Spheroidization of powders under plasma conditions
Other titre : Sphéroidisation des poudres dans un réacteur à plasma
Publication date
1987Author(s)
Bokhari, Azhar Hussain
Subject
Jets de plasmaAbstract
Résumé: Une étude exhaustive, théorique et expérimentale, est décrite dans cette thèse sur le développement et utilisation des chalumeaux à plasma à courant continu pour le traitement des poudres. L'analyse des phénomènes théoriques concernés dans le développement d'un chalumeau à plasma à courant continu est décrite. Des lignes directrices sont proposées pour la conception d'un chalumeau à plasma de haut rendement. L'étude démontre que la grande majorité de l'énergie perdue dans un chalumeau à plasma se situe surtout au niveau de l'anode bien que seulement 2 à 5% de l'énergie totale est perdue à la cathode. Les pertes anodiques peuvent être minimisées en réduisant la taille physique de l'anode. Parmi les autres paramètres étudiés on retrouve le débit de gaz plasmagène, la distance entre les électrodes, le mode d'injection des gaz dans la chambre du chalumeau, soit une injection axiale ou tangentielle ainsi que la composition chimique du gaz plasmagène. Le chalumeau à plasma développé est utilisé pour la sphéroidisation des poudres réfractaires telles que le nickel et l'aluminium. L'objectif de cette étude expérimentale est d'explorer l'effet de différents paramètres tels que la taille des particules, le débit massique de la poudre ainsi que le mode d'injection de la poudre dans un jet de plasma, soit par une pointe d'injection ou une injection à multi points et finalement la vitesse d'injection ainsi que le niveau de puissance et la composition du gaz plasmagène, soit un mélange d'argon-azote ou d'azote-hydrogène. Les résultats démontrent que la nature et le débit des gaz plasmagènes ainsi que la puissance du plasma contribuent de façon significative à l'efficacité de la sphéroidisation. Les propriétés physiques du matériel traité tel que la chaleur spécifique, sa température de fusion et d'ébullition ainsi que la chaleur latente de fusion ont un effet marquant sur le processus. Il est noté que la distribution de la taille des particules originales subit une légère modification par le traitement plasma dû à l'évaporation des particules ou des fractions de particules fines. Une meilleure efficacité de traitement est notée et obtenue pour de petites particules avec une distribution granulométrique étroite. Une utilisation d'un point d'injection simple semble être adéquate en ce qui concerne la répartition des particules dans le jet de plasma sous les conditions étudiées. Les résultats démontrent que le rapport de charge du gaz en solide a une influence importante sur l'efficacité de la spéroidisation. On a tenté de développer un modèle mathématique pour la simulation du jet de plasma. En absence des particules, le champ, de température d'écoulement dans le jet de plasma est calculé utilisant l'hypothèse de longueur de mélange pour un jet turbulent par l'intermédiaire du code informatique GENMIX. Trois cas sont étudiés pour des jets d'argon-azote, azote-hydrogène et argon-hydrogène. Les résultats semblent être en accord avec les données expérimentales disponibles. Le modèle est ensuite appliqué pour le calcul des trajectoires des particules et leur histogramme de température en tenant compte de l'interaction plasma-particule. Les résultats des calculs théoriques démontrent l'efficacité de sphéroidisation, l'évaporation des particules qui dépend des conditions initiales d'injection des particules dans le jet de plasma, le rapport de charge en particules ainsi que le niveau de puissance du plasma. Les résultats expérimentaux obtenus au troisième chapitre semblent être en accord avec les prédictions de la simulation mathématique. Le cinquième chapitre représente la conclusion de la thèse et énumère les principales contributions de l'étude ainsi que des suggestions pour des travaux futurs. Abstract: A theoretical and experimental study is described in this thesis on the development and use of a d.c. plasma torch for processing of powders. The theoretical criteria for the development of a d.c. plasma torch is laid out. Guidelines are proposed for the design of an efficient d.c. plasma torch. The study demonstrates that most of the energy is lost at the anode, while only 2-5% of the total plasma power is lost at the cathode. The anode lasses can be minimized by reducing the size of anode. Other parameters investigated were the plasma gas flow rate, the electrode spacing, the axial or tangential injection and addition of small percentage of diatomic gases. The developed d.c. torch is employed for the spheroidization of refractory materials such as nickel and alumina powders. The objective of the experimental study is to explore the effect of various parameters such as the particle size, the particle flow rate, the mode of injection whether single or multiport, the injection velocity and the power level as well as the composition of the plasma gas, Ar/N2 or N2/H2. It is established that the nature and flow rate of plasma gas and power input to the plasma contribute significantly to the spheroidization efficiency. The physical properties like specific heat, melting and boiling points, heat of fusion affect markedly the processing. Initial powder feed size and size range may undergo a shift in the final product due to particle evaporation. Smaller size particles and narrow size range are suggested or better efficiencies. Single and multiport injection results show that the former gives adequate efficiency over the range investigated. Loading ratio affects the spheroidization efficiency markedly. An attempt is made to develop a mathematical model for the simulation of the plasma jet. For the simulation of the plasma jet in the absence of particles, the temperature and flow fields are computed using the mixing length turbulent model and GENMIX code. Three cases are studied for argon/nitrogen, nitrogen/hydrogen and argon/hydrogen plasma jets. The predicted results are in good agreement with the available experimental data. The model is extended for the calculation of particle trajectories and thermal histories by taking into account the plasmaparticle inter-action effects. Theoretical calculations demonstrate that the processing efficiency and particle evaporation depends on the initial injection velocity, loading ratio, and power level. The experimental data obtained in Chapter 3 agrees well with the theoretical simulations. The thesis is concluded in the fifth chapter by enumerating the principal contributions of this work and suggestions for future research on the subject.
Collection
- Génie – Thèses [1002]