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CLOVIS Cdric Projet de dveloppement de nouvelles buses 2015/2016 d'oxycoupage sous fluent CLOVIS Cdric Projet de dveloppement de nouvelles buses 2015/2016 d'oxycoupage sous fluent CLOVIS Cdric Projet de dveloppement de nouvelles buses 2015/2016 d'oxycoupage sous fluent PROJET E&R (MEPP)

I. Dfinition de l'oxycoupage: L'oxycoupage est un procd de dcoupe thermochimique qui ralise l'oxydation du fer par un jet sous pression d'oxygne pur. Au pralable, il est ncessaire de chauffer la pice dcouper par le biais d'une couronne de chauffe (mlange oxygne-gaz) (cf. Fig1). Afin que la raction puisse dmarrer, il faut porter au rouge le mtal, savoir dpasser sa temprature d'ignition (pour le fer : 870C) mais sans dpasser sa temprature de fusion (1538C). Une fois la pice la temprature souhaite (la raction est optimale entre 1327C et 1527C), le jet d'oxygne de trs haute puret ( 99.5% de puret) est envoy par le biais du canal de coupe (cf. Fig1) a une pression d'environs 10 bar afin de procder la coupe. Ce principe provoque 3 ractions diffrentes que nous prsentons ci-dessous : Fe + O = FeO + heat (267 kJ/mol) 3 Fe + 2 O2 = Fe3O4 + heat (1120 kJ/mol) 2 Fe + 1,5 O2 = Fe2O3 + heat (825 kJ/mol) Ces ractions sont dites exothermiques, c'est dire qu'elles provoquent un dgagement de chaleur donc d'nergie. La cration de ces trois oxydes (FeO (wustite), Fe3O4 (magntite), Fe2O3 (hmatite)) ne se fait pas de manire homogne. On peut quantifier la fin de la raction une proportion de 95% de FeO (), 4% de Fe3O4 () et enfin 1% de Fe2O3 (). Remarques : Une augmentation de 1% d'impurets de l'oxygne rduit de 15% la vitesse de coupe et augmente la consommation en oxygne d'environ 25%. Au-dessous de 96% de puret, la raction ne se fait plus. En thorie, 1m3 d'oxygne provoque l'oxydation de 430 cm3 de Fe (jusqu' 600 cm3 observ dans des cas rels) La temprature d'ignition du matriau doit tre infrieure la temprature de fusion sinon le matriau sera liquide et la raction ne se produira pas. La temprature de fusion de l'oxyde cr doit tre infrieur celle du matriau afin que le jet d'oxygne haute pression puisse vacuer mcaniquement ces oxydes. La raction d'oxydation doit tre suffisante afin de maintenir une temprature suprieure la temprature d'ignition tout au long de la coupe. La pollution de ce procd se limite des dgagements de gaz toxiques tu type Nx-Oy qui est bien matris par des systmes de filtration des fumes. Figure 1 : Principe de l'oxycoupage

Procd trs utilis car : robuste, faible cot et avec une plage d'paisseur variant de quelques centimtres 2 mtres. II. Prcision sur la raction d'oxydation : Au dbut du processus, le mtal est en contact direct avec le gaz oxydant mais, une fois la raction dmarre, la pellicule doxyde forme la surface du mtal spare les lments ractifs (cf. Fig 2). La raction ne peut se poursuivre que sil y a diffusion de loxygne de latmosphre gazeuse vers le mtal, ou bien diffusion du mtal travers la couche doxyde pour entrer en contact avec le gaz oxydant. Sil y a diffusion doxygne (sous forme danions O2-), loxyde est qualifi doxyde croissance anionique, alors que dans le deuxime cas, quand cest llment mtallique qui diffuse (sous forme de cations Mn+), il est qualifi doxyde croissance cationique. Enfin, on parle doxyde croissance mixte quand les deux composants diffusent. Dans notre cas, c'est la haute pression du jet d'oxygne pur qui permet de "traverser" la couche d'oxyde et donc de poursuivre la raction. GAZ-SLAG INERFACE 1/2 O2 + 2FeO Fe2O3 H2O + 2FeO Fe2O3 + H2 CO2 2FeO + Fe2O3 CO+ SLAG-STEEL INERFACE 3FeO (slag) Fe2O3 + Fe FeO (slag) + C Fe + CO FeO (slag) + CO Fe + CO2 CO2 + C 2CO STEEL Fe, C GAZ PHASE O2 +2 H2 H22O 2CO + O2 2CO2 FLUE GASES O2 + 2H2 H22O 2CO + O2 2CO2

Figure 2 : processus d'oxydation dtaill

Figure 3 : diagramme de phases Fe-O

III. Type de gaz : Plusieurs gaz sont capables de raliser la chauffe de la pice grce la couronne de chauffe oxygne-gaz (80/20 dans l'entreprise). Voici un tableau des caractristiques de chacun des gaz utiliss : Table : Fuel Gas Characteristics

Fuel Gas Maximum Flame Temperature C Oxygen to fuel gas Ratio (vol) Heat distribution kJ/m3 Volume

Primary Secondary

Acetylene 3,160 1.2:1 18,890 35,882

Propane 2,828 4.3:1 10,433 85,325 3.215 l/m3

MAPP 2,976 3.3:1 15,445 56,431

Propylene 2,896 3.7:1 16,000 72,000

Hydrogen 2,856 0.42:1 - -

Natural Gas 2,770 1.8:1 1,490 35,770

Dans les entreprises clientes, la majorit des installations sont quips en gaz naturel ou bien en propane en raison du fort cot de l'actylne. Cependant ces derniers sont moins efficaces que ce dernier. Le meilleur des gaz parmi ces deux derniers est le Propane. Cependant ce dernier une flamme qui est moins focalis que pour l'actylne. Ceci pour cause de diminuer lgrement la vitesse de coupe et d'augmenter la zone affecte thermiquement (ZAT) que nous verrons ci-dessous. IV. Qualit de coupe :

Figure 4 : Dfinition de diverses grandeurs et termes techniques utiliss pour la dcoupe thermique Nous prsentons sur la figure (cf. Fig4) le schma dun procd thermique dcoupant une plaque. Ce procd peut tre soit un laser, une torche doxycoupage ou une torche plasma. Sur cette figure, divers termes associs la dcoupe thermique sont introduits : Zone Affecte Thermiquement (Z.A.T.) : Lors de la dcoupe, une certaine quantit dnergie est fournie au mtal par la buse. Suivant les cas, ce flux thermique peut modifier la structure du mtal autour de la saigne sur plusieurs millimtres. Par dfinition, la ZAT reprsente lisotherme partir de laquelle la structure du mtal est inchange (environs 700C pour lacier). Elle peut tre rvle par un traitement chimique acide effectu aprs la dcoupe. Plus la ZAT est rduite, meilleure est la qualit du produit fini. En effet, la ZAT peut tre vue comme limage de leffet thermique de la buse sur le matriau. Si elle est tendue, cela traduit le fait que le flux de chaleur sest propag profondment dans le matriau entranant des dformations thermiques indsirables. Retard : Ce terme dsigne langle cr par loutil sur le front de fusion du mtal. Cet angle dpend principalement de la vitesse de dplacement de l'oxycoupeur et du flux thermique reu par la pice. Pour des vitesses de torches trop leves, il a montr que la puissance fournie la pice couper est rduite et que cela entrane un retard sur le front de fusion. Si par contre, la vitesse est trop faible, un retard est aussi cr mais dans lautre sens, la courbure du front de fusion sinversant alors vers lavant. Pour la sparation de plaque de mtal en deux, le retard a peu dincidence sur la qualit de la coupe. Par contre, pour des applications plus complexes comme la dcoupe de formes en deux dimensions, il sera primordial de bien adapter la vitesse de loutil pour viter au maximum une courbure positive ou ngative du front de fusion. Dpouille : Dans la plupart des cas, quand la saigne se forme, sa largeur en haut et en bas de plaque nest pas la mme. La dpouille reprsente langle que forment les bords de la saigne par rapport la verticale. Cet angle nest pas forcment identique gauche et droite de la saigne. Il dpend du procd utilis, des conditions opratoires (gaz, vortex, dbits), mais aussi de lpaisseur de la plaque. Plus la pice couper est paisse, plus la dpouille risque dtre importante. Une bonne qualit de coupe correspondra la plus petite dpouille possible (au moins sur un des bords de la saigne). Largeur de trait : Suivant les procds, la largeur moyenne de saigne varie de quelques diximes de millimtres quelques millimtres. Cette largeur de trait va jouer sur la prcision du procd. Plus elle sera petite, plus le procd sera prcis et plus lon pourra dcouper de petites pices.

Scories : Lors de la fusion du mtal le long de la saigne, il arrive souvent que des gouttelettes restent accroches sous la tle. Ce sont ces lments de mtal solidifis sous la plaque et sur les bords de saigne que lon appelle scories. A titre dexemple, nous avons reprsent sur la figure (cf. Fig5) les scories cres par un plasma dazote. On peut observer que leur hauteur peut atteindre jusqu 1cm. Lors de la prsence de scories, il est ncessaire de retraiter la pice aprs dcoupe en bavurant ses bords. Cette opration entrane un surcot qui influencera directement le choix dun procd. Figure 5 : Exemple de scories sous la plaque

Vitesse de coupe : Elle se situe pour l'oxycoupage autour d'une dizaine de centimtres par minute :

Figure 6 : vitesse de coupe en fonction de l'paisseur du matriau couper Buse : La gomtrie de la buse a aussi un rle significatif sur le jet d'oxygne. En effet il va permettre de focaliser ce dernier mais aussi de le protger de l'air environnant qui pourrait "l'entraner" cause de la dpression occasionne en sortie de buse : air buse O2 air

Ainsi donc, la qualit de coupe sera juge suivant les diffrents critres prsents. Elle nest cependant pas le seul paramtre qui entre en jeu. En effet, le cot de linstallation et celui dun ventuel retraitement de la pice aprs dcoupe sont dautres critres importants. La notion de rendement avec la vitesse de coupe est aussi essentielle. Lutilisateur devra donc bien dfinir ses besoins afin doptimiser au mieux le rapport : Valeurs spcifiques pour l'oxycoupage : Largeur de saigne (de trait) : de quelques millimtres une dizaine de millimtres. Zone affecte thermiquement (ZAT) : trs importante, environs 6mm autour de la saigne. Cela est due la prsence des flammes de chauffe qui portent le mtal autour de la saigne une temprature avoisinant les 1300C pour amorcer la raction d'oxydation + chaleur apporte par la raction en elle-mme car elle est exothermique (propagation isotrope partir de tous les bords de la saigne). Dformations thermiques. Dpouille : quasi inexistante car bords lisses et pratiquement parallles. Prcision sur la coupe : moyenne, 1 2 mm. Scories : La prsence de l'oxygne de coupe tendance fluidifier le mtal liquide et limite la prsence de scories en bas de saigne. V. Alliage mtallique : Structure lectronique : Configuration lectronique de latome de fer (Z=26) dans son tat fondamental : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. Nature des ions les plus courants de cet lment : Fe2+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 (perte facile des 2 lectrons 4s2) Fe3+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 (la couche 3d5 est moiti pleine) Structure cristalline du fer et du monoxyde de fer : On sintresse deux varits allotropiques du fer qui existent sous la pression atmosphrique : pour t < 912 C, le fer (Fe ) pour 912 C < t < 1538 C, le fer (Fe ). Le fer cristallise dans un systme cubique centr (CC) tandis que le fer cristallise dans un systme cubique faces centres (CFC). Reprsentation des mailles lmentaires de type CC (cubique centr) et CFC (cubique face centre) : Remarque : Dans notre cas, tant donn que la temprature de travail est dans la gamme [1000-1500C], nous sommes en prsences du fer donc d'une structure CFC (cubique face centre). Calcul de la masse volumique thorique des varits allotropiques du fer et du fer . M(fer) = 55,85 g/mol fer fer

nombre d'atomes propres une maille : Les atomes des sommets appartiennent 8 mailles et comptent pour 1/8 + 1 atome central 8(1/8) + 1 = 2 Les atomes des sommets appartiennent 8 mailles et comptent pour 1/8 ; les atomes aux centres des faces appartiennent 2 mailles 8(1/8) + 6(1/2) = 4

arte maille lmentaire a=287 pm = 2,87 10-10 m a=347 pm = 3,47 10-10 m

volume de la maille a3 = 2,36 10-29 m3 a3 = 4,18 10-29 m3

masse des atomes propres une maille m=2M/NA= 2*55,85 103 23 - / 6,02 10 =1,855 10 25 kg m=4M/NA= 4*55,85 10-3 / 6,02 1023 =3,71 10-25 kg

masse volumique : m/ a3 (kg m-3) 7849 8879

Rayon mtallique du fer : Les atomes de fer sont tangents suivant la grande diagonale du cube, de longueur 3 a = 4 Ra. Ra = 3a / 4 = 3 * 347 /4 = 150,26 pm. Le fer et le carbone donnent des solutions solides ; or les rayons du fer ( 124 pm) et du carbone (77 pm) sont trs diffrents : ce ne sont pas des solutions solides de substitution. Les rayons des sites ttradrique et octadrique tant infrieurs 77 pm, il y a insertion du carbone et dformation de la maille. Le monoxyde de fer, de formule FeO, est un solide ionique qui cristallise dans une structure de type NaCl. L'oxygne dans les oxydes mtalliques est sous forme d'ion oxyde O2-. Nombre de sites octadriques dans une maille lmentaire CFC : 1 au centre et les milieux de chaque artes ( appartenant chacun 4 maille) : total : 1 + 12/4 = 4 sites octadriques. Nombre de sites ttradriques dans une maille lmentaire CFC : 8 par maille.

On considre la structure dans laquelle la moiti des sites octadriques sont occups par des ions Fe3+ (2 ions Fe3+par maille) et 1/8 des sites ttradriques par des ions Fe2+ (1 ion Fe2+ par maille). Ion oxyde : 4 par maille. La formule stchiomtrique de cet oxyde est : Fe3O4.

Dimension des sites dans un rseau d'ions O2-CFC non dform :

site octadrique site ttradrique

Les ions oxydes sont tangents suivant la diagonale d'une face : -4RO2- =2 a soit a = 4*2RO2- ; a= 2*2RO2- ( a : arrte de la maille)

RO2- +Rocta = a ; RO2- +Rocta =2RO2- Rocta =(2-1)RO2- avec RO2- = 132 pm donc Rocta =54,7 pm dimension de la grande diagonale du petit carr rouge ( figure ci-dessus) d= (a)2 + (2a)2 ; d = 3 a/2 RO2- +Rttra =d =3 a/4 ; RO2- +Rttra =(3/2)RO2- Rttra =(1,5-1)RO2- =(1,5-1)*132 =29,7 pm.

Connaissant les rayons des ions Fe2+(82 pm), Fe3+ (67 pm) et O2- (132 pm), y a donc dformation du rseau CFC des ions oxyde en prsence des ions du fer. Connaissant la masse volumique de cet oxyde( = 5,18 103 kg m-3), calcul de la valeur de l'arte a de la maille suppose rgulire dans tout le rseau. Dans le cas d'un rseau d'ion oxyde non dform : a =2*2RO2- = 2*2*132 = 373 pm ; volume de la maille : V= a3 ; masse de la maille : m = 3 mFe + 4 mO = (3 MFe + 4MO)10-3/NA m =(3*55,85+4*16)10-3 / 6,02 1023 = 3,846 10-25 kg r= m/a3 soit a3 = m/r = 3,845 10-25 / 7,43 103 =2,05 10-29 m3 ; a = 420 pm, valeur suprieure 373pm, ce qui confirme la dformation du rseau.

VI. nergie ncessaire pour chauffer une masse M dacier dune temprature T1 T2:

Dans le cas ou Cp = constant lquation devient:

On cherche ici calculer lnergie ncessaire pour provoquer le dmarrage du processus doxycoupage sur deux types dacier: Un qui proviendrait dun stock et la temprature de 20C Un qui sortirait de coule continue la temprature de 800CDonnes pour lacier:

Pour lever dun degr un masse M de produit, il faut une quantit dnergie spcifique chaque matriau appel chaleur massique (not Cp). Le Cp pour lacier nest pas constant au cours de la monte en temprature mais on peut le considrer constant par morceau:

On considre un profil de section carr avec un cot de 350mm:La largeur de saigne en oxycoupage tant denviron 5mm de large, on dfinit un volume primaire afin de calculer la masse.

5mm350mm350mm

Do:

1er cas: Barre en stock ou au laminoir (20C 1530C):

2me cas: Barre en sortie de coule continue (650C 1530C):

Cependant ces calculs ne prennent pas en compte les effets de diffusion thermique dans le matriau. Afin de saffranchir de la diffusivit, nous allons prendre un petit volume de contrleV = 1mm3. Les nergies deviennent donc:

Donc

Do:

On va maintenant sintresser lnergie fournie par la raction doxydation en elle-mme.

II/ nergie cre par la raction doxydation:

On rappelle les quations qui rgissent cette raction:

(95% de la raction) (4% de la raction) (1% de la raction)

Do lnergie totale de la raction:

Il faut maintenant la repasser en kJ pour 1mm3 afin de la comparer lnergie fournir pour mettre le produit la temprature souhaite.Pour cela on utilise la constante dAvogadro: a = 6,02214086 1023mol-1

Dans une maille doxyde de fer on retrouve 7 atomes et le volume correspondant cette maille est gal 5.1895*10-29m3(voir partie atome). Ce qui nous donne une nergie de:

Ramen un volume de 1mm3, on obtient finalement:

Rapport nergie raction/ nergie allumage:

Remarque: ncessit de chauffer au dpart mais aprs vu que E raction >> Echauffe, on pourrait la diminuer voir la couper compltement une fois la pice la bonne temprature. (Info confirm par une exprience dun ancien technicien (roue oxygne avec allumage puis coupe de la chauffe).

VII. Puissance thermique en jeu entre la buse et le matriau :

On a dtermin prcdemment lnergie apporter au matriau pour raliser la monte en temprature. Il faut donc maintenant que lnergie apporte par la buse soit suprieure ou gale cette dernire:

De plus, lapport dnergie de la buse se dcompose en plusieurs puissances savoir: Une perte par rayonnement hors direction du matriau De la convection De la conduction Du rayonnement en direction du matriau Une perte par rflexion dune partie du rayonnement sur le matriau

On dresse alors un bilan des puissances:Pconv.Pcond.Pray. plaquePray. externePbusePrflex.Pchauffe

On cherche maintenant caractriser ces diverses puissances:

CONDUCTION THERMIQUE:Tout dabord nous avons un phnomne de conduction thermique de notre combustion doxy-gaz sur le matriau. Elle est dfinie par:

Avec la conductivit thermique du matriau et qui pour laciervaut : = 46 W.m-1K-1CAS Elle revient :

Avec e lpaisseur et A la surface impacte par le flux.Remarque: La conductivit des alliages est difficilement interprtable car les impurets et les lments dalliage la font violement chuter. Comment?

CONVECTION THERMIQUE:Durant ce processus nous sommes aussi en prsence dun phnomne de convection thermique qui est dfinie par:

Avec h le coefficient dchange thermique de quoi en W.m-2K-1.

On peut lexprimer, dans le cas dune combustion de gaz, partir du nombre de Nusselt:

Cependant la valeur du nombre de Nusselt varie en fonction du rgime dcoulement: En laminaire: En turbulent: Avec et

Il faut donc dterminer le nombre de Reynolds de notre cas. On place la limite entre le laminaire et le turbulent dans le cas dune convection Re = 2000.

RAYONNEMENT THERMIQUE:Nous avons aussi un phnomne de rayonnement qui est la fois une perte lorsque quil nest pas dirig vers le matriau mais aussi une puissance utile pour la portion dirige vers lui. Elle se dfini par:

Avec lmissivit et la constante de Stefan Boltzmann = 5.670373*10-8 W.m-2K-4

Axer dans un second plan les recherches sur les fluides, notamment sur les jets sous dtendus, les coulements compressibles, les types dcoulements et le comportement prsent dans la buse, le cas de la dcoupe laser et enfin ce qui peut limiter ce type d'coulement.

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