Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention concerne une méthode et un
système de controle de l'érosion des électrodes d'une torche
à plasma. Plus précisément, l'invention se rapporte à l'uti-
lisation de la torche à plasma dans des conditions où les
électrodes de cette dernière ont une vie sensiblement prolongée
en augmentant la surface balayée par le pied d'arc.
On sait que l'industrie du fer et de l'acier demande
beaucoup d'énergie, cette dernière étant surtout produite par
des combustibles, et fait assez peu usage d'électricité. C'est
ainsi que dans les usines soit disant intégrés on préfère uti-
liser du charbon pour fournir la plus grande partie de l'éner-
gie (chimique et thermique) pour la réduction du minerai de
fer à l'état métallique On utilise aussi le charbon comme
source d'énergie pour fabriquer de l'acier en transformant di-
rectement le métal dans un four à sole ou dans les fours à
oxygène et à coke, ainsi que dans les autres étapes de traite-
ment (four à coke et haut-fourneau à gaz). D'autre part, on
sait que dans les usines non intégrés la fusion et le chauffa~e
doivent utiliser d'autres formes d'énergie.
Pour toutes sortes de raisons, il y aurait intéret
à convertir le plus possible de ces usines, à l'électricité,
si seulement cela s'avérerait rentable. Cependant aux taux
présents de l'électricité, surtout si l'on utilise de l'é~ui-
pement conventionnel il n'est pas apparu pratique d'effectuer
la conversion. I1 reste la torche à plasma qui pourrait se
mOntrer d'utilisation intéressante et pratique surtout dans
la production de courant d'air chaud ou de gaæ réducteur pour
les hauts-fourneaux, le reforming de carburant fossile pour
réduction directe, le remplacement des électrodes dans les
fours à arc, le préchauffage de la ferraille, la fusion aux
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gaz inertes, la mise a feu des boulettes, le chauffage des
lingots et le préchauffage des poches.
L'utilisation d'arcs électriques pour obtenir des
gaz à très haute température date du début du slècle et l'appa-
reil dont on se sert pour produire ces températures est commu-
nément nommée torche à plasma. Ces dispositifs SOIlt rapidement
passés de simples curiosités de laboratoires à des équipements
spécialisés pour la fabrication d'objets uniques. Récemment,
les prix croissants et des incertitudes quant à la disponibilité
des combustibles à base d'hydro-carbures légers ont mené les
experts à considérer l'application des torches à plasma à un
plus grand nombre de procédés industriels opérant à hautes
températures. Deux raisons principales sont à la base de cette
proposition. En premier lieu, ce dispositif permet d'attein-
dre des températures beaucoup plus élevées, résultant en des
taux d'efficacité de chauffage beaucoup plus élevés que ce que
l~on peut o~tenir par simple combustion. En second lieu, on a
découvert que dans plusieurs cas, les rendements obtenus sont
plus élevés qu'en opérant de fa,con conventionnelle~
On sait d'autre part que les torches à plasma compor-
tent des électrodes que l'on doit éventuellement remplacer à
cause de l'érosion produite au pied de l'arc. Or si ce rem
placement intervient à des fréquences trop rapprochées l'utili-
sation de la torche à plasma ne devient plus rentable comme
c'est la plupart du temps le cas.
L'invention va etre décrite ci-après à l'aide des
dessins annexés, lesquels sont donnés à titre illustrati-f et
sans caractère limitatif~ Dans les dessins:
la figure 1 illustre le schéma de principe d'une
torche à plasma connue,
la figure 2 est une courbe de la tension de l'arc
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en fonction de la vitesse à courant constant'
la figure 3a est un schéma illustrant la trace du
pied d'arc à la surface de l'électrode dans une configuration
électrodes-bobine de champ,
la figure 3b est une courbe illustrant la position
de la trace du pied d'arc à la surface de l'électrode en
fonction du champ appliqué,
la figure 3c est une courbe représentant le tracé
des valeurs des forces d'entraînement en fonction de la posi-
tion de la trace du pied d'arc le long de l'axe de l'électrode;
la figure ~ est un schéma d'un montage de torche àplasma selon l'invention; et
la figure 5 est un graphique illustrant la distribu-
tion axiale du cham~ produit et la position des minima pour
deux valeurs du champ produit par une des bobines de la torche
illustrée en figure 1.
Plus précisément, la torche à plasma est utilisée
pour convertir l'énergie ~lectrique en énergie thermique d'un
gas t en faisant passer le gaz en contact avec un arc élec-
trique maintenu entre deux électrodes. Une~torche typique estillustrée sur la figure 1 et comporte
(a) deux électrodes cylindriques 1,3 reliées à une
alimentation électrique 5,7 et entre lesquelles existe un arc
électrique 9,
~ b) une injection tangentielle 11 des gaz froids
créant un vortex 13 et assurant un transfert maximum d'énergie
entre l'arc 9 et le gaz 11,
(c) des bobines 17,19 créant un champ magnétique axial
pour faire tourner les pieds d'arc 21,23 répartissant ainsi
l'érosion inévitable des électrodes, et
(d) un orifice de sortie 25 du gaz chauffé à très
haute température et appelé plasma 27.
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~l2~8 1ll~5i
La température de ce gaz varie avec la puissance
électrique débitée dans l'arc électrique et le débit gazeux;
cette température pouvant atteindre de 3000 à 10000 le gaz
chaud produit est fortement ionisé, c'est donc un plasma d'où
le nom de torche à plasma donné à cet appareil.
La puissance électrique des torches disponlbles
commercialement varie entre quelques kW et une dizaine de MW.
Pour les opérations industrielles, la durée de vie
des électrodes est un élément primordial. Les manufacturiers
de torche spécifient des durées variant entre 100 et 1000
heures pour des électrodes refroidiesO
Le taux d'érosion des électrodes dépend des condi-
tions d'opération: valeur du courant d'arc, matériaux et
température de l'électrode, nature et pression du gaz ambiant,
mouvement du pied d'arc. Cependant le phénomène d'usure est
très mal cOmpris.
L'injection tangentielle des gaz froids et la présen-
ce d'un champ.magnétique axial ont chacun pour effet de créer
une rotation du pied d'arc à la surface des électrodes tubu-
laires. L'arc est entralné par le gaz en rotation ou poussépar la force I x B résultant de l'in~eraction entre le champ
magnétique B et le courant d'arc I. Ainsi, la vitesse de
l'arc augmente avec la valeur du champ magnétique appliqué
transversalement à l'arc.
Par contre la tension d'arc augmentant avec sa vi-
tesse de déplacement, l'arc cherchera toujours à ~rûler dans
la région où sa vi-tesse sera minimum ainsi qu'on le voit sur
la figure 2 où B est la valeur du champ magnétique de soufflage,
d est la longueur de l'arc, V la ~ension de l'arc pro-
duit et I l'intensité de courant; c'est-à-dire qu'il se placera
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dans la région où la somme des sollicitatlons hydrodynamiques
et magnétiques est minimale. Ce phénomène est très bien
illustré par des résultats obtenus dans une torche à plasma
(puissance - 1 ~W) comme l'indique les figures 3a, 3b et 3c,
où A et B sont tels que définis ci-dessus et x représente la
position de la trace du pied d'arc: la trace A laissée par le
pied d'arc sur la surface interne de l'électrode est circulaire
et sa distance par rapport à l'espace interélectrode où le gaz
11 est injecté augmente quand le champ magnétique s est ré-
duit.
En somme, selon la technique présentement utiliséepour augmenter la durée de vie des électrodes, l'arc est
habituellement déplacé rapidement sur un cercle à la s~rface
de l'électrode par un champ magnétique constant, répartissant
ainsi sur la surface interne de l'électrode cylindrique où l'arc
s'attache l'inévitable érosion qui se produit au contact de
l'arc avec la surface de l'électrode. Cette amélioration aug-
mente sensiblement la vie de l'électrode qui subit l'érosion,
étant donné que le pied d'arc ne reste pas attaché en un seul
point mais qu'au contraire le pied d'arc balaie une surface
circulaire. Il reste néanmoins que l'électrode est endommagée
à ce point, qu'après un certain temps, il faut le changer. Il
existe donc un net besoin de pouvoir recourir à une technologie
qui augmente encore la vie des torches à plasma, du moins si
l'on désire étendre le champ d'application de ces dispositifs.
Selon la présente invention, il est possible de pro-
longer la vie des électrodes des torches à plasma en augmen-
tant la surface balayée par le pied d'arc.
Un objet de la présente invention concerne une mé-
thode par laquelle on provoque un déplacement axial de latrajectoire du pied d'arc.
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L'invention concerne une méthode de contrôle de l'éro-
sion des électrodes d'une torche à plasma, dans laquelle s~é-
tablit un arc électrique lorsque les électrodes sont reliées à
une alimentation électrique et un champ magnétique axial engen-
dré par un système à bobine de champ, provoque la rotation des
pieds d'arc selon une trajectoire circulaire à l'intérieur des
électrodes. Selon l'invention, l'on fait varier périodique-
ment la valeur du courant dans le système à bobine de champ
utilisé pour faire tourner l'arc, entralnant ainsi un déplace-
ment axial de la trajectoire circulaire du pied d'arc.
De préf~rence, l'on fait moduler continuellement lavaleur du courant dans le système de bobine, de façon à faire
déplacer chacun des pieds d'arc sur une surface cylindrique,
par exemple selon une trajectoire hélicoidale.
Selon une réalisation préférée de l'invention, le
système à bobine de champ comporte une, deux ou plusieurs
bobines de champ pour chaque électrode.
La valeur du ou des courants dans une ou plusieurs
des bobines peut être modulée continuellement de façon à modi-
fier axialement la position du minimum de la résultante deschamps entralnant ainsi un déplacement axial de la trajectoire
radiale du pied d'arc. De préférence, l'on ajuste la modula-
tion de la valeur des courants de sorte à synchroniser les
déplacements axiaux des pieds d'arc aux deux électrodes pour
conserver une longueur d'arc constante et ainsi conserver la
tension d'arc à la meme valeur.
L'invention concerne aussi une torche à plasma
comportant deux électrodes cylindriques permettant d'obtenir
un arc électrique lorsque les électrodes sont reliées à une
alimentation électrique, et un système à bobine de champ pour
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chaque électrode pour provoquer la rotation des pieds d'arc
selon une trajectoire circulaire à l'intérieur des électrodes
cylindriques. Selon l'invention, on prévoit des moyens pour
faire varier périodiquement la valeur des courants dans le
système à bobine de champ utilisé pour faire tourner l'arc
entralnant ainsi un déplacement axial de la trajectoire cir-
culaire du pied d'arc. Par exemple, lesdits moyens sont agen-
cés pour moduler continuellement la valeur des courants dans
le système à bobine, de façon à faire déplacer chacun des
pieds d'arc sur une surface cylindrique.
Selon une réalisation préférée de l'invention, des
moyens sont prévus pour moduler continuellement la valeur du
courant dans une des deux bobines de fa~on à modifier axiale-
ment la position du minimum de la somme de deux champs en-
tra~nant ainsi un déplacement axial de la trajectoire radiale
du pied d'arc.
Selon une autre réalisation préférée de l'invention,
des moyens sont prévus pour ajuster la modulation de la valeur
du courant de sorte à synchroniser les déplacements axiaux des
pieds d'arc aux deux électrodes pour conserver une longueur
d'arc constante et ainsi conserver la tension d'arc à la meme
valeur.
En se référant à la figure 4 on verra que la torche
29 comporte au moins deux bobines de champ 31 et 33 pour cha-
que électrode contrairement aux torches commerciales qui n'en
comportent qu'une seule. La valeur du courant dans une des
bobines (ou les deux) est modulée par tout moyen connu 35
continuellement de facon à modifier axialement la position du
minimum de la somme des deux champs entraînant ainsi un dé-
placement axial d de la trajectoire radiale a ou b du pied
l35
d'ar- 37. Le pied d'arc ne décrit plus un cercle, il se dé-
place sur une surface cylindrique. Les déplacements axiaux
des pieds d'arc aux deux électrodes peuvent etre synchronisés
par tous moyens connus pour conserver une longueur d'arc
constante et ainsi conserver la tension d'arc à la meme valeur.
Un déplacement axial de la trajectoire du pied d'arc
peut également être obtenu dans le cas où chaque électrode de
la torche à plasma ne comporte qu'une seule bobine et une in-
jection tourbillonnaire du gaz; ce déplacement peut en effet
etre obtenu en modulant continuellement le courant dans la
bobine. Ce controle est néanmoins moins efficace que par
l'emploi de deux ou plusieurs bobines.
Le taux d'érosion d'une torche commerciale a été
mesuré par plusieurs manufacturiers, il est approximativement
de 1,5xlO kg par coulomb d'électricité~ La quantité de
matière érodée après 400 heures de fonctionnement à lOOOA d'une
torche est donc de:
1,5xlO 9 x 400 ~ 3600 x 1000 = 2,16 kg
Pour une torche de 7 cm de diamètre intérieur d'élec-
trode et de 1 cm d'épaisseur utile au point de vue érosion, lalongueur X érodée selon la direction axiale est de (densité
pour le cuivre 8,95):
X = 2~16 1 - 1 1 dm = 11 cm
8,95 0,7 x~xO,l
Si toute la surface de l'électrode d'une longueur
supérieure à 50 cm est utilisée, il y a une augmentation de la
durée de vie d'un facteur de 4,5 (soit 2000 heures).
