Brevet FR2764163A1 — publié le 19981204

TORCHE A PLasMa INDUCTIF A INJECTflJR DE RÈLCTIF La présente invention concerne le domaine des torches à plasma inductif et plus particulièrement l'utilisation de telles torches à plasma pour l'élaboration de produits et de matériaux résultant de l'injection de réactifs dans le plasma à haute température. Un tel système est par exemple décrit dans le brevet français 2714371 (Cabloptic SA). Ce brevet vise plus particulièrement la formation de silice sur une préforme. Dans ce brevet, la torche à plasma comprend un tube extérieur, un tube intermédiaire et un injecteur central. Entre le tube extérieur et le tube intermédiaire, est injecté un gaz plasmagène, par exemple de l'oxygène. Entre le tube intermédiaire et l'injecteur est fourni un gaz neutre, par exemple de l'argon. L'injecteur comprend un tube central dans lequel sont injectés les produits réactifs, par exemple SiCl4 et 02, et le tube injecteur central est entouré d'un autre tube. Entre cet autre tube et le tube central est injecté un gaz de gainage, par exemple également de l'argon. Le rôle exact du gaz de gainage n'est pas précisé. On peut penser qu'il est destiné à éviter des redépôts des produits formés à partir des gaz réactifs sur les extrémités du tube injecteur. L'inJecteur est nettement en retrait par rapport à la zone de formation de plasma. La présente invention vise plus particulièrement l'application d'une torche à plasma à la fabrication de poudres ultrafines, par exemple de tungstène ou autre métal réfractaire, ou d'alumine. Pour produire des poudres ultrafines à partir de poudres métallurgiques, il est nécessaire que les produits injectés passent pendant un temps suffisant, dans le coeur ou zone centrale du plasma. Ceci pose une difficulté car, du fait des forces électromagnétiques (forces de Laplace) agissant sur le plasma qui est électriquement conducteur, le mouvement des gaz dans la décharge est dirigé vers l'aval (la sortie) dans la périphérie du plasma et est dirigé vers l'amont dans la zone axiale. Ces recirculations tendent à renvoyer vers la périphérie les substances que l'on injecte dans le plasma. Pour forcer le passage des réactifs dans la zone axiale du plasma, on utilise la vitesse des gaz d'injection. Mais les substances qui sont sur le bord de ce flux d'injection sont malgré tout entraînées par ces recirculations vers la périphérie du plasma. qui n'ont pas été effectivement injectées selon l'axe central. Il en résulte une inégalité de traitement des poudres injectées. Ainsi, avec les dispositifs existant de fusion de poudres (sphEroïdisation, densification...), on obtient des poudres traitées irrégulièrement, certaines fines et bien sphériques, d'autres non traitées qui restent anguleuses, ce qui les rend impropres à certaines utilisations. Par exemple, dans un procédé où 1 'on introduit des poudres métallurgiques de tungstène d'un diamètre de l'ordre de 50 um, on s' aperçoit avec les procédés existant, qu'on n'obtient qu'un rendement de 50 à 70 9s de poudres de tungstène sphéroïdises (donc fondues) ou ultrafines (donc résultant d'une évaporation totale) alors que le reste ressemble sensiblement aux poudres introduites. Ainsi, la présente invention vise une structure de torche à plasma et des applications de celle-ci permettant d'améliorer le rendement de conversion d'une poudre métallurgique en une poudre fine ou de produire une poudre fine à partir de précurseurs gazeux. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une torche à plasma inductif comprenant un tube extérieur, un tube intermédiaire et un injecteur central comprenant au moins un tube central d'injection de réactif et un tube de gainage périphérique. On injecte dans l'espace compris entre le tube central et le tube de gainage un gaz de même nature que le gaz plasmagène, dans des conditions propres à obtenir un écoulement laminaire, cet écoulement restant laminaire jusqu'à la zone centrale de plasma de la torche. Le tube de gainage débouche sensiblement au niveau du premier tour de l'enroulement inducteur. La présente invention vise aussi une application de la torche plasma ci-dessus à la formation de poudres ultrafines de tungstène ou autre métal réfractaire, consistant à injecter dans le tube d'injection central une poudre métallurgique de tungstène ou autre métal réfractaire avec un gaz porteur tel qu'un mélange d'argon et d'azote, les autres couronnes d'injection de gaz recevant de l'argon. L'extrémité du tube central est de préférence légèrement en retrait par rapport à 1 'extrémité du tube de gainage. La présente invention vise aussi une application de la torche plasma ci-dessus à la fabrication d ' une poudre d'alumine ultrafine, consistant à injecter dans le tube d' injection central une poudre d'aluminium avec un gaz porteur tel qu'un mélange d'argon et d'hydrogène et, dans un tube périphérique de l'oxy- gène, les autres couronnes d'injection de gaz recevant de l'argon. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente la structure générale d'une torche à plasma inductif la figure 2 représente schématiquement un injecteur simple selon la présente invention ; et la figure 3 représente schématiquement un injecteur double selon la présente invention. ColiPne le représente la figure 1, un dispositif de torche à plasma comprend un tube extérieur 10 autour duquel est enroulé un bobinage inducteur 12. Un tube intermédiaire 14 est disposé à l'intérieur du tube extérieur et un injecteur 16 est disposé à l'intérieur du tube intermédiaire. On désigne par D10 le diamètre intérieur du tube externe 10, par D14e le diamètre extérieur du tube intermédiaire 14 et par D14i le diamètre intérieur du tube intermédiaire 14. On désigne par Hi le retrait éventuel de l'extrémité de l'injecteur du côté de la flamme par rapport à l'extrémité du tube intermédiaire 14 et par Ha la distance entre l'extrémité du tube intermédiaire et le premier tour de l'enroulement inducteur 12. Qp désigne le flux gazeux entre le tube extérieur 10 et le tube intermédiaire 14. Qaux désigne le flux gazeux entre le tube intermédiaire 14 et l'injecteur 16. Dans une version simplifiée, la torche peut ne pas comprendre de tube intermédiaire ; dans ce cas, il n y a pas de flux auxiliaire Qaux. Dans le cas où la torche à plasma est de faible puissanve (inférieure à 4 kW) elle pourra être en silice non refroidie et avoir un diamètre interne D10 de l'ordre de 25 nin. Pour de fortes puissances, par exemple de l'ordre de 100 kW, on choisira pour le tube 10 un tube refroidi qui pourra avoir un diamètre interne D10 supérieur ou égal à environ 50 mm. La présente invention vise plus particulièrement la structure de l'injecteur et sa disposition par rapport à l'enroulement inducteur. La figure 2 représente un premier mode de réalisation de la présente invention dans lequel l'injecteur 16 comprend un tube central unique 20 d'injection. L'injecteur proprement dit, fournissant un flux Qi, est entouré d'un tube de gainage 22 et un flux de gaz Qs est fourni entre les tubes 20 et 22. Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'injecteur proprement dit est un injecteur à double flux comprenant deux tubes internes concentriques 20 et 21 et un tube de gainage 22. On peut ainsi injecter dans chacun des tubes internes des composés réactifs selon des flux Qi et Or, corme on le verra dans les exemples ci-après. Eventuellement, en figures 2 et 3, le tube central présente un retrait H1 par rapport à l'extrémité aval de l'injecteur. Selon un aspect fondamental de la présente invention, on fait passer entre le tube de gainage 22 et le tube iméédiate- ment intérieur 20 (figure 2) ou 21 (figure 3) un flux Qs de gaz de gainage ou gaz sacrificiel qui sert uniquement à canaliser les produits injectés dans les tubes internes 20, ou 20 et 21. Les dimensions, les débits et les vitesses d'écoulement sont choisis pour que l'écoulement de gaz sacrificiel soit un écoulement laminaire. Par contre, notamment dans le cas de la figure 3, le flux Qi est de préférence turbulent pour assurer un bon mélange avec le flux Or, mais sans affecter le caractère laminaire du flux de gainage Os. Selon un aspect de la présente invention, les distances Hi et Ha indiquées en figure 1 sont choisies sensiblement nulles, c'est-à-dire que l'injecteur débouche sensiblement au niveau du premier tour de l'enroulement inducteur 12. Alors, le flux Os de gaz sacrificiel peut effectivement canaliser les produits réactifs pour les amener à atteindre la zone de plasma dans une région axiale de la torche. Si on désire limiter les perturbations du couplage entre l'inducteur et le plasma, le gaz sacrificiel est choisi de même nature que le gaz plasmagène. Des exemples et des applications d'un injecteur selon la présente invention vont être indiqués à titre d'exemple ciaprès. Exemple 1 - Production de poudres de tungstène tords fines et sDhéroidisees a partir de poudres métallurgiques. On utilise une torche de diamètre interne Di = 48 mm, un tube intermédiaire 14 de diamètre externe 40 mm et de diamètre interne 36 mm. On utilise un injecteur simple du type de celui de la figure 2, le diamètre intérieur du tube injecteur 20 étant de l'ordre de 5 mm et la couronne dans laquelle passe le gaz sacrificiel ayant un rayon interne de l'ordre de 6 'mn et un rayon externe de l'ordre 8 mm. le tableau ci-dessous donne un exemple de conditions particulières des flux Qp, Oraux, Qs et Oi définis précédemment. V désigne la vitesse d'écoulement d'un flux donné et Re le nombre de Reynolds correspondant à ce flux. flux nature débit (l/mn) V (m/s) Re Op argon 75 2,3 1350 Oa argon 14 0,3 400 Qs argon 12 9,1 1360 Oi argon+azote+poudre 9+3,5 10 3200 La transition entre régime laminaire et régime turbulent se faisant, dans un tube, pour une valeur du nombre de Reynolds de l'ordre de 2000, on voit que les régimes (sauf dans le tube central) sont laminaires avant la réunion des différents gaz. les paramètres Hi, Ha et Hl ont des valeurs respectives de O à 1 mm pour Hi, de 0 'mn pour Ha et de 5 'mn pour Hl. La puissance du four était de 50 kW. le débit de poudre de tungstène dans le tube central était 600 g/h. On a alors observé un taux de transformation de l'ordre de 95 % par rapport à un taux de transformation de l'ordre de 50 à 70 % pour un système classique. On a observé que ce taux de transformation chutait très rapidement quand la valeur Ha augmentait et n'était plus que de 70% quand Ha atteignait 15 un. Exemple 2 - Production de poudre d'alumine très fine et triés pure La réaction que l'on cherche à mettre en oeuvre est la réaction 2 Al + 3 02 -- > A1203. Pour cela, on veut brasser intimement la poudre et l'oxygène mais seulement au niveau de la sortie de l'injecteur. La poudre a été injectée en utilisant comme gaz porteur d'injection un mélange d'argon et d'hydrogène. Le gaz réactif était de l'oxygène. le rôle de l'hydrogène est d'augmenter la conductivité thermique pour augmenter la productivité. Il peut être utilisé car il n'entre pas en réaction avec l'aluminium, ce qui serait le cas de l'azote. Pour améliorer le mélange, le tube injecteur central est en retrait par rapport au tube injecteur périphérique de façon à créer une zone turbulente mais dont la turbulence est néanmoins peu élevée pour que l'ensemble des gaz réactifs puisse continuer à être gainé efficacement par un flux laminaire. le tableau ci-dessous donne un exemple de conditions particulières des flux Qp, Qaux, Qs, Qr et Qi définis précédemment. flux nature débit (l/mn) V (m/s) Re QP argon 65 2,0 1170 Oa argon 10 0,25 290 Os argon 10 7,6 1130 Or oxygène 26 26 3700 Qi ~ argon+10%H2+poudre 6 22 3180 les paramètres Hi, Ha et Hl ont des valeurs respectives de 0 à 1 nan pour Hi, de 0 'mn pour Ha et de 10 mm pour H1. La puissance du four était de 45 kW. le débit de poudre d'aluminium dans le tube central était 900 g/h. On a alors observé une transformation totale de l'aluminium en poudre très fine. Par contre, dès que Ha atteint une valeur de l'ordre de 10 à 15 mm, on observe des grains d'aluminium non traités mélangés à de la poudre d'alumine qui n'est donc plus parfaitement pure. La présente invention est susceptible de diverses modifications qui pourront être apportées par 1 'homme de l'art. le gaz de gainage n'est pas nécessairement identique au gaz plasmagène bien que cette solution soit préférée comme cela a été indiqué ci-dessus. les dimensions et le positionnement des tubes de l'injecteur, ainsi que les débits de gaz seront choisis en fonc tion de l'application envisagée. Il existe aujourd'hui deux catégories principales d'applications : le traitement physique de poudres, sans transformation chimique (par exemple la sphérordi- sation ou la densification...) ; et la production de poudre mettant en jeu une réaction chimique. Dans le cas d'une transformation physique, on choisira un injecteur simple et des débits de gaz laminaires dans l'injection et le gainage pour limiter au maximum la dispersion des poudres. La nature du gaz d'injection sera choisie en fonction de la compatibilité chimique avec la poudre et de la conductivité thermique souhaitée. Pour limiter au maximum la dispersion des poudres, H1 sera de préférence égal à 0. Dans le cas d'une transformation chimique, on choisira un injecteur double si certains des réactifs ne doivent être mélangés qu'au dernier moment (exemple : hydrogène et oxygène). le régime de gaz dans le gainage sera laminaire. Pour améliorer le mélange des réactifs, la hauteur H1 pourra valoir jusqu'à 10 fois le diamètre interne du tube 21, ménageant ainsi une chambre de prémélange. Le régime des gaz dans cette chambre sera turbulent pour améliorer le mélange des réactifs. Pour les tubes 20 et 21, on choisira des épaisseurs aussi faibles que possible compte tenu des contraintes mécaniques et de construction pour éviter la formation de zones de recirculation à leurs extrémités. Pour le choix des diamètres et débits suivant les critères généraux décrits ci-dessus, on utilisera les formules classiques permettant de calculer vitesses et nombres de Reynolds pour chacun des flux gazeux. Pour un dimensionnement plus précis, on pourra avoir recours à des codes de calculs disponibles dans le commerce comme Fluents pour l'intérieur de l'injecteur ou de la chambre de prémélange ; ou comme les codes de simulation des plasmas inductifs commercialisés par le centre de recherche en technologie des plasmas (CRTP, faculté des sciences appliquées, Sherbrooke, Québec, J1K 2R1, Canada). REVENDICATIONS 1. Torche à plasma inductif comprenant un tube extérieur (10), un tube intermédiaire (14) et un injecteur central (16) comprenant au moins un tube central d'injection (20, 21) de réactif et un tube de gainage périphérique (22), caractérisée en ce que l'on injecte dans 1 'espace compris entre le tube central (20, 21) et le tube de gainage (22) un gaz de même nature que le gaz plasmagène, dans des conditions propres à obtenir un écoulement laminaire, cet écoulement restant laminaire jusqu' à la zone centrale de plasma de la torche, et en ce que le tube de gainage débouche sensiblement au niveau du premier tour de l'enroulement inducteur (12). 2. Application de la torche plasma selon la revendication 1 à la formation de poudres ultrafines de tungstène ou autre métal réfractaire, caractérisée en ce qu'elle consiste à injecter dans le tube d'injection central une poudre métallurgique de tungstène ou autre métal réfractaire avec un gaz porteur tel qu'un mélange d'argon et d'azote, les autres couronnes d'injecte tion de gaz recevant de 1 'argon. 3. Application selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'extrémité du tube central est légèrement en retrait par rapport à 1 'extrémité du tube de gainage. 4. Application selon la revendication 2, caractérisée en ce que le débit dans le tube central est de 1 'ordre de 13 1/mon, le débit dans la couronne sacrificielle est de l'ordre de 12 1/mon, le débit dans la couronne auxiliaire de l'ordre de 14 1/mon et le débit dans la couronne externe de l'ordre 75 l/m. 5. Application de la torche à plasma selon la revendication 1 à la fabrication d'une poudre d'alumine ultrafine, caractérisée en ce qu'elle consiste à injecter dans le tube d'injection central (20) une poudre d'aluminium avec un gaz porteur tel qu'un mélange d'argon et d'hydrogène et, dans un tube périphérique (21) de l'oxygène, les autres couronnes d'injection de gaz recevant de l'argon. 6. Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que 1 'extrémité du tube central est légèrement en retrait par rapport à l'extrémité dudit tube périphérique.