Brevet FR2779316A1 — publié le 19991203

DISPOSITIF DE MELANGE DE GAZ FROID EN SORTIE DE TORCHE A PLASMA La présente invention se rapporte aux torches à plasma et plus particulièrement aux torches à plasma à arc non-transféré et vise à permettre l'obtention, en sortie de torche, d'un mélange avec le gaz plasmagène d'un gaz ou de plusieurs gaz en vue d'obtenir un mélange gazeux final, de composition chimique variable suivant les applications envisagées, notamment les procédés métallurgiques. Le ou les gaz à mélanger avec le plasma sont dits froid en comparaison avec la très haute température de l'écoulement plasma en sortie de torche, ces gaz étant habituellement à la température ambiante. Le gaz froid ou le mélange de gaz froids destiné à être mélangé au gaz plasmagène seront désignés par la suite par l'expression: gaz froid. Les dispositifs actuellement utilisés pour l'injection d'un gaz froid en sortie de la torche sont constitués d'une couronne rapportée à l'extrémité du nez de la torche et sont nécessairement refroidis, habituellement avec de l'eau. L'écoulement du gaz plasma en sortie de torche est sensiblement cylindrique et son diamètre augmente au fur et à mesure qu'il s'éloigne de la torche. La couronne annulaire d'injection est conçue pour permettre l'envoi, radialement à l'écoulement plasma, de jets de gaz froid répartis tout autour de l'écoulement. Dans le même temps, le corps annulaire de la couronne doit être refroidi. Une telle couronne est donc une pièce complexe puisqu'elle comporte deux circuits indépendants, I'un d'injection de gaz froid, I'autre de refroidissement, et génère des pertes thermiques importantes. Or, ces pertes thermiques limitent la plage de températures du mélange gazeux final pour une torche de puissance donnée. Ceci oblige, dans le cas o l'on désire obtenir un mélange à plus haute température à utiliser une torche de plus grande puissance afin d'élargir la plage de température appropriée. L'augmentation de puissance de la torche et la technologie de refroidissement des couronnes d'injection conventionnelles contribuent à accroître les coûts d'investissements et d'exploitation. La présente invention a essentiellement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant des moyens d'injection de gaz froid en sortie de torche de conception plus simples, plus efficaces et souples d'emploi et plus économiques. , A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de mélange de gaz froid en sortie de torche à plasma, du type constitué d'une couronne rapportée à l'extrémité du nez de la torche et injectant le gaz froid radialement à l'écoulement du plasma en sortie de torche, caractérisé en ce que ladite couronne est agencée pour constituer une chambre annulaire d'injection de gaz froid définie entre la couronne et un épaulement circulaire en retrait, coaxial à la torche, ménagé sur la face frontale dudit nez, en sorte de former une nappe d'injection radiale confinée entre ladite face frontale du nez de torche et le pourtour périphérique interne de la couronne, ce pourtour présentant un diamètre sensiblement supérieur au diamètre du conduit d'éjection du plasma. Un tel dispositif est beaucoup plus simple de conception et de réalisation que les dispositifs connus puisqu'il ne comporte pas de circuit supplémentaire de refroidissement de la partie exposée de la couronne d'injection, cette partie étant sensiblement moins affectée thermiquement par l'écoulement plasma du fait, d'une part, de sa position plus en retrait, radialement parlant, vis à vis du flux cylindrique de sortie du plasma et, d'autre part, que la face annulaire exposée à la chaleur de ladite couronne est complètement léchée en permanence par le flux de gaz froid en forme de gaine qui entoure l'écoulement plasma pour se mélanger à ce dernier. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de modes de réalisation d'un tel dispositif, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard du dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue en coupe axiale de l'extrémité du nez d'une torche à plasma, de type à arc non-transféré, munie d'une couronne d'injection de gaz froid selon l'invention. Sur la figure unique, on a représenté le nez d'une torche à plasma de type à arc non-transféré comprenant une enveloppe métallique cylindrique externe 1, une enveloppe métallique cylindrique intermédiaire 2, une pièce annulaire 3 du dispositif d'injection de gaz plasmagène, un séparateur annulaire 4, une électrode amont 5, une électrode aval 6, une chambre d'injection 7 d'injection de gaz plasmagène, un circuit 8 de circulation d'eau de refroidissement de la torche. On a représenté symboliquement en 9 I'axe de la torche et en 10 le flux du plasma généré par la torche, à sa sortie de celle-ci. La face frontale de la torche est aménagée, conformément à l'invention, de façon à constituer un épaulement 15 coaxial à la torche et connecté à l'électrode aval 6, cette partie 15 étant en saillie par rapport à une seconde partie 12, également annulaire et coaxiale à la torche. La face frontale de la partie 1 2 est aussi en retrait par rapport à la face frontale 13 de l'épaulement 15. Les parties 12 et 15 sont des pièces métalliques constituant le nez de la torche et configurées pour assurer la continuité du circuit de refroidissement 8. La pièce 12 est fixée sur une bride circulaire 16 de raccordement, solidaire de l'enveloppe externe 1 de la torche. Sur l'extrémité du nez de la torche et plus précisément sur la face frontale de cette dernière est monté un dispositif 17 d'injection de gaz froid en forme de couronne annulaire coaxiale à la torche, fixé sur la bride 16 par boulonnage. Le dispositif 17 comprend deux parties accolées en forme de galette annulaire aplatie, à savoir une partie 19 en regard de l'épaulement 15 et l'entourant et une partie 20 située à une légère distance en aval de la face frontale 13 de l'épaulement 15. Les deux parties 19, 20 sont métalliques et assemblées. La partie 19 présente une face cylindrique interne 21, en regard et à distance de l'épaulement 15 en sorte de constituer une chambre annulaire 22 entourant l'extrémité de la pièce 15. Dans cette chambre annulaire 22 est envoyé le gaz froid à mélanger au plasma. Suivant un premier mode de réalisation, I'acheminement du gaz froid dans la chambre 22 est obtenu, comme illustré dans la partie supérieure de la figure, à l'aide de canaux radiaux 23 répartis sur la totalité de la face 21 et débouchant dans une seconde chambre annulaire 24, interne à la pièce 19. La chambre 24 est reliée, par un circuit symbolisé en 25, à une source externe de gaz froid symbolisée en 26. Suivant un autre mode de réalisation, illustré en partie inférieure de la figure, le gaz froid est acheminé directement dans la chambre 22 par une série de conduits radiaux 27 reliés à la source de gaz froid 26. L'épaisseur de la pièce 19 est par exemple de l'ordre d'une quinzaine de millimètres. La pièce 20 est un simple tore de section rectangulaire dont la face cylindrique interne 28 présente un diamètre intermédiaire entre le diamètre interne de la pièce 11 et le diamètre de l'épaulement 15. L'épaisseur de la pièce 20 est par exemple de l'ordre d'une vingtaine de millimètres. Sa distance par rapport à l'épaulement 15 est par exemple de l'ordre du millimètre. L'envoi sous pression de gaz froid dans la chambre d'injection 22 crée une nappe de gaz froid radiale en forme de rondelle par laminage entre la face frontale 13 de l'épaulement 15 et la face arrière de la pièce 20, comme illustré par les flèches 29. Cette nappe se détend dans l'espace annulaire 30 délimité entre la face 28 de la pièce 20 et l'écoulement de plasma 10 et se mélange à ce dernier en aval de la pièce 20. Un tel dispositif 17 présente des avantages substantiels en regard des dispositifs d'injection de gaz froid connus. Il ne comporte pas de circuit de refroidissement, ce qui rend sa conception et sa réalisation plus simple et plus économique. Il n'y a plus en effet d'obligation de refroidir ce dispositif 17 car, d'une part, la partie injection 19 n'est pas directement exposée à l'écoulement plasma 15 faisant écran et, d'autre part, la face 28 de la pièce 20, en regard dudit écoulement plasma 10, se trouve à la fois en retrait du dard du plasma qui ne peut donc la lécher et elle-même léchée par le gaz froid qui fait écran. L'absence de refroidissement du dispositif 17 a pour autre conséquence de permettre l'obtention de mélanges à températures très élevées en sortie de torche et donc, pour une même puissance de torche, d'offrir une plage de températures de mélange plus étendue qu'avec un dispositif d'injection de gaz froid conventionnel. En effet, les dispositifs conventionnels à refroidissement génèrent des pertes thermiques supplémentaires, or ceci dégrade les conditions aérothermodynamiques du mélange gazeux en sortie de torche et, par voie de conséquence, les propriétés thermochimiques de ce mélange. En outre, le dispositif de l'invention permet de s'affranchir des problèmes d'isolement thermique vis à vis des circuits électrique de la torche. Comme illustré par le dessin, la chambre 24, qui fait office de chambre d'homogénéisation desservant la chambre d'injection 22, peut être supprimée et remplacée par un jeu de canaux radiaux 27. Enfin, I'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les moyens d'acheminement du gaz froid dans la chambre annulaire d'injection 22. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mélange de gaz froid en sortie de torche à plasma, du type constitué d'une couronne (17) rapportée à l'extrémité du nez de la torche et injectant le gaz froid radialement à l'écoulement du plasma en sortie de torche, caractérisé en ce que ladite couronne (1 7) est agencée pour constituer une chambre annulaire (22) d'injection de gaz froid, définie entre la couronne et un épaulement circulaire en retrait (15), coaxial à la torche, ménagé sur la face frontale (13) dudit nez, en sorte de former une nappe d'injection radiale (29) confinée entre ladite face frontale (13) du nez de torche et le pourtour périphérique interne de la couronne, ce pourtour présentant un diamètre (28) sensiblement supérieur au diamètre du conduit (6) d'éjection du plasma. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre d'injection (22) communique avec un espace annulaire (30) entourant l'écoulement de plasma (10) à la sortie de la torche et délimité par une face cylindrique (28) de ladite couronne (17), coaxiale à la torche et de diamètre intermédiaire entre le diamètre interne du nez (6) de la torche et le diamètre dudit épaulement (1 5). 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une chambre d'homogénéisation (24) reliée, d'une part, à ladite chambre d'injection (22) par des conduits appropriés (23) et, d'autre part, à une source externe (26) de gaz froid, via un circuit (25) approprié. 4. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre d'injection (22) est alimentée en gaz froid par un réseau de conduits radiaux (27) relié à une source externe (26) de gaz froid, via un circuit (25) approprié.