L’oxycoupage autogène est l’un des plus anciens procédés de coupe dans le traitement des métaux.
Après plus de 100 ans d’existence, l’oxycoupage autogène a toujours sa raison d’être dans l’industrie métallurgique. Le procédé repose sur la combustion de carbone sous un flux d’oxygène (oxydation). L’oxycoupage est devenu indispensable, notamment dans la gamme supérieure des épaisseurs de tôle.
- Qu’est-ce que l’oxycoupage et comment fonctionne-t-il exactement ?
- Quel gaz combustible doit-il être utilisé, et la pureté de l’oxygène a-t-elle une incidence sur le procédé ?
- Quels matériaux peuvent-ils être découpés à la flamme et qu’en est-il de l’équivalent carbone ?
- Sécurité du travail lors de l’oxycoupage
Qu’est-ce que l’oxycoupage et comment fonctionne-t-il exactement ?
L’oxycoupage autogène est un procédé permettant de découper les aciers de construction génériques. La procédure est appliquée à la fois manuellement (au chalumeau manuel, essentiellement pour des découpes de séparation) et mécaniquement (machine à couper au chalumeau pour des coupes de qualité).
Le procédé d’oxycoupage autogène (mécanisé) a perdu de son importance en raison du développement d’aciers plus résistants et d’autres procédés de découpe, tels que la découpe au laser ou la découpe au plasma. Néanmoins, il s’agit toujours d’un procédé de découpe économique pour les épaisseurs de tôle à partir de 20 mm. L’oxycoupage est un processus de combustion/oxydation (durant l’oxydation, les métaux réagissent avec l’oxygène) dans lequel une part importante de l’énergie nécessaire au processus provient de la combustion du matériau. L’oxycoupage autogène permet de travailler simultanément avec plusieurs chalumeaux.
La flamme d’échauffement, qui est constituée d’un mélange de gaz combustible et d’oxygène, échauffe l’interface à la température d’allumage. Une fois cette valeur atteinte, l’oxygène de coupe est ajouté et le procédé de coupe est lancé. Dans le flux d’oxygène de coupe, l’acier se consume sous forme d’oxyde de fer (scories). La pression et la vitesse d’écoulement du flux d’oxygène de coupe expulsent les scories du trait de coupe. Pour que le processus d’oxycoupage soit applicable, l’acier doit être « oxycoupable ». La condition de base est donc que la température d’allumage (environ 1 150 °C) soit inférieure à la température de fusion (environ 1 500 °C).
Quel gaz combustible doit-il être utilisé, et la pureté de l’oxygène a-t-elle une incidence sur le procédé ?
Gaz combustibles pour le procédé de coupe
Les gaz combustibles « habituels » peuvent être utilisés pour la flamme d’échauffement lors de l’oxycoupage :
- Acétylène
- Propane
- Gaz naturel (méthane)
- Éthylène
Dans le procédé d’oxycoupage mécanisé, l’efficacité économique est un critère essentiel, mais les conditions opérationnelles telles que l’approvisionnement en gaz, le prix du gaz, la consommation de gaz, etc. le sont tout autant. Une flamme de chauffe puissante (gaz combustible) est importante pour le démarrage du processus de coupe et la poursuite du processus d’oxycoupage.
La combustion des composés hydrocarbonés se déroule en deux étapes. Dans la flamme primaire, une combustion imparfaite a lieu en raison de l’apport d’oxygène de chauffage. Grâce à l’absorption de l’oxygène de l’air ambiant, le gaz combustible se consume intégralement dans la flamme secondaire. Les gaz combustibles diffèrent en termes de température de flamme et de taux de combustion d’allumage, et donc de puissance de la flamme primaire (kJ/cm². s).
Dans les procédés autogènes, l’effet de la flamme primaire est particulièrement important.
Acétylène
- Température de flamme et rendement de la flamme primaire les plus élevés
- Haute performance de coupe par rapport aux autres gaz combustibles
- En cas de consommation permanente de gaz supérieure à 500 l/h, plusieurs bouteilles de gaz doivent être couplées (cadres de bouteilles). L’approvisionnement en gaz est donc plus complexe qu’avec le propane/éthylène.
Propane
- Rendement inférieur de la flamme primaire, qui réduit les performances de coupe (en particulier pour les coupes diagonales).
- Temps de chauffe et de perçage élevés
- La consommation d’oxygène du site pour la flamme de chauffe est environ quatre fois supérieure à celle de l’acétylène.
- Le propane est entreposé à l’état liquide, ce qui permet de disposer de plus grandes quantités de gaz.
Domaines d’utilisation de l’oxygène
1. Oxygène de coupe
L’oxygène de coupe est le gaz de service employé pour les domaines d’utilisation suivants :
- Oxyder (consumer) l’acier
- Expulser les produits de la réaction (scories, oxydes de fer) du trait de coupe, formant ainsi le trait de coupe
2. Oxygène de chauffe
L’oxygène de chauffe est nécessaire pour brûler le gaz combustible (flamme de chauffe)
Une puissance de flamme élevée se traduit par un découpage à la flamme plus efficace !
La pureté ou qualité standard de l’oxygène est de 99,5 % en volume (2,5). Cette qualité est suffisant pour un procédé d’oxycoupage
satisfaisant. Avec une pureté d’oxygène plus élevée, de par exemple 99,95 % en volume (3,5), on obtient une performance de coupe plus élevée avec
une meilleure qualité de coupe.
La consommation de gaz dépend de la taille du brûleur.
Les diagrammes de coupe sont des documents importants pour garantir la qualité et la performance de la coupe, et ils constituent la base pour établir les paramètres de l’oxycoupage.
Quels matériaux peuvent-ils être découpés à la flamme et qu’en est-il de l’équivalent carbone ?
Les matériaux répondant aux conditions de l’oxycoupage sont les suivants :
- Acier non allié
- Acier faiblement allié
- Acier moulé
- Titane
Capacité de coupe des alliages d’acier
La capacité de coupe est influencée non seulement la teneur en élément C, mais aussi par le nombre et la quantité des autres éléments d’alliage :
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Éléments d’alliage |
Propriétés |
| Carbone : |
Tous les aciers au carbone pur non alliés, ainsi que les aciers contenant au maximum 0,3 % de C. |
| Silicium : |
Aciers contenant au maximum 2,5 % de Si, avec au maximum 0,25 % de teneur en C |
| Manganèse : |
Aciers au manganèse pur contenant jusqu’à 13 % Mn et 1,3 % C. |
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Chrome : |
L’augmentation de la teneur en Cr réduit l’aptitude au découpage ; la teneur maximale en Cr est de 2,2 %. Flamme de chauffe lors de l’oxycoupage des aciers Cr avec un léger excès d’acétylène. |
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Nickel : |
Les aciers contenant au maximum 5 % de Ni peuvent être découpés à la flamme sans problème. |
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Cuivre : |
Aciers contenant au maximum 0,7 % Cu. |
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Wolfram : |
La teneur en W peut être de 10 % maximum, avec 0,8 % de C. |
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Molybdène : |
Le Mo détériore l’aptitude au découpage à la flamme et est comparable au Cr. |
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Aluminium : |
Les teneurs en Al habituelles n’affectent pas l’aptitude à la découpe. |
Équivalent carbone CÄQ :
Environ 80 % des aciers de construction peuvent être découpés à la flamme sans problème, c’est-à-dire sans échauffement supplémentaire. Pour les épaisseurs de tôle supérieures à 30 mm, un préchauffage doit être envisagé. La formule de l’équivalent carbone peut être utilisée pour déterminer le préchauffage.
Pour une évaluation, à partir de quelle épaisseur de tôle, ou pour quel matériau le préchauffage est nécessaire afin
d’éviter le durcissement, l’équivalent carbone peut être déduit pour les aciers.
Sécurité du travail lors de l’oxycoupage
Plusieurs contraintes liée à l’hygiène au travail peuvent survenir lors de l’oxycoupage :
| Fumées, poussières : |
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| Gaz nitreux ou oxydes d’azote, NOx : |
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| Rayonnement optique : |
Le rayonnement optique émis par la flamme de chauffe peut provoquer des lésions oculaires. |
| Bruit : |
Le niveau sonore émis durant l’oxycoupage, notamment avec des buses de forte puissance, peut dépasser 85 dB (soit la valeur limite d’exposition). Il est recommandé de porter une protection auditive. |
Les gaz, vapeurs, fumées et poussières nocifs doivent être extraits, en particulier dans les espaces confinés.