FR2586334A2

FR2586334A2 - Method of heat treatment by a microwave plasma torch and torch for its implementation

Info

Publication number: FR2586334A2
Application number: FR8512376A
Authority: FR
Inventors: Patrick Le Gall; Thierry Legiret; Alain De La Rocheterie
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1983-11-17
Filing date: 1985-08-14
Publication date: 1987-02-20
Also published as: FR2586334B2

Abstract

In this process of the type described in the main patent, the combustible gas and oxygen are only mixed in the immediate vicinity of the plasma jet. Application to the creation of microwave plasmas having a sheath consisting of an oxyhydrogen flame.

Description

"PROCèDE DE TRAITEMENT THERMIQUE PAR UNE TORCHE A PLASMA MICRO-ONDES,
ET TORCHE POUR SA MISE EN OEUVRE"
La présente invention est relative à un procédé de traitement thermique par une torche à plasma micro-ondes du type dans lequel on crée autour du jet de plasma une flamme de forme générale annulaire par allumage d'un gaz combustible, notamment de l'hydrogène, mélange à de l'oxygène, ainsi qu'à une torche à plasma micro-ondes destinée à sa mise en oeuvre."METHOD OF HEAT TREATMENT WITH A MICROWAVE PLASMA TORCH,
AND TORCH FOR ITS IMPLEMENTATION "
The present invention relates to a method of heat treatment by a microwave plasma torch of the type in which a flame of generally annular shape is created around the plasma jet by ignition of a combustible gas, in particular hydrogen, mixture with oxygen, as well as with a microwave plasma torch intended for its implementation.

Le brevet principal décrit un procédé de ce type dans lequel le gaz combustible et l'oxygène sont ne langés au préalable avant leur entrée dans la buse. Or, cette manière de procéder est inal adaptée au cas où le gaz ccmbustible est de l'hydrogène, en raison des risques d'explosion. The main patent describes a process of this type in which the combustible gas and the oxygen are not changed beforehand before they enter the nozzle. However, this way of proceeding is inal adapted to the case where the combustible gas is hydrogen, because of the risks of explosion.

La présente invention a pour but de permettre d'obtenir sans danger un plasma gaîné par une flamme oxhydrique (c'est-à-dire une flamme hydrogène-oxygène) et, à cet effet, elle a pour objet un procédé du type precité caractérisé en ce qu'on ne mélange le gaz combustible et l'oxygène qu'autour du jet de plasma. The object of the present invention is to make it possible to obtain without danger a plasma controlled by an oxyhydric flame (that is to say a hydrogen-oxygen flame) and, for this purpose, it relates to a process of the aforementioned type characterized in that the combustible gas and oxygen are only mixed around the plasma jet.

L'invention a également pour objet une torche à plasma micro-ondes detinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette torche, du type comprenant une buse de sortie de gaz entourée à distance par un manchon, et des moyens d'alimentation de la torche en énergie hyperfréquence, la buse comprenant un conduit central relié à une source de gaz plasmagène et, autour de ce conduit, des moyens d'éjection d'un mélange de gaz combustible et d'oxygène, est caractérisée en ce que les moyens d'éjection comprennent deux passages reliés séparément l'un à une source de gaz combustible et l'autre à une source d'oxygène et débouchant tous deux à peu-près dans le plan d'éjection du gaz plasmagène;;
Suivant des caractéristiques avantageuses
- les deux passages débouchent dans un plan commun perpendiculaire à l'axe d'éjection du gaz plasmagène, tandis que le conduit central débouche legèrement en aval de ce plan commun
- le conduit central se termine par un plot en materiau réfractaire, notamment en carbure de tungstène, présentant un orifice central.The invention also relates to a microwave plasma torch designed for the implementation of such a method. This torch, of the type comprising a gas outlet nozzle surrounded at a distance by a sleeve, and means for supplying the torch with microwave energy, the nozzle comprising a central duct connected to a source of plasma gas and, around this conduit, means for ejecting a mixture of combustible gas and oxygen, is characterized in that the ejection means comprise two passages connected separately, one to a source of combustible gas and the other to a source oxygen and both roughly opening into the plasma gas ejection plane;
According to advantageous characteristics
- the two passages lead into a common plane perpendicular to the axis of ejection of the plasma gas, while the central duct opens slightly downstream of this common plane
- The central duct ends with a stud made of refractory material, in particular tungsten carbide, having a central orifice.

Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel
- la figure 1 est une vue en bout, partiellement en coupe transversale, d'une torche à plasma micro-ondes conforme à l'invention ; et
- la figure 2 est une vue en coupe, à plus grande échelle, de la buse de sortie de gaz de cette torche.An example of implementation of the invention will now be described with reference to the attached drawing, in which
- Figure 1 is an end view, partially in cross section, of a microwave plasma torch according to the invention; and
- Figure 2 is a sectional view, on a larger scale, of the gas outlet nozzle of this torch.

La torche à plasma représentée à la figure 1 est du type décrit dans le brevet principal et comprend essentiellement un guide d'onde 101 à section rectangulaire, relié à une extrémité à une source d'énergie hyperfréquence (non représentée) et obturé à son autre extrémité par un piège quart-d'onde réglable (non représenté), et, dans un plan transversal intermédiaire du guide d'onde, un ensemble 102 en forme générale de T comportant des conduits 103 à 105 d'alimentation en gaz qui débouchent dans une buse de sortie 106 ayant une forme générale de révolution. The plasma torch shown in FIG. 1 is of the type described in the main patent and essentially comprises a waveguide 101 of rectangular section, connected at one end to a microwave energy source (not shown) and closed at its other end by an adjustable quarter-wave trap (not shown), and, in an intermediate transverse plane of the waveguide, an assembly 102 in the general shape of a T comprising gas supply conduits 103 to 105 which open into an outlet nozzle 106 having a general shape of revolution.

Les conduits 103 et 104 sont superposés et traversent à joint étanche des ouvertures menagees dans une petite fàoe latérale du guide d'onde. Le conduit 105 se trouve dans le prolongement du conduit inférieur 104 et traverse à joint étanche la petite face latérale opposée du guide d'onde. Pour la ccoocdité de la description, on supposera que l'axe du guide d'onde est horizontal. Il en est de même de l'axe des conduits 104 et 105 et de la partie du conduit 103 située à l'intérieur du guide d'onde, tandis que la buse 106 possède un axe vertical X-X contenu dans le plan de symétrie vertical du guide d'onde et débouche vers le bas. The conduits 103 and 104 are superimposed and pass through sealed openings in a small lateral window of the waveguide. The duct 105 is located in the extension of the lower duct 104 and crosses the small opposite side face of the waveguide with a seal. For the convenience of the description, assume that the axis of the waveguide is horizontal. It is the same for the axis of the conduits 104 and 105 and the part of the conduit 103 located inside the waveguide, while the nozzle 106 has a vertical axis XX contained in the plane of vertical symmetry of the waveguide and opens down.

La buse 106 traverse avec un large jeu une ouverture circulaire 107 prévue dans la grande face inférieure du guide d'onde ; sur le pourtour de cette ouverture est fixée 1 'extrémité supérieure d'un manchon 108 d'axe X-X qui se termine par une aile roulée 109. Les plans d'extrémité de la buse 106 et du manchon 108 sont à peu près confondus. The nozzle 106 crosses with a large clearance a circular opening 107 provided in the large underside of the waveguide; on the periphery of this opening is fixed the upper end of a sleeve 108 of axis X-X which ends in a rolled wing 109. The end planes of the nozzle 106 and of the sleeve 108 are more or less the same.

Comme on le voit à la figure 2, la buse 106 comprend trois chambres séparées 110 à 112 dars lesquelles débouchent respectivement les conduits 103 à 105, et une paroi d'extrémité inférieure horizontale 113. As seen in FIG. 2, the nozzle 106 comprises three separate chambers 110 to 112 in which the conduits 103 to 105 open respectively, and a horizontal lower end wall 113.

Un tube central 114 s 'étend suivant l'axe X-X de la chambre supérieure 110 à la paroi 113, dans laquelle il communique avec l'orifice central 115, d'axe X-X, d'un plot cylindrique 116 en carbure de tungstène. Ce dernier est fixé à joint étanche dans un contre-alésage de la paroi 113 et dépasse légèrement de celle-ci vers le bas.A central tube 114 extends along the axis X-X of the upper chamber 110 to the wall 113, in which it communicates with the central orifice 115, of axis X-X, of a cylindrical stud 116 of tungsten carbide. The latter is fixed to a seal in a counterbore of the wall 113 and protrudes slightly from the latter downwards.

La chambre 111, située sous la chambre 110, se termine par une paroi inférieure horizontale 117 perçée d'une couronne de trous. Une série de tubes verticaux 118 partent de la chambre 111, traversent à joint etanche les trous de la paroi 117 ainsi qu'une couronne correspondante d'orifices de la paroi 113 et se terminent dans le plan d' extrémité inférieur de cette dernière. Chamber 111, located under chamber 110, ends with a horizontal lower wall 117 pierced with a ring of holes. A series of vertical tubes 118 leave from the chamber 111, pass through the holes in the wall 117 with a watertight seal as well as a corresponding ring of orifices in the wall 113 and terminate in the lower end plane of the latter.

La chambre 112 possède une partie supérieure annulaire 119 entourant la chambre 111, et une partie inférieure cylindrique 120 s'étendant jusqu'à la paroi 113 et traversée par les tubes 114 et 118. The chamber 112 has an annular upper part 119 surrounding the chamber 111, and a cylindrical lower part 120 extending to the wall 113 and traversed by the tubes 114 and 118.

Les deux parties de la chambre 112 communiquent par une fente circulaire 121, et la partie inférieure 120 communique avec l'extérieur par une couronne d'orifices 122 centrée sur l'axe X-X et disposée radialement entre le tube central 114 et les tubes 118. Le tube central 114 traverse à joint étanche la paroi horizontale 123 qui sépare les chambres 110 et 111, ainsi que la paroi 117, et est fixé de façon étanche dans la paroi inferieure 113.The two parts of the chamber 112 communicate by a circular slot 121, and the lower part 120 communicates with the outside by a ring of orifices 122 centered on the axis XX and disposed radially between the central tube 114 and the tubes 118. The central tube 114 crosses the horizontal wall 123 which separates the chambers 110 and 111, as well as the wall 117, with a sealed joint, and is fixed in a sealed manner in the lower wall 113.

En fonctionnement, on relie respectivement les conduits 103 à 105 à des sources S1 d'un gaz plasmagène, par exemple d'argon, S2 d'un gaz combustible, par exemple d'hydrogène et S3 d'oxygène, et on alimente la torche en énergie hyperfréquence. Ainsi, on obtient d'une part, à la sortie du plot 116, un jet central de plasma d'argon et, d'autre part, deux jets concentriques, sensiblement annulaires, l'un d'hydrogène (jet intérieur), l'autre d'oxygène (jet extérieur). L'oxygène et l'hydrogène se ne langent après leur sortie de la buse 106 pour former un mélange combustible qui est allumé par le plasma et forme une flamme de gaînage de celui-ci. In operation, the conduits 103 to 105 are respectively connected to sources S1 of a plasma gas, for example of argon, S2 of a combustible gas, for example of hydrogen and S3 of oxygen, and the torch is supplied with power. in microwave energy. Thus, on the one hand, at the outlet of the pad 116, a central jet of argon plasma is obtained and, on the other hand, two concentric, substantially annular jets, one of hydrogen (internal jet), l other oxygen (external jet). The oxygen and the hydrogen do not languish after their exit from the nozzle 106 to form a combustible mixture which is ignited by the plasma and forms a sheathing flame thereof.

Grâce au fait que le mélange hydrogène-oxygène s'effectue à l'extérieur de la buse 106, il n'y a pas de risque d'explosion. De plus, le plot 116 en carbure de tungstène permet au matériel de supporter de façon continue les hautes températures atteintes, et la saillie de ce plot au-delà de la paroi 113 fournit un effet de pointe favorable à la stabilité au plasma. Thanks to the fact that the hydrogen-oxygen mixture takes place outside of the nozzle 106, there is no risk of explosion. In addition, the pad 116 of tungsten carbide allows the material to continuously support the high temperatures reached, and the projection of this pad beyond the wall 113 provides a peak effect favorable to plasma stability.

On comprend que bien que la torche décrite ci-dessus soit particulièrement avantageuse dans le cas d'une flamme oxhydrique, elle puisse également être utilisée avec d'autres gaz combustibles que l'hydrogène, par exemple avec un hydrocarbure. L'utilisation d'une flamme oxhydrique est notamment applicable aux traitements de surface nécessitant une flamme qui ne contienne pas d'hydrocarbure (par exemple au traitement de surface de fibres optiques) ou à la destruction à très hautes tepperatures de composés chimiques toxiques stables. It is understood that although the torch described above is particularly advantageous in the case of an oxyhydric flame, it can also be used with fuel gases other than hydrogen, for example with a hydrocarbon. The use of an oxyhydrogen flame is particularly applicable to surface treatments requiring a flame which does not contain hydrocarbons (for example to the surface treatment of optical fibers) or to the destruction at very high temperatures of stable toxic chemical compounds.

En variante, on peut également éjecter le gaz combustible et l'oxygène de la buse 106 à travers au moins une couronne d'orifices de la paroi d'extrémité 113, un orifice sur deux de cette couronne débouchant directement dans la partie inférieure 120 de la chambre 112 et un sur deux communicant avec la chambre 111 par l'intermediaire d'un tube respectif 118. As a variant, it is also possible to eject the combustible gas and the oxygen from the nozzle 106 through at least one ring of orifices in the end wall 113, one or two of these orifice opening directly into the lower part 120 of room 112 and one in two communicating with room 111 via a respective tube 118.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement thermique par une torche à plasma micro-ondes, du type dans lequel on crée autour du jet de plasma une flamme de forme générale annulaire par allumage d'un gaz combustible, notamment de l'hydrogène, mélangé à de l'oxygène, caractérisé en ce qu'on ne mélange le gaz combustible et l'oxygène qu'autour du jet de plasma. 1. A method of heat treatment with a microwave plasma torch, of the type in which a flame of generally annular shape is created around the plasma jet by ignition of a combustible gas, in particular hydrogen, mixed with l oxygen, characterized in that the combustible gas and oxygen are only mixed around the plasma jet.

2. Torche à plasma micro-ondes pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant la revendication 1, du type comprenant une buse de sortie de gaz (106) entourée à distance par un manchon (108), et des moyens (101) d'alimentation de la torche en énergie hyperfréquence, la buse comprenant un conduit central (114) relié à une source (S1) de gaz plasmagène et, autour de ce conduit, des moyens (118, 122) d'éjection d'un mélange de gaz combustible et d'oxygène, caractérisée en ce que les moyens d'ejection comprennent deux passages (118, 122) reliés séparément l'un à une source (S2) de gaz combustible et l'autre à une source d'oxygène (S3) et débouchant tous deux à peu-près dans le plan d'éjection du gaz plasmagène. 2. microwave plasma torch for implementing a method according to claim 1, of the type comprising a gas outlet nozzle (106) surrounded at a distance by a sleeve (108), and means (101) supplying the torch with microwave energy, the nozzle comprising a central duct (114) connected to a source (S1) of plasma-producing gas and, around this duct, means (118, 122) for ejecting a mixture of combustible gas and oxygen, characterized in that the ejection means comprise two passages (118, 122) connected separately, one to a source (S2) of combustible gas and the other to a source of oxygen ( S3) and both roughly opening into the plasma gas ejection plane.

3. Torche à plasma micro-ondes suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les deux passages (118, 122) sont constitués par au moins une couronne d'orifices coaxiale audit conduit central (114). 3. Microwave plasma torch according to claim 2, characterized in that the two passages (118, 122) are constituted by at least one ring of orifices coaxial with said central duct (114).

4. Torche à plasma micro-ondes suivant la revendication 3, caractérisée en ce que ladite couronne comprend des orifices dont un sur deux est relié à la source (S2) de gaz combustible et un sur deux à la source d'oxygène (S3). 4. Microwave plasma torch according to claim 3, characterized in that said ring comprises orifices one in two of which is connected to the source (S2) of combustible gas and one in two to the source of oxygen (S3) .

5. Torche à plasma micro-ondes suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les deux passages (118, 122) débouchent dans un plan commun perpendiculaire à l'axe (x-X) d'éjection du gaz plasmagène. 5. microwave plasma torch according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the two passages (118, 122) open into a common plane perpendicular to the axis (xX) of ejection of the plasma gas .

6. Torche à plasma micro-ondes suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le conduit central (114) débouche légèrement en aval dudit plan commun. 6. microwave plasma torch according to claim 5, characterized in that the central duct (114) opens slightly downstream of said common plane.

7. Torche à plasma micro-ondes suvant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le conduit central (114) se termine par un plot (116) en matériau réfractaire, notamment en carbure de tungstène, présentant un orifice central (115). 7. microwave plasma torch according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the central duct (114) ends in a stud (116) of refractory material, in particular tungsten carbide, having an orifice central (115).