Brevet FR2774693A1 — publié le 19990813

La présente invention concerne, d'une part, un mélange gazeux combustible contenant du propane et/ou du propylène, 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. 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 11TM, 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 ci-dessus 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 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. 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 de remplacer les mélanges actuellement utilisés, tels le CRYLENETM et le TETRENETM, qui conduise à de bonnes performances, qui soit facile et sûr d'utilisation et de coût raisonnable. La présente invention concerne alors un mélange combustible contenant au moins de l'acétylène et au moins un composé choisi parmi le propane, le propylène et leurs mélanges, caractérisé en ce que le rapport Qp/Qa de la proportion (Qp) du composé choisi parmi le propane, le propylène et leurs mélanges à la proportion (Qa) d'acétylène dudit mélange est tel que 1.1 De préférence, le rapport Qp/Qa est compris entre 1.5 et 3 environ, de préférence entre 1.9 et 2.6 environ. Avantageusement, le mélange combustible selon l'invention contient du propane et du propylène. De préférence, la proportion propane/propylène est comprise entre 50:50 et 99:1, préférentiellement entre 70:30 et 95:5. Selon le cas le mélange combustible, selon l'invention, peut comprendre au moins un autre composé choisi parmi l'azote, l'oxygène, le méthane ou un autre hydrocarbure et leurs mélanges. Avantageusement, le mélange combustible de l'invention contient au moins 20 à 25 % en volume d'acétylène, le reste étant essentiellement du propane et/ou du propylène, de préférence au moins 30% d'acétylène, préférentiellement environ 30% à 40% d'acétylène. Le mélange combustible selon l'invention est préférentiellement sous forme gazeuse. Selon 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 et le flammage notamment des granits et des marbres, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un mélange gazeux combustible selon l'invention. Dans le cadre de l'invention, on entend par procédé de soudage, un procédé de travail des matériaux requérant un apport de chaleur délivrée par un chalumeau. De préférence, la pression du mélange combustible envoyé au chalumeau est comprise entre 0,1.105 Pa et 5.105 Pa, de préférence entre 0,5.105 Pa et 2,5.105 Pa. De préférence, le débit dudit mélange combustible est comprise entre 20 l.h 1 à 2 000 l.h1, de préférence 150 l.h 1 à 1 000 l.h l. La pression et le débit d'oxygène de chauffe sont, quant à eux, réglés, de manière connue, en fonction du type de chalumeau utilisé et du rapport de consommation souhaité. Selon encore un autre aspect, l'invention a trait à un procédé de fabrication d'un mélange combustible contenant au moins du propane et de l'acétylène, caractérisé en ce qu'on mélange des proportions données d'acétylène et d'au moins un composé choisi parmi le propane, le propylène et leurs mélanges, et en ce qu'on obtient un mélange combustible ayant le rapport Qp/Qa susmentionné. Avantageusement, le mélange combustible est réalisé directement sur site d'utilisation, par exemple, au moyen d'un mélangeur comprenant un débitmètre mesurant le débit de propane et/ou propylène (Qp), pilotant, à partir de cette mesure de Qp, un régulateur de débit d'acétylène (Qa) et assurant, en outre, le maintien et/ou l'obtention de la valeur Qp/Qa souhaitée; le mélange ainsi obtenu étant ensuite envoyé vers un chalumeau. Comme détaillé dans les exemples suivants, donnés à titre illustratif, mais non limitatif de l'invention, un mélange combustible selon l'invention contenant une proportion (Qa) d'acétylène et une proportion (Qp) de propane et/ou de propylène telles que le rapport Qp/Qa soit préférentiellement égal à environ 1,9 à 2,6, et contenant au moins 25% (en volume) d'acétylène, le reste étant principalement du propane et/ou du propylène, permet d'obtenir, lors de sa mise en oeuvre dans un procédé d'oxycoupage de tôle, des résultats équivalents à ceux obtenus avec un gaz de type TETRENETM et nettement meilleurs à ceux obtenus avec du propane seul. En effet, si le mélange combustible selon l'invention conduit à un temps de préchauffage, avant coupage de la tôle par apport d'oxygène de coupe, sensiblement identique à celui obtenu avec TETRENETM, il s'avère que la qualité de coupe est, quant à elle, nettement meilleure que celle résultant d'un coupage avec flamme de chauffage alimentée au TETRENETM et ce, grâce à la présence d'acétylène en forte proportion par rapport au propane et/ou propylène, lequel acétylène augmente vraisemblablement l'échange thermique ayant lieu au fond de la saignée entre la flamme et la pièce à couper. ExemPles Les essais suivants visent à déterminer l'évolution du temps d'amorçage en pleine tôle pour un chalumeau coupeur en fonction de la proportion d'acétylène dans le mélange combustible d'alimentation; le reste du mélange étant du propane et les impuretés habituelles. Les essais ont été menés avec un chalumeau muni d'une tête de coupe "Mach 3S" de calibre 10/10 commercialisé par la société LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE. En outre, les paramètres opératoires adaptés sont les suivants: - éprouvettes: plaques d'acier de 100 mm x 100 mm et d'épaisseur de 20 mm, lesquelles sont préalablement soumises à un sablage de surface; - nature de l'acier des éprouvettes: type A42; - oxygène de coupe: pureté d'au moins 99,9% (ici de l'oxygène commercialisé sous la dénomination LASAL 2003TM par la société L'AIR LIQUIDE, S. A.); - pression de l'oxygène de coupe: 5.10 Pa; - débit total de gaz combustible (mélange acétylène + propane): 300 l.h 1; - température des éprouvettes: 15 à 200C environ; - autres matériels de type classique: détendeurs, mélangeur, régulateur de débit massique (15 l/h) pour l'acétylène, débit mètre massique (35 l/h) pour le propane, adaptateurs... Ainsi que susmentionné, la mesure porte sur le temps d'amorçage, c'est-à-dire le temps nécessaire pour amener la tôle à la température de coupe (environ 1 300"C) depuis la température ambiante, le temps d'amorçage étant défini expérimentalement comme étant le temps de chauffe minimal ayant permis d'obtenir une amorce de coupe de la tôle lors de l'apport d'oxygène de coupe. Pour déterminer le temps d'amorçage, on procède, en fait, à une série d'essais au cours desquels on chauffe avec un même mélange de gaz des éprouvettes initialement à la température ambiante pendant des périodes de temps différentes. Puis, immédiatement après la chauffe, on fournit à chaque fois de l'oxygène de coupe. De là, on détermine le temps d'amorçage qui est la période de temps minimale ayant donné lieu à un amorçage, c'est-à-dire à un début de combustion de l'éprouvette dans le jet d'oxygène. Les résultats obtenus sont consignés dans les tableaux I à III ci-après et sur la figure unique annexée. TABLEAU I: Mélange C3H8 + C2H2 au rapport de consommation pratique % Débit Débit Débit A Rapport Temps Gain de C2H2 C3H8 C2E2 02 Qp/Qa d'amorçage temps (I/a) (l/h) (l/h) (sec.) (%) 0 300 - 1 125 3,75 - 24 - 10 270 30 1 045 3,49 9 22 8,3 20 240 60 966 3,22 4 20 16,7 30 210 90 886 2,96 2,33 14 41,7 40 180 120 807 2,69 1,50 14 41,7 50 150 150 727 2,43 1 13 54,2 TABLEAU II: Mélange C3H8 au rapport de consommation stoechiométrique % Débit Débit Débit A Rapport Temps Gain de C2H2 c3H8 C2H2 02 Qp/Qa d'amorçage temps (l/h) (l/h) (l/h) (sec.) (%) 0 300 - 1 500 5 0 15 - 10 270 30 1 425 4,75 9 14 6,7 20 240 60 1 350 4,50 4 12 20 30 210 90 1 275 4,25 2,33 9 40 50 150 150 1 125 3,75 1 7 53,3 TABLEAU III: Mélange C3H8 + C2H2 au rapport de consommation pratique % Débit Débit Débit A Rapport Temps Gain de c2H2 C3HS c2H2 02 Qp/Qa amorçage temps (l/h) (l/h) (l/h) (sec.) (%) 0 300 - 1 125 3,75 - 37 - 10 270 30 1 045 3,49 9 32 13,5 20 240 60 966 3,22 4 30 18,9 30 210 90 886 2,96 2,33 26 29,7 40 180 120 807 2,69 1,5 24 35,1 La grandeur A correspond au rapport de consommation, c'est-à-dire le débit d'oxygène de chauffe ramené au débit de combustible, et est déterminé comme suit: A(mélange) = % A(propane) +% A(acétylène) Il s'ensuit qu'on obtient alors: - pour un rapport de consommation pratique: A(propane) = 3,75 A(acétylène) = 1,10 - pour un rapport de consommation stoechiométrique: A(propane) = 5 A(acétylène) = 2,50. En outre, il est à noter que, selon les essais des tableaux I (courbe PP sur figure) et II (courbe PS), la tête de coupe est de type MACH 3S PROPANE, alors que, selon les essais du tableau III (courbe TP sur figure), la tête de coupe est de type MACH 3S TETRENE. On constate, au vu des tableaux I à III, que le temps d'amorçage est fonction inverse de la teneur en acétylène du mélange. En particulier, un gain de temps de 30 à 42% est obtenu pour un mélange composé à 70% de propane et à 30% d'acétylène, lequel croit avec la teneur en acétylène, jusqu'à atteindre 54% pour un mélange à 50% d'acétylène. Plus précisément, comme il apparaît sur la figure annexée, on observe une inflexion de la courbe de temps d'amorçage (en sec.) par rapport à la quantité d'acétylène (en t) dans le mélange combustible à partir d'environ 25% + 5% d'acétylène avec un Qa/Qp d'environ égale à 2,3 + 0.3. Cette inflexion s'observe quelle que soit la tête de coupe utilisée (courbes TP, PP et PS sur figure), mais est plus marquée dans le cas des essais réalisés avec la tête de coupe de type MACH 3S PROPANE au rapport stoechiométrique (courbe PS sur figure et Tableau II). Par ailleurs, on observe que si le gain en temps d'amorçage est significatif lorsqu'on augmente la concentration du mélange combustible en acétylène (C2H2), il accroît encore davantage lorsqu'on augmente la convergence des dards en utilisant des têtes de coupe différentes: têtes de type MACH 3S PROPANE ou TETRENE. Toutefois, cette augmentation de la convergence des dards est néfaste pour la fusion d'arête et donc pour la qualité de coupe. En outre, la présence d'acétylène dans le mélange combustible permet d'obtenir une flamme lumineuse et dont la morphologie du dard et du panache facilite le réglage du rapport de consommation du chalumeau par rapport à son utilisation alimenté uniquement par du propane ou du propylène. Par ailleurs, l'acétylène ajouté au propane ou au propylène augmente la température de flamme et améliore la qualité des arêtes de coupe. A l'inverse, alors que l'acétylène a une vitesse de déflagration élevée, le présent mélange combustible possède une vitesse de déflagration réduite exigeant ainsi une précision réduite des réglages du chalumeau. En outre, alors que l'acétylène ne procure qu'une faible longueur de flamme, le mélange d'acétylène et de propane et/ou propylène permet d'obtenir une flamme ayant une longueur supérieure, ce qui rend possible la découpe d'éléments de forte épaisseur. Par ailleurs, le mélange de propane et/ou propylène et d'acétylène avec Qa/Qp > 2 30 environ et contenant environ 30% d'acétylène est avantageusement utilisable dans des applications de soudage, de trempe superficielle, de chauffe, de retrait ou de projection thermique. Ainsi, ce mélange est polyvalent et peut être utilisé pour l'ensemble des applications mises en oeuvre, par exemple, par un chaudronnier ou un charpentier métallique. Toutefois, il faut noter que pour des pourcentages d'acétylène supérieurs à 50%, le coût du mélange devient trop important et il est nécessaire d'utiliser des buses de chalumeau spécifiques, ce qui tend à conclure que la gamme 30% à 50% en acétylène est préférée. Il est à noter que des essais visant à comparer l'effet du propane N25 (pureté de 99,5% environ) à du propane industriel (mélange propane/propylène 70/30) n'ont pas montré de différences notables sur les temps d'amorçage; la pureté du propane n'a donc a priori que peu ou pas d'importance. Le mélange combustible selon la présente invention est particulièrement bien adapté à une utilisation dans un procédé d'oxycoupage de métaux, tels les aciers, en particulier les aciers non-alliés ou faiblement alliés, tels que définis notamment dans le document AFNOR NO FD CR 12187.1995.F; avril 1996. REVENDICATIONS 1. Mélange gazeux combustible contenant au moins de l'acétylène et au moins un composé choisi parmi le propane, le propylène et leurs mélanges, caractérisé en ce que le rapport Qp/Qa de la proportion (Qp) du composé choisi parmi le propane, le propylène et leurs mélanges à la proportion (Qa) d'acétylène dudit mélange est tel que: 1.1 2. Mélange gazeux combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport Qp/Qa est compris entre 1.5 et 3 environ, de préférence entre 1.9 et 2.6 environ. 3. Mélange gazeux combustible selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il contient au moins 20 à 25 % en volume d'acétylène, le reste étant essentiellement du propane et/ou du propylène, et de préférence d'environ 30% à 40% d'acétylène. 4. Mélange gazeux combustible selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de l'acétylène, du propane et du propylène. 5. Mélange gazeux combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion propane/propylène dans le mélange gazeux est comprise entre 50:50 et 99:1, de préférence entre 70:30 et 95:5. 6. Procédé de soudage choisi parmi l'oxycoupage, le perçage en pleine tôle, la chauffe, le traitement thermique, le brasage et le flammage notamment des granits et des marbres, mettant en oeuvre un chalumeau caractérisé en ce qu'il met en oeuvre, en outre, un mélange gazeux combustible selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Utilisation d'un mélange gazeux combustible selon l'une des revendications 1 à 5 dans un procédé d'oxycoupage des aciers, de préférence des aciers nonalliés ou faiblement alliés. 8. Procédé de fabrication d'un mélange combustible contenant au moins du propane et de l'acétylène, caractérisé en ce qu'on mélange des proportions données d'acétylène et d'au moins un composé choisi parmi le propane, le propylène et leurs mélanges, et en ce qu'on obtient un mélange combustible ayant un rapport Qp/Qa selon l'une des revendications 1 à 5. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que le mélange combustible est réalisé sur site d'utilisation. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est réalisé dans une mélangeur.