Brevet FR2217902A1 — publié le 19740906

L'invention est relative à des perfectionnements à des générateurs de plasma, et elle concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, des dispositifs permettant la production de plasma dans des gaz oxydants, tels que l'air ou l'oxygène. La production de plasma dans de tels gaz avec les dispositifs usuels utilisés à ce jour, notamment des chalumeaux à plasma, est extrêmement difficile, voire impossible, en raison de l'usure importante et rapide des électrodes de ces dispositifs sous les actions conjuguées de leur température de fonctionnement et de la réactivité de ces gaz oxydants. Dans le cas de chalumeaux à plasma pourvus d'une alimentation électrique autonome, on observe que ltélectrode la plus sollicitée sur le plan de l'usure est la cathode, surtout lorsque le chalumeau à plasma est alimenté en courant continu.On observe en effet que les zones de la cathode qui interviennent directement dans la production de l'arc électrique (tâche cathodique) sont portées à une température très élevée, notamment plus élevée que la température des points correspondants de l'anode, de sorte que ces cathodes subissent une usure rapide, même lorsqu'elles sont constituées en un métal aussi réfractaire que le tungstène et pourvues d'un circuit de refroidissement énergique. L'invention a donc pour but de remédier à ces difficultés, notamment de rendre leurs électrodes, notamment la cathode dans le cas d'un chalumeau à plasma, telles qu'elles permettent un fonctionnement prolongé de ces dispositifs, sans usure excessive de l'électrode. Le générateur de plasma selon l'invention, qui comporte un organe d'éjection d'un fluide plasmagène, notamment d'un gaz plasmagène oxydant, sous la forme d'un courant gazeux, et au moins une électrode apte à participer à la création et au maintien d'un arc électrique dans ce courant gazeux, est caractérisé en ce qu'au moins la zone de cette électrode qui participe directement à la formation de cet arc est pourvue d'un revêtement essentiellement formé d'un ou plusieurs oxydes réfractaires présentant une tension de vapeur faible et une conductivité électrique suffisante pour permettre le passage du courant nécessaire à la formation de l'arc à la température à laquelle est portée la susdite zone au cours du fonctionnement du dispositif. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le susdit dispositif est constitué par un chalumeau à plasma, dont la cathode est pourvue du susdit revêtement, notamment dans celles de ses parties qui sont directement sollicitées par l'arc électrique formé entre cette cathode et l'anode. Un oxyde réfractaire qui peut etre utilisé avec avantage pour la constitution du susdit revetement est constitué par la zircone ZrO2, contenant le cas échéant une certaine proportion d'oxyde de calcium CaO, ou de l'oxyde d'yttrium Y203 ou des oxydes de terre rare. En particulier on utilise avec avantage une zircone frittée, stabilisée par environ 5% de chaux, cette dernière pouvant avoir un rôle non négligeable sur l'émission électronique à p a r t i r du revêtement réfractaire qui est porté à haute température pendant le fonctionnement du générateur de plasma. Ce revêtement peut être formé sur les zones concernées de l'électrode par tous moyens aptes à réaliser une bonne adhérence de ce revêtement sur son substrat. On pourra en particulier avoir recours à une agglomération des oxydes réfractaires sur le substrat par cuisson, par exemple vers 2000C lorsqu'il s'agit de la zircone stabilisée par de la chaux. Par exemple on peut avoir recours à la zircone stabilisée à la chaux commercialisée sous la désignation "Ciment Desmarquest" et déposée sur le substrat comme recommandé par son fabricant. L'adhérence de ce revêtement à ce support sera encore améliorée en ayant recours à son chauffage par des gaz chauds produits par un dispositif auxiliaire, notamment un chalumeau à plasma.Elle sera complétée par l'amorçage du chalumeau à plasma lui-même, dont l'électrode pourvue du susdit revêtement constitue la cathode, cet amorçage étant obtenu dès que le revêtement aura été porté à une température suffisante par les susdits moyens auxiliaires, pour lui permettre de devenir suffisamment conducteur de l'électricité pour autoriser cet amor çage. La mise en fonctionnement du générateur entraîne la fusion en surface de ce revêtement et le frittage de la partie sousjacente, le revêtement présentant alors, après extinction de l'arc, un aspect bien caractéristique : à la surface, une couche d'oxyde réfractaire solidifié et, entre celle-ci et le substrat, un oxyde réfractaire fritté et adhérent solidement au substrat. L'épaisseur qu'il convient de donner au revêtement dépend des caractéristiques thermiques et électriques des oxydes utili sés. A titre purement indicatif, cette épaisseur pourra être de l'ordre de 1 à 5 mm, dans le cas où l'on utilise de la zircone stabilisée par de la chaux. Un revêtement ayant une épaisseur inférieure à 1 mm tendrait à s'écailler. Pour des épaisseurs supérieures à 5 mm, le revêtement deviendrait trop isolant, même à haute température. On obtient ainsi un générateur de plasma qui peut être alimenté avec un gaz oxydant sans qu'il en résulte une usure excessive de la cathode. Un autre avantage de l'invention réside également dans le fait que l'on peut avoir recours à une plus grande variété de métaux pour constituer le substrat, notamment l'ensem- ble de la cathode. Le tungstène qui était antérieurement utilisé de façon courante peut être remplacé par d'autres métaux ayant certes un point de fusion encore assez élevé, mais très inférieur à celui du tungstène. Par exemple, le substrat peut être réalisé en un acier inoxydable du type acier austénitique au chromenickel, lequel résiste relativement bien à l'oxydation jusqu'à une température de l'ordre de 1150 C, contenant par exemple 25% de chrome et 20% de nickel.On peut également, par exemple utiliser d'autres types de métaux et alliages peu oxydables, tels que les alliages au chrome-nickel ne comprenant pas de fer, ou n'en contenant que très peu. D'autres métaux, même oxydables à température modérée, sont également utilisables si les dépôts sont réalisée en atmosphère neutre ou réductrice. Une bonne réfrigération du substrat évite, même en milieu oxydant, sa détérioration. Il est clair que l'on pourrait éventuellement également protéger l'anode du chalumeau à plasma en question de la même façon. En général une telle protection ne se révèle cependant pas nécessaire. Comme on l'a déjà indiqué plus haut, l'anode est moins sollicitée thermiquement que la cathode, lorsque le chalu meau à plasma est alimenté en courant continu. Par ailleurs, l'anode est en général constitué par une pièce massive de cuivre dont la réfrigération peut en général être réalisée plus facilement que celle de la cathode. L'invention n'exclut cependant pas la possibilité de recourir à une telle protection de l'anode, notamment dans certaines applications où l'utilisation de.chalu- meaux ayant des électrodes réfractaires de me me nature est désirée, de tels chalumeaux étant en général alimentés avec un courant alternatif ou pulsé. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront encore au cours de la description qui suit de générateurs à plasma conformes à des modes de réalisation préférés de l'invention, notamment en rapport avec le dessin dans lequel la figure unique montre en coupe simplifiée un tel générateur à plasma ets en traits interrompus, des équipements annexes susceptibles de coopérer avec celuici. Le générateur représenté en traits pleins dans la figure unique est constitué par un chalumeau à plasma 1 qui comprend - une anode 2 en cuivre électrolytique, comportant un circuit de réfrigération avec circulation d'eau (non représenté), cette anode comprenant un canal central 4 ;; - une cathode 6 logée à l'intérieur de ce canal 4, l'extrémité 8 de cette cathode étant en retrait vis-à-vis de l'extrémité libre 10 de l'anode, cette cathode étant en outre pourvue d'ira circuit de refroidissement 12 alimenté en fluide réfrigérant, notamment en eau, par une entrée 14, ce liquide de refroidisse ment étant évacué en 16 - un tube de silice ou analogue 18 entourant la partie supérieure de la cathode et logé dans lawpièce portant l'anode, notamment comme représenté dans le dessin - une fente annulaire 20 d'éjection du gaz plasmagène formé entre la cathode et la paroi intérieure du tube 18, cette fente annu laire étant alimentée en gaz plasmagène par un raccord d'entrée 22 - une pièce 24 isolante entre la cathode et l'anode et servant en même temps au centrage du support 26 de la cathode ;; - un circuit électrique 28 comprenant un générateur 30 de courant continu ou alternatif, dont les bornes sont respectivement à la cathode et à l'anode. Le tube de silice 18, à la fois contribue au gainage du fluide plasmagène et assure que l'arc électrique produit, lors de l'amorçage du chalumeau à plasma, ne sollicite que l'extrémité 8 de la cathode et les parties de la paroi 4 de l'anode situées en aval de l'extrémité de la cathode vis-à-vis de la direction d'écoulement du fluide plasmagène. Une molette 32 permet de régler la distance interélectrode. Conformément à l'invention, l'extrémité supérieure 31 de la cathode 6 est pourvue d'un revêtement 32 essentiellement formé d'un ou plusieurs oxydes réfractaires, tel que la zircone stabi lisée à la chaux. Avantageusement la partie supérieure de la cathode forme une sorte -de creuset 34 peuprofond ayant des parois 36. Ce creuset coopère à la retenue de l'oxyde réfractaire ou du ciment le contenant, lors de la formation du revêtement, par exemple dans les conditions sus-indiquées. On a représenté dans le dessin en traits mixtes et de façon schématique, un chalumeau à plasma auxiliaire 38 pourvu d'une alimentation électrique autonome 40, lequel sert à la fois à amorcer la fusion de l'oxyde réfractaire, lors de la formation du revêtement sur l'extrémité de la cathode qui sera ultérieurement sollicitée très énergiquement lors du fonctionnement du chalumeau à plasma 1 et, ultérieurement, à assurer le chauffage du revêtement formé sur l'extrémité de la cathode 6 jusqu'à une température suffisante pour permettre l'amorçage de l'arc entre les électrodes du chalumeau à plasma 1 sous l'effet du courant fourni par le générateur de courant 30. Lorsque l'arc est amorcé, on peut observer la formation d'une pellicule fondue à la surface extérieure du revêtement, la surface de la partie fondue augmentant avec la puissance dissipée dans l'arc. A titre d'exemple, avec un chalumeau dont la cathode présente une section de 30 mm et une fente annulaire d'éjection de 2 mm, on obtient dans la partie centrale du-revêtement ure pellicule de livide de l'ordre de 1 cm 2, lorsque la puissance dissipée dans l'arc est de 24 kW environ (intensité de 410 A et tension de 60 V). Le chalumeau auxiliaire 38 peut naturellement être éloigné dès que le chalumeau 1 aura été amorce. Un chalumeau ainsi conçu peut fonctionner pendant un temps prolongé, sans risque d'usure excessive de sa cathode, même lorsque ce chalumeau est alimenté en courant continu. Bien que très peu volatile à la température de fonctionnement, on peut cependant observer, lors de fonctionnement continu pendant une durée très longue, une certaine vaporisation de la pellicule superficielle de l'oxyde réfractaire. Cette vaporisation peut aisément être compensée, en cours de fonctionnement même de l'installation, par l'apport de matériaux réfractaires sous forme de grains 42 par l'intermédiaire d'un dispositif d'alimentation fortement réfrigéré et symbolisé en traits mixtes par un entonnoir 41 dans le dessin.Ces grains, tombant notamment dans la pellicule fondue,permettent par conséquent la réghnérabion immédiate du revêtement, sans qu'il soit nécessaire d'interrompre le fonctionnement du chalumeau à plasma 1. Un chalumeau ainsi constitué peut fonctionner aussi bien en courant continu qu'en courant alternatif, avec un gaz plasmagène neutre ou oxydant. A titre d'exemple on indique ci-après les caractéristiques de fonctionnement d'un chalumeau comportant une cathode et une fente annulaire d'éjection des gaz ayant les dimensions susindiquées. La cathode est formée d'un acier inoxydable à 25% de chrome et 20% de nickel, et recouverte d'un revêtement à base de zircone contenant 5% en poids de chaux. L'anode est en cuivre électrolytique. On a indiqué dans le tableau I les caractéristiques de fonctionnement de ce chalumeau, lorsqu'il est alimenté en courant continu. TABLEAU I I V Débit moyen Puissance Ampères volts de gaz en moyenne 1/minute volts 1/minute en kW Argon 400 20 à 30 35 à 40 10 Azote 410 60 à 75 35 à 40 28,5 Air 250 80 55 20 Oxygène 340 60 à 70 55 22 On indique également dans le tableau Il- ci-dessous, les caractéristiques de fonctionnement du même chalumeau, alimenté cependant cette fois-ci en courant alternatif, notamment à partir du secteur. Dans ce cas, une impédance ballast appropriée est montée en série avec l'anode et la cathode. TABLEAU Il Nature Débit moyen I V du gaz 1/minute Ampères volts Azote 55 100 90 - 100 Azote 55 200 70 - 80 L'invention a été décrite dans ce qui précède, en rapport avec un chalumeau à plasma classique. Bien entendu elle peut être appliquée à tout autre type de générateur de plasma, par exemple les générateurs de plasma décritsdans la demande de brevet FRANCE No. 182.839 du 31 décembre 1968 et dans la demande de certificat d'addition à ce brevet No. 70 46.416 du 23 décembre 1970 déposées par la Demanderesse. Dans les générateurs du genre en question, le revêtement sera formé à I'extrémité des électrodes respectivement associées avec les ajutages décrits dans les susdites demandes. En suite de quoi on obtient des générateurs de plasma capables de produire des plasmas dans des milieux oxydants. Une application particulièrement intéressante de ce type de générateur se situe dans le domaine de l'oxycoupage des métaux. On sait que dans des procédés antérieurs d'oxycoupage, il est usuel d'avoir recours à des chalumeaux à plasma alimentés en gaz inertes, les gaz chaud produits étant mélangés à la sortie de ces chalumeaux à plasma avec le gaz oxydant dont la présence est absolument nécessaire à la réalisation de l'oxycoupage, le rôle du plasma étant alors limité au chauffage de ce gaz oxydant. Ces procédés sont peu économiques, étant donné d'une part la consommation importante en gaz neutre, d'autre part la nécessité de produire suffisamment de calories pour réchauffer le gaz oxydant, donc de disposer d'une puissance électrique importante. Avec les chalumeaux à plasma perfectionnés selon llinven- tion, le plasma est réalisé directement dans le gaz oxydant, et la puissance électrique nécessaire est moindre, puisqu'il n'est pas nécessaire de réchauffer des gaz froids introduits en aval du chalumeau à plasma. D'une façon générale, l'invention permet également le traitement de matériaux réfractaires sous atmosphère controlée et la réalisation de réactions chimiques à haute température, notamment en milieu -oxydant. Une des réalisations suivant l'invention qui est particulièrement intéressante est celle où le gaz plasmagène est constitué par l'air ambiant et le courant électrique utilisé fourni directement par le secteur. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Gé n é r a t e u r d e plasma comportant un organe d'éjection d'un fluide plasmagène, notamment d'un gaz plasmagène oxydant, sous la forme d'un courant gazeux et au moins une électrode apte à participer à la création et au maintien d'un arc électrique dans ce courant gazeux, caractérisé en ce qu'au moins la zone de cette électrode qui participe directement à la formation de cet arc est pourvue d'un revêtement essentiellement formé d'un ou plusieurs oxydes réfractaires présentant une tension de vapeur faible et une conductivité électrique suffisante pour permettre le passage du courant nécessaire à la formation de l'arc à la température à laquelle est portée la susdite zone au cours du fonctionnement du générateur. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un canal central annulaire d'éjection de ce courant de gaz, entourant la susdite électrode, le revêtement susdit était essentiellement formé sur l'extrémité de celle-ci. 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est constitué par un chalumeau à plasma, dont la susdite électrode constitue la cathode, celle-ci étant entourée par une pièce cylindrique portant l'anode disposée en aval de l'extrémité de la cathode vis-à-vis de la direction d'écoulement du fluide plasmagène. 4. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement est à base de zircone. 5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce revêtement contient également de l'oxyde de calcium. 6. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le revêtement contient également un oxyde d'yttrium ou un oxyde de terre rare. 7. Générateur selon l'unequelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode, plus particulièrement le substrat sur lequel est formé le susdit revêtement, est constitué en un acier inoxydable du type acier austénitique au chrome-nickel ou en un alliage à base de chrome et de nickel-. 8. Installation comprenant le générateur tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 7, associéàun dispositif de production de gaz chaud, pour porter le revêtement formé sur l'électrode du susdit générateur à une température suffisante pour que cet électrode puisse participer à la formation du sus dit arc. 9. Electrode pour générateur de plasma, constituéed'un métal ou alliage, tel que acier austénitique au chrome-nickel ou alliage chrome-nickel, au moins partiellement recouverte d'un revêtement formé d'un ou plusieurs oxydes réfractaires, tel que la zircone, ou encore la zircone contenant de l'oxyde de calcium, de l'oxyde d'yttrium ou au moins un oxyde de terre rare. 10. Electrode selon la revendication 9, caractérisée en ce que le revêtement est formé sur une extrémité de l'électrode, cette extrémité étant pourvue de bordures définissant un creuset de réception pour le revêtement réfractaire.