Brevet FR2521813A1 — publié le 19830819

l 22521813 L'invention concerne un procédé de stabilisation d'un plasma à basse température dans un brûleur à arc et le brûleur à arc destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. Le fonctionnement des brûleurs à arc connus stabilisés par liquide et formant un courant de plasma à basse tempéra- ture réside en principe dans le fait qu'un arc brûle dans le conduit entre la cathode et l'anode, cet arc étant entouré Dar le tourbillon du liquide de stabilisation injecté et ainsi stabilisé. Les procédés connus de stabilisation de plasma à basse température utilisent un seul liquide de stabilisation pour protéger la matière entourant le conduit contre les effets thermiques de l'arc électrique et du plasma ainsi formé, pour protéger la matière de cathode contre l'oxydation ainsi que pour former le plasma lui- même On utilise particulièrement l'eau ionisée, introduite dans le système de stabilisation à travers des entrées tangentielles convenablement placées pré- vues au voisinage de la cathode aussi bien qu'entre les pla- ques perforées individuelles du système de stabilisation et évacuées par des sorties en forme de fente disposées de telle sorte qu'un tourbillon se forme dans le système de stabilisa- tion L'arc électrique brûle à travers ce tourbillon qui est assez épais pour assurer la formation de plasma et pour re- froidir le système de stabilisation L'utilisation d'eau comme seul liquide stabilisant pour assurer toutes les fonctions voulues est donc une sorte de compromis qui d'une part simpli- fie la conception et le fonctionnement du générateur de plasma mais d'autre part limite la possibilité d'atteindre de hautes températures de plasma, augmente l'usure de la cathode et, en influençant la nature réductrice du plasma recombiné, limite la possibilité d'application du générateur à certaines sortes seulement de jets de plasma, particulièrement pour le domaine des céramiques d'oxydes. Il est connu, par le DE-OS 20 28 193, de disposer le brû- leur à arc sous la forme d'un ensemble ramassé qui est en principe formé de la cathode et des accessoires qui l'entourent et d'un système de buses et d'anneaux intermédiaires, une en- trée et deux sorties de liquide de stabilisation étant prévues pour assurer la circulation du liquide de stabilisation La conception du brûleur ne permet pas d'utiliser deux liquides de stabilisation ni de tirer parti des possibilités que cela offre. Le but de l'invention est de trouver un mode de stabili- sation qui puisse diminuer les inconvénients et limitations déûs à l'utilisation d'un seul liquide de stabilisation dans le brûleur à arc et permettre d'utiliser le brûleur, en pre- mier lieu, pour un plus large spectre de matières de revête- ment. Les inconvénients des procédés connus de stabilisation d'un plasma à basse température dans un brûleur à arc stabili- sé par liquide sont surmontés par le présent procédé de stabi- lisation d'un plasma à basse température Selon l'invention, l'arc de plasma est stabilisé par deux liquides dont le pre- mier stabilise l'arc dans la chambre de décharge du brûleur et contient du carhone et/ou de l'azote tandis que le deuxième, ayant un point d'ébullition différent, stabilise l'arc dans le conduit de stabilisation du brûleur Il est avantageux que le liquide de stabilisation introduit dans la chambre de décharge du brûleur ait une moindre énergie de dissociation que le li- quide introduit dans le conduit de stabilisation et que son énergie de dissociation soit supérieure à celle de l'eau. Les inconvénients des brûleurs à arc connus sont surmon- tés par le brûleur selon l'invention, qui comporte une chambre de décharge autour d'une cathode en forme de barreau, un con- duit de stabilisation formé par un système de buses et d'an- neaux ainsi qu'une anode extérieure rotative et des circuits pour la circulation du liquide de stabilisation, un espace de transition étant prévu entre la chambre de décharge et le conduit de stabilisation du brûleur Dans l'espace de transi- tion est aussi prévue une sortie en forme de fente destinée à au moins un des liquides de stabilisation Des entrées tangen- tielles de liquides de stabilisation conduisant à la chambre de décharge ainsi qu'au conduit de stabilisation sont reliées à des tuyauteries d'amenée de liquides de stabilisation indivi- duels Une plaque perforée peut avantageusement être placée dans l'espace de transition. Une combinaison avantageuse de deux ou même plusieurs sortes de liquides de stabilisation d'un brûleur à arc à plasma stabilisé par liquide permet d'améliorer considérable- ment ses paramètres de fonctionnement à plusieurs égards. Dans la chambre de décharge du brûleur, c'est-à-dire dans la partie cathodique du système de stabilisation, l'utilisation d'un liquide de stabilisation contenant du carbone a pour ef- fet de supprimer le rétrécissement de la cathode en carbone, dû à l'oxydation superficielle En utilisant des liquides de stabilisation ayant une teneur accrue en carbone et en azote combinés chimiquement, on réduit considérablement les effets indésirables des milieux de stabilisation utilisés, de sorte qu'il devient possible d'utiliser des électrodes métalliques, par exemple en tungstène ou en thorium dont l'application était pratiquement exclue jusqu'ici dans les brûleurs à arc à plasma stabilisés par liquide En outre, l'utilisation de liquides ayant une plus grande énergie de dissociation que l'eau permet d'augmenter les paramètres de débit du brûleur, particulièrement d'élever la température du plasma recombiné. Par une association appropriée de liquides de stabilisa- tion, dans laquelle le liquide introduit dans la chambre de décharge est choisi du point de vue de la capacité d'amorçage du brûleur à arc et le liquide introduit dans le conduit de stabilisation est choisi compte tenu de son influence sur la température du plasma engendré, on supprime en même temps 1 ' effet indésirable d'une nature oxydante ou réductrice du plas- ma recombiné L'augmentation réalisée de la durée de service de la cathode ainsi que l'accroissement des paramètres de débit et de qualité du brûleur à arc-et du plasma engendré aboutissent à de plus larges possibilités d'utilisation de brûleurs à arc à plasma stabilisés par liquide. La conception du brûleur à arc à plasma selon l'invention permet d'utiliser deux ou plusieurs liquides de stabilisation et diminue donc l'oxydation de la cathode en améliorant la dissipation de chaleur et en même temps la capacité d'amorçage du générateur de plasma, la température du plasma recombiné étant élevée. La disposition de la ou des sorties du liquide de stabili- sation permet de choisir l'écoulement de façon telle que dans la chambre de décharge, le liquide s'écoule de la cathode vers l'anode, ce qui entraîne un accroissement de la stabilité de l'arc et -que dans le conduit de stabilisation, il s'écoule de l'anode vers la cathode, ce qui entraîne un accroissement du débit du générateur. Des exemples de la disposition de brûleurs à plasma sta- bilisés par liquide selon l'invention sont représentés par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'un brûleur à arc avec espâ- ce de transition et plaque perforée; la figure 2 est une coupe d'un brûleur à arc dont 1 ' espace de transition est vide. Comme on le voit par la figure 1, le brûleur à arc con- tient un espace de transition 2 muni d'une plaque perforée 3 qui le divise en conduit de stabilisation 7 et chambre de dé- charge 5, entourant la cathode en forme de barreau 6 Dans l'embouchure du conduit de stabilisation 7,une buse 8 est dis- posée et à l'intérieur du conduit, on peut voir des plaques perforées de stabilisation 9 A la chambre de décharge 5 con- duisent des entrées tangentielles 10 de liquide de stabilisa- tion tandis que des entrées tangentielles 11 conduisent au conduit de stabilisation 7, les deux groupes d'entrées tan- gentielles étant reliés à des tuyauteries séparées d'amenée de liquides de stabilisation La tuyauterie d'amenée 15 est pré- vue pour un liquide de stabilisation qui stabilise la chambre de décharge 5 tandis que l'autre tuyauterie d'amenée 16 amène un autre liquide de stabilisation, introduit dans le conduit de stabilisation 7 Le brûleur à arc 1 présente des sorties 12 partant de la chambre de décharge 5 et une autre sortie 13 partant du conduit de stabilisation 7 placé des deux côtés de la plaque perforée 3. Dans le brûleur à arc selon la figure 1, muni d'une ca- thode en graphite, on introduit du styrène dans la partie ca- thodique du système de stabilisation Le styrène a un point d'ébullition de 1450 C et est insoluble dans le liquide intro- duit dans la partie restante du système de stabilisation (eau, point d'ébullition 1000 C) Les deux liquides s'écoulent de la cathode vers l'anode sans se mélanger L'utilisation de deux liquides de stabilisation augmente considérablement la durée de service de la cathode en intensifiant simultanément le cou- rant de plasma. Dans le brûleur selon la figure 1, muni d'une cathode en graphite, on introduit dans la partie cathodique du système de stabilisation du nitrobenzène qui a un point d'ébullition de 2110 C et est insoluble dans le liquide amené à la partie restante du système de stabilisation (eau, point d'ébullition 1000 C) Les deux liquides s'écoulent ensemble de la cathode vers l'anode Cette association de liquides de stabilisation présente des effets similaires à ceux du système styrène/eau mentionné plus haut. Sur la figure 1, l'espace de transition du brûleur à arc 1 est sous la forme d'une fente 4 La sortie 12 et l'autre sortie 13 du conduit de stabilisation 7 et de la chambre de décharge 5 sont disposées sur les parois intérieures opposées de la fente 4, à des distances différentes de l'axe du brû- leur à arc 1, selon les propriétés physiques des liquides uti- lisés Les deux sorties 12 et 13 peuvent aussi être remplacées par une seule Dans la zone de la buse 8, le système de stabi- lisation peut avantageusement être muni d'une sortie auxiliai- re 14 partant du conduit de stabilisation 7, comme illustré sur la figure 2, ce qui diminue les pertes de liquide de sta- bilisation. Sur le brûleur à arc de cette dernière conception, on a essayé aussi une série d'associations de liquides de stabili- sation. Dans le brûleur à arc selon la figure 2, muni d'une ca- thode tungstène-thorium, on introduit dans la partie cathodi- que du système de stabilisation de la toluidine qui a un point d'ébullition de 2010 C et qui est soluble dans le liquide in- troduit dans la partie restante du système de stabilisation (toluène, point d'ébullition 1110 C) En dirigeant le courant de toluidine de la cathode vers l'anode et celui de toluène en sens opposé, on améliore la stabilité de l'arc et on aug- mente le nombre de particules recombinées. Dans le brûleur à arc selon la figure 2 muni d'une catho- de en graphite, on introduit dans la partie cathodique du système de stabilisation de l'alcool éthylique qui a un point d'ébullition de 780 C et qui est soluble dans le liquide amené à la partie restante du système de stabilisation, à savoir la picoline, point d'ébullition 1440 C Cette association améliore considcrablement la capacité d'amorçage du générateur de plasma. Pendant l'essai, d'autres sortes de liquides de stabili- sation donnent de bons résultats, par exemple l'alcool méthy- lique, le nitrate d'éthyle etc Toutes les associations men- tionnées de liquides de stabilisation augmentent de 30 à 35 % la durée de service de la cathode et simultanément la tempéra- ture du plasma recombinée est élevée de 20 %. REVENDICATIONS î.procédé de stabilisation d'un plasma à basse température d'un brûleur à arc, dans lequel on introduit un liquide de stabilisation dans la chambre de décharge aussi bien que dans le conduit de stabilisation du brûleur, caractérisé par le fait que dans la chambre de décharge on introduit un liquide de stabilisation contenant dans sa molécule du carbone et/ou de l'hydrogène tandis que dans le conduit de stabilisation, on introduit un liquide ayant un point d'ébullition différent de celui du liquide de stabilisation introduit dans la chambre de décharge du brûleur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide de stabilisation introduit dans la chambre de décharge a une moindre énergie de dissociation que celui qui est introduit dans le conduit de stabilisation et une plus grande énergie de dissociation que l'eau. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide de stabilisation introduit dans la chambre de décharge s'écoule de la cathode vers l'anode tandis que le liquide de stabilisation introduit dans le conduit de stabili- sation s'écoule de l'anode vers la cathode. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide de stabilisation introduit dans la chambre de décharge contient du carbone combiné chimiquement à raison de 37 à 93 % en poids. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide de stabilisation introduit dans la chambre de décharge contient du carbone combiné chimiquement à raison de 25 à 80 % en poids et de l'azote combiné chimiquement à rai- son de 20 à 25 % en noids. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide introduit dans la chambre de décharge con- tient du carbone combiné chimiquement à raison de 50 à 93 % en poids tandis que le liquide de stabilisation introduit dans le conduit de stabilisation contient du carbone combiné chimi- quement à raison de 25 à 80 % en poids et de l'azote combiné chimiquement à raison de 10 à 25 % en poids. 7 Brûleur à plasma stabilisé par liquide comportant une chambre de décharge qui entoure la cathode en forme de barreau, 8 2521813 un conduit de stabilisation formé d'un système de buses et d' anneaux, une anode rotative extérieure et un circuit de cir- culation du liquide de stabilisation dans la chambre de dé- charge aussi bien vue dans le conduit de stabilisation, carac- térisé par le fait qu'entre la chambre de décharge ( 5) et le conduit de stabilisation ( 7) est ménagé un espace de transi- tion ( 2) dans lequel est disposée au moins une sortie en for- me de fente ( 4) d'au moins un circuit de liquide de stabilisa- tion, des entrées tangentielles ( 10) de la chambre de décharge ( 5) étant reliées à une tuyauterie d'amenée ( 15) destinée au liquide de stabilisation qui stabilise la chambre de décharge du brûleur et des entrées tangentielles ( 11) du conduit de stabilisation ( 7) étant reliées à une autre tuyauterie d'ame- née ( 16) de liquide de stabilisation. 8 Brûleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que dans l'espace de transition est disposée une plaque perforée séparant les sorties en forme de fente qui partent de la chambre de décharge et celles qui partent du conduit de stabilisation du brûleur. 9 Brûleur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les sorties en forme de fente de la chambre de déchar- ge et du conduit de stabilisation sont disposées dans des pa- rois opposées entourant l'espace de transition et à des dis- tances différentes de l'axe du brûleur. 10 Brûleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que dans l'espace situé devant la buse antérieure se trouvent des sorties supplémentaires de liquide de stabilisa- tion disposées des deux côtés du conduit de stabilisation.