FR2897747A1

FR2897747A1 - Torche a plasma a arc transfere

Info

Publication number: FR2897747A1
Application number: FR0650625A
Authority: FR
Inventors: Christophe Girold; Arnaud Bourgier; Lionel Bruguiere; Florent Lemort
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-08-24
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: WO2007096357A1; US9686850B2; EP1994808A1; CN101390454B; FR2897747B1; RU2008137802A; JP2009527882A; JP5226536B2; KR20080095256A; EP1994808B1; RU2456780C2; CN101390454A; US20090261081A1; KR101376626B1

Abstract

La présente invention concerne une torche à plasma à arc transféré comportant un fourreau (25) refroidi au moyen d'un fluide de refroidissement (21) et une électrode insérée dans ledit fourreau. L'électrode est réalisée dans un matériau consommable et la torche comprend des moyens (80) pour alimenter l'électrode en ce matériau de façon à compenser son érosion.

Description

TORCHE A PLASMA À ARC TRANSFÉRÉ DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente

invention concerne le domaine des torches à plasma et plus particulièrement des torches à plasma à arc transféré. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les torches à plasma sont utilisées pour le traitement de matière (solide, liquide ou gaz) à très haute température en atmosphère de réactivité contrôlée. Les torches à plasma trouvent classiquement application en particulier dans le soudage, le marquage, la projection thermique et le traitement des déchets. Le plasma est un gaz à l'état ionisé, classiquement considéré comme un quatrième état de la matière. Pour obtenir l'ionisation d'un gaz à la pression atmosphérique, on utilise des torches à plasma. Celles-ci apportent l'énergie nécessaire à l'ionisation du gaz au moyen d'une onde électromagnétique (radio fréquence ou micro onde) ou d'un arc électrique. Nous ne considérerons ici que les torches à arc qui constituent la seule technologie permettant d'atteindre des puissances de fonctionnement importantes. On classe les torches à arc en deux catégories : les torches à arc soufflé et les torches à arc transféré. Dans le cas des torches à arc soufflé, les deux électrodes permettant l'établissement de l'arc sont contenues dans la torche et l'arc est donc confiné à l'intérieur de celle-ci. Le panache de plasma créé par le passage d'un gaz dans l'arc est éjecté à l'extérieur de la torche. Dans le cas des torches à arc transféré, la torche ne comprend qu'une seule électrode et l'arc s'établit entre la torche et un autre matériau faisant office de contre-électrode. Des exemples de torches à arc soufflé et à arc transféré sont décrits dans la demande EP-A-706308. Deux torches à arc transféré peuvent être utilisées de façon jumelée afin d'entretenir un arc entre elles, l'une faisant office de cathode et l'autre d'anode. Ce dispositif est connu sous le nom de torches jumelées bipolaires ou twin torches . Un exemple de torches jumelées est décrit dans la demande EP-A-1281296.

Quelle que soit la technologie de torche à arc mise en oeuvre, le problème principal demeure la faible durée de vie des électrodes. Depuis plusieurs années, de nombreux travaux de recherche ont essentiellement porté sur l'amélioration de la durée de vie des électrodes des torches à plasma par le choix du matériau des électrodes. Ces dernières sont classées en deux catégories : les électrodes dites chaudes , réalisées en matériau réfractaire à haut point d'ébullition ou de sublimation tel le tungstène et le zirconium et les électrodes dites froides , réalisées en matériau à bas point d'ébullition et à forte conductivité thermique comme le cuivre. Quel que soit le type de matériau utilisé, l'électrode subit une usure par érosion.30 Différentes solutions technologiques ont été mises au point pour diminuer la vitesse d'usure des électrodes : dopage du tungstène au thorium, usinage de l'extrémité de l'électrode etc. La nécessité de refroidir l'électrode elle-même par circulation interne d'eau est rapidement apparue et a eu pour principale conséquence de rendre plus complexe l'architecture des torches, la présence de deux voire trois circuits de refroidissement distincts n'étant guère compatible avec des systèmes de taille limitée comme les torches à plasma thermique. En outre, les opérations de maintenance et de remplacement des électrodes sont rendues malaisées par la nécessité de déconnecter préalablement les raccords des circuits de refroidissement. Il est par ailleurs connu dans un domaine éloigné de celui des torches à plasma, à savoir celui de l'électrolyse de l'aluminium ou de la sidérurgie d'utiliser des électrodes consommables, se présentant sous la forme d'un simple cylindre massif en graphite. Cependant, les seules applications possibles de ces électrodes sont en atmosphère gazeuse plutôt réductrice car en atmosphère oxydante, la combustion du graphite entraînerait une érosion rapide de celles-ci.

Le but de la présente invention est de disposer d'une torche à plasma à arc transféré ayant les mêmes propriétés d'utilisation que les torches à plasma à électrodes refroidies mais sans en présenter les désavantages, notamment en termes d'encombrement et de complexité de montage et de maintenance.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie comme une torche à plasma à arc transféré comportant un fourreau refroidi au moyen d'un fluide de refroidissement et une électrode insérée dans ledit fourreau, ladite électrode étant réalisée dans un matériau consommable et la torche comprenant des moyens pour alimenter l'électrode en ce matériau de façon à compenser son érosion. Ainsi il n'est pas nécessaire de prévoir un circuit de refroidissement supplémentaire pour refroidir l'électrode. Selon un mode de réalisation, les moyens pour alimenter l'électrode en matériau comprennent des moyens d'avance automatique de l'électrode vers l'extrémité distale de la torche. On pourra notamment prévoir des galets faisant avancer par friction l'électrode vers l'extrémité distale de la torche. Avantageusement, la torche comprend des moyens de gainage gazeux assurant le gainage de ladite électrode par un gaz neutre et plasmagène à l'intérieur dudit fourreau. Ainsi l'érosion de l'électrode sera considérablement freinée et sa durée de vie prolongée. De manière à optimiser la protection, les moyens de gainage gazeux assurent le balayage de l'électrode par ledit gaz et sa diffusion à l'extrémité distale de l'électrode. Le fourreau pourra comprendre des conduits d'amenée d'un gaz secondaire à son extrémité distale, la torche comportant des moyens d'injection connectés aux dits conduits d'amenée pour injecter un gaz 4 secondaire en aval de l'électrode. Cet arrangement compact permet d'obtenir un plasma de la composition souhaitée en aval de l'électrode. Avantageusement, la torche à plasma comprend un corps de torche fixe supportant l'ensemble des raccords des gaz, du fluide de refroidissement et de l'alimentation électrique. Le fourreau présente une partie tubulaire solidaire d'une tête de torche et la traverse de part en part, la tête de torche reposant sur ledit corps de torche et coopérant avec lui pour assurer la continuité des circuits de gaz, de fluide de refroidissement et d'alimentation électrique entre lesdits raccords et ledit fourreau. Ainsi, il n'est pas nécessaire de démonter les raccords de gaz, de fluide de refroidissement et d'alimentation électrique lors d'un changement d'électrode. Typiquement, la partie tubulaire du fourreau comprend deux enveloppes concentriques délimitant une cavité reliée au circuit de refroidissement. En outre, un dispositif de guidage et de maintien peut être prévu de manière à positionner la tête de torche sur ledit corps dans une position prédéterminée et la fixer au dit corps dans cette position. Le montage et le démontage s'en trouveront facilités et l'on évitera notamment des problèmes d'étanchéité résultant d'un défaut d'alignement entre le corps et la tête de torche.

L'alimentation électrique de l'électrode est assurée au moyen d'au moins un balai métallique monté sur la tête de la torche et appuyant sur la surface de l'électrode par l'action d'un ressort. Là encore, le montage et le démontage de l'électrode s'en trouveront facilités. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de 10 réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1 représente schématiquement une torche à plasma à arc transféré selon l'invention ; La Fig. 2 représente un détail d'une torche 15 à plasma à arc transféré selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Une première idée à la base de l'invention est de 20 prévoir une électrode consommable alimentée en continu en matériau. Une seconde idée à la base de l'invention est de protéger cette électrode par un gainage de gaz neutre dans le fourreau. L'invention sera avantageusement utilisée pour la 25 réalisation de torches à plasma jumelées, l'une faisant office d'anode et l'autre de cathode. Toutefois, ces deux torches étant structurellement identiques, une seule sera décrite.5 La Fig. 1 représente une torche à plasma à arc transféré selon l'invention. Elle comprend un support 10 dit corps de torche, un fourreau 25, préférentiellement métallique, présentant une partie tubulaire solidaire en sa partie supérieure d'une tête de torche 20, une électrode consommable 30 par exemple une électrode en graphite, un dispositif de guidage et de maintien 40, un diffuseur 50, un dispositif d'avance de l'électrode 60, des moyens de connexion électrique à l'électrode par balai 70. Le corps de torche 10 constitue la partie fixe de la torche qui n'est jamais démontée et supporte toute la connectique avec les circuits fluides, gaz et alimentation. Les raccords sont l'arrivée et le départ en eau de refroidissement de la tête et du fourreau, l'arrivée de gaz plasmagène, l'arrivée de gaz secondaire et de l'alimentation électrique. Le corps de torche comporte en sa partie supérieure une platine 11 où débouchent les circuits de gaz, de fluide de refroidissement et les connections électriques. La tête de torche 20 est montée sur la platine 11 du corps de torche au moyen d'un dispositif de guidage et maintien 40. Ce dispositif assure le guidage et la fixation de la tête de torche sur le corps de torche dans une position prédéterminée. Le guidage est assuré par un pion de guidage ou un dispositif de centrage sur le corps support ou une combinaison de ces moyens. Le maintien est par exemple réalisé au moyen d'un mécanisme de fixation rapide. La continuité des circuits de fluide et de gaz entre le corps support 10 et la tête de torche 20 est assurée par des systèmes étanches appropriés, par exemple au moyen de joints, en particulier de joints toriques, ou bien au moyen de raccords spéciaux au niveau de la platine 11. L'électrode cylindrique 30 en graphite traverse de part en part la tête de torche et se prolonge dans le fourreau. Son alimentation électrique est réalisée par un contact à balai métallique 70 poussé sur l'électrode par un ressort 71. Des moyens sont prévus pour permettre l'alimentation de l'électrode en matériau consommable, par exemple grâce à des moyens d'avance automatique placé au niveau de la tête de torche. Ces moyens d'avance sont par exemple des galets motorisés 60 à vitesse réglable, venant s'appuyer sur l'électrode, en des endroits diamétralement opposés et faisant progresser l'électrode par friction vers l'extrémité distale de la torche. De cette manière, lorsque la tête de torche doit être démontée, seul le système de maintien 40 est à manipuler, ce qui permet de libérer la tête de torche 20 du corps de torche 10, simplement en la soulevant verticalement de la platine. On voit ici l'intérêt de pouvoir désolidariser toute la partie mécanique de la torche sans avoir à déconnecter les circuits de fluides et gaz du corps de torche 10.

La Fig. 2 décrit de manière plus précise l'extrémité de la tête de torche selon l'invention. Comme indiqué précédemment, l'électrode 30 est protégée par le fourreau 25 et la tête de torche 20.

L'extrémité distale 31 de l'électrode est avantageusement située en retrait par rapport au nez 26 de la torche. Le fourreau est refroidi par circulation interne d'un fluide de refroidissement 21 par exemple d'eau. Le fourreau présente une forme tubulaire à deux enveloppes concentriques, le fluide de refroidissement circulant dans la cavité délimitée par ces deux enveloppes. En outre, des conduits 22 disposés à l'intérieur de la cavité permettent l'amenée du gaz secondaire 23 jusqu'à l'extrémité distale de la torche. La torche à plasma comprend des moyens de gainage gazeux adaptés à maintenir une gaine de gaz neutre et protecteur autour de l'électrode. Ce gaz neutre est également utilisé pour générer le plasma. Plus précisément, les moyens de gainage gazeux assurent non seulement le balayage de l'électrode par le gaz neutre mais aussi la diffusion de ce gaz à son extrémité distale ou active. Ainsi l'électrode est protégée de l'environnement extérieur, notamment s'il est oxydant. Les moyens de gainage gazeux comprennent le circuit d'alimentation en gaz et le diffuseur 50. En fait, ce dernier remplit plusieurs fonctions : outre la circulation du gaz neutre plasmagène 80 entre l'électrode 30 et le fourreau 25 et sa diffusion à l'extrémité active de l'électrode, il assure le centrage coaxial de l'électrode 30 par rapport au fourreau 25 ainsi que leur isolation électrique mutuelle. Le diffuseur 50 peut se présenter sous la forme d'une bague isolante pourvue d'une bride 51 à sa partie inférieure. La bague isolante est maintenue dans le fourreau 25 par un jonc métallique d'arrêt ou tout système de clipsage équivalent. Le diamètre intérieur de la bague est choisi de manière à maintenir le fourreau en légère surpression et à assurer le balayage de l'électrode 30 par le gaz neutre et plasmagène. En outre, la bride est traversée par des buses 52 alimentées par le ou les tuyaux d'amenée 22 du gaz secondaire de sorte que le gaz secondaire est injecté dans la zone de plasma en aval de l'électrode. Il convient de noter que le gaz plasmagène permet la création d'un plasma avec un arc stable alors que le gaz secondaire permet d'obtenir un plasma possédant la composition chimique ou les propriétés physiques recherchées. Avantageusement, on utilisera comme gaz neutre plasmagène de l'argon et comme gaz secondaire de l'oxygène. Un tel système peut être utilisé dans toutes les applications nécessitant la génération d'un plasma et notamment dans le domaine du traitement de déchets.

Claims

REVENDICATIONS

1. Torche à plasma à arc transféré comportant un fourreau (25) refroidi au moyen d'un fluide de refroidissement (21) et une électrode (30) insérée dans ledit fourreau, caractérisée en ce que l'électrode est réalisée dans un matériau consommable et que la torche comprend des moyens (60) pour alimenter l'électrode en ce matériau de façon à compenser son érosion.

2. Torche à plasma selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour alimenter l'électrode en matériau comprennent des moyens d'avance automatique de l'électrode vers l'extrémité distale de la torche.

3. Torche à plasma selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de gainage gazeux assurant le gainage de ladite électrode par un gaz neutre et plasmagène à l'intérieur dudit fourreau.

4. Torche à plasma selon la revendication 3 caractérisée en ce que les moyens de gainage gazeux assurent le balayage de l'électrode par ledit gaz et sa diffusion à l'extrémité distale de l'électrode.

5. Torche à plasma selon la revendication 4 caractérisée en ce que le fourreau comprend des conduits d'amenée d'un gaz secondaire à son extrémitédistale et que la torche comporte des moyens d'injection connectés aux dits conduits d'amenée assurant l'injection du gaz secondaire en aval de l'électrode.

6. Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend un corps de torche fixe supportant l'ensemble des raccords des gaz, du fluide de refroidissement et de l'alimentation électrique.

7. Torche à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que le fourreau présente une partie tubulaire solidaire d'une tête de torche, le fourreau traversant le corps de torche de part en part, la tête de torche reposant sur ledit corps de torche et coopérant avec lui pour assurer la continuité des circuits de gaz, de fluide de refroidissement et d'alimentation électrique entre lesdits raccords et ledit fourreau.

8. Torche à plasma selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite partie tubulaire présente deux enveloppes concentriques délimitant une cavité reliée au circuit de refroidissement.

9. Torche à plasma selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'il comporte un dispositif de guidage et de maintien pour positionner la tête de torche sur ledit corps dans une position prédéterminée et la fixer au dit corps dans cette position.

10. Torche à plasma selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisée en ce que l'électrode est alimentée électriquement au moyen d'au moins un balai métallique monté sur la tête de la torche et appuyant sur la surface de l'électrode par l'action d'un ressort.