Brevet FR2000060A1 — publié le 19690829

L'invention se rapporte aux dispositifs de chauffage à haute température utilisant des décharges de gaz ionisé dans des chambres pour la fusion, le raffinage et d'autres traitements de matériaux variés tels que les aciers et autres alliages Il est bien connu d'utiliser des canons électroniqties pour de telles applications de chauffage et dans des dispositifs de ce type, des électrons provenant d'un emetteur thermoionique sont accélérés et focalisée dans un champ électrique de façon à frapper et chauf- fer le matériau à travailler. Dans la pratique actuelle, des vides relativement durs, de l'ordre de f014 mm de Hg ou mieux, sont requis pour permettre les parcours libres moyens de la longueur nécessaire. Un tel équipement est motteux et fait ltobjet de limitations sévères du niveau de puissance. On a également proposé déjà la combinaison de faisceaux d'électrons avec des décharges dans un environnement gazeux et c'est à une combinaison de ce genre que fait appel la présente invention. Suivant l'invention, une cathode en matériau réfractaire tel que le tungstène est placée en relation dans un circuit avec la pièce à chauffer dans une chambre susceptible d'être vidée à des ni veaux de pression de l'ordre de 10 mm de Hg. Un générateur de plasma de puissance relativement faible est dispose dans un circuit séparé et l'on s'arrange pour que son effluent vienne frapper la Ca- thode du circuit de travail ; cette dernière -Yoit ainsi sa température s'élever à des niveaux oW il se produit une émission thermoio- nique d'électrons.En même temps, un courant de plasma électrique- ment neutre se prolongeant au-delà de la cathode sert à créer et à maintenir un parcours de faible résistance entre la cathode et la pièce. Une alimentation de puissance relativement importante, qui peut être en courant alternatif ou en courant continu comme on le verra ci-après, est couplée à ce parcours pour établir une décharge en arc. La pièce est ainsi effectivement chauffée par bombardement électronique et en outre par recombinaison de particules de gaz à partir de l'état de plasma. La chambre dans laquelle opère l'appareil selon l'invention est ensemencée d'une manière continue avec un gaz approprié mais à des débits de masse faibles simplement suffisants pour entretenir le processus. Des pompes à vide peuvent ainsi aisément maintenir la faible pression requise en comparaison des processus usuels à canons électroniques où des vides beaucoup plus durs sont nécessaires. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en référence aux dessins annexes dans lesquels la figure 1 est une vue er. élévation en coupe partielle et sous forme schématique d'un système de chauffage montrant la relation entre composants essentiels la figure 2 montre un agencement semblable à celui de la figure 1 avec une variante de réalisation de l'élément formant cathode ; les figures 3, 4, 5 et 6 sont des représentations schématiques de divers agencements possibles dans le cadre de l'invention. Suivant la forme de réalisation choisie et représentée à la figure 1, la référence 7 désigne l'ensemble d'une chambre à l'intérieur de laquelle peut s'effectuer le processus de chauffage et de raffinage. Au sommet de la chambre 7 est disposé un générateur de flamme de plasma du genre décrit dans le brevet Etats-Unis 3 027 447. Un tel générateur comporte essentiellement une cathode 8 disposée à une certaine distance d'une anode tubulaire 9 et électriquement isolée de celle-ci. Une source de puissance 10 établit un potentiel approprié entre cathode 8 et anode 9. Un gaz formant plasma est délivré à travers une vanne ou robinet Il vers la région annulaire entourant la cathode 8 et support une colonne d'arc entre les électrodes. Le courant résultant de plasma s'étend à l'intérieur de la chambre à vide 7 en une colonne uniforme. Il y a très peu de gaz dans la chambre et par conséquent la directvit6 et l'uniformité de la colonne se trouvent maintenues sur une distance de l'ordre du mètre. La flamme de plasma dans le générateur ainsi constituée se comporte selon le mode sans transfert ; c' est-à-dire que le circuit de l'arc se ferme par l'anode 9 du générateur lui-même et non pas par la pièce extérieure ou une autre électrode plus éloignée, le résultat est un courant de plasma libre dont ltensemble est désigné par la référence 12 ; ce courant est électriquement neutre et comporte des électrons, des atomes de gaz, des atomes de gaz dissociés et des ions. Les particule s du courant t2 possèdent un moment suffisant pour pénétrer dans un émetteur réfractaire conique t3 aus- pendu mécaniquement par des bras 14 de telle sorte que son axe se trouve aligné avec celui de l'anode 9. émetteur 13 8 connecté électriquement aux bornes d'une sour- ce de puissance 15 avec ma creuset 16 contenant un métal ou autre ma- tériau conducteur à faire fondre, à raffiner ou à traiter de toua autre /maniere. Un circuit d'arc est ainsi établi au travers de l'interval- le entre émetteur 13 et creuset 16. Le courant de plasma 12 remplit deux fonctions importantes : premièrement, il porte l'émetteur 13 à des températures élevées où a lieu une émission thermoionique d' électrons ; deuxièmement, le courant 12 se poursuit à travers et au-delà de l'émetteur 13 pour former un parcours conducteur disponible pour le passage de l'arc à haute énergie. Lorsqu'un haut degré de stabilité directionnelle n'est pas requis, par exemple dans le cas d'une pièce de grande surface qui doit être simplement chauffée, le générateur de plasma doit être arrêté 'une fois que l'arc principal indiqué en 17 est établi. Dans de tels cas, la condition d'entretien est assurée par le maintien de l'émet- teur 13 aux température d'émission par l'arc 17. Toutefois, il est en général désirable de maintenir en permanence le plasma pilote 12 de manière à assurer la stabilité directionnelle et à délivrer en continu un débit d'atomes de gaz en quantité suffisante pour le maintien de l'arc principal 17. On comprendra que la fusion, le raffinage et d'autres proces @us sont à effectuer à des pressions réduites (normalement 10-1 à 10-2 a de Hg) et uae pompe appropriée 18 est prévue pour maintenir la pression au niveau réduit ainsi fixé. les processus selon l'in- vention travaillent au mieux avec une colonne d'arc stable bien dirigée comme indiqué. Des intensités de courant élevées dans les conducteurs 20 peuvent établir des champs magnétiques selon des directiens perpendiculaires à l'axe de la colonne d'arc désirée et en affecter ainsi de manière adverse la directivité.Ces influences non désirée peuvent titre évitées par la disposition d'une plur,ali- té de conducteurs eymétriquement autour de l'émetteur 13 de façon à diviser le courant d'arc en composants égaux. Chacun de ces conduc tueurs peut provenir de sources 15 séparées fonctionnant en parallèle. Par réglage des niveaux de puissance des différentes sources, il est possible d'égaliser les courants ou de les faire varier pour diriger le courant d'arc exactement là où on le désire. Lorsqu'on ne désire aucun effet de flux de ce genre, on peut utiliser des écrans 21 de grande perméabilité pour confiner les flux de fuite et isoler à leur égard le courant d'électrons et de plasma. Dans ce cas, un seul conducteur 20 pourra suffire. La figure 2 montre un agencement semblable, mais utilisant un émetteur 13a on forme de simple tige avançant dans le courant de placé 12 à travers la paroi de la chambre 7 (chambre non représentée sur cette figure). Cette disposition offre l'avantage de simpli fier le montage de la cathode et de permettre la modification de sa position dans la chambre pour répondre aux besoins de divers travaux Le remplacement de la cathode à travers un manchon ménagé à cet ef fet dans la paroi de la chambre 7 est également facilité. Il y a diverses variantes de circuits comportant le générateur de plasma, l'émetteur 13 et le creuset de travail qui pourront présenter une utilité dans diverses applications particulières. On peut par exemple mettre à profit l'effet d'entretien d'arc d'un générateur de plasma à- fonctionnement continu, pour avantageu sement utiliser une source de puissance à courant alternatif; Aux instants de passage par zéro du potentiel (et l'on a utilisé avec succès des sources d'une fréquence de 60 cycles) l'arc, qui pourrait sans cela être complètement éteint, est facilement rétabli. Ceci montre qu'entre la désionisation et la réapplication du potentiel l'arc n'est pas perdu, le courant de plasma 12 continuant à assurer l'ensemencement de la région de la colonne d'arc 17 avec des parti cules ionisées. Ainsi la pièce est continuellement chauffée en 16 avec un courant continu pulsé, le système agissant à la manière d'un redresseur demi-onde.En outre, l'inertie thermique de l'émetteur 13 aide à maintenir les conditions de réaSparition de l'arc. Un agencement utilisant du courant alternatif polyphasé est fa cilement adaptable aussi système général considéré. Un tel circulez est représenté schématiquement à la figure 3 ; l'élément émetteur 13 est répété dans ce cas dans trois zones d'arc, chaque cathode formant l'une des branches d'une source triphasée 19 en étoile. Dans un tel circuit, on évite la nécessité d'alimentations redressées de puie; sance élevée qui sont relativement coûteuses. Les trois générateurs de plasma peuvent être montés en série en regard de la source 10.On notera que cette dernière est séparée électriquement de l'ensemble du système d'arcs principal et pourra être par conséquent d'un t1 destiné aux générateurs de plasma de puissance relativement faible Un autre agencement intéressant comporte l'exploitation du géné- rateur de plasma en polarité inverse rendant possible ainsi ltutili- sation d'une masse commune entre le circuit générateur de pla=s et le circuit d'arc principal. Ceci est montré à la figure 4 oW un g4- nérateur de plasma comporte une cathode tubulaire 20 montée dans L circuit, par l'intermédiaire de la colonne d'arc 21, avec une anode 22 en forme de puits.Du gaz est introduit tangentiellement à la baas du puits d'anode comme indiqué et également par un anneau 23 qui sert aussi dtiaolateur entre cathode et anode. Un tel anneau est dé- crit dans le brevet Etats-Unis n 3 027 446. La colonne d'arc 21 est établie au moyen d'une source appropriée 24 et elle est stabilisée en gaz à l'intérieur du générateur selon une technique maintenant courante. Dans cet agencement, la cathode 20 est choisie suffisamment grande pour jouer le rifle de 1' émetteur séparé 13 de la figure 1. En d'autres termes, la cathode 20 est maintenue à des températures d'émission et forme la borne négative d'une colonne d'arc principal 25 supportée par le courant de plasma et entretenue par une source principale 26. la borne positive se trouve ici encore au creuset 16.En outre, l'alimentation de la colonne d'arc principal peut s'effectuer ici aussi en courant alternatif. Le point commun de masse-27 rend possible l'utilisation dXune source d'énergie de plasma en liaison avec une, source d'énergie d'arc principal de puissance de plusieurs ordres de grandeurs supérieurs, sans que la source la plus petite soit surchargée, tout en conservant l'utilisation d'un émetteur commun, en loccurrence la cathode 20. Si le générateur de plasma de la figure 4 est exploité avec une polarité directe, l'absence d'un point de masse commune pour les sources 24, 26 rend nécessaire l'ouverture d'un contacteur 28 et l'exploitation de l'arc 25 en système auto-entretenu. Ceci peut s' effectuer avec un détecteur de courant dans la source de courant go pour arrêter le générateur de plasma lorcque l arc principal s'établit. Aux faibles niveaux de puissance (pour usage de laboratoire ou expérimental) les deux sources 24 et 26 peuvent être compatibles au point de permettre un fonctionnement continu simultané des deux arcs. Il est également possible d'exploiter un système tel qu'inaì- qué à la figure 5 où une seule source 30 de grande puissance est utilisée pour desservir le générateur de plasma d'une part et l'arc principal d'autre part. Cet agencement a les avantages additionnels d'un transfert temporaire de l'arc du générateur de plasma directement à l'émetteur principal en vue d' un chauffage initial rapiae de celui-ci aux niveaux de températures désirées; le générateur d'arc est ensuite commuté sur sa propre anode 9. Des résistances de limitation 29 permettent un écoulement continu d'une flamme de plasma de faible puissance pour contribuer à l'entretien de l'arc principal tel que décrit en référence à la figure 1. Le tableau ci-après de conditions va clarifier le fonctionnement des circuits de la figure 5. Opération Positions des contacts C1 C2 C3 C4 1. Démarrage (générateur pilote) fermé ouvert ouvert ouvert ouvert 2. Emetteur de chaleur; transfert de l'arc fermé ouvert ouvert fermé Exploitation ; arc du générateur non transféré ouvert fermé fermé ouvert Dane les conditions d'exploitation, l'anode 9 est le siège d'un courant faible et un courant important 'écoule Far la colonne d'arc de l'émetteur 13 à la pièce. L'agencement de la figure 6 utilise deux sources d'énergie, une pour le générateur de plasma et l'autre pour l'arc principal de gran- de puissance. L'émetteur 13 peut être placé initialement en circuit avec la cathode 8 par ouverture de C5 et fermeture de C6. Ainsi le générateur de plasma est dans le mode transféré pour amener rapidement l'émetteur 13 à la température d'émission. Après fermeture de C7 et ouverture de C5 et C6, le système fonctionne avec un générateur de plasma isolé électriquement, limité par une résistance appropriée R1 et assurant l'ensemencement d'un arc principal de puissance entre 1 a émetteur 13 et la pièce comme dans le cas de la figure 1.Dans le cas d'installations de grande puissance, il est avantageux d'envisager un fonctionnement temporaire du générateur de plasma dans le mode transféré avec sa colorie d'arc aboutissant di rectement à l'émetteur 13. Une fois que l'are est établi, le générateur de plasma est retourné au mode non transféré ou bien dans certains cas, il peut être completement arrêté. l'invention offre un certain nombre d-'avantages importants en regard des dispositions connues. En macro-métallurgie où l'on oit raffiner de grandes quantités de matériaux, il est difficile, sinon impraticables de maintenir les vides durs requis pour le fonction- nement des canons électroniques. Par ailleurs, les niveaux de puis- sance élevés requis pour un fonctionnement effectif sur une large échelle ne sont pas facilement réalisés avec des émetteurs usuels dans un circuit d'arc avec la pièce. Un grand élément réfractaire peut être utile en cas de chauffage direct avec un courant de plasma, ce courant assurant en outre une colonne d'arc bien définie pour le circuit de chauffage principal. On a expérimenté avec tels cès des installations suivant la présente invention à des niveaux de puissance inférieurs à 10 kW dans le générateur de plasma et pouvant atteindre 100 kW dans le circuit de chauffage à l'arc avec des arcs d'une longueur de l'ordre de 3 mètres. Il ne semble pas qu'il y ait de limites théoriques à l'agencement décrit, et dans la pratique de très grandes surfaces de pièces ont pu être chauffées, fondues ou soumises à d'autres traitements. A cet égard, il convient d'indiquer qu'alors qu'un creuset de fusion a été représenté à titre 'illustration, l'invention peut être également utilisée pour des traitements à chaud, nettoyages ou encore le dépôt de poudres d'alliages en vue de la réalisation de revêtements. La pièce peut être également vaporisée et les vapeurs métalliques résultantes condensées sur des surfaces d'objets placés dans la chambre dans ce but. Dans un processus de ce genre, il est possible de dévier l'arc principal pour le diriger à un endroit situé en dehors de 1' axe du système ; dans ce cas, les ions de vapeur métallique ont moins de chance de s'écouler en retour par la colonne d'arc vers l'émetteur. L'objet à revêtir est placé dans la chambre 7 et peut être placé au potentiel de la cathode pour faciliter cette action. L'invention s'étend ainsi à toutes modifications des dispositions décrites qui apparattront aisément à l'homme de l'art. R E V E N D I C Â m O N S 1) dispositif à haute température comportant des moyens formant une chambre à vide partiel et des moyens pour supporter une pièce à l'intérieur de cette chambre, le dispositif étant caractérisé par un émetteur réfractaire espacé de la pièce, un générateur de plasma pour chauffer le dit émetteur à des niveaux de températu- re d'émission électronique et fournir un courant de plasma s'étendant au-delà de l'émetteur vers la dite pièce et par une source d' énergie électrique adaptée à entretenir une colonne d'arc entre 1' émetteur et la pièce. 2) Dispositif selon 1) où l'émetteur sert également de cathode de à l'égard du générateur de plasma. 3) Dispositif selon 1) ou 2), où l'émetteur présente la forme d'un tronc de cône creux. 4) Dispositif selon 1), 2) ou 3), où la source d'énergie éle- trique est une source de courant alternatif branchée entre émetteur et pièce. 5) Dispositif selon 1), 2), 3) ou 4), comportant des moyens de commutation pour transférer sélectivement un arc du circuit du géné- rateur de plasma sur l'émetteur. 6) Dispositif à haute température selon l'une quelconque de revendications précédentes, caractérisé par une pluralité d'émetteurs réfractaires écartés de la pièce à traiter, un générateur de plasma pour chauffer chacun des dits émetteurs à des niveaux de teg pératures d'émission électronique et pourlldélivrer des colonnes de gaz au moins partiellement ionisé entre chacun des émetteurs et la pièce, et des moyens d'alimentation d'énergie pour établir et mair tenir un ensemble correspondant de colonnes d'arc entre les dits émetteurs et la. dite pièce. 7) Un dispositif selon 6), la source d'énergie en question eai; une source polyphasée avec un émetteur dans chacune de ses phases.