Brevet FR2583663A1 — publié le 19861226

L'invention concerne d'une manière générale un four de refusion à plasma, et plus particulièrement un appareil de production de grains fins dans lequel une matière brute telle qu'un métal est amenée à l'état de fusion sous l'effet d'un chauffage par un arc sous plasma, et des grains fins peuvent être produits efficace- ment à partir du bain de métal fondu et recueillis sans perte. Dans un appareil connu de production de grains fins de ce type, une matière brute métallique est intro- duite dans le fond d'un four et est chauffée et amenée à l'état fondu par un arc sous plasma, après quoi elle est formée en grains fins. Dans ce procédé, la zone ce chauffage de la matière brute est généralement réduite et spatialement fixe. En conséquence, pour que la totalité de la matière brute fournie puisse être totalement fondue, il faut une conduction de chaleur dans le métal fondu ou une introduction de matière brute non fondue dans la zone de chauffage en même temps que le métal brut fondu s'écoule de cette zone. Par suite, le niveau de rendement de grains fins est généralement bas; il faut beaucoup de temps pour produire une certaine quantité de grains fins et, surtout, l'homogénéité des grains fins obtenus n'est pas garantie. Il est connu un appareil dans lequel la direction de l'arc sous plasma produit par une torche à plasma peut être ajustée de façon variable à un certain degré. Cependant, dans un tel appareil, la direction de l'arc à plasma est rarement ajustée par un opérateur et un arc à plasma reste fondamentalement dans une disposition spatialement fixe pendant le procédé de production de grains fins. Par ailleurs, dans un appareil classique de ce type, des grains métalliques fins sont formés dans une zone réduite voisine du bain de métal fondu et sont retirés par quelques orifices de décharge, distincts les uns des autres, ménagés dans la paroi latérale du four. Etant donné que le mouvement des grains fins produits entraînés par un courant de gaz neutre pour le milieu du plasma est compliqué et que, de plus, les grains fins sont dirigés vers la paroi latérale du four, ces grains s'égarent dans le four jusqu'à ce qu'ils arrivent aux orifices de décharge. Certains des grains fins se fixent alors à la paroi latérale du four, causant des problèmes tels qu'une détérioration de l'isolant électrique, ou bien ils s'entassent dans les angles du four, provoquant une baisse supplémentaire du rendement. L'invention concerne des moyens de production de grains fins ainsi que leur mode fondamental de fonction- nement. Conformément à l'invention, un arc à plasma, produit par une torche annulaire à plasma qui est montée coaxialement par rapport à un four, à la partie supérieure de ce dernier, est dirigé obliquement vers le bas, contre un empilement toroidal de matière brute placé dans le fond du four. Cet arc à plasma est commandé électromagné- tiquement en azimut autour du grand axe de l'appareil et il chauffe de façon homogène une partie donnée de l'empilement toroïdal de matière brute à une période constante. En fait, une large zone toroldale de chauffage efficace peut être obtenue et des grains fins sont produits simultanément dans une zone sans chauffage vers laquelle l'arc à plasma n'est pas dirigé. Par ailleurs, le gaz de travail de la torche à plasma s'écoule radialement vers un orifice de décharge situé sur le grand axe de l'empilement toroidal de matière brute et les grains fins produits sont recueillis efficacement. L'invention a donc pour objet un appareil de production de grains fins dans lequel la zone de chauf- fage est déplacée spatialement, ce qui donne une large zone de chauffage efficace et ce qui garantit un rendement et une qualité élevés des grains fins. Un autre objet de l'invention réside dans un appareil de production de grains fins dans lequel une torche annulaire à plasma produit un arc à plasma commandé électromagnétiquement et tournant en azimut entre la torche et un empilement toroidal de matière brute pour grains fins. Un autre objet de l'invention réside dans un appareil de production de grains fins dans lequel les grains fins produits sont recueillis efficacement par le courant de gaz de transfert dirigé le long du grand axe de l'appareil. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un appareil de production de grains fins selon l'inven- tion; - la figure 2 est une coupe horizontale suivant la ligne II-II de la figure 1; et - la figure 3 est une vue partielle en pers- pective, avec coupe partielle, montrant les positions relatives d'un bain de matière fondue, d'une torche annu- laire à plasma et d'un arc à plasma. Un creuset toroidal 2, placé sur une embase 1, définit une cuve 3 à matière brute et présente un orifice 4 de décharge. Ce creuset 2 est équipé d'un circuit de refroidissement par eau comprenant une conduite d'eau , une entrée d'eau 6 et une sortie d'eau 7. Un tuyau 8 de décharge communique par son sommet avec l'orifice 4 de décharge du creuset 2 et est équipé de façon similai- re d'un circuit de refroidissement par eau comprenant une conduite d'eau 9, une entrée d'eau 10 et une sortie d'eau 11. L'autre extrémité du tuyau 8 de décharge communi- que avec des moyens connus (non représentés) destinés à collecter les grains fins produits. Un anneau électrique- ment isolant 14, une torche annulaire 15 à plasma, un autre anneau électriquement isolant 16 et un couvercle 17 sont tous disposés coaxialement par rapport au grand axe de l'appareil, dans la partie supérieure de ce dernier, et sont assemblés par des boulons de fixation et maintenus contre l'embase 1. Un four creux est ainsi formé principa- lement par cette embase 1, le creuset 2, la torche 15 à plasma et le couvercle 17. La torche 15 à plasma comprend deux éléments toroidaux de buse 20, 21 et une cathode toroidale 23. Une ouverture annulaire 22 de buse est formée entre les bords inférieurs opposés des éléments et 21. Le grand diamètre de l'ouverture 22 de la buse est déterminé de façon à être légèrement plus grand que le rayon principal moyen de la cuve 3 à matière brute afin qu'un arc 40 à plasma partant de la cathode 23 dispo- sée entre les éléments 20 et 21 de la buse puisse être correctement dirigé obliquement vers le bas, en passant dans l'ouverture 22 de la buse, vers la cuve 3 de matière brute. Le bord inférieur de la cathode 23 est réalisé, sous la forme d'un élément résistant à l'arc, formé d'un métal à haute résistance à la chaleur. L'isolation électri- que mutuelle et le positionnement relatif des éléments et 21 de la buse etdelacathode 23 sont assurés par les anneaux électriquement isolants 25 et 26. Des entrées 27 de gaz neutre pour le plasma sont ménagées à travers les anneaux électriquement isolants 25 et 26. On choisit, comme gaz neutre, l'un de divers gaz tels que l'hydrogène, l'argon, l'azote, l'hélium ou autre, selon l'objet. Les références numériques 28 et 29 désignent des éléments de structure réalisés en matière résistant au feu. Un cylindre 33 d'alimentation en gaz de transfert passe à travers la partie centrale du couvercle 17 auquel il est fixé et est disposé verticalement le long du grand axe de l'appareil. Une sortie 34 de gaz de transfert est formée à l'extrémité inférieure ouverte du cylindre 33 et est dirigée étroitement vers l'orifice 4 de décharge. Le cylindre 33 d'alimentation en gaz est entouré d'un dispositif de refroidissement par eau comprenant une conduite d'eau 35, une entrée d'eau 36 et une sortie d'eau 37. Un générateur 38 de champ magnétique, destiné à provoquer une rotation du plasma, tel qu'un élément de la torche 15 à plasma, comprend une bobine circulaire disposée coaxialement par rapport à la torche à plasma, dans la partie supérieure du four, et est destiné à produi- re, à proximité de l'ouverture 22 de la buse, un champ magnétique possédant des composantes axiale et radiale comme indiqué pr la flèche H. Ce champ magnétique possède une composante perpendiculaire à l'arc 40 à plasma projeté. par l'ouverture 22 de la buse et il est convenablement réparti afin d'entrarner de façon électromagnétique l'arc à plasma en azimut le long de l'élément toroïdal 24 résis- tant à l'arc. Cette structure est connue d'après le brevet des E.U.A. N 4 275 287. Dans l'appareil réalisé comme décrit ci- dessus, on fait d'abord couler l'eau de refroidissement le long de la totalité des conduites d'eau, puis on provo- que l'émission de gaz de transfert à partir de la sortie 34 de gaz de transfert, à travers le cylindre 33 d'alimen- tation en gaz et en direction de l'orifice 4 de décharge. Ce gaz de transfert est avantageusement du même type que le gaz neutre destiné au plasma, mais il peut être d'un type différent pourvu que la pureté des grains fins produits n'en soit pas affectée. Un distributeur 32 de matière brute alimente la cuve 33 de matière brute en une quantité convenable de poudre de matière brute par l'intermédiaire d'un canal 31. La matière brute est en général conductrice du courant électrique et peut être une matière métallique telle que du fer, du nickel, du chrome, du cuivre ou un alliage de ces métaux, ou bien une matière non métallique telle que du "Silundum" ou du carbure de tungstène. Le gaz neutre destiné au plasma arrive par les entrées de gaz 27 et est dirigé, par l'ou- verture 22 de la buse, vers la cuve 3 de matière brute, la torche 15 à plasma est allumée par une opération bien connue, l'arc 40 à plasma passe dans l'ouverture 22 de la buse, et un mélange gazeux, comprenant des molécules neutres provenant du gaz neutre, des atomes dissociés, des atomes ionisés et des électrons, est éjecté en tant que plasma gazeux de travail. En conséquence, l'arc à plasma s'allonge obliquement vers le bas, de l'ouverture 22 de la buse vers la cuve 3 de matière brute. Cet arc à plasma est projeté de l'ouverture 22 de la buse d'une manière bien connue, c'est-à-dire comme indiqué par la référence numérique 40 sur la figure 3, et il est entraîné par une composante du champ magnétique, produit par les moyens 38 de production de champ magnétique,qui est epeniculai- re à l'arc à plasma, le faisant tourner en continu dans la direction de l'azimut. Cet arc à plasma tournant 40 chauffe la matière brute en poudre empilée dans la cuve 3 afin de lui faire prendre l'état de bain 41 de matière fondue. Une partie arbitraire du bain 41 est chauffée par intermittence par l'arc à plasma tournant, à une période constante. Des grains fins se forment sur la surface du bain 41 de matière fondue en même temps que ce processus de chauffage par l'arc à plasma. Autrement dit, une partie donnée du bain 41 de matière fondue subit nécessairement un processus de chauffage lorsqu'elle est soumise à l'action de l'arc à plasma 40, et une absence de chauffage lorsque l'arc à plasma 40 s'en écarte. Dans le processus de chauffage, la température à la surface du bain de matière fondue devient relativement élevée et atteint environ 2000 C, par exemple dans le cas d'un bain de fer fondu. Un certain volume du gaz de travail de l'arc à plasma 40 est absorbé dans le bain 41. Des atomes ionisés et des atomes dissociés constituant le plasma gazeux de travail sont actives par attraction et affinité et accélèrent encore plus l'absorption du plasma gazeux de travail. Par ailleurs, dans le processus d'absence de chauffage, la température de la surface du bain de matière fondue est relativement abaissée du fait de la conduction de la chaleur vers le creuset 2 refroidi par eau et descend à environ 1350 C, par exemple, dans le cas d'un bain de fer fondu. Le gaz absorbé pendant le processus de chauffage est donc dans un état saturé et, par conséquent, une quantité du gaz absorbé, nécessaire pour éliminer cet état saturé, est déchargée dans l'espace situé au-dessus du bain 41 de matière fondue. Une certaine quantité de la matière brute fondue du bain 41 est proje- tée dans cet espace avec le gaz déchargé et se solidife sous la forme de grains fins par suite d'un refroidissement rapide. Le gaz de transfert est émis sous pression par la sortie 34 du cylindre 33 d'alimentation en gaz de transfert, en direction de l'orifice 4 de décharge, et la pression statique régnant autour de l'orifice 4 de décharge est inférieure à celle régnant au-dessus du bain 41 de matière fondue du fait de la vitesse du gaz de transfert, de sorte qu'un effet dit d'aspiration a lieu en ce point. De plus, le gaz neutre destiné au plasma est émis de façon stable par toute la circonférence de l'ouverture 22 de la buse en direction de la surface du bain 41 de matière fondue et il s'écoule ensuite vers l'orifice 4 de décharge. Les grains fins formés dans l'espace situé au-dessus du bain 41 sont entraînés ferme- ment dans la direction radiale de l'appareil, vers l'orifi- ce 4 de décharge, par ledit effet d'aspiration et par l'écoulement du gaz neutre destiné au plasma, et ils sont ensuite entraînés vers les moyens collecteurs passant par le tuyau 8 de décharge. Etant donné que le transfert des grains fins produits est donc rapide et actif, ces grains fins n'ont pas suffisamment de temps pour se recom- biner les uns avec les autres,pour être frittés ou pour s'empiler dans le four. La collecte des grains fins pro- duits est donc très efficace. Etantdonné que l'arc 40 à plasma est entraîné en azimut par le champ magnétique H le long de l'ouverture 22 de la buse, des grains fins sont projetés de façon répétée à partir d'une zone arbitraire du bain 41 de matière fondue, à une période constante, et le débit de production de grains fins dans des parties respectives du bain de matière fondue devient homogène sur l'ensemble de la surface du bain toroidal de matière fondue. Etant donné que l'arc 40 à plasma est entraîné en douceur par la force électromagnétique provenant du champ magnétique, le point d'impact de l'arc sur la surface du bain se déplace également de façon régulière. Ceci favorise égale- ment pour une grande part le débit élevé de production et l'homogénéité des dimensions des grains fins produits. Etant donné que l'arc 40 à plasma tourne, une certaine partie du bain de matière fondue chauffée par l'arc à plasma à une température élevée absorbe du gaz, tandis qu'une autre partie du bain décharge en même temps le gaz. Ces absorptions et décharges simultanées du gaz assurent une production continue et importante de grains fins sur toute la surface du bain de matière fondue. Dans l'appareil de ce type, l'arc 40 à plasma peut généralement tourner à une vitesse de 0,1 à tr/min et la vitesse de rotation est avantageusement de 1 à 20 tr/min pour la production souhaitable de grains fins. Cette vitesse de rotation est en fait déterminée pour satisfaire les critères suivants. Selon la conducti- vité thermique de la matière brute, la puissance de l'arc et l'aptitude du creuset 2, refroidi par eau, à refroidir le bain 41 de matière fondue, la vitesse de rotation doit conférer à la zone de chauffage une température supérieure au point de fusion de la matière brute et à laquelle les particules activées présentes dans l'arc à plasma peuvent être absorbées en abondance dans le bain 41 de matière fondue, en même temps qu'elle doit donner à la zone non chauffée une température proche du point de solidification, à laquelle des grains fins sont déchargés en abondance et accompagnés en quantité suffisante de gaz absorbé. Pour une production efficace de grains fins, l'ouverture 22 de la buse de la torche 15 à plasma est avantageusement placée contre le creuset 2 de la manière suivante. Une ligne droite 22a reliant le bord inférieur de la cathode 23 au centre de l'ouverture 22 de la buse doit passer par la partie centrale de la surface du bain de matière fondue, en formant un angle c d'environ-60 . Si l'angle a est compris entre 15 et 75 , la production de grains fins est en fait possible. Les grains fins produits peuvent être transfé- rés dans le tuyau 8 de décharge sans aucune stagnation sous l'effet précité d'aspiration et de l'écoulement à grande vitesse du gaz de transfert provenant en abondance de la sortie 34 de gaz. Lorsqu'une grande quantité de gaz neutre destinée au plasma est éjectée par l'ouverture 22 de la buse, les grains fins produits peuvent cependant être transférés par le courant du gaz neutre destiné au plasma, seul, plutôt que par le mélange de gaz neutre et de gaz de transfert, sous la force d'aspiration de moyens spéciaux d'aspiration communiquant avec l'extrémité inférieure du tuyau 8 de décharge. Ainsi qu'il ressort de la description précé- dente de la présente invention, étant donné que la matière brute pour les grains fins est accumulée sous la forme d'un tore à grande surface spécifique et que l'arc 40 à plasma tourne en azimut sur cette surface, la zone 1Q de production de grains fins esteffectivement élargie et la productivité des grains fins est améliorée. En outre, étant donné que l'arc 40 à plasma, qui tourne en continu en azimut entre l'empilement toroïdal de matière brute et l'ouverture toroidale correspondante 22 de la buse de la torche 15 à plasma, provoque alternati- vement et périodiquement un chauffage et une absence de chauffage d'une partie donnée de la matière brute et rend possible ces deux processus simultanément sur l'ensemble de la matière brute, la production de grains fins est encore accélérée et l'homogénéité des grains fins produits est améliorée. De plus, étant donné que la plus grande partie des grains fins produits à partir de la surface étendue de l'empilement toro3da] de la matière brute est maintenue à l'écart de la paroi latérale du four et est entraînée par l'écoulement, exclusivement radial, du gaz neutre destiné au plasma, les grains fins ne peuvent diverger accidentellement et se fixer sur la surface intérieure du four et le rendement en grains fins est encore accru. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 1 1 REVENDICATIONS 1. Appareil de production de grains fins, caractérisé en ce qu'il comporte un four, un creuset toroidal (2) disposé dans la partie inférieure du four et destiné à contenir un empilement toroïdal de matière brute pour grains fins, une torche annulaire (15) à plasma montée au-dessus de l'empilement en matière brute afin de produire un arc à plasma (40) tournant en azimut entre la torche et la surface de l'empilement de matière brute, et un orifice (4) de décharge prévu sur le grand axe du creuset toroïdal et communiquant avec ce dernier afin de collecter les grains fins produits à partir de l'empile- ment de matière brute, ainsi qu'un gaz neutre destiné au plasma. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la torche annulaire à plasma comprend deux éléments toroïdaux (20, 21) de buse définissant une ouverture annulaire (22) de buse entre leurs bords inférieurs, une cathode toroldale (23) fixée entre les éléments de buse et des moyens (38) destinés à générer, à proximité de l'ouverture de buse, un champ magnétique possédant au moins une composante perpendiculaire à l'arc à plasma. 3. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte un cylindre (33) d'alimentation en gaz disposé le long du grand axe de l'appareil et dont l'ouverture inférieure (34) est dirigée étroitement vers l'orifice de décharge afin de permettre le passage d'un gaz destiné au transfert des grains fins produits.