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lrocede d'utilisation des ondes de àétona- tion pour la pulverisation, qu'elle déclare avoir fait l'objet d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amerique le 31janvier 1958 au nom
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de Nl1î.R.I;.Poor.f1an, û.r.¯¯a:rley et li.i3"..Jd.rbent dont elle est; l'ayant droit.
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" Procédé d'utilisation des ondes de détonation pour la pulvérisation." CONTENTION INTERNATIONALE : Demande de brevet déposée aux E- tats-Unis d'Amérique le 31 Janvier 1958 N 712.401 aux noms . de Richard Marion POORMAN George Pattison HAWLEY'et Herbert Briggs SARGENT
La présente invention concerne un procédé pour effectuer des réactions chimiques, par exemple des réactions: d'oxydation, de réduction et de carburation, consistant à exposer le produit à faire réagir à une atmosphère à haute température et sous pression élevée créée par des détona- tions et dont la composition est modifiée suivant les exi- genoes.
On entend par "détonation" une combustion très rapide ou autre réaction exothermique, dans lesquelles le front de flamme se déplace dans le milieu non brûlé à des vitesses supérieures à celle du son dans le milieu non brû- lé, et elle est donc caractérisée par des vitesses super- soniques. Des vitesses caractéristiques calculées du son sous la pression normale sont de 330,1 m/sec. à 18 C dans un mélange de 50% d'oxygène et de 50 % d'acétylène, de
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421,8 m/sec. dans le même mélange à 200 C, et de 542,0 m/sec à 18 C dans un mélange de 9,5% d'acétylène etde 90,5 % d'air.
La vitesse de propagation de la flamme est beaucoup plus grande dans le cas d'une détonation que dans celui d'une déflagration, qui est une combustion ou autre réaction exothermique dans laquelle la vitesse.de propagation de l flamme ne dépasse pas la vitesse du son dans le milieu non brûlé. D'après l'ouvrage de Wilhelm Jost, intitulé "Explo- sion and Combustion Processes in Gases" (Mc Graw-Hill Book Co, Inc, New York 1946), aux pages 160 à 210, qui sont consacrées aux détonations dans les gaz, la vitesse du front de flamme dans les détonations de gaz étudiées jus- qu'ici est comprise entre 1 et 4 Km/sec, comparativement à 15,2 m/sec pour une déflagration typique.
Une fois qu'une onde de détonation s'est établie dans.un milieu gazeux, sa vitesse de déplacement est cons- tante. Cependant, sauf dans le cas spécial où le début est dû à une source d'ondes de choc, l'onde de détonation ne s'établit pas immédiatement, mais seulement une fois que la flamme s'est déplacée d'une certaine distance sous for- me de déflagration. On dénommera région de prédétonation celle au travers de laquelle la flamme se déplace avant de passer à l'état de détonation.
On a proposé autrefois des appareils pour utiliser les ondes de détonation et les phénomènes associés, dans le but de conummiquer de l'énergie à des poudres se trouvant dans un milieu fluide détonant, pour propulser les poudres à température élevée et à grande vitesse contre la surface d'un corps à enduire.
On dénomme un tel appareil un "canon à détonation" et il comprend un corps cylindrique ouvert à une des extrémités, un dispositif pour introduire dans ce corps cylindrique une masse détonante d'un fluide détonant, un dispositif pour introduire un produit en poudre dans la masse de fluide détonant se trouvant dans ce corps cylin-
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drique, un dispositif perme%tant de régler l'alimentation en combustible et en oxydant fluide du fluide détonant, et une zone de mélange et d'allumage à la partie arrière du corps cylindrique, comprenant un dispositif d'allumage per-- mettant d'allumer le fluide détonant.se trouvant dans le corps'cylindrique. Le produit en poudre est entraîné dans le corps cylindrique par le courant de combustible gazeux,
par le courant oxydant ou par un courant séparé qui intro- duit le produit pulvérisé dans le courant de mélange fluide détonant, qui l'entraîne dans le corps cylindrique du canon à détonation.
Dans un canon à détonation proposé plus recensent, on utilise un tube d'injection de poudre disposé axialement dans le corps cylindrique du canon, pour introduire la pou- dre dans le corps cylindrique en aval de la zone dans la- quelle la détonation prend naissance. On obtient ainsi de meilleurs résultats de fonctionnement, car la poudre est répartie symétriquement dans la section transversale du corps cylindrique et ne constitue pas de dépôts en une zone de la paroi, comme lorsqu'on l'introduit par le côté du corps cylindrique, et en même temps on évite d'encrasser la zone de mélange et d'allumage par des particules, comme lorsqu'on l'introduit par cette zone.
Les appareils décrits ci-dessus, ainsi que les pro- cédés associés, ont été utilisés pour former des enduits, pour faire des particules sphéroïdales, pour nettoyer ou pour rendre rugueuses des surfaces et pour pulvériser des produits cassants.
On a maintenant constaté que les conditions peu communes de pression et de température qui règnent dans une explosion rendent idéal ce phénomène pour favoriser des procédés chimiques ainsi que des traitements par enduction.
La présente invention se rapporte à un procédé pour effectuer des réactions chimiques, caractérisé par le fait
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que le produit qui doit réagir est exposé à une atmosphère à température élevée et sous haute pression que l'on crée en faisant détoner un mélange de combustible et d'oxydant fluides, en proportions relatives sensiblement optima, et dont on modifie la composition de manière à constituer une atmosphère de réaction convenant le mieux pour obtenir le produit de réaction désiré.
La température, la vitesse des gaz, les caractéris- tiques d'allumage et la composition des produits d'une onde de détonation sont principalement déterminées par la compo- sition du. produit détonant. Quand on utilise un mélange acétylène-oxygène, on atteint la plus grande vitesse de flamme et la température la plus élevée quand le rapport atomique oxygène/carbone est égal à 1. Ce mélange est riche en carbone ou pauvre en oxygène par rapport aux quantités stoéchiométriques correspondant à une combustion complète en anhydride carbonique et en eau. Par conséquent, en fai- sant détoner ce mélange considéré de carburant et d'oxydant, on obtient une atmosphère légèrement carburante ou légère- ment réductrice envers de nombreuses substances.
De même, il n'y a pas de carbone libre en quantité appréciable dans les produits de la combustion, ce qui permet aux parois de la chambre d'allumage et du corps cylindrique de rester propres et libres de dépôts de carbone. En outre, la flamme passe rapidement et sur une courte distance de la déflagra- tion primitive à la détonation recherchée, et la région de prédétonation est de ce fait relativement courte.
Si la détonation doit être par exemple la source première d'une réaction de carburation ou de réduction, il faut abaisser au-dessous de 1,0 le rapport atomique oxygè- ne/carbone d'un mélange d'acétylène et d'oxygène. Dans ces conditions, le passage de la flamme de la forme de déflagra tion à la forme de détonation peut être retardé tellement que l'on n'atteint pas, dans la zone de réaction, les condi-
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tions de réaction désirées. Du carhone et des produits gom- meux provenant de la combustion incomplète tendent égale- ment à se déposer sur les parois de la chambre de détona- tion, dans la région de prédétonation du corps cylindrique.
En aval de la région de prédétonation il ne se produit que peu ou pas de dépôts parce que tout produit se trouvant dans cette région aval est poussé en avant par les forces de l'onde de détonation. La présence de dépôts de produits charbonneux dans la région de prédétonation du corps cylin- drique gêne le fonctionnement.et oblige à nettoyer fréquem- ment. En outre, si le produit de la réaction est un produit d'enduction, les dépôts se détachent des parois et se dépo- sent sur l'enduit lui-même, ce qui diminue sérieusement la qualité de l'enduit.
Si l'on désire utiliser une réaction de détonation pour une oxydation, il faut élever au-des sus de 1,0 environ le rapport atomique oxygène/carbone, pour un mélange d'oxy- gène et d'acétylène. Ici encore les caractéristiques d'allu- mage peuvent ne pas être comme on les désire; c'est-à-dire que la région de prédétonation peut être trop étendue pour permettre d'obtenir des conditions de réaction convenables et il peut en résulter la formation de dépôts gommeux.
Quand on utilise comme source d'ondes de détonation pour une réaction chimique un mélange d'acétylène et d toxy- gène, ou un autre mélange détonant, par exemple un mélange d'hydrogène et d'oxygène ou de propane et d'oxygène, on se trouve en présence de problèmes similaires. En général, le meilleur rapport atomique oxygène/carbone pour obtenir les conditions de réaction désirées (température et composi- tion du produit, par exemple)n'est pas le même que le meil- leur rapport oxygène/carbone pour un établissement rapide d'une détonation.
Conformément à la présente invention, on peut obte- nir ces deux rapports de composition désirés, -en ayant dans
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la. zone d'allumage une composition de gaz convenant le mieux pour un établissement rapide d'une détonation et en introduisant d'autres composants dans le gaz, en aval de la zone d'allumage pour créer les conditions de réaction désirées dans une zone de réaction. Il y a lieu de remarquer que le produit que l'on traite dans la zone de réaction n'est pas par lui-même capable d'entretenir une détonation.
L'onde de détonation doit être propagée par les gaz entou- rant le produit réactif que l'on traite dans la zone de réaction. Le produit que l'on traite doit être de préférence un solide ou un liquide, de manière à obtenir une quantité maxima de produit dans la zone de réaction en un temps don- né. On peut toutefois traiter aussi des réactifs gazeux.
On comprendra mieux cette invention en se reportant ait dessin ¯annexée sur lequel :
La Fig. 1 est une vue schématique d'un canon à détonation permettant de mettre en pratique le procédé objet de l'invention.
La. Fig. 2 est une vue schématique du dispositif de la Fig. 1, et La. Fig. 3 est une vue schématique d'un autre dispo- sitif dans lequel on peut mettre l'invention en pratique.
Sur la. Fig. 1, le canon à détonation D conprend un corps cylindrique allongé 10 ayant une extrémité ouverte 12 d'où sortent les produits de la détonation et les poudres pour aller sur l'objet à enduire, ou d'où l'on recueille les produits de la réaction. Pour éviter les surchauffes, on a prévu autour du corps cylindrique 10 une enveloppe 14 dans laquelle circule de l'eau de refroidissement. L'eau. de refroidissement entre par l'entrée 18 dans l'espace annu- laire compris entre l'enveloppe 14 et le corps cylindrique 10 et elle sort de l'espace annulaire 16 par la sortie 20.
L'oxydant et le combustible sont respectivement amenés aux orifices 22 et 24 du bloc de mélange 26, qui est-
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muni de soupapes 28 pour régler le débit de ces fluides à intervalles voulus. Le mélange du combustible et de l'oxy- dant se fait dans la zone ou chambre de mélange et d'allu- mage 30 du bloc de mélange 26, et le mélange détonant passe dans le corps cylindrique 10 du canon à détonation D. Le bloc de mélange 26 comporte également un orifice 36 d'en- trée de gaz de purge et une soupape 38 pour purger la cham- bre de mélange 30 et le corps cylindrique 10 des gaz dans les intervalles de temps sépa rant chaque détonation succes- sive et l'introduction de la charge détonante suivante dans le corps cylindrique allongé du canon à détonation.
On a prévu l'insertion, dans les parois de la chambre de mélange 30, d'un dispositif d'allumage 42, par exemple d'une bougie d'allumage pénétrant dans cette cham- bre, et également des conducteurs 44 d'alimentation en énergie.
Le montage de tube d'entrée de réactif 46 traverse l'extrémité arrière'ou culasse 48 de l'enveloppe d'eau de refroidissement 14 et le corps cylindrique allongé 10 et pénètre suivant l'axe du corps cylindrique jusqu'en un point situé en aval de la zone (dans la région du disposi- tif d'allumage 42) où se fait l'allumage et en aval du point où s'établit le phénomène de détonation.
Quand au moins un des produits à traiter dans l'appareil à détonation est une poudre, cn utilise un dis- tributeur de poudre approprié pour mettre le produit en suspension dans un courant de gaz dans lequel il est trans - porté dans le corps cylindrique 10 du canon à détonation.
Sur toutes les figures, les mêmes éléments d'appa- reils sont désignés par les mêmes chiffres de référence.
'La Fig. 2 représente deux zones de concentration de gaz A et B que l'on peut alimenter conformément à la présente invention. La. zone A représente la partie du corps cylindrique dans laquelle se fait la réaction, et où. l'on
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injecte le produit à traiter. Dans cette partie, .on main- tient le rapport oxygène/gaz combustible à une valeur telle qu'il donne l'action chimique désirée. La zone B est la zone'de mélange, d'allumage et de prédétonation, dans la quel le le rapport oxygène/gaz combustible est maintenu à une valeur telle qu'il favorise l'allumage et la détonation désirés.
On peut, dans la zone A, maintenir le rapport atomique oxygène/carbone à une valeur différente de celle de la zone B, en introduisant dans la zone A un oxydant ou un hydrocarbure. Il est commode d'introduire ce gaz réactif par le tube 50. Quand on doit traiter une poudre dans le canon à détonation,le gaz réactif peut jouer le rôle de gaz servant de véhicule, ou bien il peut remplacer partiel- lement le gaz servant de véhicule pour la poudre. On peut toutefois obtenir ce résultat autrement, par exemple avec une troisième entrée de gaz auxiliaire, soit parallèle, soit perpendiculaire à l'axe du corps cylindrique du canon.
Sur la'Fig. 3 est représenté un tel dispositif d'admission de gaz auxiliaire. Le tube d'admission de gaz 70 est concentrique au tube démission de réactif 50, et l'on introduit ainsi dans la zone A du corps cylindrique du canon la quantité désirée d'oxydant ou d'hydrocarbure.
Le tube 71, représenté en pointillés, montre une autre va- riante d'admissio.n du gaz auxiliaire dans la zone A.
On peut utiliser la présente invention,de diverses façons : la première est un procédé grâce auquel les réac- tions chimiques sont facilitées par les détonations, et dans lequel on peut obtenir les conditions oxydantes ou réductrices désirées en faisant varier le mélange détonant dans la zone de -réaction; et le second est un procédé per- mettant de faire varier avantageusement la composition du mélange de gaz détonant sur toute la longueur du corps cylindrique du canon. On peut mettre en oeuvre ce dernier
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procédé en introduisant des gaz réactifs par le tube d'ad- mission de réactif ; onréalise ainsi dans le corps cylin- drique du canon deux zones de gaz de compositions différen- tes.
Si il y avait plus d'un tube auxiliaire d'admission. de gaz, on pourrait faire varier la composition du combusti- ble sur toute la longueur du corps cylindrique.
La réaction des particules solides et liquides avec les produits de la détonation du gaz dans lequel ils sont en suspension est étonnamment rapide, peut être en raison de la très grande vitesse relative entre les particules et le gaz, qui conduit à de très grandes vitesses de trans- port de chaleur et de produit. On a calculé que la vitesse des produits de la détonation d'un mélange de quantités équimoléculaires d'acétylène et d'oxygène,'par rapport aux particules initialement au repos dans le mélange gazeux n'ayant pas réagi, est au début de 1.200 m/sec. Cette vitesse relative diminue naturellement au fur et à mesure que la vitesse des particules s'accélère.
Les exemples ci-après servent à illustrer différents genres de réactions que l'on peut faciliter par un procédé de détonation dans lequel les conditions régnant dans la zone de réaction diffèrent de celles de la zone d'allumage.
Il est évident que l'on peut effectuer d'autres réactions de nature analogue. On a utilisé dans tous ces exemples un canon à détonation du type représenté sur la Fig. 1.
Exemple 1 - Carburation du tungstène.
On introduit dans le canon à détonation de l'acéty- lène à raison de 85,0 1/min, et de l'oxygène à raison de 83,2 1/min. (rapport 0/0 = 0,97). On fait arriver de la poudre de tungstène (grosseur moyenne 4,5 microns) à rai- son de 2,72 Kg/heure environ, entraînée dans un courant d'éthylène gazeux de 11,3 1/min, par le tube d'alimentation axial. Dans la zone de réaction, le rapport atomique oxy- gène/carbone = 0,86. Le canon fonctionne à raison de 4 déto-
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nations environ par seconde, avec purge d'azote les accom- pagnant. On recueille le produit sous forme d'enduit, et son analyse montre qu'il s'agit de carbure de tungstène
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(Tu2C).
On pense que le procédé exact de transfert du carbone du gaz au métal est semblable au mécanisme de la carburation de l'acier. On pense que le gaz porteur de car- bone se décompose à la surface des particules chaudes et qu'alors le carbone diffuse dans les particules et réagit avec elles . Comme la plupart des métaux, y compris letungs- tène (point de fusion = 3.370 C) fondent quand ils sont exposés à une détonation d'oxygène et de combustible dans le canon à détonation, et comme le carbone diffuse très rapidement dans le métal fondu, on peut se rendre compte combien les quantités de carbone que l'on peut facilement ajouter aux poudres de métaux au cours de la détonation sont appréciables.
L'utilisation d'éthylène comme gaz servant de véhi- cule pour la poudre, de tungstène pulvérisé (grosseur 0 à 10 microns), plus 16 % de cobalt comme liant (grosseur 0,44 micron), et d'un rapport oxygène/'gaz combustible égal à 1,0 environ dans la zone d'allumage donne un enduit de carbure de tungstène présentant d'utiles propriétés de dureté, de résistance à l'usure et se meulant facilement Exemple 2 - Réduction d'oxyde de fer.
On introduit dans une chambre de détonation de l'oxygène à raison de 77,8 1/min, et du propane à raison de 28,3 1/min, pour former un mélange détonant dont le rapport atomique oxygène/carbone est égal à 1,8. On intro- duit en aval de la région de prédétonation du Fe2O3 en poudre, à raison de 10 g environ par minute, dans un cou- rant de propane servant de véhicule et dont le débit est de 17,3 1/min. Dans cette section de réactionaval, le rap-
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port oxygène/carbone est égal à 1,1. On allume le mélange détonant 4 fois environ par seconde, avec purges d'azote consécutives. On recueille à la sortie de l'appareil la poudre constituant le produit. Cette poudre renferme, en poids, 74,3 % de Fe, 19,1 % de 0 et 1,92 % de C total.
Exemple 3 - Réduction d'cxyde de f er .
On fait arriver dans une chambre de détonation de l'oxygène à raison de.33,4- l/min et du propane à raison de 35,4 1/min pour former un mélange détonant dont le rapport atomique oxygène/carbone = 1,8. On introduit en aval de la région de prédétonation de la poudre de Fe3O4 à raison de 10 g environ par minute, dans un courant de propane cer- vant de véhicule et dont le débit est de 16,3 1/min. On allume le mélange détonant 4 fois environ par seconde,, en purgeant avec de l'azo.te entre les détonations. On obtient comme produit une poudre à la sortie de la chambre de réac- tion;cette poudre renferme, en poids, 77,6% de Fe, 16,3 % de 0 et 1,96 % en poids de C total.
Exemple 4 - Carburation du molybdène.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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the method of using astonishing waves for spraying, which it declares to have been the subject of a patent application filed in the United States of America on January 31, 1958 in the name
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de Nl1î.R.I; .Poor.f1an, û.r.¯¯a: rley and li.i3 ".. Jd.rbent of which she is; the beneficiary.
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"Method of using detonation waves for spraying." INTERNATIONAL CONTENTION: Patent application filed in the United States of America on January 31, 1958 No. 712,401 in names. by Richard Marion POORMAN George Pattison HAWLEY'and Herbert Briggs SARGENT
The present invention relates to a process for carrying out chemical reactions, for example reactions: oxidation, reduction and carburization, comprising exposing the product to be reacted to a high temperature and high pressure atmosphere created by detonations. tions and whose composition is modified according to the requirements.
By "detonation" is meant a very rapid combustion or other exothermic reaction, in which the flame front moves through the unburned medium at speeds greater than that of sound in the unburned medium, and is therefore characterized by super sonic speeds. Calculated characteristic velocities of sound under normal pressure are 330.1 m / sec. at 18 C in a mixture of 50% oxygen and 50% acetylene,
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421.8 m / sec. in the same mixture at 200 C, and 542.0 m / sec at 18 C in a mixture of 9.5% acetylene and 90.5% air.
The speed of flame propagation is much greater in the case of a detonation than in that of a deflagration, which is a combustion or other exothermic reaction in which the speed of flame propagation does not exceed the speed of the flame. its in the middle unburned. According to the work by Wilhelm Jost, entitled "Explosion and Combustion Processes in Gases" (Mc Graw-Hill Book Co, Inc, New York 1946), on pages 160 to 210, which are devoted to detonations in gases , the speed of the flame front in the gas detonations studied so far is between 1 and 4 km / sec, compared to 15.2 m / sec for a typical deflagration.
Once a detonation wave has established itself in a gaseous medium, its speed of movement is constant. However, except in the special case where the onset is due to a source of shock waves, the detonation wave is not established immediately, but only after the flame has moved a certain distance under form of deflagration. The predetonation region will be referred to as that through which the flame moves before going into the detonation state.
Apparatuses have been proposed in the past for using detonation waves and associated phenomena, in order to conummicate energy to powders in a detonating fluid medium, to propel the powders at high temperature and at high speed against the gas. surface of a body to be coated.
Such an apparatus is called a "detonation gun" and it comprises a cylindrical body open at one end, a device for introducing into this cylindrical body a detonating mass of a detonating fluid, a device for introducing a powder product into the mass of detonating fluid in this cylinder body
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drric, a device for regulating the supply of fuel and fluid oxidant to the detonating fluid, and a mixing and ignition zone at the rear part of the cylindrical body, comprising an ignition device allowing to 'ignite the detonating fluid in the cylindrical body. The powdered product is entrained in the cylindrical body by the stream of gaseous fuel,
by the oxidizing stream or by a separate stream which introduces the atomized material into the detonating fluid mixture stream, which carries it into the cylindrical body of the detonation gun.
In a detonation gun proposed more recently, a powder injection tube is used, arranged axially in the cylindrical body of the gun, to introduce the powder into the cylindrical body downstream of the zone in which the detonation originates. . Better operating results are thus obtained, since the powder is distributed symmetrically in the cross section of the cylindrical body and does not form deposits in one region of the wall, as when it is introduced from the side of the cylindrical body, and at the same time, one avoids clogging the mixing and ignition zone with particles, as when it is introduced through this zone.
The apparatuses described above, as well as the associated methods, have been used to form coatings, to make spheroidal particles, to clean or roughen surfaces and to spray brittle products.
It has now been observed that the unusual pressure and temperature conditions which prevail in an explosion make this phenomenon ideal for promoting chemical processes as well as coating treatments.
The present invention relates to a process for carrying out chemical reactions, characterized by the fact
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that the product which is to react is exposed to an atmosphere at high temperature and under high pressure which is created by detonating a mixture of fluid fuel and oxidant, in substantially optimum relative proportions, and the composition of which is modified in a manner providing a reaction atmosphere most suitable for obtaining the desired reaction product.
The temperature, gas velocity, ignition characteristics and composition of the products of a detonation wave are primarily determined by the composition of the. detonating product. When using an acetylene-oxygen mixture, the highest flame speed and the highest temperature are reached when the oxygen / carbon atomic ratio is equal to 1. This mixture is rich in carbon or poor in oxygen compared to stoichiometric quantities. corresponding to a complete combustion in carbon dioxide and water. Therefore, by detonating this considered mixture of fuel and oxidant, an atmosphere which is slightly carburizing or slightly reducing towards many substances is obtained.
Likewise, there is no appreciable amount of free carbon in the combustion products, which allows the walls of the ignition chamber and cylindrical body to remain clean and free from carbon deposits. In addition, the flame passes rapidly and a short distance from the original deflagration to the desired detonation, and the region of predetonation is therefore relatively short.
If, for example, detonation is to be the primary source of a carburizing or reduction reaction, the oxygen / carbon atomic ratio of a mixture of acetylene and oxygen must be lowered below 1.0. Under these conditions, the passage of the flame from the deflagration form to the detonation form can be retarded so much that the conditions in the reaction zone are not reached.
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reactions desired. Carhone and gummy products from incomplete combustion also tend to deposit on the walls of the detonation chamber in the pre-detonation region of the cylindrical body.
Downstream of the predetonation region little or no deposition occurs because any product in this downstream region is pushed forward by the forces of the detonation wave. The presence of carbonaceous product deposits in the pre-detonation region of the cylindrical body hinders operation and necessitates frequent cleaning. Furthermore, if the reaction product is a coating product, the deposits break off from the walls and settle on the coating itself, which seriously diminishes the quality of the coating.
If it is desired to use a detonation reaction for oxidation, the oxygen / carbon atomic ratio must be increased above about 1.0 for a mixture of oxygen and acetylene. Here again the ignition characteristics may not be as desired; that is, the predetonation region may be too large to allow suitable reaction conditions to be obtained and the formation of gummy deposits may result.
When using as the source of detonation waves for a chemical reaction a mixture of acetylene and toxin, or another detonating mixture, for example a mixture of hydrogen and oxygen or propane and oxygen, we are faced with similar problems. In general, the best oxygen / carbon atomic ratio to achieve the desired reaction conditions (temperature and product composition, for example) is not the same as the best oxygen / carbon ratio for rapid establishment of. a detonation.
In accordance with the present invention, these two desired composition ratios can be obtained by having in
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the. ignition zone a gas composition best suited for rapid establishment of a detonation and introducing other components into the gas, downstream of the ignition zone to create the desired reaction conditions in a reaction zone . It should be noted that the product which is treated in the reaction zone is not by itself capable of sustaining a detonation.
The detonation wave must be propagated by the gases surrounding the reactant being treated in the reaction zone. The product to be treated should preferably be a solid or a liquid, so as to obtain a maximum amount of product in the reaction zone at a given time. However, it is also possible to process gaseous reactants.
This invention will be better understood by referring to the appended drawing on which:
Fig. 1 is a schematic view of a detonation gun making it possible to put into practice the method which is the subject of the invention.
Fig. 2 is a schematic view of the device of FIG. 1, and Fig. 3 is a schematic view of another device in which the invention can be practiced.
On the. Fig. 1, the detonation gun D comprises an elongated cylindrical body 10 having an open end 12 from which the products of the detonation and the powders come out to go to the object to be coated, or from which the products of the detonation are collected. the reaction. To prevent overheating, a casing 14 is provided around the cylindrical body 10 in which cooling water circulates. The water. cooling enters through the inlet 18 into the annular space between the casing 14 and the cylindrical body 10 and leaves the annular space 16 through the outlet 20.
The oxidant and the fuel are respectively supplied to ports 22 and 24 of the mixing block 26, which is
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provided with valves 28 for adjusting the flow rate of these fluids at desired intervals. The fuel and the oxidant are mixed in the mixing and ignition zone or chamber 30 of the mixing block 26, and the detonating mixture passes through the cylindrical body 10 of the detonation gun D. Mixing block 26 also has a purge gas inlet 36 and a valve 38 for purging the mixing chamber 30 and the cylindrical body 10 of gases in the time intervals between each successive detonation and introducing the next detonating charge into the elongated cylindrical body of the detonation gun.
Provision has been made for the insertion, in the walls of the mixing chamber 30, of an ignition device 42, for example of an ignition plug entering this chamber, and also of the supply conductors 44. in energy.
The reagent inlet tube assembly 46 passes through the rear end or yoke 48 of the cooling water jacket 14 and the elongated cylindrical body 10 and penetrates along the axis of the cylindrical body to a point. downstream of the zone (in the region of the ignition device 42) where the ignition takes place and downstream of the point where the detonation phenomenon is established.
When at least one of the products to be treated in the detonation apparatus is a powder, an appropriate powder dispenser is used to suspend the product in a gas stream in which it is carried in the cylindrical body 10. detonation cannon.
In all the figures, the same elements of apparatus are designated by the same reference numerals.
'Fig. 2 shows two gas concentration zones A and B which can be supplied in accordance with the present invention. Zone A represents the part of the cylindrical body in which the reaction takes place, and where. we
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injects the product to be treated. In this part, the oxygen / fuel gas ratio is maintained at a value such as to give the desired chemical action. Zone B is the mixing, ignition and predetonation zone, in which the oxygen / fuel gas ratio is maintained at a value such as to promote the desired ignition and detonation.
It is possible, in zone A, to maintain the oxygen / carbon atomic ratio at a value different from that of zone B, by introducing into zone A an oxidant or a hydrocarbon. It is convenient to introduce this reactive gas through the tube 50. When powder is to be treated in the detonation gun, the reactive gas can act as a carrier gas, or it can partially replace the gas used. vehicle for the powder. This result can however be obtained otherwise, for example with a third auxiliary gas inlet, either parallel or perpendicular to the axis of the cylindrical body of the barrel.
On the'Fig. 3 is shown such an auxiliary gas inlet device. The gas inlet tube 70 is concentric with the reagent outlet tube 50, and the desired quantity of oxidant or hydrocarbon is thus introduced into zone A of the cylindrical body of the barrel.
The tube 71, shown in dotted lines, shows another variant of admission of the auxiliary gas into zone A.
The present invention can be used in various ways: the first is a process whereby chemical reactions are facilitated by the detonations, and in which the desired oxidizing or reducing conditions can be obtained by varying the detonating mixture in the zone. of -reaction; and the second is a method of advantageously varying the composition of the detonating gas mixture over the entire length of the cylindrical body of the barrel. We can implement the latter
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process by introducing reactive gases through the reagent inlet tube; Two gas zones of different compositions are thus produced in the cylindrical body of the gun.
If there was more than one auxiliary intake tube. gas, the composition of the fuel could be varied over the length of the cylindrical body.
The reaction of solid and liquid particles with the products of the detonation of the gas in which they are suspended is surprisingly fast, perhaps due to the very high relative speed between the particles and the gas, which leads to very high speeds of heat and product transport. It has been calculated that the velocity of the products of the detonation of a mixture of equimolecular amounts of acetylene and oxygen, relative to the particles initially at rest in the unreacted gas mixture, is at the start of 1,200 m. /dry. This relative speed naturally decreases as the speed of the particles accelerates.
The following examples serve to illustrate different kinds of reactions which can be facilitated by a detonation process in which the conditions in the reaction zone differ from those in the ignition zone.
Obviously, other reactions of a similar nature can be carried out. In all these examples, a detonation gun of the type shown in FIG. 1.
Example 1 - Carburation of tungsten.
Acetylene at a rate of 85.0 l / min and oxygen at a rate of 83.2 l / min are introduced into the detonation gun. (ratio 0/0 = 0.97). Tungsten powder (average size 4.5 microns) is fed at a rate of approximately 2.72 kg / hour, entrained in a stream of ethylene gas of 11.3 1 / min, through the tube of. axial feed. In the reaction zone, the oxygen / carbon atomic ratio = 0.86. The cannon works at the rate of 4 detonations
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nations approximately per second, with accompanying nitrogen purge. The product is collected in the form of a coating, and its analysis shows that it is tungsten carbide
EMI11.1
(Tu2C).
The exact process of transferring carbon from gas to metal is believed to be similar to the mechanism of carburizing steel. It is believed that the carbon carrier gas decomposes on the surface of the hot particles and then the carbon diffuses into the particles and reacts with them. As most metals, including letungstene (melting point = 3.370 C) melt when exposed to a detonation of oxygen and fuel in the detonation gun, and as carbon diffuses very quickly into the molten metal , one can realize how appreciable the quantities of carbon which one can easily add to the powders of metals during the detonation are.
The use of ethylene as a vehicle gas for the powder, pulverized tungsten (size 0-10 microns), plus 16% cobalt as a binder (size 0.44 microns), and an oxygen / A fuel gas of about 1.0 in the ignition zone gives a tungsten carbide coating exhibiting useful hardness, wear resistance and easily grindable properties. Example 2 - Reduction of iron oxide.
Oxygen at a rate of 77.8 l / min, and propane at a rate of 28.3 l / min, are introduced into a detonation chamber to form a detonating mixture whose atomic oxygen / carbon ratio is equal to 1 , 8. Powdered Fe2O3 is introduced downstream of the predetonation region at a rate of approximately 10 g per minute into a propane stream serving as a vehicle at a flow rate of 17.3 l / min. In this downstream reaction section, the report
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oxygen / carbon port is equal to 1.1. The detonating mixture is ignited about 4 times per second, with consecutive nitrogen purges. The powder constituting the product is collected at the outlet of the apparatus. This powder contains, by weight, 74.3% of Fe, 19.1% of 0 and 1.92% of total C.
Example 3 - Reduction of iron oxide.
Oxygen at a rate of 33.4 l / min and propane at a rate of 35.4 l / min are brought into a detonation chamber to form a detonating mixture with an atomic oxygen / carbon ratio = 1, 8. Fe3O4 powder is introduced downstream of the predetonation region at a rate of approximately 10 g per minute, into a propane stream circulating with the vehicle and the flow rate of which is 16.3 l / min. The detonating mixture is ignited about 4 times per second, purging with nitrogen between the detonations. As product, a powder is obtained at the outlet of the reaction chamber which powder contains by weight 77.6% Fe, 16.3% 0 and 1.96% by weight total C.
Example 4 - Carburization of molybdenum.
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