Ces travaux, menés en collaboration avec la société Europlasma, sont consacrés à l'étude et à la prédiction de quelques phénomènes au sein des torches à plasma thermique de forte puissance (300 kW à 1 MW) à cathode creuse. Outre la géométrie particulière de la cathode, cette technologie de torche est composée d'une chambre d'injection en vortex du gaz plasmagène et d'une bobine créant un champ magnétique extérieur permettant de déplacer le pied d'arc cathodique par force de Laplace, afin de réduire l'érosion de cette électrode.
Dans un premier temps, nous mettons en place un modèle fluide à l'équilibre thermodynamique local permettant la description de la dynamique de l'arc au sein de la torche. Ce modèle prenant en compte la turbulence par un modèle de type k-ε Realizable, permet de prédire le positionnement axial du pied d'arc cathodique et sa vitesse de rotation. Afin de nous affranchir de la description des phénomènes de claquage ayant lieu au sein de l'anode, un modèle d'anode poreuse est utilisé. Cette approche permet une première caractérisation du jet de plasma en sortie de torche. Les approches de la littérature consistant à tronquer la géométrie en entrée d'anode pour caractériser les phénomènes dans l'électrode amont sont comparées avec notre modèle utilisant la géométrie complète. Un bon accord est obtenu en termes de la trajectoire du pied d'arc cathodique ce qui justifie ces approches. Une étude paramétrique est alors menée sur la géométrie tronquée. En particulier, l'influence du gaz plasmagène et de diverses configurations magnétiques de la bobine de champ sur la trajectoire du pied d'arc cathodique sont étudiées.
L'usure des électrodes, et notamment de la cathode, est un problème majeur lors de l'utilisation de ce type de torche. Ainsi, en parallèle de l'étude de la dynamique de l'arc, nous avons cherché à caractériser les phénomènes conduisant à cette usure. Dans un premier temps, le champ de température au sein du matériau est caractérisé grâce à un modèle analytique. Cette étude nécessite de connaître les caractéristiques du dépôt de puissance sur la surface cathodique par le pied d’arc (puissance totale et rayon de la tâche d’accrochage). Ces caractéristiques sont obtenues à l'aide de diverses mesures expérimentales de la littérature. Le champ de température calculé dépend aussi de la vitesse de rotation du pied d'arc (qui peut être déterminée avec le modèle fluide) et du refroidissement mis en place. Ce calcul prédit que la température maximale atteinte dans le matériau ne dépasse pas la température de fusion, en contradiction avec l'existence expérimentale de l'usure.
Ce résultat provient d'une description insuffisante de la zone d'interaction arc-cathode qui doit prendre en compte la présence de micro-spots cathodiques. Une part importante de ces travaux est donc dédiée à l'étude théorique de cette interaction, prenant en compte les déviations à l'état d'équilibre thermodynamique local, la physique de la gaine cathodique et la vaporisation du matériau. En nous basant sur les travaux de M.S. Benilov, nous proposons un modèle de spot cathodique sur une cathode non-réfractaire. Cette étude permet de lever la contradiction précédente et donne de bons ordres de grandeur du taux d'usure observé expérimentalement. |
This work, carried out in collaboration with the company Europlasma, is devoted to the study and prediction of some phenomena within high-power well-type cathode thermal plasma torches (300 kW to 1 MW). In addition to the particular geometry of the cathode, this torch technology is composed of a vortex injection chamber for the plasma gas and a coil creating an external magnetic field making it possible to move the cathode arc foot by Laplace force, in order to reduce the erosion of this electrode.
First, we set up a fluid model with local thermodynamic equilibrium allowing the description of the dynamics of the arc within the torch. This model, taking into account turbulence using a k-ε Realizable type model, makes it possible to predict the axial positioning of the cathode arc base and its rotation speed. In order to free ourselves from the description of the breakdown phenomena taking place within the anode, a porous anode model is used. This approach allows a first characterization of the plasma jet at the torch exit. Literature approaches consisting of truncating the geometry at the anode inlet to characterize the phenomena in the upstream electrode are compared with our model using the complete geometry. A good agreement is obtained in terms of the trajectory of the cathode arc foot which justifies these approaches. A parametric study is then carried out on the truncated geometry. In particular, the influence of plasma gas and various magnetic configurations of the field coil on the trajectory of the cathode arc foot are studied.
Erosion of the electrodes, and particularly the cathode, is a major issue when using this type of torch. Thus, in parallel with the study of the dynamics of the arc, we sought to characterize the phenomena leading to this erosion. First, the temperature field within the material is characterized using an analytical model. This study requires knowing the characteristics of the power deposition on the cathode surface by the arc foot (total power and radius of the arc foot). These characteristics are obtained using various experimental measurements from the literature. The calculated temperature field also depends on the rotation speed of the arc foot (which may be determined using the fluid model) and the electrode cooling. This calculation predicts that the maximum temperature reached in the material does not exceed the melting temperature, in contradiction with the experimental existence of erosion.
This result comes from an insufficient description of the arc-cathode interaction zone which must take into account the presence of cathode micro-spots. A significant part of this work is therefore dedicated to the theoretical study of this interaction, taking into account deviations from the state of local thermodynamic equilibrium, the physics of the cathode sheath and the vaporization of the material. Based on the work of M.S. Benilov, we propose a model of a cathode spot on a non-refractory cathode. As a result, the previous contradiction disappears and the orders of magnitude of the calculated erosion rates are in good agreement with the experiment. |