Induktiefgekoppelde plasmas: die rol van die skermgas in hoëdrywingstoerusting

Abstract

Induktiefgekoppelde-plasmareaktore (IGP’s) het toepassings in verskeie industrieë, insluitend die voorbereiding van metaalpoeiers vir laagvervaardiging. Die skermgas (ook skutgas gnoem) speel ’n belangrike rol in die termiese afskerming van die reaktorwand in ’n IGP. Die energie wat verloor word deur die wand van die reaktor kan verminder word deur die hittesone weg van die wand af te beweeg. Hierdie verplasing van die hittesone word bereik deur ’n skermgas te gebruik wat moeiliker ioniseer as die plasmagas. Die ioniseringsgraad van waterstof is laer as dié van argon weens die hoër elektriese geleidingsvermoë van argon by soortgelyke temperature. Waterstof word dus in klein hoeveelhede in die skutgas gebruik met argon as die hoof bestandeel en hoofplasmagas. Die waterstof voorkom dus plasmavorming naby die wand. Die skutgas het ook ’n heelwat hoër vloeisnelheid en verminder sodoende die beskikbare tyd vir hitte-oordrag na die wand.

Die besondere hoë temperature wat in ’n IGP bereik word, belemmer egter die meting van eenvoudige lesings soos vloeisnelheid en temperatuur. Rekenaarmodelle voorsien ons van die geleentheid om die fisiese en chemiese eienskappe van ’n plasma te ondersoek asook die nodige gereedskap om die gedrag van die plasma te analiseer sonder eksperimentele lesings. Daar is verskeie numeriese modelle van IGP-sisteme in die literatuur alhoewel nie een van dié modelle die effek van die skutgassamestelling in ag neem nie. Die hoeveelheid waterstof in die skutgas kan groot newe-effekte hê op die plasmagas a.g.v. die hoër ionisasiepotensiaal van waterstof. ’n Oormaat waterstof in die skutgas is ook ’n verkwisting van voermateriaal. Albei die faktore het ’n invloed op die ekonomiese uitvoerbaarheid van die plasmaproses.

Hierdie navorsing het beoog om die optimale skutgassamestelling te vind vir die reaktor wat by Necsa gebruik word vir sferoïedisering. Die werk is uitgevoer met die kommersiële eindige-elementsagtewarepakket COMSOL Multiphysics R. Hierdie rekenaarmodel dui daarop dat die wand beskerm kan word van plasmavorming met ’n waterstof/argon skutgas wat sodoende ook die energieverliese deur die wand verminder. Waterstof verbeter die skutgas se hitte-oordragvermoë, maar verskuif die hittesone weg van die wand af. As gevolg van hierdie twee kompeterende meganismes bestaan daar ’n optimale bedrywingspunt by 3 vol% H2 in die skutgas. Die model is bevestig deur die energiebalans van die model te vergelyk met eksperimentele resultate.