Plasmas thermiques aux puissances inférieures à 400 kW : applications

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)) ;

• 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 :

• une surestimation du potentiel des plasmas qui a conduit à un certain désappointement des utilisateurs ;

• 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.