Brevet FR2611340A1 — publié le 19880826

GENERATEUR DE PLASMA NULTICATHODIQUE COMPORTANT UN GAINAGE DE CATHODE DOMAINE TECHNIQUE DE L1 INVENTION L'invention concerne un générateur de plasma multicathodique, dont chaque cathode comporte un gainage permettant l'introduction, dans le plasma, du gaz plasmagène la matière à traiter étant introduite séparément du gaz plasmagène. ETAT DE LA TECHNIQUE Les plasmas thermiques sont un moyen puissant pour élever la température de matières à traiter en vue d'urne transformation chimique ou physique. que. Toutefois, il est connu que l'introduction de matière dans un arc électrique, que ce soit sous forme pulvérulente ou gazeuse, pose des problèmes importants. En effet, le plasma est un milieu à viscosité élevée (proche de celle de l'eau), et la matière à y introduire ne pénètre que difficilement. Si elle est entraînée par un écoulement gazeux, sa pénétration dépend de la vitesse de l'écoulement et du diamètre des particules. Ainsi, les trajectoires dans le plasma ne sont pas faciles à contrôler. D'autre part, le gaz froid d'entraînement refroidit localement le plasma et diminue ainsi le transfert thermique. Une méthode plus évoluée utilise le pompage magnétohydrodynamique, aussi appelé "effet Maecker". Celui-ci a été utilisé dans plusieurs réalisations plasma, notamment par SHEER C., KORMAN S., DOUGHERTY T.J., CHEH H.Y.: "INVITED REVIEW : DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE HIGH INTENSITY CONVECTIVE ELECTRIC ARC"; CHEM. ENGINEERING COMNUNICATIONS, 19, 1982, p. 1- 47 Dans ce cas, ltécoulement forcé des gaz vers l'axe de l'arc, près d'une constriction, entralne la matière à traiter vers les régions chaudes du plasma. Toutefois, le système d'introduction de matière est situé près du pied de l'arc et donc soumis à des températures très élevées.Ceci impose des contraintes sévères à ce système, et peut aussi causer le bouchage des ouvertures de sortie, par fusion partielle de la matière à introduire dans le plasma. Un autre système d'introduction est le passage de matière entre des arcs triphasés issus d'électrodes situées autour de la trajectoire de cette matière. On a pu montrer, toutefois, que ces arcs triphasés se repoussent mutuellement et ne chauffent donc que faiblement la zone centrale du passage de matière. Finalement, un système d'introduction de matière dans l'axe (vertical) de trois cathodes situées symétriquement autour de cet axe a été développé et présenté dans la demande de brevet PUT WU 86/02024. Toutefois, ces cathodes sont directement exposées à l'atmosphère ambiante, sans écoulement de gaz de protection particulier. Les trois arcs issus de ces cathodes se joignent, d'une manière peu contrôlée, dans l'axe et sont transférés sur une anode torique commune. PROBLEME A RESOUDRE Il apparaît, à l'analyse de l'art antérieur, que le problème de l'introduction de matière à traiter dans un plasma n'est pas résolu de façon satisfaisante, car, avec les dispositifs actuellement connus, on ne sait pas réaliser de façon reproductible, et dans les conditions d'une production industrielle, une introduction précise de matière dans la zone la plus chaude du plasma, sans déstabiliser ou refroidir le plasma. OBJET DE L'INVENTION L'objet de l'invention est un générateur de plasma pluricathodique à trois cathodes à anode commune, caractérisé en ce que chaque cathode comporte une gaine extérieure délimitant un espace annulaire dans lequel on injecte un gaz plasmagène. La matière à traiter est introduite séparément du gaz plasmagène. De préférence, mais non exclusivement, le générateur comportera trois cathodes disposées à 1200. Les figures 1 à 4 illustrent l'invention. La figure 1 représente, en vue schématique, la disposition, dans l'espace, des trois cathodes et de l'anode torique commune. La figure 2 représente, en coupe très simplifiée, une cathode gainée selon l'invention. La figure 3 représente, en coupe, le détail d'une cathode selon l'invention, comportant un double circuit de refroidissement. La figure 4 représente, en vue de dessus, la disposition des électrodes sur le couvercle du générateur de plasma. Trois cathodes (1) sont situées symétriquement autour d'un axe vertical (2), espacées de 1200 sur un cercle horizontal (3) dont le centre est sur l'axe de symétrie. L'inclina..son de chaque cathode par rapport à la verticale peut être ajustée entre 15 et 60 par des cales (4) intégrées au porte-électrodes. Cette inclinaison et le rayon du cercle sont deux paramètres importants pour le traitement de matière, comme il sera expliqué plus loin. Chaque cathode (1) est schématiquement constituée d'un cône (5) avec pointe très faiblement arrondie (rayon de courbure 0,001 à 1 mm, et de préférence de 0,01 à 0,1 mn) en tungstène thorié (normalement à 2 % de Th), qui est la zone d'attache de l'arc électrique (6), et entourée par une conduite tubulaire (7) avec embout tronconique (8) qui permet le passage du gaz de gainage (en général Ar ou He, éventuellement mélangé avec H2). La pointe (5) de la cathode émerge de la conduite de gaz sur une longueur comprise entre O et 50 mm, et de préférence entre O et 30 mm (figure 2). La distance entre la cathode (1) et la conduite de gainage (7) est de l'ordre du millimètre, c'est-à-dire comprise entre 0,05 et 5 mn, et, de préférence comprise entre 0,1 et 2 mn; le bon centrage respectif est très important. Les pointes (5) des trois cathodes (1) sont distantes entre elles de 10 à 100 mm, selon l'utilisation et le niveau de puissance choisis. Les circuits de refroidissement indispensables ne sont pas représentés sur cette coupe simplifiée. La figure 3 montre le détail de construction d'une cathode selon l'invention, comportant deux circuits de refroidissement séparés, plus un refroidissement du couvercle porte-électrodes. On trouve, de l'axe central à la périphérie : le tube axial (10) d'arrivée d'eau de refroidissement de la cathode, l'eau entre à la partie supérieure en (11) et remonte dans l'espace annulaire (12) et sort par l'ajutage lateral!13). Le tube (14) forme la cathode proprement dite qui est isolée de la tête par la bague (15). L'alimentation électrique de la cathode, reliée au pôle négatif du générateur de courant, s'effectue sur le raccord (16). La tête du tube (14) est fermée de façon étanche par le couvercle (17). La cathode est gainée par trois tubes concentriques; Le premier gainage (18), séparé de la cathode par les cales isolantes (19), est à un potentiel flottant. Le second gainage (20), qui joue un simple rôle de séparation, est également à ce potentiel flottant. Le troisième (21) est le gainage externe, qui est aussi à ce potentiel flottant. Ces tubes sont maintenus en position par le couvercle de gainage (22) en partie haute, et par les rebords de la buse de sortie (23), en partie basse. Le gainage est refroidi par une circulation d'eau, qui entre en (24), descend entre la gaine (19) et la gaine (20), remonte entre la gaine (20) et la gaine extérieure(21), et sort en (24A). Chaque cathode (1) est placée dansle couvercle. Son angle d'inclinaison par rapport à l'axe vertical (2) est déterminé par le profil du porteélectrodes (25), qui s'appuie sur la gaine externe (21) par l'intermédiaire de bagues isolantes (26). La partie active de la cathode (pointe cathodique (5) ) est constituée par un cylindre (27), prolongé par un cône (28) que l'on a défini géométriquement un peu plus haut. La cathode, en tungstène thorié à 2 Z de thorium, est insérée dans un manchon cathodique (29), en cuivre, lui-même connecté à l'extrémité du tube de refroidissement (10). Le gaz plasmagène est introduit par l'ajutage (30), s'écoule dans les pace annulaire entre le tube cathodique (14) et la première gaine (18), et sort par l'orifice (31) de la buse (23). La matière à traiter dans le plasma est introduite par le tube (32). Trois arcs électriques (6) se développent entre les cathodes (1) et une anode commune (33) torique, centrée sur l'axe de symétrie (2) de l'ensemble à une distance entre 50 et 500 imn des pointes (5) des cathodes. Cette distance détermine, ensemble avec la nature du gaz plasmagène et sa vitesse d'écoulement, la chute de tension de l'arc. L'anode torique (33) est en métal bon conducteur électrique et thermique (par exemple un alliage de Cu) et refroidie par une circulation interne d'eau. Le couvercle porte-électrodes (25) est refroidi par de l'eau entrant en (34) et sortant en (35). Chaque cathode (1) a sa propre alimentation électrique en courant continu reliée, par son pôle positif, à l'anode commune (33). Cette alimentation est de type classique. Chacun des trois arcs (6), issu de sa cathode respective, rejoint les deux autres dans la zone d'entrée de matière où les jets formés par le gaz plasmagène accéléré par l'arc,entralnent la matière présente. La matière est ransportée vers cette zone d'entrée soit par simple effet de la pesanteur, soit par un faible débit de gaz porteur quine refroidit le plasma que d'une manière négligeable. La matière sortant du tube (32) est ensuite transportée, par le gaz plasmagène, dans la zone axiale (34) où règnent des températures élevées, non perturbées par un gaz porteur trop abondant; c'est là que le traitement thermique souhaité a lieu. Contrairement à l'enseignement de la demande de brevet WO 86/02024, ce n'est pas le gaz injecté dans l'axe central qui stabilise le système des arcs, mais bien le gaz injecté dans l'axe de chaque cathode. Le gaz injecté par le tube (32) dans le sens de l'axe central, dans la présente invention, ne sert qu'à transporter avec plus de précision la matière à introduire dans l'ensemble des arcs, cette matière n'étant accompagnée que d'un faible (ou nul) débit de gaz porteur, qui ne perturbe pas le plasma. Amorçage des arcs Plusieurs méthodes connues peuvent être utilisées pour amorcer les arcs: - rapprochement d'une ou de plusieurs cathodes de l'anode jusqu'au con tact physique, pour établir un court-circuit, et étirement de l'arc ainsi obtenu jusqu'au rétablissement de la distance inter-électrodes souhaitée; - court-circuitage par un objet conducteur (fil) qui explose sous l'influence du fort courant qui le traverse et crée ainsi l'arc; - rapprochement d'une ou de plusieurs cathodes à une distance plus faible que la distance normale, et éclatement d'un arc à l'aide d'une décharge électrique auxiliaire à haute fréquence. Une autre solution est préconisée ici, sans exclure les méthodes mentionnées ci-dessus. Elle consiste en une réduction de la pression du gaz régnant autour des électrodes, par pompage, jusqu'à une valeur entre 5 et 100 Pa. A cette pression, une décharge luminescente s'établit facilement entre des électrodes, même distantes de plus de 100 mn. Une remontée de pression avec une augmentation contrôlée du courant de la décharge électrique permet d'établir un arc à pression atmosphérique à partir de cette décharge, sans recourir à des interventions mécaniques sur les électrodes. Cette solution implique, toutefois, que le générateur de plasma soit disposé dans une enceinte étanche connectée à un dispositif de mise sous pression réduite, ce qui n'est pas toujours le cas. Influence des différents paramètres Le réglage du système se fait à partir des grandeurs suivantes - nature du gaz plasmagène (Ar, He, H2) - débit du gaz plasmagène (1 à 100 Normolitre/mn par cathode) - espace entre cathode et conduite de gainage (0,05 - 5 mm) - longueur sur laquelle la pointe de cathode émerge de la conduite du gainage (O à 50 mn) - rayon du cercle de position des cathodes - inclinaison des cathodes par rapport à la verticale (15 à 60 ) - azimut des cathodes par rapport au rayon du cercle - distance entre pointes de cathode et anode (50 à 500 mm) - rayon du grand cercle du tore anodique - intensité du courant de chaque arc. Les effets des paramètres principaux-sont les suivants a) vitesse de l'écoulement du gaz dans le gainage près de la cathode; elle dépend du débit du gaz et de la section de passage près de la pointe de cathode. Elle influence deux effets - la stabilité de l'arc : un compromis entre turbulence trop impor tante du jet (à vitesse trop grande) et manque d'entraînement de l'arc (à vitesse trop faible) doit être trouvé - la tension de l'arc qui varie dans le même sens que la vitesse; b) géométrie de la zone d'entrée de matière l'angle d'ouverture de cette zone est déterminé par l'angle d'incli naison des cathodes; il influence le temps de séjour de la matière dans la zone d'entrée de matière. La densité d'énergie présente dans la zone de traitement diminue avec l'angle d'ouverture décrois sant, et avec la distance croissante des cathodes de l'axe.L'inten sité du traitement thermique est donc fortement influencée par cette géométrie; c) tension des arcs elle est déterminée par - la nature du gaz plasmagène : la présence de gaz di- (ou poly-) atomiques l'augmente considérablement - la distance entre cathode et anode : dans la colonne de l'arc, le champ électrique est, en première approximation, constant, et la tension est donc proportionnelle à la longueur de l'arc; - débit du gaz : la tension augmente avec le débit; - la matière introduite : la perte d'énergie de l'arc due au trans fert thermique vers la matière est compensée par une augmenta- tion de la tension de l'arc. Toutefois, l'introduction de matiè re facilement ionisable peut réduire cette tension. EXEMPLES DE MISE EN OEUVRE Avec de l'argon (de pureté technique) comme gaz plasmagène, une distance entre les pointes des cathodes de 30 mm, une distance entre les pointes des cathodes et l'anode d'environ 200 mn et un espace entre cathode et conduite de gainage d'environ 0,5 mm, la tension électrique entre chaque cathode et l'anode s'établit entre 50 et 200 V, pour des débits de gaz de gainage entre 5 et 30 Nl/min par cathode et des cou rants d'environ 200 A. Avec de l'azote (de pureté technique) comme gaz plasmagène une distance entre les pointes des cathodes de 30 mm, une distance entre les pointes des cathodes et l'anode d'environ 150 mn et un espace entre cathode et conduite de gainage d'environ 0,5 mm, la tension électrique entre chaque cathode et l'anode d'établit entre 60 et 250 V, pour les débits de gaz de gainage entre 5 et 25 Nl/min par cathode et des courants d'environ 150 A. La zone (34) d'entrée de la matière à traiter dans le plasma se situe à une distance comprise eatre 50 et 100 mm audessous du plan du cercle horizontal (3). Au cours de ces essais, la matière introduite a été successivement de l'alumine puis de la zircone, obtenues par broyage de produits électrofondus. Le traitement au plasma a permis d'obtenir une sphéroldi- sation parfaite des grains qui, à l'origine, avaient des formes très irrégulières. Le débit horaire de matière a pu être réglé de 5 à 40 kg, cette dernière valeur ayant été obtenue pour une puissance électrique totale proche de 120 kVA. REVENDICATIONS 1. Générateur de plasma à arc, comportant au moins une arrivée de gaz plasmagène et une pluralité de cathodes dont les axes convergent en direction d'une anode commune, destiné au traitement thermique d'un matériau à l'état divisé, que l'on introduit à la partie supérieure du plasma, caractérisé en ce que chaque cathode (1) est munie d'au moins un gainage concentrique, déterminant au moins un passage annulaire dont la partie supérieure est reliée à la source de gaz plasmagène, et dont la partie inférieure (8) débouche au voisinage de la partie terminale (5) de chaque cathode, sur laquelle se forme l'arc. 2. Générateur de plasma selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte trois cathodes (1), disposées symétriquement autour d'un axe vertical (2), et espacées de 1200 sur un cercle horizontal (3) dont le centre est situé sur l'axe de symétrie (2) su système. 3. Générateur de plasma, selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe de symétrie (2) est vertical, et que l'inclinaison de chaque cathode (1) par rapport à cet axe est fixée entre 15 et 600. 4. Générateur de plasma, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure (5) de chaque cathode, sur laquelle se forme l'arc, a une forme conique avec une pointe faiblement arrondie, dont le rayon de courbure est compris entre 0,001 et 1 mm, et de préférence entre 0,01 et 0,1 mm. 5. Générateur de plasma, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pointe (5) de la cathode émerge du gainage (21) d'une longueur comprise entre O et 30 mn, et, de préférence entre O et 50 mn. 6. Générateur de plasma, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'espace entre la paroi externe de la cathode et la paroi interne du gainage externe est compris entre 0,05 et 5 mm et, de préférence, entre 0,1 et 2 mm. 7. Générateur de plasma, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque cathode est consitutée par un tube (14) en métal bon conducteur, refroidi par circulation d'eau, connecté à sa partie supérieure au pôle négatif du générateur de courant, et à sa partie inférieure à une pointe de cathode cylindro-conique (27,28), et entouré d'une première gaine concentrique (18), puis d'une seconde gaine concentrique (20), et d'une troisième gaine concentrique externe (21), l'espace annulaire entre le tube (14) et la première gaine (18) étant connecté à une arrivée de gaz plasmagène, l'espace annulaire entre la première gaine (18) et la deuxième gaine étant relié à une arrivée d'eau de refroidissement, l'espace annulaire entre la deuxième gaine (20) et la gaine externe (21) étant muni d'un ajutage d'évacuation de cette eau. 8. Générateur de plasma, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, dans l'axe (2), un tube (32) relié à sa partie supérieure, à la source de matière à traiter, et à une source, à faible débit, de gaz porteur. 9. Générateur de plasma, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le débit de gaz plasmagène, pour chaque cathode, est compris entre 1 et 100 normo-litres par minute.