Cutting nozzle for iron and steel processing

European Patent EP0378461

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Abstract of corresponding document: US5002261
The invention concerns a cutting torch for iron and steel metallurgy which is provided with two oxygen cutting ducts, ending in two housings, for receiving two cutting inserts, or a heating nozzle and a cutting insert. In this manner, there is obtained a torch which may very rapidly be converted into a cutting torch with high heating capacity and single cutting jet, or into a cutting torch with high cutting speed provided with two cutting inserts.

Arnout, Michel (15, rue de la Mare aux Fées, Citeepineguyon, Franconville, F-95130, FR)
Lasnier, Didier (4, rue du Renard, Vaureal, Cergy, F-95000, FR)
Dufour, Eric (30, Chemin du Chêne Rond, Le Plessis Bouchard, F-95130, FR)

EP19900400045

06/09/1993

01/08/1990

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L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (75, Quai d'Orsay, Paris Cédex 07, F-75321, FR)

(IPC1-7): F23D14/54

FR2613264A
2302734				Blowpipe nozzle

Le Moenner, Gabriel (L'AIR LIQUIDE, Société Anonyme pour l'étude et l'exploitation des procédés Georges Claude 75, Quai d'Orsay, Paris Cédex 07, F-75321, FR)

1. A piece of cutting equipment for the steel industry having a jet of cutting oxygen and a heating collar around said jet, characterised in that it comprises a nozzle body (11) with two conduits (37, 38) that can be connected to a conduit supplying cutting oxygen (3) and ending in two recesses (56, 57) aligned along a diametral axis, with a means (14, 55) for supplying a fuel mixture leading out into the region of one of the recesses (56) known as the first recess, and at least one set of three inserts (63, 64, 65), two of which inserts, described as cutting inserts (63, 64), being designed to engage, one in the first recess, blocking the outlet of the means for supplying a fuel mixture and communicating with the cutting oxygen conduit, the other in the second recess (57), the third insert being an additional heating nozzle (65) designed to engage, in place of the first cutting insert, in the first recess and establish a communication between the nozzle heating conduits (75) and the means for supplying a fuel mixture.

2. A piece of cutting equipment according to Claim 1, characterised in that the heating nozzle (65) comprises a head (70) with an inlet conduit for cutting oxygen (72, 73) communicating with the nozzle heating conduits.

3. A piece of cutting equipment according to Claim 1 or 2, characterised in that the nozzle body (11) comprises two bodies engaged one on top of the other, namely an injector body (11) having a core and injector head with a plurality of stepped channels supplying gaseous constituents, namely heating oxygen, cutting oxygen, fuel gas, forming an abutment shoulder (22) for an annular body described as a heating body (12), with fastening means (43) determining a given angular orientation of the annular heating body to the core of the injector body, the annular heating body incorporating aligned longitudinal heating conduits in alignment with homologous conduits of the injector head, which are connected on the one hand to a conduit leading into a fuel supply channel (14), and on the other hand to what is known as an injector conduit leading into a supply channel for heating oxygen (16), the means for supplying a fuel mixture for the heating nozzle (65) forming a transverse chamber (55) supplied by longitudinal conduits for supplying a fuel mixture, each one connected on the one hand to a conduit leading to the fuel supply channel and on the other hand to what is known as an injector conduit connected with the channel (16) supplying what is known as cutting oxygen, used here as heating oxygen.

4. A piece of equipment according to Claim 3, characterised in that the annular heating body extends axially beyond the core with a solid end portion having two passages forming end portions of the insert recesses (56, 57), the front end face of the core being a short distance away from the inner base of the solid end portion of the annular heating body, so as to form a transverse annular channel (55) forming the chamber supplying a fuel mixture, into which lead the conduits supplying a fuel mixture, extending longitudinally (31).

5. A piece of equipment according to Claim 4, characterised in that the longitudinally extending supply conduits leading into the transverse channel (55) between the front face of the core and the bottom of the solid end portion of the annular heating body are arranged exclusively within the core of the injector body (11).

6. A piece of equipment according to one of Claims 1 to 5, characterised in that the cutting inserts (63, 64) and the heating nozzle (65) have on one portion of their axial length a thread cooperating with a corresponding internal screw thread of a recess.

7. A piece of equipment according to Claim 6, characterised in that the internal screw threads are formed in the recess conduits (58, 59) of the core of the injector body (11).

8. A piece of equipment according to one of Claims 1 to 7, characterised in that a cutting insert (63, 64) has a longitudinal convergent/divergent-type oxygen conduit (67).

9. A piece of equipment according to Claim 8, characterised in that a cutting insert (63, 64) has, over an axial length at one end, an annular collar of peripheral grooves (69).

10. A piece of equipment according to one of Claims 1 to 9, characterised by a set of cutting inserts (63, 64) having identical outer mounting configurations and inner passages for cutting oxygen, with different diameters.

11. A piece of equipment according to one of Claims 6 or 7, characterised in that the heating nozzle (65) has, beyond the mounting thread, an extension with a head of smaller section (70) having an O-ring seal (71) and an axial conduit (72) leading into radial conduits (73).

12. A piece of equipment according to one of Claims 1 to 7 and 11, characterised in that the heating nozzle (65) comprises at an intermediate level a narrowing of outer diameter (77) with the radial conduits (78) each leading into a longitudinal nozzle conduit (75).

13. A piece of equipment according to one of Claims 4 to 12, characterised in that an interposed longitudinal conduit (80) is provided between the two insert recesses (56, 57) of the solid end portion of the annular heating body, said conduit originating in the region of the transverse supply chamber.

14. A piece of equipment according to one of Claims 1 to 13, characterised in that the annular heating body (12) has an radially external extension of the injector head (11) of the injector body, with longitudinal conduits aligned across said extensions and leading, in the injector head, into a channel for supplying heating oxygen (16).

La présente invention concerne un équipement de coupe sidérurgique à jet d'oxygène de coupe et couronne de chauffe autour dudit jet.

Les buses de coupe couramment utilisées en sidérurgie pour l'oxycoupage des fortes épaisseurs à chaud, ou le refendage à froid, sont en général d'un seul tenant, en cuivre, avec un jet d'oxygène central, et la plupart d'entre elles présentent deux couronnes de chauffe concentriques au jet d'oxygène.

Le document FR-A-2.602.309 propose une nouvelle conception d'injecteurs pour l'alimentation en oxygène de la couronne de chauffe centrale et une réalisation en deux parties de cette buse de coupe, permettant ainsi d'optimiser les vitesses de sortie des gaz de chauffe, tout en offrant à l'utilisateur l'avantage de ne changer que le bloc de coupe en cas d'incident entraînant la détérioration de la partie visible de la buse.

Comme indiqué précédemment, la technologie la plus couramment utilisée dans la conception des buses de coupe pour fortes épaisseurs est la double couronne de chauffe concentrique à un jet d'oxygène central avec une couronne extérieure, à flamme très oxydante, permettant de chauffer le dessus de la brame à oxycouper, et une couronne de chauffe située entre cette couronne extérieure et le jet de coupe central, à flamme très carburante, pour obtenir un long panache autour du jet de coupe qui, entraîné par ce dernier, entre en partie dans la saignée de coupe et aide à la chauffe de la partie médiane et de fond de la saignée. Pour le jet d'oxygène, la tuyère dite de Laval est la plus couramment utilisée pour obtenir une grande vitesse de sortie sans éclatement du jet.

Toutefois, l'utilisation d'un jet unique de coupe à très grande vitesse, donc à très forte pression, trouve ses limites car il peut contribuer à provoquer une insuffisance de chauffe dans la partie médiane de la saignée, qui entraîne, surtout en oxycoupage à froid, des affouillements préjudiciables à la qualité de coupe.

C'est la raison pour laquelle on a proposé dans le document FR-A-2.613.264 une buse d'oxycoupage comportant deux jets d'oxygène de coupe, avec entre eux, un conduit central pour une flamme de chauffe carburante, assurant une reprise de chauffe en profondeur dans la saignée brute de coupe, qui a été faite par le premier jet d'oxygène et qui est finie par le second jet d'oxygène. Une telle buse peut être réalisée en deux parties ou en une pièce d'un seul tenant.

Il y a lieu de noter que l'amélioration de la chauffe en fond de saignée associée à deux jets d'oxygène de coupe à haute pression a permis d'augmenter la vitesse de coupe de 20 % à froid et 10 % à chaud, par rapport aux procédés classiques à jet unique les plus performants.

La Demanderesse s'est fixé pour but de résoudre simultanément trois problèmes, à savoir :

• comme la réalisation du conduit de coupe, et en particulier l'usinage de la tuyère de Laval, est un élément déterminant pour obtenir de bonnes performances (largeur de saignée et vitesse de coupe), cette réalisation est délicate et coûteuse, compte tenu de la dimension des buses actuellement commercialisées, et l'invention vise une simplification de cette opération ;
• d'autre part, l'utilisateur du matériel est actuellement obligé de posséder deux types de buses selon qu'il veut privilégier la vitesse de coupe (buse à deux jets de coupe) ou la largeur de saignée (buse à jet de coupe unique), et l'invention vise à réunir ces deux fonctions dans une seule et même buse ;
• enfin, par expérience, la durée de vie d'une buse de coupe est directement liée, dans des conditions normales d'utilisation, à la durée de vie du conduit de coupe. Avec les conceptions actuelles, on est obligé, en cas de chute de performances, quand elles sont observées après nettoyage de la buse, de changer soit le bloc de coupe dans la version à jet unique, soit la buse complète dans la version à deux jets, et l'invention vise à limiter encore les pièces à changer.

L'objectif est donc une autre conception de buse, permettant de résoudre les trois problèmes exposés ci-dessus, tout en conservant, voire en améliorant, les performances des deux procédés et en assurant au matériel une fiabilité industrielle.

L'équipement de coupe selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte un corps de buse à deux conduits raccordables à un conduit d'alimentation en oxygène de coupe, se terminant en deux logements alignés selon un axe diamétral, avec un moyen d'alimentation en mélange combustible débouchant au niveau d'un des logements, dit premier logement, et au moins un jeu de trois inserts, dont deux inserts dits de coupe adaptés à s'engager, l'un dans le premier logement avec obturation du débouché du moyen d'alimentation en mélange combustible et communication avec le conduit d'oxygène de coupe, l'autre dans le second logement, le troisième insert étant une busette de chauffe supplémentaire adaptée à s'engager, à la place du premier insert de coupe, dans le premier logement avec établissement d'une communication de conduits de chauffe de busette avec le moyen d'alimentation en mélange combustible.

Ainsi, la buse peut être utilisée en deux versions, à savoir une version à jet unique associée à une busette de chauffe conférant une puissance de chauffe de surface remarquable juste avant l'intervention du jet de coupe alors qu'en procédant à un simple retrait de la dite busette de chauffe et en engageant un insert de coupe - qui se situe en avant du jet de coupe de l'insert initial de coupe -, on réalise, pratiquement avec les mêmes constituants essentiels du corps de buse, une buse à deux jets de coupe à action particulièrement rapide.

Selon une forme préférentielle de réalisation, le corps de buse comporte deux corps engagés l'un sur l'autre, à savoir un corps dit d'injecteurs à noyau et tête d'injecteurs avec une pluralité étagée de gorges d'alimentation en constituants gazeux, (oxygène de chauffe, oxygène de coupe, gaz combustible), formant un épaulement de butée pour un corps annulaire dit de chauffe, avec des moyens de fixation à orientation angulaire déterminée dudit corps annulaire de chauffe sur ledit noyau de corps d'injecteurs, ledit corps annulaire de chauffe incorporant des conduits longitudinaux de chauffe en alignement avec des conduits homologues de la tête d'injecteurs, qui sont raccordés d'une part à un conduit débouchant dans une gorge d'alimentation en combustible, d'autre part à un conduit dit à injecteur débouchant dans une gorge d'alimentation en oxygène de chauffe, le moyen d'alimentation en mélange combustible au niveau du premier logement d'insert formant une chambre transversale alimentée en mélange combustible par des conduits longitudinaux chacun raccordé d'une part à un conduit aboutissant à la gorge d'alimentation en combustible d'autre part à un conduit dit à injecteur raccordé à une gorge d'alimentation en oxygène de chauffe. On retrouve ici la réalisation en deux parties, connue en soi, cependant adaptée à la fonction nouvelle de réception d'inserts de coupe et/ou de chauffe amovibles et permutables. Grâce à la chambre transversale d'alimentation en mélange combustible à faible teneur en oxygène, donc fortement carburant, on peut d'une part compléter l'alimentation de la busette de chauffe qui s'effectue pour partie par une tête à conduit d'admission d'oxygène dit de coupe débouchant dans des conduits longitudinaux de chauffe de busette, d'autre part alimenter en mélange combustible carburant un conduit longitudinal intercalaire ménagé entre les deux logements d'inserts.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 est une vue en coupe du corps de buse avec une busette de chauffe et un injecteur de coupe en position non montée ;
• la figure 2 est une demi-vue partielle analogue à la figure 1, avec décalage angulaire ;
• la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, avec la busette de chauffe et l'injecteur de coupe en position montée ;
• la figure 4 est une vue frontale selon les flèches III-III de la buse selon la figure 3 ;
• la figure 5 est une vue en coupe du corps de buse selon la figure 1, équipé de deux injecteurs de coupe ;
• la figure 6 est une vue frontale selon la direction VI-VI de la figure 5 ;
• la figure 7 est une vue en coupe transversale selon la ligne VII-VII de la figure 5.
• les figures 8 et 9 sont des vues de détails à échelle agrandie des figures 5 et 3 respectivement.

En se référant aux dessins annexés, une buse de coupe 1 est montée sur un corps de chalumeau 2 (représenté en trait interrompu) et incorporant un conduit axial d'alimentation en oxygène de coupe 3, un conduit d'alimentation en oxygène de chauffe 4 se subdivisant en deux conduits 4' et 4'', et un conduit d'alimentation en combustible 5.

La buse de coupe comporte un corps central appelé corps dit d'injecteurs 11, sur lequel se fixe un corps dit de chauffe 12.

Le corps d'injecteurs 11 comporte une partie amont 13 de forme générale tronconique adaptée à s'engager dans le corps de chalumeau 2 et présentant trois gorges axialement étagées 14, 15, 16, dont l'une 14, vient en regard du débouché de conduit d'alimentation en combustible 5, formant ainsi une chambre de distribution annulaire 14 de combustible, et dont les deux autres 15 et 16 viennent en regard des débouchés respectivement des conduits 4' et 4&sec d'alimentation en oxygène de chauffe formant ainsi deux chambres de distribution annulaires d'oxygène de chauffe 15 et 16 disposées axialement de part et d'autre de la chambre de combustible 14. Un large conduit axial 18 se présente en regard du débouché du conduit d'oxygène de coupe 3, tandis qu'on distingue, de la périphérie vers l'intérieur ;

• A la périphérie une pluralité annulaire (huit au dessin) de conduits longitudinaux 21, dits de propreté, partant de la chambre transversale d'alimentation en oxygène de chauffe 16 et débouchant tous au travers d'un épaulement 22 de bloc d'injecteurs 11 ;
• deux conduits longitudinaux dits de préchauffe 23 et 24 alimentés en combustible via un conduit 25 partant de la chambre de combustible 14 et via un petit conduit à injecteur 26 partant de la chambre annulaire en oxygène de chauffe 16 et débouchant tous au travers d'un épaulement 22 du bloc d'injecteurs 11 (cf. figures 1,3, 5 et 8) ;
• une pluralité annulaire (seize au dessin) de conduits dits de chauffe 28 inclinés vers l'extérieur et vers l'aval, alimentés en oxygène par un conduit à injecteur 29 partant de la chambre annulaire d'oxygène de chauffe 15 et par un conduit 30 partant de la chambre annulaire de combustible 14 et débouchant tous au travers de l'épaulement 22 du corps d'injecteurs 11 ;
• intercalées entre certains conduits de la couronne de conduits de chauffe 28 sont agencés (cf. figure 2) une pluralité annulaire de conduits de chauffe carburante 31 raccordés via un conduit 32 à la chambre d'alimentation en combustible 14 et via un conduit 33 à injecteur 34 partant de la chambre d'alimentation en oxygène de chauffe 16. Ces conduits de chauffe carburante 31 sont longitudinaux et, contrairement aux conduits de chauffe 28, qui, inclinés vers l'extérieur, débouchent au travers de l'épaulement amont 22, se prolongent dans une partie aval en forme de noyau 35 du corps d'injecteurs 11 jusqu'à déboucher au travers d'une face frontale terminale 36 de ce corps d'injecteurs 11 ;
• le conduit d'oxygène de coupe 18 se subdivise en deux conduits 37 et 38, dont les axes sont dans un plan diamétral moyen entre les conduits de préchauffe 23 et 24 et débouchant au travers de la face frontale 36.

Le corps de chauffe 12 se présente sous forme d'une pièce annulaire avec, côté amont, une face interne 41 montée à coulissement sur la face externe 42 du noyau 35 du corps d'injecteurs 11 jusqu'à venir en butée contre l'épaulement 22 de ce corps d'injecteurs 11, avec une orientation prédéterminée grâce à des goupilles 43 par rapport au corps d'injecteurs 11, et grâce à une clavette 44 par rapport au corps de chalumeau 2. Du côté aval, le corps de chauffe 12 se referme en une pièce massive 61 au delà d'un pan annulaire coupé 62 dont le diamètre le plus évasé se situe à distance faible de la face frontale 36 du bloc d'injecteurs 11, de façon à former une gorge transversale circulaire 55 dans laquelle débouchent les conduits de chauffe carburante 31.

Ce corps de chauffe 12 présente une collerette radialement vers l'extérieur 45 dans laquelle sont ménagés des conduits longitudinaux 46 en prolongement exact des conduits de propreté 21 du corps d'injecteurs 11 et débouchant en 47. De même, deux conduits longitidunaux de préchauffe 48 et 49 se présentent en prolongement exact des deux conduits de préchauffe 23 et 24 du corps d'injecteurs 11 pour déboucher en 50 et 51 au travers de la face transversale frontale 52 du corps de chauffe 12. Egalement des conduits de chauffe 53 inclinés vers l'aval et vers le centre, prennent naissance en amont en regard exact - non visible aux dessins - du débouché des conduits de chauffe 28 du corps d'injecteurs 11, pour déboucher en 54 au traverse de la face frontale 52 du corps de chauffe 12. Le corps de chauffe 12 présente également deux larges perforations longitudinales 56 et 57 se présentant axialement dans le prolongement des conduits d'oxygène de coupe 37 et 38.

Ces perforations 56 et 57 ainsi qu'une partie terminale évasée 58 et 59 des conduits 37 et 38 servent de logements à un insert de coupe 63, à un second insert de coupe 64 ou à un insert formant busette de chauffe 65.

L'insert de coupe 63, ou 64, présente un large conduit 66 à tuyère convergente-divergent 67. Il présente sur sa face externe un filetage 68 adapté à coopérer avec un taraudage 59 du logement en 58 et 59 et une pluralité annulaire de fraisures longitudinales 69. Dans la position montée, (figures 3 et 5), un insert de coupe 63 (figure 3) ou 63-64 (figure 5) est vissé à fond dans un logement (57-59) et/ou (56-58), le conduit axial 66 étant alimenté en oxygène de coupe par le conduit 38 (figure 3) par les conduits 38 et 37 (figure 5), tandis que les fraisures 69 forment avec la paroi des logements 56 ou 57 une couronne annulaire de conduits 69 autour du conduit axial 66, raccordés en amont à la chambre de mélange de combustible formée par la gorge circulaire 55 elle-même alimentée par les conduits 31.

Une busette de chauffe 65 présente une tête 70 à joint d'étanchéité 71 avec un conduit axial 72 débouchant radialement par des conduits 73 dans une gorge 74 formant, en position montée, une chambre distributrice 74 d'oxygène (dit de coupe qui est ici utilisée en oxygène de chauffe pour une couronne de conduits longitudinaux 75, de diamètre de plus en plus grand jusqu'à déboucher en 76. La busette de chauffe 65 présente un rétrécissement annulaire 77 à l'endroit de la gorge transversale 55 et à ce niveau sont ménagés des perforations radiales 78, de sorte qu'une partie aval 75' des conduits 75 est alimentée en mélange combustible.

On remarque qu'entre les logements 56 et 57 du corps annulaire de chauffe 12 est pratiquée une saignée 80 qui forme un conduit de chauffe supplémentaire à effet carburant notamment utile lorsque la buse est équipée de deux inserts formant deux jets de coupe intervenant successivement, la chauffe intermédiaire ainsi réalisée assurant une reprise de chauffe dans une zone moyenne ou de fond de la saignée ébauchée par le premier jet de coupe 64.

On note que dans les deux cas, la chauffe avant coupe est renforcée en 50 et 51 qui représente le front d'attaque de la future coupe.

D'autre part, on note que le jet de coupe 63 qui intervient soit à titre unique après la busette de chauffe (figure 3) soit après l'ébauche de saignée pratiquée par le jet de coupe 64 (figure 5) voit son action renforcée par une couronne annulaire de flammes 69 alimentées en mélange également à effet carburant.

La couronne annulaire de jets d'oxygène débouchant à la sortie 47 des conduits 46 au niveau de l'écrou de fixation de la buse, a pour rôle d'empêcher toute liaison définitive entre buse et écrou qui habituellement peut résulter de projections de métal en fusion. L'oxygène délivré à cet endroit assure un brûlage instantané, ou au moins une action de repoussement, des projections de métal en fusion.