Rev. Phys. Appl. (Paris) 19, 1013-1045 (1984)
DOI: 10.1051/rphysap:0198400190120101300

Applications physico-chimiques des plasmas d'arc

P. Fauchais

Laboratoire Céramiques Nouvelles, LA 320, Université de Limoges, U.E.R. des Sciences, 87060 Limoges Cedex, France

Abstract
Since a few years the interest for the use of thermal plasmas in industry is growing and the number of applications developed is increasing. In this paper we try, through the recent literature on the subject, to make an overview of the state of the art, of the developed applications and also of our actual knowledge of the phenomena involved. Thus we will see successively : - The equilibrium conditions in thermal plasmas and the related thermodynamic and transport properties. - The plasma generation with the electrodes phenomena, the arc column and the consequences for the practical realization of plasma torches either with hot or cold cathodes, together with the problems related to their use (residence time, homogenity of the treatment, introduction of the products to be treated, mixing...) problems partly solved by the development of plasma furnaces allowing to increase the residence time and the heat transfer between plasma and solid materials. - The modelization of a reactive or non reactive plasma flow, of the mixing of a cold gas with the plasma, of the momentum, heat and mass transfer between plasma and particles underlying of course the main points arising from these models. - The actual and potential applications of these thermal plasma for heating, production of reducing, nitriding, oxidizing gases, chemical reactions, melting, remelting and purification of solid materials, vaporization, extractive metallurgy, coal gazeification, spraying...

Résumé
Depuis quelques années l'intérêt industriel pour les plasmas thermiques va grandissant et le nombre d'applications développées est sans cesse croissant. Il nous a donc semblé qu'il convenait, au travers de la littérature, de faire le point de la question non seulement sur les applications développées ou potentiellement développables, mais aussi et surtout sur nos connaissances actuelles des phénomènes mis en jeu ou impliqués. C'est donc pourquoi nous nous proposons de voir successivement : - Les conditions d'équilibre des plasmas thermiques ainsi que leurs propriétés thermodynamiques et de transport. - La génération des plasmas avec les problèmes des électrodes, de la colonne de plasma et les conséquences qui en découlent pour la réalisation des générateurs à cathodes chaudes ou froides ainsi que les problèmes liés à leur utilisation (temps de séjour, homogénéité du traitement, introduction des produits à traiter, mélange) avec la réalisation de fours à plasma destinés à améliorer le temps de séjour ou les transferts thermiques. - La modélisation des plasmas avec l'écoulement réactif ou non et le mélange d'un gaz avec le plasma, les transferts de quantité de mouvement et de chaleur et les points essentiels qui se dégagent de cette modélisation. - Les applications actuelles et potentielles de ces plasmas thermiques pour le chauffage, la production de gaz réducteurs, les réactions chimiques, la fusion et la purification en plasma, la vaporisation, la métallurgie extractive, la projection.

PACS
0130R - Reviews and tutorial papers: resource letters.
5275 - Plasma devices and applications.

Key words
plasma applications -- plasma devices -- reviews -- chemical applications -- thermal arc plasmas -- equilibrium conditions -- thermal plasmas -- thermodynamic -- transport properties -- plasma generation -- electrode phenomena -- arc column -- plasma torches -- residence time -- homogeneity -- plasma furnaces -- heat transfer