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EP1088188B1 - Procede pour realiser un support de flammes - Google Patents

Procede pour realiser un support de flammes Download PDF

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Publication number
EP1088188B1
EP1088188B1 EP00920801A EP00920801A EP1088188B1 EP 1088188 B1 EP1088188 B1 EP 1088188B1 EP 00920801 A EP00920801 A EP 00920801A EP 00920801 A EP00920801 A EP 00920801A EP 1088188 B1 EP1088188 B1 EP 1088188B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibres
mat
fibers
alloy
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00920801A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1088188A1 (fr
Inventor
André Walder
William Guerin
Valérie Bosso
Daniel Confrere
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Engie SA
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Gaz de France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA, Gaz de France SA filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of EP1088188A1 publication Critical patent/EP1088188A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1088188B1 publication Critical patent/EP1088188B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/10—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying using centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/002—Manufacture of articles essentially made from metallic fibres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/105—Porous plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/20—Burner material specifications metallic
    • F23D2212/201—Fibres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2213/00—Burner manufacture specifications

Definitions

  • the field of the invention is that of flame supports for burners, in particular with premix, operating on gas.
  • welding specifically concerns welding exclusively between fibers, minimum at their melting point, which is quite different from a sintering, the welding concerned being also specifically a welding "under capacitor discharge” quite different from welding obtained with a much lower transformer welding machine voltage (a few tens to a few hundred volts), inappropriate in the species taking into account the mechanical and thermal behavior characteristics required, as well as performance requirements during operation of the burner.
  • the welding will be carried out in the invention under a voltage of at least 1000 V (or typically several thousand, or even tens of thousands of volts), with an intensity of at least 1000 A (can exceed 10,000 amps) and this for a period of the order of at 20 micro seconds.
  • an additional characteristic of the invention recommends, during step a), to produce metallic fibers advantageously containing between 5.5 and 8% aluminum, by weight.
  • the fibers obtained during step a) will advantageously be fibers elongated in one direction and having in section a lunule shape (or lenticular, or "crescent"), with therefore internally (at the place of their concave face) a hollow channel.
  • the outer cord of these fibers will advantageously between 300 and 3000 microns, with an average typically of around 800 ⁇ m, and an average height of around 20 to 200 ⁇ m.
  • the the length of the fibers will advantageously be between approximately 0.7 cm and 15 cm, and preferably greater than about 1 cm. In terms of porosity of the flame support, this will advantageously be between approximately 60% and 95%, preferably with a substantially isotropic distribution fibers in the support, which can be used both on a burner atmospheric than a supply air burner.
  • the "means of obtaining” will preferably comprise a wheel whose surface will be provided with regularly spaced grooves (or teeth) and each provided with a fine edge, we will turn the wheel and we will make it flush the edge of each groove with the molten metal so that each groove can extract a quantity of metallic alloy substantially equivalent to that required to form a metallic fiber, once the cooled and solidified metal.
  • the compression / welding conditions will be different: if the porosity is between about 60 and 80 to 85%, then the compression will take place in the molding die, but welding can be done outside the mold (the walls of the welding machine will be electrically insulating, only the electrodes being electrically conductive). The heating temperature at the points of contact between the fibers may reach or even exceed 1450 ° C.
  • both the compression that the welding will take place in the molding die always with an electrically non-conductive wall and with a temperature comparable to that indicated above.
  • alloy metallic FeCrAlX alloy metallic FeCrAlX
  • X Yttrium or a rare earth or a mixture of rare earths such as cerium or erbium, even “mischmetall”
  • the technique used to make the fibers 10 uses general to a tank filled with a metallic alloy (here a steel stainless refractory aluminoformer) which is brought to a temperature greater than or equal to its melting temperature so that it becomes liquid.
  • a moving moving extraction means is then put in contact with this metal so that this movement, which can be a rotation or translation, extracts a part of molten metal which comes adhere to a generally very fine peripheral surface of the medium extraction.
  • the metal cools on the element then is ejected from its surface by a force induced by its movement (centrifugal force in the in the case of a rotational movement) to solidify very quickly in air (cooling several tens of thousands of degrees by second) or in a neutral gas (argon for example) so as to form a filament of a certain length.
  • the extraction means is a wheel rotated along an axis and provided with a discontinuous contact surface, for example in the form of regularly spaced grooves or teeth.
  • a tank 3 is filled with metal alloy 5 to constitute the fibers and it is heated to obtain a metal bath in fusion.
  • a fiber 10 with a crescent (or lenticular) section as already indicated), see figure 3, with in particular an interior surface 10a concave, favorable for the flow of the fluid (gas) in the support of flames.
  • the "fiber” is ejected by centrifugation in the air or in a neutral protective gas where it ends up cooling to therefore constitute definitely a metallic fiber with "crescent” section, length corresponding to that of the groove in which it formed.
  • melt extraction we rotate a wheel with grooves (or teeth) above the heated tank still containing the molten alloy bath. We soak the wheel in this bath and it is rotated so that a certain amount of material adheres to each groove (or tooth) and is extracted from the bath to form a meniscus on this groove, then begins to solidify in cooling on the wheel during its rotation before being ejected by centrifugation in air (or in a neutral gas such as argon) where it finishes cooling to form the final metallic fiber.
  • a mat is formed. in a mold (or stamping press) 100 shown in Figure 4.
  • a mold or stamping press 100 shown in Figure 4.
  • F compressive force
  • a movable punch 114 so as to produce a mat of compacted fibers 115 (see Figure 5) of the desired shape.
  • This shape can be parallelepiped, circular, even conical or annular, ... and correspond to the shape final of the flame support.
  • the degree of porosity reached at the outcome of this compression will be that of the final support (60 to 95%).
  • the fibers 10 may have been ground or cut (especially if they are several centimeters to tens of centimeters in length) so that they are more easily distributed in the cavity 112.
  • the degree of porosity of the compressed mat 115 is less than about 85% (to within a few percent), so the consolidation step of this matt welding will take place outside the mold, as illustrated on the figure 5.
  • the mat 115 is placed in the interior space 116 of a welding machine by discharging the capacitor 117.
  • This machine whose interior space 116 is adapted to the shape and dimensions mat (on which no additional mechanical compression effort must not be applied), includes side walls electrically insulators 118 and two electrodes 119a, 119b, between which the mat is placed 115 and which define the space 116 with the side walls 118.
  • the two electrodes 119a, 119b are connected to the terminals of a capacitor 120, with interposition on the circuit of a switch 121.
  • the reference 122 represents the mass.
  • the two electrodes are in electrical contact with the fibers metallic of the mat, so that the closing of the switch 121 causes the discharge of the capacitor 120 which, with the other elements in cause, has been sized so that we can deliver to the contact points between the fibers a tension of several thousand, even tens of thousands of volts, and an intensity typically of a few thousand amps at a few tens of thousands of amperes depending on the part to be produced, this for a period of the order of one to a few tens of micro-seconds without comparison with the durations typically greater than one second and the voltages (of the order of a few tens of volts) of the welds by transformer, well known, but not suitable in the present case given the characteristics of the fibers and the structure to be obtained.
  • capacitor discharge welding ensures that the vast majority (preferably more than 90%) of the fibers are welded to minus two points of contact, which guarantees reliability over time and secure intrinsic mechanical strength of the flame support.
  • the conditions of this welding (which is not sintering, since the temperature of fusion of fibers between them is locally reached, although the general temperature of the mat is much lower than 100 °, such as 50 at 60 ° C) allows the use of a welding device 117 which does not need withstand high temperatures, therefore lower cost (walls 118 can be plastic).
  • fibers 10 and 12 of different diameters and arrange them in a certain way in the matrix, for example with the fibers the finest in the area (s) where a lower porosity is desired.
  • a sectional view of a circular plate 1 obtained using this method is shown in Figure 7 where the coarsest fibers in diameter are substantially in the center of the plate.
  • the advantage of the mold 100 is that it makes it possible to directly obtain the final shape of the support (full cylindrical, ring, annular cylinder, ...), with a fixed porosity, even its final mechanical cohesion if the interfiber welding takes place in the mold.
  • the process for producing the fibers makes it possible to make fibers with variable composition
  • a plate made of fibers having different compositions either mixing said fibers homogeneously, on the contrary by providing a certain type of fiber in one or more areas of the cavity, and another type of fibers in the other zone (s) of said cavity so as to obtain a plate having variable physical characteristics.
  • a circular plate it may be interesting to arrange the fibers which resist at the highest temperatures in the center of the plate, where the flame will be stronger, and use less resistant fibers at the periphery.
  • Figure 9 illustrates a possible configuration of the FeCrAIX metal alloy hanging plate made with the process described above and comprising in particular approximately 7% aluminum.
  • FIG. 9 there is shown a flame support 1, mounted in a known type burner, referenced as a whole at 80, such as a domestic burner with total premix and flame blue.
  • This burner 80 essentially comprises a distribution 81, which has the general shape of a truncated cone box, substantially circular section, connected at its most rear side narrow 81a to separate supply lines 83, 84 respectively combustion air and combustible gas.
  • the acronyms AV and AR are used to locate the "front” and “rear” sides of the burner respectively, with reference to the circulation of the combustible mixture in the burner, such as shown diagrammatically by arrows 87, 87 'and 88.
  • This distribution chamber 81 is separated from a combustion chamber 82, on its front face, by the support of flames 1. In this case, this support is in the form of a cylinder hollow (annular) of height H and thickness E.
  • a solid plate 86 closes frontally the free end of the support 1.
  • the fuel gas supply line 84 meets line 83 air supply just upstream of the distribution chamber (at 85).
  • line 83 pressurized air supply
  • the combustion chamber but it is possible to provide a "natural" air supply ("air" burner atmospheric ").
  • the ignition of the burner is ensured by a electrode 97 suitably insulated and supplied under high voltage by a power cable not shown.
  • the flames develop outside this cylinder, the gas mixture passing through the center of it before leaving.
  • a minimum power of 2 kW i.e. a surface power of 607 kW / m 2
  • a maximum blue flame power of 30 kW i.e. a surface power of 9099 kW / m 2
  • the modulation range is therefore from 2 to 30 kW, ie a ratio from 1 to 15.
  • Emissions of carbon monoxide (CO) are almost zero over the entire operating range.
  • NOx nitrogen oxides
  • they are less than 60 mg / kWh for aeration (factor n) of the order of 30%.
  • the flame support structure can be produced with several porous rings stacked coaxially and separated two by two by a solid non-porous spacer, or even as a plate curved circular or full conical, or even other shapes.

Landscapes

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Description

Le domaine de l'invention est celui des supports de flammes pour brûleurs notamment à prémélange, fonctionnant au gaz.
On connaít déjà de tels supports où l'on cherche à stabiliser les flammes produites, de manière à favoriser leur développement. D'autres expressions désignent encore ces supports, telles que "plaques d'accrochage de flammes", "grilles de combustion", "surfaces d'accrochage de flammes" ou encore "tête de combustion". Elles sont typiquement réalisées en matériaux divers, tels que la céramique ou le métal, et sont poreuses ou percées d'orifices de taille et de répartition convenables pour permettre le passage des gaz. Dans le brûleur, elles sont typiquement disposées entre les chambres de répartition et de combustion qu'elles séparent.
A partir de US-A-3 680 183, on connaít en particulier un procédé de fabrication d'un tel support de flammes pour un brûleur, dans lequel procédé :
  • a) on réalise des fibres métalliques disjointes dans un alliage résistant à une température d'au moins 750°C environ et comprenant du fer, du chrome et de l'aluminium,
  • b) on réunit entre elles sous pression ces fibres, en créant ainsi un mat de fibres agglomérées, et
  • c) on porte le mat de fibres à une température suffisante pour assurer une liaison intime entre les fibres du mat, à leurs points de contact.
    • Bien qu'il soit donc utilisable pour un brûleur, l'enseignement de ce brevet antérieur ne concerne pas spécifiquement un brûleur à gaz WO 94 14608 et WO 93 18342 montrent d'autres procédés de fabrication de mat de fibres. Et divers inconvénients sont considérés dans l'invention comme devant être résolus, au vu de l'état de la technique.
    Ainsi, le but de l'invention est de proposer un support de flammes optimisé pour les brûleurs à gaz et répondant aux exigences suivantes :
    • support qui puisse fonctionner tant en flammes "bleues" (flammes typiquement situées à l'extérieur du support) qu'en mode radiant (flammes rentrées vers l'intérieur du support),
    • rapidité et simplicité de fabrication du support,
    • support fiable dans le temps (en particulier, eu égard aux problèmes d'oxydation, de tenue mécanique, d'émission de polluants et de puissances variables : modulation pouvant atteindre 1 à 10, voire 1 à 30)
    • qualité du support obtenu, eu égard en particulier aux caractéristiques mécaniques et d'élasticité, lors de la fabrication,
    • prix de revient peu élevé,
    • souplesse de mise en oeuvre du support permettant l'obtention rapide, aisée et peu onéreuse de formes adaptées aux conditions pratiques d'utilisation.
    La solution proposée par l'invention pour tendre vers ces exigences consiste en ce que :
    • lors de l'étape a), on alimente avec ledit alliage métallique, ayant une teneur en aluminium supérieure à environ 4 % (voire 5 %), un réservoir que l'on chauffe à une température supérieure ou égale à la température de fusion de cet alliage, on met en contact l'alliage en fusion avec une surface d'un moyen d'extraction en mouvement de telle sorte qu'une quantité de métal liquide adhère à sa surface pour être extraite du réservoir et on laisse la quantité de métal extraite refroidir et se solidifier sur la surface du moyen d'extraction, puis dans l'air ou dans un gaz neutre, après qu'elle ait quitté cette surface sous l'effet d'une force de séparation induite par le mouvement dudit moyen d'extraction,
    • lors de l'étape b), on dispose (à sec) dans une matrice de moulage les fibres disjointes(individualisées)obtenues lors de l'étape a) et on les y comprime sensiblement uniformément pour former ledit mat aggloméré, de telle sorte que la porosité dans le mat soit sensiblement uniforme,
    • et, lors de l'étape c), sans exercer de pression notablement supérieure à celle exercée lors de l'étape b),
      • on relie le mat de fibres agglomérées à des électrodes et à un condensateur,
      • et, par l'intermédiaire de ces électrodes et par décharge du condensateur, on porte les fibres à leurs points de contact à une température supérieure ou égale à leur température de fusion, pour provoquer un soudage des fibres exclusivement entre elles, sous haute tension (soit au moins environ 1000 Volts), de telle sorte que la porosité dans le mat de fibres soudées soit sensiblement uniforme et sensiblement égale à celle de l'étape b).
    Avec un tel procédé :
    • on limite les étapes de fabrication (en particulier, seule une étape "à sec" est nécessaire pour créer le mat de fibres comprimées, à partir des fibres métalliques disjointes),
    • on obtient un mat performant thermiquement et mécaniquement,
    • on obtient, lors de l'étape a), des fibres métalliques performantes et on maintient cette performance (en particulier thermique et mécanique) jusqu'à l'obtention du support de flammes final, sans que l'étape de compression ou l'étape de liaison intime mécanique des fibres entre elles altère ces performances,
    • on obtient un support de flammes à porosité homogène, favorable à un fonctionnement optimisé du brûleur,
    • le support de flammes fabriqué présente une tenue mécanique intrinsèque.
    On notera également que le terme déjà employé "soudage" concerne spécifiquement un soudage exclusivement entre les fibres, au minimum à leur température de fusion, ce qui est tout à fait différent d'un frittage ("sintering"), le soudage concerné étant en outre spécifiquement un soudage "sous décharge de condensateur" tout à fait différent d'un soudage obtenu avec une machine à souder à transformateur à beaucoup plus basse tension (quelques dizaines à quelques centaines de Volts), inapproprié en l'espèce compte tenu des caractéristiques de tenue mécanique et thermique recherchées, ainsi que des exigences de performance lors du fonctionnement du brûleur.
    A cet égard, le soudage s'effectuera dans l'invention sous une tension d'au moins 1000 V (ou typiquement plusieurs milliers, voire dizaine(s) de milliers de volts), avec une intensité de 1000 A au moins (pouvant dépasser 10000 ampères) et ceci pendant une durée de l'ordre de à 20 micro secondes.
    A noter également qu'une caractéristique complémentaire de l'invention conseille, lors de l'étape a), de réaliser des fibres métalliques contenant avantageusement entre 5,5 et 8 % d'aluminium, en poids.
    Pour un effet favorable sur l'écoulement du fluide dans le support de flammes, les fibres obtenues lors de l'étape a) seront avantageusement des fibres allongées dans une direction et ayant en section une forme de lunule (ou lenticulaire, ou "en croissant"), avec donc intérieurement (à l'endroit de leur face concave) un canal en creux.
    En section, la corde extérieure de ces fibres sera avantageusement comprise entre 300 et 3000 microns, avec une moyenne typiquement aux environs de 800 µm, et une hauteur moyenne d'environ 20 à 200 µm. La longueur des fibres sera avantageusement comprise entre environ 0,7 cm et 15 cm, et de préférence, supérieure à environ 1 cm. En termes de porosité du support de flammes, celle-ci sera avantageusement comprise entre environ 60 % et 95 %, de préférence avec une répartition sensiblement isotropique des fibres dans le support, lequel pourra être utilisé tant sur un brûleur atmosphérique qu'un brûleur à air soufflé.
    Pour obtenir des fibres métalliques telles que présentées ci-avant, le "moyen d'obtention" comprendra de préférence une roue dont la surface sera pourvue de rainures (ou bien de dents) régulièrement espacées et chacune munie d'une fine arête, on fera tourner la roue et on fera affleurer l'arête de chaque rainure avec le métal en fusion de telle sorte que chaque rainure pourra extraire une quantité d'alliage métallique sensiblement équivalente à celle nécessaire à la formation d'une fibre métallique, une fois le métal refroidi et solidifié.
    On notera également qu'en fonction de la porosité du support de flammes à obtenir, les conditions de compression/soudage seront différentes : si la porosité est comprise entre environ 60 et 80 à 85 %, alors la compression s'effectuera dans la matrice de moulage, mais le soudage pourra s'effectuer hors moule (les parois de la machine à souder seront électriquement isolantes, seules les électrodes étant électriquement conductrices). La température de chauffage aux points de contact entre les fibres pourra atteindre, voire dépasser 1450°C.
    Pour une porosité supérieure (environ 85 à 95 %), tant la compression que le soudage s'effectueront dans la matrice de moulage, toujours à paroi non conductrice électriquement et avec une température comparable à celle indiquée ci-avant.
    L'invention et sa mise en oeuvre apparaítront encore plus clairement à l'aide de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins dans lesquels :
    • la figure 1 montre schématiquement un principe d'obtention des fibres métalliques par "melt overflow" (débordement du bain d'alliage métallique),
    • la figure 2 est une vue de détail agrandie de la zone II de la figure 1,
    • la figure 3 est une vue très agrandie en coupe d'une forme "en croissant" caractéristique d'une fibre obtenue par la technique illustrée sur la figure 1,
    • la figure 4 présente schématiquement un moule de compression des fibres pour obtenir un mat,
    • la figure 5 présente schématiquement un système de soudage de ce mat par décharge de condensateur,
    • la figure 6 est une vue en coupe d'une plaque support de flammes à porosité variable,
    • les figures 7 et 8 sont deux variantes de réalisation de la plaque de la figure 6,
    • et la figure 9 est une vue en coupe d'un brûleur équipé d'un support de flammes conforme à l'invention.
    Les figures 6 à 8 représentent une plaque d'accrochage 1 de forme parallélépipèdique constituée d'une pluralité de fines fibres 10 en alliage métallique FeCrAlX (avec X = Yttrium ou une terre rare ou un mélange de terres rares telles que cérium ou erbium, voire du "mischmetall"), par exemple un acier inoxydable à forte teneur en aluminium (environ 7% de sa constitution), les fibres étant comprimées de façon à donner à la plaque sa forme définitive.
    La technique utilisée pour réaliser les fibres 10 fait appel de façon générale à un réservoir rempli d'un alliage métallique (ici un acier inoxydable réfractaire aluminoformeur) que l'on porte à une température supérieure ou égale à sa température de fusion de telle sorte qu'il devienne liquide. Un moyen d'extraction mobile en mouvement est alors mis en contact avec ce métal de telle sorte que ce mouvement, qui peut être une rotation ou une translation, extrait une partie de métal en fusion qui vient adhérer à une surface périphérique en général très fine du moyen d'extraction. Par la suite, le métal refroidit sur l'élément puis est éjecté de sa surface par une force induite par son mouvement (force centrifuge dans le cas d'un mouvement de rotation) pour se solidifier très rapidement dans l'air (refroidissement de plusieurs dizaines de milliers de degrés par seconde) ou dans un gaz neutre (argon par exemple) de façon à former un filament d'une certaine longueur. De préférence, et comme cela est décrit ci-après, le moyen d'extraction est une roue mise en rotation selon un axe et munie d'une surface de contact discontinue, par exemple sous la forme de rainures ou de dents régulièrement espacées.
    Pour satisfaire au mieux les consignes énoncées en début de description, on privilégie la technique dite du "meit overflow". Selon cette technique (voir figure 1), on remplit un réservoir 3 de l'alliage métallique 5 devant constituer les fibres et on le chauffe pour obtenir un bain de métal en fusion. On fait déborder légèrement et constamment ce bain et on place une roue rainurée 7 au ras de sa paroi débordante de telle sorte qu'en faisant tourner la roue à vitesse élevée, on extrait une certaine quantité de matière métallique liquide par adhésion de ladite matière avec une parmi plusieurs rainures réparties sur la périphérie de la roue, telles que 7a pour l'une d'entre elles (voir figure 2), lorsque celle-ci entre en contact avec l'alliage en fusion. Cette quantité de matière se solidifie alors en refroidissant sur la roue pour former une fibre 10 à section en forme de croissant (ou lenticulaire, comme déjà indiqué), voir figure 3, avec en particulier une surface intérieure 10a concave, favorable à l'écoulement du fluide (gaz) dans le support de flammes. Ensuite, la "fibre" est éjectée par centrifugation dans l'air ou dans un gaz neutre de protection où elle finit de se refroidir pour constituer donc définitivement une fibre métallique à section "en croissant", de longueur correspondant à celle de la rainure dans laquelle elle s'est formée.
    Bien qu'elle soit moins performante, on pourrait également utiliser la technique dite du "melt extraction". Selon cette technique, on fait tourner une roue munie de rainures (ou dents) au-dessus du réservoir chauffé contenant toujours le bain d'alliage en fusion. On fait tremper légèrement la roue dans ce bain et on la met en rotation de telle sorte qu'une certaine quantité de matière adhère à chaque rainure (ou dent) et soit extraite du bain pour former un ménisque sur cette rainure, puis commence à se solidifier en refroidissant sur la roue pendant sa rotation avant d'être éjectée par centrifugation dans l'air (ou dans un gaz neutre tel que de l'argon) où elle finit de refroidir pour former la fibre métallique définitive.
    Une fois les filaments, ou fibres, 10 obtenus, on forme un mat dans un moule (ou presse à emboutir) 100 représenté sur la figure 4. Pour cela, on place les fibres dans la cavité 112 de cette matrice et on vient appliquer contre ces fibres une force de compression F importante à l'aide d'un poinçon mobile 114 de façon à réaliser un mat de fibres compactées 115 (voir figure 5) de la forme voulue. Cette forme peut être parallélépipèdique, circulaire, voire conique ou annulaire, ... et correspondre à la forme définitive du support de flammes. A priori, le degré de porosité atteint à l'issue de cette compression sera celui du support définitif (60 à 95 %).
    Au préalable, on peut avoir broyé ou coupé les fibres 10 (surtout si elles mesurent plusieurs centimètres à dizaines de centimètres de longueur) de telle sorte qu'elles se répartissent plus facilement dans la cavité 112.
    Typiquement, on les tamise avant de les placer dans cette cavité de façon à les calibrer en fonction du type de support que l'on veut obtenir.
    Si le degré de porosité du mat comprimé 115 est inférieur à environ 85 % (à quelques pour-cent près), alors l'étape de consolidation de ce mat par soudage va s'effectuer en dehors du moule, comme illustré sur la figure 5.
    Dans cette hypothèse, le mat 115 est placé dans l'espace intérieur 116 d'une machine à souder par décharge du condensateur 117. Cette machine dont l'espace intérieur 116 est adapté à la forme et aux dimensions du mat (sur lequel aucun effort supplémentaire de compression mécanique ne doit être appliqué), comprend des parois latérales électriquement isolantes 118 et deux électrodes 119a, 119b, entre lesquelles est placé le mat 115 et qui définissent l'espace 116 avec les parois latérales 118. Les deux électrodes 119a, 119b, sont reliées aux bornes d'un condensateur 120, avec interposition sur le circuit d'un interrupteur 121. Le repère 122 représente la masse. Les deux électrodes sont en contact électrique avec les fibres métalliques du mat, de telle sorte que la fermeture de l'interrupteur 121 provoque la décharge du condensateur 120 qui, avec les autres éléments en cause, a été dimensionnée pour que l'on puisse délivrer aux points de contact entre les fibres une tension de plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de volts, et une intensité typiquement de quelques milliers d'ampères à quelques dizaines de milliers d'ampères selon la pièce à réaliser, ceci pendant une durée de l'ordre de une à quelques dizaines de micro-secondes sans comparaison avec les durées typiquement supérieures à la seconde et les tensions (de l'ordre de quelques dizaines de volts) des soudages par transformateur, bien connu, mais qui ne conviennent pas en l'espèce compte tenu des caractéristiques des fibres et de la structure à obtenir. En particulier, un tel soudage par décharge de condensateur permet d'être assuré que la grande majorité (de préférence de plus de 90 %) des fibres est soudée à au moins deux points de contact, ce qui garantit une fiabilité dans le temps et une tenue mécanique intrinsèque sécurisée du support de flammes. En outre, les conditions de ce soudage (qui n'est pas un frittage, puisque la température de fusion des fibres entre elles est localement atteinte, bien que la température générale du mat soit nettement inférieure à 100°, telle que 50 à 60°C) permet d'utiliser un appareil de soudage 117 qui n'a pas besoin de tenir aux hautes températures, donc d'un coût moindre (les parois 118 peuvent être en plastique).
    Dans l'hypothèse d'une compression des fibres dans la cavité 112 telle que la porosité du mat obtenue soit supérieure à environ 85 %, alors le soudage des fibres entre elles devrait s'effectuer a priori à l'intérieur même du moule. Pour cela, le système à deux électrodes se faisant face de la figure 4 serait appliqué au moule 100 de la figure 4, et un circuit à condensateur 120 serait branché en conséquence.
    En outre, avec ce procédé, on obtient des fibres dans des alliages comportant donc de fortes proportions d'aluminium sans que ces fibres cassent ou que leur transformation soit exagérément coûteuse.
    Avec la technique utilisée, il est encore possible d'obtenir des plaques à porosité variable. Pour cela, on peut augmenter la pression dans certaines zones de la cavité de l'outil de compression par rapport à d'autres zones ou bien augmenter la quantité de fibres dans ces même zones où l'on souhaite avoir une porosité plus faible. Une vue en coupe d'une plaque 1 obtenue à l'aide de cette méthode est représentée sur la figure 6.
    On peut aussi réaliser des fibres 10 et 12 de diamètres différents et les disposer d'une certaine façon dans la matrice, par exemple avec les fibres les plus fines dans la (les) zone(s) ou l'on souhaite une porosité plus faible. Une vue en coupe d'une plaque 1 circulaire obtenue à l'aide de cette méthode est représentée sur la figure 7 sur laquelle les fibres les plus grosses en diamètre sont sensiblement au centre de la plaque.
    L'avantage du moule 100 est qu'il permet d'obtenir directement la forme définitive du support (cylindrique plein, anneau, cylindre annulaire, ...), avec une porosité figée, voire sa cohésion mécanique définitive si le soudage interfibres s'effectue dans le moule.
    Pour des supports plus grands, on peut toutefois relier entre eux bout à bout plusieurs supports 1a, 1b et 1c ayant chacun une porosité différente de façon à former une grande plaque plane à porosité variable (figure 8).
    Enfin, comme le procédé de réalisation des fibres permet de réaliser des fibres à composition variable, il est tout à fait possible de réaliser une plaque constituée de fibres ayant des compositions différentes, soit en mélangeant lesdites fibres de façon homogène, soit au contraire en disposant un certain type de fibres dans une ou plusieurs zones de la cavité, et un autre type de fibres dans la ou les autres zones de ladite cavité de façon à obtenir une plaque ayant des caractéristiques physiques variables. Ainsi, pour une plaque circulaire, il pourra être intéressant de disposer les fibres qui résistent aux plus hautes températures au centre de la plaque, là où la flamme sera la plus forte, et d'utiliser des fibres moins résistantes à la périphérie.
    A titre d'exemple, la figure 9 illustre une configuration possible de la plaque d'accrochage en alliage métallique FeCrAIX réalisée avec le procédé décrit ci-avant et comportant en particulier environ 7% d'aluminium.
    Sur cette figure 9, on voit représenté un support de flammes 1, monté dans un brûleur de type connu, référencé dans son ensemble en 80, comme par exemple un brûleur domestique à prémélange total et à flamme bleue.
    Ce brûleur 80 comporte essentiellement une chambre de répartition 81, qui a la forme générale d'un caisson en tronc de cône, à section sensiblement circulaire, connecté au niveau de sa face arrière la plus étroite 81a aux conduites séparées 83, 84 d'alimentation respectivement en air comburant et en gaz combustible. Sur cette figure, les sigles AV et AR permettent de situer les côtés respectivement "avant" et "arrière" du brûleur, en référence à la circulation du mélange combustible dans le brûleur, tel que schématisé par les flèches 87, 87' et 88. Cette chambre de répartition 81 est séparée d'une chambre de combustion 82, sur sa face avant, par le support de flammes 1. En l'espèce, ce support se présente sous la forme d'un cylindre creux (annulaire) de hauteur H et d'épaisseur E. Une plaque pleine 86 ferme frontalement l'extrémité libre du support 1. Comme on peut le voir, la conduite 84 d'alimentation en gaz combustible rencontre le conduit 83 d'alimentation en air juste en amont de la chambre de répartition (en 85). Bien entendu, on prévoit ici d'installer un ventilateur en amont du conduit 83 (alimentation en air sous pression) ou de la chambre de combustion, mais il est possible de prévoir une alimentation "naturelle" en air (brûleur à "air atmosphérique"). Tel qu'illustré, l'allumage du brûleur est assuré par une électrode 97 convenablement isolée et alimentée sous haute tension par un câble d'alimentation non représenté.
    Les flammes se développent à l'extérieur de ce cylindre, le mélange de gaz passant au centre de celui-ci avant de sortir. A titre d'exemple, un anneau de diamètre intérieur 50 mm, de diamètre extérieur 70 mm et de hauteur 15 mm (surface de chauffe = 3297mm2) a été testé. Dans cette configuration, on obtient en mode radiant une puissance minimale de 2 kW (soit une puissance surfacique de 607 kW/m2) et une puissance maximale en flamme bleue de 30 kW (soit une puissance surfacique de 9099 kW/m2). La gamme de modulation est donc de 2 à 30 kW soit un rapport de 1 à 15. Les émissions de monoxyde de carbone (CO) sont quasiment nulles sur toute la plage de fonctionnement. Pour les oxydes d'azote (NOx), elles sont inférieures à 60 mg/kWh pour des aérations (facteur n) de l'ordre de 30 %.
    En variante, la structure support de flammes peut être réalisée avec plusieurs anneaux poreux empilés coaxialement et séparés deux à deux par une entretoise pleine non poreuse, ou encore comme une plaque circulaire bombée ou conique pleine, voire d'autres formes.

    Claims (3)

    1. Procédé de fabrication d'un support de flammes, pour un brûleur fonctionnant au gaz, dans lequel procédé :
      a) on réalise des fibres (10) métalliques disjointes dans un alliage résistant à une température d'au moins 750°C environ et comprenant du fer, du chrome et de l'aluminium,
      b) on réunit entre elles sous pression ces fibres, en créant ainsi un mat (115) de fibres agglomérées, et
      c) on porte le mat de fibres à une température suffisante pour assurer une liaison intime entre les fibres du mat, à leurs points de contact, dans ledit procédé:
      lors de l'étape a), on alimente avec ledit alliage métallique, ayant une teneur en aluminium supérieure à environ 4 %, un réservoir (3) que l'on chauffe à une température supérieure ou égale à la température de fusion de cet alliage, on met en contact l'alliage en fusion avec une surface d'un moyen d'extraction (7) en mouvement de telle sorte qu'une quantité de métal liquide (5) adhère à sa surface (7a) pour être extraite du réservoir et on laisse la quantité de métal extraite refroidir et se solidifier sur la surface du moyen d'extraction, puis dans l'air ou dans un gaz neutre, après qu'elle ait quitté cette surface sous l'effet d'une force de séparation induite par le mouvement dudit moyen d'extraction,
      lors de l'étape b), on dispose dans une matrice (100) de moulage les fibres (10) disjointes obtenues lors de l'étape a) et on les y comprime sensiblement uniformément pour former ledit mat aggloméré (115), de telle sorte que la porosité dans le mat soit sensiblement uniforme,
      et, lors de l'étape c), sans exercer de pression notablement supérieure à celle exercée lors de l'étape b),
      on relie le mat de fibres agglomérées à des électrodes (119a, 119b) et à un condensateur (120),
      et, par l'intermédiaire de ces électrodes et par décharge du condensateur, on porte les fibres (10) à leurs points de contact à une température supérieure ou égale à leur température de fusion, pour provoquer un soudage des fibres exclusivement entre elles, sous haute tension, de telle sorte que la porosité dans le mat de fibres soudées (1) soit sensiblement uniforme et sensiblement égale à celle de l'étape b).
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'étape a), on réalise des fibres (10) ayant une teneur en aluminium comprise entre 5,5 et 8 %.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lors de l'étape a), on réalise des fibres ayant en section une forme de croissant.
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