WO1990015516A1 - Procede et dispositif d'obtention de hautes temperatures - Google Patents

Abstract

Le procédé consiste à établir entre deux ou plusieurs cathodes (1, 2) et une ou plusieurs anodes creuses (3) des arcs distincts (5, 6), à maintenir un débit de gaz inerte entre les cathodes (1, 2) et la ou les anodes (3), à disposer les cathodes (1, 2) sensiblement selon les génératrices d'un cône épousant l'entrée de la première anode (3), et à introduire la matière à traiter par un tube situé dans l'axe du cône et de l'anode. Le fluide de constriction et de guidage des arcs (5, 6) est introduit le long de chaque cathode (selon 9', 9''), de manière à allonger les deux arcs et à déplacer les taches anodiques (12, 13) dans le sens axial vers la sortie de l'anode (3).

Description

Procédé et dispositif d'obtention de hautes températures

On connaît des dispositifs d'obtention de hautes tempé¬ ratures, dans lesquels on porte un fluide à haute températures en le faisant passer au sein d'une décharge d'arc entre deux électrodes. De tels dispositifs sont notamment utilisés en pro ection, soudage et réaction chimique à haute température, la matière à traiter étant introduite dans le plasma sous forme de poudre, de liquide ou de gaz.

Dans les disposit fs connus, l'arc est établi entre deux électrodes, dont l'une au moins est creuse, et la matière à traiter est introduite en général en aval de La zone ou l'arc est maintenu.

De tels dispositifs présentent plusieurs inconvénients : la matière à traiter pénètre plus ou moins dans Le plasma à haute température, d'où faible rendement du point de vue thermique ; vaporisation des parti¬ cules les plus fines, Lorsqu'il ^"s'agit de poudres et par suite de la non-unifor ité des échanges ther¬ miques entre plasma et matière à traiter ; obtention de revêtements médiocres, s'il s'agit de pro ection ou de soudure, et t -^> réactions chimiques non optimi¬ sées, s'il s'agit de synthèse, décomposition chi¬ mique ou destruction de déchets.

Le procédé suivant L'invention a pour but de remédier à ces nconvénients, tout en permettant de faire fonc¬ tionner de telles installations à une. puissance de plusieurs mégawatts.

Lorsque L'on tente, en effet, d'augmenter La puissance dissipée, on se heurte au problème du raccordement e L'arc aux électrodes et, en particulier, à la ca- t de, Lorsqu'il s'agit d'une cathode métallique re¬ froidie. On constate dans ce cas L'existence d'une tache cathodique de très petite dimension, c'est-à- dire des densités de courant très élevées, et au-delà de 1000 A La nécessité de procéder au déplacement de La tache cathodique par un tourbillon de gaz ou par un champ magnétique auxiliaire.

Ceci s'accompagne de divers inconvénients : fonction¬ nement instable de L'arc ; réglables pointus des di¬ mensions des électrodes et des débits ; tension d'arc très élevée (supérieure à 1 V) ; durée de vie limi- tée des électrodes (une centaine d'heures).

Le procédé suivant L'invention et Les dispositifs destinés à s i, réalisation permettent de remédier à ces inconvénients.

Suivaπ. L'invention Le procédé d'obtention de hautes températures est caractérisé en ce qu'il consiste à établir entre plusieurs cathodes et une ou plusieurs anodes creuses des arcs distincts, à maintenir un débit de gaz inerte entre Les cathodes et La ou Les anodes, à disposer Les cathodes sensiblement selon Les génératrices d'un cône épousant L'entrée de La première anode, et à introduire La matière à traiter par un tube situé dans L'axe du cône et de L'anode.

Le procédé suivant L'invention consiste encore à in¬ troduire Le fluide de constriction et de guidage des arcs Le Long de chaque cathode.

Pour mieux faire comprendre L'invention celle-ci est décrite maintenant avec plus de détails sur La base des dessins annexés, à titre d'exemples uniquement, montrant en :

Figure 1 une coupe d'un dispositif réalisant le pro¬ cédé suivant L'invention et ne comportant pour des raisons de simplicité que deux cathodes ;

Figure 2 Le schéma du raccordement électrique pour le dispositif de la figure 1 ;

Figure 3 une variante de La figure 1, dans Le cas de mat ères à traiter susceptibles d'être hautement agressives vis-à-vis de L'anode ;

Figures 4A, 4B, 4C des variantes de La direction de L'injection de fluide par rapport à L'arc dans Le cas de La figure 3 ;

Figure 5 une variante de La figure 3, dans Le cas de matières in ectées particulièrement réactives vis- à-vis de L'anode ;

Figures 6A et 6B respectivement un dispositif à arcs croisés et une vue de La configuration d'arcs croisés,et Figure 7 une variante des figures 6.

En se reportant à La figure 1, Les cathodes 1 et 2 sont hab tuel Lement en métal constituées d'une pointe réfractaire 14' et 14", soudées et brasées sur supports métalliques 15* et 15", refroidis par un fluide in¬ jecté en 10' par Les tubes 16' et 16" et évacué par 10".

L'anode 3 est commune et on introduit deux arcs 5 et 6. La matière à traiter est introduite par L'in- jecteur 4 à l'aide d'un fluide 8. La zone la plus chaude des arcs confondus 5 et 6 se trouve en 7.

Le fluide de constriction et de guidage des arcs 5 et 6 est introduit Le Long de chaque cathode en 9', 9", de façon à allonger Les deux arcs et à déplacer Les taches anod ques 12 et 13 dans Le sens axial vers La sortie de L'anode 3. On obtient de La sorte des arcs stables de bonne Longueur et des tensions rela¬ tivement élevées, donc une puissance électrique im¬ portante, principalement dissipée dans La zone 7 pai— courue par La matière à traiter. Les différentes électrodes sont refroidies par un fluide approprié (10', 10" pour Les cathodes ; 11', 11" pour L'anode).

Pour un dispositif tel que représenté en figure 1 Le raccordement électrique se fait conformément à La figure 2. Chaque cathode est reliée au pôle néga¬ tif d'un générateur de courant continu ou redresseur 17,18, dont Le pôle positif est relié à l'anode, qui dans Le cas représenté est commune.

Le courant 11 circulant dans L'arc entre La cathode 1 et l'anode 3 et Le courant 12 circulant dans L'arc ent re L a ca t hode 2 et L ' anode 3 sont rég l é s et a j us¬ t é s i ndép end ammen t pa r l e s d eu x red re s s eu rs 1 7, 1 8 .

L'exemple de cette figure 2 peut être aisément étendu à un plus grand nombre de cathodes et au même nombre de redresseurs. Au démarrage on fera usage d'un moyen connu, tel qu'une décharge pilote haute fréquence entre chaque cathode et L'entrée de L'anode. Afin d'assurer une Longue durée de vie aux électrodes, il est préférable de Limiter Le courant à chaque tache cathodique à une valeur d'environ 1000 A. Les pro¬ blèmes sont moins aigus du côté de La tache anodique, qui se répartit naturellement sur une plus grande surface, ce qui se traduit par des densités de cou¬ rant moindres.

Par contre, il est très important de positionner Les taches anodiques 12 et 13 aussi loin que possible en aval dans l'anode creuse, de façon à bénéficier pour une même intensité d'une tension d'arc et donc d'une puissance aussi élevée que possible. On ob¬ tiendra également de la sorte une zone de chauffage 7 plus importante et donc un meilleur échange thei— mique avec la matière à traiter.

Il arrive fréquemment que L'on soit amené à traiter des matières hautement agressives chimiquement à haute température. C'est pourquoi, on fera usage de pré¬ férence de fluides inertes en 9', 9" le long, des cathodes et l'on assurera La présence d'un fluide inerte à hauteur des taches anodiques 12 et 13. On fera usage à cet effet d'un gaz inerte ou non oxydant, tel que L'argon, L'azote, L'hélium ou l'hydrogène, ou d'un Liquide tel que de l'eau. L'rsque Les matières à traiter sont susceptibles d'être . Jtement agressives vis-à-vis de l'anode, par exemple s'il s'agit de faire réagir à haute température de L'oxygène atomique avec du TiCL4 en vue de L'obtention de Ti02, on fera utilement usage de La variante représentée en figure 3. Dans ce dispositif L'anode creuse est divisée en plusieurs parties 3a, 3b, 3c, 3d isolées électriquement Les unes des autres.

Ici, Les arcs 6 et 7 sont d'abord amorcés entre Les cathodes 1 et 2 et L'anode- 3a La plus proche par fei— meture des interrupteurs 19a, 20a. On allonge en¬ suite progressivement ces deux arcs en augmentant les débits de gaz 9' et 9", de façon à déplacer les taches anodiques 12 et 13 vers la deuxième partie de L'anode 3b, simultanément on enclenche les intei— rupteurs 19b, 20b et, dès que les taches anodiques ont atteint l'anode 3b, on interrompt la connexion de la première anode 3a en ouvrant les interrupteurs 19a, 20a. On peut, si cela est souhaitable, introduire à ce moment un fluide supplémentaire 22a par l'intei— valle 21a séparant L'anode 3a de l'anode 3b. On as¬ sure de La sorte un meilleur guidage de l'a"-- vers La sortie de L'anode 3b.

Cette injection de fluide peut prendre diverses di¬ rections par rapport à L'arc, parallèle, inclinée ou tangentielle comme représenté respectivement en figures 4A, 4B, 4C.

Cette upe de fluide froid stabilise La décharge, empêche des décharges parasites vers l'anode précé¬ dente, en maintenant Les taches anodiques 12 et 13 vers La sortie de l'anode 3b, et assure un refroidis- sèment supplémentaire de cette anode. En augmentant progressivement Les débits de fluide 9', 9" et 22a on fait glisser Les taches anodiques vers L'anode 3c, on ferme l'interrupteur 19c, puis on ouvre 19b, on introduit un fluide supplémentaire 22b par 21b et on transfère ainsi progressivement Les taches anodiques vers la sortie de la torche sur l'anode 3d.

Les réglages fins des différents débits permettent d'obtenir des arcs très stables, de grande longueur, fonctionnant à un ou à plusieurs kV, c'est-à-dire à un ou à plusieurs HW pour une intensité par cathode n ' excédant pas 1 kA.

La parfaite stabilité de La décharge permet d'éviter Les variations très brutales de courant que L'on ren¬ contre Lors de flash back sur des installations tra¬ ditionnelles, ce qui se traduit par une très sensible augmentation de La durée de vie des électrodes, con- dition sine qua non de l'utilisation de ces torches dans des processus chi iques ou métallurgiques desti¬ nés à fonctionner de Longues semaines sans interrup¬ tion ni démontage.

Les différentes anodes sont naturellement refroidies, si nécessaire, par un fluide approprié comme repré¬ senté en 11* et 11" en figure 1.

IL peut être souhaitable, Lorsque Les matières injec- tées sont particulièrement réactives vis-à-vis de L'anode 3, de déplacer avant injection de ces matières Les taches anodiques sur La face en aval de La dei— nière anode, comme représenté en figure 5, d'y main¬ tenir par injection de fluide Les taches anodiques 12 et 13 sur une anode 23 isoLée de 3d et protégée des éléments actifs du plasma par un fluide inerte 24. On peut utilement améliorer la stabilité de la décharge en faisant tourner Les taches anodiques sous l'action d'un champ magnétique auxiliaire 25 produit par l'enroulement 26.

Lorsque Les arcs 6 et 7, après fermeture des intei— rupteurs 19e et 20e, ont été accrochés par Leur tache anodique 12, 13 à L'anode 23, on procède à L'ouver¬ ture des interrupteurs 19d et 20d.

IL va de soi que L'anode 23 peut être refroidie par des moyens connus non représentés.

Dans Les dispositifs décrits ci-dessus il est parfois souhaitable de travailler à haute enthalpie avec des débits de fluide plasmagène relativement faibles et un écoulement axial non tourbi l Lonna re de type La¬ minaire. Si Le diamètre intérieur des anodes est relativement important, on disposera alors d'un cei— tain nombre d'arcs, autant que de cathodes, sensible¬ ment parallèles. Dans ce cas, iL est possible que la partie axiale du plasma soit à une température plus basse que celle de La zone périphérique. Afin de remédier à cet inconvénient, il est fait usage suivant l'invention d'un dispositif à arcs croisés, tel que représenté en figure 6A. Chaque anode est divisée en autant de segments que de cathodes. Le pôle positif de chaque redresseur étant systémati que- ment relié au segment d'anode décalé angulai rement par rapport à La cathode reliée au pôle négatif du même générateur.

En figure 6A on a représenté un dispositif à deux cathodes 1, 2 et à une anode composée de quatre an- neaux 3'a, 3'b, 3'c, 3'd, ces anneaux étant composés de deux segments refroidis, isolés électriquement et reliés chacun au pôle positif d'un des deux re¬ dresseurs.

L'inclinaison des cathodes 1, 2 et des jets auxiliaires 9',. 9" permet, après amorçage des arcs entre les ca¬ thodes et l'anode 3'a, de faire passer la tache ano- dique de chaque arc à un segment d'anode décalé an- gulairement de 60° sur L'anode 3'b, de 120° sur l'anode 3'c et de 180° sur L'anode 3'd. On obtient de La sorte la configuration d'arcs croisés 6 et 7 représentés en figure 6B.

Dans une variante de cette réalisation chaque cathode est suivie d'une tuyère d'amorçage et de guidage et Le jet de plasma, qui sort de cette tuyère d'amorçage, est directement orientée vers le segment d'anode dis¬ posé à 180°. Le dispositif est représenté .en figure 7. Dans une autre variante ces tuyères sont rempla¬ cées par une anode unique percée d'un certain nombre de passage autant que de cathodes et servant à cana¬ liser et orienter Les plasmas à l'amorçage.

Les dispositifs décrits ci-dessus ne Le sont qu'à titre d'exemples. Il va de soi que L'un ou L'autre de ces dispositifs peut être combiné avec d'autres moyens connus destinés à amener plus d'énergie dans le plasma, comme par exemple Les réactions exothei— miques, le chauffage par induction ou par décharge haute tension basse ou moyenne fréquence dans l'écou¬ lement turbulent à La sortie de L'anode.

En particulier, dans le cas de destruction de déchets ces derniers peuvent être introduits après avoir été préchauffés par passage dans un brûleur traditionnel.

Claims

Revendications

1. Procédé .d'obtention de hautes températures pour un fluide, caractérisé en ce qu'il consiste à établir entre deux ou plusieurs cathodes (1, 2^N et une ou plusieurs anodes creuses (3) des arcs distincts (5, 6), à maintenir un débit de gaz inerte entre les ca¬ thodes (1, 2) et La ou les an des (3), à disposer les cathodes (1, 2) sensiblement selon Les généra¬ trices d'un cône épousant L'entrée de La ou de La première anode (3), et à introduire la matière à traiter par un tube situé dans L'axe du cône et de L'anode.

2. Procédé suivant la revendicat on 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire Le fluide de cons¬ triction et de guidage des arcs (5, 6) le long de chaque cathode (selon 9', 9"), de manière à allonger Les deux arcs et à déplacer es taches anodiques (12, 13) dans Le sens axial vers La sortie de l'anode (3).

3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à positionner Les taches ano¬ diques (12, 13) aussi loin que possible en aval dans l'anode creuse (3), de manière à obtenir pour une même intensité une tension d'arc, et donc une puissance, aussi élevée que possible.

4. Procédé suivant La revendicat on 1, caractérisé en ce que l'anode creuse (3) est divisée en plusieurs parties '3a, 3b, 3c, 3d) isolées électriquement Les unes des autres avec- injection de gaz entre Les par¬ ties d'anode.

5. Procédé suivant La revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer, avant injection de matières particulièrement réactives vis-à-vis de L'a¬ node (3), Les taches anodiques (12, 13) sur La face en aval de La dernière anode (3d⁾ et à y maintenir par injection de fluide Les taches anodiques (12,13) sur une anode (23) isolée de L'anode (3d) et proté¬ gée des éléments actifs du plasma par un fluide i- nerte (24).

6. Procédé suivant La revendication 5, caractérisé en ce qu'il . consiste à faire tourner Les taches ano¬ diques (12, 13) sous L'action d'un champ magnétique auxiliaire (25) produit par un enroulement (26).

7. Procédé suivant une ou plusieurs des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que chaque anode (3) est divisée en autant de segments que de cathodes, Le pôle positif de chaque redresseur étant systéma¬ tiquement relié au segment d'anode déc-alé angulaire- ment par rapport à La cathode reliée au pôle négatif du même redresseur.