FR2591842A1 - Plasma light arc burner - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE POUR PRODUIRE UN ARC DE PLASMA ET CHALUMEAU A ARC DE PLASMA
POUR SA MISE EN OEUVRE
La présente invention concerne un procédé pour produire un arc de plasma, dans lequel un jet de gaz est au moins partiellement ionisé, par l'effet d'une première source de tension et dans lequel un arc est amorcé dans le jet de gaz au moins partiellement ionisé par l'effet d'une seconde source de tension. L'invention concerne, en outre, un chalumeau à arc de plasma pour la mise en oeuvre de ce procédé.PROCESS FOR PRODUCING A PLASMA ARC AND PLASMA ARC TORCH
FOR ITS IMPLEMENTATION
The present invention relates to a method for producing a plasma arc, in which a gas jet is at least partially ionized, by the effect of a first voltage source and in which an arc is struck in the gas jet at least. partially ionized by the effect of a second voltage source. The invention further relates to a plasma arc torch for carrying out this method.
Le terme de "plasma" désigne, dans le présent mémoire, un gaz ionisé qui a été ionisé par échauffement, qui est composé de molécules, d'atomes d'ions et d'électrons et qui, globalement, est électriquement neutre. The term "plasma" denotes, in the present specification, an ionized gas which has been ionized by heating, which is composed of molecules, atoms of ions and electrons and which, overall, is electrically neutral.
L'augmentation de la température du gaz est obtenue, notamment, par le passage d'un courant, ce courant étant conduit par le gaz lui-même, c'està-dire que l'augmentation de température résulte d'une décharge électrique du gaz, sous la forme d'un arc électrique. Un chalumeau à arc de plasma comporte, comme composants essentiels; une tuyère de laquelle sort un jet de gaz, ainsi qu'une électrode disposée à l'intérieur de la tuyère et s'étendant jusqu'a proximité de l'orifice de celle-ci. On utilise un gaz inerte, notamment de l'argon, étant donné que celui-ci est peu coûteux et présente une faible tension d'ionisation, ou bien on utilise de l'hélium ou du néon. On peut également employer, en tant que gaz de plasma, des gaz bi-atomiques tels que N2 ou H2 ou des mélanges renfermant les gaz précités ou de l'air.The increase in the temperature of the gas is obtained, in particular, by the passage of a current, this current being conducted by the gas itself, that is to say that the increase in temperature results from an electric discharge from the gas, in the form of an electric arc. A plasma arc torch has, as essential components; a nozzle from which a gas jet emerges, as well as an electrode arranged inside the nozzle and extending to near the orifice thereof. An inert gas, in particular argon, is used since it is inexpensive and has a low ionization voltage, or else helium or neon is used. It is also possible to use, as plasma gas, bi-atomic gases such as N2 or H2 or mixtures containing the abovementioned gases or air.
Une première source de tension est branchée entre l'électrode et la tuyère et produit dans la zone de l'orifice de la tuyère un arc auxiliaire entre la paroi de la tuyère et l'électrode, cet arc auxiliaire étant maintenu, selon les besoins particuliers, seulement pour amorcer l'arc principal ou bien pendant toute la durée de l'opération considérée. L'arc auxiliaire est appelé a ioniser au moins partiellement le jet de gaz sortant de la tuyère. A first voltage source is connected between the electrode and the nozzle and produces in the region of the orifice of the nozzle an auxiliary arc between the wall of the nozzle and the electrode, this auxiliary arc being maintained, according to the particular needs. , only to strike the main arc or for the duration of the operation in question. The auxiliary arc is called upon to at least partially ionize the gas jet leaving the nozzle.
Une seconde source de tension est branchée entre l'électrode et la pièce que l'on désire chauffer a l'aide de l'arc de plasma, cette seconde source produisant un arc (arc principal) entre le chalumeau et la pièce. A second voltage source is connected between the electrode and the part that is to be heated using the plasma arc, this second source producing an arc (main arc) between the torch and the part.
Le gaz ionisé sortant de la tuyère du chalumeau se trouve dans un état d'instabilité, c'est- -dire qu'il tend à opérer une recombinaison. De ce fait, le nombre de porteurs de charge libres diminue et l'amorçage de l'arc principal ainsi que son comportement, une fois amorcé, sont incertains (aléatoires). La recombinaison est d'autant plus prononcée que la température du gaz est basse et que le nombre d'atomes non chargés (impure-tés, telles que vapeur d'eau, par exemple) présents dans le jet de gaz est élevé. Plus la distance entre l'électrode et la pièce qu'on désire traiter est grande, et plus la vitesse d'écoulement du jet de gaz a la sortie de la tuyère doit être grande afin de conférer à l'arc la stabilité direction-nelle requise.Or, une augmentation de la vitesse d'écoulement du gaz entrain une augmentation de la quantité de chaleur évacuée de l'arc et, de plus, en raison des phénomènes de turbulence qui se produisent alors, une augmentation considdrable du nombre d'atomes étrangers présents dans la plasma. Pour ces raisons, l'on ne peut maintenir de manière fiable un arc de plasma entre l'électrode et la pièce que lorsque la distance entre cette électrode et cette pièce est relativement faible, tandis que, pour des distances relativement grandes,l'arc s'amorce difficilement et "brûle" d'une manière incertaine. The ionized gas leaving the nozzle of the torch is in a state of instability, that is to say that it tends to operate a recombination. As a result, the number of free charge carriers decreases and the ignition of the main arc and its behavior, once started, are uncertain (random). The recombination is all the more pronounced when the temperature of the gas is low and the number of uncharged atoms (impurities, such as water vapor, for example) present in the gas jet. The greater the distance between the electrode and the part to be treated, the greater the speed of flow of the gas jet at the outlet of the nozzle must be large in order to give the arc directional stability. However, an increase in the gas flow speed leads to an increase in the quantity of heat evacuated from the arc and, moreover, due to the turbulence phenomena which then occur, a considerable increase in the number of foreign atoms present in the plasma. For these reasons, it is only possible to reliably maintain a plasma arc between the electrode and the part when the distance between this electrode and this part is relatively small, while, for relatively large distances, the arc hardly starts and "burns" in an uncertain way.
La présente invention a donc pour but de créer un procédé du genre indiqué ci-dessus, dans lequel un arc de plasma puisse être amorcé de manière sûre et être maintenu sur des distances relativement grandes. The object of the present invention is therefore to create a method of the type indicated above, in which a plasma arc can be safely struck and be maintained over relatively large distances.
Ce but est atteint, selon l'invention, en ce que des impulsions de tension sont superposées a la seconde tension -d'arc. This object is achieved, according to the invention, in that voltage pulses are superimposed on the second arc voltage.
Les impulsions de tension provoquent une augmentation brusque du degré d'ionisation du jet de gaz et favorisent, de ce fait, l'amorçage ainsi que le maintien de l'arc de plasma. The voltage pulses cause a sudden increase in the degree of ionization of the gas jet and therefore promote the ignition as well as the maintenance of the plasma arc.
Dans un mode de mise en oeuvre préfrré du procédé selon l'invention, les impulsions de tension présentent des flancs montants a pente raide qui se situent dans la plage des hautes fréquences. In a preferred implementation of the method according to the invention, the voltage pulses have rising edges with a steep slope which lie in the high frequency range.
Le terme de "haute fréquence se rapporte a la raideur de pente (inclinaison) des flancs d'impulsion et non pas aux intervalles des temps séparant les impulsions successives, c'est-à-dire qu'un degré de raideur de pente élevé des flancs des impulsions indique qu'on est en présence d'une onde a haute fréquence. On considère comme haute fréquence, ici, des fréquences comprises dans une gamme allant des kilohertz aux mégahertz. De préférence, la raideur de la pente des flancs est aussi importante que possible, tout en étant limitée cependant, dans la pratique, par les valeurs d'inductivite prévalant dans le générateur d'impulsion de tension. The term "high frequency" refers to the steepness of slope (inclination) of the pulse edges and not to the time intervals between the successive pulses, that is to say that a high degree of slope stiffness flanks of the pulses indicates that we are in the presence of a wave at high frequency. We consider as high frequency, here, frequencies included in a range going from kilohertz to megahertz. Preferably, the steepness of the slope of the flanks is also as large as possible, while being limited, however, in practice, by the inductivity values prevailing in the voltage pulse generator.
Dans une variante préférée du procédé selon la présente invention, les impulsions de tension sont produites de manière intermittente. In a preferred variant of the method according to the present invention, the voltage pulses are produced intermittently.
On produit, par exemple, une série d'impulsion régulièrement espacées dans le temps, cependant que l'intervalle de temps entre deux impulsions successives d'une même série est plus bref que l'intervalle de temps entre deux séries d'impulsions. We produce, for example, a series of pulses regularly spaced in time, while the time interval between two successive pulses of the same series is shorter than the time interval between two series of pulses.
Dans un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la tension desdites impulsions de tension est comprise entre 2 kV et 60 kV. In another embodiment of the method according to the invention, the voltage of said voltage pulses is between 2 kV and 60 kV.
Elle est comprise, de préférence, entre 10 kV et 30 kV.It is preferably between 10 kV and 30 kV.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé conforme à l'invention, la seconde source de tension produit une tension alternative et les impulsions de tension ne sont superposées que lors de l'apparition des crêtes de tension négatives et/ou positives, ou bien juste avant l'apparition de ces crêtes. According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the second voltage source produces an alternating voltage and the voltage pulses are not superimposed until the appearance of negative and / or positive voltage peaks, or well before the appearance of these ridges.
Lors de l'utilisation d'une tension alternative, la direction du courant dans l'arc change sans cesse. Les impulsions de tension superposées se produisent, soit seulement lors de la présence d'une demi-onde positive, soit seulement lors de la présence d'une demi-onde négative de la seconde source de tension, soit encore lors de l'apparition des deux demi-ondes. When using an AC voltage, the direction of the current in the arc changes constantly. The superimposed voltage pulses occur either only when there is a positive half-wave, or only when there is a negative half-wave from the second voltage source, or even when the two half-waves.
Dans le cas d'une tension triphasée, on peut prévoir la superposition des impulsions sur une seule phase seulement, sur deux phases ou encore sur les trois phases, cette superposition ayant lieu, ici aussi, lors de l'apparition de la demi-onde positive et/ou lors de l'apparition de la demi-onde négative.In the case of a three-phase voltage, it is possible to provide for the superposition of the pulses on a single phase only, on two phases or even on the three phases, this superposition taking place, here too, during the appearance of the half-wave. positive and / or when the negative half-wave appears.
Selon un autre mode de mise en oeuvre préféré du procédé conforme à la présente invention, les impulsions de tension présentent une polarité directe et/ou inversée. Cela signifie que l'on superpose seulement des impulsions négatives ou positives, ou bien alternativement des impulsions négatives et positives. De préférence, en présence d'une tension alternative, on superpose, a la seconde source de tension, des impulsions de tension positives pendant l'apparition d'une demi-onde positive, et des impulsions de tension négatives pendant l'apparition d'une demi-onde négative. According to another preferred embodiment of the method according to the present invention, the voltage pulses have a direct and / or reverse polarity. This means that we only superimpose negative or positive impulses, or alternatively negative and positive impulses. Preferably, in the presence of an alternating voltage, superimposed on the second voltage source, positive voltage pulses during the appearance of a positive half-wave, and negative voltage pulses during the appearance of half a negative wave.
Dans un mode de mise en oeuvre préféré du procédé selon l'invention, on superpose, à la seconde source de tension, 1 à 10 impulsions de tension pour chaque demi-onde. In a preferred embodiment of the method according to the invention, 1 to 10 voltage pulses are superimposed on the second voltage source for each half-wave.
Dans un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on superpose à l'arc de la première source de tension des impulsions de tension produites par une source supplémentaire de tension de haute fré- quence. In another embodiment of the method according to the invention, the voltage pulses produced by an additional high frequency voltage source are superimposed on the arc of the first voltage source.
Un chalumeau à arc de plasma pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend au moins une tuyère pour débiter un gaz, qui renferme une électrode, une première source de tension reliée à la tuyère et à l'électrode ainsi qu'une seconde source de tension reliée à ladite électrode, ce chalumeau étant caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, au moins un générateur d'impulsions de tension relié, d'une part, à ladite électrode et, d'autre part, à la masse ou à une seconde électrode. A plasma arc torch for implementing the method according to the invention comprises at least one nozzle for delivering a gas, which contains an electrode, a first voltage source connected to the nozzle and to the electrode as well as a second voltage source connected to said electrode, this torch being characterized in that it further comprises at least one voltage pulse generator connected, on the one hand, to said electrode and, on the other hand, to ground or to a second electrode.
La seconde source de tension est reliée, d'une part, à l'électrode d'une tuyère de chalumeau et, d'autre part, soit à la pièce à chauffer, soit à une seconde électrode; dans le premier cas, l'arc se forme entre l'électrode et la pièce tandis que, dans le deuxième cas, il se forme entre la première électrode et la pièce et entre celle-ci et la seconde électrode. The second voltage source is connected, on the one hand, to the electrode of a torch nozzle and, on the other hand, either to the part to be heated, or to a second electrode; in the first case, the arc is formed between the electrode and the part while, in the second case, it is formed between the first electrode and the part and between the latter and the second electrode.
Lorsque le chalumeau a arc de plasma comporte une pluralité de systèmes de tuyères individuels, un générateur d'impulsions de tension est prévu entre la masse et une électrode, ou bien une pluralité de générateurs d'impulsions de tension sont prévus entre la masse et chacune des électrodes intéressées, ou encore un générateur d'impulsions de tension est disposé (branche) entre deux électrodes (ou, dans le cas où il existe plus de deux électrodes, une pluralité de générateurs d'impulsions de tension sont prévus, chacun de ces générateurs étant branché entre les deux électrodes d'une paire respective).When the plasma arc torch has a plurality of individual nozzle systems, a voltage pulse generator is provided between ground and an electrode, or a plurality of voltage pulse generators are provided between ground and each interested electrodes, or else a voltage pulse generator is arranged (branch) between two electrodes (or, in the case where there are more than two electrodes, a plurality of voltage pulse generators are provided, each of these generators being connected between the two electrodes of a respective pair).
Dans un mode de rcalisation préféré du chalumeau à arc de plasma selon l'invention, l'électrode (les électrodes) est (sont) disposée(s) dans un creuset pourvu, sur sa face intérieure, d'une voie conductrice s'étendant jusque dans le bain en fusion, et reliée à la masse. In a preferred embodiment of the plasma arc torch according to the invention, the electrode (s) is (are) placed in a crucible provided, on its inner face, with a conductive path extending down to the molten bath, and connected to ground.
Le creuset présente une surface extérieure métallique et une surface intérieure en un matériau mauvais conducteur de l'électricité (tel que le céramique, par exemple). La surface intérieure du creuset comporte une voie conductrice définie, par exemple, par une couche en forme de bande, qui est constituée par une suspension de graphite et de masse réfractaire, ou par exemple une couche métallique obtenue par atomisation (pulvérisation) autogène.La voie conductrice est reliée a la surface extérieure conductrice du creuset et elle est appelée à assurer que les impulsions de tension passant de la pointe de l'électrode vers le point terminal inférieur de l'arc dans le bain de fusion soient reconduites par la voie conductrice à partir du bain de fusion vers la paroi extérieure du creuset et, de là, au générateur d'impulsions de tension, lorsque le deuxième pôle du générateur d'impulsions de tension est relié a la paroi extérieure. The crucible has a metallic outer surface and an inner surface made of a material that is poorly conductive of electricity (such as ceramic, for example). The interior surface of the crucible has a conductive path defined, for example, by a strip-shaped layer, which is constituted by a suspension of graphite and of refractory mass, or for example a metallic layer obtained by autogenous atomization (spraying). the conductive path is connected to the conductive external surface of the crucible and is called upon to ensure that the voltage pulses passing from the tip of the electrode to the lower end point of the arc in the molten bath are carried over by the conductive path from the molten bath to the external wall of the crucible and, from there, to the voltage pulse generator, when the second pole of the voltage pulse generator is connected to the external wall.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, une self de blocage a haute fréquence est interposée entre la connexion d'électrode du générateur d'impulsions de tension et la seconde source de tension. In a preferred embodiment of the invention, a high frequency blocking inductor is interposed between the electrode connection of the voltage pulse generator and the second voltage source.
Cette self de blocage empêche le passage d'impulsions de tension provenant du générateur d'impulsions de tension vers la seconde source de tension, de sorte que les impulsions parviennent à l'arc principal. This blocking inductor prevents the passage of voltage pulses from the voltage pulse generator to the second voltage source, so that the pulses reach the main arc.
Dans une variante préférée de la présente invention, un tube fluorescent est interposé sur le conducteur d'amenée ou de sortie du générateur d'impulsions de tension. Ce tube fluorescent s'allume dès que le générateur d'impulsions de tension commence a fonctionner et sert, de ce fait, à en contrôler le fonctionnement. In a preferred variant of the present invention, a fluorescent tube is interposed on the supply or output conductor of the voltage pulse generator. This fluorescent tube lights up as soon as the voltage pulse generator starts to operate and is therefore used to check its operation.
Dans une autre variante préférée du chalumeau à arc de plasma selon la présente invention, le gnérateur d'impulsions de tension comporte une pluralité de condensateurs branchés en serine, cette série de condensateurs étant court-circuitée par un éclateur. In another preferred variant of the plasma arc torch according to the present invention, the voltage pulse generator comprises a plurality of capacitors connected in serine, this series of capacitors being short-circuited by a spark gap.
Afin d'établir la tension requise, on prévoit, de préférence, trois condensateurs branchés en série. En vue de l'obtention d'une impulsion a flanc très raide, les condensateurs sont déchargés par l'intermédiaire dgun éclateur qui n'est déclenché que lorsqu'une certaine tension-limite prédéter- minée est atteinte.Le courant ainsi produit est conduit, de préférences a travers l'enroulement primaire d'un transformateur d'impulsions qui permet de multiplier la tension de sortie du générateur d'impulsions de tension
L'invention sera décrite ci-dessous de manière plus détaillée, notamment en référence aux figures annexées qui représentent, à titre d'illustration, mais non de limitation, plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquelles
- la figure 1 est un schéma de principe il lustrant le procédé selon la
présente invention;
- la figure 2 montre un chalumeau 8 arc de plasma comportant trois
électrodes disposées pour être alimentatées en courant
triphasé;;
- la figure 3 est un schila de principe d'un générateur d'impulsions
de tension selon la présente invention;
- la figure 4 est un graphique reprsentant des phases de tension.In order to establish the required voltage, provision is preferably made for three capacitors connected in series. In order to obtain a very steep flank pulse, the capacitors are discharged via a spark gap which is only triggered when a certain predetermined limit voltage is reached. The current thus produced is conducted , preferably through the primary winding of a pulse transformer which allows to multiply the output voltage of the voltage pulse generator
The invention will be described below in more detail, in particular with reference to the appended figures which illustrate, by way of illustration, but not limitation, several embodiments of the invention and in which
- Figure 1 is a block diagram illustrating the process according to
present invention;
- Figure 2 shows a plasma arc torch 8 comprising three
electrodes arranged to be supplied with current
three-phase;
- Figure 3 is a block diagram of a pulse generator
tension according to the present invention;
- Figure 4 is a graph representing voltage phases.
Le procédé illustré sur la figure est destiné à chauffer une pièce métallique I a l'aide d'un arc de plasma 2. Afin de produire l'arc de plasma 2, on prévoit un chalumeau à arc de plasma 3 comportant une tuyère 4 qui est pourvue d'un orifice 5, à son extrmIté. On amène vers le chalumeau à arc de plasma 3 un gaz inerte, de préférence de l'argon, comme indiqué par les flèches 6. Le gaz sort de la tuyère 4 en traversant l'orifice 5, en direction de la pièce I a chauffer. Une électrode 7 en forme de tige est disposée à l'intérieur de la tuyère 4 et se termine a une faible distance au-dessus de l'orifice 5.Une première source de tension 8 est branchée entre la première électrode 7 et la tuyzre 4, cette source de tension fournissant une tension de l'ordre de 100 V à 500 V efficaces. La première source de tension 8 produit, entre l'électrode 7 et la tuyère 4, dans la zone de l'orifice 5, un premier arc électrique (arc auxiliaire) 9. Par l'action de la tension appliquée, une partie au moins du jet de gaz 6 est ionisé, si bien qu'un jet de gaz au moins partiellement ionisé sort de l'orifice 5. Une seconde source de tension 10 est reliée, d'une part, à l'électrode 7 et, d'autre part, à la pièce 1 à chauffer. La source de tension 10 qui fournit, soit du courant continu, soit du courant alternatif, produit un arc de plasma 2 dans le nuage de gaz ionisé sortant de l'orifice 5, cet arc s'établissant entre l'électrode 2 et la pièce a chauffer 1.L'arc échauffe la pièce, par exemple, jusqu'a fusion de celle-ci. Aux fins d'amorçage et de stabilisation de l'arc 2, on superpose a la seconde source de tension d'arc des impulsions de tension fournies par un générateur d'impulsions de tension 11. Tout comme la seconde source de tension 10, le générateur d'impulsions de tension 11 est reliés d'une part, à l'élec- trode 7 et, d'autre part, a la pièce 1. Le générateur d'impulsions 11 produit des impulsions de tension d'une valeur comprise entre 2 kV et 60 kV de préférence environ 20 kV. Les impulsions présentent des flancs à pente très raide, l'angle de montée étant sensiblement du même ordre de grander que celui d'une onde ultra-courte (de préférence ## > ####). Afin d'obliger
dt Il sec les impulsions de tension a passer par la distance d'éclatement de l'arc et d'empêcher ces impulsions de tension de se diriger vers la seconde source de tension 10, il est prévu, dans le conducteur d'électrode de la seconde source de tension 10, une self de blocage a haute fréquence 12 qui présente une Inductivité de l'ordre de 800 H. The process illustrated in the figure is intended to heat a metal part I using a plasma arc 2. In order to produce the plasma arc 2, a plasma arc torch 3 is provided, comprising a nozzle 4 which is provided with an orifice 5, at its end. An inert gas, preferably argon, is brought to the plasma arc torch 3, as indicated by the arrows 6. The gas leaves the nozzle 4 passing through the orifice 5, in the direction of the part I to be heated. . A rod-shaped electrode 7 is disposed inside the nozzle 4 and ends a short distance above the orifice 5. A first voltage source 8 is connected between the first electrode 7 and the nozzle 4 , this voltage source providing a voltage of the order of 100 V to 500 V rms. The first voltage source 8 produces, between the electrode 7 and the nozzle 4, in the zone of the orifice 5, a first electric arc (auxiliary arc) 9. By the action of the applied voltage, at least part of the gas jet 6 is ionized, so that an at least partially ionized gas jet leaves the orifice 5. A second voltage source 10 is connected, on the one hand, to the electrode 7 and, on the other hand, to room 1 to heat. The voltage source 10 which supplies either direct or alternating current produces a plasma arc 2 in the cloud of ionized gas leaving the orifice 5, this arc being established between the electrode 2 and the part. to heat 1.The arc heats the room, for example, until it melts. For the purposes of ignition and stabilization of the arc 2, the pulses supplied by a voltage pulse generator 11 are superimposed on the second arc voltage source. Just like the second voltage source 10, the voltage pulse generator 11 is connected on the one hand to electrode 7 and, on the other hand, to part 1. The pulse generator 11 produces voltage pulses of a value between 2 kV and 60 kV preferably around 20 kV. The pulses have flanks with a very steep slope, the angle of rise being substantially of the same order of magnitude as that of an ultra-short wave (preferably ##>####). In order to oblige
dt It dries the voltage pulses to pass through the burst distance of the arc and to prevent these voltage pulses from going towards the second voltage source 10, it is provided in the electrode conductor of the second voltage source 10, a high frequency blocking inductor 12 which has an inductivity of the order of 800 H.
En cas de besoin, on superpose à la première source de tension d'arc 8, un générateur supplémentaire d'impulsions de tension 13 qui est branche en parallèle avec la première source de tension 8, avec interposition d'une self de blocage à haute fréquence 14. Le générateur d'impulsions de tension 13 fournit des impulsions de tension de l'ordre de 2 à 10 kV, de préférence de 6 kV, qui sont superposées à la première source de tension 8 afin d'assurer l'amorçage du premier arc électrique 9. If necessary, an additional voltage pulse generator 13 which is connected in parallel with the first voltage source 8 is superimposed on the first arc voltage source 8, with the interposition of a blocking inductor at high frequency 14. The voltage pulse generator 13 supplies voltage pulses of the order of 2 to 10 kV, preferably 6 kV, which are superimposed on the first voltage source 8 in order to initiate the first electric arc 9.
La figure 2 illustre une application pratique du procédé selon la présente invention, dans laquelle on fait fondre, à laide de chalumeaux a arc de plasma, un matériau constitue, par exemple, par de la ferraille. FIG. 2 illustrates a practical application of the method according to the present invention, in which a material constituted, for example, by scrap metal, is melted, using plasma arc torches.
Contrairement au schéma de base selon la figure 1, on utilise, dans cet exemple, trois systèmes de chalumeaux individuels dont les électrodes sont branchées en triphasé. Pour des raisons de plus grande clarté, on a omis les moyens d'amenée de gaz vers les électrodes. Les vues en coupe du dessin montrent deux électrodes 7a, 7b. Ces électrodes 7a, 7b sont disposées dans un creuset 15. Le creuset 15 comporte une enveloppe extérieure en acier 16 et un revêtement intérieur 17 formé, par exemple, d'un matériau céramique.Contrary to the basic diagram according to FIG. 1, in this example, three individual torch systems are used, the electrodes of which are connected in three-phase. For reasons of greater clarity, the means for supplying gas to the electrodes have been omitted. The sectional views of the drawing show two electrodes 7a, 7b. These electrodes 7a, 7b are arranged in a crucible 15. The crucible 15 comprises an outer steel casing 16 and an inner coating 17 formed, for example, of a ceramic material.
Dans le creuset 15, on fait fondre de la ferraille. La surface du bain de fusion 18 se situe a une distance de 30 à 200 cm, de préférence à une distance d'environ 50 cm en-dessous des pointes des électrodes. Une voie conductrice en forme de bande 19 est prévue sur la surface intérieure du revêtement 17 et s'étend jusqu'au fond du creuset 15, tout en étant reliée à l'enveloppe 16, au niveau du bord supérieur du creuset. L'enveloppe 16 est reliée à la masse.In crucible 15, scrap metal is melted. The surface of the melt 18 is located at a distance of 30 to 200 cm, preferably at a distance of about 50 cm below the tips of the electrodes. A strip-shaped conductive path 19 is provided on the inner surface of the covering 17 and extends to the bottom of the crucible 15, while being connected to the casing 16, at the upper edge of the crucible. The envelope 16 is connected to ground.
Les électrodes 7a, 7b sont reliées aux bornes S, T d'une source de tension 20 selon un montage triphasé* La troisième électrode -non représen- tEe sur le dessin- est reliée a la borne R de la source de tension 20 qui correspond à la seconde source de tension 10 représentée schématiquement sur la figure 1. (Afin de rendre le dessin plus clair, on n'a pas repré- sente, sur la figure 2, la première source de tension 8). La tension alternative appliquée aux bornes S, T produit des arcs électriques 2a, 2b entre les électrodes 7a, 7b et le bain de fusion 18. Selon l'état des phases, le courant passe alors, dans les arcs electriques, d'une des électrodes vers le bain de fusion et du bain de fusion vers l'autre élec- trode, ou en sens inverse.La tension de crête de la source de tension 20 est, de préférence, comprise entre 300 et 800 V. En raison de la distance relativement grande entre la pointe du chalumeau et le bain de fusion, les arcs 2a, 2b sont instables et s'amorcent d'une manière insatisfaisante. The electrodes 7a, 7b are connected to the terminals S, T of a voltage source 20 according to a three-phase circuit * The third electrode - not shown in the drawing - is connected to the terminal R of the voltage source 20 which corresponds to the second voltage source 10 shown diagrammatically in FIG. 1. (In order to make the drawing clearer, the first voltage source 8 is not shown in FIG. 2). The alternating voltage applied to the terminals S, T produces electric arcs 2a, 2b between the electrodes 7a, 7b and the fusion bath 18. Depending on the state of the phases, the current then flows, in the electric arcs, from one of the electrodes to the melt and from the melt to the other electrode, or in reverse. The peak voltage of the voltage source 20 is preferably between 300 and 800 V. Due to the relatively large distance between the tip of the torch and the molten bath, the arcs 2a, 2b are unstable and strike in an unsatisfactory manner.
Afin de stabiliser les arcs et afin d'améliorer leurs caractéristiques d'amorçage, des générateurs d'impulsions de tension lia, 11b sont superposés a la source de tension 20. On prévoit, selon les conditions particulières de mise en oeuvre du procédé, un seul générateur d'impulsions de tension relie à l'une des électrodes et, qui peut être suffisant, ou bien on prévoir deux ou même trois générateurs d'impulsions de tension.In order to stabilize the arcs and in order to improve their ignition characteristics, voltage pulse generators 11a, 11b are superimposed on the voltage source 20. Provision is made, depending on the particular conditions for implementing the method, on a only one voltage pulse generator connects to one of the electrodes and, which may be sufficient, or else two or even three voltage pulse generators are provided.
Chacun des deux générateurs d'impulsions de tension lia, lib représentés, qui correspondent, quant à la conception et au fonctionnement, au générateur d'impulsions de tension il selon la figure 1, est relié, aux fins d'alimentation en tension, aux bornes S, T de la source de tension 20, le générateur d'impulsions de tension llb étant branché avec une polarité inverse par rapport au générateur d'impulsions de tension lia afin de corriger la position relative des phases.A leur sortie, les générateurs d'impulsions de tension lia, Zlb sont reliés, d'une part, à l'électrode 7a et/ou 7b qui sont appelées à transmettre aux arcs électriques 2a et/ou 2b, les impulsions de tension engendrées, ces générateurs lia, llb étant reliés par leurs sorties, d'autre part, également à l'enveloppe 16 du creuset 15. Each of the two voltage pulse generators 11a, lib shown, which correspond, as regards the design and operation, to the voltage pulse generator il according to FIG. 1, is connected, for the purpose of voltage supply, to the terminals S, T of the voltage source 20, the voltage pulse generator llb being connected with reverse polarity with respect to the voltage pulse generator 11a in order to correct the relative position of the phases. At their output, the generators of voltage pulses lia, Zlb are connected, on the one hand, to the electrode 7a and / or 7b which are called to transmit to the electric arcs 2a and / or 2b, the voltage pulses generated, these generators lia, llb being connected by their outputs, on the other hand, also to the casing 16 of the crucible 15.
Les impulsions de tension passent des générateurs lia et/ou llb vers les électrodes 7a et/ou 7b et par les arcs 2a et/ou 2b vers le bain de fusion 18. Ensuite, les impulsions passent par la voie conductrice 19 et par la connexion entre la masse et l'enveloppe 16 pour retourner aux générateurs d'impulsions de tension lia et/ou iib. The voltage pulses pass from the generators 11a and / or 11b to the electrodes 7a and / or 7b and through the arcs 2a and / or 2b to the weld pool 18. Next, the pulses pass through the conductive path 19 and through the connection between the ground and the envelope 16 to return to the voltage pulse generators 11a and / or iib.
Afin d'empêcher les impulsions de tension de passer vers la source de tension 20, une self de blocage à haute fréquence respective 12a, 12b est interposée entre chaque connexion de branchement d'électrode et la source de tension 20. Les selfs de blocage 12a, 12b interdisent le passage des impulsions de tension à pente raide provenant des générateurs lia, Ilb, alors qu'elles laissent passer librement la tension alternative de fréquence relativement basse (50 Hz, par exemple) de la source de tension 20. In order to prevent the voltage pulses from passing to the voltage source 20, a respective high-frequency blocking inductor 12a, 12b is interposed between each electrode connection connection and the voltage source 20. The blocking inductors 12a , 12b prohibit the passage of steep voltage pulses from the generators 11a, 11b, while they allow the alternating voltage of relatively low frequency (50 Hz, for example) to pass freely from the voltage source 20.
Un tube fluorescent 21 est interposé dans chacun des conducteurs de retour des générateurs d'impulsions de tension lia, ilb; ces tubes fluorescents constituent des instruments de contrôle du fonctionnement des généra- teurs. Lorsque les générateurs fonctionnent, les tubes fluorescents 21 s'allument. On peut également interposer des tubes fluorescents dans les conducteurs d'alimentation (ou de sortie). A fluorescent tube 21 is interposed in each of the return conductors of the voltage pulse generators 11a, 11b; these fluorescent tubes constitute instruments for monitoring the operation of generators. When the generators are operating, the fluorescent tubes 21 light up. Fluorescent tubes can also be interposed in the supply (or output) conductors.
La figure 3 est un schéma de branchement simplifié d'un générateur d'impulsions de tension selon la présente invention. Le générateur d'impul sions de tension est relié à deux bornes de tension alternative S, T qui font partei, par exemple, d'un branchement triphasé. Le générateur d'impulsions de tension comports trois enroulements primaires 23a, 23b, 23c qui sont branchés en parallèle sur les bornes S, T. Il est prèvu, en aval du générateur d'impulsions de tension, à la borne S, une self d'amortissement 22 qui est estinée à amm@rti des pointes de courant qui risqueraient de se manifester. FIG. 3 is a simplified connection diagram of a voltage pulse generator according to the present invention. The voltage pulse generator is connected to two alternating voltage terminals S, T which, for example, are part of a three-phase connection. The voltage pulse generator has three primary windings 23a, 23b, 23c which are connected in parallel to the terminals S, T. There is provided, downstream of the voltage pulse generator, at terminal S, a self d 'damping 22 which is estinée at amm @ rti current spikes that may occur.
Des diodes 24a, b, cm sont brachées en parallèle aux enroulements primaires 23a, b, c et des diodes 25a, b, c sont prévues entre les enroulements primaries 2@a, b, c, et la borne T. Grâce à ces diodes 25a, b, c, se@le une demi-onde de la tension alternative entre S et T peut arriver au générateur d'impulsions de tension. Les diodes 24a, b, c fonctionnent comme des diodes de "roue libre",
Trois condensateurs 28a, 28b, 28c branchés en série série sont chargés separément par des enroulements secondaires 26a, 26b, 26c juxtaposés aux enroulements primaires 23a, b, c. La tension transmise aux condensateurs 28a, b, c, est, par exemple, de 2,5 kg tandisq que les conducteurs 28a, 28b, 28c @@ésentent chacun une capacité de par exemple 0,02 F.Les condensateurs 28a, b, c, sont rei@és aux enraulements primaires de trois transformateurs
@@mpalsions 30a, 30b, 30c brachés en série, par l'intermédiaire d'un @@@ateur 29 conportent, par exemple, six intervalles en série présentant chacun une @@rgeur de 0,@ @m. Les enroulements primaires comportent, par exemple, 50 spires. A ces enroulements primaires sont associés trois @o@ines secondaires branchées en série et comportant chacune, par exemple, 380 spires et @ont les extrémités libres sont reliées aux sorties 31, 32 du @@nérateur d imp@lsions de tension.Un organe de couplage (de par exemple @ F) présentant une résistance de décharge de 200 kOhm, par exemple, est @@@nché en aval des enroulements secondaires du transformateur d'impulsion 30a, afin de d@@oupler les transformateurs d'impulsion de la basse @@équence du @@arant d'alimentation (par exempel 50 M2). Diodes 24a, b, cm are wired in parallel to the primary windings 23a, b, c and diodes 25a, b, c are provided between the primary windings 2 @ a, b, c, and the terminal T. Thanks to these diodes 25a, b, c, se @ le half a wave of the alternating voltage between S and T can reach the generator of voltage pulses. The diodes 24a, b, c function as "freewheeling" diodes,
Three capacitors 28a, 28b, 28c connected in series series are charged separately by secondary windings 26a, 26b, 26c juxtaposed with the primary windings 23a, b, c. The voltage transmitted to the capacitors 28a, b, c is, for example, 2.5 kg while the conductors 28a, 28b, 28c @@ each have a capacity of for example 0.02 F. The capacitors 28a, b, c, are connected to the primary hydraulics of three transformers
@@ mpalsions 30a, 30b, 30c brachés in series, via a @@@ ateur 29 have, for example, six intervals in series each having a @@ rgeur of 0, @ @m. The primary windings include, for example, 50 turns. Associated with these primary windings are three secondary secondary circuits connected in series, each comprising, for example, 380 turns and the free ends of which are connected to the outputs 31, 32 of the voltage impulse generator. coupling (of for example @ F) having a discharge resistance of 200 kOhm, for example, is nested downstream of the secondary windings of the pulse transformer 30a, in order to d @@ oupler the pulse transformers of the low @@ equation of the @@ supply arant (for example 50 M2).
Un composant @C 34 @s@cié à un condensateur de 0,01 f, par exemple,
@ à trois résistances chmiques de par exemple 200 kOhms chacune, branchées an parallèle avec ledit condesateur, est disposé entre les condensa te@rs 28a, b, c, et les enroulements, primaries 30a, b, c. Ce composant RC 34 augmente l'angle d'inclinaison (la "vaideur" de la pente) des flancs des impulsions produites par le générateur d'impulsions de tension.A @C 34 @ s @ component connected to a 0.01 f capacitor, for example,
@ with three chemical resistors of for example 200 kOhms each, connected in parallel with said capacitor, is arranged between the condensa te @ rs 28a, b, c, and the windings, primaries 30a, b, c. This RC component 34 increases the angle of inclination (the "steepness" of the slope) of the sides of the pulses produced by the voltage pulse generator.
Le générateur d'impulsions de tension décrit ci-dessus fonctionne comme suit: pour commencer, on notera que le générateur d'impulsions précité fournit des oscillations du type dit "flip-flop" ou à bascule. La tension fournie par le tranformateur 2G -prie, ici, entre les pâles (bornes) S et T- est transmise, sois avec ses deux demi-ondes (pas de diodes), soit avec une seule demi-onde (avec ds--s diodes) aux enroulements primaires 23a, b, c, et portée a une valeur supérieure. Les tensions secondaires plus élevées -enroulements 26a, b, c- chargent les condensateurs 28a, b, c, en parallèle et en phase.La série d- condensateurs est déchargée par l'intermédiaire de plusieurs éclateurs constitués par six intervalles individuels présentant un dlydt approprié, et par l'intermédiaire des enroulements primaires des transformateurs d'impulsions 30a, b, c. Cette décharge se produit a ne vesse d'autant pli grande (avec une raideur de pente des flancs d'autant plus accusée) que l'inductivité du circuit de décharge est plus réduits. Les enroulements secondaires du transformateur d'impulsions sont branchés aux cussi en série et reliés à l'arc électrique par l'inermédiaire J'ur condensateur de conplage associé à une résistance paralléle de décharge.Le branchement en série permet d'obtenir une tension élevée sans ou'il ne e produise ure décharge préma- turée dans le transformateur. The voltage pulse generator described above operates as follows: to begin with, it will be noted that the aforementioned pulse generator provides oscillations of the so-called "flip-flop" or rocker type. The voltage supplied by the 2G transformer - here, between the blades (terminals) S and T - is transmitted, either with its two half-waves (no diodes), or with a single half-wave (with ds-- s diodes) at primary windings 23a, b, c, and range has a higher value. The higher secondary voltages -windings 26a, b, c- charge the capacitors 28a, b, c, in parallel and in phase.The series d- capacitors is discharged by means of several spark gaps constituted by six individual intervals presenting a dlydt suitable, and via the primary windings of the pulse transformers 30a, b, c. This discharge takes place at a very large fold (with a steeper slope of the sides more pronounced) as the inductivity of the discharge circuit is reduced. The secondary windings of the pulse transformer are connected to the cussi in series and connected to the electric arc by the intermediary of a control capacitor associated with a parallel discharge resistance. The series connection makes it possible to obtain a high voltage. without it producing a premature discharge in the transformer.
La figure 4 représente l'aliure es @ariations) de la tensIon U en fonction de l'angle de phase @ dans es arcs d'un chalumeau a arc de plasma comportant trois électrodes brachées et triphasé Les trois phases affectées respectivement aux bornes R, S, t sont décalées de 120 l'une par rapport à l'autre. La phase correspondant à la borne T est associée à des impulsions de tension superposées désignées par le référence 35. Les impulsions sont produites à la crête de ta tension @iternative, au immédia- tement avant l'apparition de cette crâte.Des impulsions de tension positi ves sont superposées à la demi-onde suporieure, tandis Que des impulsions de tension négatives sont superposées à la demi-onde inférieure (polarité directej. FIG. 4 represents the alignment (variations) of the voltage U as a function of the phase angle @ in the arcs of a plasma arc torch comprising three plugged and three-phase electrodes The three phases respectively assigned to the terminals R, S, t are offset by 120 relative to each other. The phase corresponding to terminal T is associated with superimposed voltage pulses designated by the reference 35. The pulses are produced at the peak of your initial voltage, immediately before the appearance of this peak. Voltage pulses positive positions are superimposed on the upper half-wave, while negative voltage pulses are superimposed on the lower half-wave (direct polarity.
Le procédé selon l'invention permet également de superposer les impulsions de tension non seulement % unc seule phase, mais également à deux ou trois phases: il permet, par ailleurs, de ne superposer les impul sions de tension qu'à la demi-onde sapé@ieure ou a la demi-onde inférieure, ces impulsions de tension pouvant, de plus, être seulement positives su bien seulement négatives (polarité directe et inverse en alternance),
Bien entendu, la présente ivention n'est pas limitée aux moées de réalisation décrits et représentés mais elie est suceptible de nombreuses variantes accessibles a l'homme de l'art sans que l'on e s'écarte de l'esprit de l'invention. The method according to the invention also makes it possible to superimpose the voltage pulses not only% unc single phase, but also to two or three phases: it also makes it possible to superimpose the voltage pulses only at the half-wave sape @ ieure or at the lower half-wave, these voltage pulses being able, moreover, to be only positive su well only negative (alternating direct and reverse polarity),
Of course, the present ivention is not limited to the embodiments described and represented, but is subject to numerous variants accessible to those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. invention.
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