Brevet FR2601441A1 — publié le 19880115

2'601441 La présente invention est relative à un four rotatif à plasma à alimentation en matériau à traiter par entraînement mécanique. Les fours rotatifs à plasma utilisés pour 5 le traitement à haute ou très haute température de matériaux pulvérulents ou granuleux, a fait l'objet jusqu'à ce jour de très nombreux travaux. Parmi les plus récents, on peut citer, notamment, dans la publication J.F.E. n0 3, publiée en Mars-Avril 1979, l'ar10 ticle de David Yerouchalmi intitulé "Four rotatif à haute température chauffé axialement par un plasma d'arcs pour la fusion et l'élaboration de produits ultra-réfractaires et de métaux". L'exploitation rentable des fours tournants 15 à plasma utilisés actuellement, fours tels que décrits dans l'article précité, passe par une alimentation continue en matériau à traiter. Dans ce but, ainsi qu'il est d'ailleurs représenté de façon schématique en figure 1, le four proprement dit ou corps de four est incliné par rapport à sa position horizontale initiale, le corps de four étant entraîné en rotation par un système moteur G, et le produit à traiter est introduit à partir d'une trémie de chargement Q disposée à l'extrémité supérieure du corps de four, la coulée du matériau traité à haute température étant effectuée à l'autre extrémité. Un plasma superposé J axial est engendré entre les électrodes de t orche à plasma A, B, la torche B étant sensiblement disposée axialement par rapport à l'axe de rotations et la torche A étant décalée par rapport à cet axe ou translatée sur celui-ci, de façon à permettre la coulée du matériau traité. Les alimentations électriques D et F des torches A et B permettent de créer deux jets de plasma qui en se rejoignant dans l'axe du four forment une colonne de gaz ionisés conductrice de l'électricité. L'alimentation électrique E sert à la superposition d'un arc électrique sur cette colonne gazeuse. La température de l'arc plasma atteignant le plus sou5 vent et pouvant même dépasser 10 000 K, les écoulements plasma présentent une viscosité importante à de telles températures, le degré de viscosité de ceux-ci étant une fonction croissante de la température. Du fait même de cette viscosité importante 10 de l'arc plasma, la pénétration par simple gravité de la poudre est quasi impossible dans l'arc même et l'introduction du matériau à traiter dans le four ou corps de four présente des difficultés importantes, l'introduction du matériau dans le corps de four de15 vant en fait être effectuée de façon à ce que le matériau atteigne la partie inférieure de l'enceinte réfractaire du corps de four. Afin d'obtenir de telles modalités d'introduction du matériau à traiter dans le four, il est nécessaire de prévoir un courant de gaz porteur du matériau pulvérulent ou granuleux à traiter, le matériau pénétrant ainsi dans le corps de four par l'intermédiaire d'une buse d'injection S sous l'effet de la gravité et du courant de gaz porteur.Bien que quelques difficultés puissent apparaître dans le cas 25 o une lèvre de matériau fondu se forme sur le bord d'écoulement de la buse d'introduction, empêchant l'introduction du matériau, à l'état pulvérulent ou granuleux, le système précédemment décrit donne satisfaction pour de faibles débits de matériau. En vue d'atteindre des débits beaucoup plus importants, à l'aide du dispositif tel que décrit précédemment, il serait nécessaire d'augmenter les dimensions de la buse d'introduction et/ou d'augmenter fortement le débit et la pression du courant de gaz porteur du matériau à traiter. L'augmentation des valeurs des paramètres précédemment cités ne peut être valablement envisagée en raison d'une diminution correspondante du rendement énergétique du four, consécutive à une modification des conditions de formation du plasma notamment. 10 Une augmentation importante du débit de gaz porteur, les débits de gaz plasmagène étant très faibles,apparait notamment exclue, une extinction ou soufflage intempestif du plasma pouvant même être provoqué par un débit de gaz porteur trop important. En tout état 15 de cause, un débit de gaz porteur important a pour effet une consommation parasite de chaleur par celuici, laquelle est néfaste à l'obtention d'un bon rendement du four. La présente invention a pour but de remédier 20 aux inconvénients précités par la mise en oeuvre d'un four rotatif à plasma dans lequel l'introduction du matériau à traiter dans le four est assurée, en l'absence de tout courant de gaz porteur, par seul entrainement mécanique. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un four rotatif à plasma permettant le traitement à haute ou très haute température de matériauxpulvérulents ou granuleux à l'échelle industrielle, soit avec des débits de matériau de 30 l'ordre de 0,5 à lm3 par heure. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un four rotatif à plasma de conception simplifiée, une torche à plasma étant supprimée, les paramètres de fonctionnement du four 5 pouvant être adaptés pour assurer des conditions de fonctionnement appropriées. Le four rotatif à plasma comportant un corps de four mobile en rotation autour d'un axe et au moins une torche à plasma disposée au voisinage d'une des 10 deux extrémités du corps de four et de l'axe de rotation de celui-ci est remarquable en ce que le four est muni de moyens d'alimentation en matériau à traiter permettant d'établir un flux d'alimentation sensiblement coaxial à l'axe de rotation en vue d'obtenir une ali15 mentation du four en matériau par le seul entraînement mécanique. L'invention trouve application au traitement de matériaux pulvérulents, granuleux ou pâteux tels que notamment, l'alumine, la magnésie, les matériaux 20 réfractaires. D'autres caractéristiques et avantages du four rotatif à plasma objet de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels, outre la ficgure 25 1 relative à l'art antérieur, - la figure 2 représente en coupe une vue générale d'un four objet de la présente invention, - la figure 3 représente, en coupe, une variante de réalisation du four objet de la présente 30 invention, - la figure 4 représente, en coupe selon un plan de symétrie longitudinal, un détail de réalisation du four objet de l'invention correspondant au Z601441 mode de réalisation de la figure 3, - la figure 5a représente, également en coupe, un détail de réalisation du dispositif repré5 senté en figure 2 et les figures 5b et 5c représentent respectivement une vue agrandie de la vis d'Achimède du dispositif de la figure 5a et une vue en coupe selon un plan de coupe AA de la figure 5b. Le four rotatif à plasma, objet de l'inven10 tion, sera tout d'abord décrit en liaison avec la figure 2. Sur l'ensemble des figures, les mêies références désignent les mêmes éléments. Ainsi que précédemment décrit, le four rotatif à plasma, objet de l'invention, comporte un corps 15 de four,noté 1,mobile en rotation autour d'un axe, le corps de four 1 étant ainsi que décrit précédemment mis en mouvement autour de l'axe par l'intermédiaire de moyens d'entraînement notés G. Il comporte en outre au moins une torche à plasma notée A, B sur la figure 20 2, torche à plasma disposée au voisinage d'une extrémité du corps de four 1 et de l'axe de rotation a. Conformément à l'invention, le four à plasma est muni à une extrémité du corps de four 1, de moyens notés 2, d'alimentation en matériau à traiter, permet25 tant d'établir un flux d'alimentation du four en matériau à traiter, sensiblement coaxial à l'axe de rotation,. Ces moyens permettent d'alimenter le four en matériau à traiter coaxialement à l'axe de rotationA, l'alimentation en matériau ayant lieu par le seul en30 trainement mécanique de ce dernier, en l'absence de tout courant de gaz porteur du matériau. Ainsi qu'il apparaît en outre en figure 2, les moyens d'alimentation 2 et la torche à plasma notée B sont disposés à la même extrémité du corps de four 1. Les moyens d'alimentation 2 et la torche à plasma notée B sont, ainsi que représentés en fi5 gure 2, concentriques et admettent le même axe de révolution, l'axe de rotation. Ainsi qu'il apparaft en outre en figure 2, et qu'il sera décrit plus en détail ultérieurement dans la présente description, les moyens d'alimenta10 tion 2 peuvent avantageusement être constitués par une vis d'Archimède creuse, la torche à plasma B étant disposée dans la partie creuse de la vis. Les moyens d'alimentation 2 sont bien entendu reliés à une trémie de chargement notée Q, ainsi que précédemment décrit 15 dans la description. Ainsi, le caractère concentrique de la torche à plasma notée B et des moyens d'alimentation 2 précédemment décrits permet d'assurer une alimentation en matériau à traiter en continu, dans des conditions convenables de fonctionnement et de rendement du four, le courant de gaz porteur du matériau étant totalement supprimé et les pertes d'énergie calorifique dues à la présence du courant de gaz porteur dans l'art antérieur étant également supprimées. Selon une variante avantageuse du four rota25 tif à plasma objet de l'invention représenté enfigure 2, les moyens d'alimentation 2 et la torche à plasma notée A peuvent être disposés aiextrémités opposées du corps de four 1. Les moyens d'alimentation 2 et la torche à plasma A admettent alors pour même axe de révolution l'axe de rotation a du corps de four. Dans ce cas, ainsi qu'il apparatt notamment en figure 3, les moyens d'alimentation 2 en matériau à traiter sont constitués également par une vis d'Archimède admettant pour axe de révolution l'axe de rotation A du corps de four. Bien entendu, la vis d'Archimède constituant les moyens d'alimentation 2 tels que représentés en figure 4 est également reliée à une trémie de chargement notée Q. Le mode de réalisation de la figure 3 apparaît particulièrement avantageux dans la mesure o il autorise la mise en oeuvre d'un four rotatif à plasma de conception notablement simpliée dans la 10 mesure o, conformément à un objet de l'invention, l'une des torches à plasma, la torche B, peut alors être supprimée. A cet effet, l'extrémité des moyens d'alimentation 2 en matériau est avantageusement munie d'une pièce d'usure 20, formant anode, cette 15 pièce d'usure étant plus particulièrement destinée à jouer le rôle de contre-électrode pour la torche à plasma A disposée au voisinage de l'extrémité opposée du corps de four 1. La pièce d'usure 20 peut avantageusement être constituée en un matériau très bon conducteur de l'électricité, tel qu'un bronze au béryllium ou cuivre ou alliages cuivreux par exemple. Ainsi qu'il apparatt notamment en figures 3 et 4, les moyens d'alimentation 2 en matériau peuvent avantageusement être réglables ern position par 25 rapport à l'extrémité correspondante du corps de four 1, le réglage en position consistant en un réglage en translation T suivant l'axe de rotation du corps de four. Les moyens de réglage en translation représentés symboliquement par T sur les figures 30 3 et 4 peuvent avantageusement être constitués par des glissières de support autorisant la translation de l'ensemble constitué par les moyens d'alimentation 2 et la trémie Q selon la direction à de l'axe de rotation du corps de four 1. Les moyens de réglage en translation n'ont pas été représentés sur les figures 3 et 4 afin de ne pas nuire à la clarté de l'exposé de l'objet de l'invention. De manière avantageuse, le réglage en translation précité permet d'obtenir, en fonction des paramètres d'utilisation du four, objet de l'invention,et notamment de la nature du corps ou matériau à traiter, de la température à atteindre pour le traitement de celui-ci dans l'enceinte 10 du corps de four un réglage optimal de la longueur de jet de plasma engendré entre la torche A et la pièce d'usure formant anode. notée 20 sur la figure 4. Les paramètres de fonctionnement du four sont alors adaptés ou optimalisés en conséquence. Ainsi qu'il apparaît en outre en figure 4, la vis d'Archimède peut avantageusement être munie d'une enveloppe à double paroi, notée 201, 202, afin de permettre la circulation entre les parois précitées d'un fluide de refroidissement. Le fluide de refroi20 dissement-peut avantageusement être constitué par de l'eau déionisée. La vis d'Archimède, ainsi que représentée en figure 4, peut avantageusement comprendre dans l'enveloppe à double paroi 201, 202 précitée, une hélice notée 210, montée sur un corps d'hélice 211, l'ensemble étant monté dans une pièce de centrage 212, en un matériau auto-lubrifiant. L'hélice 210 définit ainsi une chambre hélicoldale 200, dans laquelle le matériau à traiter est transporté par entraînement mécanique, par mise en mouvement de la 30 vis d'Archimède. L'enveloppe à doublecorps 201, 202 comporte, en extrémité de vis située dans le corps de four 1, une ouverture 204 mettant en communication la chambre hélicoidale 200 de la vis et l'intérieur du corps de four 1 au voisinage de l'axe de rotation L'ouverture 204 permet alors l'introduction du matériau dans le corps de four, sensiblement par gravité,indépendamment sensiblement de la viscosité du jet de plasma. Ainsi qu'on le remarquera en outre en figure 4, la pièce d'usure 20 formant anode, peut avantageusement comporter un logement noté 2000, sensiblement 10 annulaire, destiné à recevoir un aimant permanent en forme de tore, l'aimant permanent en fonctionnement du four étant destiné à provoquer, par interaction électromagnétique un mouvement de précession du jet de plasma autour de l'axe à,de façon à obtenir un effet de moyenne d'usure, à la surface de contact de la pièce d'usure 20. On comprendra que dans le mode de réalisation décrit en figures 3 et 4, le four rotatif à plasma objet de l'invention, permet l'introduction 20 de matériau pulvérulent ou granuleux à l'intérieur du four rotatif, par l'intermédiaire des moyens d'alimentation 2 support de l'anode refroidie en l'absence totale de gaz porteur du matériau à traiter. Cette introduction bien entendu est effectuée de manière 25 continue, avec pour avantages des conditions optimales de fonctionnement du four tel que précédemment décrit. En outre, ainsi qu'on le remarquera en figure 4, le corps d'hélice 211 peut avantageusement être muni d'un orifice axial noté 2110, cet orifice axial 2110 débouchant au niveau de la pièce d'usure, sur un orifice de sortie noté 2010 et par lequel, en fonctionnement,un jet de gaz est engendré par l'in5 termédiaire d'une source auxiliaire non représentée au dessin, afin d'établir, après alimentation convenable de l'ensemble du dispositif en énergie électrique au moyen des générateurs D, E, F précédemamnt décrits, un arc plasma superpo-transféré entre la pièce d'usure for10 mant anode 20 et la torche disposée en vis-à-vis notée A. Le jet de gaz ainsi créé débouchant à partir de l'orifice 2010, permet alors d'établir l'arc électrique souhaité entre la pièce d'usure formant anode 20 et la torche A précédemment décrite. 15 L'arc plasma ainsi formé peut alors être étiré par déplacement en translation des moyens d'alimentation 2 représentés en figure 4 de façon à définir une longueur d'arc plasma souhaitée en fonction de l'application considérée. Le four rotatif à plasma précédemment décrit permet notamment d'introduire mécaniquement le matériau à traiter dans le four, en l'absence de tout gaz porteur avec une grande amélioration du rendement thermique du four. La quantité de gaz nécessaire à la 25 protection de l'électrode et au support de l'arc plasma dans le four est en tout état de cause faible et correspond aux conditions normales de fonctionnement et d'établissement de l'arc plasma dans le four. 1 1 Un autre mode de réalisation du four rotatif à plasma objet de l'invention tel que représenté notamment en figure 2, sera décrit plus en, détail en liaison avec les figures 5a, 5b, 5c. On comprendra bien entendu conformément au mode de réalisation de la figure 5a, que le corps d'hélice 211, lui-même est creux, l'espace central du corps d'hélice 211 accueillant la torche à plasma notée B ainsi qu'il est représenté sur cette figure. 10 La vis d'Archimède formée par l'hélice 210 et le corps d'hélice 211 se trouventalors à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique à double paroi notée 201, 202 et tournentautour de la torche notée B en entraînant le matériau à traiter depuis la trémie 15 notée Q jusqu'à l'extrémité de sortie notée 204. L'alimentation en matériau à traiter est alors axiale sensiblement, les axes du four ou corps de four 1, de la vis formée par le corps de vis 211 et l'hélice 210 et de la torche B étant alors confondus et correspondant à l'axe & de rotation du corps de four 1. L'extrémité de l'ensemble formé par la torche à plasma B, le corps d'hélice 211 et l'enveloppe à double paroi 201, 202, vient s'emboîter dans le flasque du corps de four 1 en rotation et est suscep25 tible d'être soumis au rayonnement du matériau en fusion et à la température qui règne à proximité du plasma qui est très élevée.On rappelera pour mémoire que la température de l'arc plasma au voisinage de l'axe de rotation a peut couramment atteindre et même dépasser 30 des températures supérieures à 10 000 K. En con- séquence, il est nécessaire de refroidir l'ensemble des pièces précitées et -l'enveloppe à double paroi 201, 202 est parcourue par un débit de fluide réfrigérant, tel que de l'eau déionisée et la vis d'Archi5 mède elle-même, constituée par le corps de vis 211 et par l'hélice 210 est également parcourue par un débit de fluide réfrigérant de même nature. L'eau déionisée constituant le fluide réfrigérant par exemple, rentre par l'hélice qui est elle-même creuse 10 et ressort par le corps de vis 211, le corps de vis 211 étant constitué lui-même par un corps à double paroi. Compte tenu du fait que le corps d'hélice 211 et l'hélice elle-même 210, sont des pièces animées d'un mouvement de rotation, par rapport à 15 l'axe A, la circulation d'eau ou fluide de refroidissement dans l'hélice et dans le corps d'hélice 211, peut avantageusement être réalisée à partir de deux joints tournants notés respectivement 2101 et 2110. Le joint tournant 2101 permet l'alimentation de l'hélice 210, proprement dite en fluide de refroidissement, alors que le joint tournant 2110 permet au contraire l'évacuation du fluide de refroidissement du corps d'hélice 211. Les deux joints tournants 2101 et 2110 précités sont avantageusement disposés 25 en amont de la trémie de chargement Q, laquelle est bien entendu solidaire de l'enveloppe externe à double paroi 201, 202, et en communication directe avec lachambre hélicoïdale 200. L'agencement des joints tournants précités ne sera pas décrit en détail dans ?601441 la mesure o l'alimentation par joint tournant en un fluide,tel qu'un fluide de refroidissement, de systèmes tournantsconcentriquesest du domaine des compétence de l'homme de l'art et n'entre pas dans le cadre de la présente invention. Les figures 5b et 5c permettent de mieux comprendre le détail de réalisation de l'agencement relatif du corps d'hélice 211 et de l'hélice 210 en ce qui concerne la circulation du fluide de refroi10 dissement. Sur la figure 5b notamment, on constatera que l'hélice 210 forme en fait un canal de circulation du fluide de refroidissement, le canal de circulation précité étant en communication au niveau de son extré15 mité, avec le corps d'hélice 211 à double paroi, la double paroi pouvant ainsi constituer une canalisation de retour du fluide de refroidissement vers le joint tournant d'évacuation 2110 précité. Sur la figure 5b notamment, les flèches indiquent le sens de circula20 tion du fluide de refroidissement. En outre, une cloison sensiblement annulaire 2112 peut être prévue en extrémité du corps de vis 211 à double paroi, extrémité située au voisinage de la torche B précitée. Par cloison sensiblement annulaire on entend une 25 cloison en forme d'anneau présentant une ouverture permettant le passage du fluide de refroidissement, celui-ci étant en outre guidé au niveau de l'orifice de communication avec l'hélice 211 à double paroi, par un prolongement de l'anneau dirigé selon une ligne génératrice de l'enveloppe à double paroi. La cloison sensiblement annulaire peut éventuellement adopter d'autres formes, celle représentée par les figures 5b et 5c étant donnée à seul titre d'exemple. Cette cloison 2112 a pour effet de permettre la cir- culation du fluide de refroidissement selon un trajet sensiblement périphérique matérialisé par les flèches représentées en figure 5c, au voisinage de l'extrémité précitée du corps d'hélice 211. L'hélice 210 constitutive de la vis d'Archimède peut être formée ou réalisée en un acier inoxydable par exemple, et l'enveloppe à double paroi 201, 202, peut avantageusement être constituée en unmatériau plus tendre, afin que cette dernière subis10 se préférentiellement l'usure par abrasion amenée par le fonctionnement. Bien entendu, tant dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, que dans celui de la figure 3, le four rotatif à plasma objet de l'invention 15 comprend également un dispositif de guidage et de soutien de la vis, ainsi que son système d'entrainement qui peut, de manière classique,être constitué par une couronne d'entrée sur laquelle engrène un pignon ou une courroie entraînéepar un moteur élec20 trique.. Le dispositif de guidage ayant été décrit dans le cas du mode de réalisation de la figure 3, ce dispositif de guidage permettant ainsi que décrit précédemment un réglage de positionen translation du moyen d'alimentation 2 selon l'axe de rotation a 25 tel que précédemment décrit, le système d'entraînement constitué par des éléments classiques de la technique ne sera pas décrit en détail. On a ainsi décrit un four rotatif à plasma permettant d'obtenir à la fois une amélioration du rendement thermique du four et une augmentation très importante des débits de traitement du matériau à traiter. Les fours de la technique antérieure permettant au plus des débits de traitement de l'ordre de 150 l/h, on a ainsi pu obtenir une augmentation de débit de l'ordre d'un facteur trois par la mise en oeuvre des fours rotatifs à plasma conformément à la présente invention. Les fours précités en raison notamment de leur plus grande capacité de traitement peuvent sans inconvénient être utilisés àl'échelle industrielle pour le traitement des pro10 duits les plus divers. REVENDICATIONS 1. Four rotatif à plasma comportant un corps de four (1) mobile en rotation'autour d'un axe (A) et au moins une torche à plasma (A,B) disposée au voisinage d'une extrémité du corps de four (1) et de l'axe de rotation (A), caractérisé en ce que ledit four est muni à une extrémité du corps de four (1) de moyens (2) d'alimentation permettant d'établir un flux d'alimentation en matériau à traiter sensiblement coaxial à l'axe de rotation (), en vue d'obtenir une alimen10 tation du four en matériau par le seul entraînement mécanique. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation (2) et la torche à plasma (B) sont disposés à la même extré15 mité du corps de four (1), les moyens d'alimentation (2) et la torche à plasma (B) étant concentriques et admettant le même axe de révolution, l'axe de rotation(A). 3. Four selon la revendication 2, caracté20 risé en ce que lesdits moyens d'alimentation (2) sont constitués par une vis d'Archimède creuse, ladite torche à plasma (B) étant disposée dans la partie creuse de la vis. 4. Four selon la revendication 1, caractéri25 sé en ce que les moyens d'alimentation (2) et la torche à plasma (A) sont disposés aux extrémités opposées du corps de four (1), lesdits moyens d'alimentation (2) et la torche à plasma (A) admettant pour même axe de révolution l'axe de rotation (a) du corps de four. 5. Four selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (2) en matériau à traiter sont constitués par une vis d'Archimède admettant pour axe de révolution l'axe de rotation () du corps de four. 6. Four selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité des moyens d'alimentation (2) en matériau est munie d'une pièce d'usure (20) formant anode, ladite pièce d'usure (20) formant anode 10 étant destinée à jouer le rôle de contre-électrode pour la torche à plasma (A) disposée au voisinage de l'extrémité opposée du corps de four. 7. Four selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation 15 (2) en matériau sont réglablesen position, par rapport à l'extrémité correspondante du corps de four (1), en translation (T) suivant l'axe de rotation (à.) du corps de four. 8. Four selon l'une des revendications 3 à 20 7, caractérisé en ce que la vis d'Archimède est munie d'une enveloppe à double paroi (201,202) afin de permettre la circulation, entre les parois, d'un fluide de refroidissement. 9. Four selon la revendication 8, caracté25 risé en ce que ladite enveloppe comporte en extrémité de vis située dans le corps de four une ouverture (204) mettant en communication la chambre hélicoïdale (200) de la vis et l'intérieur du corps de four au voisinage de l'axe de rotation (,), ladite ouverture (204) per30 mettant l'introduction du matériau dans le corps de four par gravité. 6 0 1 4 4 1 10. Four selon la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre hélicoïdale (200) de la vis d'Archimède est alimentée en matériau à partir d'une trémie (Q). 11. Four selon l'une des revendications 6 à , caractérisé en ce que l'hélice (210) de la vis d'Archimède est une hélice creuse, le corps d'hélice (211) étant en outre constitué par un corps à double paroi afin d'assurer la circulation d'un fluide réfri10 gérant, ledit fluide entrant par l'hélice creuse (210) et ressortant- par le corps à double paroi (211). 12. Four selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que l'hélice (210) de la vis d'Archimède est constituée en acier inoxydable, l'en15 veloppe étant constituée en un matériau plus tendre.