Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les plasmas thermiques couvrent un très large domaine d'applications du découpage ou soudage de pièces métalliques, à la sphéroïdisation des particules, en passant par la synthèse de poudres nanométriques ou ultrafines et le traitement des déchets. Pour développer des procédés plus efficaces, la technologie des torches a connu ces dernières années de nombreux progrès. Citons comme points d’optimisation de ces procédés : l’amélioration de la conception des torches, la création de torches en projection par arc, et la mise au point de capteurs de contrôle. Cet article traite des applications à des puissances inférieures à quelques centaines de kilowatts, la qualité des produits obtenus, leur reproductibilité et fiabilité.
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Thermal plasmas cover an extremely wide range of applications, from the cutting or welding of metallic parts to the spheroidization of particles and including the synthesis of nanometric or ultrafine powders and waste treatment. In order to develop more efficient processes, the torch technology has undergone significant advances over the last few years. The major advances are the improvement of the design of torches, the development of plasma-arc spraying torches and monitoring sensors. This article deals with applications with a power of less than a few hundreds of kilowatts, the quality of the products obtained as well as their reproducibility and reliability.
Auteur(s)
-
Pierre FAUCHAIS : SPCTS UMR 6638 - Professeur à l'Université de Limoges
INTRODUCTION
Les plasmas thermiques couvrent un très large domaine d'applications : découpage ou soudage des pièces métalliques, traitements de surface et dépôts, sphéroïdisation et purification des particules, analyse chimique, synthèse de poudres nanométriques ou ultrafines, fabrication des pièces de forme, métallurgie extractive, refusion-purification des métaux, chauffage des répartiteurs de coulée, chimie, traitement des déchets… Certaines applications sont très largement établies (depuis les années 1940, mais d'une manière générale depuis les années 1960), mais d'autres sont en devenir.
La technologie des torches (cf. dossier « Plasmas thermiques : production » ) a fait de grands progrès au cours des 25 dernières années pour différentes raisons :
-
la nécessité pour l'industrie de développer des procédés plus efficaces ;
-
le coût attractif de l'électricité dans certains pays (essentiellement pour les applications de forte puissance (> 1 MW)) ;
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le potentiel pour développer de nouveaux matériaux et les technologies correspondantes ;
-
la coopération accrue entre les fabricants de matériel, les chercheurs, les industriels concernés par les différents procédés et les producteurs d'électricité.
Cependant en dépit des nombreuses avancées technologiques au cours des vingt-cinq dernières années ainsi que des démonstrations de faisabilité en laboratoire où à l'échelle de prototypes, le nombre d'applications industrielles à grande échelle est encore relativement faible. Les raisons en sont :
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une surestimation du potentiel des plasmas qui a conduit à un certain désappointement des utilisateurs ;
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le manque d'études fondamentales pour appuyer le développement technique en particulier pour obtenir des conditions de fonctionnement reproductible (jusqu'à 60 paramètres macroscopique peuvent conditionner le fonctionnement d'un procédé plasma) ;
-
l'usure naturelle des électrodes (pour les torches à arc) que les utilisateurs ne savent pas toujours compenser ;
-
les problèmes économiques, d'autant plus cruciaux que le procédé plasma s'applique à un produit à faible valeur ajoutée. Par exemple l'utilisation des plasmas sur les hauts fourneaux est directement liée au prix relatif coke/kWh.
De très nombreuses applications ont vu le jour et se sont développées industriellement dans la gamme des puissances de quelques kilowatts à quelques centaines de kilowatts. D'autres semblent prometteuses au niveau du laboratoire mais n'ont pas encore eu de débouchés. Si l'on considère la répartition entre arcs et décharges RF (radiofréquence), la très grande majorité des applications passe par le procédé arc. Pour les applications à des puissances comprises entre plusieurs centaines de kilowatts et une centaine de mégawatts, à part deux applications de chimie pure, c'est essentiellement dans le domaine de la métallurgie, et récemment dans celui de la destruction des déchets, que les plasmas ont effectué leur percée.
Cependant, quelle que soit l'application, la règle d'or est que la torche à plasma doit être adaptée au procédé et non le procédé à la torche.
Les performances de la torche à plasma (à arc soufflé ou transféré) dépendent de la conception des électrodes et de leur refroidissement, de la géométrie de la chambre d'arc et de la tuyère (soit à un potentiel flottant, soit anode), de la façon dont les gaz plasmagènes sont injectés et de leur nature, de la géométrie d'un éventuel système de gainage et du gaz utilisé pour cela, de la source de courant, de l'automatisation de la mise en route et de l'arrêt, du déplacement relatif pièce à traiter / torche à plasma, de l'implantation de la torche sur le procédé.
D'une manière générale, la qualité des produits obtenus, la reproductibilité et la fiabilité du procédé dépendent fortement :
-
de la minimisation de l'usure des électrodes et de la tuyère ainsi que de sa prise en compte lors de l'utilisation de la torche ;
-
des conditions de démarrage ;
-
de l'automatisation du procédé et si possible de son contrôle en ligne.
Dans cette présentation, nous ne traiterons que les applications à des puissances inférieures à quelques centaines de kilowatts à l'exclusion des opérations métallurgiques, chimiques et de traitement de déchets.
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Projection arc fil4. Projection par plasma
4.1 Conventionnelle
La projection plasma conventionnelle consiste (figure 7a) à introduire des poudres de granulométrie comprise entre 10 et 100 μm (suivant la nature des matériaux) dans un jet de plasma (au moyen d'un gaz porteur) afin de les y accélérer, de les fondre puis de faire s'écraser les particules fondues (figure 7b) et d'empiler les lamelles correspondantes (figure 7c). Naturellement ne peuvent être projetés que les matériaux dont la température de fusion est séparée d'au moins 300 K de la température de vaporisation ou de décomposition.
Les lamelles ont des épaisseurs comprises entre 3 et 0,6 μm (3 μm pour la projection RF) et se refroidissent en moins de 10 μs. Cela fait que chaque nouvelle particule s'écrase sur une particule déjà solidifiée et que les dépôts ont une structure lamellaire (figure 7c).
Les épaisseurs typiques des dépôts réalisés par passages successifs de la torche devant le substrat sont de 50-60 μm à plusieurs millimètres (le plus généralement entre 200 et 500 μm).
La projection plasma appartient aux techniques de projection thermique (flamme de diffusion, flamme haute pression ou High Velocity Oxyfuel Flame, canon à détonation et arc fil). En 2005, ces techniques ont représenté à peu près 5 milliards de $US dans le monde , les USA correspondant à 35 % du marché et l'Europe à 30 %. De toutes ces techniques, le plasma représentait environ 48 % du chiffre d'affaire en 2005.
Par rapport aux autres techniques, les plasmas permettent de fondre les matériaux les plus réfractaires. Les gammes de vitesse des particules à l'impact, suivant les types de torches utilisées en projection arc ainsi que la nature des poudres et leur granulométrie, vont d'environ 100 à 300 m/s pour les torches conventionnelles et jusqu'à 450 m/s pour les torches à forte puissance.
Il faut cependant souligner que la projection thermique en général ne permet pas de réaliser des dépôts d'épaisseur inférieure...
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Projection par plasma
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FAUCHAIS (P.) - Plasmas thermiques - [D 2 810] [D 2 820]. Convertisseurs et machines électriques 2005 et 2007.
-
(2) - CAMY-PEYRET (F.), BRIAND (F.), OPDERBECKE (T.) - Synthèse des dernières avancées pour l'utilisation des plasmas d'arc électrique pour le soudage et la découpe des matériaux métalliques. - Colloque sur les Arcs Electriques – CAE 2005 (pub.) GREMI, Université d'Orléans, Mars (2005).
-
(3) - RENAULT (T.), HUSSARY (N.) - Current status and future trends in plasma cutting. - Symposium on Thermal Plasmas held in Sharm el Sheick, Egypt, Jan 2007, to be published in J. of High Temp. Material Processes 2nd issue 2008.
-
(4) - ELIOT (D.), LEMOINE (D.) - Découpage, soudage par plasmas. - Les plasmas dans l'industrie, (pub.) Doppée, Avon, F. 1991.
-
(5) - CAMY-PEYRET (F.) - Procédés d'oxycoupage plasma des métaux ferreux. - Demande brevet Européen N° EP 1480776, 2003.
- ...
ANNEXES
Plasma : International symposium on plasma chemistry, a lieu tous les deux ans. Rassemble environ 1 000 chercheurs et industriels. Le dernier a eu lieu à Kyoto en Août 2007.
Projection thermique : international thermal spray conférence, a lieu tous les ans. Rassemble 1 500 chercheurs et industriels avec une exposition de matériel (50 à 80 sociétés industrielles). Le dernier a eu lieu en Mai 2007 à Pékin. Le prochain se tiendra à Maastricht en Hollande du 02/06 au 04/06/2008. Informations sur : ITSC 2008 (Google).
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