Plasma de inducción - Induction plasma

La década de 1960 fue el período incipiente de la tecnología de plasma térmico, impulsada por las necesidades de los programas aeroespaciales . Entre los diversos métodos de generación de plasma térmico, el plasma de inducción (o plasma acoplado inductivamente ) asume un papel importante.

Los primeros intentos de mantener plasma acoplado inductivamente en una corriente de gas se remontan a Babat en 1947 y Reed en 1961. El esfuerzo se concentró en los estudios fundamentales del mecanismo de acoplamiento de energía y las características de los campos de flujo, temperatura y concentración en la descarga de plasma. En la década de 1980, hubo un interés creciente en los materiales de alto rendimiento y otras cuestiones científicas, y en el plasma de inducción para aplicaciones a escala industrial, como el tratamiento de residuos . Se dedicaron numerosas investigaciones y desarrollos para cerrar la brecha entre el dispositivo de laboratorio y la integración de la industria. Después de décadas de esfuerzo, la tecnología de plasma por inducción se ha afianzado firmemente en la industria moderna y avanzada.

La generación de plasma de inducción.

El calentamiento por inducción es una tecnología madura con siglos de historia. Una pieza metálica conductora, dentro de una bobina de alta frecuencia, será "inducida" y calentada al estado al rojo vivo. No hay diferencia de principio cardinal ni para el calentamiento por inducción ni para el " plasma acoplado inductivamente ", solo que el medio a inducir, en este último caso, es reemplazado por el gas que fluye, y la temperatura obtenida es extremadamente alta, ya que llega el " cuarto estado de la materia "—plasma .

(izquierda) Calentamiento por inducción; (derecha) Plasma acoplado inductivamente.

Un soplete de plasma acoplado inductivamente (ICP) es esencialmente una bobina de cobre de varias vueltas, por la que pasa agua de refrigeración para disipar el calor producido en funcionamiento. Los ICP tienen dos modos de funcionamiento, llamado modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma, y ​​la transición del modo de calentamiento E a H se produce con entradas externas. La bobina envuelve un tubo de confinamiento, dentro del cual se genera el plasma de inducción (modo H). Un extremo del tubo de confinamiento está abierto; en realidad, el plasma se mantiene en un flujo de gas continuo. Durante el funcionamiento con plasma de inducción, el generador suministra una corriente alterna (ca) de radiofrecuencia (rf) a la bobina de la antorcha; esta ca induce un campo magnético alterno dentro de la bobina, según la ley de Ampère (para una bobina de solenoide) :

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

donde, es el flujo de campo magnético, es la permeabilidad constante , es la corriente de la bobina, es el número de vueltas de la bobina por unidad de longitud y es el radio medio de las vueltas de la bobina. ${\ Displaystyle \ phi _ {B}}$${\ Displaystyle \ mu _ {0}}$${\ Displaystyle 4 \ pi \, 10 ^ {- 7} \, {\ textrm {Wb / Am}}}$${\ Displaystyle I_ {c}}$${\ Displaystyle N}$${\ Displaystyle r_ {0}}$

De acuerdo con la Ley de Faraday , una variación en el flujo del campo magnético inducirá un voltaje o fuerza electromagnética :

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

donde, es el número de vueltas de la bobina y el elemento entre paréntesis es la velocidad a la que cambia el flujo. El plasma es conductor (asumiendo que ya existe un plasma en la antorcha). Esta fuerza electromagnética, E, a su vez impulsará una corriente de densidad j en bucles cerrados. La situación es muy similar a calentar una barra de metal en la bobina de inducción: la energía transferida al plasma se disipa a través del calentamiento Joule, j ² R, de la ley de Ohm , donde R es la resistencia del plasma. ${\ Displaystyle N}$

Dado que el plasma tiene una conductividad eléctrica relativamente alta, es difícil que el campo magnético alterno lo penetre, especialmente a frecuencias muy altas. Este fenómeno se suele describir como " efecto piel ". El escenario intuitivo es que las corrientes inducidas que rodean cada línea magnética se contrarrestan entre sí, de modo que una corriente inducida neta se concentra solo cerca de la periferia del plasma. Significa que la parte más caliente del plasma está fuera del eje. Por lo tanto, el plasma de inducción es algo así como una "capa anular". Observando en el eje del plasma, parece un "bagel" brillante.

Plasma de inducción, observado de costado y de punta

En la práctica, la ignición del plasma en condiciones de baja presión (<300 torr) es casi espontánea, una vez que la potencia de RF impuesta a la bobina alcanza un cierto valor umbral (dependiendo de la configuración de la antorcha, caudal de gas, etc.). El estado del gas de plasma (generalmente argón) pasará rápidamente de la descarga luminiscente a la rotura del arco y creará un plasma de inducción estable. Para el caso de condiciones de presión ambiental atmosférica, el encendido a menudo se logra con la ayuda de una bobina Tesla , que produce chispas eléctricas de alta frecuencia y alto voltaje que inducen la ruptura del arco local dentro de la antorcha y estimulan una cascada de ionización de gas de plasma. , resultando finalmente en un plasma estable.

Antorcha de plasma de inducción

Antorcha de plasma de inducción para aplicaciones industriales

La antorcha de plasma de inducción es el núcleo de la tecnología de plasma de inducción. A pesar de la existencia de cientos de diseños diferentes, una antorcha de plasma de inducción consta esencialmente de tres componentes:

Bobina

La bobina de inducción consta de varias vueltas en espiral, según las características de la fuente de alimentación de RF. Los parámetros de la bobina, incluido el diámetro de la bobina, el número de vueltas de la bobina y el radio de cada vuelta, se especifican de tal manera que se crea un "circuito de tanque" eléctrico con la impedancia eléctrica adecuada. Las bobinas son típicamente huecas a lo largo de su eje cilíndrico, llenas de refrigeración líquida interna (por ejemplo, agua desionizada) para mitigar las altas temperaturas de funcionamiento de las bobinas que resultan de las altas corrientes eléctricas requeridas durante la operación.

Tubo de confinamiento

Este tubo sirve para confinar el plasma. El tubo de cuarzo es la implementación común. El tubo a menudo se enfría con aire comprimido (<10 kW) o con agua de refrigeración. Si bien la transparencia del tubo de cuarzo se exige en muchas aplicaciones de laboratorio (como el diagnóstico de espectro), sus propiedades mecánicas y térmicas relativamente deficientes suponen un riesgo para otras partes (por ejemplo, juntas tóricas) que pueden dañarse bajo la intensa radiación de altas temperaturas. -temperatura del plasma. Estas restricciones limitan el uso de tubos de cuarzo solo a antorchas de baja potencia (<30 kW). Para aplicaciones industriales de plasma de alta potencia (30 ~ 250 kW), se suelen utilizar tubos fabricados con materiales cerámicos. El material candidato ideal poseerá una buena conductividad térmica y una excelente resistencia al choque térmico. Por el momento, el nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) es la primera opción. Las antorchas de mayor potencia emplean una jaula de pared de metal para el tubo de confinamiento de plasma, con compensaciones de ingeniería de eficiencias de acoplamiento de potencia más bajas y mayor riesgo de interacciones químicas con los gases de plasma.

Distribuidor de gas

A menudo llamado cabezal de antorcha, esta parte es responsable de la introducción de diferentes corrientes de gas en la zona de descarga. Generalmente, hay tres líneas de gas que pasan al cabezal del soplete. Según su distancia al centro del círculo, estas tres corrientes de gas también se denominan arbitrariamente Q ₁ , Q ₂ y Q ₃ .

Q ₁ es el gas portador que generalmente se introduce en el soplete de plasma a través de un inyector en el centro del cabezal del soplete. Como su nombre lo indica, la función de Q ₁ es transportar el precursor (polvo o líquido) al plasma. El argón es el gas portador habitual, sin embargo, muchos otros gases reactivos (es decir, oxígeno, NH ₃ , CH ₄ , etc.) suelen estar implicados en el gas portador, dependiendo de los requisitos de procesamiento.

Q ₂ es el gas formador de plasma, comúnmente llamado "Gas Central". En el diseño actual de la antorcha de plasma por inducción, es casi normal que el gas central se introduzca en la cámara de la antorcha girando tangencialmente. La corriente de gas en remolino se mantiene mediante un tubo interno que envuelve el remolino hasta el nivel de la primera vuelta de la bobina de inducción. Todos estos conceptos de ingeniería tienen como objetivo crear el patrón de flujo adecuado necesario para asegurar la estabilidad de la descarga de gas en el centro de la región del serpentín.

Q ₃ se conoce comúnmente como " gas envolvente " que se introduce fuera del tubo interno mencionado anteriormente. El patrón de flujo de Q ₃ puede ser en vórtice o directo. La función del gas envolvente es doble. Ayuda a estabilizar la descarga de plasma; lo más importante, protege el tubo de confinamiento, como medio de enfriamiento.

Gases de plasma y rendimiento del plasma

La potencia mínima para sostener un plasma de inducción depende de la presión, la frecuencia y la composición del gas. El ajuste de potencia de sostenimiento más bajo se logra con alta frecuencia de rf, baja presión y gas monoatómico, como argón. Una vez que se introduce gas diatómico en el plasma, el poder de mantenimiento aumentaría drásticamente, porque se requiere energía de disociación adicional para romper primero los enlaces moleculares gaseosos, por lo que es posible una mayor excitación al estado de plasma. Las principales razones para utilizar gases diatómicos en el procesamiento de plasma son (1) obtener un plasma de alto contenido de energía y buena conductividad térmica (ver Tabla a continuación), y (2) conformar la química del procesamiento.

En la práctica, la selección de gases de plasma en un procesamiento de plasma por inducción se determina en primer lugar por la química del procesamiento, es decir, si el procesamiento requiere un entorno reductor u oxidativo u otro. A continuación, se puede seleccionar un segundo gas adecuado y añadirlo al argón, para obtener una mejor transferencia de calor entre el plasma y los materiales a tratar. Las mezclas de Ar – He, Ar – H ₂ , Ar – N ₂ , Ar – O ₂ , aire, etc. son plasmas de inducción muy utilizados. Dado que la disipación de energía en la descarga tiene lugar esencialmente en la capa anular exterior de plasma, el segundo gas generalmente se introduce junto con la línea de gas de la envoltura, en lugar de la línea de gas central.

La aplicación industrial de la tecnología de plasma por inducción.

Siguiendo la evolución de la tecnología del plasma de inducción en laboratorio, se han distinguido las principales ventajas del plasma de inducción:

• Sin la preocupación de erosión y contaminación del electrodo, debido al mecanismo de generación de plasma diferente en comparación con otro método de plasma, por ejemplo, plasma de arco sin transferencia (dc) de corriente continua.
• La posibilidad de alimentación axial de precursores, siendo polvos sólidos, o suspensiones, líquidos. Esta característica supera la dificultad de exponer los materiales a la alta temperatura del plasma, desde la alta viscosidad de la alta temperatura del plasma.
• Debido a problemas no relacionados con los electrodos, es posible una amplia selección de productos químicos versátiles, es decir , el soplete podría funcionar en condiciones reductoras u oxidativas, incluso corrosivas. Con esta capacidad, la antorcha de plasma de inducción a menudo funciona no solo como una fuente de calor de alta temperatura y alta entalpía, sino también como recipientes de reacción química.
• Tiempo de residencia relativamente largo del precursor en la columna de plasma (varios milisegundos hasta cientos de milisegundos), en comparación con el plasma de CC.
• Volumen de plasma relativamente grande.

Estas características de la tecnología de plasma por inducción han encontrado aplicaciones de nicho en operaciones a escala industrial en la última década. La aplicación industrial exitosa del proceso de plasma por inducción depende en gran medida de muchos soportes de ingeniería fundamentales. Por ejemplo, el diseño de antorcha de plasma industrial, que permite un alto nivel de potencia (50 a 600 kW) y una larga duración (tres turnos de 8 horas / día) de procesamiento de plasma. Otro ejemplo son los alimentadores de polvo que transportan una gran cantidad de precursor sólido (1 a 30 kg / h) con un rendimiento de entrega confiable y preciso.

Hoy en día, hemos estado en condiciones de poder enumerar muchos ejemplos de las aplicaciones industriales de la tecnología de plasma de inducción, tales como, esferoidización de polvos, síntesis de polvos nanométricos, pulverización de plasma de inducción, tratamientos de residuos, etc., sin embargo, el éxito más impresionante La tecnología del plasma de inducción se encuentra sin duda en los campos de la esferoidización y la síntesis de nanomateriales .

Esferoidización en polvo

La densa microestructura de los polvos de carburo de tungsteno fundidos esferoidizados

El requisito de la esferoidización (así como la densificación) de los polvos proviene de campos industriales muy diferentes, desde la pulvimetalurgia hasta el envasado electrónico. En términos generales, la urgente necesidad de que un proceso industrial se convierta en polvos esféricos es buscar al menos uno de los siguientes beneficios que resultan del proceso de esferoidización:

1. Mejora la fluidez de los polvos.
2. Aumente la densidad de empaque de los polvos.
3. Elimina las caries y fracturas internas del polvo.
4. Cambia la morfología superficial de las partículas.
5. Otro motivo único, como reflexión óptica, pureza química, etc.

La esferoidización es un proceso de fusión en vuelo. El precursor de polvo de forma angular se introduce en el plasma de inducción y se funde inmediatamente en las altas temperaturas del plasma. Las partículas de polvo fundido están asumiendo la forma esférica bajo la acción de la tensión superficial del estado líquido. Estas gotas se enfriarán drásticamente cuando salgan de la columna de plasma, debido al gran gradiente de temperatura que se excita en el plasma. Las esferas condensadas se recogen así como productos de esferoidización.

Una gran variedad de cerámicas, metales y aleaciones metálicas se han esferoidizado / densificado con éxito mediante la esferoidización por plasma de inducción. A continuación se presentan algunos materiales típicos esferoidizados a escala comercial.

• Cerámicas de óxido: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , vidrio
• No óxidos: WC, WC – Co, CaF ₂ , TiN
• Metales: Re, Ta, Mo, W
• Aleaciones: Cr – Fe – C, Re – Mo, Re – W

Síntesis de nanomateriales

Es la creciente demanda de nanopolvos lo que promueve la extensa investigación y desarrollo de diversas técnicas para los polvos nanométricos. Los desafíos para una tecnología de aplicación industrial son la productividad, la capacidad de control de la calidad y la asequibilidad. La tecnología de plasma por inducción implementa la evaporación en vuelo del precursor, incluso las materias primas del punto de ebullición más alto; operando bajo diversas atmósferas, permitiendo la síntesis de una gran variedad de nanopolvos, convirtiéndose así en una tecnología mucho más confiable y eficiente para la síntesis de nanopolvos tanto a escala de laboratorio como industrial. El plasma de inducción utilizado para la síntesis de nanopolvos tiene muchas ventajas sobre las técnicas alternativas, como alta pureza, alta flexibilidad, fácil de escalar, fácil de operar y control de procesos.

En el proceso de nano-síntesis, el material se calienta primero hasta la evaporación en plasma de inducción, y los vapores se someten posteriormente a un enfriamiento muy rápido en la zona de enfriamiento / reacción. El gas de enfriamiento puede ser gases inertes como Ar y N ₂ o gases reactivos como CH ₄ y NH ₃ , dependiendo del tipo de nanopolvos a sintetizar. Los polvos nanométricos producidos generalmente se recolectan mediante filtros porosos, que se instalan lejos de la sección del reactor de plasma. Debido a la alta reactividad de los polvos metálicos, se debe prestar especial atención a la pacificación del polvo antes de retirar el polvo recolectado de la sección de filtración del proceso.

El sistema de plasma de inducción se ha utilizado con éxito en la síntesis de nanopolvos. El rango de tamaño típico de las nanopartículas producidas es de 20 a 100 nm, dependiendo de las condiciones de enfriamiento empleadas. La productividad varía desde unos pocos cientos g / ha 3 ~ 4 kg / h, según las propiedades físicas de los diferentes materiales. A continuación se muestra un sistema típico de nano-sintetizador de plasma de inducción para aplicaciones industriales. Se incluyen las fotos de algún nanoproducto del mismo equipo.

Galería

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  Los polvos de renio entrelazados escamosos se convierten en esferas separadas densas después del proceso de esferoidización por plasma de inducción.

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  El polvo de SiO ₂ esferoidizado por plasma de inducción (plasma de aire), produce 15 ~ 20 kg / h

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  La instalación de plasma de inducción para la síntesis de nanopolvos

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  Algunas muestras de las nanopartículas preparadas mediante procesamiento de plasma por inducción

Resumen

La tecnología de plasma por inducción consigue principalmente los procesos de alto valor añadido antes mencionados. Además de la "esferoidización" y la "síntesis de nanomateriales", el tratamiento de residuos de alto riesgo , el depósito de materiales refractarios , la síntesis de materiales nobles, etc. pueden ser los próximos campos industriales para la tecnología de plasma por inducción.

Ver también

• Motor de propulsión de plasma
• Lista de artículos sobre plasma (física)

Notas