EP0363246B1 - Procédé et dispositif pour la mise à poste et le retrait d'une torche à plasma sur un appareil fonctionnant dans des conditions de pression et de température interdisant une intervention directe - Google Patents

Procédé et dispositif pour la mise à poste et le retrait d'une torche à plasma sur un appareil fonctionnant dans des conditions de pression et de température interdisant une intervention directe Download PDF

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EP0363246B1
EP0363246B1 EP89402600A EP89402600A EP0363246B1 EP 0363246 B1 EP0363246 B1 EP 0363246B1 EP 89402600 A EP89402600 A EP 89402600A EP 89402600 A EP89402600 A EP 89402600A EP 0363246 B1 EP0363246 B1 EP 0363246B1
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EP
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torch
shutter
pressure
volume
tubular member
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EP89402600A
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Jean Feuillerat
Yves Hervé Guillaume Valy
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Airbus Group SAS
Original Assignee
Airbus Group SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/001—Injecting additional fuel or reducing agents
    • C21B5/002—Heated electrically (plasma)

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for placing and removing a plasma torch on an installation operating under high pressure and temperature conditions.
  • Plasma torches of the non-transferred arc type, are used in a certain number of installations or apparatuses, the operation of which involves pressures and temperatures which prohibit any direct intervention for the removal of the torch or its setting up .
  • the placement or removal of the plasma torch requires a change in the operating regime of the installation or of the apparatus, in particular a momentary reduction in the pressure and possibly working temperature conditions which are detrimental. in every way.
  • blast furnaces As a typical example of an installation in which plasma torches are used, mention may be made of blast furnaces and it is in this application that the invention will be described.
  • Plasma torches are used on blast furnaces to overheat the hot wind from the cowper before it is injected into the device.
  • the injection of the hot wind is carried out by means of a conduit, or nozzle, to which is connected by one end an inclined cuff, for example as described in FR-A-2,566,802 of the applicant, and the nose of the torch is inserted into the opposite end of this cuff.
  • This cuff should be as short as possible to reduce heat loss.
  • the wind flow in the nozzle must be reduced to a sufficiently low pressure, of the order of about 400 mb or less and, due to the temperature and the slight flow of hot gas, the operation s 'performs under difficult conditions, and results in production losses proportional to the duration of the change of regime of the blast furnace.
  • a volume of the nozzle was isolated by means of two valves disposed respectively upstream and downstream of the cuff receiving the nose of the torch, thus making it possible to bring this volume to atmospheric pressure to perform the necessary operations.
  • a valve was inserted on a longer cuff, immediately downstream from the nose of the torch, thus making it possible to use a valve of smaller dimensions than the previous ones, but requiring to lengthen the cuff, which increases heat losses at the connection interface and changes the mixing conditions.
  • valve as well as the refractory of the cuff are partly exposed to the thermal flow of the plasma, thus requiring it to be cooled effectively by means of expensive devices.
  • a short cuff having just the length of the nose of the torch was produced and a valve was inserted in the middle of its length.
  • the valve operates in poor conditions with regard to the ⁇ P, which results in deformations that hinder its operation, and leaks.
  • this arrangement prevents the valve from being closed when the torch is in place and hot gas leaks when the torch is removed, before the valve closes.
  • the invention also relates to a device for implementing the method defined above, characterized in that it comprises, upstream of the valve, an expandable and retractable tubular member fixed in leaktight manner at one end, around the end of the cuff adapted to receive the nose of the torch and by its other end around this nose, means for balancing the pressure in said member with that prevailing downstream of the valve, and means for cooling said tubular member.
  • said annular member is fixed around the nose of the torch in a removable manner, additional sealing means being provided on said member and on the torch as well as means for mutual locking of said member on the torch.
  • said means for balancing the pressure in said member with that downstream of the valve comprises a conduit connecting the interior of said member to a source of compressed air by means of a pressure reducer- pilot connected to the downstream side of the valve by a tap.
  • Figure 1 is a schematic sectional view showing a known arrangement of a plasma torch on a cuff secured to a nozzle for injecting hot wind into a blast furnace.
  • Figure 2 is a view similar to that of Figure 1, showing the device according to the invention.
  • Figures 3 and 4 are schematic sectional views showing the operation of the device of Figure 1.
  • Figure 5 is a view of a variant.
  • Figure 6 is a view of another variant.
  • Figure 1 a diagram of a known arrangement in which the reference 1 designates a hot wind injection nozzle in a blast furnace, comprising a wind inlet 2 and an inclined sleeve 3 for the connection of a plasma torch 4, of the non-transferred arc type, this sleeve being provided with a shut-off valve 5 situated approximately in the middle of its length.
  • valve operates in poor ⁇ P conditions, which have caused deformations of the valve shutter, resulting in difficulties in operating the valve, leaks and leaks.
  • FIG. 2 shows the device according to the invention for implementing the method defined above.
  • This device can be adapted to the arrangement of FIG. 1, practically without modification.
  • This tubular member 6 may consist for example of metallic annular elements mounted to slide one inside the other in a telescopic and sealed manner, as known per se.
  • the tubular member 6 is provided with a sealing collar 8 having in section a suitable shape for fitting tightly around a complementary sealing part 9 of the end of the torch 4 .
  • At least one guide rod 10 is provided fixed parallel to the axis of the cuff 3 and on which the flange 8 of the tubular member 6 can slide, as well as a flange 11 of the torch, set back from his nose 12.
  • the device also comprises at least one locking member 13 articulated on the edge of the flange 8 so as to be able to come into engagement with the flange 11 of the torch in order to maintain the latter in sealed contact with the flange; at least one other similar locking member 14 is articulated on the cuff 3 and adapted to cooperate outside the tubular member with the flange 11 of the torch, in order to retain the latter in the operating position, as is will describe below.
  • conduit 15 connecting the interior of the tubular member 6 to the atmosphere via a tap 17, and another conduit 18 connecting the interior of the member 6 to a source of compressed air S by means of a tap 19 and of a pilot regulator 20 which is itself connected to the interior of the nozzle 1 by a duct 21 and a tap 22.
  • FIG. 2 shows the torch 4 in the non-use position, in which the valve 5 is closed and the torch remote from the flange 8.
  • valves 17, 19 and 22 are closed and the torch is made to slide on the guide 10 to bring the part 9 in tight contact with the flange 8 of the tubular member 6 and locks them together by means of the locking member 13, as shown in FIG. 3.
  • the tubular member 6 delimits between the nose of the torch and the cuff 3 a sealed enclosure or airlock 16 of variable volume, closed at one of its ends by the nose of the torch 4 and at its opposite end by valve 5, closed.
  • valves 19 and 22 are then opened in order to bring the airlock 16 to a pressure equal to that of the nozzle, or of the cuff downstream of the valve 5, by means of the pilot holder 20.
  • the valve When the pressures are equalized, the valve is opened and the torch is advanced, thereby reducing at the same time the volume of the airlock 16, which is retracted, by simultaneously using the plasma gas from torch 4, without striking the arc electric and thus brings its nose to a station in contact with the periphery of the opening of the cuff 3.
  • the torch is then locked in position by means of the locking member 14 on the flange 11, and the valve 17 is opened on the atmosphere so as to cool the interior of the airlock with air from the source S under a pressure controlled by the regulator-pilot 20 and approximately equal to that prevailing downstream of the valve 5.
  • tubular member 6 is made of metal, for example stainless steel, in several elements sliding one inside the other as known per se.
  • the annular member 23 is made of rubber, or other reinforced elastomer, for example a bellows brand "VIBROFIX” marketed by the company SNRI, all the other elements are similar to those of the first mode of achievement.
  • the annular member 24 is mounted on a cuff 25 located behind the inlet 26 of hot wind and in the axis of the nozzle 27.
  • the entire device is also identical in all respects to the previous example, either with a telescopic metal airlock or with an elastomer bellows.
  • conduit 28 connecting the regulator 20 to the nozzle opens into the latter further downstream of the inlet 26 of hot wind ( Figure 6).

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la mise à poste et le retrait d'une torche à plasma sur une installation fonctionnant dans des conditions de pression et de température élevées.
  • Des torches à plasma, du type à arc non transféré, sont utilisées dans un certain nombre d'installations, ou appareils, dont le fonctionnement implique des pressions et des températures qui interdisent toute intervention directe pour le retrait de la torche ou sa mise à poste.
  • Dans ces conditions, la mise à poste ou le retrait de la torche à plasma nécessite un changement du régime de fonctionnement de l'installation ou de l'appareil, notamment une diminution momentanée des conditions de pression et éventuellement de température de travail qui sont préjudiciables à tous points de vues.
  • Le développement industriel de la technique des torches à plasma étant, d'une façon générale, relativement récent, il n'existe actuellement que peu de dispositifs pour la mise en oeuvre de ces torches sur des appareils industriels.
  • A titre d'exemple caractéristique d'une installation dans laquelle on utilise des torches à plasma on peut citer les hauts fourneaux et c'est dans cette application que l'invention sera décrite.
  • Les torches à plasma sont utilisées sur les hauts fourneaux pour surchauffer le vent chaud provenant des cowper, avant son injection dans l'appareil.
  • L'injection du vent chaud est effectuée par l'intermédiaire d'un conduit, ou busillon, auquel est raccordée par une extrémité une manchette inclinée, par exemple comme décrit dans FR-A-2.566.802 de la demanderesse, et le nez de la torche est introduit dans l'extrémité opposée de cette manchette.
  • Cette manchette doit être la plus courte possible afin de réduire les pertes thermiques.
  • Pour effectuer la mise à poste et le retrait de la torche, le débit de vent dans le busillon doit être réduit jusqu'à une pression suffisamment faible, de l'ordre d'environ 400 mb ou moins et, du fait de la température et du léger débit de gaz chaud l'opération s'effectue dans les conditions difficiles, et entraîne des pertes de production proportionnelles à la durée du changement de régime du haut fourneau.
  • Différentes solutions ont été envisagées pour résoudre ce problème en utilisant une ou plusieurs vannes pour isoler le nez de la torche par rapport au busillon.
  • Dans une première solution on a isolé un volume du busillon au moyen de deux vannes disposées respectivement en amont et en aval de la manchette recevant le nez de la torche, permettant ainsi de mettre ce volume à la pression atmosphérique pour effectuer les opérations nécessaires.
  • Cet agencement permet de manoeuvrer les vannes dans des conditions de Δ P acceptables, il présente cependant un inconvénient important du fait qu'il nécessite une modification majeure des conduits du hauteur fourneau, dont le diamètre important impose l'emploi de vannes de grandes dimensions entraînant des frais élevés.
  • Suivant une autre solution, on a intercalé une vanne sur une manchette plus longue, immédiatement en aval du nez de la torche, permettant ainsi d'utiliser une vanne de dimensions plus réduites que les précédentes, mais obligeant à rallonger la manchette, ce qui augmente les pertes thermiques à l'interface de raccordement et modifie les conditions de mélange.
  • D'autre part dans cette position, la vanne ainsi que le réfractaire de la manchette sont en partie exposés au flux thermique du plasma, nécessitant ainsi de la refroidir efficacement au moyen de dispositifs coûteux.
  • Dans un troisième agencement on a réalisé une manchette courte ayant juste la longueur du nez de la torche et on a intercalé une vanne au milieu de sa longueur.
  • On a ainsi éliminé les pertes thermiques et soustrait la vanne aux effets nuisibles du jet de plasma.
  • Par contre la vanne fonctionne dans de mauvaises conditions en ce qui concerne le Δ P, d'où résultent des déformations qui entravent sa manoeuvre, et des fuites.
  • Enfin, cet agencement empêche de fermer la vanne lorsque la torche est en place et il se produit des fuites de gaz chaud lors du retrait de la torche, avant la fermeture de la vanne.
  • L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients des agencements connus en fournissant un procédé et un dispositif peu coûteux pour la mise à poste et le retrait d'une torche à plasma à arc non transféré sur une manchette comportant une vanne et communiquant avec un busillon d'une installation, ou d'un appareil fonctionnant dans des conditions de pression et de température élevées :
    • qui ne nécessite pas de modifier le régime de fonctionnement de l'appareil,
    • qui soit fiable et commode et puisse être adapté sur un appareil existant comportant une manchette courte, sans modification de l'appareil.
  • Pour atteindre ces buts l'invention a pour objet un procédé pour la mise à poste d'une torche à plasma à arc non transféré sur une extrémité d'une manchette comportant une vanne et communiquant avec un busillon d'un appareil fonctionnant dans des conditions de température et de pression élevées, caractérisé en ce que pour effectuer la mise à poste :
    • a) on matérialise un volume fermé, modifiable, en amont de la vanne entre celle-ci et l'extrémité de la torche,
    • b) on équilibre la pression dans ledit volume avec celle règnant en aval de la vanne,
    • c) on ouvre la vanne,
    • d) on réduit ledit volume en faisant avancer le nez de la torche à poste à travers ladite vanne.
  • L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend en amont de la vanne un organe tubulaire extensible et rétractable fixé de façon étanche par une extrémité, autour de l'extrémité de la manchette adaptée pour recevoir le nez de la torche et par son autre extrémité autour de ce nez, des moyens pour équilibrer la pression dans ledit organe avec celle règnant en aval de la vanne, et des moyens pour refroidir ledit organe tubulaire.
  • D'une façon avantageuse ledit organe annulaire est fixé autour du nez de la torche de façon amovible, des moyens d'étanchéité complémentaires étant prévus sur ledit organe et sur la torche ainsi que des moyens de verrouillage mutuel dudit organe sur la torche.
  • Suivant une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens pour équilibrer la pression dans ledit organe avec celle en aval de la vanne comprennent un conduit reliant l'intérieur dudit organe a une source d'air comprimé par l'intermédiaire d'un détendeur-pilote relié au côté aval de la vanne par un robinet.
  • La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique.
  • La figure 1 est une vue schématique en coupe montrant un agencement connu d'une torche à plasma sur une manchette solidaire d'un busillon d'injection de vent chaud dans un haut fourneau.
  • La figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1, montrant le dispositif suivant l'invention.
  • Les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en coupe montrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1.
  • La figure 5 est une vue d'une variante.
  • La figure 6 est une vue d'une autre variante.
  • On a représenté à la figure 1 un schéma d'un agencement connu dans lequel la référence 1 désigne un busillon d'injection de vent chaud dans un haut fourneau, comportant une entrée 2 de vent et une manchette inclinée 3 pour le raccordement d'une torche à plasma 4, du type à arc non transféré, cette manchette étant pourvue d'une vanne d'obturation 5 située à peu près au milieu de sa longueur.
  • Avec cet agencement la vanne fonctionne dans de mauvaises conditions de Δ P, qui ont provoqué des déformations de l'obturateur de la vanne, ayant pour résultat des difficultés de manoeuvre de celle-ci des défauts d'étanchéité et des fuites.
  • En outre, dans l'intervalle compris entre le début du recul de la torche 4 et la fermeture de la vanne 5 il se produit une fuite de gaz chaud à l'arrière de la manchette, qui rend les opérations difficiles. En effet les positions relatives des éléments en présence interdisent d'avoir simultanément la torche 4 en place et la vanne 5 fermée. Ce dispositif n'est donc pas satisfaisant.
  • On a représenté à la figure 2 le dispositif suivant l'invention pour la mise en oeuvre du procédé défini plus haut.
  • Ce dispositif peut être adapté sur l'agencement de la figure 1, pratiquement sans modification.
  • Il comprend un organe tubulaire extensible et rétractable 6 fixé de façon étanche par une extrémité, par exemple au moyen de vis (non représentées) autour de l'ouverture 7 de la manchette 3.
  • Cet organe tubulaire 6 peut être constitué par exemple d'éléments annulaires métalliques montés coulissants les uns dans les autres de manière télescopique et étanche, comme connu en soi.
  • A son extrémité opposée l'organe tubulaire 6 est pourvu d'une collerette d'étanchéité 8 ayant en section une forme appropriée pour s'ajuster de façon étanche autour d'une partie d'étanchéité complémentaire 9 de l'extrémité de la torche 4.
  • D'une façon avantageuse, il est prévu au moins une tige 10 de guidage fixée parallèlement à l'axe de la manchette 3 et sur laquelle peut coulisser la collerette 8 de l'organe tubulaire 6 ainsi qu'une bride 11 de la torche, en retrait de son nez 12.
  • Le dispositif comprend également au moins un organe de verrouillage 13 articulé sur le bord de la collerette 8 de manière à pouvoir venir en prise avec la bride 11 de la torche afin de maintenir celle-ci en contact étanche avec la collerette; au moins un autre organe de verrouillage analogue 14 est articulé sur la manchette 3 et adapté pour coopérer à l'extérieur de l'organe tubulaire avec la bride 11 de la torche, afin de retenir celle-ci en position de fonctionnement, comme on le décrira dans la suite.
  • Il est enfin prévu d'une part un conduit 15 reliant l'intérieur de l'organe tubulaire 6 à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un robinet 17, et un autre conduit 18 reliant l'intérieur de l'organe 6 à une source d'air comprimé S par l'intermédiaire d'un robinet 19 et d'un détendeur-pilote 20 relié lui-même à l'intérieur du busillon 1 par un conduit 21 et un robinet 22.
  • La figure 2 montre la torche 4 en position de non utilisation, dans laquelle la vanne 5 est fermée et la torche éloignée de la collerette 8.
  • Pour mettre la torche 4 à poste sur la manchette, on ferme les robinets 17, 19 et 22 et on fait coulisser la torche sur le guide 10 pour amener la partie 9 en contact étanche avec la collerette 8 de l'organe tubulaire 6 et on les verrouille ensemble au moyen de l'organe de verrouillage 13, comme représenté à la figure 3.
  • Dans cette position, l'organe tubulaire 6 délimite entre le nez de la torche et la manchette 3 une enceinte ou sas étanche 16 de volume variable, fermé à l'une de ses extrémités par le nez de la torche 4 et à son extrémité opposée par la vanne 5, fermée.
  • On ouvre alors les robinets 19 et 22 afin d'amener le sas 16 à une pression égale à celle du busillon, ou de la manchette en aval de la vanne 5, au moyen du détenteur-pilote 20.
  • Lorsque les pressions sont égalisées, on ouvre la vanne et on fait avancer la torche en réduisant ainsi en même temps le volume du sas 16, qui est rétracté, en mettant en oeuvre simultanément le gaz plasmagène de la torche 4, sans amorcer l'arc électrique et on amène ainsi son nez à poste en contact avec la périphérie de l'ouverture de la manchette 3.
  • On verrouille alors la torche en position au moyen de l'organe de verrouillage 14 sur la bride 11, et on ouvre le robinet 17 sur l'atmosphère de manière à refroidir l'intérieur du sas avec de l'air provenant de la source S sous une pression commandée par le détendeur-pilote 20 et à peu près égale à celle règnant en aval de la vanne 5.
  • On comprend bien entendu que le processus de retrait de la torche s'effectue exactement dans l'ordre inverse.
  • Dans ce mode de réalisation l'organe tubulaire 6 est réalisé en métal, par exemple en acier inoxydable, en plusieurs éléments coulissant les uns dans les autres comme connu en soi.
  • Dans la variante représentée à la figure 5, l'organe annulaire 23 est réalisé en caoutchouc, ou autre élastomère renforcé, par exemple un soufflet de marque "VIBROFIX" commercialisé par la Société SNRI, tous les autres éléments sont anologues à ceux du premier mode de réalisation.
  • Suivant encore une autre variante représentée à la figure 6, l'organe annulaire 24 est monté sur une manchette 25 située en arrière de l'entrée 26 de vent chaud et dans l'axe du busillon 27. L'ensemble du dispositif est par ailleurs en tous points identique à l'exemple précédent, soit avec un sas télescopique en métal, soit avec un soufflet en élastomère.
  • Dans cette variante, cependant, le conduit 28 reliant le détendeur 20 au busillon débouche dans celui-ci plus loin en aval de l'entrée 26 de vent chaud (figure 6).
  • Il apparaîtra évident pour les techniciens que bien que l'invention soit particulièrement applicable sur des appareils pourvus d'une manchette courte, elle peut également être appliquée dans le cas d'une manchette longue.

Claims (8)

  1. Procédé pour la mise à poste d'une torche à plasma à arc non transféré sur une extrémité d'une manchette comportant une vanne et communiquant avec un busillon d'un appareil fonctionnant dans des conditions de température et de pression élevées, et son retrait, caractérisé en ce que pour effectuer la mise à poste :
    a) on matérialise un volume fermé modifiable, en amont de la vanne entre celle-ci et l'extrémité de la torche,
    b) on équilibre la pression dans ledit volume avec celle règnant en aval de la vanne,
    c) on ouvre la vanne,
    d) on réduit ledit volume en faisant avancer le nez de la torche à poste à travers ladite vanne, et en ce que pour effectuer le retrait de la torche :
    e) on augmente ledit volume en faisant reculer le nez de la torche,
    f) on ferme la vanne,
    g) on ramène ledit volume à la pression atmosphérique, inférieure à celle règnant en aval de la vanne,
    h) on ouvre ledit volume.
  2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en amont de la vanne (5) un organe tubulaire extensible et rétractable (6) fixé de façon étanche par une extrémité autour de l'extrémité (7) de la manchette (3) adaptée pour recevoir le nez (12) de la torche (4) et par son autre extrémité autour de ce nez, des moyens (19, 20, 22, S) pour équilibrer la pression dans ledit organe (6) avec celle règnant en aval de la vanne (5), et des moyens (17, 19, 20, 22, S) pour refroidir ledit organe tubulaire (6).
  3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe tubulaire (6) est fixé autour du nez de la torche (4) de façon amovible, des moyens d'étanchéité complémentaires (8, 11) étant prévus sur ledit organe (6) et sur la torche (4) ainsi que des moyens (13) de verrouillage mutuel dudit organe sur la torche.
  4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour équilibrer la pression dans ledit organe (6) avec celle en aval de la vanne (5) comprennent un conduit (18) reliant l'intérieur dudit organe (6) à une source d'air comprimé (S) par l'intermédiaire d'un détendeur-pilote (20) relié au côté aval de la vanne (5) par un robinet (22).
  5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité (7) à l'extrémité de la manchette (3) s'étend en saillie à l'intérieur dudit organe tubulaire (6).
  6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit organe tubulaire (6, 24) est formé d'éléments métalliques coulissant télescopiquement les uns dans les autres.
  7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit organe annulaire (23) est un soufflet réalisé en un élastomère renforcé.
  8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monté sur une manchette (25) alignée axialement sur le busillon (27).
EP89402600A 1988-10-03 1989-09-22 Procédé et dispositif pour la mise à poste et le retrait d'une torche à plasma sur un appareil fonctionnant dans des conditions de pression et de température interdisant une intervention directe Expired - Lifetime EP0363246B1 (fr)

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FR8812899A FR2637443B1 (fr) 1988-10-03 1988-10-03 Procede et dispositif pour la mise a poste et le retrait d'une torche a plasma sur un appareil fonctionnant dans des conditions de pression et de temperature interdisant une intervention directe

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EP0363246A1 EP0363246A1 (fr) 1990-04-11
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US (1) US4997475A (fr)
EP (1) EP0363246B1 (fr)
JP (1) JPH0665195B2 (fr)
CA (1) CA1310075C (fr)
DE (1) DE68906347T2 (fr)
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FR (1) FR2637443B1 (fr)

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