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EP0155254B1 - Torche à plasma à arc électrique - Google Patents

Torche à plasma à arc électrique Download PDF

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Publication number
EP0155254B1
EP0155254B1 EP85870025A EP85870025A EP0155254B1 EP 0155254 B1 EP0155254 B1 EP 0155254B1 EP 85870025 A EP85870025 A EP 85870025A EP 85870025 A EP85870025 A EP 85870025A EP 0155254 B1 EP0155254 B1 EP 0155254B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
intermediate electrode
current source
plasma torch
plasma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
EP85870025A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0155254A2 (fr
EP0155254A3 (en
Inventor
Nikolas Gerassimos Ponghis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Original Assignee
Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL filed Critical Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Publication of EP0155254A2 publication Critical patent/EP0155254A2/fr
Publication of EP0155254A3 publication Critical patent/EP0155254A3/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0155254B1 publication Critical patent/EP0155254B1/fr
Expired legal-status Critical Current

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    • H05H1/3436—Hollow cathodes with internal coolant flow

Definitions

  • the present invention relates to an electric arc plasma torch.
  • Plasma torches also called torches or plasma burners, are devices well known per se, used to produce a gas jet in the plasma state.
  • a plasma is an ionized gas which contains at least 10 15 charged corpuscles per cubic meter, and on average, very substantially as many electrons as positive ions.
  • the arc In plasma arc torches, the arc is spouted between two electrodes between which a gas flows. The gas particles are ionized by the high energy of the arc and the gas turns into a plasma.
  • Plasma electric arc torches can be further divided into two categories, depending on the type of cathode used, i.e. the hot cathode and the cold cathode.
  • Called hot cathode a cathode brought to a sufficiently high temperature so that, by thermionic effect, it emits a number of electrons ensuring practically the arc current. Due to the high level of temperature necessary to carry out an electronic emission corresponding to an arc current intensity sufficient to reach the desired power and temperature, namely approximately 3000 ° C., the number of materials which can be used to manufacture such a cathode is very limited. Currently, practically only tungsten or some of its fittings are used. As a result, hot cathode arc plasma torches can only work with gases that are chemically inert to tungsten, such as hydrogen, nitrogen and rare gases (argon, xenon, etc ).
  • the second type of plasma arc torch cold cathode torches
  • a copper cathode which is strongly cooled to prevent it from reaching the thermionic emission temperature.
  • aerodynamic or magnetic means are often used, or both simultaneously, to move the foot of the arc on the cathode at high speed, in order to limit the erosion of the latter.
  • Cold cathode torches allow almost all gases to be used.
  • the lifespan of these cathodes remains limited to a few hundred hours in the best cases currently known. These lifetimes are much shorter on the one hand, than those of hot cathodes, and on the other hand than those of anodes, which commonly reach one to a few thousand hours.
  • US Pat. No. 4,002,466 discloses a plasma torch which can be used for the reduction of metal oxides, in particular for the direct reduction of iron ores.
  • This torch of the prior art comprises a tungsten cathode and an anode, connected in a conventional manner respectively to the negative and positive terminals of an electric current source. Between the cathode and the anode is disposed an electrically insulated nozzle, intended in particular to stabilize the arc and to prevent the return of carbonaceous gas from the anode to the cathode.
  • a torch for working with an arc comprising a hot cathode, an anode and an intermediate electrode permanently connected to the terminals of an electric current source.
  • the intermediate electrode is the seat of a permanent electric arc, which adversely influences its lifespan.
  • the possibility of using two current sources is also suggested, but the second source is intended to energize the workpiece, and not the intermediate electrode as provided by the present invention.
  • the present invention relates to an arc plasma torch which combines the aforementioned advantages of hot and cold cathodes, without having the disadvantages, and which makes it possible to facilitate and improve the procedure for establishing the electric arc between the cathode. and the anode.
  • the plasma torch may include means for connecting said hot cathode and said intermediate electrode to the terminals of a high-frequency current source having a voltage greater than the disruptive voltage between the hot cathode and the intermediate electrode , as well as current cut-off means for disconnecting said high frequency current source.
  • the plasma torch comprises two chambers, separated by the ignition electrode and placed in communication with each other by an orifice formed in said ignition electrode, one of the two chambers, called cathode chamber, being equipped with the hot cathode (a) and means (d) for introducing an inert gas, and the other chamber, called the anode chamber, being formed in part by the anode (c) and being equipped with means (e) for introducing any plasma gas.
  • the means for introducing gas into at least one of said chambers are arranged so as to give the gas a movement, preferably helical in said chamber.
  • a particularly interesting variant of the present invention relates to a plasma torch allowing precisely the production of gaseous carbon from a solid fuel.
  • this plasma torch includes an ignition electrode disposed between a hot cathode and an anode; it is further characterized in that it has at least one fuel supply duct, which opens into the space between the ignition electrode and the anode, and preferably immediately upstream of the section d entrance to the anode chamber.
  • this duct is preferably parallel to the longitudinal axis of the plasma torch.
  • its outlet is oriented so that its axis intersects the longitudinal axis of the anode downstream from the upstream end of the anode.
  • the speed with which the fuel enters the anode chamber is adjusted so that it is not centrifuged by the plasma gas and that it does not obstruct the feed passages of the latter. This speed is adjusted as a function of the fuel and plasma gas flow rates. In no case, however, can the fuel speed be less than 5 m / s and that of the plasma gas 50 m / s.
  • the plasma torch has several fuel supply conduits, these are advantageously uniformly distributed around the longitudinal axis of the torch, so as to ensure a balanced supply of fuel.
  • the cathode (3) for example made of tungsten, is housed in a wall of the enclosure (1), preferably opposite the anode (2).
  • These two electrodes (2) and (3) are respectively connected to the positive and negative poles of a rectified direct current source.
  • the enclosure (1) is also provided with a passage (4) for introducing the plasma gas and the anode is pierced with an orifice allowing the plasma jet (5) to be ejected.
  • the cathode can be made of tungsten, that is to say “hot”; it then requires the use of a chemically inert gas with respect to this element. It can also be “cold”, that is to say in cooled copper, with the drawbacks mentioned above with regard to the resistance to wear by erosion.
  • FIG. 2 shows a plasma torch according to the invention, which does not have these drawbacks.
  • This torch consists of an open enclosure (1) made of insulating material, extended by a copper anode (2).
  • the whole is divided into two rooms (I) and (II) separated by an ignition electrode (6) disposed in the insulating enclosure, at a certain distance from the end of the latter.
  • the chamber (1) called the cathode chamber, is equipped with a hot cathode (3) and provided with an orifice (8) for introducing a gas which is chemically inert with respect to tungsten.
  • the chamber (II) or anode chamber is provided with at least one passage (4) for introducing the plasma gas, which can be any gas.
  • This passage (4) is preferably formed in the part of the chamber (11) made of insulating material; it is oriented so as to give the gas a helical movement in the anode chamber.
  • the ignition electrode is surrounded by at least one channel, preferably central (7), allowing the two chambers (I) and (II) to communicate; this channel is advantageously profiled in the form of a divergence.
  • the distance between the cathode (3) and the ignition electrode (6) is adjustable and between 0 and 5 mm, the distance 0 corresponding to the contact of the cathode with the ignition electrode. The adjustment of this distance is preferably carried out by displacement of the cathode (3) along its longitudinal axis, for example by means of a screw device.
  • the anode (2) is connected to the positive pole of a first, so-called main, current source; the ignition electrode (6) is connected simultaneously to the positive pole of the main current source and to the positive pole of a second current source, called ignition, of lower power.
  • the power of this source is at least 5 kW and is preferably around 10 kW; its no-load voltage depends on the nature of the cathode gas. For example, it is at least 50 V for argon, 100 V for nitrogen and 200 V for hydrogen.
  • the cathode (3) is connected simultaneously to the negative poles of these two sources of current, main and ignition.
  • a third source of very low power (at least 50 W), high voltage and high frequency, is connected between the cathode and the ignition electrode.
  • the voltage of this third source is greater than the disruptive voltage between the cathode and the ignition electrode (4 kV) and its frequency is produced by an oscillating discharge from an oscillating circuit or by a Tesla transformer.
  • the plasma torch of the invention operates as follows. We open the arrival of cathode gas and plasma gas. The second and third current sources are switched on simultaneously. Switching on the third current source breaks the resistance of the gas flowing between the cathode (3) and the ignition electrode (6), allowing the establishment of a sufficiently high ignition current (100 400 A ) between the cathode and the ignition electrode. This ignition current gives rise to a jet of low power plasma which gushes into the anode chamber through the channel (7) of the ignition electrode (6). As soon as this plasma jet is established, the third current source is disconnected. We connect the main current source. Thanks to the plasma jet previously established, an electric current from this main source flows between the cathode (3) and the anode (2). The ignition current source is then disconnected, so that only the main current source remains in circuit.
  • the plasma torch illustrated in FIG. 3 is, in principle, in accordance with the diagram in FIG. 2 and the corresponding parts are designated by the same numerical references.
  • the description relating to FIG. 2 is also applicable to the torch of FIG. 3 and it is therefore not necessary to repeat it.
  • the torch of FIG. 3 has several additional characteristics which it is interesting to specify.
  • the hot cathode (3) has a pointed head, so as to allow easy lighting of the plasma torch.
  • the cathode (3) is furthermore provided with a cooling duct (9) supplied with water in (10).
  • the copper ignition electrode (6) is also cooled by water, by a circuit which can be put in series with that of the cathode; the cooling water is discharged through the outlet (II).
  • the downstream end of the ignition electrode (6) carries a crown in which are formed several passages (4) in the form of conduits or channels, for the introduction of the plasma gas. These passages (4) are uniformly distributed in the crown, their outlet orifices, in the inner surface of the crown, are arranged very close to each other, and are preferably contiguous, so that the plasma gas forms a continuous jet over the entire inner periphery of the crown.
  • passages (4) are also oriented substantially tangentially to the inner surface of the crown, so that the outgoing plasma gas is driven in a helical movement in the anode chamber (II).
  • the speed of the plasma gas must be at least 50 m / s at the entrance to the anode chamber.
  • the anode (2) is provided with a spiral peripheral cooling circuit, consisting of helical fins (12) capped by a tube (13); the cooling water arrives at (14) and is discharged at (15).
  • the material of this ring is of current quality; it is for example made up of asbestos, silica, alumina or boron nitride.
  • This ring is applied to the downstream end face of the ignition electrode (6), and, if necessary, it closes the channels (4) hollowed out in this face.
  • the ring (16) is supported in a shoulder provided in the enclosure (1) and it constitutes the bearing surface of the inlet section of the anode (2).
  • the inside diameter of the ring (16) is at least equal to that of the anode (2), and preferably equal to the inside diameter of the anode + 10 mm.
  • a pipe (17) for supplying fuel, for example fine coal transported by a gas under pressure Through the body of the plasma torch is formed a pipe (17) for supplying fuel, for example fine coal transported by a gas under pressure.
  • the outlet section (18) of this conduit passes through the ignition electrode (6) and opens out inside the ring (16).
  • the outlet axis of this section (18) the longitudinal axis of the anode (2) at an angle of about 45 °.
  • this torch functions in the same way as that of FIG. 2.
  • a cathode gas inert with respect to tungsten for example, is introduced by (8) into the cathode chamber (1). nitrogen, hydrogen, rare gases or a mixture of these gases.
  • the plasma gas is introduced at the entrance of the anode chamber (II), through the passages (4) formed in the crown of the ignition electrode (6).
  • the fine carbon is introduced in (19) into the conduit (17, 18) and it is injected into the anode chamber (II) in which it passes into the vapor state under the effect of the high temperature, higher than 3500 ° C, prevailing in the plasma jet.
  • fine charcoal is preferably used, of the so-called "boiler” quality, that is to say having about 70% of the grains less than 74 ⁇ m .
  • the carbon-carrying gas is preferably air, possibly enriched in nitrogen for well-known explosion safety reasons.
  • the injected carbon does not accumulate and does not obstruct the torch, it is almost completely sublimed and it is thus in the form of carbon gas which, injected for example in a blast furnace, reacts very quickly with minerals oxidized and with oxygen from the hot wind.
  • the power of the plasma torches of the invention can be adjusted in three different ways.
  • a first means consists in using cathode gases of a different nature. Thus, all other things being equal, the replacement of argon by nitrogen increases the power by about 20%.
  • the power is indeed substantially proportional to the intensity of the arc current.

Landscapes

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  • Plasma & Fusion (AREA)
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  • Plasma Technology (AREA)
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Description

  • La présente invention concerne une torche à plasma à arc électrique.
  • Les torches à plasma, aussi appelées chalumeaux ou brûleurs à plasma, sont des appareils bien connus en soi, permettant de produire un jet de gaz à l'état de plasma.
  • Selon une définition classique, un plasma est un gaz ionisé qui contient au moins 1015 corpuscules chargés par mètre cube, et en moyenne, très sensiblement autant d'électrons que d'ions positifs.
  • La production d'un plasma exige que l'on communique au qaz une iimportante quantité d'énergie. On dispose à cet effet de différents moyens, parmi lesquels le plus fréquemment utilisé est l'arc électrique.
  • Dans les torches à plasma à arc électrique, on fait jaillir l'arc entre deux électrodes entre lesquelles circule un gaz. Les particules du gaz sont ionisées par l'énergie élevée de l'arc et le gaz se transform en un plasma.
  • La plupart des torches à plasma à arc sont alimentées en courant continu ou, plus exactement, en courant alternatif redressé.
  • Les torches à plasma à arc électrique peuvent encore être subdivisées en deux catégories, selon le type de cathode utilisé, c'est-à-dire la cathode chaude et la cathode froide.
  • On appelle cathode chaude une cathode portée à une température suffisamment élevée pour que, par effet thermo-ionique, elle émette un nombre d'électrons assurant pratiquement le courant d'arc. En raison du niveau élevé de la température nécessaire pour réaliser une émission électronique correspondant à une intensité de courant d'arc suffisante pour atteindre la puissance et la température voulues, à savoir environ 3000°C, le nombre de matériaux utilisables pour fabriquer une telle cathode est très limité. Actuellement, on n'utilise pratiquement que du tungstène ou certains de ses ailiages. Il en résulte que les torches à plasma à arc à cathode chaude ne peuvent fonctionner qu'avec des gaz qui sont chimiquement inertes vis-à-vis du tungstène, comme l'hydrogène, l'azote et les gaz rares (argon, xénon, etc...). Outre le prix élevé de ces gaz, cette limitation constitue un serieux inconvénient pour ce type de torche, lorsque l'on désire utiliser d'autres gaz. Ces cathodes présentent en revanche un taux d'usure extrêmement faible, et par conséquent une durée de vie très longue atteignant plusieurs centaines d'heures.
  • Le second type de torche à plasma à arc, à savoir des torches à cathode froide, utilisent une cathode de cuivre, énergiquement refroidie pour l'empêcher d'atteindre la température d'émission thermo-ionique. Dans ce type de torche, on fait souvent appel à des moyens aérodynamiques ou magnétiques ou aux deux simultanément, pour déplacer à grande vitesse le pied de l'arc sur la cathode, afin de limiter l'érosion de celle-ci. Les torches à cathode froide permettent d'utiliser pratiquement tous les gaz. Néanmoins, la durée de vie de ces cathodes reste limitée à quelques centaines d'heures dans les meilleurs des cas actuellement connus. Ces durées de vie sont nettement inférieures d'une part, à celles des cathodes chaudes, et d'autre part à celles des anodes, qui atteignent couramment un à quelques milliers d'heures.
  • On connaît par le brevet US-A-4 002 466, une torche à plasma utilisable pour la réduction d'oxydes métalliques, en particulier pour la réduction directe de minerais de fer. Cette torche de la technique antérieure comporte une cathode en tungstène et une anode, reliées de façon conventionnelle respectivement aux bornes négative et positive d'une source de courant électrique. Entre la cathode et l'anode est disposée une tuyère, électriquement isolée, destinée notamment à stabiliser l'arc et à empêcher le retour de gaz carboné de l'anode vers la cathode.
  • On connaît encore par le FR-A-1 156 530, une torche pour le travail à l'arc, comportant une cathode chaude, une anode et une électrode intermédiaire reliées en permanence aux bornes d'une source de courant électrique. L'électrode intermédiaire est le siège d'un arc électrique permanent, qui influence défavorablement sa durée de vie. La possibilité d'utiliser deux sources de courant est aussi suggerée, mais la seconde source est destinée à mettre sous tension la pièce à travailler, et non l'électrode intermédiare comme le prévoit la présente invention.
  • La présente invention porte sur une torche à plasma à arc qui réunit les avantages précités des cathodes chaude et froide, sans en présenter les inconvénients, et qui permet de faciliter et d'améliorer la procédure d'établissement de l'arc électrique entre la cathode et l'anode.
  • La torche à plasma à arc électrique, qui fait l'objet de la présente invention, comporte:
    • (a) une cathode chaude,
    • (b) une électrode intermédiaire, dite électrode d'allumage;
    • (c) une anode;
    • (d) des moyens d'introduction d'un gaz inerte entre la cathode chaude et l'électrode intermédiaire;
    • (e) des moyens d'introduction d'un gaz plasmagène entre l'électrode intermédiaire et l'anode;
    • (f) des moyens pour relier la cathode chaude aux pôles négatifs d'une source de courant principale et d'une source de courant d'allumage;
    • (g) des moyens pour relier l'électrode intermédiaire aux pôles positifs de ladite source de courant principale et de ladite source de courant d'allumage:
    • (h) des moyens pour relier l'anode au pôle positif de ladite source de courant principale,
    • (i) des moyens de coupure de courant pour déconnecter ladite électrode intermédiaire de la source de courant d'allumage.
  • Selon la présente invention, la torche à plasma peut comporter des moyens pour relier ladite cathode chaude et ladite électrode intermédiaire aux bornes d'une source de courant à haute fréquence présentant une tension supérieure à la tension disruptive entre la cathode chaude et l'électrode intermédiaire, ainsi que des moyens de coupure de courant pour déconnecter ladite source de courant à haute fréquence.
  • Selon une variante particulière de l'invention, la torche à plasma comporte deux chambres, séparées par l'électrode d'allumage et mises en communication entre elles par un orifice ménagé dans ladite électrode d'allumage, l'une des deux chambres, dite chambre cathodique, étant équipée de la cathode chaude (a) et des moyens (d) d'introduction d'un gaz inerte, et l'autre chambre, dite chambre anodique, étant constituée en partie par l'anode (c) et étant équipée des moyens (e) d'introduction d'un gaz plasmagène quelconque.
  • Egalement selon l'invention, les moyens d'introduction de gaz dans au moins une des dites chambres, sont disposés de façon à conférer au gaz un mouvement, de préférence hélicoïdal dans la dite chambre.
  • Par ailleurs, on sait que de nombreux procédés industriels comportent une injection de matériau carboné qui intervient au titre de combustible ou au titre d'agent réducteur dans des processus très divers. C'est le cas en particulier dans le domaine du haut fourneau, où l'on cherche actuellement à remplacer les injections d'hydrocarbures liquides ou gazeux, trop coûteux, par des injections de matériaux solides, moins chers, tels que du charbon. Ces matériaux solides présentent cependant l'inconvénient d'une cinétique de réaction très basse, ce qui entraîne des temps de réaction très longs, généralement incompatibles avec la vitesse des processus dans lesquels on les utilise. Pour améliorer cette cinétique de réaction, il est connu depuis longtemps d'utiliser des matériaux présentant une granulométrie de plus en plus fine, obtenue notamment par broyage. Le présent demandeur a franchi récemment une étape supplémentaire dans cette direction en proposant d'injecter, dans un haut fourneau, du carbone à l'état de vapeur, obtenu par sublimation de charbon fin dans une flamme plasma.
  • Une variante particulièrement intéressante de la présente invention porte sur une torche à plasma permettant précisément la production de carbone gazeux à partir d'un combustible solide.
  • Conformément à la description qui précède, cette torche à plasma comporte une électrode d'allumage disposée entre une cathode chaude et une anode; elle est en outre caractérisée en ce qu'elle présente au moins un conduit d'alimentation en combustible, qui débouche dans l'espace compris entre l'électrode d'allumage et l'anode, et de préférence immédiatement en amont de la section d'entrée de la chambre anodique.
  • La majeure partie de ce conduit est de préférence parallèJe à l'axe longitudinal de la torche à plasma. Cependant, suivant une caractéristique de l'invention, sa sortie est orientée de façon à ce que son axe coupe l'axe longitudinal de l'anode en aval de l'extrémité amont de l'anode. La vitesse avec laquelle le combustible pénètre dans la chambre anodique est adjustée de façon à ce qu'il ne soit pas centrifugé par le gaz plasmagène et qu'il n'obstrue pas les passages d'alimentation de ce dernier. Cette vitesse est réglée en fonction des débits du combustible et du gaz plasmagène. En aucun cas cependant, la vitesse du combustible ne peut être inférieure à 5 m/s et celle du gaz plasmagène à 50 m/s.
  • Dans le cas où la torche à plasma présente plusieurs conduits d'alimentation en combustible, ceux-ci sont avantageusement uniformément répartis autour de l'axe longitudinal de la torche, de façon à assurer une alimentation équilibrée du combustible.
  • Dans un but de comparaison et d'illustration, on va à présent décrire une torche à plasma de la technique antérieure et deux modes de réalisation préférés de torches à plasma conformes à l'invention, en se référant aux figures annexées dans lesquelles:
    • - la figure 1 représente schématiquement une torche à plasma de la technique antérieure;
    • - la figure 2 représente une torche à plasma conforme à la présente invention;
    • - la figure 3 représente une torche à plasma comportant un conduit d'alimentation en combustible, conformément à la variante particulière de l'invention.
  • Il va de soi que ces représentations sont schématiques et ne respectent pas une échelle précise.
  • Une torche à plasma classique, telle que celle qui est illustrée à la figure 1 comporte une chambre (I) limitée d'une part par une enceinte (1) en matériau isolant et d'autre part par une paroi (2) consituant l'anode, généralement en cuivre. La cathode (3) par exemple en tungstène, est logée dans une paroi de l'enceinte (1), de préférence en face de l'anode (2). Ces deux électrodes (2) et (3) sont reliées respectivement aux pôles positif et négatif d'une source de courant continu on redressé. L'enceinte (1) est encore pourvue d'un passage (4) d'introduction du gaz plasmagène et l'anode est percée d'un orifice permettant l'éjection du jet de plasma (5).
  • Dans une torche de ce type, la cathode peut être en tungstène, c'est-à-dire "chaude"; elle requiert alors l'emploi d'un gaz chimiquement inerte vis-à-vis de cet élément. Elle peut aussi être "froide", c'est-à-dire en cuivre refroidi, avec les inconvénients rappelés plus haut en ce qui concerne la tenue à l'usure par érosion.
  • La figure 2 montre une torche à plasma conforme à l'invention, qui ne présente pas ces inconvénients. Cette torche se compose d'une enceinte ouverte (1) en matériau isolant, prolongée par une anode (2) en cuivre.
  • L'ensemble est divisé en deux chambres (I) et (II) séparées par une électrode d'allumage (6) disposée dans l'enceinte isolante, à une certaine distance de l'extrémité de celle-ci. La chambre (1), dite chambre cathodique, est équipée d'une cathode chaude (3) et pourvue d'un orifice (8) d'introduction d'un gaz chimiquement inerte vis-à-vis du tungstène. La chambre (II) ou chambre anodique, est pourvue d'au moins un passage (4) d'introduction du gaz plasmagène, qui peut être un gaz quelconque. Ce passage (4) est de préférence ménagé dans la partie de la chambre (11) constituée de matériau isolant; il est orienté de façon à conférer au gaz un mouvement hélicoïdal dans la chambre anodique. L'électrode d'allumage est parcée d'au moins un canal, de préférence central (7), permettant de faire communiquer les deux chambres (I) et (II); ce canal est avantageusement profilé en forme de divergent. La distance entre la cathode (3) et l'électrode d'allumage (6) est réglable et comprise entre 0 et 5 mm, la distance 0 correspondant au contact de la cathode avec l'électrode d'allumage. Le réglage de cette distance est effectué, de préférence, par déplacement de la cathode (3) suivant son axe longitudinal, par exemple au moyen d'un dispositif à vis. L'anode (2) est reliée au pôle positif d'une première source de courant, dite principale; l'électrode d'allumage (6) est reliée simultanément au pôle positif de la source de courant principale et au pôle positif d'une deuxième source de courant, dite d'allumage, de puissance moindre. La puissance de cette source est au minimum de 5 kW et elle est de préférence d'environ 10 kW; sa tension à vide dépend de la nature du gaz cathodique. A titre d'exemple, elle est d'au moins 50 V pour l'argon, 100 V pour l'azote et 200 V pour l'hydrogène.
  • La cathode (3) est reliée simultanément aux pôles négatifs de ces deux sources de courant, principale et d'allumage. Une troisième source de courant de très faible puissance (au moins 50 W), à haute tension et à haute fréquence, est connectée entre la cathode et l'électrode d'allumage. La tension de cette troisième source est supérieure à la tension disruptive entre la cathode et l'électrode d'allumage (4 kV) et sa fréquence est produite par une décharge oscillante d'un circuit oscillant ou par un transformateur de Tesla.
  • La torche à plasma de l'invention fonctionne de la façon suivante. On ouvre l'arrivée du gaz cathodique et du gaz plasmagène. On met en circuit simultanément la deuxième et la troisième source de courant. La mise en circuit de la troisième source de courant rompt la résistance du gaz circulant entre la cathode (3) et l'électrode d'allumage (6), permettant l'établissement d'un courant d'allumage suffisamment élevé (100 400 A) entre la cathode et l'électrode d'allumage. Ce courant d'allumage donne naissance à un jet de plasma de faible puissance qui jaillit dans la chambre anodique à travers le canal (7) de l'électrode d'allumage (6). Dès que ce jet de plasma est établi, on déconnecte la troisième source de courant. On branche la source de courant principale. Grace au jet de plasma précédemment établi, un courant électrique provenant de cette source principale circule entre la cathode (3) et l'anode (2). On déconnecte alors la source de courant d'allumage, de sorte que seule la source de courant principale reste en circuit.
  • La torche à plasma illustrée par la figure 3 est, dans son principe, conforme au schéma de la figure 2 et les pièces correspondantes sont désignées par les mêmes repères numériques. La description relative à la figure 2 est également applicable à la torche de la figure 3 et il n'est donc pas nécessaire de la répéter. Toutefois, la torche de la figure 3 présente plusieurs caractéristiques supplémentaires qu'il est intéressant de préciser.
  • La cathode chaude (3) présente une tête pointue, de façon à permettre un allumage aisé de la torche à plasma. La cathode (3) est en outre pourvue d'un conduit de refroidissement (9) alimenté en eau en (10).
  • L'électrode d'allumage (6) en cuivre est également refroidie par eau, par un circuit qui peut être mis en série avec celui de la cathode; l'eau de refroidissement est évacuée par la sortie (II). L'extrémité aval de l'électrode d'allumage (6) porte une couronne dans laquelle sont ménagés plusieurs passages (4) sous la forme de conduits ou de canaux, pour l'introduction du gaz plasmagène. Ces passages (4) sont uniformément répartis dans la couronne, leurs orifices de sortie, dans la surface intérieure de la couronne, sont disposés très près l'un de l'autre, et sont de préférence jointifs, de telle façon que le gaz plasmagène forme un jet continu sur toute la périphérie intérieure de la couronne. Ces passages (4) sont en outre orientés de façon sensiblement tangentielle à la surface intérieure de la couronne, de telle façon que le gaz plasmagène sortant soit animé d'un mouvement hélicoïdal dans la chambre anodique (II). Enfin, la vitesse du gaz plasmagène doit être d'au moins 50 m/s à l'entrée de la chambre anodique.
  • L'anode (2) est pourvue d'un circuit de refroidissement périphérique en spirale, constitué d'ailettes hélicoïdales (12) coiffées d'un tube (13); l'eau de refroidissement arrive en (14) et est évacuée en (15).
  • Entre l'électrode d'allumage (6) et l'anode (2) est logée une bague (16) en matériau réfractaire, électriquement isolant, qui est centrée sur l'axe longitudinal de la torche. Le matériau constitutif de cette bague est de qualité courante; il est par exemple, constitué d'amiante, de silice, d'alumine ou de nitrure de bore. Cette bague est appliquée sur la face d'extrémité aval de l'électrode d'allumage (6), et, le cas échéant, elle ferme les canaux (4) creusés dans cette face. Par son autre face, la bague (16) prend appui dans un épaulement prévu dans l'enceinte (1) et elle constitue la surface d'appui de la section d'entrée de l'anode (2). Le diamètre intérieur de la bague (16) est au moins égal à celui de l'anode (2), et de préférence égal au diamètre intérieur de l'anode + 10 mm.
  • A travers le corps de la torche à plasma est ménagé un conduit (17) d'alimentation en combustible, par exemple en charbon fin transporté par un gaz sous pression. Le tronçon de sortie (18) de ce conduit traverse l'électrode d'allumage (6) et débouche à l'intérieur de la bague (16). L'axe de sortie de ce tronçon (18) l'axe longitudinal de l'anode (2) sous un angle d'environ 45°.
  • En ce qui concerne la production du plasma, cette torche fonctionne de la même manière que celle de la figure 2. On introduit par (8) dans la chambre cathodique (1) un gaz cathodique inerte par rapport au tungstène, par exemple de l'azote, de l'hydrogène, des gaz rares ou un mélange de ces gaz. Le gaz plasmagène est introduit à l'entrée de la chambre anodique (II), par les passages (4) ménagés dans la couronne de l'électrode d'allumage (6).
  • Le charbon fin est introduit en (19) dans le conduit (17, 18) et il est injecté dans la chambre anodique (II) dans laquelle il passe à l'état de vapeur sous l'effet de la température élevée, supérieure à 3500°C, régnant dans le jet de plasma.
  • Pour assurer une sublimation rapide et complète du charbon, on utilise de préférence un charbon fin, de la qualité dite "pour chaudières", c'est-à-dire présentant environ 70 % des grains inférieurs à 74 lim.
  • Le gaz porteur du charbon est de préférence l'air, éventuellement enrichi en azote pour des raisons bien connues de sécurité à l'explosion.
  • Il convient encore d'éviter que le charbon fin se dépose et s'accumule à la sortie du conduit (18) qui finirait par être obstrué. Le Demandeur a trouvé que ce risque d'obstruction n'existait pas lorsque la vitesse d'injection du charbon était d'au moins 5 m/s.
  • Dans ces conditions, le charbon injecté ne s'accumule pas et n'obstrue pas la torche, il est quasi complètement sublimé et il se trouve ainsi sous la forme de carbone gazeux qui, injecté par exemple dans un haut fourneau, réagit très rapidement avec les minerais oxydés et avec l'oxygène du vent chaud.
  • En fonctionnement en régime, c'est-à-dire en dehors de la période d'allumage, la puissance des torches à plasma de l'invention peut être réglée de trois façons différentes..
  • Un premier moyen consiste à utiliser des gaz cathodiques de nature différente. Ainsi, toutes choses restant égales par ailleurs, le remplacement de l'argon par de l'azote permet d'augmenter la puissance d'environ 20 %.
  • D'autre part, on peut également agir sur la puissance en faisant varier le courant d'arc par tout moyen électrique approprié. Pour une tension constante, la puissance est en effet sensiblement proportionnelle à l'intensité du courant d'arc.
  • Enfin, il est possible de régler la puissance de la torche en ajustant le débit du gaz introduit dans la chambre anodique. Lorsque le courant d'arc reste constant, la puissance de la torche est sensiblement proportionnelle au débit du gaz anodique.
  • Dans le cas de la variante de la torche comportant une injection de charbon, il faut tenir compte de la gazéification du carbone et de l'apport supplémentaire correspondant de gaz, qui provoque une modification de la puissance. En outre, l'apport de carbone gazeux entraîne une modification de la composition du gaz, ce qui influence la tension de fonctionnement de la torche. Il en résulte que la puissance ne variera pas nécessairement de la même façon que dans le cas d'une augmentation de débit de gaz à composition constante.
  • La description qui précède montre que les torches à plasma de l'invention réunissent les avantages des cathodes chaude et froide, à savoir une durée de vie très élevée et la possibilité d'utiliser un gaz plasmagène quelconque, tout en évitant leurs inconvénients respectifs.

Claims (9)

1. Torche à plasma à arc électrique, alimentée en courant électrique continu ou redressé, comportant:
(a) une cathode chaude (3);
(b) une électrode intermédiaire (6), dite électrode d'allumage;
(c) une anode (2);
(d) des moyens (8) d'introduction d'un gaz inerte entre la cathode chaude et l'électrode intermédiaire;
(e) des moyens (4) d'introduction d'un gaz plasmagène entre l'électrode intermédiaire et l'anode;
(f) des moyens pour relier la cathode chaude (3) aux pôles négatifs d'une source de courant principale et d'une source de courant d'allumage;
(g) des moyens pour relier l'électrode inte médiaire (6) aux pôles positifs de ladite source de courant principale et de ladite source de courant d'allumage;
(h) des moyens pour relier l'anode (2) au pôle
positif de ladite source de courant principale, (i) des moyens de coupure de courant pour déconnecter ladite électrode intermédiaire (6) de la source de courant d'allumage.
2. Torche à plasma suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour relier la cathode chaude (3) et l'électrode intermédiaire (6) aux bornes d'une source de courant à haute fréquence présentant une tension supérieure à la tension disruptive entre la cathode chaude et l'électrode intermédiaire, ainsi que des moyens de coupure de courant pour déconnecter ladite source de courant à haute fréquence.
3. Torche à plasma suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte deux chambres (I, II) separées par ladite électrode intermédiaire (6), et mises en communication par au moins un passage (7) ménagé dans ladite électrode intermédiaire, l'une des deux chambres (I), dite chambre cathodique, étant équipée de ladite cathode chaude (3) et des moyens (8) d'introduction d'un gaz inerte, et l'autre chambre (II), dite chambre anodique, étant constituée en partie par la dite anode (2) et étant équipée des moyens (4) d'introduction d'un gaz plasmagène.
4. Torche à plasma suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu elle présente au moins un conduit (17) d'alimentation en combustible, qui débouche dans l'espace compris entre l'électrode intermédiaire (6) et l'anode (2), et de préférence immédiatement en amont de la section d'entrée de la chambre anodique (II).
5. Torche à plasma suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le tronçon de sortie dudit conduit d' alimentation (17) est orienté de telle façon que son axe coupe l'axe longitudinal de l'anode en aval de l'extrémité amont de l'anode.
6. Torche à plasma suivant l'une ou l'autre des revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'elle comporte, entre l'électrode intermédiaire et l'anode, une bague (16) en matériau réfractaire, électriquement isolant, dont le diamètre intérieur est au moins égal à celui de la chambre anodique (II), et de préférence sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre anodique plus 10 mm.
7. Torche à plasma suivant l'une ou l'autre des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'introduction d'un gaz dans au moins une desdites chambres sont disposés de façon à conférer au gaz un mouvement, de préférence hélicoïdal, dans ladite chambre.
8. Torche à plasma suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'anode (2) est pourvue d'un cicuit de refroidissement périphérique en spirale, constitué d'ailettes hélicoïdales (12) coiffées d'un tube (13).
9. Torche à plasma suivant rune ou l'autre des revendicaitons 1 à 8, caractérisée en ce que la distance entre la cathode chaude (3) et l'électrode intermédiaire (6) est réglable entre 0 et 5 mm.
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