Brevet FR2555392A1 — publié le 19850524

"PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE, NOTAMMENT DE COUPAGE PAR UN JET DE PLASMA". La présente invention est relative à un procédé de traitement thermique par un jet de plasma. Elle s'applique notamment au coupage de pièces métalliques, mais également au traitement thermique de surfaces, à certaines réactions chimiques, etc. L'invention a pour but de fournir un procédé permettant d'obtenir un plasma qui possède un dard de grande longueur ainsi que des propriétés élevées de transfert thermique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement thermique par un jet de plasma, caractérisé en ce qu'on crée autour du jet de plasma une flamme de forme générale annulaire. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une torche à plasma permettant ia mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, cette vue étant i prise suivant la ligne I-I de la figure 2; la figure 2 est une vue en coupa prise suivant la ligne II-II de la figure 1; et - la figure 3 est une vue partielle prise en regardant suivant la flèche III de la figure 1. La torche à plasma représentée aux dessins est décrite dans la demande de brevet FR 83 15 713. Elle est constituée essentiel- lement d'an guide d'onde 1, d'un tube 2 d'alimentation en gaz et d'un auchon 3. tous ces éléments étant métalliques. Le guide d'onde 1 est rectiligne et présente une section rectangulaire que l'on voit à la figure 2. Il s'étend depuis un genérateur de micro- ondes (non représenté, situé à gauche en considérant la figure 1) jusqu'à une extrémité obturée par un piège quart-d'onde 4, lequel est réglable en position au moyen d'une tige coulissante 5 qui fait saillie à l'extrémité du guide d'onde. De tels -., pièges sont bien connus dans la technique des hyperfréquences et n'ont pas besoin d'être décrits en détail. Pour la commodité de la description, on supposera que l'axe X-X du guide d'onde est horizontal, ainsi que les grands côtés de la section rectangulaire de ce guide d'onde. Le guide d'onde 1 comporte un tronçon intermédiaire amovible 6 dont la face inférieure présente une ouverture circulaire 7 d'axe vertical Y-Y et dont les faces latérales présentent respectivement deux orifices circulaires 8 et 9. Les orifices 8 et 9 ont un même diamètre inférieur à celui de l'ouverture 7 et sont alignés sur un même axe Z-Z horizontal. Les axes X-X, Y-Y et Z-Z se rencontrent au centre de la section du guide d'onde située dans le plan de symétrie du tronçon 6. Le tube d'alimentation 2 est destiné à véhiculer deux gaz différents, respectivement par une conduite extérieure 10 et par un conduit intérieur 11. La conduite extérieure 10 a une forme générale en T. Une branche supérieure 12 du T, d'axe Z-Z, traverse à joint étanche l'orifice 8 et se termine par un raccord 13 destiné à être relié à une source (non représentée) d'un premier gaz. L'autre branche supérieure 14 du T, également d'axe Z-Z, s'emboîte à joint étanche à son extrémité dans l'orifice 9 et est obturée hermétiquement par une rondelle 15. La hampe 16 du T traverse coaxialement l'ouverture 7, avec un large jeu. Le conduit intérieur 11, muni d'un raccord 17 pour sa liaison avec une source (non représentée) d'un deuxième gaz, est constitué d'une partie amont 18 d'axe Z-Z qui traverse a joint étanche la rondelle 15, d'un coude 20 et d'une partie aval 21 d'axe Y-Y. La partie 21 comporte une collerette perforée axlalement qui permet à la fois son centrage dans la hampe 16 du T et le passage du premier gaz. L'ensemble du tube 2 peut, comme représenté, être constitué par une succession d'éléments tubulaires vissés les uns aux autres, les étanchéités étant de préférence réalisées par des soudures. Sur l'extrémité inférieure de la hampe 16 est vissée une buse 22 à nez conique, d'un type usuel en oxycoupage, dont un conduit central 22a communique avec le conduit Il et dont un conduit annulaire (ou une série de conduits 22b disposés en couronne comme représenté à la figure 3) communique avec le conduit 10. La buse 22 s'appuie sur un épaulement intérieur 23 du conduit 10, avec interposition d'un joint d'étanchéité approprié (non représenté), et est maintenue par un écrou 24 vissé dans ce conduit. Le manchon 3 présente un diamètre intérieur sensiblement égal à celui de l'ouverture 7. Il comporte à son extrémité supérieure une bride extérieure 24 vissée autour de cette ouverture, et à son extrémité inférieure une aile extérieure roulée 25. Cette aile, qui se raccorde tangentiellement à la paroi cylindrique du manchon, peut avoir, comme représenté, un profil en arc de cercle. En variante, cette aile 25 pourrait être remplacée par un bourrelet extérieur à contour arrondi se raccordant tangentiellement au manchon. Le cercle le plus bas de l'aile 25 ou du bourrelet se trouve sensiblement dans le plan horizontal d'extrémité de la buse 22. En fonctionnement, le raccord 17 est relié à une source d'un gaz plasmagène, et le raccord 13 à une source d'un gaz ou d'un mélange gazeux destiné à former à la sortie de la buse 22 une flamme de forme générale annulaire gainant le jet central. Le générateur de micro-ondes fournit une énergie électromagnétique pulsatoire, par exemple à la fréquence 2,45 GHz. La puissance incidente se partage en une puissance utile transmise par le tube 2 et la buse 22, laquelle forme une antenne en l'absence de gaz, et en une puissance réfléchie parasite renvoyée par le guide d'onde 1 vers le générateur. Avec une puissance incidente pouvant aller jusqu'à 6 kW au moins, la puissance utile, qui est de l'ordre de 95 % de la puissance incidente moyennant un réglage correct du piège 4, forme un plasma dans le jet central, après amorçage obtenu par exemple en créant un court-circuit temporaire entre la buse 22 et le manchon 3. Ce plasma allume le gaz ou le mélange gazeux qui sort par les conduits 22b, de sorte que le jet de plasma se trouve gainé par une flamme annulaire ou quasi-annulaire. La demanderesse a constaté que, de façon surprenante, un tel jet de plasma gaine par une flamme est beaucoup plus stable et possède un dard beaucoup long et à contour beaucoup plus net qu'en l'absence de la flamme. Le plasma est stable aussi bien dans l'atmosphère libre que lorsqu'il est dirigé sur un objet, notamment sur une plaque métallique. Si l'on compare un plasma gainé d'une flamme à un plasma gainé d'un simple flux annulaire de gaz sortant par les conduits 22b, on constate qu'à puissance égale, dans le premier cas: - les débits de gaz central et annulaire nécessaires pour assurer la stabilité du plasma sont fortement réduits; - le transfert thermique, c'est-à-dire la quantité de chaleur récupérable, est fortement augmenté. Plus particulièrement, le gainage du plasma par un flux annulaire de gaz non combustible augmente le temps de coupage d'une pièce métallique donnée, alors que le gainage par une flamme diminue ce temps de coupage. De plus, on constate un effet de synergie entre le plasma et la flamme, c'est-à-dire que, tant en ce qui concerne le transfert thermique global que le transfert thermique local (chaleur récupérable dans 1C une zone d'étendue limitée), la chaleur transférée par le plasma gainé par une flamme est supérieure à la sonmme des quantités de chaleur transférées d'une part par le plasma non gainé, d'autre part par la flamme annulaire seule, dans les m8mes conditions de puissance et de débits. Des essais concluants ont été effectués par la demanderesse avec de très nombreux couples de gaz, et notamment: - pour le gaz central plasmagène: l'oxygène, l'azote, les oxydes d'azote, les gaz rares de l'air et leurs mélanges, l'air, et des mélanges d'argon ou d'hélium avec une proportion d'hydrogène ou de CO2 allant jusqu'à 60 Z environ; - pour le gaz annulaire: des gaz combustibles tels que l'hydrogène, les hydrocarbures et les mélanges d'hydrocarbures, seuls ou mélangés avec de l'oxygène. Il est à noter que seul le gainage par une flamme permet, avec une torche à micro-ondes, d'obtenir dans des conditions acceptables des plasmas d'oxygène ou de mélanges à forte teneur en hydrogène ou en C02, ce qui ouvre la voie à une large gamme d'applications industrielles faisant appel aux propriétés de ces gaz. REVENDICATIONS 1. - Procédé de traitement thermique par un jet de plasma, caractérisé en ce qu'on crée autour du jet de plasma une flamme de forme générale annulaire. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on crée autour du jet central une série de flammes élémentaires qui constituent ensemble ladite flamme de forme générale annulaire. 3. - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on crée ladite flamme par allumage d'un gaz combustible éventuellement mélangé à de l'oxygène. 0 4. - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz combustible est de l'hydrogène, un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures. 5. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qua la jet central est réalisé à partir d'un gaz choisi parmi l'oxygène, l'azote, les oxydes dtazote, les gaz rares de l'air et leurs mélanges, et l'air. 6. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le jet central est réalisé à partir d'un gaz choisi parmi les mélanges d'argon ou d'hélium avec une proportion d'hydrogène ou de CO2 allant jusqu'à 60 % environ.