevées avec de bonne qualités d'arêtes de coupe, est mal adapté aux découpes des fortes épaisseurs et est sensible au retour de flamme. Des recherches visant à améliorer la flamme de chauffe d'un procédé d'oxycoupage ont conduit à mélanger entre eux les différents gaz cidessus et ont permis d'obtenir des mélanges gazeux présentant des propriétés variables pour l'application considérée. A ce titre, on peut citer le document EP-A-0313176 décrivant un procédé de placage à la flamme à l'aide d'un canon à détonation mettant en oeuvre un mélange gazeux combustible-comburant constitué d'oxygène ou d'oxyde azoteux, en tant que comburant, et d'un prémélange d'acétylène et de propylène, méthane, éthylène, méthylacétylène, propane, pentane, butadiène, butylène, butane, oxyde d'éthylène, éthane, cyclopropane, propadiène et/ou cyclobutane, en tant que combustible. En outre, le document US-A-3982883 enseigne un procédé de coupage à la flamme mettant en oeuvre un gaz de combustion constitué, d'une part, de propane, butane, gaz naturel, d'acétylène et leurs mélange et, d'autre part, d'un additif hydrocarboné, tels le 1-pentène, le cyclopentane, le 1-octène... Le document JP-A-61042592 décrit, quant à lui, un mélange gazeux ternaire de combustion pour le soudage, la chauffe ou le coupage par fusion constitué de 20 à 70% de gaz naturel, 10 à 60% d'hydrogène et de 20 à 70% d'acétylène. Par ailleurs, le document JP-A-50006003 enseigne un mélange liquide pour le soudage, la chauffe ou le coupage de métal constitué de 64 à 95% de méthane et de 5 à 35% d'éthylène. De même, le document JP-A-530065303 décrit un mélange gazeux pour le coupage par fusion contenant du méthane, de l'éthylène et du gaz de pétrole liquéfié (G. P. L.), par exemple du propane ou du propylène. En outre, le document FR-A-2099217 a trait à un mélange gazeux combustible destiné au chauffage, à la fusion, au soudage ou à la coupe des métaux, contenant 1 à 77% de méthylacétylène et/ou propadiène, du méthane, de l'éthane, de l'éthylène, du propane et/ou du propylène. Dans certains cas, l'oxycoupage est effectué en alimentant la flamme de chauffe avec du gaz naturel, essentiellement formé de méthane. En effet, l'emploi de gaz naturel pour l'oxycoupage présente l'avantage d'utiliser un gaz dont le coût est faible, tout en permettant de couper des éléments métalliques sur une large plage d'épaisseurs. Toutefois, il a été observé que le gaz naturel ne procure qu'une faible température de flamme, nécessite des temps de préchauffage longs et conduit, par ailleurs, à une mauvaise qualité des arêtes de coupe. En outre, il est connu que les flammes de combustion de mélanges oxygène/hydrogène ou oxygène/gaz naturel sont relativement difficiles à régler. En effet, pour obtenir une flamme de combustion ayant des caractéristiques acceptables, en termes notamment de puissance spécifique et de température, il est nécessaire de procéder à un contrôle et une mesure precise du rapport de consommation des gaz, ce qui nécessite la mise en oeuvre d'appareils de mesure de débits onéreux. De plus, les flammes de combustion de type hydroxyque et les flammes de type gaz naturel/oxygène sont difficilement visibles, en particulier le cône de flamme primaire servant au réglage de la flamme. Afin de tenter de résoudre ce problème d'invisibilité" de la flamme, il est possible de faire passer l'hydrogène dans une solution aqueuse contenant un adjuvant destiné à colorer la flamme, par exemple un composé de type borate. Toutefois, si ces composés adjuvants permettent d'obtenir une meilleure visibilité de la flamme de combustion, ceux-ci n'améliorent pas ou que très peu les performances de la flamme. Le but de la présente invention est donc de proposer un mélange combustible, notamment pour l'oxycoupage, ne présentant pas les inconvénients des mélanges gazeux classiques, qui permette d'obtenir des flammes visibles et ayant de bonnes performances, qui soit facile et sûr d'utilisation et de coût raisonnable, sans nécessiter l'utilisation de composés colorants de l'art antérieur. La présente invention concerne alors un mélange gazeux combustible contenant au moins de l'acétylène et au moins un composé choisi parmi l'hydrogène et le gaz naturel, caractérisé en ce que le rapport (Qc/Qa) de la proportion (Qc) dudit composé choisi parmi l'hydrogène et le gaz naturel à la proportion (Qa) d'acétylène dudit mélange est compris entre 99: 1 et 65: 35. De préference, le rapport (Qc/Qa) est compris entre 98: 2 et 70: 30. Selon un premier mode de réalisation, le mélange gazeux contient de l'hydrogène et de l'acétylène en une proportion d'environ 99: 1 à environ 90: 1, de préférence d'environ 97: 3 à environ 94: 6. Selon un autre mode de réalisation, le mélange gazeux contient du gaz naturel et de l'acétylène en une proportion d'environ 90: 10 à environ 65: 35, de préférence d'environ 80: 20 à environ 70: 30. Selon le cas le mélange combustible, selon l'invention, peut comprendre au moins un autre composé choisi parmi l'azote, l'oxygène, l'arsine, la phosphine, l'ammoniac, l'argon, l'hélium ou des hydrocarbures. Selon un autre aspect, l'invention concerne également un récipient de conditionnement contenant le mélange gazeux de l'invention, par exemples une bouteille de gaz ou une capacité de stockage. Selon encore un autre aspect, l'invention concerne aussi un procédé de soudage choisi parmi l'oxycoupage, le perçage en pleine tôle, le brasage, la chauffe, le traitement thermique, en particulier des métaux et alliages métalliques, et le flammage notamment des granits et des marbres, caractérisé en ce qu'on mélange des proportions données d'acétylène et d'un composé choisi parmi l'hydrogène et le gaz naturel, et en ce qu'on obtient un mélange combustible ayant un rapport Qc/Qa selon l'invention. De préférence, le mélange combustible est réalisé sur site d'utilisation, de préférence au moyen d'un mélangeur de gaz. L'invention concerne également un dispositif de soudage susceptible de mettre en oeuvre un procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte: - un chalumeau d'oxycombustion, - des canalisations de gaz, une source d'oxygène ou d'un autre gaz comburant contenant de l'oxygène, par exemple l'air, reliée audit chalumeau, - une source d'acétylène, - une source de gaz naturel ou d'hydrogène, - un mélangeur de gaz relié, en amont, auxdites sources d'acétylène et de gaz naturel ou d'hydrogène et, en aval, audit chalumeau, - des moyens de régulation permettant de contrôler les proportions d'acétylène et de gaz naturel ou d'hydrogène introduites dans le mélangeur, de manière à obtenir un mélange gazeux combustible selon l'invention. Dans le cadre de l'invention, les sources de gaz peuvent être, selon le cas, des récipients de conditionnement, telles des bouteilles de gaz, ou des canalisations ou conduites d'acheminement de gaz. De préférence, le mélangeur est un mélangeur a vannes proportionnelles. En effet, il est préférable d'utiliser un mélangeur vannes proportionnels afin de pouvoir assurer un mélange C2H2/gaz naturel ou hydrogène prédéterminé sensiblement constant donc des performances de la flamme également constantes et ce, même pour une pression d'alimentation en gaz combustible relativement basse, par exemple inférieure à 4.105 Pa. En outre, l'utilisation d'un tel mélangeur à vannes proportionnelles permet de s'affranchir de toute capacité tampon servant à homogénéiser le mélange réalisé et à assurer une pression contante au cours du temps. Selon l'application, il est possible d'automatiser le dispositif selon l'invention, notamment en opérant un pilotage des moyens de régulation du rapport Qc/Qa au moyen d'une commande numérique et d'une interface, ce qui permet, par ailleurs, de réaliser un contrôle en permanence et à distance, des débits et consommations de gaz. La présente invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'exemples donnés à titre illustratif, mais non limitatif. Exemple 1 Un chalumeau d'oxycombustion a été alimenté avec, d'une part, de l'oxygène en tant que gaz comburant et, d'autre part, avec de l'hydrogène additionné ou non d'acétylène en tant que mélange gazeux combustible. Ensuite, on a déterminé le temps d'amorçage obtenu avec chacun des mélanges d'oxycombustion testés, c'est-à- dire la durée nécessaire pour porter localement le métal à une température suffisante pour permettre le début de sa combustion dans l'oxygène. Les mélanges réalisés et les résultats sont consignés dans le tableau I. TABLEAU I ESSAI MELANGE H2/O2 + x% de C2H2 TEMPS D'AMORCAGE N (valeur indicée) A 0% C2H2 1 B 5% C2H2 0,9 C 30% C2H2 0,5 Il apparaît au vu du Tableau I que l'addition d'acétylène au mélange 02/H2 permet d'obtenir une diminution pouvant atteindre 50% du temps d'amorçage (essai C). En d'autres termes, l'addition d'acétylène au mélange H2/02 est particulièrement bénéfique car, d'une part, il en résulte une augmentation des propriétés de chauffe de la flamme d'oxycombustion ainsi obtenue et, d'autre part, l'ajout d'acétylène permet de diminuer le débit total du mélange combustible et donc de diminuer les coûts du procédé. En outre, le réglage de la flamme de chauffe a été plus aisé à effectuer dans les essais B et C que dans l'essai A, étant donné que la présence de C2H2 permet de faciliter et d'améliorer la visualisation. Industriellement, on réalisera préférentiellement des mélanges H2/C2H2 contenant une proportion de 1 à 10% de C2H2, voire de 3 à 6% de C2H2. Exemple 2 Cet exemple est analogue à l'exemple 1, à l'exception du fait que l'acétylène a été ajouté, cette fois, à un mélange oxygène/gaz naturel. Des résultats comparables à ceux de l'exemple 1 ont été obtenus en ce qui concerne la durée d'amorçage en présence ou en l'absence de C2H2. En outre, comme précédemment, l'addition de 10 à 35% C2H2, préférentiellement de 20 à 30% de C2H2, au gaz naturel permet de créer une zone distincte, c'est-à-dire visible, en flamme primaire permettant d'aboutir à un réglage plus efficace et aisé de la flamme de combustion. REVENDICATIONS 1. Mélange gazeux combustible contenant au moins de l'acétylène et au moins un composé choisi parmi l'hydrogène et le gaz naturel, caractérisé en ce que le rapport (Qc/Qa) de la proportion (Qc) dudit composé choisi parmi l'hydrogène et le gaz naturel à la proportion (Qa) d'acétylène dudit mélange est compris entre 99: 1 et 65: 35. 2. Mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport (Qc/Qa) est compris entre 98: 2 et 70: 30. 3. Mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de l'hydrogène et de l'acétylène en une proportion d'environ 99: 1 à environ : 1, de préférence d'environ 97: 3 à environ 94: 6. 4. Mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient du gaz naturel et de l'acétylène en une proportion d'environ 90: 10 à environ 65: 35, de préférence d'environ 80: 20 à environ 70: 30. 5. Récipient de conditionnement de gaz, caractérisé en ce qu'il contient un mélange combustible selon l'une des revendications 1 à 4, de préférence le récipient est une bouteille de gaz ou une capacité de stockage. 6. Procédé de soudage choisi parmi l'oxycoupage, le perçage en pleine tôle, la chauffe, le traitement thermique et le flammage, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un mélange combustible selon l'une des revendications 1 à 4. 7. Procédé de fabrication d'un mélange gazeux combustible contenant de l'hydrogène ou du gaz naturel et de l'acétylène, caractérisé en ce qu'on mélange des proportions données d'acétylène et d'un composé choisi parmi l'hydrogène et le gaz naturel, et en ce qu'on obtient un mélange combustible ayant un rapport Qc/Qa selon l'une des revendications 1 à 4. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mélange combustible est réalisé sur site d'utilisation, de préférence au moyen d'un mélangeur de gaz. 9. Dispositif de soudage susceptible de mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte: - un chalumeau d'oxycombustion, - des canalisations de gaz, - une source d'un gaz contenant au moins de l'oxygène reliée audit chalumeau, - une source d'acétylène, - une source de gaz naturel ou d'hydrogène, - un mélangeur de gaz relié, en amont, auxdites sources d'acétylène et de gaz naturel ou d'hydrogène et, en aval, audit chalumeau, - des moyens de régulation permettant de contrôler les proportions d'acétylène et de gaz naturel ou d'hydrogène introduites dans le mélangeur, de manière à obtenir un mélange gazeux combustible selon l'une des revendications 1 à 4. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélangeur est un mélangeur à vannes proportionnelles.