Induksjonsplasma - Induction plasma

1960-tallet var begynnelsesperioden for termisk plasmateknologi, ansporet av behovene til luftfartsprogrammer . Blant de forskjellige metodene for generering av termisk plasma tar induksjonsplasma (eller induktivt koblet plasma ) en viktig rolle.

Tidlige forsøk på å opprettholde induktivt koblet plasma på en strøm av gass dateres tilbake til Babat i 1947 og Reed i 1961. Innsatsen var konsentrert om de grunnleggende studiene av energikoblingsmekanismen og egenskapene til strømnings-, temperatur- og konsentrasjonsfeltene i plasmautslipp. På 1980-tallet var det økende interesse for høyytelsesmaterialer og andre vitenskapelige problemer, og for induksjonsplasma for applikasjoner i industriell skala som avfallshåndtering . Tallrik forskning og utvikling ble viet til å bygge bro over gapet mellom laboratorieutstyret og bransjeintegrasjonen. Etter flere tiårs innsats har induksjonsplasmateknologi fått et solid fotfeste i moderne avansert industri.

Generering av induksjonsplasma

Induksjonsoppvarming er en moden teknologi med århundrer med historie. Et ledende metallstykke, inne i en høyfrekvensspole, vil bli "indusert" og oppvarmet til den rødglødende tilstanden. Det er ingen forskjell i hovedprinsippet for verken induksjonsoppvarming eller " induktivt koblet plasma ", bare at mediet som induserer, i sistnevnte tilfelle, blir erstattet av den flytende gassen, og den oppnådde temperaturen er ekstremt høy, ettersom den når " fjerde tilstand av materie "- plasma .

(til venstre) Induksjonsoppvarming; (høyre) Induktivt koblet plasma.

En induktivt koblet plasma (ICP) -brenner er egentlig en kobberspiral med flere svinger, gjennom hvilken kjølevann renner for å spre varmen som produseres under drift. ICP-ene har to driftsmodi, kalt kapasitiv (E) -modus med lav plasmadensitet og induktiv (H) -modus med høy plasmadensitet, og overgang mellom E og H oppvarmingsmodus skjer med eksterne innganger. Spolen vikler inn et inneslutningsrør, der det dannes induksjonsplasma (H-modus). Den ene enden av inneslutningsrøret er åpen; plasmaet blir faktisk opprettholdt ved en kontinuerlig gassstrøm. Under induksjonsplasma-drift tilfører generatoren en vekselstrøm (ac) av radiofrekvens (rf) til fakkelspolen; denne vekselstrøm induserer et vekslende magnetfelt inne i spolen, etter Ampères lov (for en solenoidspole) :

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

hvor, er strømmen av magnetfeltet, er permeabilitetskonstant , er spolestrømmen, er antall spolevendinger per lengdeenhet, og er middelradiusen til spolevendene. ${\ displaystyle \ phi _ {B}}$${\ displaystyle \ mu _ {0}}$${\ displaystyle 4 \ pi \, 10 ^ {- 7} \, {\ textrm {Wb / Am}}}$${\ displaystyle I_ {c}}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle r_ {0}}$

I følge Faradays lov vil en variasjon i magnetfeltstrøm indusere en spenning eller elektromagnetisk kraft :

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

hvor, er antall spoledreininger, og elementet i parentes er hastigheten som strømmen endres på. Plasmaet er ledende (forutsatt at det allerede finnes et plasma i fakkelen). Denne elektromagnetiske kraften, E, vil i sin tur drive en strøm med tetthet j i lukkede sløyfer. Situasjonen ligner mye på oppvarming av en metallstang i induksjonsspolen: energi overført til plasmaet blir spredt via Joule-oppvarming, j ² R, fra Ohms lov , hvor R er motstanden til plasma. ${\ displaystyle N}$

Siden plasma har relativt høy elektrisk ledningsevne, er det vanskelig for det vekslende magnetfeltet å trenge gjennom det, spesielt ved svært høye frekvenser. Dette fenomenet blir vanligvis beskrevet som " hudeffekten ". Det intuitive scenariet er at de induserte strømene som omgir hver magnetiske linje motvirker hverandre, slik at en nettoindusert strøm kun konsentreres nær periferien av plasma. Det betyr at den heteste delen av plasma er utenfor aksen. Derfor er induksjonsplasma noe som et "ringformet skall". Observerer på plasmaaksen, ser det ut som en lys "bagel".

Induksjonsplasma, observert fra siden og fra slutten

I praksis er antennelsen av plasma under lavtrykksforhold (<300 torr) nesten spontan, når rf-effekten på spolen oppnår en viss terskelverdi (avhengig av fakkelkonfigurasjon, gassstrømningshastighet etc.). Tilstanden til plasmagass (vanligvis argon) vil raskt passere fra lysutslipp til lysbue og skape et stabilt induksjonsplasma. Når det gjelder atmosfæriske omgivelsestrykkforhold, blir tenning ofte utført ved hjelp av en Tesla-spole , som produserer høyfrekvente, høyspennings elektriske gnister som induserer lokal lysbueskift inne i fakkelen og stimulerer en kaskade av ionisering av plasmagass som til slutt resulterer i et stabilt plasma.

Induksjon plasma fakkel

Induksjonsplasma brenner for industrielle applikasjoner

Induksjonsplasma-brenner er kjernen i induksjonsplasmateknologien. Til tross for eksistensen av hundrevis av forskjellige design, består en induksjonsplasma-brenner i hovedsak av tre komponenter:

Spole

Induksjonsspolen består av flere spiralsvingninger, avhengig av RF-kildens egenskaper. Spoleparametere inkludert spolediameter, antall spolevendinger og radius for hver sving, er spesifisert på en slik måte for å skape en elektrisk "tankkrets" med riktig elektrisk impedans. Spoler er typisk hule langs sin sylindriske akse, fylt med innvendig væskekjøling (f.eks. Avionisert vann) for å redusere høye driftstemperaturer for spolene som skyldes høye elektriske strømmer som kreves under drift.

Inneslutningsrør

Dette røret tjener til å begrense plasmaet. Kvartsrør er den vanlige implementeringen. Røret blir ofte avkjølt enten med trykkluft (<10 kW) eller kjølevann. Mens det er behov for gjennomsiktighet i kvartsrør i mange laboratorieapplikasjoner (for eksempel spektrumdiagnostikk), utgjør dets relativt dårlige mekaniske og termiske egenskaper en risiko for andre deler (f.eks. O-ringstetninger) som kan bli skadet under intens stråling av høy -temperaturplasma. Disse begrensningene begrenser bruken av kvartsrør til brennere med lav effekt (<30 kW). For industrielle høyeffektsplasmapplikasjoner (30 ~ 250 kW) brukes rør av keramiske materialer vanligvis. Det ideelle kandidatmaterialet vil ha god varmeledningsevne og utmerket motstand mot termisk støt. Foreløpig er silisiumnitrid (Si ₃ N ₄ ) førstevalget. Fakkler med enda større kraft benytter et metallveggbur for plasmainneslutningsrøret, med tekniske avveininger med lavere effektkoblingseffektivitet og økt risiko for kjemiske interaksjoner med plasmagassene.

Gassdistributør

Ofte kalt et fakkelhode, denne delen er ansvarlig for innføring av forskjellige gassstrømmer i utslippssonen. Generelt er det tre gassledninger som går til fakkelhodet. I henhold til avstanden til sirkelsenteret blir disse tre gassstrømmene også vilkårlig kalt Q ₁ , Q ₂ og Q ₃ .

Q ₁ er bærergassen som vanligvis føres inn i plasmabrenneren gjennom en injektor i midten av fakkelhodet. Som navnet indikerer det, er funksjonen til Q ₁ å overføre forløperen (pulver eller væske) til plasma. Argon er den vanlige bærergassen, men mange andre reaktive gasser (dvs. oksygen, NH ₃ , CH ₄ , etc.) ofte er involvert i bæregassen, avhengig av prosessens krav.

Q ₂ er den plasmadannende gassen, ofte kalt "Central Gas". I dagens induksjonsplasma-fakkeldesign er det nesten unntaksvis at den sentrale gassen blir ført inn i fakkelkammeret ved tangentielt virvling. Den virvlende gassstrømmen opprettholdes av et indre rør som slynger virvelen til nivået med den første svingen av induksjonsspolen. Alle disse tekniske konseptene tar sikte på å skape det riktige strømningsmønsteret som er nødvendig for å sikre stabiliteten til gassutslippet i midten av spiralområdet.

Q ₃ blir ofte referert til som " Sheath Gas " som blir introdusert utenfor det indre røret som er nevnt ovenfor. Flytningsmønsteret til Q ₃ kan være enten vortex eller rett. Funksjonen til kappegass er todelt. Det hjelper til med å stabilisere plasmautslipp; viktigst, det beskytter inneslutningsrøret, som et kjølemedium.

Plasmagasser og plasmaytelse

Minimumskraft for å opprettholde et induksjonsplasma avhenger av trykk, frekvens og gassammensetning. Den lavere innholdsstyrkeinnstillingen oppnås med høy RF-frekvens, lavt trykk og monatomisk gass, slik som argon. Når kiselgur er introdusert i plasmaet, vil den opprettholdende kraften øke drastisk, fordi ekstra dissosiasjonsenergi er nødvendig for å bryte gassformige molekylære bindinger først, så det er mulig ytterligere eksitasjon til plasmatilstand. De viktigste grunnene til å bruke kiselgasser i plasmabehandling er (1) for å få et plasma med høyt energiinnhold og god varmeledningsevne (se tabell nedenfor), og (2) for å oppfylle prosesskjemien.

I praksis blir valg av plasmagasser i en induksjonsplasmabehandling først bestemt av prosesseringskjemien, dvs. hvis behandlingen krever et reduktivt eller oksidativt eller annet miljø. Deretter kan passende andre gass velges og tilsettes argon for å få en bedre varmeoverføring mellom plasma og materialene som skal behandles. Ar – He, Ar – H ₂ , Ar – N ₂ , Ar – O ₂ , luft osv. Blanding er svært brukte induksjonsplasmer. Siden energispredningen i utslippet hovedsakelig foregår i det ytre ringformede skallet av plasma, blir den andre gassen vanligvis introdusert sammen med kappegassledningen, snarere enn den sentrale gassledningen.

Den industrielle anvendelsen av induksjonsplasmateknologi

Etter utviklingen av induksjonsplasmateknologien i laboratoriet, har de viktigste fordelene med induksjonsplasma blitt skilt ut:

• Uten bekymring for erosjon og forurensning av elektroden, på grunn av forskjellige plasmagenereringsmekanismer sammenlignet med andre plasmametoder, for eksempel likestrøm, ikke-overføringsbue (DC) plasma.
• Muligheten for aksial mating av forløpere, som faste pulver, eller suspensjoner, væsker. Denne funksjonen overvinner vanskeligheten med å utsette materialer for plasmaens høye temperatur, fra den høye viskositeten til plasmaens høye temperatur.
• På grunn av ikke-elektrodeproblemer er et bredt allsidig kjemivalg mulig, dvs. at brenneren kan fungere i enten reduktive eller oksidative, til og med etsende forhold. Med denne evnen fungerer induksjonsplasma ofte som ikke bare en varmekilde med høy temperatur, høy entalpi, men også kjemiske reaksjonsbeholdere.
• Relativ lang oppholdstid for forløperen i plasmaplymen (flere millisekunder opp til hundrevis millisekunder), sammenlignet med likestrømsplasma.
• Relativt stort plasmavolum.

Disse egenskapene til induksjonsplasmateknologi har funnet nisjeapplikasjoner i industriell skala drift det siste tiåret. Den vellykkede industrielle anvendelsen av induksjonsplasmaprosessen avhenger i stor grad av mange grunnleggende tekniske støtter. For eksempel den industrielle plasmabrenneren, som tillater høyt effektnivå (50 til 600 kW) og lang varighet (tre skift på 8 timer / dag) med plasmabehandling. Et annet eksempel er pulvermatere som overfører store mengder fast forløper (1 til 30 kg / t) med pålitelig og presis leveringsytelse.

Nå for tiden har vi vært i stand til å kunne telle mange eksempler på industrielle anvendelser av induksjonsplasmateknologi, for eksempel pulverfæroidisering, nanosisert pulversyntese, induksjonsplasmaspraying, avfallsbehandling osv. av induksjon plasma teknologi er utvilsomt innen sfæroidisering og nano-materialesyntese .

Sfæroidisering av pulver

Den tette mikrostrukturen til spheroidised støpt wolframkarbid pulvere

Kravet til spheroidisering av pulver (så vel som fortetting) kommer fra veldig forskjellige industrielle felt, fra pulvermetallurgi til elektronisk emballasje. Generelt sett er det presserende behovet for en industriell prosess for å vende seg til sfæriske pulver å søke minst en av følgende fordeler som følger av sfæroidiseringsprosessen:

1. Forbedre pulverets strømningsevne.
2. Øk pulverets tetthet.
3. Eliminer indre hulrom og brudd i pulveret.
4. Endre overflatemorfologien til partiklene.
5. Annet unikt motiv, som optisk refleksjon, kjemisk renhet etc.

Sfæroidisering er en prosess med smelting underveis. Pulverforløperen med vinkelform blir introdusert i induksjonsplasma og smeltet umiddelbart i plasmaens høye temperaturer. De smeltede pulverpartiklene antar den sfæriske formen under påvirkning av overflatespenning i flytende tilstand. Disse dråpene vil bli avkjølt drastisk når de flyr ut av plasmaplymen på grunn av den store temperaturgradienten som er spennende i plasmaet. De kondenserte kulene blir således samlet som sfæroidiseringsprodukter.

Et stort utvalg av keramikk, metaller og metalllegeringer er vellykket sfæroidisert / fortettet ved bruk av induksjonsplasmasfæroidisering. Følgende er noen typiske materialer sfæroidisert i kommersiell skala.

• Oksydkeramikk: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , glass
• Ikke-oksider: WC, WC – Co, CaF ₂ , TiN
• Metaller: Re, Ta, Mo, W.
• Legeringer: Cr – Fe – C, Re – Mo, Re – W

Nano-materialesyntese

Det er den økte etterspørselen etter nanopulver som fremmer omfattende forskning og utvikling av ulike teknikker for nanometriske pulver. Utfordringene for en industriell applikasjonsteknologi er produktivitet, kvalitetskontroll og overkommelig pris. Induksjonsplasmateknologi implementerer fordampning av forløper underveis, til og med de råvarene med det høyeste kokepunktet; opererer under forskjellige atmosfærer, tillater syntese av et stort utvalg av nanopulver, og blir dermed mye mer pålitelig og effektiv teknologi for syntese av nanopulver i både laboratorie- og industrielle skalaer. Induksjonsplasma som brukes til syntese av nanopulver har mange fordeler i forhold til de alternative teknikkene, som høy renhet, høy fleksibilitet, lett å skalere opp, enkel å betjene og proseskontroll.

I nanosynteseprosessen blir materialet først oppvarmet til fordampning i induksjonsplasma, og dampene blir deretter utsatt for en veldig rask bråkjøling i bråkjøling / reaksjonssonen. Den kjølegass kan være inerte gasser, så som Ar og N ₂ eller reaktive gasser, slik som CH ₄ og NH ₃ , avhengig av typen av nanopowders som skal syntetiseres. De produserte nanometriske pulverene samles vanligvis opp av porøse filtre, som er installert vekk fra plasmareaktorseksjonen. På grunn av den høye reaktiviteten til metallpulver, bør spesiell oppmerksomhet rettes mot pulverpacifisering før fjerning av det oppsamlede pulveret fra filtreringsdelen av prosessen.

Induksjonsplasmasystemet har blitt brukt med suksess i nanopulverene i syntesen. Det typiske størrelsesområdet for de produserte nano-partiklene er fra 20 til 100 nm, avhengig av slukningsforholdene som brukes. Produktiviteten varierer fra noen få hundre g / t til 3 ~ 4 kg / t, avhengig av de forskjellige materialers fysiske egenskaper. En typisk induksjon plasma nano-synthesize system for industriell anvendelse er vist nedenfor. Bildene av noe nano-produkt fra samme utstyr er inkludert.

Galleri

• 

  De flassende sammenkoblede rheniumpulverene blir tette separate sfærer etter induksjon i plasma-sfæroidisering

• 

  SiO _2- pulveret sfæroidisert ved induksjonsplasma (luftplasma), utgang 15 ~ 20 kg / t

• 

  Induksjonsplasmainstallasjonen for syntese av nanopulver

• 

  Noen prøver av nanopartiklene fremstilt ved induksjonsplasma-behandling

Sammendrag

Induksjonsplasmateknologi oppnår hovedsakelig de nevnte prosessene med høy merverdi. I tillegg til den "spheroidisation" og "nanomateriale syntese", den høye risiko avfallsbehandling , ildfaste materialer innskudd, edle materiale syntese etc. kan være de neste industrielle områder for induksjonsplasmateknologi.

Se også

• Plasma fremdriftsmotor
• Liste over plasma (fysikk) artikler

Merknader