plasma de inducción

El plasma de inducción , también llamado plasma acoplado inductivamente, es un tipo de plasma de alta temperatura generado por inducción electromagnética , generalmente acoplado con gas argón . El campo magnético induce una corriente eléctrica dentro del gas, lo que crea el plasma. Este plasma puede alcanzar temperaturas de hasta 10 000 Kelvin . La tecnología de plasma de inducción se utiliza en campos como la esferoidización de polvos y la síntesis de nanomateriales. La tecnología se aplica mediante una antorcha de plasma de inducción, que consta de tres elementos básicos: la bobina de inducción , una cámara de confinamiento y un cabezal de antorcha o distribuidor de gas. La principal ventaja de esta tecnología es la eliminación de electrodos, que pueden deteriorarse e introducir contaminación.

La década de 1960 marcó el inicio 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 ) desempeña un papel importante.

Los primeros intentos de mantener un plasma acoplado inductivamente en una corriente de gas se remontan a Babat ^{[ 1 ]} en 1947 y Reed ^{[ 2 ]} en 1961. Los esfuerzos se concentraron 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 creciente interés en los materiales de alto rendimiento y otros temas científicos, así como en el plasma de inducción para aplicaciones a escala industrial, como el tratamiento de residuos . Se dedicó una importante labor de investigación y desarrollo para cerrar la brecha entre los dispositivos de laboratorio y la integración industrial. Tras décadas de esfuerzo, la tecnología de plasma de inducción se ha consolidado firmemente en la industria moderna avanzada.

El calentamiento por inducción es una tecnología consolidada con siglos de historia. Una pieza metálica conductora, situada dentro de una bobina de alta frecuencia, se calienta hasta alcanzar un estado de máxima temperatura. No existe diferencia en el principio fundamental entre el calentamiento por inducción y el plasma acoplado inductivamente , salvo que, en este último caso, el medio a inducir se sustituye por un gas en circulación, y la temperatura obtenida es extremadamente alta, ya que se alcanza el cuarto estado de la materia: el plasma .

Una antorcha de plasma acoplado inductivamente (ICP) es esencialmente una bobina de cobre de varias espiras, a través de la cual circula agua de refrigeración para disipar el calor producido durante su funcionamiento. Las ICP tienen dos modos de funcionamiento: el modo capacitivo (E), con baja densidad de plasma, y ​​el modo inductivo (H), con alta densidad de plasma. La transición del modo de calentamiento E al H se produce mediante entradas externas. ^{[ 3 ]} 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; el plasma se mantiene mediante un flujo continuo de gas. Durante el funcionamiento del 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 solenoide) :

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

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

Según la ley de Faraday , una variación en el flujo del campo magnético inducirá un voltaje o fuerza electromagnética :

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

dónde,${\displaystyle N}$es el número de vueltas de la bobina, y el elemento entre paréntesis es la tasa a la que cambia el flujo. El plasma es conductor (suponiendo 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 varilla de metal en la bobina de inducción: la energía transferida al plasma se disipa mediante calentamiento Joule , j ² R, de la ley de Ohm , donde R es la resistencia del plasma.

Dado que el plasma posee una conductividad eléctrica relativamente alta, el campo magnético alterno tiene dificultades para penetrarlo, especialmente a frecuencias muy elevadas. Este fenómeno se conoce como el " efecto piel ". La explicación intuitiva es que las corrientes inducidas alrededor de cada línea magnética se contrarrestan entre sí, de modo que la corriente inducida neta se concentra únicamente cerca de la periferia del plasma. Esto significa que la parte más caliente del plasma se encuentra fuera del eje. Por lo tanto, el plasma inducido se asemeja a una "capa anular". Visto desde el eje del plasma, tiene la apariencia de un brillante "rosquilla".

En la práctica, la ignición del plasma en condiciones de baja presión (<300 torr) es casi espontánea una vez que la potencia de radiofrecuencia aplicada a la bobina alcanza un cierto umbral (que depende de la configuración de la antorcha, el caudal de gas, etc.). El estado del gas plasmático (generalmente argón) transita rápidamente de descarga luminiscente a ruptura de arco, creando un plasma de inducción estable. En condiciones de presión atmosférica, la ignición se suele lograr con la ayuda de una bobina de Tesla , que produce chispas eléctricas de alta frecuencia y alto voltaje que inducen la ruptura local del arco dentro de la antorcha y estimulan una cascada de ionización del gas plasmático, dando como resultado un plasma estable.

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

Bobina

La bobina de inducción consta de varias espiras en espiral, según las características de la fuente de alimentación de radiofrecuencia. Los parámetros de la bobina, como el diámetro, el número de espiras y el radio de cada una, se especifican para crear un circuito resonante eléctrico con la impedancia adecuada. Las bobinas suelen ser huecas a lo largo de su eje cilíndrico y están rellenas de líquido refrigerante interno (por ejemplo, agua desionizada) para mitigar las altas temperaturas de funcionamiento que se producen debido a las elevadas corrientes eléctricas requeridas durante su operación.

Tubo de confinamiento

Este tubo sirve para confinar el plasma. El tubo de cuarzo es la implementación más común. El tubo suele enfriarse con aire comprimido (<10  kW) o agua de refrigeración. Si bien la transparencia del tubo de cuarzo es necesaria en muchas aplicaciones de laboratorio (como el diagnóstico espectral), sus propiedades mecánicas y térmicas relativamente deficientes representan un riesgo para otras partes (por ejemplo, juntas tóricas) que pueden dañarse bajo la intensa radiación del plasma de alta temperatura. Estas limitaciones restringen 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 de materiales cerámicos. ^{[ 4 ]} El material candidato ideal poseerá buena conductividad térmica y 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 metálica para el tubo de confinamiento del plasma, con las desventajas de ingeniería de una menor eficiencia de acoplamiento de potencia y un mayor riesgo de interacciones químicas con los gases del plasma.

distribuidor de gas

A menudo denominada cabezal de la 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 llegan al cabezal de la antorcha. Según su distancia al centro del círculo, estas tres corrientes de gas también se denominan arbitrariamente _Q1 , _Q2 y _Q3 .

Q1 es el gas portador que se introduce en la antorcha _de plasma mediante un inyector situado en el centro del cabezal. Como su nombre indica, la función de Q1 _es transportar el precursor (en polvo o líquido) al plasma. El argón es el gas portador habitual; sin embargo, en función de los requisitos del proceso, también se suelen utilizar otros gases reactivos (como oxígeno, NH₃ _, CH₄ _, etc.).

Q2 es el gas formador de plasma, comúnmente llamado "gas central". En el diseño actual de antorchas de plasma _por inducción, es casi habitual que el gas central se introduzca en la cámara de la antorcha mediante un flujo tangencial. Este flujo se mantiene mediante un tubo interno que lo rodea hasta el nivel de la primera espira de la bobina de inducción. Todos estos conceptos de ingeniería tienen como objetivo crear el patrón de flujo adecuado para garantizar la estabilidad de la descarga de gas en el centro de la bobina.

El gas Q3 _, comúnmente conocido como " gas de recubrimiento ", se introduce fuera del tubo interno mencionado anteriormente. Su flujo puede ser en forma de vórtice o recto. El gas de _{recubrimiento} cumple una doble función: ayuda a estabilizar la descarga de plasma y, lo que es más importante, protege el tubo de confinamiento, actuando como medio de refrigeración.

Tras la evolución de la tecnología de plasma de inducción en los laboratorios, se han identificado las principales ventajas del plasma de inducción:

• El plasma de inducción permite crear un plasma de alta pureza sin la contaminación de los electrodos que se produce en el plasma de corriente continua.
• La posibilidad de alimentación axial de precursores, ya sean polvos sólidos, suspensiones o líquidos. Esta característica permite exponer los materiales a la alta temperatura del plasma, de hasta 10 000  °C.
• Debido a la ausencia de electrodos, es posible utilizar una amplia variedad de gases de proceso; es decir , la antorcha puede funcionar en atmósferas reductoras, oxidantes e incluso corrosivas. Gracias a esta capacidad, una antorcha de plasma de inducción suele funcionar no solo como fuente de calor de alta temperatura y entalpía, sino también como recipiente para reacciones químicas.
• Tiempo de residencia relativamente prolongado del precursor en la pluma de plasma (desde varios milisegundos hasta cientos de milisegundos), en comparación con el plasma de corriente continua.
• Volumen plasmático relativamente grande.

Estas características de la tecnología de plasma por inducción han encontrado aplicaciones específicas en operaciones a escala industrial durante la última década. El éxito de la aplicación industrial del proceso de plasma por inducción depende en gran medida de numerosos elementos de ingeniería fundamentales. Por ejemplo, el diseño de la antorcha de plasma industrial, que permite altos niveles de potencia (de 50 a 600  kW) y una larga duración (tres turnos de 8 horas al día) del procesamiento de plasma. Otro ejemplo son los alimentadores de polvo que transportan grandes cantidades de precursor sólido (de 1 a 30  kg/h) con un caudal constante y fiable.

Existen numerosos ejemplos de aplicaciones industriales de la tecnología de plasma de inducción, como la esferoidización de polvos, la síntesis de polvos a nanoescala, la pulverización por plasma de inducción y el tratamiento de residuos. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Esferoidización de polvo

La necesidad de esferoidización (así como de densificación) de polvos proviene de campos industriales muy diversos, desde la metalurgia de polvos hasta el empaquetado electrónico. En general, la necesidad imperiosa de que un proceso industrial recurra a polvos esféricos radica en buscar al menos uno de los siguientes beneficios que resultan del proceso de esferoidización:

1. Mejorar la fluidez de los polvos.
2. Aumentar la densidad de empaquetamiento de los polvos.
3. Eliminar las cavidades internas y las fracturas del polvo.
4. Modificar la morfología superficial de las partículas.
5. Otros motivos únicos, como la reflexión óptica, la pureza química, etc.

La esferoidización es un proceso de fusión en vuelo. ^{[ 7 ]} El precursor en polvo de forma angular se introduce en un plasma de inducción y se funde inmediatamente a las altas temperaturas del plasma. Las partículas de polvo fundidas adquieren forma esférica bajo la acción de la tensión superficial del estado líquido. Estas gotas se enfrían drásticamente al salir de la columna de plasma, debido al gran gradiente de temperatura que se genera en el plasma. Las esferas solidificadas se recogen como productos de esferoidización. Dado que el proceso no utiliza electrodos ni crisoles, se puede mantener una pureza muy alta.

Se ha logrado esferoidizar/densificar con éxito una gran variedad de cerámicas, metales y aleaciones metálicas mediante esferoidización por plasma de inducción. Gracias a la alta temperatura del plasma, incluso materiales con puntos de fusión muy elevados pueden esferoidizarse. A continuación, se presentan algunos materiales típicos que se esferoidizan 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, aleaciones refractarias de alta entropía ^{[ 8 ]}

Las ventajas de la esferoidización de polvo en comparación con la atomización de gas son:

• Alto rendimiento (los polvos esferoidizados tienen la misma distribución de tamaño de partícula que el polvo precursor).
• Amplia gama de materiales (casi todos cerámicas y metales).
• Alta pureza (sin contaminación procedente de electrodos o crisoles).
• Posibilidad de reciclar polvos usados ​​gracias a la mejora de la esfericidad y, en algunos casos, a la reducción del contenido de oxígeno.
• Alta esfericidad, baja porosidad y ausencia de satélites ^{[ 9 ]}

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  Los polvos de renio entrelazados y en forma de escamas se convierten en esferas densas y separadas 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), producción 15~20  kg/h
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  Algunas muestras de las nanopartículas preparadas mediante procesamiento por plasma de inducción.

La tecnología de plasma de inducción permite principalmente los procesos de alto valor añadido mencionados anteriormente. Además de la esferoidización y la síntesis de nanomateriales, el tratamiento de residuos de alto riesgo , el depósito de materiales refractarios y la síntesis de materiales nobles podrían ser los próximos campos industriales para esta tecnología.

• Motor de propulsión de plasma