RU2612293C1 - Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment - Google Patents
Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2612293C1 RU2612293C1 RU2015146719A RU2015146719A RU2612293C1 RU 2612293 C1 RU2612293 C1 RU 2612293C1 RU 2015146719 A RU2015146719 A RU 2015146719A RU 2015146719 A RU2015146719 A RU 2015146719A RU 2612293 C1 RU2612293 C1 RU 2612293C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- carbonitride
- nanopowder
- flow
- stream
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D5/00—Condensation of vapours; Recovering volatile solvents by condensation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
- B22F1/054—Nanosized particles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
- C01B21/076—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with titanium or zirconium or hafnium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2201/00—Treatment under specific atmosphere
- B22F2201/02—Nitrogen
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к нанотехнологии азот-углеродсодержащих соединений титана.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to nanotechnology of nitrogen-carbon containing titanium compounds.
Карбонитрид титана в наносостоянии может быть эффективно использован в композиционном материаловедении, в том числе в составе модифицирующих комплексов алюминиевых, железо-углеродистых, никелевых сплавов [1, с. 84-134; 2, с. 11-17; 3, с. 8-15; 4, с. 10-22]. При этом для реализации преимуществ наноразмерного состояния карбонитрид титана должен удовлетворять следующим требованиям: состав основной фазы TiC0,80-0,95N0,20-0,05, ее содержание - не менее 95,0%; величина удельной поверхности 30000-45000 м2/кг, состояние поверхности частиц, характеризующееся минимальной окисленностью, достигаемое при содержании кислорода 8,0⋅10-7-10,0⋅10-7 кг/м2 поверхности нанопорошка.Titanium carbonitride in the nanostate can be effectively used in composite materials science, including as a part of modifying complexes of aluminum, iron-carbon, nickel alloys [1, p. 84-134; 2, p. 11-17; 3, p. 8-15; 4, p. 10-22]. In order to realize the advantages of the nanoscale state, titanium carbonitride must satisfy the following requirements: the composition of the main phase TiC 0.80-0.95 N 0.20-0.05 , its content - not less than 95.0%; 30000-45000 specific surface area m 2 / kg, the state of surface of the particles, characterized by minimal oxidation achieved at oxygen concentrations 8,0⋅10 -10,0⋅10 -7 -7 kg / m 2 of the surface of the nanopowder.
Известен способ получения нанопорошка карбонитрида титана [5, с. 28-49] в потоке азотной плазмы, генерируемой СВЧ-плазмотроном, из реакционной парогазовой смеси, содержащей пары тетрахлорида титана, водород и углеводороды. Способ обеспечивает получение нанопорошка карбонитрида титана состава TiC0,5-0,7N0,5-0,3 с размером частиц до 50 нм.A known method of producing a nanopowder of titanium carbonitride [5, p. 28-49] in a stream of nitrogen plasma generated by a microwave plasmatron from a reaction gas-vapor mixture containing titanium tetrachloride vapors, hydrogen and hydrocarbons. The method provides for obtaining a nanopowder of titanium carbonitride of the composition TiC 0.5-0.7 N 0.5-0.3 with a particle size of up to 50 nm.
Недостатками способа являются: 1) необходимость использования в качестве исходного титансодержащего сырья тетрахлорида титана, что приводит к ухудшению качества нанопорошка карбонитрида титана вследствие адсорбции им в значительных количествах хлороводорода; 2) высокое содержание примеси свободного углерода, составляющее 5-15%; 3) отсутствие технологических операций, обеспечивающих пассивацию наночастиц карбонитрида титана с целью защиты их от поверхностного окисления, что ограничивает применение нанопорошка карбонитрида титана в модифицировании; 4) лабораторный уровень освоения способа; 5) получение нанопорошка карбонитрида титана в препаративных количествах исключительно для решения исследовательских задач.The disadvantages of the method are: 1) the need to use titanium tetrachloride as the starting titanium-containing raw material, which leads to a deterioration in the quality of titanium carbonitride nanopowder due to its adsorption in significant quantities of hydrogen chloride; 2) a high content of free carbon impurities of 5-15%; 3) the lack of technological operations that ensure the passivation of titanium carbonitride nanoparticles in order to protect them from surface oxidation, which limits the use of titanium carbonitride nanopowder in the modification; 4) the laboratory level of development of the method; 5) the preparation of nanopowders of titanium carbonitride in preparative quantities solely for solving research problems.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ получения нанопорошка карбонитрида титана состава TiC0,1-0,7N0,9-0,3 [6, с. 62-66], включающий карбидизацию титансодержащего порошкообразного сырья углеводородами в плазменном потоке азота с начальной среднемассовой температурой 5500-6500 К. Оптимальные условия, соответствующие скоростям ввода в плазменный поток титансодержащего порошка 7-9, углеводородов - 12-16 м/с, обеспечивают получение карбонитрида в виде нанопорошка с удельной поверхностью 24000-30000 м2/кг и средним размером частиц 40-50 нм, содержащего до 3,4% примеси свободного углерода. Для реализации способа используется лабораторный технологический комплекс, включающий ВЧ-плазмотрон, реактор, узлы подачи сырья и плазмообразующего газа, оборудование для улавливания нанодисперсных продуктов. Титансодержащий порошок из дозатора потоком азота транспортируется в реактор и во взвешенном состоянии вместе с углеводородом вводится в плазму, где формируется реакционная парогазовая смесь заданного состава. Образующиеся продукты на выходе из реактора принудительно охлаждаются сначала азотом или аммиаком, что способствует повышению дисперсности карбонитрида, затем вместе с газовым потоком в теплообменнике и направляются в последовательно расположенные циклон и фильтр, где осаждаются и накапливаются в бункерах.Of the known methods, the closest in technical essence is the method of producing a nanopowder of titanium carbonitride of the composition TiC 0.1-0.7 N 0.9-0.3 [6, p. 62-66], including carbidization of titanium-containing powdery raw materials with hydrocarbons in a plasma nitrogen stream with an initial mass-average temperature of 5500-6500 K. Optimum conditions corresponding to the rates of introduction of a titanium-containing powder into a plasma stream of 7-9, hydrocarbons - 12-16 m / s, provide carbonitride in the form of a nanopowder with a specific surface area of 24000-30000 m 2 / kg and an average particle size of 40-50 nm, containing up to 3.4% free carbon impurities. To implement the method, a laboratory technological complex is used, including an RF plasmatron, a reactor, feed units for plasma and raw gas, equipment for trapping nanodispersed products. The titanium-containing powder from the batcher is transported by a stream of nitrogen into the reactor and, in suspension, is introduced into the plasma together with the hydrocarbon, where a combined-gas reaction mixture of a given composition is formed. The resulting products at the outlet of the reactor are forced to first be cooled with nitrogen or ammonia, which contributes to an increase in the dispersion of carbonitride, then, together with the gas stream in the heat exchanger, they are sent to a cyclone and a filter in series, where they are deposited and accumulate in bins.
Недостатками способа являются: 1) применение в качестве титансодержащего сырья порошка титана крупностью 20-63 мкм, соответствующего марке ПТМ, не перерабатываемого полностью в условиях кратковременности пребывания в плазменном потоке, составляющего 25-50 мс; 2) введение порошкообразного сырья в реактор во взвешенном состоянии, что приводит к укрупнению расплавленных металлических частиц путем коалесценции и коагуляции, ухудшающему условие их испарения и снижающему эффективность переработки; 3) применение крупного порошка титана в условиях плазменного потока обеспечивает лишь поверхностное испарение его частиц, что нарушает заданные соотношения сырьевых компонентов, приводит к непроизводительным потерям сырья, загрязнению карбонитрида свободным (несвязанным) пиролитическим углеродом и значительно снижает его выход; 4) продукты карбонитридообразования двухфазны и содержат крупнодисперсную фракцию в виде непереработанного титансодержащего сырья и нанопорошок карбонитрида титана, что вызывает необходимость выделения первой в циклоне и вывода ее из процесса в отходы; 5) способ не предусматривает технологических операций по пассивации нанопорошка карбонитрида и повышению эффективности его улавливания на фильтре, особенно в период активации фильтра, т.е. в начале работы.The disadvantages of the method are: 1) the use as a titanium-containing raw material of titanium powder with a particle size of 20-63 μm, corresponding to the PTM grade, not fully processed under conditions of short duration of stay in the plasma stream of 25-50 ms; 2) the introduction of powdered raw materials into the reactor in suspension, which leads to the enlargement of molten metal particles by coalescence and coagulation, worsening the condition of their evaporation and reducing the efficiency of processing; 3) the use of coarse titanium powder in a plasma stream provides only surface evaporation of its particles, which violates the specified ratios of the raw materials, leads to unproductive losses of raw materials, carbonitride contamination with free (unbound) pyrolytic carbon and significantly reduces its yield; 4) the products of carbonitride formation are two-phase and contain a coarse fraction in the form of an unprocessed titanium-containing raw material and nanopowder of titanium carbonitride, which necessitates the separation of the former in the cyclone and its removal from the process to waste; 5) the method does not include technological operations for the passivation of carbonitride nanopowder and increase the efficiency of its capture on the filter, especially during the activation of the filter, i.e. at the beginning of work.
Задачами изобретения являются: 1) получение нанопорошка карбонитрида титана с комплексом свойств, обеспечивающих реализацию преимуществ его наноразмерного состояния при применении в качестве модификатора; 2) реализация способа получения нанопорошка карбонитрида титана в промышленном варианте.The objectives of the invention are: 1) obtaining a nanopowder of titanium carbonitride with a set of properties that ensure the realization of the advantages of its nanoscale state when used as a modifier; 2) the implementation of the method for producing nanopowder of titanium carbonitride in an industrial embodiment.
Поставленная задача достигается способом получения нанопорошка карбонитрида титана, включающим генерацию плазменного потока азота, введение в него титансодержащего порошкообразного сырья и газообразного углеводорода, их смешивание, формирование реакционной парогазовой карбонитридообразующей смеси требуемого состава, конденсацию карбонитрида, его принудительное охлаждение и выделение из потока. В качестве титансодержащего сырья используют микропорошок титана крупностью +0,5-5 мкм, в качестве газообразного углеводорода - природный газ с содержанием метана не менее 90,0% об., которые вводят вместе при температуре потока не ниже 5200 К, продукты взаимодействия охлаждают при температуре 2800-2000 К, после чего проводят их пассивацию и коагуляцию парами пропеновой кислоты, вводимой в поток при мольном соотношении титана и пропеновой кислоты 1:(0,025-0,075).The task is achieved by a method of producing nanopowder of titanium carbonitride, including the generation of a plasma stream of nitrogen, the introduction of a titanium-containing powder raw material and gaseous hydrocarbon into it, mixing them, the formation of a reaction gas-vapor carbonitride-forming mixture of the required composition, condensation of carbonitride, its forced cooling and separation from the stream. As a titanium-containing raw material, titanium micropowder with a grain size of + 0.5-5 microns is used; as a gaseous hydrocarbon, natural gas with a methane content of at least 90.0% vol., Which is introduced together at a flow temperature of at least 5200 K, the reaction products are cooled at a temperature of 2800-2000 K, after which they are passivated and coagulated with vapors of propenoic acid introduced into the stream at a molar ratio of titanium to propenoic acid 1: (0.025-0.075).
Новизна изобретения:The novelty of the invention:
- Для получения карбонитрида титана используют микропорошок титана марки ПТМк с размерным диапазоном частиц +0,5-5 мкм.- To obtain titanium carbonitride, PTMk grade micropowder with a particle size range of + 0.5-5 microns is used.
- В качестве газообразного углеводорода - природный газ с содержанием метана не менее 90,0% об., так как при меньшем содержании метана получаемый нанопорошок карбонитрида титана не соответствует заявленным характеристикам по его содержанию и составу.- As a gaseous hydrocarbon, natural gas with a methane content of not less than 90.0% vol., Since with a lower methane content, the resulting titanium carbonitride nanopowder does not meet the declared characteristics for its content and composition.
- Карбидизация титансодержащего порошкообразного сырья углеводородами в плазменном потоке азота с начальной среднемассовой температурой не ниже 5200 К.- Carbidization of titanium-containing powdery raw materials with hydrocarbons in a plasma stream of nitrogen with an initial mass-average temperature of at least 5200 K.
- Принудительное охлаждение продуктов взаимодействия при температуре 2800-2000 К.- Forced cooling of the reaction products at a temperature of 2800-2000 K.
- В осадительную камеру с помощью водоохлаждаемого зонда вводится реагент, пассивирующий и коагулирующий нанопорошок карбонитрида титана. В качестве такого реагента предложена пропеновая кислота. Мольное соотношение титана и пропеновой кислоты 1:(0,025-0,075).- A reagent passivating and coagulating a nanopowder of titanium carbonitride is introduced into the precipitation chamber using a water-cooled probe. Propenic acid is proposed as such a reagent. The molar ratio of titanium to propenoic acid is 1: (0.025-0.075).
Существенность отличий заявленного способа для достижения поставленной задачи подтверждается отсутствием в патентной и научной литературе сведений об аналогичном способе, обладающем такой же совокупностью признаков.The significance of the differences of the claimed method to achieve the task is confirmed by the absence in the patent and scientific literature of information about a similar method with the same set of features.
Совокупность существенных признаков изобретения позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении качества нанопорошка карбонитрида титана; в значительном снижении содержания примеси свободного пиролитического углерода; увеличении выхода нанопорошка карбонитрида титана; в защите наночастиц карбонитрида титана от поверхностного окисления; в повышении эффективности улавливания нанопорошка карбонитрида титана на фильтре.The set of essential features of the invention allows to obtain a new technical result, which consists in improving the quality of the nanopowder of titanium carbonitride; in a significant reduction in the content of impurities of free pyrolytic carbon; increasing the yield of nanopowder of titanium carbonitride; in the protection of titanium carbonitride nanoparticles from surface oxidation; in increasing the efficiency of trapping nanopowder titanium carbonitride on the filter.
Получение нанопорошка карбонитрида титана осуществлялось в плазмотехнологическом комплексе [7, с. 53-65]. Плазмотехнологический комплекс включает трехструйный реактор и системы электро-, газо-, водоснабжения и вентиляции, контрольно-измерительных приборов и автоматики, дозирования шихтовых материалов, улавливания нанодисперсных продуктов и обезвреживания отходящих технологических газов.The nanopowder of titanium carbonitride was obtained in a plasma technological complex [7, p. 53-65]. The plasma-technological complex includes a three-jet reactor and systems of electric, gas, water supply and ventilation, instrumentation and automation, metering of charge materials, capture of nanodispersed products and neutralization of waste process gases.
Для генерации плазменного потока используются три электродуговых подогревателя газа (плазмотрона) ЭДП-104АМ мощностью до 50 кВт каждый, установленные в камере смешения под углом 30° к оси реактора. Плазмотроны ЭДП-104АМ работают на постоянном токе при следующих параметрах электрической дуги: напряжение дуги до 250 В, ток до 200 А. Стабилизация электрической дуги - газовихревая за счет тангенциального ввода плазмообразующего газа через специальное закруточное кольцо. Аноды плазмотронов выполнены медными водоохлаждаемыми с внутренним диаметром 0,008 м с практически неограниченным ресурсом работы при наличии охлаждения и эксплуатации в камере смешения с углом наклона плазменных струй 30°. Катоды плазмотронов состоят из медных водоохлаждаемых корпусов и катодных вставок из торированного вольфрама (для снижения работы выхода электронов) диаметром 0,003 м с ресурсом работы 100-120 часов. Включение плазмотронов осуществляется с помощью осциллятора. В отличие от базовой модели в плазмотронах ЭДП-104АМ в качестве плазмообразующего газа может использоваться азот технической чистоты с содержанием кислорода до 1,5-2,0% об., что в настоящее время соответствует реальному составу поставляемого технического азота. Электропитание плазмотронов осуществляется от тиристорного преобразовательного агрегата серии АТ4-750/600, имеющего крутопадающую вольт-амперную характеристику и следующие рабочие параметры: мощность, кВт - 450; выпрямленное напряжение, В - 600; выпрямленный ток, А - 750; КПД в номинальном режиме, % - 96; напряжение питающей сети, кВ - 6.To generate a plasma stream, three electric arc gas (plasma torch) heaters EDP-104AM with a power of up to 50 kW each, installed in the mixing chamber at an angle of 30 ° to the axis of the reactor, are used. The EDP-104AM plasma torches operate on direct current with the following parameters of the electric arc: arc voltage up to 250 V, current up to 200 A. Stabilization of the electric arc is gas-vortex due to the tangential introduction of plasma-forming gas through a special twist ring. The plasma torch anodes are made of water-cooled copper with an inner diameter of 0.008 m with an almost unlimited service life in the presence of cooling and operation in the mixing chamber with an inclination angle of plasma jets of 30 °. The plasma torch cathodes consist of water-cooled copper housings and thoriated tungsten cathode inserts (to reduce the electron work function) with a diameter of 0.003 m and a service life of 100-120 hours. The inclusion of plasmatrons is carried out using an oscillator. In contrast to the basic model, plasma-type gas EDP-104AM can use nitrogen of technical purity with an oxygen content of up to 1.5-2.0% vol., Which currently corresponds to the actual composition of the supplied technical nitrogen. Power supply of plasmatrons is carried out from a thyristor converter unit of the AT4-750 / 600 series, which has a steeply dropping current-voltage characteristic and the following operating parameters: power, kW - 450; rectified voltage, V - 600; rectified current, A - 750; Efficiency in the nominal mode,% - 96; supply voltage, kV - 6.
Конструкция камеры смешения обеспечивает эффективные ввод в реактор высокодисперсного сырья, перемешивание его с плазменным потоком и практически неограниченный ресурс работы анодов плазмотронов. Камера смешения соединена с секционированным водоохлаждаемым каналом, имеющим внутренний диаметр 0,064 м. Камера смешения и секции реактора выполнены из нержавеющей стали. Подача высокодисперсного сырья в камеру смешения осуществляется с помощью водоохлаждаемой фурмы. Фурма используется также для подачи в реактор газообразного углеводорода. Для снижения радиального градиента температуры в пристеночной зоне канал реактора футеруется изнутри высокотемпературным теплоизоляционным материалом.The design of the mixing chamber ensures efficient input of finely dispersed raw materials into the reactor, its mixing with the plasma stream, and an almost unlimited service life of the plasma torch anodes. The mixing chamber is connected to a partitioned water-cooled channel having an internal diameter of 0.064 m. The mixing chamber and reactor sections are made of stainless steel. The supply of finely divided raw materials to the mixing chamber is carried out using a water-cooled lance. The lance is also used to feed gaseous hydrocarbon into the reactor. To reduce the radial temperature gradient in the wall zone, the reactor channel is lined from the inside with high-temperature heat-insulating material.
Для дозирования порошкообразного сырья применяется дозатор смешанного электромеханического и газовихревого типа периодического действия со съемным цилиндром - приемником порошкообразного сырья, предназначенным для малосыпучего высокодисперсного сырья.For the dosing of powdered raw materials, a batch-type mixed electro-mechanical and gas-vortex type batcher is used with a removable cylinder - a powder raw material receiver intended for low-flowing highly dispersed raw materials.
Система улавливания включает осадительную камеру, где температура технологических газов снижается до 2800-2000 К и улавливается до 10% нанопорошка, и два работающих поочередно рукавных фильтра (улавливающих до 85% нанопорошка). В осадительную камеру с помощью водоохлаждаемого зонда вводится реагент, пассивирующий и коагулирующий нанопорошок карбонитрида титана. Фильтры выполнены с водоохлаждаемым корпусом, регенерацией фильтрующего рукава обратной продувкой сжатым газом (азотом). Фильтрующая ткань - сетка из хромоникелевой стали саржевого плетения.The capture system includes a precipitation chamber, where the temperature of the process gases drops to 2800-2000 K and traps up to 10% of the nanopowder, and two bag filters that work in turn (capture up to 85% of the nanopowder). A reagent passivating and coagulating a nanopowder of titanium carbonitride is introduced into the precipitation chamber using a water-cooled probe. The filters are made with a water-cooled housing, regeneration of the filter sleeve by reverse blowing with compressed gas (nitrogen). The filtering cloth is a mesh of chromium-nickel steel of twill weaving.
Описанный плазмотехнологический комплекс превосходит известные лабораторные и опытно-промышленные варианты по мощности в 4-5 раз, ресурсу работы в 3-4 раза, производительности в 2,5-3,5 раза.The described plasma technology complex surpasses well-known laboratory and experimental industrial options in power by 4-5 times, work life by 3-4 times, productivity by 2.5-3.5 times.
Для пояснения изобретения ниже описаны примеры осуществления способа, а также в Таблице 1 представлены условия осуществления предлагаемого способа получения нанопорошка карбонитрида титана и его физико-химические характеристики.To explain the invention, examples of the method are described below, and Table 1 presents the conditions for the implementation of the proposed method for producing nanopowder of titanium carbonitride and its physicochemical characteristics.
Пример 1. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 93,6% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5200 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2800 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,075 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана соответствует заявленным характеристикам по составу (TiC0,90N0,06), по содержанию основной фазы (95,42%), удельной поверхности (35000 м2/кг), окисленности (4,5⋅10-7 кг кислорода/м2 поверхности нанопорошка).Example 1. Titanium micropowder in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 93.6% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5200 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2800 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.075 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride corresponds to the declared characteristics in terms of composition (TiC 0.90 N 0.06 ), content of the main phase (95.42%), specific surface area (35000 m 2 / kg), oxidation (4.5⋅10 -7 kg oxygen / m 2 nanopowder surface).
Пример 2. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 93,6% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5200 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2400 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,075 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана соответствует заявленным характеристикам по составу (TiC0,85N0,13), по содержанию основной фазы (95,54%), удельной поверхности (34000 м2/кг), окисленности (5,12⋅10-7 кг кислорода/м2 поверхности нанопорошка).Example 2. Micropowder of titanium in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 93.6% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5200 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2400 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.075 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride corresponds to the declared characteristics in terms of composition (TiC 0.85 N 0.13 ), the content of the main phase (95.54%), specific surface area (34000 m 2 / kg), oxidation (5.12⋅10 -7 kg oxygen / m 2 nanopowder surface).
Пример 3. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 93,6% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5200 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2000 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,075 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана соответствует заявленным характеристикам по составу (TiC0,80N0,18), по содержанию основной фазы (95,02%), удельной поверхности (36000 м2/кг), окисленности (5,0⋅10-7 кг кислорода/м2 поверхности нанопорошка).Example 3. The micropowder of titanium in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 93.6% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5200 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2000 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.075 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride meets the declared characteristics in terms of composition (TiC 0.80 N 0.18 ), the content of the main phase (95.02%), specific surface area (36000 m 2 / kg), oxidation (5.0 × 10 -7 kg oxygen / m 2 nanopowder surface).
Пример 4. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 93,6% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5200 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2400 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,15 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана соответствует заявленным характеристикам по составу (TiC0,85N0,13), по содержанию основной фазы (95,32%), удельной поверхности (35000 м2/кг), окисленности (4,8⋅10-7 кг кислорода/м2 поверхности нанопорошка).Example 4. Titanium micropowder in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 93.6% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5200 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2400 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.15 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride corresponds to the declared characteristics in terms of composition (TiC 0.85 N 0.13 ), content of the main phase (95.32%), specific surface area (35000 m 2 / kg), oxidation (4.8 × 10 -7 kg oxygen / m 2 nanopowder surface).
Однако увеличение расхода пропеновой кислоты до 0,15 кг/кг титана не приводит к усилению пассивирующего эффекта.However, an increase in the consumption of propenic acid to 0.15 kg / kg of titanium does not increase the passivating effect.
Пример 5. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 93,6% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5200 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2400 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,0075 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана не соответствует заявленным характеристикам по его содержанию (90,05%) и окисленности (12,5⋅10-7 кг кислорода/м2 поверхности нанопорошка).Example 5. The micropowder of titanium in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 93.6% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5200 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2400 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.0075 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride does not correspond to the declared characteristics in terms of its content (90.05%) and oxidation (12.5 × 10 -7 kg of oxygen / m 2 of the surface of the nanopowder).
Пример 6. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 85,0% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5200 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2400 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,075 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана не соответствует заявленным характеристикам по его содержанию (93,54%).Example 6. Micropowder of titanium in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 85.0% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5200 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2400 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.075 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride does not meet the declared characteristics for its content (93.54%).
Пример 7. Микропорошок титана в количестве 4,86 кг/ч и природный газ, содержащий 93,6% об. метана, в количестве 2,3 кг/ч вводятся в плазменный поток азота при температуре 5000 К, смешиваются и взаимодействуют, далее продукты взаимодействия подвергаются принудительному охлаждению с температуры 2400 К до 1000 К, после чего пассивируются и коагулируются парами пропеновой кислоты, вводимой в поток в осадительной камере в количестве 0,075 кг/кг титана. Получаемый нанопорошок карбонитрида титана не соответствует заявленным характеристикам по его содержанию (90,12%).Example 7. Micropowder of titanium in the amount of 4.86 kg / h and natural gas containing 93.6% vol. 2.3 kg / h of methane are introduced into the plasma stream of nitrogen at a temperature of 5000 K, mixed and reacted, then the reaction products are subjected to forced cooling from a temperature of 2400 K to 1000 K, after which they are passivated and coagulated by vapors of propenic acid introduced into the stream in a precipitation chamber in an amount of 0.075 kg / kg of titanium. The resulting nanopowder of titanium carbonitride does not correspond to the declared characteristics by its content (90.12%).
Оптимальное сочетание заявленных характеристик нанопорошка карбонитрида титана достигается в примерах 1-4, что подтверждает технологическую целесообразность применения микропорошка титана крупностью +0,5-5 мкм вместо порошка титана крупностью 20-63 мкм, природного газа - вместо пропан-бутановой смеси, снижение начальной температуры плазменного потока до 5200 К, принудительного охлаждения продуктов взаимодействия при температуре 2800-2000 К и проведения их пассивации и коагуляции парами пропеновой кислоты.The optimal combination of the claimed characteristics of titanium carbonitride nanopowder is achieved in examples 1-4, which confirms the technological feasibility of using titanium micropowder with a grain size of + 0.5-5 microns instead of titanium powder with a particle size of 20-63 microns, natural gas instead of a propane-butane mixture, lowering the initial temperature plasma flow up to 5200 K, forced cooling of the reaction products at a temperature of 2800-2000 K and their passivation and coagulation with vapors of propenic acid.
Нанопорошок карбонитрида титана исследовали с помощью рентгеновского, химического и электронно-микроскопического методов анализа. Удельная поверхность определялась методом БЭТ.Titanium carbonitride nanopowder was investigated using x-ray, chemical and electron microscopic methods of analysis. The specific surface was determined by the BET method.
Список источников информацииList of sources of information
1. Жуков М.Ф. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза / М.Ф. Жуков [и др.]. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - С. 84-134.1. Zhukov M.F. Hardening of metal, polymer and elastomeric materials with ultrafine plasmochemical synthesis powders / M.F. Zhukov [et al.]. - Novosibirsk: Science. Siberian Publishing Company RAS, 1999. - S. 84-134.
2. Кузнецов В.А. Влияние ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.16.06 / Кузнецов Виктор Анатольевич. - Красноярск, 2013. - С. 11-17.2. Kuznetsov V.A. The effect of ultrafine powders of refractory materials on the properties of cast products from ferrous and non-ferrous metals and alloys: abstract. dis. for a job. scientist step. Cand. tech. Sciences: 05.16.06 / Kuznetsov Viktor Anatolevich. - Krasnoyarsk, 2013 .-- S. 11-17.
3. Решетникова С.Н. Применение нанопорошков химических соединений для повышения качества металлоизделий: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.02.08 / Решетникова Светлана Николаевна. - Красноярск, 2008. - С. 8-15.3. Reshetnikova S. N. The use of nanopowders of chemical compounds to improve the quality of metal products: abstract. dis. for a job. scientist step. Cand. tech. Sciences: 05.02.08 / Reshetnikova Svetlana Nikolaevna. - Krasnoyarsk, 2008 .-- S. 8-15.
4. Комшуков В.П. Разработка и совершенствование тепловых режимов формирования слитка для повышения качества сортовой заготовки: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.16.02 / Комшуков Валерий Павлович. - Новокузнецк, 2009. - С. 10-22.4. Komshukov V.P. Development and improvement of thermal conditions of the formation of the ingot to improve the quality of high-quality billets: abstract. dis. for a job. scientist step. Cand. tech. Sciences: 05.16.02 / Komshukov Valeriy Pavlovich. - Novokuznetsk, 2009 .-- S. 10-22.
5. Троицкий В.Н. Синтез нитридов в плазме СВЧ-разряда / В.Н. Троицкий [и др.]. // Плазмохимические реакции и процессы: сб. науч. тр. - М., 1977. - С. 28-49.5. Troitsky V.N. Synthesis of nitrides in microwave plasma / V.N. Troitsky [et al.]. // Plasma-chemical reactions and processes: Sat. scientific tr - M., 1977 .-- S. 28-49.
6. Залите И.В. Образование карбонитридных фаз титана в высокотемпературном потоке азота / И.В. Залите [и др.] // Физика и химия обработки материалов. - 1980. - №1. - С. 62-66.6. Pour IV The formation of titanium carbonitride phases in a high temperature nitrogen stream / I.V. Pour [et al.] // Physics and chemistry of material processing. - 1980. - No. 1. - S. 62-66.
7. Ноздрин И.В. Плазмометаллургические технологии в производстве боридов и карбидов хрома: монография. В 2-х частях. Ч. 1. Плазменный синтез карбида хрома / И.В. Ноздрин, Л.С. Ширяева, В.В. Руднева, Г.В. Галевский; Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2013. - С. 53-65.7. Nozdrin I.V. Plasma-metallurgical technologies in the production of borides and chromium carbides: a monograph. In 2 parts. Part 1. Plasma synthesis of chromium carbide / I.V. Nozdrin, L.S. Shiryaeva, V.V. Rudneva, G.V. Galevsky; Sib. state industry un-t - Novokuznetsk: Publishing. Center of SibGIU, 2013 .-- S. 53-65.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015146719A RU2612293C1 (en) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015146719A RU2612293C1 (en) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2612293C1 true RU2612293C1 (en) | 2017-03-06 |
Family
ID=58459699
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015146719A RU2612293C1 (en) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2612293C1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030102099A1 (en) * | 2001-08-08 | 2003-06-05 | Tapesh Yadav | Nano-dispersed powders and methods for their manufacture |
| RU2011153457A (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-10 | Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН | COMPOSITION NANOPOWDER AND METHOD FOR PRODUCING IT |
-
2015
- 2015-10-29 RU RU2015146719A patent/RU2612293C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030102099A1 (en) * | 2001-08-08 | 2003-06-05 | Tapesh Yadav | Nano-dispersed powders and methods for their manufacture |
| RU2011153457A (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-10 | Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН | COMPOSITION NANOPOWDER AND METHOD FOR PRODUCING IT |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DONNA D. HARBUCK et al, Gas-Phase Production of Titanium Nitride and Carbide Powders, "Journal of Metals", September 1986, p.p.47-50. YU ZUO-LONG et al, Development of Plasma Technology For High Performance Carbon Materials From Natural Gas, "Journal of Natural Gas Chemistry", 1997, Vol.6, No.3, p.p.175, 184-185. * |
| ЗАЛИТЕ И.В. и др., Образование карбонитридных фаз титана в высокотемпературном потоке азота, "Физика и химия обработки материалов", 1980, N1, стр.62-66. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1182456A (en) | Fast quench reactor and method | |
| JP5133065B2 (en) | Inductive plasma synthesis of nanopowder | |
| US8092570B2 (en) | Method for producing titanium metal | |
| Wang et al. | Preparation of ultrafine Mo powders via carbothermic pre-reduction of molybdenum oxide and deep reduction by hydrogen | |
| US20030108459A1 (en) | Nano powder production system | |
| RU2406592C2 (en) | Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron | |
| JP2004036005A (en) | Fine and ultrafine metal powder | |
| WO2008127377A2 (en) | Production of high purity ultrafine metal carbide particles | |
| US20030102207A1 (en) | Method for producing nano powder | |
| CA3087155A1 (en) | Refining process for producing solar silicon, silicon carbide, high-purity graphite and hollow silica microspheres | |
| RU2612293C1 (en) | Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment | |
| RU2593061C1 (en) | Method of obtaining ultra-disperse powders of titanium | |
| KR20180136941A (en) | METHOD FOR PRODUCING METAL POWDER | |
| CN1491740A (en) | Device and method for heat synthesis | |
| RU2434807C1 (en) | Method of producing nanopowder of carbon-element systems | |
| Shiryaeva et al. | A study on the production of titanium carbide nano-powder in the nanostate and its properties | |
| EP3565782A1 (en) | Refining process for producing solar silicon, silicon carbide, high-purity graphite and hollow silica microspheres | |
| Nel et al. | The manufacturing of nanoparticles with a plasma process | |
| RU2414993C2 (en) | Method of producing nanopowder using low-pressure transformer-type induction charge and device to this end | |
| RU2494041C1 (en) | Method of producing nano-size aluminium nitride powder | |
| CN115365511B (en) | Gas-phase reduction and collection device and method for narrow-distribution superfine molybdenum powder | |
| Samokhin et al. | Characteristics of heat and mass transfer to the wall of a confined-jet plasma flow reactor in the processes of nanopowder preparation from metals and their compounds | |
| RU2327638C1 (en) | Method of producing silicon carbide nano powder | |
| Hamblyn et al. | Use of radio-frequency plasma in chemical synthesis | |
| JP4545357B2 (en) | Method for producing aluminum nitride powder |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181030 |