Brevet FR2450029A1 — publié le 19800919

La présente invention a pour objet une installation de production de plasma et trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la sphérodisation de particules réfractaires. On connaIt déjà des installations fournissant des ecoulements permanents de plasma de grande puissance, comprenant une enceinte a axe vertical dont la partie supérieure est munie de moyens d'introduction de matériau à traiter et dans laquelle débouchent plusieurs électrodes destinées à fournir les jets de plasma convergeant dans l'enceinte et un chalumeau pilote d'amorçage d'arc, une source de courant électrique polyphasé étant reliée à ces électrodes pour fournir l'énergie nécessaire a' la formation de plasma à partir de courants gazeux alimentant les électrodes et gainées jusqu'au voisinage de l'extrémité de l'électrode. Une telle installation-est décrite par exemple dans le brevet français nO 71 00184 et dans le brevet U.S. correspondant nO 3 923 467. L'installation décrite dans ce brevet antérieur est destinée à vaporiser partiellement des matières réfractaires en lit fluidisé. On sait par ailleurs (brevet G.B. nO 986 701) qu'on peut spbéroidiser des particules granulaires en les faisant passer dans un jet de gaz à grande vitesse et à tempé- rature suffisamment élevée pour fondre superficiellement les particules L'un des problèmes principaux rencontrés dans la-mise en oeuvre pratique d'une installation du genre décrit ci-dessus est constitué par la nécessité de disposer d'arcs électriques stables alors que l'alimentation des électrodes s'effectue en courant alternatif polyphasé.Les électrodes suivant l'art antérieur-, telles que celles décrites dans le certificat d'addition FR nO 70 46416 et dans l'article intitulé "Ecoulements permanents de plasma de grande puissance" de Claude Bonet et autres, dans "ENTROPIE", 1970, tentent d'obtenir cette stabilité en constituant, autour des arcs électriques, une gaine du gaz destiné à constituer le plasma. En dépit de ce gainage, il est apparu que la stabilité n'était pas satisfaisante dans certaines conditions d'emploi. La présente invention vise notamment à fournir une installation garantissant une stabilité satisfaisante de l'arc polyphasé dans l'enceinte et évitant une usure rapide des pointes d'électrode. Dans ce but, l'invention propose notamment une installation dans laquelle chaque électrode comporte un tube de guidage se terminant à l'avant par un cône de gainage de gaz en matériau métallique résistant aux températures élevées, entourant ladite électrode placée coaxialement au tube de guidage, l'électrode comporte un corps en matériau bon conducteur de l'électricité et une pointe en matériau bon conducteur de l'électricité ; l'ensemble du corps d'électrode est solidaire du cône de-gainage et est entrainé avec lui en translation par les vérins au-moment de l'amorçage, une pièce en matériau isolant étant interposée entre le cône et la pointe pour centrer cette dernière et assurer l'isolation électrique.I Grace à cette disposition, l'écoulement gazeux le long de chaque électrode est suffisamment rapide et bien défini pour que la stabilité de chaque arc soit assurée. Le cône de gainage étant isolé de l'électrode, l'arc ne peut s'accrocher sur les parties métalliques du gainage et provoquer une destruction rapide de celui-ci. L'électrode est avantageusement munie d'une circulation de refroidissement de la pointe et cette dernière est avantageusement amovible,de façon à pouvoir être facilement et rapidement remplacée. La perte de matière que représente ce remplacement est naturellement beaucoup plus faible que celle qu imposerait le changement de l'électrode complète. Suivant un autre aspect de l'invention, le gaz de formation du plasma est constitué, non pas par de l'azote, comme c'est généralement le cas, mais par un mélange d'azote et d'oxygène en proportions allant de 1 à 4%. On a en effet constaté depuis peu que l'usure des matériaux constitutifs de l'électrode augmente rapidement pour des mélanges dont la teneur en oxygène est plus faible ou plus élevée. L'invention vise également à fournir une installation fournissant un rendement thermique élevé, c'est-à-dire dans laquelle la majeure partie de l'énergie fournie sous forme électrique est utilisée pour chauffer le plasma. Ce résultat peut être atteint en disposant les électrodes de façon que leurs jets convergent dans un cône constituant, avec un couvercle supérieur, qui porte avantageusement les électrodes, la partie supérieure de l'enceinte. L'invention propose également une installation dans laquelle ladite enceinte comporte à sa partie supérieure un cone de dimensions telles qu'il enveloppe les jets de plasma fournis par les électrodes, cône comprenant des segments placés chacun au droit d'une des électrodes et isolés les uns des autres, de façon à éviter l'accrochage de l'arc électrique sur la paroi du cône. Comme on l'a indiqué plus haut, une application importante de l'installation réside dans la sphéroïdisation de particules réfractaires. On cherche fréquemment à obtenir ainsi, à partir d'une chamotte, des particules approximativement sphériques, dont la granulométrie se place dans une plage déterminée, dont la partie périphérique au moins est à l'état vitreux et ne présente pas de porosité ouverte. Ce résultat est atteint en fondant les particules, à l'état cru ou de chamotte, dans l'installation, pendant un très court intervalle de temps,- typiquement de l'ordre de 0,1 s. La tension superficielle tend alors à donner aux couches superficielles fondues une forme sphéroïdale qui est conservée lorsque les particules arrivent dans une zone à une température inférieure au point de fusion, audelà de la zone occupée par le plasma. Pour être satisfaisant, le procédé doit sphéroïdiser une proportion élevée des particules, typiquement supérieure à 90%, et etre d'un prix de revient acceptable. Le plasma produit dans l'installation ayant une faible vitesse et pouvant présenter une section droite élevée, on peut traiter des débits importants de particules, à condition d'introduire les particules à traiter par gravité dans l'axe de l'enceinte, placée verticalement, sur une section droite relativement importante et avec une vitesse aussi faible que possible, typiquement à l'aide d'une canne réfrigérée dont le diamètre intérieur est proche de celui d'une partie cylindrique verticale de diamètre réduit ou non, qui relie la zone où se rejoignent les jets de plasma provenant des électrodes, et un module d'évacuation des particules placé à l'extrémité inférieure de l'enceinte. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une installation qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompa gnent, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe de l'installation en élévation ;; - la figure 2 est une vue en coupe verticale, à grande échelle, du cône de confinement de plasma de l'installation de la figure 1, et le tube de passage du chalumeau pilote, en coupe suivant un plan vertical - la figure 3 est une demi-vue de dessus suivant la ligne III-III de la figure 2 la la figure 4 est une vue en coupe partielle suivant la ligne IV-IV de la figure 2 - la figure 5 est une vue à grande échelle montrant une fraction de la jonction entre le cône de confinement et le cou vercle, en coupe suivant un plan vertical , ' I - les figures 6 et 6a montrent 1 'une des électrodes de l'installa- tion, en coupe suivant un plan passant par l'axe et en vue éclatée. L'installation montrée en figure 1 peut être regardée comme constituée de plusieurs ensembles juxtaposés verticalement et fixés les uns aux autres de façon sensiblement étanche, et isolés électriquement. La partie supérieure de l'installation est constituée par un cône 10 de confinement d'arc fermé par un couvercle supérieur 11. Le couvercle 11 porte les électrodes 12 qui, dans le mode de réalisation illustré, convergent vers un point situé sur l'axe du cône. On supposera par la suite que ces électrodes sont au nombre de trois et alimentées par une source triphasée. Le couvercle porte également une canne 13 d'introduction des particules à traiter. La paroi latérale du cône 10 porte, de son côté, un manchon de passage du chalumeau pilote 14. Un hublot de visée 15 permettant de surveiller l'état du plasma peut être prévu dans la paroi du cône de confinement 10. Le cône 10 est muni, à sa partie inférieure, d'une bride de raccordement avec un empilement de modules tubulaires 16, 17, 18, au nombre de trois dans le mode de réalisation montré en figure 1. Chaque module comprend des parois concentriques entre lesquelles circule un fluide réfrigérant, tel que de l'eau, et un revetement réfractaire interne, isolant. Dans le mode de réalisation illustré, le module 17 est muni de passages munis de hublots transparents, permettant de réaliser des visées. Les modules peuvent, de plus, être percés de trous de passage d'organes de mesure de température. Enfin, le module tubulaire inférieur 18 se raccorde, par brides, à un module 20 de collection des particules et d'évacuation, muni d'un conduit 21 de sortie des gaz chauds et, à sa partie inférieure, d'une trémie de sortie des particules. On décrira maintenant, successivement, les divers composants énumérés ci-dessus. Le cône de confinement 10 (figures 2 à 4) a pour rôle de guider le plasma et d'assurer son écoulement régulier vers les modules tubulaires. Il comporte une enveloppe externe 25 séparée d'une enveloppe interne 26 par une couche 27 de matériau isolant thermique, tel qu'un élastomère de silicones. Cette couche est par exemple solidarisée des enveloppes 26 et 27 par collage après adjonction d'un primaire sur la paroi des enveloppes. i Les enveloppes sont séparées du plasma par une. paroi conique refroidie par circulation d'un fluide réfrigérant tel que -l'eau. Cette paroi segmentée comporte, au droit de chacune des électrodes 12, un segment principal 30. Ces segments principaux sont isolés les uns des autres1 de façon à éviter de courtcircuiter les arcs.Ils sont séparés par des segments intermédiaires 31, les brèches entre chaque segment intermédiaire et les segments principaux adjacents étant comblées par une baguette 32 de ciment réfractaire, par exemple d'alumine qui tient à une température atteignant 2000 K. Chaque segment est à double paroi séparées par un conduit de circulation de refroidissement. Les figures 2 et 4 montrent schématiquement l'embout 33 d'entrée d'eau dans l'un des segments 30. Cet embout est soudé sur la paroi externe du segment, constituée par des secteurs de l'enveloppe interne 27. Il est maintenu en place sur l'enveloppe externe 26 par des écrous 35 et 34 (ce dernier par exemple en polyamide) et une entretoise 36. Dans le mode de réalisation illustré, l'enveloppe externe 26 est isolée électriquement de l'enveloppe interne par un prolongement de l'écrou 34.D'autres solutions seraient évidemment possibles. Le cône de confinement 10 est muni d'un couvercle 11 qui porte les électrodes 12, au nombre de trois dans le mode de réalisation illustré en figure 1. Le couvercle 11 est fixé sur la bride 23 de façon sensiblement étanche. Dans le cas illustré en figure 5, ce couvercle 11 comporte une bride 39 fixée par des vis 40 à la bride 23. L'étanchéité de la jonction est assurée par un joint torique 41. La partie interne des brides constitue une chicane 42a évitant la détérioration rapide du joint torique 41 par rayonnement. Le couvercle 11 est isolé électriquement du cône par des bagues entretoises 42 en matériau isolant entourant les vis 40. Le couvercle doit être refroidi par circulation forcée d'un liquide, par exemple par circulation d'eau dans l'intervalle 43 prévu entre deux parois concentriques. Le couvercle est percé d'un trou central livrant passage à la canne d'injection réfrigérée. Le système d'introduction de particules doit etre prévu pour que la vitesse initiale de ces dernières soit aussi faible que possible. De plus, l'injection doit s'effectuer en direction verticale, c'est-à-dire parallèlement à l'axe, et suivant une section droite aussi élevée que possible pour diminuer le flux de particules par unité de section. On peut également travailler à contre-courant. Le plasma est alors ascendant et le jet de particules descendant. Ces résultats peuvent être atteints en utilisant une canne réfrigérée dont le diamètre intérieur est inférieur ou égal à la section interne de la partie haute de l'écoulement de plasma. Les particules peuvent être réparties de façon homogène dans cette canne par décharge d'un lit fluidisé situé dans un récipient entourant l'extrémité supérieure de la canne d'injection. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, le couvercle porte les trois électrodes et leur structure support. Ces trois électrodes fournissent des jets concourants et sont inclinés de 300 sur la verticale. Cette disposition n'est pas limitative. On peut envisager un nombre différent d'électrodes multiple de 3. Leur inclinaison peut être différente de 300 et, enfin, elles peuvent être placées de façon à induire un mouvement tourbillonnaire. Les électrodes 12 ont avantageusement la constitution schématisée en figure 6. Chaque électrode comporte un corps métallique en plusieurs pièces assemblées 45 et 46 dont la partie arrière 47a est prévue pour être fixée à un vérin à double effet 48 dont seule la partie terminale apparait sur la figure 1. Ce corps constitue, avec une pointe 47 fixée à l'avant, une électrode qui est reliée à l'une des phases d'un générateur triphasé non représenté. Le corps, en laiton par exemple, conduit l'électricité jusqu'à la pointe remplaçable 47, en matériau très conducteur de l'électricité. Le corps est par exemple en laiton tandis que la pointe est en cuivre ou alliage de cuivre (ce qui impose un refroidissement intense) ou en graphite sur support en cuivre.Le corps est muni d'un circuit de circulation d'eau de réfrigérant comprenant un tube central 48, en cuivre par exemple, par lequel l'eau de refroidissement admise par un trou 49 circuie avant a revenir par l'espace annulaire entre le tube et le, corps et de s'échapper par un trou 49a. Autour de l'électrode est disposé un tube de guidage et de gainage 50, avantageusement en acier inoxydable, terminé à l'avant par un cône de gainage 51 rapporté, en acier inoxydable réfractaire. Le tube 50 et le cône 51 sont solidaires de la structure support de l'électrode. Ils sont isolés électriquement du corps d'électrode,à l'arr'ière,par une bague en polyamide 53 et, à l'avant, par une bague en polytétrafluoréthylène 56, d'un cône rainuré en acier inoxydable 54. La pièce en' polytétrafluoréthylène isole le cône interne de l'électrode. Le cône en acier inoxydable est muni à sa périphérie de rainures longitudinales iivrant passage au gaz plasmagène introduit par un raccord 55 pratiqué dans la bague 53. Cette disposition garantit un gainage satisfaisant du gaz plasmagène, le jeu entre le cône 51 et la pointe 47 pouvant etre très faible. Dans la réalisation préférée, le jeu est de 0,9 mm. On obtient de plus un excellent isolement électrique, d'une part, de l'électrode par rapport au cône de gainage 51 et, d'autre part, de- l'ensemble cône de gainage-corps par rapport au couvercle grâce à la présence de la bague 56. La nature du gaz plasmagène a une influence très importante sur l'usure des électrodes et doit être choisie en fonction du matériau constitutif de celles-ci pour éviter une destruction rapide. Lorsquton utilise des électrodes en cuivre électrolytique, l'usure est extrêmement rapide lorsque le gaz plasmagène est de l'azote pur ou de l'azote à haute teneur d'oxygène. On constate au contraire un minimum d'usure très marqué lorsqu'on- utilise un mélange d'azote et d'oxygène dans lequel la proportion d'oxygène est comprise entre 1 et 4%. Une teneur inférieure à 3% a donné les meilleurs résultats. Elle conduit par ailleurs à une usure régulière, laissant subsister un profil lisse ne perturbant pas le gainage. I1 est évidemment plus économique d'utiliser, comme gaz plasmagène, de l'air non traité (humide et non déshuilé). Cette solution est rendue possible par l'emploi d'une pointe remplaçable. On peut par ailleurs utiliser des matériaux autres que le cuivre électrolytique et, notamment, le graphite pour constituer la pointe 47. Comme on l'a déjà indiqué, la paroi latérale du cône 10 porte le chalumeau pilote 14. Ce dernier peut avoir la constitution décrite dans l'article mentionné plus haut. Dans le mode de réalisation illustré, le manchon du chalumeau pilote est dirigé vers le haut, de façon à faciliter l'amorçage des électrodes. Entre le manchon et le chalumeau pilote est avantageusement disposé un accouplement permettant de modifier l'orientation du chalumeau, afin de choisir celle qui est la plus propice à l'amorçage de l'arc entre les chalumeaux principaux. ! L'alimentation électrique peut être du même type que dans le brevet U.S. 3 923 467 et comporter un générateur triphasé, indiqué schématiquement en 60, et un générateur de courant continu d'amorçage 61 placé entre les électrodes du chalumeau pilote. REVENDICATIONS 1. Installation de production de plasma, comprenant une enceinte à axe vertical dont la partie supérieure est munie de moyens d'introduction de matériau à traiter et dans laquelle débouchent plusieurs électrodes destinées à fournir des jets de plasma convergeant dans l'enceinte et un chalumeau pilote d'amorçage d'arc, une source de courant électrique polyphasé étant reliée à des électrodes pour fournir l'énergie nécessaire à la formation de plasma à partir de courants gazeux alimentant les électrodes et gainés jusqu'au voisinage de l'extrémité de 1' électrode caractérisée en ce que chaque électrode comporte un tube de guidage se terminant à l'avant par un cône de gainage de gaz en matériau métallique résistant aux températures!-- élevées;; entourant ladite électrode placée coaxialement au tube de guidage, comportant un corps en matériau bon conducteur de l'électricité et une pointe en,matériau bon conducteur de l'électricité, qui délimite avec le cône un espace annulaire de faible épaisseur, une pièce en matériau isolant étant interposée éntre le cône et la pointe-pour centrer cette dernière. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce isolante supporte un cône de centrage en acier inoxydable, portée par l'électrode, le cône étant destiné à venir s'appuyer contre le cône de gainage et muni de rainures périphériques de passage de gaz. 3. Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'électrode est munie d'une circulation d'eau de refroidissement de la pointe. 4. Installation suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la pointe est facilement amovible. 5. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par des moyens pour alimenter les électrodes en mélange d'oxygène et d'azote à moins de 3% d'oxygène. 6. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, les électrodes étant en cuivre électrolytique, elles sont équipées de moyens d'alimentation en air pour la formation du plasma. 7. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite enceinte comporte à sa partie supérieure un cône de dimensions telles qu'il enve- loppe les jets de plasma fournis par les électrodes, cone comprenant des segments placés chacun au droit d'une des électrodes et isolés les uns des autres. 8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les segments principaux placés au droit d'une électrode sont séparés, par des zones électriquement isolantes, de segments intermédiaires fournissant une barrière électrique supplémentaire entre les jets de plasma de deux électrodes adjacentes. 9. Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractériséeen ce que chacun des segments a un circuit de réfrigération propre et est fixé sur une couche isolante, par exemple en élastomère de silicones, collée sur la face interne d'une enveloppe conique. 10. Installation suivant l'une quelconque des revendica-' tions précédentes, caractérisée en ce que ladite partie supérieure de l'enceinte comporte un couvercle traversé par des manchons de passage étanche des électrodes. 11. Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que les électrodes convergent en un même point ou sont disposées approximativement suivant les génératrices d'un hyperboloide de façon à induire un mouvement tournant du plasma. 12. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le chalumeau pilote est monté à travers la paroi latérale de la partie supérieure de l'enceinte de façon à pouvoir pivoter. 13. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'introduction de matériau à traiter comportent une canne réfrigérée disposée suivant l'axe de l'enceinte et dont le débouché dans cette dernière a une section droite qui est une fraction notable de celle de l'enceinte. 14. Installation suivant la revendication 13, caractérisée par des moyens d'introduction des particules capables de diluer uniformément les particules, et de leur donner une vitesse initiale essentiellement axiale faible. 15. Installation suivant la revendicatkon 13, caractérisée en ce que la position de la section d'injection est variable en hauteur depuis le couvercle supérieur jusqu'à la région située en dessous du confluent des trois arcs. 16. Application de l'installation suivant l'une quelcon que des revendications précédentes à la sphéroldisation de particules réfractaires, caractérisée en ce qu'on introduit les particules à traiter par gravité dans l'axe de l'enceinte et en ce qu'on les recueille après traversée du plasma fourni par les électrodes dans un module muni de moyens d'évacuation de gaz chauds, l'écoulement du plasma s'effectuant dans une partie cylindrique verticale de diamètre réduit ou non entre la zone ou se rejoignent les jets de plasma provenant des électrodes et le module d'évacuation.