Redresseur à vapeurs de mercure. La présente invention se rapporte à un redresseur à vapeurs -de mercure.
Les anodes des redresseurs à vapeurs de mercure peuvent être constituées -de l'un ou l'autre des métaux suivants: fer, cobalte, nickel et platine. Le platine étant un métal noble et par suite prohibitif ,dans l'emploi à cause du prix, sera éliminé des considérations -de ce brevet. Des autres métaux, le fer est de loin le métal de plus usité pour les anodes ,de ces redresseurs.
Des essais ont été faits pour réaliser un fer aussi exempt d'impuretés que possible pour les anodes de ces redresseurs. Le fer tel qu'obtenu communément contient des impure tés ou inclusions qui proviennent ,des matières constitutives -des creusets consistant,de terres réfractaires, telles que des oxydes de calcium et .de magnésium, et dans une mesure plus faible des oxydes de terres rares, tels que les oxydes zirconique, caesique, thorique et peut être d'autres encore.
Des inclusions sont aussi introduites dans le fer par suite des fondants utilisés qui peuvent être de la chaux .ou autres matières appropriées. Ces matières d'inclu sion peuvent exister dans le fer sous forme de particules séparées ou comme solutions so lides et elles sont communes tant au fer fondu qu'à l'acier. L'expression "fer" est ici em- ployéedans son sens large et comprend .aussi de l'acier.
Dans un redresseur à vapeurs de mercure et particulièrement :dans un redresseur .de ce genre à grand récipient métallique ayant un seul godet à mercure pour une cathode et une pluralité d'anodes .de fer, l'une des difficul tés principales rencontrées pendant le fonc tionnement de l'appareil est le phénomène des retours d'arc. Lne des causes principales de ce phénomène est probablement -due à une certaine activité d'émission d'électrons à la surface des anodes qui paraît résulter, ;
du moins en partie, de la présence inévitable d'impuretés ou inclusions dans le fer, et parmi ces impuretés on croit que les oxydes calciques et les oxydes des terres rares sont les plus dangereux.
Or, l'invention se rapporte à. un redres seur à vapeurs de mercure :du type à anodes :de fer ou autre métal non noble, non facile ment attaquable par les vapeurs de mercure, mais qui se caractérise par le fait que les couches superficielles, renfermant les impure tés et inclusions, du métal -des anodes sont chimiquement combinées avec un réactif ca pable de rendre lesdites impuretés et inclu sions inoffensives au point de vue de leur tendance à provoquer les retours d'arc.
Le dessin annexé représente, à titre ,d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention, la construction proprement dite du redresseur étant du type connu -des redresseurs à vapeurs de mercure et à réci pient métallique.
La fig. 1 est une coupe transversale par tielle de ce redresseur; La fig. 2 est une vue & côté, partie en coupe, ,d'une des anodes; La fig. 3 -est un diagramme servant à il lustrer les avantages de l'invention.
En se référant à la fig. 1 du -dessin, <B>3 dé-</B> signe le récipient métallique d'un redresseur à vapeurs -de mercure, qui peut être -de toute construction désirée, sauf qu'il est pourvu d'a nodes .1 spécialement traitées comme indiqué plus loin.
Chacune @de ces anodes présente une couche superficielle carbonée telle qu'in diquée en 5 à la fig. 2, où le pointillage su perficiel n'est donné qu'à titre de meilleure illustration de cette couche et ne doit pas si- gnifier la présence :de particules -de carbone, ni indiquer l'étendue -de pénétration de l'ac tion -de carbonation.
Pour obtenir cette carbonation, les anodes en fer sont carbonées à leur surface en les noyant par exemple dans du charbon pulvé risé ou .dans tout autre gaz carboné tel que le gaz acétylène, et en chauffant à une tempéra ture suffisamment élevée, de façon à réaliser à leur surface une combinaison chimique de fer et de carbone.
Les particules de carbone ne sont pas nécessairement incorporées dans le fer sous forme -de carbone pur, mais -du carbone, .atomique est probablement incorporé sous forme de carbures :de fer et de carbures ,le différentes impuretés inorganiques dans le fer, telles que le calcium, le magnésium, le zirconium, le caesium, :le thorium, etc.
Pas toutes ces matières, certainement pas la tota lité du fer sont converties en carbures, mais on croit que le carbone se substitue. à l'oxy gène dans tous les oxydes en présence ou près de la surface des anodes, le degré de pé nétration de l'action carbon.ante :dépendant de la nature et,de la durée -du traitement de car bonations Les carbures en général présentent une faible émissivité électronique et généralement ils possèdent une conductivité raisonnable ment bonne, le carbure de fer étant un con ducteur particulièrement bon.
Comme r6sul- tat de la carbonation des anodes, il est possi ble d'améliorer le fonctionnement anodique du fer même rle plus pur obtenable et aussi d'utiliser un fer ayant les degrés de pureté du commerce sans avoir d'effets pernicieux sur le fonctionnement -du redresseur.
La, couche superficielle carbonée a cette autre propriété encore d'agir comme moyen pour le réglage de la température des anodes et par suite pour la limitation de la, tendance à produire des taches chaudes qui pourraient finir par .occasionner des retours d'arc, comme on l'expliquera d'ailleurs à l'aide du dia gramme à la fig. 3.
De plus, le traitement indiqué -des anodes a ici encore l'avantage important d'empêcher la formation -de la pellicule très tenace d'a malgame @de mercure qui se forme, .aux con ditions :de faible charge, sur les anodes ;de fer universellement employées jusqu'à, présent dans les redresseurs à vapeurs de mercure à récipient métallique.
Une surface de fer pro pre exposée à du mercure ou à des vapeurs -de mercure n'est pas facilement attaquable par le mercure, mais s'amalgamera :dans un degré très faible à la condition que le fer ne soit pas trop chaud.
Il a été -observé jusqu'à présent qu'un re dresseur est bien mieux capable de résister à une surcharge momentanée .après qu'il a fonc- tionné pendant un certain temps à une bonne charge que s'il a été seulement légèrement chargé, ce qui peut s'expliquer par le fait que les anodes de fer deviennent chauffées pendant leur fonctionnement à charge élevée, de sorte que .la pellicule de mercure ou .amal game était chassée, tandis que dans :d'autres cas la pellicule était présente.
De petites gouttelettes cdemercure se condensant ou se recueillant sur les anodes ne resteront pas collées à la surface .de celle-ci si cette surface est propre, mais elles colleront certainement à une pellicule de mercure ou amalgame. Des retours :d'ârc peuvent alors être ,la suite de la présence de pareilles gouttelettes de mercure de même que de la présence de la pellicule elle-même.
Toutefois, comme décrit plus haut, :les anodes de fer comportent ici une couche su perficielle carbonée qui ne s'amalgamera pas facilement et qui par suite reste toujours pro pre ide sorte que la formation :de retours -d'arc dus à la présence @de mercure ou amalgame à la surface des anodes sera tout à fait em pêchée. Comme les retours d'arc entrent en ligne ide compte pour les dimensions qu'on peut donner aux redresseurs, on appréciera mieux .l'avantage qui consiste à écarter la manifestation de ces retours d'arc.
L'effet @de la couche superficielle carbo née 5 :des anodes au point de vue du réglage ide la température -de celles-ci s'explique le mieux en regard de la fig. 3, où la courbe in férieure 7 montre la relation entre l'énergie rayonnée et la température absolue, pour une surface de fer propre, tandis que la courbe supérieure 8 montre la même relation pour la surface carbonée qui s rapproche d'es pro priétés de rayonnement d'un corps noir.
Considérons par exemple une anode .de fer propre ayant son point le plus chaud en fonc tionnement à une température superficielle :de 1130 g dans un redresseur à vapeurs de mercure, comme indiqué en 9 à :la fig. 3. L'énergie rayonnée qui correspond sensible ment à .l'énergie produite par le bombarde- ment,de particules chargées frappant l'anode a une certaine valeur indiquée par la ligne horizontale 10 -de la fig. 3.
Supposons que la charge soit subitement augmentée, même pour un temps court. L'é nergie est libérée sur l'anode par le bom,bar- dement des particules ionisées dans une aire relativement petite. A l'état d'équilibre, cette énergie est rayonnée depuis une portion rela tivement grande de l'anode par suite de con- duction thermique depuis l'aire la plus chaude au reste de l'anode.
Par conséquent, en considérant des sursauts soudains dans lia charge, il n'y a pas lieu de considérer cette augmentation d'énergie soudaine comme étant rayonnée @de la surface entière, ,attendu que l'augmentation soudaine sera en premier lieu grandement effective dans la tache chaude. Il en résulte qu'un relativement grand .accrois sement dans l'énergie rayonnée par la tache chaude sera produit par la charge soudaine, comme indiqué par la seconde ligne horizon tale 12 en fig. 3.
On remarquera que la température de l'a node -de fer sera très fortement augmentée, comme indiqué en 13, par suite de la. faible pente de la :courbe.
Si la température 13 de la surface -de l'.a.- node de fer, .ou !d'un point chaud sur elle, est de l'ordre de grandeur de 200 C au-dessous du point :de fusion -de fer, l'évaporation du fer se manifeste à un degré suffisamment ra pide pour produire une atmosphère de fer évaporé qui devient ionisée et qui, à son tour, est rappelée en retour dans l'anode, augmen tant encore idavantage sa température.
,Si le point de fusion 4u fer est atteint ou dépassé, soit par le procédé qui vient d'être décrit, soit par l'augmentation origi nale dans la charge qui est indiquée par la ligne supérieure 12, on parvient à des :condi tions dans .lesquelles un arc -de fer direct peut être produit, c'est-à-dire, -dans lesquelles le fer devient la cathode. Le résultat en est la formation @de retours d'arc.
Dans le cas & la courbe supérieure 8 re présentant les conditions :du fonctionnement avec l'anode carbonée, deux choses sont à no ter, d'abord que pour la même énergie rayon- née. l'anode carbonée fonctionne à une tempé rature initiale 15 bien plus basse que l'anode de fer pur et qu'ensuite la même augmenta tion d'énergie rayonnée (vers 12) occasionne une augmentation de température .bien plus petite (vers 17) dans le cas de l'anode carbo née que dans le cas d'une anode de fer pur.
Même, quand,des températures d'anode plus élevées sont atteintes, on notera que la courbe 8 pour l'anode traitée comme :décrit ci-dessus présente une pente bien plus grande que la courbe 7 pour l'anode de fer non-carbonée, -de sorte que des -demandes -de charge soudaines ne provoquent pas .de température excessive, diminuant par là énormément la possibilité de la formation de retours d'arc.
Dans l'exemple décrit, le réactif est du carbone, ruais il peut aussi être constitué par certaines autres substances, telles que par exemple -du thorium.
En dehors des anodes, les surfaces l'au tres parties métalliques du redresseur expo sées à être attaquées par les vapeurs,de mer cure sont chimiquement combinées avec un réactif pour les rendre inattaquables par les dites vapeurs.
Mercury vapor rectifier. The present invention relates to a rectifier with mercury vapor.
The anodes of mercury vapor rectifiers can be made of any of the following metals: iron, cobalt, nickel and platinum. Platinum being a noble metal and therefore prohibitive in use because of the price, will be eliminated from the considerations of this patent. Of the other metals, iron is by far the most commonly used metal for the anodes of these rectifiers.
Attempts have been made to achieve an iron as free from impurities as possible for the anodes of these rectifiers. Iron as commonly obtained contains impurities or inclusions which originate from the constituent materials of the consistent crucibles, refractory earths, such as oxides of calcium and magnesium, and to a lesser extent oxides of rare earths. , such as zirconic, caesic, thoric oxides and may be others.
Inclusions are also introduced into the iron as a result of the fluxes used which may be lime or other suitable materials. These inclusion materials can exist in iron as separate particles or as solid solutions and are common to both molten iron and steel. The term "iron" is used here broadly and also includes steel.
In a mercury vapor rectifier and particularly: in such a large metal vessel rectifier having a single mercury cup for one cathode and a plurality of iron anodes, one of the main difficulties encountered during the operation of the device is the phenomenon of arc returns. One of the main causes of this phenomenon is probably due to a certain activity of emission of electrons at the surface of the anodes which appears to result;
at least in part, from the inevitable presence of impurities or inclusions in iron, and of these impurities it is believed that the calcium oxides and the rare earth oxides are the most dangerous.
However, the invention relates to. a mercury vapor straightener: of the anode type: made of iron or other non-noble metal, not easily attacked by mercury vapors, but which is characterized by the fact that the surface layers, containing impurities and inclusions, metal -the anodes are chemically combined with a reagent capable of rendering said impurities and including them harmless from the point of view of their tendency to cause flashbacks.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention, the actual construction of the rectifier being of the known type - rectifiers with mercury vapors and with a metal container.
Fig. 1 is a partial cross section of this rectifier; Fig. 2 is a side view, partly in section, of one of the anodes; Fig. 3 -is a diagram used to illustrate the advantages of the invention.
Referring to fig. 1 of the -drawing, <B> 3- </B> signs the metal receptacle of a mercury vapor rectifier, which can be -of any desired construction, except that it is provided with nodes. specially treated as indicated below.
Each of these anodes has a carbonaceous surface layer as indicated at 5 in FIG. 2, where the perficiel dotting is only given as a better illustration of this layer and should not signify the presence of: carbon particles, nor indicate the extent of penetration of the action - carbonation.
To obtain this carbonation, the iron anodes are carbonated at their surface by embedding them, for example in pulverized carbon or in any other carbonaceous gas such as acetylene gas, and by heating to a sufficiently high temperature, so as to realize on their surface a chemical combination of iron and carbon.
Carbon particles are not necessarily incorporated into iron as pure carbon, but atomic carbon is probably incorporated as carbides: iron and carbides, the various inorganic impurities in iron, such as calcium, magnesium, zirconium, cesium,: thorium, etc.
Not all of these materials, certainly not all of the iron, are converted to carbides, but it is believed that carbon is substituted. to oxygen in all the oxides in the presence or near the surface of the anodes, the degree of penetration of the carbon.ante action: depending on the nature and, on the duration of the carbonation treatment. generally exhibit low electron emissivity and generally have reasonably good conductivity, iron carbide being a particularly good conductor.
As a result of the carbonation of the anodes, it is possible to improve the anodic performance of even the purest iron obtainable and also to use an iron having the commercial purity grades without having harmful effects on the operation. -of the rectifier.
The carbonaceous surface layer has yet another property of acting as a means for controlling the temperature of the anodes and hence for limiting the tendency to produce hot spots which could end up causing back arcs. as will be explained moreover with the aid of the diagram in FIG. 3.
In addition, the treatment indicated - of the anodes has here again the important advantage of preventing the formation of the very tenacious film of mercury malgame which forms, under conditions: of low load, on the anodes. iron universally used until now in metal vessel mercury vapor rectifiers.
A clean iron surface exposed to mercury or mercury vapors is not easily attacked by mercury, but will amalgamate: to a very low degree, provided the iron is not too hot.
It has been -observed so far that a re-trainer is much better able to withstand a momentary overload after it has been running for some time at a good load than if it has been only lightly loaded. , which can be explained by the fact that the iron anodes become heated during their operation at high load, so that the mercury film or .amal game was driven out, while in other cases the film was present.
Small mercury droplets condensing or collecting on the anodes will not stick to the surface of the anodes if that surface is clean, but they will certainly stick to a film of mercury or amalgam. Returns: of arc can then be, the result of the presence of such droplets of mercury as well as of the presence of the film itself.
However, as described above,: the iron anodes here include a carbonaceous superficial layer which will not easily amalgamate and which consequently always remains clean so that the formation of: arcs due to the presence @mercury or amalgam on the surface of the anodes will be completely free. As the arc returns are taken into account for the dimensions which can be given to the rectifiers, it will be better appreciated. The advantage which consists in eliminating the manifestation of these arc returns.
The effect of the carbonated surface layer 5 of the anodes from the point of view of temperature control is best explained with reference to fig. 3, where the lower curve 7 shows the relation between the radiated energy and the absolute temperature, for a clean iron surface, while the upper curve 8 shows the same relation for the carbonaceous surface which approximates its properties. radiation from a black body.
Consider for example a clean iron anode having its hottest point in operation at a surface temperature: of 1130 g in a rectifier with mercury vapors, as indicated in 9 to: fig. 3. The radiated energy which corresponds substantially to the energy produced by the bombardment of charged particles hitting the anode has a certain value indicated by the horizontal line 10 of FIG. 3.
Suppose the load is suddenly increased, even for a short time. Energy is released onto the anode by the boom, bursting with ionized particles in a relatively small area. At equilibrium, this energy is radiated from a relatively large portion of the anode as a result of thermal conduction from the hottest area to the rest of the anode.
Therefore, in considering sudden bursts in the load, this sudden increase in energy should not be regarded as being radiated from the entire surface, since the sudden increase will in the first place be largely effective in the whole area. the hot spot. As a result, a relatively large increase in the energy radiated by the hot spot will be produced by the sudden charge, as indicated by the second horizontal line 12 in FIG. 3.
It will be noted that the temperature of the iron node will be very strongly increased, as indicated in 13, as a result of. low slope of the: curve.
If the temperature 13 of the surface of the iron node, or! Of a hot spot on it, is of the order of magnitude of 200 C below the melting point -of iron, the evaporation of the iron occurs to a degree sufficiently steep to produce an atmosphere of evaporated iron which becomes ionized and which in turn is recalled back into the anode, further increasing its temperature.
If the melting point of iron is reached or exceeded, either by the process which has just been described, or by the original increase in the charge which is indicated by the upper line 12, the following conditions are obtained: in which a direct iron arc can be produced, that is, in which the iron becomes the cathode. The result is the formation of arc returns.
In the case of the upper curve 8 showing the conditions of operation with the carbonaceous anode, two things are to be noted, first of all that for the same radiated energy. the carbonaceous anode operates at an initial temperature much lower than the pure iron anode and then the same increase in radiated energy (towards 12) causes a much smaller temperature increase (towards 17) in the case of the carbon anode than in the case of a pure iron anode.
Even, when higher anode temperatures are reached, it will be noted that curve 8 for the anode treated as: described above exhibits a much greater slope than curve 7 for the non-carbon iron anode. , so that sudden load demands do not cause excessive temperature, thereby greatly reducing the possibility of arc flashbacks.
In the example described, the reagent is carbon, ruais it can also consist of certain other substances, such as, for example, thorium.
Apart from the anodes, the surfaces of the other metal parts of the rectifier exposed to being attacked by the vapors, sea cure are chemically combined with a reagent to make them unassailable by the said vapors.