FR2690861A1

FR2690861A1 - Procédé et dispositif de décapage de surfaces métalliques par arc électrique.

Info

Publication number: FR2690861A1
Application number: FR9205699A
Authority: FR
Inventors: Doremieux Jean-Louis; Haug Robert; He Jun Zhong
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1992-05-11
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1993-11-12
Anticipated expiration: 2012-05-11
Also published as: FR2690861B1

Abstract

Procédé de décapage de surfaces métalliques, caractérisé en ce qu'on dispose la surface à traiter (2) dans une enceinte contenant un gaz ou mélange de gaz non oxydant à pression contrôlée, on dispose une électrode (1) en regard de la surface à traiter constituant la cathode, on crée un arc électrique entre les deux électrodes et on maintient un courant contrôlé entre les deux électrodes pendant un temps suffisant pour que le pied de l'arc sur la surface à traiter parvienne dans des emplacements de ladite surface à traiter pour lesquels la tension d'arc pour une surface non décapée est égale à la tension d'arc pour une surface décapée au niveau de la projection de l'anode sur la surface à traiter de manière à obtenir une zone de décapage sensiblement circulaire.

Description

La présente invention concerne le décapage des surfaces métalliques qui a pour but d'éliminer une pollution qui peut être minérale, par exemple de Ivoxyde ou une couche de corrosion, organique, par exemple des graisses ou des hydrocarbures ou même biologique (décontamination microbienne). Le décapage peut être réalisé pour des buts de décontamination ou pour préparer la surface en vue de traitements ultérieurs.

Il est connu qu'un arc électrique réalise une érosion des électrodes et par suite un décapage de surface. Cependant, on ne connaît pas actuellement de procédé ni de dispositif qui permette le décapage de surfaces importantes de manière industrielle.

La présente invention se propose de fournir un procédé et un dispositif de décapage de surfaces métalliques polluées qui puissent être mis en oeuvre de manière industrielle et sur de grandes surfaces.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de décapage de surfaces métalliques, caractérisé en ce que
- on dispose la surface à traiter dans une enceinte contenant un gaz ou mélange de gaz non oxydant à pression contrôlée
- on dispose une électrode en forme de barre ou pointe sensiblement orthogonalement en regard de la surface à traiter
- on applique une tension électrique continue entre ladite surface à traiter et ladite électrode, la surface à traiter constituant la cathode et ladite électrode l'anode ;
- on crée un arc entre les deux électrodes ; et
- on maintient un courant contrôlé entre les deux électrodes pendant un temps suffisant pour que le pied de l'arc sur la surface à traiter parvienne dans des emplacements de ladite surface à traiter pour lesquels la tension d'arc pour une surface non décapée est égale à la tension d'arc pour une surface décapée au niveau de la projection de l'anode sur la surface à traiter de manière à obtenir une zone de décapage sensiblement circulaire.

Ce procédé est basé essentiellement sur le fait que lorsqu'on crée un arc électrique entre une surface et une électrode sous forme d'une pointe, il se produit un décapage au niveau de la surface constituant la cathode.

La demanderesse a constaté que le pied de l'arc sur la surface constituant la cathode se déplace tout autour de la position centrale orthogonale initiale , du fait que la tension d'arc pour une surface décapée est supérieure à la tension d'arc pour une surface non décapée. Le déplacement du pied de l'arc est limité à des emplacements pour lesquels la tension de l'arc pour une surface non décapée devient égale à la tension de l'arc pour une surface décapée au niveau de la projection de l'anode sur la surface à traiter ; de ce fait, si l'on maintient l'arc électrique pendant un temps suffisant, on arrive à décaper une zone de décapage sensiblement circulaire.

Avantageusement, on effectue un déplacement relatif des deux électrodes l'une par rapport à l'autre à une vitesse telle que l'arc dispose du temps nécessaire pour décaper l'ensemble d'une zone de décapage ; on obtient de cette manière une trace de décapage dont la largeur correspond sensiblement au diamètre de la zone de décapage circulaire.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte contient un gaz ou un mélange de gaz réducteur. La demanderesse a constaté que la présence d'un gaz réducteur permet d'accélérer le processus de décapage.

Selon un mode de réalisation, l'enceinte contient de l'argon et de l'hydrogène.

Avantageusement, la proportion d'hydrogène est de 70 à 100%.

Pour le décapage de surfaces métalliques importantes, on utilise un alignement d'anodes équidistantes dont la distance est supérieure au diamètre d'une zone de décapage, on déplace ledit alignement d'électrodes perpendiculairement à lui même et on effectue au moins un deuxième passage dudit alignement sur la surface à traiter après l'avoir décalé d'une distance inférieure à la distance séparant deux anodes voisines.

De cette manière, on peut décaper entièrement une surface. Le fait que les anodes soient écartées d'une distance supérieure au diamètre d'une zone de décapage permet d'éviter des interactions entre deux arcs voisins.

Avantageusement la distance entre deux anodes voisines est comprise entre une fois et deux fois le diamètre d'une zone de décapage et le décalage de l'alignement d'anodes pour le deuxième passage correspond à la demi distance entre deux anodes voisines.

De cette manière, on peut décaper entièrement une surface en effectuant deux passages de l'ensemble des anodes.

L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte contenant un gaz ou un mélange de gaz non oxydant sous pression contrôlée, une électrode de forme générale rectiligne disposée au dessus de la face à traiter perpendiculairement à cette dernière et une source de courant continu contrôlé branchée entre la surface à traiter et ladite électrode de telle manière que la surface à traiter constitue la cathode.

Selon une autre caractéristique de l'invention, ce dispositif comporte au moins trois détecteurs photoélectriques disposés régulièrement autour de l'anode et sensibles à la lumière émise par l'arc et un circuit de calcul de la position de l'arc à partir des signaux créés par lesdits détecteurs photo-électriques.

Les avantages de 1 invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre illustratif en se référant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe explicatif de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un premier dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention;
- les figures 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs de l'invention ;
- la figure 5 est un schéma synoptique d'un deuxième dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention;
- la figure 6 est le schéma électrique d'un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention
- les figures 7 et 8 illustrent une application de l'invention au décapage de surfaces métalliques importantes ; et
- la figure 9 est un diagramme montrant l'influence du pourcentage de gaz réducteur.

Sur la figure 1 on a représenté une anode 1 qui est disposée sensiblement perpendiculairement à une surface à traiter 2 à une distance e de cette dernière.

La demanderesse a constaté que, lorsqu'on crée un arc électrique entre l'anode 1 et la surface 2 constituant une cathode dans une atmosphère non oxydante, le pied d'arc cathodique sur la surface 2 se déplace pour aller de préférence sur les zones polluées. On constate que la pollution est éliminée dans la zone du pied de l'arc et que la surface ainsi nettoyée n'est pas repolluée lors du processus.

La demanderesse a constaté que la tension de l'arc dépend de l'état de surface de la cathode 2 et que cette tension d'arc est, pour une longueur d'arc donné, plus faible lorsque le pied d'arc se trouve sur une zone polluée de la cathode C'est ce qui explique le fait que le pied de l'arc cathodique se déplace lorsqu'il a décapé sa zone d'impact sur la cathode, car lorsque cette zone est décapée, la tension de l'arc augmente. L'arc a évidemment tendance à se déplacer pour se trouver dans une position où la tension d'arc est la plus faible.

En fait, on peut écrire que la tension de l'arc est définie par la formule suivante
U = UO + up
En d'autres termes, la tension de l'arc peut s'écrire sous la forme
U = UM + FM (1)
pour une surface propre et pour une surface polluée, la tension d'arc est égale à
U = Up + Fp (1)
La longueur maximale prévisible de la colonne d'arc est donc définie par la formule suivante + + FM (e) = Up + Fp (1)
ce qui définit la longueur 1 correspondant au déplacement maximal du pied d'arc cathodique.

On voit donc que lorsque l'arc se déplace en allant d'une zone qu'il vient de décaper à une zone encore polluée, il nettoie une zone sensiblement circulaire.

La figure 2 représente schématiquement un dispositif pour réaliser un décapage par arc électrique. Il comporte essentiellement une chambre à atmosphère contrôlée 11 qui peut être maintenue à basse pression au moyen d'une pompe reliée à une vanne 12 ; la chambre est alimentée en gaz non oxydant par une arrivée 13 et comporte un manomètre 14.

Les deux électrodes 15 et 16 sont alimentées par un générateur de courant continu. La tension d'arc est mesurée par un circuit diviseur compensé des effets électromagnétiques schématisé en 17. L'électrode inférieure 15 est mobile en translation au moyen d'un dispo sitif schématisé en 18. Pour la création de l'arc, les électrodes sont mises en contact et alimentées puis on fait descendre l'électrode 15 pour amorcer l'arc. Des photodiodes 19, au moins au nombre de trois, sont disposées autour de l'enceinte dont au moins les parois latérales sont transparentes ; les signaux fournis par ces photodiodes sont envoyés à un circuit qui calcule la position de l'arc.

Le diagramme de la figure 3 représente la tension de l'arc en fonction de la longueur de la colonne de l'arc. On voit que la tension d'arc pour la surface brute qui correspond à la courbe A est plus faible que la tension d'arc correspondant à la surface nettoyée B.

Comme on peut le voir sur cette figure, les deux courbes comportent des parties linéaires en fonction de la racine carrée de la longueur de la colonne 1.

La figure 4 représente les variations de la tension d'arc lorsque ce dernier se déplace d'une zone décapée (première partie de la courbe) à une zone polluée (deuxième partie de la courbe). On constate bien que le pied de l'arc se déplace d'une surface propre à une surface polluée de manière à réduire la tension globale de l'arc.

La figure 5 représente schématiquement un deuxième dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

Il comporte une chambre étanche 31 qui est soumise à une basse pression qui est obtenue au moyen d'une pompe à palette 32. L'entrée de gaz se fait par une vanne 33. Le gaz est amené au niveau des électrodes par une tubulure intérieure non figurée. La pression interne de la chambre 31 est régulée au moyen d'une vanne 34 et d'un régulateur de pression 35 qui sont reliés à la pompe à palette 32. Dans ce cas, les deux électrodes sont fixes et l'arc est amorcé par application d'une surtension entre les deux électrodes 36 et 37.

La figure 6 est le schéma électrique d'un circuit destiné à fournir une source de courant continu pour l'arc 41. Ce circuit est prévu pour un dispositif à électrode fixe avec allumage de l'arc par une surtension modérée inférieure à 1,5 kV.

Ce circuit comprend une alimentation triphasée 42 qui est redressée par un redresseur 43. Il comporte essentiellement une diode 44 qui supporte la tension nécessaire à l'amorçage et le courant de l'arc et qui est placé en série avec l'alimentation pour assurer les deux fonctions d'allumage et de puissance.

Avant l'amorçage, cette diode 44 est bloquée et une source de haute tension 45 est appliquée aux électrodes par l'intermédiaire d'un condensateur 46. Une décharge à courant croissant fournie par le condensateur et à courte durée s'amorce. Au fur et à mesure de l'évolution de la décharge vers le régime d'arc, la tension aux bornes des électrodes diminue et la diode 44 est débloquée, ce qui permet à l'alimentation 42 d'alimenter les électrodes.

Une inductance 47 et une diode 48 prolongent la durée du régime d'arc lors de l'amorçage et fournissent un temps suffisant pour que la diode 44 devienne conductrice. Le circuit d'amorçage reste branché et permet un réamorçage en cas d'extinction intempestive. Le condensateur 152 joue le rôle de filtre, et la résistance 153 permet le réglage du courant d'arc.

Conformément à l'invention, pour décaper des surfaces importantes, on déplace les deux électrodes relativement l'une par rapport à l'autre ; par exemple, on déplace l'anode par rapport à la surface à décaper constituant la cathode. La vitesse de déplacement de l'anode par rapport à la surface à décaper est calculée de manière que le pied d'arc puisse parcourir l'ensemble de la zone circulaire de décapage qui a été définie plus haut. On obtient ainsi une trace de décapage dont la largeur correspond approximativement au diamètre de cette zone circulaire de décapage.

Pour le décapage de surface importante, on peut utiliser un dispositif tel que schématisé sur les figures 7 et 8. La surface à décaper 51 constitue la cathode et elle est disposée en face d'une série d'anodes 52 qui sont disposées en alignement sur un support 53. La distance séparant deux anodes voisines est supérieure au diamètre de la zone de décapage qui a été défini plus haut. De cette manière, on évite tous les problemes d'interférence entre deux arcs voisins.

Avantageusement, la distance séparant deux anodes voisines est sensiblement égale au double du diamètre de la zone de décapage, de préférence un peu inférieure à cette valeur.

Pour décaper la surface 51, on déplace l'ensemble des anodes 52 parallèlement à leur support de manière à déterminer des traces de décapage 54. Lorsque la longueur totale de la surface a été ainsi décapée, on procède à un deuxième passage de l'ensemble des cathodes 52 en les décalant d'une distance correspondant à la moitié de l'écartement entre deux anodes voisines. De cette manière, on obtient un décapage complet de la surface 2 avec deux passages des électrodes 52.

Avantageusement on peut disposer un deuxième jeu d'anodes 55 décalé par rapport au premier de façon à décaper la totalité de la surface en un seul passage.

Dans ce cas, les deux jeux d'anodes 53 et 55 sont disposés parallèlement l'un a l'autre et séparés par une distance qui est au moins égale au diamètre de la zone de décapage afin d'éviter les problèmes d'interférence entre les arcs. On a représenté sur la figure 8 en pointillé les traces de décapage correspondant au deuxième jeu d'anodes 5.

Avantageusement, on peut prévoir un dispositif de surveillance de la tension entre la cathode et chacune des anodes ; ce dispositif peut utiliser le circuit diviseur 17 associé avec un dispositif à seuil réglable.

Ceci permet de surveiller la valeur de la tension d'arc.

En effet, si le défilement est trop rapide, le nettoyage de la surface sera imparfait ; par contre si le défilement des électrodes est trop lent, on risque d'obtenir un phénomène d'érosion et c'est pourquoi il est nécessaire de surveiller la tension d'arc. Lorsque celle-ci dépasse un seuil prédéterminé qui correspond à la valeur de la tension d'arc lorsque ce dernier a sa longueur maximale et se trouve sur une surface décapée, cela indique que la zone est entièrement décapée et que le phénomène d'érosion va commencer.

De cette manière, on peut obtenir une régulation de la vitesse du défilement des électrodes, le dépassement du seuil précité commandant une augmentation de la vitesse de défilement.

Les différentes anodes sont alimentées à partir d'un seul générateur avec des résistances de réglage 153 en nombre égal à celui des anodes. On peut ainsi faire fonctionner simultanément toutes les anodes et multiplier l'action des arcs. Il est en effet extrêmement difficile de faire fonctionner plusieurs arcs en parallèle. Les anodes sont refroidies par des moyens appropriés, circulation d'eau, de gaz. Dans le cas de l'eau, on aménage des conduits d'amenée d'eau en matière isolante d'une longueur suffisante pour ne pas perturber le circuit électrique, l'eau ordinaire étant conductrice. On utilise de préférence de l'eau désionisée en circuit fermé. On évite ainsi les problèmes de corrosion des circuits du liquide de refroidissement.

On peut par exemple utiliser des circuits de refroidissement circulant essentiellement dans chacun des supports d'anodes 53 et 55.

La demanderesse a constaté que si l'on utilise une atmosphère réductrice, par exemple un mélange d'argon et d'hydrogène, les résultats sont améliorés. En particulier, comme le montre la figure 9, le taux de décapage exprimé en micro gramme par coulomb augmente avec le pourcentage d'hydrogène dans l'enceinte. Dans cet exemple, on constate que le rendement s'accroît pour un pourcentage supérieur à 60% et que le rendement maximum est obtenu dans l'hydrogène pur.

Ces essais ont été effectués sur un échantillon de tôles mesurant 10 x 6 cm ; l'amorçage a été fait par une décharge haute tension, l'anode étant éloignée de deux millimètres, la pression régnant dans l'enceinte a été amenée à 20 Torrs. Le courant d'arc avait une valeur moyenne de 32 A.

Le gaz réducteur peut être également un gaz naturel tel que du méthane.

La demanderesse a constaté que l'invention permet d'obtenir un décapage de très bonne qualité. Ceci est dû en particulier au fait que l'arc peut pénétrer dans les anfractuosités de la surface à décaper.

L'invention permet d'obtenir un décapage particu lièrement intéressant lorsqu'on veut préparer une surface en vue d'une opération de zingage. Actuellement, ces opérations de décapage sont généralement faites dans un bain d'acide.

L'invention est particulièrement intéressante également lorsque la pollution est constituée par des produits gras utilisés dans la fabrication qui pénètrent dans les rainures ou anfractuosités du produit.

La surface décapée présente une rugosité due aux nombreux petits cratères résultant de l'action locale de l'arc. Cette rugosité présente l'avantage d'un bon accrochage pour un autre matériau, ce qui, associé à la propreté de la surface traitée, peut être utilisé pour le sertissage des conducteurs électriques, assurant ainsi à la fois une bonne tenue mécanique par la rugosité et un bon contact par la propreté.

Les produits enlevés à la surface par évaporation, décomposition, sont récupérés dans les fumées à l'aide de filtres et dans les dépôts sur l'anode.

On a constate qu' après le traitement, la surface de l'acier était fortement rugueuse, la rugosité arithmétique moyenne variant entre 5 et 8 micromètres. La dureté superficielle était de 2 à 3 fois plus élevée que la dureté à coeur qui vaut Hv50 = 122 kg/mm2 alors que la dureté superficielle d'un échantillon identique réduit par l'hydrogène à 600"C est la même que dans la masse.

L'invention peut s'appliquer avantageusement au décapage de la surface intérieure de corps creux, tels que des tubes.

Une application particulière de l'invention est le décapage de l'intérieur des bouteilles de gaz comprimées. En effet, dans ce cas, il est facile de maintenir une basse pression entre les deux électrodes.

Le procédé selon l'invention peut également s'appliquer pour réaliser des décontaminations radioactives ou des décontaminations microbiennes, par exemple sur des aiguilles de chirurgie devant ensuite être enfilées avec du catgut.

Des essais ont été réalisés pour tester la possibilité de décaper une surface plane. La surface à décaper était une tôle d'acier d'épaisseur 3 mm qui était recouverte d'une couche de calamine grise d'épaisseur moyenne 9 micromètres, dont la rugosité arithmétique moyenne était de 2,7 micromètres et qui était formée essentiellement d'oxyde de fer magnétique Fe304 bien structuré.

Le traitement a été effectué dans une atmosphère d'hydrogène pur sous une pression de 5 torr (660 Pa) ; la distance entre les deux électrodes était de 1 mm, le diamètre de l'anode de 8 mm. L'arc électrique a été amorcé par une décharge à haute tension ; son intensité moyenne était de 136 A, sa tension moyenne était de 23,5 V et la puissance moyenne de l'arc était de 3,2 kW.

La vitesse relative de déplacement des deux électrodes était de 1,1 cm/s.

On a constaté que la couche de calamine a été éliminée sur une surface dont la largeur était de 1,4 cm.

La perte de masse, qui permet d'évaluer la qualité du décapage était de 49 microgrammes par coulomb alors que la perte calculée théorique correspondant à l'élimination d'une couche de 9 micromètres toujours de magnétite est de 52 microgrammes par coulomb.

La consommation électrique a été de 5 kWh par mètre carré de tôle.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de décapage de surfaces métalliques, caractérisé en ce que

- on dispose la surface à traiter (2;51) dans une enceinte (11;31) contenant un gaz ou mélange de gaz non oxydant à pression contrôlée

- on dispose une électrode (1;15;36;52) en forme de barre ou pointe sensiblement orthogonalement en regard de la surface à traiter

- on applique une tension électrique continue entre ladite surface à traiter et ladite électrode, la surface à traiter constituant la cathode et ladite électrode, l'anode ;

- on crée un arc électrique entre les deux électrodes ; et

- on maintient un courant constant entre les deux électrodes pendant un temps suffisant pour que le pied de l'arc sur la surface à traiter parvienne dans des emplacements de ladite surface à traiter pour lesquels la tension d'arc pour une surface non décapée est égale à la tension d'arc pour une surface décapée au niveau de la projection de l'anode sur la surface à traiter de manière à obtenir une zone de décapage sensiblement circulaire.

2. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue un déplacement relatif des deux électrodes l'une par rapport à l'autre à une vitesse telle que l'arc dispose du temps nécessaire pour décaper l'ensemble d'une zone de décapage.

3. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (11;31) contient un gaz ou un mélange de gaz réducteur.

4. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enceinte (11;31) contient de l'argon et de l'hydrogène.

5. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 4, caractérisé en ce que la proportion d'hydrogène est comprise entre 70 et 100%.

6. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arc électrique est amorcé par mise en contact puis écartement des deux électrodes.

7. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arc électrique est amorcé par l'application d'une surtension entre les deux électrodes.

8. Procédé de décapage de surfaces métalliques, destiné au décapage de surfaces importantes, selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise un alignement (53) d'anodes équidistantes (52) dont la distance est supérieure au diamètre d'une zone de décapage, en ce qu'on déplace ledit alignement d'électrodes (53) perpendiculairement à lui même et en ce qu'on effectue au moins un deuxième passage dudit alignement sur la surface à traiter (51) après l'avoir décalé d'une distance inférieure à la distance séparant deux anodes voisines (52).

9. Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 8, caractérisé en ce que la distance entre deux anodes voisines (52) est comprise entre une fois et deux fois le diamètre d'une zone de décapage et en ce que le décalage de l'alignement d'anodes (53) pour le deuxième passage correspond à la demi distance entre deux anodes voisines.

10 Procédé de décapage de surfaces métalliques selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on utilise un deuxième alignement (55) d'anodes équidistantes disposé parallèlement au premier alignement (53) à une distance supérieure au diamètre d'une zone de décapage et en ce qu'on effectue un déplacement relatif entre les deux alignements d'électrodes (53,55) et la surface à traiter (51).

11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (11;31) contenant un gaz ou un mélange de gaz non oxydant sous pression contrôlée, une électrode (1;15;36;52) de forme générale rectiligne disposée en regard de la face à traiter (2;51) perpendiculairement à cette dernière et une source de courant continu constant (42,43) branchée entre la surface à traiter et ladite électrode de telle manière que la surface à traiter constitue la cathode.

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un alignement d'électrodes équidistantes (53,55) et en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation des anodes comportant un seul générateur et un élément de réglage de courant (153) pour chacune des anodes.

13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de refroidissement des anodes par circulation d'un fluide peu conducteur de l'électricité.

14. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de surveillance (17) de la tension entre la cathode et chacune des anodes et un dispositif à seuil associé à chacun des dispositifs de surveillance.