Brevet FR2027329A1 — publié le 19700925

L'invention concerne des perfectionnements aux torches à plasma, et en particulier mais non exclusivement à des appareils destinés au nettoyage de rails de chemins de fer en vue d'améliorer l'adhérence des roues. 5 Un inconvénient de l'utilisation sans transfert d'une torche à plasma comme dispositif de nettoyage de rais est l'entretien que nécessite la durée d'utilisation relativement courte de l'anode. Cette "vie" relativement courte est due à la formation d'une racine d'arc en anode fondue ayant une forte densité 10 de courant. Sur des anodes de cuivre propres, la densité de courant à la racine de l'arc peut atteindre 5 x 10"^ampères par g cm . Un refroidissement local efficace est nécessaire pour empêcher le point chaud de brûler la paroi de l'anode, et, en dépit des précautions, il se produit une rapide érosion de l'anode, en 15 particulier avec des gaz réactifs tels que l'azote et l'hydrogène. L'invention vise à éliminer ou à réduire cet inconvénient et à obtenir une durée d'utilisation plus longue de l'anode. À cet effet, dans une torche à plasma suivant l'invention, on s'arrange pour réduire la densité de courant à la ra-20 cine de l'arc en maintenant la température globale de l'anode à une valeur élevée ou en obligeant la tache anodique à tourner. En. portant la température globale de l'anode de la température ambiant* à 500*, on peut obtenir une réduction de la densité de courant à la racine de l'anode pouvant atteindre mille fois. A 25 des températures inférieures, on peut obtenir une réduction proportionnellement plus faible, tout en obtenait une réduction appréciable à 250°. La température globale de l'anode peut être augmentée - en pratique par un ou plusieurs des procédés suivants : 30 1) chauffage effectif du bloc anodique, par exemple au moyen d'une résistance de chauffage noyée dans ce bloc. 2) augmentation de la température à laquelle un fluide réfrigérant circule à travers le bloc anodique. 3) fonctionnement de la torche à une température ano-35 dique plus élevée, pai* usage d'une anode refroidie par gaz et constituée en une matière réfractaire. Sur les dessins annexés, on a représenté schématique-ment et à titre d'exemples divers modes de mise en oeuvre de l'invention. 40 Ma figure 1 est une coupe diamétrale du bloc anodique BAQ ORIGNAL 69 44943 2 2027329 d'une torche à plasma et montre les éléments de chauffage dans ce bloc. La figure 2 est un schéma montrant un courant de réfrigérant qui passe à travers l'anode d'une torche. 5 La figure 3 est une coupe diamétrale d'une anode en matière réfractaire refroidie par gaz. La figure 4 est une coupe diamétrale montrant des moy- l ens pour faire tourner la tache anodique. Sans la réalisation de la figure 1, une résistance de 10 chauffage isolée 1 est "entrelacée" à travers une série de» par exemple , huit trous 2 qui s * étendent axialemant à travers vu bloc anodique de cuivre 3 dans lequel cea troua aont percés, également répartis sur une circonférence, au\oisinage immédiat de l'ouverture 4 de l'anode aga-dessous d'une cathode 5• Le reste 15 de la torche à plasma peut être de construction connue, avac des moyens pour introduire le gaz, par exemple de l'asote oçl sa mélange d'azote et d'hydrogène» aàtour de la cathode 5» et pour faire circuler de l'eau servant de réfrigérant depuis une entrée 6 dans une chambre de refroidissement annulaire ? perde dama 23 le bloc 3 et aboutissant à une sortie 8. Daaaun exemple typique, une puissance de 7 kiloiratta pour l'élément chauffant 1 lit d'ébullition élevé tel qu'un fluide que l'on peut Ireufar im i le commerce à base de fluorure de carbone ou de ailiceM et *ul ; joue le rôle d'un réfrigérant est mis en circulation an moyen d'une pompe 10 à travers le bloc anodique 3' de la tarehe h plaa-30 ma et à travers un échangeur thermique 9» le fluide étant chaaf-fé par son passage à travers la torche et ayant ensuite sa température abaissée dans l'échangeur thermique. Il est avantageux que le refroidissement de l'échangeur thermique 9 soit tel que le fluide atteigne une température d'équilibre d'environ 500* à 35 son entrée dans le bloc anodique 3* » le fluide ayant un point d'ébulliton supérieur à cette température de travail. L'anode est maintenue à cette température élevée par la chaleur fournie par la torche elle-mtme. Le réfrigérant mis en circulation sert, comme dans les torches à plasma classiques, à réduire le chauf-40 fage local intense à la racine de l'arc, mais l'augmentation de BAB ORIGINAL 69 44943 3 2027329 la, température globale de l'anode a pour conséquence la réduction voulue de la densité de courant. Le matériau à base de caoutchouc utilisé en général pour réaliser les joints étanches du système réfrigérant est remplacé par un matériau à "base de 5 silicone ou de fluorure de carbone résistant aux températures élevées. Le mode de réalisation de la figure 3 perme't de faire fonctionner la torche à une température anodique très élevée. Il utilise un bloc anodique 3" en un maténau réfractaire à faible 10 conductibilité thermique tel que du tungstène, du carbone ou un matériau réfractaire à base de bore ou de nitrure de silicium, le bloc anodique 3" ést refroidi par gaz. A cet effet, ion gaz réfrigérant est admis en 11 dans une chambre annulaire 12 du bloc 3* et en sort par un passage annulaire oblique 13 pour dé-15 boucher dans l'ouverture 4 de l'anode, qui est ainsi refroidie par une pellicule gazeuse réfrigérante sur sa surface. Le gaz réfrigérant doit être choisi de façon à ne pas réagir avec l'anode chauffée. Dans le cas d'une anode en tungstène, un gaz approprié est de l'argon. Un exemple typique de débit du gaz réfri-20 gérant est de 36 litres par minute dans le cas où le débit du gaz principal introduit autour de la cathode 5 est également de 36 litres par minute. Quand l'anode-est? en- matériau réfractaire, elle peut fonctionner à une température beaucoup plus élevée qu'une anode 25 normale, c'est-à-dire jusqu'à 2500°. Même à des températures comprises entre 1000 et 2000°, la densité de courant à la racine de l'arc est réduite de telle façon que l'on obtienne une tache anodique diffuse. Le chauffage et l'érosion locaux de l'anode sont ainsi également réduits. En outre, le gaz réfrigérant qui 30 rencontre la flamme traversant l'anode augmente le rendement de ' la torche. La figure 4 montre une réalisation dans laquelle on s'arrange pour faire tourner rapidement la -tache anodique, ce qui augmente en fait la surface de cette tache et réduit donc 35 la densité de courant. La rotation de la tache peut être réalisée à l'aide d'un champ magnétique intense produit par une bobine 14 disposée autour du bloc anodique 3°' et alimentée en courant continu. Un champ magnétique de l'ordre de 0,1 à 0,5 Webers par mètre carré' convient à cet effet. Le courant de la 40 bobine 14 peut être fourni par une source distincte ou être 69 44943 2U2/*zv dérivé de l'alimentation de la torche par connexion de la bobine en .aérie ou en parallèle avec la torche. les caractéristiques des modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinées pour obtenir la réduction vou-5 lue de la densité de courant à la racine de l'arc. BAQ ORIGINAL 69 44943 5 2027329 REVJhlAlDI CATIONS 1 - Torche à plasma, caractérisée en ce an*on s'arrange pour réduire la densité de courant à la racine de l'arc en maintenant la température globale de l'anode à une valeur élevée 5 ou en obligeant la tache anodique à tourner. 2 - Torche suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la température globale de l'anode est maintenue aux environs de 500°. 3 - Torche suivant une quelconque des revendications 1 10 ou 2, caractérisée en ce que l'anode est chauffée par une résistance disposés dans le bloc anodique. 4 - Torchs'suivant une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un fluide chaud à point d'ébullition élevé est mis «n circulation à travers l'anode pour jouer le rôle 15 d'un réfrigérant. 5 - Torche suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'anode est en un matériau réfractaire, est refroidie par - gas, et fonctionne à une température de 1000° ou davantage. 6 - Torche suivant la revendication 5* caractérisée en 20 es que le gae réfrigérant, après avoir traversé une chambre ménagés dsnB le bloc anodique, sort dans l'ouverture anodique. 7 - Torchs suivant la revendication 1, caractérisée en es qu'un chasip magnétique produit par une bobine disposés autour ds l'anode oblige la tache anodique à tourner. 25 8 - Application d'une torché suivant une quelconque des revendications précédentes pour le nettoyage des rails de chemin de fer. BAD original