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RÉSUMÉ
Les plasmas thermiques, à la pression atmosphérique ou à son voisinage, peuvent être produits à des puissances comprises entre quelques centaines de watts et un peu plus d’une centaine de megawatts. Ils couvrent donc un très large domaine d’applications : découpage ou soudage des pièces métalliques, traitements de surface et dépôts, métallurgie extractive, refusion-purification des métaux, sphéroïdisation et purification des particules, analyse chimique, chauffage des répartiteurs de coulée, chimie, synthèse de poudres nanométriques ou ultrafines, fabrication des pièces de forme, traitement des déchets.
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Pierre FAUCHAIS : Professeur - SPCTS (Science des procédés céramiques et des traitements de surface) - CNRS UMR 6638 - Université de Limoges-Faculté des sciences
INTRODUCTION
Les plasmas thermiques (cf. dossier ), à la pression atmosphérique ou à son voisinage (c’est-à-dire de 10 à 500 kPa), peuvent être produits à des puissances comprises entre quelques centaines de watts, par exemple pour le micro-découpage, et un peu plus d’une centaine de megawatts pour les fours métallurgiques à courant continu. Ils couvrent donc un très large domaine d’applications : découpage ou soudage des pièces métalliques, traitements de surface et dépôts, métallurgie extractive, refusion-purification des métaux, sphéroïdisation et purification des particules, analyse chimique, chauffage des répartiteurs de coulée, chimie, synthèse de poudres nanométriques ou ultrafines, fabrication des pièces de forme, traitement des déchets.
Dans cette présentation nous vous proposons de décrire les différents types de torches utilisées industriellement dans les applications citées.
Pour de plus amples renseignements sur les plasmas thermiques, et en particulier sur la théorie des plasmas, le lecteur est invité à consulter dans cette base de données, et du même auteur, la référence de la bibliographie : Plasmas thermiques : aspects fondamentaux.
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- Version archivée 1 de mars 1990 par Pierre FAUCHAIS
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5. Arcs transférés
5.1 Principes
5.1.1 Électrodes non consommables
La figure 7 illustre le principe de fonctionnement de tels arcs. Dans plus de 99 % des cas, l’anode est le matériau à traiter. Elle reçoit donc toute l’énergie électrique dissipée à l’anode, plus l’énergie convective du plasma. L’énergie électrique dépend principalement (plus de 95 %) de la densité de courant j à l’anode via la condensation des électrons et leur enthalpie. Le chauffage convectif est fonction, pour les cathodes chaudes, de l’écoulement généré à la cathode par le jet cathodique, lui-même dépendant de la densité de courant et, pour les cathodes froides, de la constriction de l’écoulement par une tuyère, ainsi que, dans les deux cas, de la distance cathode-anode d A – K. Les chauffages anodiques et convectifs ne sont pas dissociables. En effet, deux types d’accrochage à l’anode existent ( cf. figure 15) :
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un accrochage « constricté » ( cf. figure 15 a ) qui intervient lorsque la surface de l’anode n’est pas chauffée par effet convectif, par exemple parce que la distance d A – K est trop grande. L’arc, en présence de la couche limite froide existant devant l’anode, est « constricté », ce qui accroît localement le flux dissipé et la densité de courant j. Cela crée une constriction électromagnétique et un écoulement de l’anode vers la cathode. Les matériaux évaporés à l’anode sont donc entraînés par cet écoulement et le taux d’évaporation croît considérablement (de plus d’un ordre de grandeur), ce qui doit être évité pour la majorité des applications ;
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un accrochage diffus (cf. figure 15 b ) qui intervient lorsque l’anode est chauffée par...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FAUCHAIS (P.) - Plasmas thermiques : aspects fondamentaux. - . Base documentaire « Convertisseurs et machines électriques » (2005).
-
(2) - PATEYRON (B.) - * - Software of thermodynamic and transport properties (ADEP data). http://ttwinner.free.fr
-
(3) - ECKERT(H.U.) - The induction arc: a state of the art review. - High Temp., 6, p. 99 à 134 (1974).
-
(4) - BOULOS (M.I.) - The inductively coupled R.F. plasma. - Pure and Appl. Chem. 57, p. 1321-1352 (1985).
-
(5) - BOULOS (M.I.) - Radio-frequency plasma developments, scale-up and industrial applications. - J. High Temp. Chem. Proc., 1, p. 401-411 (1992).
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(6) - BOULOS (M.I.) - The inductively coupled radio frequency plasma. - J. High Temp. Mat. Proc., 1, p. 17-39 (1997).
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