Plasma de indução - Induction plasma

A década de 1960 foi o período incipiente da tecnologia de plasma térmico, impulsionada pelas necessidades dos programas aeroespaciais . Entre os vários métodos de geração de plasma térmico, o plasma de indução (ou plasma acoplado indutivamente ) assume um papel importante.

As primeiras tentativas de manter o plasma indutivamente acoplado em um fluxo de gás datam de Babat em 1947 e Reed em 1961. O esforço se concentrou nos estudos fundamentais do mecanismo de acoplamento de energia e nas características dos campos de fluxo, temperatura e concentração na descarga do plasma. Na década de 1980, havia um interesse crescente em materiais de alto desempenho e outras questões científicas, e em plasma de indução para aplicações em escala industrial, como tratamento de resíduos . Inúmeras pesquisas e desenvolvimento foram dedicados a preencher a lacuna entre o gadget de laboratório e a integração da indústria. Após décadas de esforços, a tecnologia de plasma de indução ganhou uma posição firme na indústria moderna e avançada.

A geração de plasma de indução

O aquecimento por indução é uma tecnologia madura com séculos de história. Uma peça metálica condutora, dentro de uma bobina de alta frequência, será "induzida" e aquecida ao estado incandescente. Não há diferença de princípio cardinal para aquecimento por indução ou " plasma indutivamente acoplado ", apenas que o meio a induzir, neste último caso, é substituído pelo gás que flui, e a temperatura obtida é extremamente alta, à medida que chega ao " quarto estado da matéria "- plasma .

(esquerda) Aquecimento por indução; (direita) Plasma indutivamente acoplado.

Uma tocha de plasma indutivamente acoplado (ICP) é essencialmente uma bobina de cobre de várias voltas, através da qual corre água de resfriamento para dissipar o calor produzido em operação. Os ICPs têm dois modos de operação, chamados de modo capacitivo (E) com baixa densidade de plasma e modo indutivo (H) com alta densidade de plasma, e a transição do modo de aquecimento E para H ocorre com entradas externas. A bobina envolve um tubo de confinamento, dentro do qual o plasma de indução (modo H) é gerado. Uma extremidade do tubo de confinamento está aberta; o plasma é realmente mantido em um fluxo contínuo de gás. Durante a operação de plasma de indução, o gerador fornece uma corrente alternada (ac) de radiofrequência (rf) para a bobina da tocha; este ac induz um campo magnético alternado dentro da bobina, segundo a lei de Ampère (para uma bobina solenóide) :

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

onde, é o fluxo do campo magnético, é a constante de permeabilidade , é a corrente da bobina, é o número de voltas da bobina por unidade de comprimento e é o raio médio das voltas da bobina. ${\ displaystyle \ phi _ {B}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$ ${\ displaystyle 4 \ pi \, 10 ^ {- 7} \, {\ textrm {Wb / Am}}}$ ${\ displaystyle I_ {c}}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle r_ {0}}$

De acordo com a Lei de Faraday , uma variação no fluxo do campo magnético irá induzir uma voltagem, ou força eletromagnética :

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

onde, é o número de voltas da bobina, e o item entre parênteses é a taxa na qual o fluxo está mudando. O plasma é condutor (assumindo que já exista um plasma na tocha). Esta força eletromagnética, E, por sua vez, conduzirá uma corrente de densidade j em circuitos fechados. A situação é muito semelhante ao aquecimento de uma haste de metal na bobina de indução: a energia transferida para o plasma é dissipada via aquecimento Joule, j ² R, da lei de Ohm , onde R é a resistência do plasma. ${\ displaystyle N}$

Como o plasma tem uma condutividade elétrica relativamente alta, é difícil para o campo magnético alternado penetrá-lo, especialmente em frequências muito altas. Este fenômeno é geralmente descrito como " efeito de pele ". O cenário intuitivo é que as correntes induzidas em torno de cada linha magnética se neutralizam, de modo que uma corrente induzida líquida é concentrada apenas perto da periferia do plasma. Isso significa que a parte mais quente do plasma está fora do eixo. Portanto, o plasma de indução é algo como uma "concha anular". Observando o eixo do plasma, parece um "bagel" brilhante.

Plasma de indução, observado de lado e do final

Na prática, a ignição do plasma em condições de baixa pressão (<300 torr) é quase espontânea, uma vez que a potência rf imposta à bobina atinge um determinado valor limite (dependendo da configuração da tocha, vazão de gás etc.). O estado do gás de plasma (geralmente argônio) transitará rapidamente da descarga luminescente para a quebra do arco e criará um plasma de indução estável. Para o caso de condições de pressão atmosférica ambiente, a ignição é frequentemente realizada com o auxílio de uma bobina de Tesla , que produz faíscas elétricas de alta frequência e alta tensão que induzem a quebra do arco local dentro da tocha e estimulam uma cascata de ionização de gás plasma , resultando em um plasma estável.

Tocha de plasma de indução

Tocha de plasma de indução para aplicações industriais

A tocha de plasma de indução é o núcleo da tecnologia de plasma de indução. Apesar da existência de centenas de designs diferentes, uma tocha de plasma de indução consiste essencialmente em três componentes:

Bobina: A bobina de indução consiste em várias voltas em espiral, dependendo das características da fonte de alimentação rf. Os parâmetros da bobina, incluindo o diâmetro da bobina, o número de voltas da bobina e o raio de cada volta, são especificados de forma a criar um "circuito tanque" elétrico com impedância elétrica adequada. As bobinas são normalmente ocas ao longo de seu eixo cilíndrico, preenchidas com resfriamento líquido interno (por exemplo, água deionizada) para mitigar as altas temperaturas de operação das bobinas que resultam das altas correntes elétricas necessárias durante a operação.
Tubo de confinamento: Este tubo serve para confinar o plasma. O tubo de quartzo é a implementação comum. O tubo é freqüentemente resfriado por ar comprimido (<10 kW) ou água de resfriamento. Embora a transparência do tubo de quartzo seja exigida em muitas aplicações de laboratório (como diagnóstico de espectro), suas propriedades mecânicas e térmicas relativamente pobres representam um risco para outras partes (por exemplo, vedações de o-ring) que podem ser danificadas sob a radiação intensa de alta - plasma de temperatura. Essas restrições limitam o uso de tubos de quartzo apenas para tochas de baixa potência (<30 kW). Para aplicações industriais de plasma de alta potência (30 ~ 250 kW), tubos feitos de materiais cerâmicos são normalmente usados. O material candidato ideal possuirá boa condutividade térmica e excelente resistência ao choque térmico. Por enquanto, o nitreto de silício (Si ₃ N ₄ ) é a primeira escolha. Tochas de potência ainda maior empregam uma gaiola de parede de metal para o tubo de confinamento de plasma, com compensações de engenharia de menor eficiência de acoplamento de potência e maior risco de interações químicas com os gases de plasma.
Distribuidora de gás: Freqüentemente chamada de cabeça de tocha, esta parte é responsável pela introdução de diferentes fluxos de gás na zona de descarga. Geralmente, existem três linhas de gás passando para a cabeça da tocha. De acordo com sua distância ao centro do círculo, essas três correntes de gás também são arbitrariamente chamadas de Q ₁ , Q ₂ e Q ₃ .

Q ₁ é o gás de arraste que geralmente é introduzido na tocha de plasma através de um injetor no centro da cabeça da tocha. Como o nome indica, a função de Q ₁ é transportar o precursor (pó ou líquido) para o plasma. O argônio é o gás portador usual, entretanto, muitos outros gases reativos (ou seja, oxigênio, NH ₃ , CH ₄ , etc.) estão freqüentemente envolvidos no gás portador, dependendo da necessidade de processamento.

Q ₂ é o gás formador de plasma, comumente chamado de "Gás Central". No design atual da tocha de plasma de indução, é quase normal que o gás central seja introduzido na câmara da tocha por meio de um turbilhão tangencial. O fluxo de gás em turbilhão é mantido por um tubo interno que faz o movimento circular até o nível da primeira volta da bobina de indução. Todos esses conceitos de engenharia têm como objetivo criar o padrão de fluxo adequado necessário para garantir a estabilidade da descarga de gás no centro da região da bobina.

Q ₃ é comumente referido como " gás de proteção " que é introduzido fora do tubo interno mencionado acima. O padrão de fluxo de Q ₃ pode ser vórtice ou direto. A função do gás de bainha é dupla. Ajuda a estabilizar a descarga de plasma; mais importante, protege o tubo de confinamento, como meio de resfriamento.

Gases de plasma e desempenho de plasma

A potência mínima para sustentar um plasma de indução depende da pressão, frequência e composição do gás. A configuração de potência de sustentação mais baixa é obtida com alta frequência de rf, baixa pressão e gás monoatômico, como argônio. Uma vez que o gás diatômico é introduzido no plasma, o poder de sustentação seria drasticamente aumentado, porque a energia de dissociação extra é necessária para quebrar as ligações moleculares gasosas primeiro, então mais excitação para o estado de plasma é possível. As principais razões para usar gases diatômicos no processamento de plasma são (1) para obter um plasma de alto conteúdo de energia e boa condutividade térmica (consulte a Tabela abaixo) e (2) para conformar a química de processamento.

Gás	Gravidade específica	Energia de dissociação térmica (eV)	Energia de ionização (eV)	Condutividade térmica (W / m · K)	Entalpia (MJ / mol)
Ar	1.380	N / D	15,76	0,644	0,24
Ele	0,138	N / D	24,28	2.453	0,21
H ₂	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
Ar	1,000	N / D	N / D	1,709	1,39

Na prática, a seleção de gases de plasma em um processamento de plasma de indução é primeiro determinada pela química de processamento, ou seja, se o processamento requer um redutor ou oxidativo, ou outro ambiente. Em seguida, um segundo gás adequado pode ser selecionado e adicionado ao argônio, de modo a obter uma melhor transferência de calor entre o plasma e os materiais a tratar. As misturas de Ar – He, Ar – H ₂ , Ar – N ₂ , Ar – O ₂ , ar, etc. são plasmas de indução comumente usados. Uma vez que a dissipação de energia na descarga ocorre essencialmente no invólucro anular externo do plasma, o segundo gás é geralmente introduzido junto com a linha de gás do invólucro, ao invés da linha de gás central.

A aplicação industrial da tecnologia de plasma de indução

Seguindo a evolução da tecnologia de plasma de indução em laboratório, as principais vantagens do plasma de indução foram distinguidas:

Sem a preocupação com a erosão e contaminação do eletrodo, devido ao mecanismo de geração de plasma diferente em comparação com outro método de plasma, por exemplo, plasma de arco de corrente contínua sem transferência (CC).
A possibilidade de alimentação axial de precursores, sejam pós sólidos, ou suspensões, líquidos. Esse recurso supera a dificuldade de exposição de materiais à alta temperatura do plasma, desde a alta viscosidade da alta temperatura do plasma.
Por causa do problema de não eletrodo, uma seleção química ampla e versátil é possível, ou seja , a tocha poderia funcionar em condições redutivas ou oxidativas, mesmo em condições corrosivas. Com essa capacidade, a tocha de plasma de indução geralmente funciona não apenas como uma fonte de calor de alta temperatura e entalpia, mas também como vasos de reação química.
Tempo de residência relativamente longo do precursor na pluma de plasma (vários milissegundos até centenas de milissegundos), em comparação com o plasma CC.
Volume de plasma relativamente grande.

Essas características da tecnologia de plasma de indução encontraram aplicações de nicho em operação em escala industrial na última década. A aplicação industrial bem-sucedida do processo de plasma de indução depende muito de muitos suportes de engenharia fundamentais. Por exemplo, o projeto da tocha de plasma industrial, que permite alto nível de potência (50 a 600 kW) e longa duração (três turnos de 8 horas / dia) de processamento de plasma. Outro exemplo são os alimentadores de pó que transportam grande quantidade de precursor sólido (1 a 30 kg / h) com desempenho de entrega confiável e preciso.

Hoje em dia, temos sido capazes de numerar muitos exemplos das aplicações industriais da tecnologia de plasma de indução, tais como, esferoidização de pó, síntese de pós nanométricos, pulverização de plasma de indução, tratamento de resíduos, etc., No entanto, o sucesso mais impressionante da tecnologia de plasma de indução está, sem dúvida, nas áreas de esferoidização e síntese de nanomateriais .

Esferoidização de pó

A microestrutura densa dos pós de carboneto de tungstênio fundido esferoidizado

A exigência de esferoidização de pós (bem como densificação) vem de campos industriais muito diferentes, da metalurgia do pó à embalagem eletrônica. De um modo geral, a necessidade premente de um processo industrial para se transformar em pós esféricos é buscar pelo menos um dos seguintes benefícios que resultam do processo de esferoidização:

Melhore a capacidade de fluxo dos pós.
Aumente a densidade de empacotamento dos pós.
Elimine cavidades internas do pó e fraturas.
Altere a morfologia da superfície das partículas.
Outro motivo único, como reflexão óptica, pureza química etc.

A esferoidização é um processo de fusão em vôo. O precursor de pó de formato angular é introduzido no plasma de indução e derretido imediatamente nas altas temperaturas do plasma. As partículas do pó fundido estão assumindo a forma esférica sob a ação da tensão superficial do estado líquido. Essas gotículas serão drasticamente resfriadas quando voarem para fora da pluma de plasma, por causa do grande gradiente de temperatura que excita o plasma. As esferas condensadas são assim coletadas como produtos de esferoidização.

Uma grande variedade de cerâmicas, metais e ligas metálicas foram esferoidizadas / densificadas com sucesso usando esferoidização por plasma de indução. A seguir estão alguns materiais típicos esferoidizados em escala comercial.

Cerâmica de óxido: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , vidro
Não óxidos: WC, WC – Co, CaF ₂ , TiN
Metais: Re, Ta, Mo, W
Ligas: Cr – Fe – C, Re – Mo, Re – W

Síntese de nanomateriais

É o aumento da demanda por nanopós que promove a extensa pesquisa e o desenvolvimento de várias técnicas para pós nanométricos. Os desafios para uma tecnologia de aplicação industrial são produtividade, capacidade de controle de qualidade e preço acessível. A tecnologia de plasma de indução implementa a evaporação em vôo do precursor, mesmo aquelas matérias-primas de ponto de ebulição mais alto; operando em várias atmosferas, permitindo a síntese de uma grande variedade de nanopós e, assim, tornar-se uma tecnologia muito mais confiável e eficiente para a síntese de nanopós em escala laboratorial e industrial. O plasma de indução usado para síntese de nanopó tem muitas vantagens sobre as técnicas alternativas, como alta pureza, alta flexibilidade, fácil de aumentar, fácil de operar e controle de processo.

No processo de nanossíntese, o material é primeiro aquecido até a evaporação no plasma de indução e os vapores são subsequentemente submetidos a uma extinção muito rápida na zona de resfriamento / reação. Os gases de extinção podem ser gases inertes, como Ar e N _2, ou gases reativos, como CH ₄ e NH ₃ , dependendo do tipo de nanopós a ser sintetizado. Os pós nanométricos produzidos são normalmente coletados por filtros porosos, que são instalados longe da seção do reator de plasma. Devido à alta reatividade dos pós metálicos, atenção especial deve ser dada à pacificação do pó antes da remoção do pó coletado da seção de filtração do processo.

O sistema de plasma de indução tem sido usado com sucesso na síntese de nanopós. O intervalo de tamanho típico das nanopartículas produzidas é de 20 a 100 nm, dependendo das condições de têmpera empregadas. A produtividade varia de poucas centenas g / ha 3 ~ 4 kg / h, de acordo com as diferentes propriedades físicas dos materiais. Um típico sistema de nano-sintetização de plasma de indução para aplicação industrial é mostrado abaixo. As fotos de algum nanoproduto do mesmo equipamento estão incluídas.

Galeria

Os pós de rênio entrelaçados em flocos tornam-se densas esferas separadas após o processamento de esferoidização de plasma de indução
O pó de SiO ₂ esferoidizado por plasma de indução (plasma de ar), saída 15 ~ 20 kg / h
A instalação de plasma de indução para síntese de nanopós
Algumas amostras das nanopartículas preparadas por processamento de plasma de indução

Resumo

A tecnologia de plasma de indução atinge principalmente os processos de alto valor agregado mencionados acima. Além da "esferoidização" e "síntese de nanomateriais", o tratamento de resíduos de alto risco , depósito de materiais refratários , síntese de materiais nobres, etc. podem ser os próximos campos industriais para a tecnologia de plasma de indução.

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