CA2036850A1 - Procede et dispositif de coupe par jet de liquide - Google Patents
Procede et dispositif de coupe par jet de liquideInfo
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Abstract
Le procédé consiste à former, à la sortie d'une buse de coupe, un jet central de liquide de coupe et, simultanément, un jet concentrique de gaz autour du jet central de liquide, le jet de gaz ayant une vitesse supérieure à la vitesse du jet de liquide. Typiquement, le liquide et le gaz ont la même composition, de préférence de l'oxygène. Ce procédé permet de conférer une meilleure cohérence au jet de liquide sur une distance plus grande à la sortie de la buse, et donc de permettre l'obtention de coupes plus rapides et plus soignées et/ou une souplesse d'utilisation accrue.
Description
2 ~J ~ 3 ~
La présente invention a pour objet les procédés de coupe ou découpe de matériaux dans lesquels on forme, à la sortie d'une buse de coupe, un jet de liquide à haute pression.
Les procédés de coupe par jet de liquide, notamment de liquide cryogénique, sont confrontés à un problème de cohérence du jet de liquide, en raison notamment de l'apparition de phénomènes mal contrôlés de couche limite à l'interface entre la périphérie du jet liquide et son environnement, généralement fortement tourbillonnaire en utilisation. Ces problèmes imposent des contraintes de mise en oeuvre, notamment de vitesse de défilement, pour garantir l'abtention de coupes en profondeur avec une largeur de saignée tolérable.
La présente invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de coupe permettant de conférer une meilleure cohérence au jet de liquide sur une distance plus grande à la sortie de la buse, et donc de permettre l'obtention de coupes plus rapides et plus soignées et/ou une souplesse d'utilisation accrue.
Pour ce faire, selon une caractéristique du procédé selon l'invention, on forme simultanément, dans la buse, un jet de gaz autour du jet de liquide, la vitesse d'éjection du jet de gaz étant supérieure à la vitesse d'éjection du jet de liquide, typiquement au moins le double de la vitesse du jet de liquide. De préférence, le liquide et le gaz ont la même composition.
L'obtention de jets homogènes de gaz est correctement maîtrisable et permet ainsi de réaliser, autour du jet de liquide central, un interface à vitesse d'écoulement parallèle limitant les phénomènes de couche limite à la périphérie du jet liquide et assurant ainsi à celui-ci une homogénéité et une cohérence convenables sur une distance de plusieurs centimètres à la sortie de la buse.
Selon un aspect plus particulier de l'invention, convenant pour la découpe rapide et en profondeur de matériaux métalliques, le liquide et le gaz sont de l'oxygène.
L'oxycoupage avec jet d'oxygène liquide gainé par un jet d'oxygène gazeux se révèle particulièrement intéressant en sidérurgie, notamment pour la découpe de bandes ou de brames de métal directement en sortie de coulée continue. En effet, la cohérence du jet liquide : ' ~' ' ~
2~3G31ei~
étant augmentée sur une distance plus importante, on peut opérer avec une distance buse de coupe/pièce à découper plus importante, ce qui augmente la durée de vie de l'installation de coupe. Par ailleurs, la présence d'un gainaye d'oxygène gazeux facilite grandement l'opération d'amorçage en bord de bande ou de brame. D'autre part, en cas de coupure accidentelle de l'alimentation en oxygène liquide, la coupe peut se poursuivre, à vitesse certes plus réduite, avec le seul oxygène gazeux.
La présente inven-tion a pour autre objet de proposer un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, du type comprenant une buse de coupe comportant un premier canal débouchant dans un orifice d'éjection et des moyens pour alimenter le premier canal en liquide sous pression, dans lequel la buse comporte un deuxième canal formé concentriquement autour du premier canal et déboîtant dans l'orifice d'éjection, des moyens étant prévus pour alimenter le deuxième canal en gaz sous pression.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement lim-itatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un disposi-tif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et - les figures 2 et 3 sont deux variantes de réalisation de la buse de la coupe de la figure 1.
On a représenté sur la figure 1 une installation de découpe par jet liquide comprenant une buse de coupe 1 dans laquelle est formé
un canal 2 d'éjection de gaz sous pression. Pour obtenir une grande vitesse de sortie sans éclatement du jet gazeux, le canal 2 présente, au voisinage de son orifice d'éjection 3, un profil intérieur convergent-divergent, définissant un col de section réduite 4, communément appelé tuyère de Laval. Dans le canal 2 est disposée, concentriquement et coaxialement, une tubulure centrale S définissant~
en amont de l'orifice d'éjection 3, un canal interne 6 de petite dimension transversale. Typiquement, l'extrémité d'éjection 7 du canal 6 est située en amont de l'orifice d'éjection 3 de la buse 1.
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La présente invention a pour objet les procédés de coupe ou découpe de matériaux dans lesquels on forme, à la sortie d'une buse de coupe, un jet de liquide à haute pression.
Les procédés de coupe par jet de liquide, notamment de liquide cryogénique, sont confrontés à un problème de cohérence du jet de liquide, en raison notamment de l'apparition de phénomènes mal contrôlés de couche limite à l'interface entre la périphérie du jet liquide et son environnement, généralement fortement tourbillonnaire en utilisation. Ces problèmes imposent des contraintes de mise en oeuvre, notamment de vitesse de défilement, pour garantir l'abtention de coupes en profondeur avec une largeur de saignée tolérable.
La présente invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de coupe permettant de conférer une meilleure cohérence au jet de liquide sur une distance plus grande à la sortie de la buse, et donc de permettre l'obtention de coupes plus rapides et plus soignées et/ou une souplesse d'utilisation accrue.
Pour ce faire, selon une caractéristique du procédé selon l'invention, on forme simultanément, dans la buse, un jet de gaz autour du jet de liquide, la vitesse d'éjection du jet de gaz étant supérieure à la vitesse d'éjection du jet de liquide, typiquement au moins le double de la vitesse du jet de liquide. De préférence, le liquide et le gaz ont la même composition.
L'obtention de jets homogènes de gaz est correctement maîtrisable et permet ainsi de réaliser, autour du jet de liquide central, un interface à vitesse d'écoulement parallèle limitant les phénomènes de couche limite à la périphérie du jet liquide et assurant ainsi à celui-ci une homogénéité et une cohérence convenables sur une distance de plusieurs centimètres à la sortie de la buse.
Selon un aspect plus particulier de l'invention, convenant pour la découpe rapide et en profondeur de matériaux métalliques, le liquide et le gaz sont de l'oxygène.
L'oxycoupage avec jet d'oxygène liquide gainé par un jet d'oxygène gazeux se révèle particulièrement intéressant en sidérurgie, notamment pour la découpe de bandes ou de brames de métal directement en sortie de coulée continue. En effet, la cohérence du jet liquide : ' ~' ' ~
2~3G31ei~
étant augmentée sur une distance plus importante, on peut opérer avec une distance buse de coupe/pièce à découper plus importante, ce qui augmente la durée de vie de l'installation de coupe. Par ailleurs, la présence d'un gainaye d'oxygène gazeux facilite grandement l'opération d'amorçage en bord de bande ou de brame. D'autre part, en cas de coupure accidentelle de l'alimentation en oxygène liquide, la coupe peut se poursuivre, à vitesse certes plus réduite, avec le seul oxygène gazeux.
La présente inven-tion a pour autre objet de proposer un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, du type comprenant une buse de coupe comportant un premier canal débouchant dans un orifice d'éjection et des moyens pour alimenter le premier canal en liquide sous pression, dans lequel la buse comporte un deuxième canal formé concentriquement autour du premier canal et déboîtant dans l'orifice d'éjection, des moyens étant prévus pour alimenter le deuxième canal en gaz sous pression.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement lim-itatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un disposi-tif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et - les figures 2 et 3 sont deux variantes de réalisation de la buse de la coupe de la figure 1.
On a représenté sur la figure 1 une installation de découpe par jet liquide comprenant une buse de coupe 1 dans laquelle est formé
un canal 2 d'éjection de gaz sous pression. Pour obtenir une grande vitesse de sortie sans éclatement du jet gazeux, le canal 2 présente, au voisinage de son orifice d'éjection 3, un profil intérieur convergent-divergent, définissant un col de section réduite 4, communément appelé tuyère de Laval. Dans le canal 2 est disposée, concentriquement et coaxialement, une tubulure centrale S définissant~
en amont de l'orifice d'éjection 3, un canal interne 6 de petite dimension transversale. Typiquement, l'extrémité d'éjection 7 du canal 6 est située en amont de l'orifice d'éjection 3 de la buse 1.
;
, .
3 2 (~ 3 ~
Le canal 2 est alimenté, par une canalisation 8, en un gaz sous pression provenant d'un réservoir de ga~ 9, mis en pression, si nécessaire, par un compresseur 10. Pareillement, le canal 6 est alimenté, par une canalisation 11, en un liquide sous pression provenant d'un réservoir de liquide 12 et mis en pression par une pompe 13. On comprendra que le jet de liquide à haute pression 14 émergeant de l'extrémité d'éjection 7 du canal 6 est entouré
concentriquement par un jet tubulaire coaxial de gaz 15 émergeant de l'orifice d'éjection 3 de la buse l à une vitesse supérieure à celle des particules l;quides du jet 14, libérant ce dernier des problèmes d'interface avec l'atmosphère environnante.
Le procédé selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour l'oxycoupage en pro~ondeur à grande vitesse de matériaux métalliques, tels que lingots, brames ou plaques, notamment directement en sortie de coulée continue ou à froid. Dans ce cas, le liquide sous haute pression est constitué d'un liquide ou d'un mélange de liquide combustible, de préférence de l'oxygène liquide ou d'un mélange liquide d'oxygène et d'ozone, le gaz sous pression délivré par la canalisation 8 étant dans ce cas de l'oxygène gazeux.
La canalisation 11 est munie d'un gainage isolant, par exemple à
gainage sous vide et/ou à circulation de liquide cryogénique tel l'azote liquide. La pression de l'oxygène liquide alimentant le canal 6 est supérieure à lO MPa, la pression de l'oxygène gazeux alimentant le canal 2 étant supérieure à 0,15 MPa pour obtenir une vitesse d'éjection sonique ou supersonique du jet de gaz, alors que la vitesse du jet de liquide demeure inférieure à 200 m/s. Typlquement, la pression de l'oxygène liquide est supérieure à 30 MPa, typiquement de l'ordre de 40 à 50 MPa, la pression de l'oxygène gazeux étant alors supérieure à 0,5 MPa, typiquement de l'ordre de 0,7 à 0,8 MPa.
Selon un aspect particulier de l'invention, comme représenté
sur les figures 2 et 3, pour effectuer une préchauffe du matériau métallique à découper et promouvoir un effet mixte mécanique et chimico-thermique de l'oxygène liquide éjecté, la buse l comporte une série de troisièmes canaux 16, disposés concentriquement autour des canaux 2 et 6 et convergeant vers l'orifice d'éjection 3 de la buse l, , .
Le canal 2 est alimenté, par une canalisation 8, en un gaz sous pression provenant d'un réservoir de ga~ 9, mis en pression, si nécessaire, par un compresseur 10. Pareillement, le canal 6 est alimenté, par une canalisation 11, en un liquide sous pression provenant d'un réservoir de liquide 12 et mis en pression par une pompe 13. On comprendra que le jet de liquide à haute pression 14 émergeant de l'extrémité d'éjection 7 du canal 6 est entouré
concentriquement par un jet tubulaire coaxial de gaz 15 émergeant de l'orifice d'éjection 3 de la buse l à une vitesse supérieure à celle des particules l;quides du jet 14, libérant ce dernier des problèmes d'interface avec l'atmosphère environnante.
Le procédé selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour l'oxycoupage en pro~ondeur à grande vitesse de matériaux métalliques, tels que lingots, brames ou plaques, notamment directement en sortie de coulée continue ou à froid. Dans ce cas, le liquide sous haute pression est constitué d'un liquide ou d'un mélange de liquide combustible, de préférence de l'oxygène liquide ou d'un mélange liquide d'oxygène et d'ozone, le gaz sous pression délivré par la canalisation 8 étant dans ce cas de l'oxygène gazeux.
La canalisation 11 est munie d'un gainage isolant, par exemple à
gainage sous vide et/ou à circulation de liquide cryogénique tel l'azote liquide. La pression de l'oxygène liquide alimentant le canal 6 est supérieure à lO MPa, la pression de l'oxygène gazeux alimentant le canal 2 étant supérieure à 0,15 MPa pour obtenir une vitesse d'éjection sonique ou supersonique du jet de gaz, alors que la vitesse du jet de liquide demeure inférieure à 200 m/s. Typlquement, la pression de l'oxygène liquide est supérieure à 30 MPa, typiquement de l'ordre de 40 à 50 MPa, la pression de l'oxygène gazeux étant alors supérieure à 0,5 MPa, typiquement de l'ordre de 0,7 à 0,8 MPa.
Selon un aspect particulier de l'invention, comme représenté
sur les figures 2 et 3, pour effectuer une préchauffe du matériau métallique à découper et promouvoir un effet mixte mécanique et chimico-thermique de l'oxygène liquide éjecté, la buse l comporte une série de troisièmes canaux 16, disposés concentriquement autour des canaux 2 et 6 et convergeant vers l'orifice d'éjection 3 de la buse l, , .
4 ~3~0 au-tour duquel ils débouchent en une couronne d'oriFices d'éiection circulaire 17. Les troisièmes canaux 16 sont alimentés, par des canalisations 18, 18' en gaz oxycombustibles, par exemple de l'oxy-butane, de l'oxy-propane, de préférence une association d'oxygène et d'un composé de propylène et de méthyl-acétylène commercialisé sous l'appellation "Tétrène" ou une association d'oxygène et d'un composé
d'éthylène et d'acétylène commercialisé sous l'appellation "Crylène", sous une pression typiquement comprise entre 20 KPa et 50 KPa. Dans ce cas, le composé "Crylène" étant disponible sous forme liquide, on envisagera avantageusement le gainage de la ligne d'oxygène liquide 11 par un conduit de "Crylène" liquide, pour permettre une super-isolation de la canalisation d'oxygène liquide et une pré-vaporisation du composé "Crylène" à son entrée dans la buse 1.
L'angle divergent de la tuyère de Laval est typiquement compris entre 3 et 7 degrés. Dans l'application où le liquide et le gaz sont de l'oxygène, le diamètre D du col sonique 4 est avantageusement compris entre 1,6 et 3,2 mm, le diamètre d du canal 6 d'oxygène liquide étant compris entre 0,3 et 0,4 mm.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, pour s'a-ffranchir des problèmes de dimensionnement relatifs de la tubulure
d'éthylène et d'acétylène commercialisé sous l'appellation "Crylène", sous une pression typiquement comprise entre 20 KPa et 50 KPa. Dans ce cas, le composé "Crylène" étant disponible sous forme liquide, on envisagera avantageusement le gainage de la ligne d'oxygène liquide 11 par un conduit de "Crylène" liquide, pour permettre une super-isolation de la canalisation d'oxygène liquide et une pré-vaporisation du composé "Crylène" à son entrée dans la buse 1.
L'angle divergent de la tuyère de Laval est typiquement compris entre 3 et 7 degrés. Dans l'application où le liquide et le gaz sont de l'oxygène, le diamètre D du col sonique 4 est avantageusement compris entre 1,6 et 3,2 mm, le diamètre d du canal 6 d'oxygène liquide étant compris entre 0,3 et 0,4 mm.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, pour s'a-ffranchir des problèmes de dimensionnement relatifs de la tubulure
5 et du col 4, la tubulure 6 est raccourcie de fa~on que son extrémité
d'éjection 7 soit située en amont du col 4, ce qui Favorise, au niveau de ce dernier, une légère mise en vitesse du jet de liquide en offrant un débit accru de ga~ de gainage. Dans ce cas, le diamètre D du col 4 peut être réduit à une valeur inférieure à 1 mm, ce qui permet de réduire encore le diamètre effectif des jets 14 et 15 et donc de réduire les largeurs de saignée.
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d'éjection 7 soit située en amont du col 4, ce qui Favorise, au niveau de ce dernier, une légère mise en vitesse du jet de liquide en offrant un débit accru de ga~ de gainage. Dans ce cas, le diamètre D du col 4 peut être réduit à une valeur inférieure à 1 mm, ce qui permet de réduire encore le diamètre effectif des jets 14 et 15 et donc de réduire les largeurs de saignée.
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Claims (5)
1. Procédé de coupe de matériaux dans lequel on forme, à la sortie d'une buse de coupe, un jet de liquide à haute pression, caractérise en ce qu'on forme simultanément, dans la buse, un jet de gaz autour du jet de liquide, la vitesse d'éjection du jet de gaz étant supérieure à la vitesse d'éjection du jet de liquide.
2. Procédé selon la revendication 1, carac-térisé en ce que, à la sortie de la buse, la vitesse du jet de gaz est au moins le double de la vitesse du jet de liquide.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les jets de liquide et de gaz sont formés coaxialement dans la buse.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide et le gaz ont la même composition.
5. Procédé selon la revendication 4, carac-térisé en ce que le liquide et le gaz sont de l'oxygène.
5. Procédé selon la revendication 5, carac-térisé en ce que l'oxygène liquide est amené à la buse à une pression supérieure à 10 MPa, l'oxygène gazeux étant amené à une pression supérieure à 0,15 MPa.
7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape de former, dans la buse, au moins un jet de gaz oxy-combustible à l'extérieur du jet d'oxygène gazeux.
8. Dispositif pour la coupe de matériaux, comprenant une buse de coupe comportant un premier canal débouchant dans un orifice d'éjection, et des moyens pour alimenter le premier canal en liquide sous pression, caractérisé en ce que la buse comporte un deuxième canal formé concentriquement autour du premier canal et déboîtant dans l'orifice d'éjection et des moyens pour alimenter le deuxième canal en gaz sous pression.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième canal forme un convergent-divergent.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier canal débouche dans le deuxième canal en amont d'un col du convergent-divergent.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la buse comporte au moins un troisième canal d'amenée de gaz oxy-combustible de chauffe débouchant à l'extérieur de la buse, à distance de l'orifice d'éjection.
5. Procédé selon la revendication 5, carac-térisé en ce que l'oxygène liquide est amené à la buse à une pression supérieure à 10 MPa, l'oxygène gazeux étant amené à une pression supérieure à 0,15 MPa.
7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape de former, dans la buse, au moins un jet de gaz oxy-combustible à l'extérieur du jet d'oxygène gazeux.
8. Dispositif pour la coupe de matériaux, comprenant une buse de coupe comportant un premier canal débouchant dans un orifice d'éjection, et des moyens pour alimenter le premier canal en liquide sous pression, caractérisé en ce que la buse comporte un deuxième canal formé concentriquement autour du premier canal et déboîtant dans l'orifice d'éjection et des moyens pour alimenter le deuxième canal en gaz sous pression.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième canal forme un convergent-divergent.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier canal débouche dans le deuxième canal en amont d'un col du convergent-divergent.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la buse comporte au moins un troisième canal d'amenée de gaz oxy-combustible de chauffe débouchant à l'extérieur de la buse, à distance de l'orifice d'éjection.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9002238A FR2658748B1 (fr) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Procede et dispositif de coupe par jet de liquide. |
| FR90.02238 | 1990-02-23 |
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|---|---|
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Family
ID=9394054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA 2036850 Abandoned CA2036850A1 (fr) | 1990-02-23 | 1991-02-21 | Procede et dispositif de coupe par jet de liquide |
Country Status (12)
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