Индукционная плазма - Induction plasma

1960-е годы были периодом зарождения технологии термической плазмы, вызванного потребностями аэрокосмических программ . Среди различных методов генерации тепловой плазмы важную роль играет индукционная плазма (или индуктивно связанная плазма ).

Первые попытки поддерживать индуктивно связанную плазму в потоке газа относятся к Бабату в 1947 году и Риду в 1961 году. Усилия были сосредоточены на фундаментальных исследованиях механизма взаимодействия энергии и характеристик полей потока, температуры и концентрации в плазменном разряде. В 1980-х годах рос интерес к высокоэффективным материалам и другим научным вопросам, а также к индукционной плазме для промышленных применений, таких как обработка отходов . Многочисленные исследования и разработки были посвящены преодолению разрыва между лабораторным устройством и отраслевой интеграцией. После десятилетий усилий технология индукционной плазмы прочно обосновалась в современной передовой промышленности.

Генерация индукционной плазмы

Индукционный нагрев - это зрелая технология с многовековой историей. Проводящая металлическая деталь внутри высокочастотной катушки будет «индуцирована» и нагрета до докрасна. Нет никакой разницы в кардинальном принципе ни для индукционного нагрева, ни для « индуктивно связанной плазмы », только в том, что индуцируемая среда в последнем случае заменяется текущим газом, а полученная температура чрезвычайно высока, поскольку она достигает " четвертое состояние материи »- плазма .

(слева) Индукционный нагрев; (справа) Индуктивно связанная плазма.

Горелка с индуктивно связанной плазмой (ICP) - это, по сути, медная катушка из нескольких витков, через которую проходит охлаждающая вода для рассеивания тепла, выделяемого во время работы. У ИСП есть два режима работы, называемые емкостным (E) режимом с низкой плотностью плазмы и индуктивным (H) режимом с высокой плотностью плазмы, а переход из режима нагрева E в H происходит с внешними входами. Катушка охватывает ограничительную трубку, внутри которой генерируется индукционная плазма (H-мода). Один конец удерживающей трубки открыт; плазма фактически поддерживается в непрерывном потоке газа. Во время работы индукционной плазмы генератор подает переменный ток (ac) радиочастоты (RF) на катушку горелки; этот переменный ток индуцирует переменное магнитное поле внутри катушки в соответствии с законом Ампера (для соленоидной катушки) :

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

где, - поток магнитного поля, - постоянная проницаемости , - ток катушки, - количество витков катушки на единицу длины, - средний радиус витков катушки. ${\ displaystyle \ phi _ {B}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$ ${\ displaystyle 4 \ pi \, 10 ^ {- 7} \, {\ textrm {Wb / Am}}}$ ${\ displaystyle I_ {c}}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle r_ {0}}$

Согласно закону Фарадея изменение потока магнитного поля вызывает напряжение или электромагнитную силу :

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

где, - количество витков катушки, а пункт в скобках - скорость, с которой изменяется магнитный поток. Плазма является проводящей (при условии, что плазма уже существует в горелке). Эта электромагнитная сила E, в свою очередь, будет управлять током плотности j в замкнутых контурах. Ситуация очень похожа на нагрев металлического стержня в индукционной катушке: энергия, передаваемая плазме, рассеивается за счет джоулева нагрева, j ² R, согласно закону Ома , где R - сопротивление плазмы. ${\ displaystyle N}$

Поскольку плазма имеет относительно высокую электропроводность, переменному магнитному полю трудно проникнуть в нее, особенно на очень высоких частотах. Это явление обычно называют « скин-эффектом ». Интуитивно понятный сценарий состоит в том, что индуцированные токи, окружающие каждую магнитную линию, противодействуют друг другу, так что чистый индуцированный ток концентрируется только около периферии плазмы. Это означает, что самая горячая часть плазмы находится вне оси. Поэтому индукционная плазма представляет собой нечто вроде «кольцевой оболочки». Если смотреть по оси плазмы, он выглядит как яркий «рогалик».

Индукционная плазма, наблюдаемая сбоку и с торца

На практике воспламенение плазмы в условиях низкого давления (<300 торр) является почти самопроизвольным, когда ВЧ-мощность, подаваемая на катушку, достигает определенного порогового значения (в зависимости от конфигурации горелки, расхода газа и т. Д.). Состояние плазменного газа (обычно аргона) быстро переходит от тлеющего разряда к разрыву дуги и создает стабильную индукционную плазму. В случае атмосферного давления окружающей среды зажигание часто осуществляется с помощью катушки Тесла , которая производит высокочастотные высоковольтные электрические искры, которые вызывают локальный разрыв дуги внутри горелки и стимулируют каскад ионизации плазменного газа. , что в конечном итоге приводит к стабильной плазме.

Индукционная плазменная горелка

Индукционная плазменная горелка для промышленного применения

Индукционная плазменная горелка - это ядро технологии индукционной плазмы. Несмотря на существование сотен различных конструкций, индукционная плазменная горелка состоит по существу из трех компонентов:

Катушка: Индукционная катушка состоит из нескольких витков спирали, в зависимости от характеристик ВЧ источника питания. Параметры катушки, включая диаметр катушки, количество витков катушки и радиус каждого витка, задаются таким образом, чтобы создать электрическую «цепь резервуара» с надлежащим электрическим сопротивлением. Катушки обычно являются полыми вдоль их цилиндрической оси, заполненными внутренним жидкостным охлаждением (например, деионизированной водой) для снижения высоких рабочих температур катушек, возникающих в результате высоких электрических токов, требуемых во время работы.
Трубка удержания: Эта трубка служит для удержания плазмы. Кварцевая трубка - обычная реализация. Трубка часто охлаждается сжатым воздухом (<10 кВт) или охлаждающей водой. Хотя прозрачность кварцевой трубки требуется во многих лабораторных применениях (например, при спектральной диагностике), ее относительно плохие механические и термические свойства создают риск для других деталей (например, уплотнительных колец), которые могут быть повреждены под воздействием интенсивного излучения высокой -температурная плазма. Эти ограничения ограничивают использование кварцевых трубок только горелками малой мощности (<30 кВт). Для промышленных приложений плазменной резки большой мощности (30 ~ 250 кВт) обычно используются трубки из керамических материалов. Идеальный кандидатный материал будет обладать хорошей теплопроводностью и отличной термостойкостью. В настоящее время лучшим выбором является нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ). В горелках еще большей мощности используется кожух с металлическими стенками для трубки удержания плазмы, с инженерным компромиссом между более низкой эффективностью связи мощности и повышенным риском химического взаимодействия с газами плазмы.
Распределитель газа: Эта часть, которую часто называют головкой горелки, отвечает за ввод различных газовых потоков в зону разряда. Обычно к головке резака проходят три газовые линии. В зависимости от расстояния до центра круга эти три газовых потока также условно называются Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ .

Q ₁ - это газ-носитель, который обычно вводится в плазменную горелку через инжектор в центре головки горелки. Как видно из названия, функция Q ₁ заключается в переносе прекурсора (порошка или жидкости) в плазму. Аргон является обычным газом-носителем, однако многие другие химически активные газы (например, кислород, NH ₃ , CH ₄ и т. Д.) Часто участвуют в газе-носителе, в зависимости от требований обработки.

Q ₂ - это плазмообразующий газ, обычно называемый «центральным газом». В современной конструкции индукционной плазменной горелки почти нет ничего необычного в том, что центральный газ вводится в камеру горелки путем тангенциального закручивания. Закрученный газовый поток поддерживается внутренней трубкой, которая закручивает завихрение до уровня первого витка индукционной катушки. Все эти инженерные концепции направлены на создание правильной схемы потока, необходимой для обеспечения стабильности газового разряда в центре области змеевика.

Q ₃ обычно называют « газом оболочки », который вводится за пределы внутренней трубы, упомянутой выше. Картина течения Q ₃ может быть как вихревой, так и прямой. Оболочка газа имеет двоякую функцию. Помогает стабилизировать плазменный разряд; самое главное, он защищает ограничительную трубку как охлаждающую среду.

Плазменные газы и характеристики плазмы

Минимальная мощность для поддержания индукционной плазмы зависит от давления, частоты и состава газа. Установка более низкой поддерживающей мощности достигается с помощью высокой радиочастоты, низкого давления и одноатомного газа, такого как аргон. Как только двухатомный газ вводится в плазму, поддерживающая способность резко возрастает, потому что для разрыва газообразных молекулярных связей сначала требуется дополнительная энергия диссоциации, поэтому возможно дальнейшее возбуждение до состояния плазмы. Основными причинами использования двухатомных газов в плазменной обработке являются (1) получение плазмы с высоким содержанием энергии и хорошей теплопроводностью (см. Таблицу ниже) и (2) соответствие химическому составу обработки.

Газ	Удельный вес	Энергия термической диссоциации (эВ)	Энергия ионизации (эВ)	Тепловая проводимость (Вт / м · К)	Энтальпия (МДж / моль)
Ar	1,380	N / A	15,76	0,644	0,24
Он	0,138	N / A	24,28	2,453	0,21
H ₂	0,069	4,59	13,69	3,736	0,91
№ ₂	0,967	9,76	14,53	1,675	1,49
O ₂	1,105	5,17	13,62	1,370	0,99
Воздуха	1.000	N / A	N / A	1,709	1,39

На практике выбор плазменных газов при индукционной плазменной обработке в первую очередь определяется химическими процессами обработки, т. Е. Требуется ли для обработки восстановительная, окислительная или другая среда. Затем можно выбрать подходящий второй газ и добавить его к аргону, чтобы улучшить теплопередачу между плазмой и обрабатываемыми материалами. Смеси Ar – He, Ar – H ₂ , Ar – N ₂ , Ar – O ₂ , воздух и т. Д. Очень часто используются в индукционной плазме. Поскольку диссипация энергии в разряде происходит в основном во внешней кольцевой оболочке плазмы, второй газ обычно вводится вместе с газовой линией оболочки, а не с центральной газовой линией.

Промышленное применение индукционной плазменной технологии

После эволюции технологии индукционной плазмы в лаборатории были выделены основные преимущества индукционной плазмы:

Отсутствие проблем с эрозией и загрязнением электрода из-за другого механизма генерации плазмы по сравнению с другими плазменными методами, например, с дуговой дугой постоянного тока без переноса (dc) плазмы.
Возможность осевой подачи прекурсоров в виде твердых порошков или суспензий, жидкостей. Эта особенность преодолевает трудность воздействия на материалы высокой температуры плазмы из-за высокой вязкости при высокой температуре плазмы.
Из-за отсутствия электродов возможен широкий выбор химического состава, т. Е. Горелка может работать как в восстановительных, так и в окислительных и даже в коррозионных условиях. Благодаря этой возможности индукционная плазменная горелка часто работает не только как высокотемпературный источник тепла с высокой энтальпией, но и как сосуд для химической реакции.
Относительно долгое время пребывания прекурсора в плазменном шлейфе (от нескольких миллисекунд до сотен миллисекунд) по сравнению с плазмой постоянного тока.
Относительно большой объем плазмы.

Эти особенности технологии индукционной плазмы нашли свое применение в промышленных масштабах в последнее десятилетие. Успешное промышленное применение процесса индукционной плазмы во многом зависит от многих фундаментальных инженерных решений. Например, конструкция промышленного плазмотрона, обеспечивающая высокий уровень мощности (от 50 до 600 кВт) и большую продолжительность (три смены по 8 часов в день) плазменной обработки. Другим примером являются дозаторы порошка, которые транспортируют большое количество твердого прекурсора (от 1 до 30 кг / ч) с надежной и точной подачей.

В настоящее время мы можем перечислить множество примеров промышленного применения технологии индукционной плазмы, например, сфероидизация порошка, синтез наноразмерных порошков, индукционное плазменное напыление, обработка отходов и т. Д. Однако самый впечатляющий успех индукционной плазменной технологии несомненно в области сфероидизации и синтеза наноматериалов .

Сфероидизация порошка

Плотная микроструктура сфероидизированных литых порошков карбида вольфрама

Требование сфероидизации (а также уплотнения) порошков исходит из самых разных областей промышленности, от порошковой металлургии до электронной упаковки. Вообще говоря, насущная необходимость превращения промышленного процесса в сферические порошки заключается в поиске хотя бы одного из следующих преимуществ процесса сфероидизации:

Улучшить сыпучесть порошков.
Увеличьте плотность упаковки порошков.
Устранение внутренних полостей и трещин порошка.
Измените морфологию поверхности частиц.
Другой уникальный мотив, такой как оптическое отражение, химическая чистота и т. Д.

Сфероидизация - это процесс плавления в полете. Порошок-прекурсор угловой формы вводится в индукционную плазму и сразу же плавится при высоких температурах плазмы. Частицы расплавленного порошка принимают сферическую форму под действием поверхностного натяжения жидкого состояния. Эти капли будут резко охлаждаться при вылете из плазменного факела из-за большого градиента температуры, возбуждающего в плазме. Таким образом, конденсированные сферы собираются как продукты сфероидизации.

Большое разнообразие керамики, металлов и металлических сплавов было успешно сфероидизировано / уплотнено с помощью индукционной плазменной сфероидизации. Ниже приведены некоторые типичные сфероидизированные материалы в промышленных масштабах.

Оксидная керамика: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , стекло
Неоксиды: WC, WC – Co, CaF ₂ , TiN.
Металлы: Re, Ta, Mo, W
Сплавы: Cr – Fe – C, Re – Mo, Re – W.

Синтез наноматериалов

Повышенный спрос на нанопорошки способствует обширным исследованиям и разработкам различных методов получения нанометрических порошков. Проблемами технологии промышленного применения являются производительность, контролируемость качества и доступность. Технология индукционной плазмы реализует испарение прекурсора в полете, даже если сырье имеет самую высокую температуру кипения; работая в различных атмосферах, позволяя синтезировать большое количество нанопорошков, и, таким образом, становится гораздо более надежной и эффективной технологией синтеза нанопорошков как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Индукционная плазма, используемая для синтеза нанопорошков, имеет множество преимуществ по сравнению с альтернативными методами, например, высокая чистота, высокая гибкость, простота масштабирования, простота эксплуатации и управления процессом.

В процессе наносинтеза материал сначала нагревается до испарения в индукционной плазме, а затем пары подвергаются очень быстрому гашению в зоне гашения / реакции. Охлаждающий газ может представлять собой инертные газы, такие как Ar и N _2, или химически активные газы, такие как CH ₄ и NH ₃ , в зависимости от типа синтезируемых нанопорошков. Полученные нанометрические порошки обычно собираются пористыми фильтрами, которые устанавливаются вдали от секции плазменного реактора. Из-за высокой реакционной способности металлических порошков особое внимание следует уделять усыплению порошка перед удалением собранного порошка из секции фильтрации процесса.

Система индукционной плазмы успешно применяется при синтезе нанопорошков. Типичный диапазон размеров получаемых наночастиц составляет от 20 до 100 нм, в зависимости от используемых условий резкого охлаждения. Производительность варьируется от нескольких сотен г / ч до 3-4 кг / ч, в зависимости от физических свойств различных материалов. Типичная система наносинтеза индукционной плазмы для промышленного применения показана ниже. Прилагаются фотографии некоторых нанопродуктов с того же оборудования.

Галерея

После обработки сфероидизацией индукционной плазмы хлопьевидные взаимосвязанные порошки рения становятся плотными отдельными сферами.
Порошок SiO ₂ сфероидизирован индукционной плазмой (воздушная плазма), производительность 15 ~ 20 кг / ч.
Индукционная плазменная установка для синтеза нанопорошков.
Некоторые образцы наночастиц, полученные методом индукционной плазменной обработки.

Резюме

Индукционная плазменная технология позволяет достичь в основном вышеупомянутых процессов с высокой добавленной стоимостью. Помимо «сфероидизации» и «синтеза наноматериалов», следующими отраслями промышленности индукционной плазменной технологии могут стать переработка отходов высокого риска , осаждение огнеупорных материалов , синтез благородных материалов и т. Д.

Languages

In other projects