Plazma indukcyjna

Plazma indukcyjna , zwana także plazmą sprzężoną indukcyjnie, jest rodzajem plazmy wysokotemperaturowej generowanej przez indukcję elektromagnetyczną, zwykle sprzężoną z gazowym argonem. Pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny w gazie, który tworzy plazmę. Plazma może osiągnąć temperaturę do 10 000 kelwinów. Technologia plazmy indukcyjnej jest wykorzystywana w dziedzinach takich jak sferoidyzacja proszków i synteza nanomateriałów. Technologia jest stosowana za pomocą indukcyjnego palnika plazmowego, który składa się z trzech podstawowych elementów: cewki indukcyjnej, komory ograniczającej oraz głowicy palnika lub dystrybutora gazu. Główną zaletą tej technologii jest wyeliminowanie elektrod, które mogą ulec zniszczeniu i spowodować zanieczyszczenie.

Historia

Lata 60. XX wieku były początkowym okresem technologii plazmy termicznej, stymulowanej potrzebami programów lotniczych . Wśród różnych metod wytwarzania plazmy termicznej ważną rolę odgrywa plazma indukcyjna (lub plazma indukcyjnie sprzężona ).

Wczesne próby utrzymania plazmy sprzężonej indukcyjnie w strumieniu gazu sięgają Babata w 1947 r. i Reeda w 1961 r. Wysiłek koncentrował się na podstawowych badaniach mechanizmu sprzężenia energii oraz charakterystyki pól przepływu, temperatury i koncentracji w wyładowaniu plazmowym. W latach 80. wzrosło zainteresowanie materiałami o wysokiej wydajności i innymi zagadnieniami naukowymi, a także plazmą indukcyjną do zastosowań na skalę przemysłową, takich jak przetwarzanie odpadów . Istotne badania i rozwój poświęcono wypełnieniu luki między gadżetami laboratoryjnymi a integracją przemysłową. Po dziesięcioleciach wysiłków technologia plazmy indukcyjnej zyskała mocną pozycję w nowoczesnym, zaawansowanym przemyśle.

Pokolenie

Nagrzewanie indukcyjne to dojrzała technologia o wielowiekowej historii. Przewodzący element metalowy wewnątrz cewki o wysokiej częstotliwości zostanie „indukowany” i podgrzany do stanu rozpalenia do czerwoności. Nie ma zasadniczej różnicy ani dla nagrzewania indukcyjnego, ani dla „ plazmy sprzężonej indukcyjnie ”, tyle tylko, że w tym drugim przypadku medium do indukcji jest zastępowane przepływającym gazem, a uzyskiwana temperatura jest niezwykle wysoka, ponieważ dociera do „ czwarty stan skupienia” – plazma .

(po lewej) Ogrzewanie indukcyjne; (po prawej) Plazma sprzężona indukcyjnie.

Palnik z plazmą wzbudzaną indukcyjnie (ICP) jest zasadniczo miedzianą cewką o kilku zwojach, przez którą przepływa woda chłodząca w celu rozproszenia ciepła wytwarzanego podczas pracy. Układy ICP mają dwa tryby pracy, zwane trybem pojemnościowym (E) z niską gęstością plazmy i trybem indukcyjnym (H) z wysoką gęstością plazmy, a przejście z trybu grzania E na H następuje przy zewnętrznych wejściach. Cewka otacza rurkę ograniczającą, wewnątrz której generowana jest plazma indukcyjna (tryb H). Jeden koniec rurki zabezpieczającej jest otwarty; plazma jest w rzeczywistości utrzymywana na ciągłym przepływie gazu. Podczas indukcyjnego działania plazmy generator dostarcza prąd przemienny (ac) o częstotliwości radiowej (rf) do cewki palnika; ten prąd zmienny indukuje zmienne pole magnetyczne wewnątrz cewki, po Prawo Ampère'a (dla cewki elektromagnesu) :

${\ Displaystyle \ phi _ {B} = (\ mu _ {0} \, I_ {c} \, N) (\ pi \, r_ {0}^{2})\quad (1)}$

gdzie $4$ strumieniem pola magnetycznego, jest stałą przepuszczalności $, 10 ^ {- 7} \, {\ textrm {Wb / Am}}}$ $Wb$ ${\ Displaystyle 4 \$ , ${\ Displaystyle I_ {c}}$ to prąd cewki, ${\ Displaystyle N}$ to liczba zwojów cewki na jednostkę długości i $jest średnim$ zwojów cewki.

Zgodnie z prawem Faradaya zmiana strumienia pola magnetycznego indukuje napięcie lub siłę elektromagnetyczną :

${\ Displaystyle E = -N (\ Delta \ phi _ {B} / \ Delta t) \ quad (2)}$

gdzie jest liczbą zwojów $cewki$ , a pozycja w nawiasie to szybkość zmiany strumienia Plazma jest przewodząca (zakładając, że plazma już istnieje w palniku). Ta siła elektromagnetyczna E będzie z kolei napędzać prąd o gęstości j w zamkniętych pętlach. Sytuacja jest bardzo podobna do ogrzewania metalowego pręta w cewce indukcyjnej: energia przenoszona do plazmy jest rozpraszana przez ogrzewanie Joule'a, j 2 ^R , zgodnie z prawem Ohma , gdzie R jest rezystancją plazmy.

Ponieważ plazma ma stosunkowo wysoką przewodność elektryczną, trudno jest ją przeniknąć zmiennemu polu magnetycznemu, zwłaszcza przy bardzo wysokich częstotliwościach. Zjawisko to jest zwykle opisywane jako „ efekt skóry ”. Intuicyjny scenariusz jest taki, że prądy indukowane otaczające każdą linię magnetyczną przeciwdziałają sobie nawzajem, tak że prąd indukowany netto koncentruje się tylko w pobliżu obrzeża plazmy. Oznacza to, że najgorętsza część plazmy znajduje się poza osią. Dlatego plazma indukcyjna jest czymś w rodzaju "pierścieniowej powłoki". Obserwując na osi plazmy, wygląda jak jasny „bajgiel”.

Plazma indukcyjna, obserwowana z boku i od końca

W praktyce zapłon plazmy w warunkach niskiego ciśnienia (<300 torów) jest prawie spontaniczny, gdy moc RF nałożona na cewkę osiągnie określoną wartość progową (w zależności od konfiguracji palnika, natężenia przepływu gazu itp.). Stan gazu plazmowego (zwykle argonu) szybko przechodzi od wyładowania jarzeniowego do przerwania łuku i tworzy stabilną plazmę indukcyjną. W przypadku warunków ciśnienia atmosferycznego, zapłon jest często realizowany za pomocą cewki Tesli , który wytwarza iskry elektryczne o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu, które indukują miejscowe przerwanie łuku wewnątrz palnika i stymulują kaskadę jonizacji gazu plazmowego, co ostatecznie prowadzi do stabilnej plazmy.

Palnik plazmowy indukcyjny

Indukcyjny palnik plazmowy do zastosowań przemysłowych

Indukcyjny palnik plazmowy jest rdzeniem technologii plazmy indukcyjnej. Pomimo istnienia setek różnych konstrukcji, indukcyjny palnik plazmowy składa się zasadniczo z trzech elementów:

Cewka: Cewka indukcyjna składa się z kilku spiralnych zwojów, w zależności od charakterystyki źródła zasilania RF. Parametry cewki, w tym średnica cewki, liczba zwojów cewki i promień każdego zwoju, są określone w taki sposób, aby stworzyć elektryczny „obwód zbiornika” o odpowiedniej impedancji elektrycznej. Cewki są zwykle wydrążone wzdłuż ich cylindrycznej osi, wypełnione wewnętrznym płynem chłodzącym (np. wodą dejonizowaną) w celu złagodzenia wysokich temperatur roboczych cewek, które wynikają z wysokich prądów elektrycznych wymaganych podczas pracy.
Rura ograniczająca: Ta rura służy do ograniczenia plazmy. Rura kwarcowa jest powszechną implementacją. Rura jest często chłodzona sprężonym powietrzem (<10 kW) lub wodą chłodzącą. Podczas gdy przezroczystość rury kwarcowej jest wymagana w wielu zastosowaniach laboratoryjnych (takich jak diagnostyka widma), jej stosunkowo słabe właściwości mechaniczne i termiczne stwarzają zagrożenie dla innych części (np. - plazma temperaturowa. Te ograniczenia ograniczają użycie rurek kwarcowych tylko do palników o małej mocy (<30 kW). W przemysłowych zastosowaniach plazmowych o dużej mocy (30~250 kW) zwykle stosuje się rury wykonane z materiałów ceramicznych. Idealny materiał kandydata będzie posiadał dobre przewodność cieplna i doskonała odporność na szok termiczny. Na razie pierwszym wyborem jest azotek krzemu (Si ₃ N _{4 ).} Pochodnie o jeszcze większej mocy wykorzystują metalową klatkę ścienną dla rury ograniczającej plazmę, z kompromisami inżynieryjnymi w postaci niższej wydajności sprzężenia mocy i zwiększonego ryzyka interakcji chemicznych z gazami plazmowymi.
Dystrybutor gazu: Często nazywana głowicą palnika, ta część odpowiada za wprowadzanie różnych strumieni gazu do strefy wyładowania. Zasadniczo do głowicy palnika przechodzą trzy przewody gazowe. W zależności od ich odległości od środka koła, te trzy strumienie gazu są również arbitralnie nazywane _Q1 , _Q2 i _Q3 .

Q1 to gaz nośny, który jest zwykle wprowadzany do palnika plazmowego przez wtryskiwacz w _środku głowicy palnika. Jak sama nazwa wskazuje, funkcją Q1 _jest przeniesienie prekursora (proszków lub cieczy) do plazmy. Argon jest zwykłym gazem nośnym, jednakże wiele innych gazów reaktywnych (tj. tlen, NH3 _, CH4 _itd .) jest często zaangażowanych w gaz nośny, w zależności od wymagań przetwarzania.

Q ₂ to gaz tworzący plazmę, powszechnie nazywany „gazem centralnym”. W dzisiejszej konstrukcji indukcyjnego palnika plazmowego prawie niczym wyjątkowym nie jest wprowadzanie centralnego gazu do komory palnika poprzez styczne wirowanie. Wirujący strumień gazu jest utrzymywany przez wewnętrzną rurkę, która otacza wir do poziomu pierwszego zwoju cewki indukcyjnej. Wszystkie te koncepcje inżynieryjne mają na celu stworzenie odpowiedniego schematu przepływu niezbędnego do zapewnienia stabilności wyładowania gazu w środku obszaru cewki.

Q3 jest powszechnie określany jako „gaz osłonowy”, który _jest wprowadzany na zewnątrz wymienionej powyżej rury wewnętrznej. Wzór przepływu Q ₃ może być wirowy lub prosty. Funkcja gazu osłonowego jest dwojaka. Pomaga ustabilizować wyładowanie plazmowe; co najważniejsze, chroni rurkę ograniczającą jako czynnik chłodzący.

Gazy plazmowe i wydajność plazmy

Minimalna moc podtrzymania plazmy indukcyjnej zależy od ciśnienia, częstotliwości i składu gazu. Niższe ustawienie mocy podtrzymującej uzyskuje się przy wysokiej częstotliwości RF, niskim ciśnieniu i jednoatomowym gazie, takim jak argon. Gdy gaz dwuatomowy zostanie wprowadzony do plazmy, moc podtrzymująca zostanie drastycznie zwiększona, ponieważ dodatkowa energia dysocjacji jest wymagana, aby najpierw rozerwać gazowe wiązania molekularne, więc możliwe jest dalsze wzbudzenie do stanu plazmy. Głównymi powodami stosowania gazów dwuatomowych w obróbce plazmowej są (1) uzyskanie plazmy o wysokiej zawartości energii i dobrej przewodności cieplnej (patrz tabela poniżej) oraz (2) zgodność chemii przetwarzania.

Gaz	Ciężar właściwy	dysocjacji termicznej (eV)	jonizacji (eV)	Przewodność cieplna (W/m·K)	Entalpia (MJ/mol)
Ar	1.380	—	15.76	0,644	0,24
On	0,138	—	24.28	2.453	0,21
H2 _{_}	0,069	4,59	13.69	3.736	0,91
N ₂	0,967	9.76	14.53	1.675	1,49
O ₂	1.105	5.17	13.62	1.370	0,99
Powietrze	1.000	—	—	1.709	1.39

W praktyce wybór gazów plazmowych w indukcyjnej obróbce plazmowej jest najpierw określany przez chemię procesu, tj. czy przetwarzanie wymaga środowiska redukującego, utleniającego lub innego. Następnie można wybrać odpowiedni drugi gaz i dodać go do argonu, aby uzyskać lepszą wymianę ciepła między plazmą a obrabianymi materiałami. Ar-He, Ar-H ₂ , Ar-N ₂ , Ar-O ₂ , powietrza itp. to bardzo często stosowane plazmy indukcyjne. Ponieważ rozpraszanie energii podczas wyładowania odbywa się zasadniczo w zewnętrznej pierścieniowej powłoce plazmy, drugi gaz jest zwykle wprowadzany wraz z przewodem gazu osłonowego, a nie centralnym przewodem gazowym.

Przemysłowe zastosowanie technologii plazmy indukcyjnej

Śledząc ewolucję technologii plazmy indukcyjnej w laboratoriach, wyróżniono główne zalety plazmy indukcyjnej:

Bez obawy o erozję i zanieczyszczenie elektrody, ze względu na inny mechanizm generowania plazmy w porównaniu z innymi metodami plazmowymi, na przykład plazmą łukową (DC) z prądem stałym.
Możliwość osiowego podawania prekursorów w postaci stałych proszków lub zawiesin, cieczy. Ta cecha pokonuje trudności związane z wystawianiem materiałów na działanie wysokiej temperatury plazmy, z powodu wysokiej lepkości wysokiej temperatury plazmy.
Ze względu na problem nieelektrodowy możliwy jest szeroki i wszechstronny wybór chemii, tj . palnik może pracować zarówno w warunkach redukujących, jak i utleniających, a nawet korozyjnych. Dzięki tej możliwości indukcyjny palnik plazmowy często działa nie tylko jako źródło ciepła o wysokiej temperaturze i wysokiej entalpii, ale także jako zbiorniki do reakcji chemicznych.
Stosunkowo długi czas przebywania prekursora w obłoku plazmy (kilka milisekund do setek milisekund) w porównaniu z plazmą prądu stałego.
Stosunkowo duża objętość osocza.

Te cechy technologii plazmy indukcyjnej znalazły niszowe zastosowania w operacjach na skalę przemysłową w ostatniej dekadzie. Pomyślne zastosowanie przemysłowe indukcyjnego procesu plazmowego zależy w dużej mierze od wielu podstawowych rozwiązań technicznych. Na przykład konstrukcja przemysłowego palnika plazmowego, która umożliwia wysoki poziom mocy (od 50 do 600 kW) i długi czas (trzy zmiany po 8 godzin dziennie) obróbki plazmowej. Innym przykładem są dozowniki proszku, które przenoszą duże ilości stałego prekursora (od 1 do 30 kg/h) z niezawodną i precyzyjną wydajnością podawania.

Istnieje wiele przykładów przemysłowych zastosowań technologii plazmy indukcyjnej, takich jak sferoidyzacja proszków, synteza nanocząstek proszków, indukcyjne natryskiwanie plazmowe, obróbka odpadów oraz sferoidyzacja i synteza nanomateriałów .

Sferoidyzacja proszkowa

Gęsta mikrostruktura sferoidyzowanych odlewanych proszków węglika wolframu

Wymóg sferoidyzacji proszków (a także zagęszczania) pochodzi z bardzo różnych dziedzin przemysłu, od metalurgii proszków po opakowania elektroniczne. Ogólnie rzecz biorąc, pilną potrzebą skierowania procesu przemysłowego na proszki sferyczne jest poszukiwanie co najmniej jednej z następujących korzyści, które wynikają z procesu sferoidyzacji:

Popraw zdolność płynięcia proszków.
Zwiększyć gęstość upakowania proszków.
Wyeliminuj wewnętrzne ubytki i pęknięcia proszku.
Zmień morfologię powierzchni cząstek.
Inne unikalne motywy, takie jak odbicie optyczne, czystość chemiczna itp.

Sferoidyzacja to proces topnienia podczas lotu. Prekursor proszku o kanciastym kształcie jest wprowadzany do plazmy indukcyjnej i natychmiast topiony w wysokich temperaturach plazmy. Cząsteczki stopionego proszku przybierają kształt kulisty pod wpływem napięcia powierzchniowego stanu ciekłego. Te kropelki zostaną drastycznie schłodzone, gdy wylecą z chmury plazmy, z powodu dużego gradientu temperatury ekscytującego w plazmie. Skondensowane kulki są zatem zbierane jako produkty sferoidyzacji.

Z powodzeniem sferoidyzowano/zagęszczano wiele różnych materiałów ceramicznych, metali i stopów metali za pomocą sferoidyzacji plazmą indukcyjną. Poniżej przedstawiono niektóre typowe materiały sferoidyzowane na skalę komercyjną.

Ceramika tlenkowa: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , szkło
Nietlenki: WC, WC–Co, CaF ₂ , TiN
Metale: Re, Ta, Mo, W
Stopy: Cr–Fe–C, Re–Mo, Re–W

Synteza nanomateriałów

To zwiększone zapotrzebowanie na nanoproszki sprzyja szeroko zakrojonym badaniom i rozwojowi różnych technik proszków nanometrycznych. Wyzwaniami dla technologii zastosowań przemysłowych są produktywność, kontrola jakości i przystępność cenowa. Technologia plazmy indukcyjnej umożliwia odparowanie w locie prekursora, nawet tych surowców o najwyższej temperaturze wrzenia; pracujące w różnych atmosferach, umożliwiające syntezę bardzo różnorodnych nanoproszków, a tym samym stają się znacznie bardziej niezawodną i wydajną technologią syntezy nanoproszków zarówno w skali laboratoryjnej, jak i przemysłowej. Plazma indukcyjna stosowana do syntezy nanoproszków ma wiele zalet w stosunku do technik alternatywnych, takich jak wysoka czystość, duża elastyczność, łatwość skalowania, łatwość obsługi i kontroli procesu.

W procesie nanosyntezy materiał jest najpierw podgrzewany do odparowania w plazmie indukcyjnej, a następnie opary poddawane są bardzo szybkiemu hartowaniu w strefie hartowania/reakcji. Gazem oziębiającym mogą być gazy obojętne, takie jak Ar i N2 _lub gazy reaktywne, takie jak CH4 _i NH3 _, w zależności od typu nanoproszków, które mają być zsyntetyzowane. Wytwarzane nanometryczne proszki są zwykle zbierane przez porowate filtry, które są instalowane z dala od sekcji reaktora plazmowego. Ze względu na wysoką reaktywność proszków metali należy zwrócić szczególną uwagę na pacyfikację proszku przed usunięciem zebranego proszku z sekcji filtracyjnej procesu.

Układ plazmy indukcyjnej został z powodzeniem zastosowany w syntezie nanoproszków. Typowy zakres wielkości wytwarzanych nanocząstek wynosi od 20 do 100 nm, w zależności od zastosowanych warunków hartowania. Wydajność waha się od kilkuset g/h do 3 ~ 4 kg/h, w zależności od właściwości fizycznych różnych materiałów. Poniżej przedstawiono typowy system nanosyntezy plazmy indukcyjnej do zastosowań przemysłowych. Załączono zdjęcia niektórych nanoproduktów z tego samego sprzętu.

Galeria

Płatkowate, blokujące się proszki renu stają się gęstymi, oddzielnymi kulkami po obróbce sferoidyzacji plazmą indukcyjną
SiO ₂ za pomocą plazmy indukcyjnej (plazma powietrzna), wydajność 15 ~ 20 kg/h
Indukcyjna instalacja plazmowa do syntezy nanoproszków
Niektóre próbki nanocząstek przygotowane przez indukcyjną obróbkę plazmową

Streszczenie

Technologia plazmy indukcyjnej osiąga głównie wyżej wymienione procesy o wysokiej wartości dodanej. Oprócz „sferoidyzacji” i „syntezy nanomateriałów”, obróbka odpadów wysokiego ryzyka , składowanie materiałów ogniotrwałych , synteza materiałów szlachetnych itp. mogą być następnymi obszarami przemysłowymi dla technologii plazmy indukcyjnej.

Zobacz też

Notatki