EP0428671A1 - Procede et dispositif d'obtention de hautes temperatures - Google Patents

Procede et dispositif d'obtention de hautes temperatures

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EP0428671A1
EP0428671A1 EP19900908438 EP90908438A EP0428671A1 EP 0428671 A1 EP0428671 A1 EP 0428671A1 EP 19900908438 EP19900908438 EP 19900908438 EP 90908438 A EP90908438 A EP 90908438A EP 0428671 A1 EP0428671 A1 EP 0428671A1
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EP
European Patent Office
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anode
arcs
spots
cathodes
fluid
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EP19900908438
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German (de)
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Inventor
Jean Albert François SÜNNEN
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder or liquid

Definitions

  • Devices for obtaining high temperatures are known, in which a fluid at high temperatures is carried by passing it through an arc discharge between two electrodes. Such devices are used in particular in pro ection, welding and chemical reaction at high temperature, the material to be treated being introduced into the plasma in the form of powder, liquid or gas.
  • the arc is established between two electrodes, at least one of which is hollow, and the material to be treated is generally introduced downstream of the area where the arc is maintained.
  • the purpose of the following method of the invention is to remedy these drawbacks, while making it possible to operate such installations in one. power of several megawatts.
  • the process for obtaining high temperatures is characterized in that it consists in establishing between several cathodes and one or more hollow anodes separate arcs, in maintaining a flow of inert gas between the cathodes and the or the anodes, to dispose the cathodes substantially along the generatrix of a cone matching the entry of the first anode, and to introduce the material to be treated by a tube located in the axis of the cone and the anode.
  • the method according to the invention also consists in introducing the fluid for constricting and guiding the arcs along each cathode.
  • Figure 1 a section of a device carrying out the process according to the invention and comprising for reasons of simplicity only two cathodes;
  • FIG. 1 The electrical connection diagram for the device in Figure 1;
  • Figure 3 a variant of Figure 1, In the case of materials to be treated likely to be highly aggressive vis-à-vis the anode;
  • FIGS. 4A, 4B, 4C of the variants of the direction of the injection of fluid with respect to the arc in the case of FIG. 3;
  • Figure 5 a variant of Figure 3, in the case of in ect materials particularly reactive vis-à-vis the anode;
  • FIGS. 6A and 6B respectively a device with crossed arcs and a view of the configuration of crossed arcs, and Figure 7 a variant of Figures 6.
  • the cathodes 1 and 2 are usually metal made up of a refractory tip 14 ′ and 14 ", welded and brazed on metal supports 15 * and 15", cooled by an injected fluid in 10 'by the 16' and 16 "tubes and evacuated by 10".
  • the anode 3 is common and two arcs 5 and 6 are introduced.
  • the material to be treated is introduced by the injector 4 using a fluid 8.
  • the fluid for constricting and guiding the arcs 5 and 6 is introduced along each cathode at 9 ', 9 ", so as to lengthen the two arcs and to move the anodic spots 12 and 13 in the axial direction towards the outlet. of the anode 3.
  • electrodes are cooled by a suitable fluid (10 ', 10 "for the cathodes; 11', 11" for the anode).
  • Each cathode is connected to the negative pole of a direct current generator or rectifier 17,18, the positive pole of which is connected to the 'anode, which in the case shown is common.
  • the example of this figure 2 can easily be extended to a larger number of cathodes and to the same number of rectifiers.
  • a known means such as a high frequency pilot discharge between each cathode and the input of the anode.
  • the problems are less acute on the side of the anode spot, which is distributed naturally over a larger area, which results in lower current densities.
  • an inert or non-oxidizing gas such as Argon, Nitrogen, Helium or hydrogen, or a Liquid such as water.
  • the subject to be treated is likely to be. Jtement aggressive vis-à-vis the anode, for example if it is to react at high temperature of atomic oxygen with TiCL4 in order to obtain Ti02, we will usefully use the variant shown in Figure 3.
  • the hollow anode is divided into several parts 3a, 3b, 3c, 3d electrically isolated from each other.
  • the arcs 6 and 7 are first struck between the cathodes 1 and 2 and the nearest anode-3a by the action of the switches 19a, 20a. These two arcs are then progressively lengthened by increasing the gas flow rates 9 ′ and 9 ", so as to move the anode spots 12 and 13 towards the second part of the anode 3b, at the same time the switches 19b are engaged, 20b and, as soon as the anode spots have reached the anode 3b, the connection of the first anode 3a is interrupted by opening the switches 19a, 20a. It is possible, if this is desirable, to introduce at this time an additional fluid 22a per 1 'intei— valle 21a separating the anode 3a from the anode 3b. In this way we ensure a better guidance of the a "- towards the exit of the Anode 3b.
  • This injection of fluid can take various directions with respect to the arc, parallel, inclined or tangential as shown respectively in FIGS. 4A, 4B, 4C.
  • This upe of cold fluid stabilizes the discharge, prevents parasitic discharges to the previous anode, maintaining the anode spots 12 and 13 towards the outlet of the anode 3b, and provides additional cooling of this anode.
  • the switch 19c is closed, then 19b is opened, an additional fluid 22b by 21b is introduced and thus transferred gradually the anodic spots towards the exit of the torch on the 3d anode.
  • anodic spots 12 and 13 on an anode 23 insulated from 3d and protected active elements of the plasma by an inert fluid 24.
  • the stability of the discharge can usefully be improved by rotating the anode spots under the action of an auxiliary magnetic field 25 produced by the winding 26.
  • anode 23 can be cooled by known means, not shown.
  • FIG. 6A shows a device with two cathodes 1, 2 and an anode made up of four years rings 3'a, 3'b, 3'c, 3'd, these rings being composed of two cooled segments, electrically isolated and each connected to the positive pole of one of the two rectifiers.
  • the inclination of the cathodes 1, 2 and the auxiliary jets 9 ',. 9 "allows, after arcing between the arcs and the anode 3'a, to pass the anodic spot of each arc to an anode segment offset angularly by 60 ° on Anode 3 'b, 120 ° on the anode 3'c and 180 ° on the anode 3' This gives the configuration of crossed arcs 6 and 7 shown in Figure 6B.
  • each cathode is followed by an initiating and guiding nozzle and the plasma jet, which leaves this initiating nozzle, is directly oriented towards the anode segment arranged at 180 ° .
  • the device is shown in FIG. 7.
  • these nozzles are replaced by a single anode pierced with a number of passages as much as with cathodes and serving to channel and orient the plasmas at priming.
  • the latter in the case of destruction of waste, the latter can be introduced after having been preheated by passage through a traditional burner.

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Abstract

Le procédé consiste à établir entre deux ou plusieurs cathodes (1, 2) et une ou plusieurs anodes creuses (3) des arcs distincts (5, 6), à maintenir un débit de gaz inerte entre les cathodes (1, 2) et la ou les anodes (3), à disposer les cathodes (1, 2) sensiblement selon les génératrices d'un cône épousant l'entrée de la première anode (3), et à introduire la matière à traiter par un tube situé dans l'axe du cône et de l'anode. Le fluide de constriction et de guidage des arcs (5, 6) est introduit le long de chaque cathode (selon 9', 9''), de manière à allonger les deux arcs et à déplacer les taches anodiques (12, 13) dans le sens axial vers la sortie de l'anode (3).

Description

Procédé et dispositif d'obtention de hautes températures
On connaît des dispositifs d'obtention de hautes tempé¬ ratures, dans lesquels on porte un fluide à haute températures en le faisant passer au sein d'une décharge d'arc entre deux électrodes. De tels dispositifs sont notamment utilisés en pro ection, soudage et réaction chimique à haute température, la matière à traiter étant introduite dans le plasma sous forme de poudre, de liquide ou de gaz.
Dans les disposit fs connus, l'arc est établi entre deux électrodes, dont l'une au moins est creuse, et la matière à traiter est introduite en général en aval de La zone ou l'arc est maintenu.
De tels dispositifs présentent plusieurs inconvénients : la matière à traiter pénètre plus ou moins dans Le plasma à haute température, d'où faible rendement du point de vue thermique ; vaporisation des parti¬ cules les plus fines, Lorsqu'il "s'agit de poudres et par suite de la non-unifor ité des échanges ther¬ miques entre plasma et matière à traiter ; obtention de revêtements médiocres, s'il s'agit de pro ection ou de soudure, et t -> réactions chimiques non optimi¬ sées, s'il s'agit de synthèse, décomposition chi¬ mique ou destruction de déchets.
Le procédé suivant L'invention a pour but de remédier à ces nconvénients, tout en permettant de faire fonc¬ tionner de telles installations à une. puissance de plusieurs mégawatts.
Lorsque L'on tente, en effet, d'augmenter La puissance dissipée, on se heurte au problème du raccordement e L'arc aux électrodes et, en particulier, à la ca- t de, Lorsqu'il s'agit d'une cathode métallique re¬ froidie. On constate dans ce cas L'existence d'une tache cathodique de très petite dimension, c'est-à- dire des densités de courant très élevées, et au-delà de 1000 A La nécessité de procéder au déplacement de La tache cathodique par un tourbillon de gaz ou par un champ magnétique auxiliaire.
Ceci s'accompagne de divers inconvénients : fonction¬ nement instable de L'arc ; réglables pointus des di¬ mensions des électrodes et des débits ; tension d'arc très élevée (supérieure à 1 V) ; durée de vie limi- tée des électrodes (une centaine d'heures).
Le procédé suivant L'invention et Les dispositifs destinés à s i, réalisation permettent de remédier à ces inconvénients.
Suivaπ. L'invention Le procédé d'obtention de hautes températures est caractérisé en ce qu'il consiste à établir entre plusieurs cathodes et une ou plusieurs anodes creuses des arcs distincts, à maintenir un débit de gaz inerte entre Les cathodes et La ou Les anodes, à disposer Les cathodes sensiblement selon Les génératrices d'un cône épousant L'entrée de La première anode, et à introduire La matière à traiter par un tube situé dans L'axe du cône et de L'anode.
Le procédé suivant L'invention consiste encore à in¬ troduire Le fluide de constriction et de guidage des arcs Le Long de chaque cathode.
Pour mieux faire comprendre L'invention celle-ci est décrite maintenant avec plus de détails sur La base des dessins annexés, à titre d'exemples uniquement, montrant en :
Figure 1 une coupe d'un dispositif réalisant le pro¬ cédé suivant L'invention et ne comportant pour des raisons de simplicité que deux cathodes ;
Figure 2 Le schéma du raccordement électrique pour le dispositif de la figure 1 ;
Figure 3 une variante de La figure 1, dans Le cas de mat ères à traiter susceptibles d'être hautement agressives vis-à-vis de L'anode ;
Figures 4A, 4B, 4C des variantes de La direction de L'injection de fluide par rapport à L'arc dans Le cas de La figure 3 ;
Figure 5 une variante de La figure 3, dans Le cas de matières in ectées particulièrement réactives vis- à-vis de L'anode ;
Figures 6A et 6B respectivement un dispositif à arcs croisés et une vue de La configuration d'arcs croisés,et Figure 7 une variante des figures 6.
En se reportant à La figure 1, Les cathodes 1 et 2 sont hab tuel Lement en métal constituées d'une pointe réfractaire 14' et 14", soudées et brasées sur supports métalliques 15* et 15", refroidis par un fluide in¬ jecté en 10' par Les tubes 16' et 16" et évacué par 10".
L'anode 3 est commune et on introduit deux arcs 5 et 6. La matière à traiter est introduite par L'in- jecteur 4 à l'aide d'un fluide 8. La zone la plus chaude des arcs confondus 5 et 6 se trouve en 7.
Le fluide de constriction et de guidage des arcs 5 et 6 est introduit Le Long de chaque cathode en 9', 9", de façon à allonger Les deux arcs et à déplacer Les taches anod ques 12 et 13 dans Le sens axial vers La sortie de L'anode 3. On obtient de La sorte des arcs stables de bonne Longueur et des tensions rela¬ tivement élevées, donc une puissance électrique im¬ portante, principalement dissipée dans La zone 7 pai— courue par La matière à traiter. Les différentes électrodes sont refroidies par un fluide approprié (10', 10" pour Les cathodes ; 11', 11" pour L'anode).
Pour un dispositif tel que représenté en figure 1 Le raccordement électrique se fait conformément à La figure 2. Chaque cathode est reliée au pôle néga¬ tif d'un générateur de courant continu ou redresseur 17,18, dont Le pôle positif est relié à l'anode, qui dans Le cas représenté est commune.
Le courant 11 circulant dans L'arc entre La cathode 1 et l'anode 3 et Le courant 12 circulant dans L'arc ent re L a ca t hode 2 et L ' anode 3 sont rég l é s et a j us¬ t é s i ndép end ammen t pa r l e s d eu x red re s s eu rs 1 7, 1 8 .
L'exemple de cette figure 2 peut être aisément étendu à un plus grand nombre de cathodes et au même nombre de redresseurs. Au démarrage on fera usage d'un moyen connu, tel qu'une décharge pilote haute fréquence entre chaque cathode et L'entrée de L'anode. Afin d'assurer une Longue durée de vie aux électrodes, il est préférable de Limiter Le courant à chaque tache cathodique à une valeur d'environ 1000 A. Les pro¬ blèmes sont moins aigus du côté de La tache anodique, qui se répartit naturellement sur une plus grande surface, ce qui se traduit par des densités de cou¬ rant moindres.
Par contre, il est très important de positionner Les taches anodiques 12 et 13 aussi loin que possible en aval dans l'anode creuse, de façon à bénéficier pour une même intensité d'une tension d'arc et donc d'une puissance aussi élevée que possible. On ob¬ tiendra également de la sorte une zone de chauffage 7 plus importante et donc un meilleur échange thei— mique avec la matière à traiter.
Il arrive fréquemment que L'on soit amené à traiter des matières hautement agressives chimiquement à haute température. C'est pourquoi, on fera usage de pré¬ férence de fluides inertes en 9', 9" le long, des cathodes et l'on assurera La présence d'un fluide inerte à hauteur des taches anodiques 12 et 13. On fera usage à cet effet d'un gaz inerte ou non oxydant, tel que L'argon, L'azote, L'hélium ou l'hydrogène, ou d'un Liquide tel que de l'eau. L'rsque Les matières à traiter sont susceptibles d'être . Jtement agressives vis-à-vis de l'anode, par exemple s'il s'agit de faire réagir à haute température de L'oxygène atomique avec du TiCL4 en vue de L'obtention de Ti02, on fera utilement usage de La variante représentée en figure 3. Dans ce dispositif L'anode creuse est divisée en plusieurs parties 3a, 3b, 3c, 3d isolées électriquement Les unes des autres.
Ici, Les arcs 6 et 7 sont d'abord amorcés entre Les cathodes 1 et 2 et L'anode- 3a La plus proche par fei— meture des interrupteurs 19a, 20a. On allonge en¬ suite progressivement ces deux arcs en augmentant les débits de gaz 9' et 9", de façon à déplacer les taches anodiques 12 et 13 vers la deuxième partie de L'anode 3b, simultanément on enclenche les intei— rupteurs 19b, 20b et, dès que les taches anodiques ont atteint l'anode 3b, on interrompt la connexion de la première anode 3a en ouvrant les interrupteurs 19a, 20a. On peut, si cela est souhaitable, introduire à ce moment un fluide supplémentaire 22a par l'intei— valle 21a séparant L'anode 3a de l'anode 3b. On as¬ sure de La sorte un meilleur guidage de l'a"-- vers La sortie de L'anode 3b.
Cette injection de fluide peut prendre diverses di¬ rections par rapport à L'arc, parallèle, inclinée ou tangentielle comme représenté respectivement en figures 4A, 4B, 4C.
Cette upe de fluide froid stabilise La décharge, empêche des décharges parasites vers l'anode précé¬ dente, en maintenant Les taches anodiques 12 et 13 vers La sortie de l'anode 3b, et assure un refroidis- sèment supplémentaire de cette anode. En augmentant progressivement Les débits de fluide 9', 9" et 22a on fait glisser Les taches anodiques vers L'anode 3c, on ferme l'interrupteur 19c, puis on ouvre 19b, on introduit un fluide supplémentaire 22b par 21b et on transfère ainsi progressivement Les taches anodiques vers la sortie de la torche sur l'anode 3d.
Les réglages fins des différents débits permettent d'obtenir des arcs très stables, de grande longueur, fonctionnant à un ou à plusieurs kV, c'est-à-dire à un ou à plusieurs HW pour une intensité par cathode n ' excédant pas 1 kA.
La parfaite stabilité de La décharge permet d'éviter Les variations très brutales de courant que L'on ren¬ contre Lors de flash back sur des installations tra¬ ditionnelles, ce qui se traduit par une très sensible augmentation de La durée de vie des électrodes, con- dition sine qua non de l'utilisation de ces torches dans des processus chi iques ou métallurgiques desti¬ nés à fonctionner de Longues semaines sans interrup¬ tion ni démontage.
Les différentes anodes sont naturellement refroidies, si nécessaire, par un fluide approprié comme repré¬ senté en 11* et 11" en figure 1.
IL peut être souhaitable, Lorsque Les matières injec- tées sont particulièrement réactives vis-à-vis de L'anode 3, de déplacer avant injection de ces matières Les taches anodiques sur La face en aval de La dei— nière anode, comme représenté en figure 5, d'y main¬ tenir par injection de fluide Les taches anodiques 12 et 13 sur une anode 23 isoLée de 3d et protégée des éléments actifs du plasma par un fluide inerte 24. On peut utilement améliorer la stabilité de la décharge en faisant tourner Les taches anodiques sous l'action d'un champ magnétique auxiliaire 25 produit par l'enroulement 26.
Lorsque Les arcs 6 et 7, après fermeture des intei— rupteurs 19e et 20e, ont été accrochés par Leur tache anodique 12, 13 à L'anode 23, on procède à L'ouver¬ ture des interrupteurs 19d et 20d.
IL va de soi que L'anode 23 peut être refroidie par des moyens connus non représentés.
Dans Les dispositifs décrits ci-dessus il est parfois souhaitable de travailler à haute enthalpie avec des débits de fluide plasmagène relativement faibles et un écoulement axial non tourbi l Lonna re de type La¬ minaire. Si Le diamètre intérieur des anodes est relativement important, on disposera alors d'un cei— tain nombre d'arcs, autant que de cathodes, sensible¬ ment parallèles. Dans ce cas, iL est possible que la partie axiale du plasma soit à une température plus basse que celle de La zone périphérique. Afin de remédier à cet inconvénient, il est fait usage suivant l'invention d'un dispositif à arcs croisés, tel que représenté en figure 6A. Chaque anode est divisée en autant de segments que de cathodes. Le pôle positif de chaque redresseur étant systémati que- ment relié au segment d'anode décalé angulai rement par rapport à La cathode reliée au pôle négatif du même générateur.
En figure 6A on a représenté un dispositif à deux cathodes 1, 2 et à une anode composée de quatre an- neaux 3'a, 3'b, 3'c, 3'd, ces anneaux étant composés de deux segments refroidis, isolés électriquement et reliés chacun au pôle positif d'un des deux re¬ dresseurs.
L'inclinaison des cathodes 1, 2 et des jets auxiliaires 9',. 9" permet, après amorçage des arcs entre les ca¬ thodes et l'anode 3'a, de faire passer la tache ano- dique de chaque arc à un segment d'anode décalé an- gulairement de 60° sur L'anode 3'b, de 120° sur l'anode 3'c et de 180° sur L'anode 3'd. On obtient de La sorte la configuration d'arcs croisés 6 et 7 représentés en figure 6B.
Dans une variante de cette réalisation chaque cathode est suivie d'une tuyère d'amorçage et de guidage et Le jet de plasma, qui sort de cette tuyère d'amorçage, est directement orientée vers le segment d'anode dis¬ posé à 180°. Le dispositif est représenté .en figure 7. Dans une autre variante ces tuyères sont rempla¬ cées par une anode unique percée d'un certain nombre de passage autant que de cathodes et servant à cana¬ liser et orienter Les plasmas à l'amorçage.
Les dispositifs décrits ci-dessus ne Le sont qu'à titre d'exemples. Il va de soi que L'un ou L'autre de ces dispositifs peut être combiné avec d'autres moyens connus destinés à amener plus d'énergie dans le plasma, comme par exemple Les réactions exothei— miques, le chauffage par induction ou par décharge haute tension basse ou moyenne fréquence dans l'écou¬ lement turbulent à La sortie de L'anode.
En particulier, dans le cas de destruction de déchets ces derniers peuvent être introduits après avoir été préchauffés par passage dans un brûleur traditionnel.

Claims

Revendications
1. Procédé .d'obtention de hautes températures pour un fluide, caractérisé en ce qu'il consiste à établir entre deux ou plusieurs cathodes (1, 2N et une ou plusieurs anodes creuses (3) des arcs distincts (5, 6), à maintenir un débit de gaz inerte entre les ca¬ thodes (1, 2) et La ou les an des (3), à disposer les cathodes (1, 2) sensiblement selon Les généra¬ trices d'un cône épousant L'entrée de La ou de La première anode (3), et à introduire la matière à traiter par un tube situé dans L'axe du cône et de L'anode.
2. Procédé suivant la revendicat on 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire Le fluide de cons¬ triction et de guidage des arcs (5, 6) le long de chaque cathode (selon 9', 9"), de manière à allonger Les deux arcs et à déplacer es taches anodiques (12, 13) dans Le sens axial vers La sortie de l'anode (3).
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à positionner Les taches ano¬ diques (12, 13) aussi loin que possible en aval dans l'anode creuse (3), de manière à obtenir pour une même intensité une tension d'arc, et donc une puissance, aussi élevée que possible.
4. Procédé suivant La revendicat on 1, caractérisé en ce que l'anode creuse (3) est divisée en plusieurs parties '3a, 3b, 3c, 3d) isolées électriquement Les unes des autres avec- injection de gaz entre Les par¬ ties d'anode.
5. Procédé suivant La revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer, avant injection de matières particulièrement réactives vis-à-vis de L'a¬ node (3), Les taches anodiques (12, 13) sur La face en aval de La dernière anode (3d) et à y maintenir par injection de fluide Les taches anodiques (12,13) sur une anode (23) isolée de L'anode (3d) et proté¬ gée des éléments actifs du plasma par un fluide i- nerte (24).
6. Procédé suivant La revendication 5, caractérisé en ce qu'il . consiste à faire tourner Les taches ano¬ diques (12, 13) sous L'action d'un champ magnétique auxiliaire (25) produit par un enroulement (26).
7. Procédé suivant une ou plusieurs des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que chaque anode (3) est divisée en autant de segments que de cathodes, Le pôle positif de chaque redresseur étant systéma¬ tiquement relié au segment d'anode déc-alé angulaire- ment par rapport à La cathode reliée au pôle négatif du même redresseur.
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