RU2175988C1

RU2175988C1 - Titanium carbide production process

Info

Publication number: RU2175988C1
Application number: RU2000110870A
Authority: RU
Inventors: С.В. Александровский; Д.В. Ли
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (Технический университет)
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2001-11-20

Abstract

FIELD: refractory materials. SUBSTANCE: titanium powders are brought into interaction with soot carbon after preliminary keeping in vacuum at 200-300 C for 60-120 h. Mixture is then continuously fed into reaction zone of apparatus at 885-1000 C. EFFECT: avoided necessity of complex equipment and emission or reaction gases, enabled productivity (by 2-3 times) and reduced (by 25-30%) cost price of carbide product. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии тугоплавких металлов, в частности к получению карбидов титана, которые являются базовыми материалами, применяемыми в передовых и наукоемких технологиях. Они широко используются при изготовлении режущего инструмента взамен карбидов вольфрама, в защитных покрытиях на инструментах и изделиях, в качестве наполнителей алмазных абразивных паст, а также для производства спецсталей и сплавов. The invention relates to the field of metallurgy of refractory metals, in particular to the production of titanium carbides, which are the basic materials used in advanced and high technology. They are widely used in the manufacture of cutting tools instead of tungsten carbides, in protective coatings on tools and products, as fillers for diamond abrasive pastes, and also for the production of special steels and alloys.

Известны способы получения карбида титана путем нагрева порошкообразных оксида титана и сажи в угольных печах в атмосфере водорода при 2250^oC, конечный продукт содержит 20-20,5% углерода, из которых 1,5-2,0% находятся в виде графита (Киффер P., Бензовский Ф. Твердые материалы. М., Металлургия, 1968). Недостаток этого метода - наличие относительно большого количества свободного углерода (в продуктах восстановления) и сложное аппаратурное оформление процесса.Known methods for producing titanium carbide by heating powdered titanium oxide and soot in coal furnaces in a hydrogen atmosphere at 2250 ^o C, the final product contains 20-20.5% carbon, of which 1.5-2.0% are in the form of graphite (Kieffer P., Benzovsky F. Solid materials. M., Metallurgy, 1968). The disadvantage of this method is the presence of a relatively large amount of free carbon (in the reduction products) and the complex hardware design of the process.

Известен способ приготовления дисперсных порошков карбида титана путем взаимодействия органических соединений титана и полимеров с последующим нагревом образующихся продуктов (патент США N 4622215 от 11.11.1986). Содержание углерода связанного не приводится, производительность процесса низка. A known method of preparing dispersed titanium carbide powders by the interaction of organic titanium compounds and polymers, followed by heating the resulting products (US patent N 4622215 from 11.11.1986). The carbon content of the bound is not given, the productivity of the process is low.

Известен метод механического легирования [E1 - Eskandarany N. Met. and Materials. Trans. AE Mat. Trans. A. I. 1966. 27. N 8. P.2374-2378]. Исходная шихта из порошков титана и сажи измельчалась в агатовой мельнице при комнатной температуре, в конечном продукте свободных атомов углерода и сажи не обнаружено. Недостаток метода - образование карбида титана нестехиометрического состава. The known method of mechanical alloying [E1 - Eskandarany N. Met. and Materials. Trans. AE Mat. Trans. A. I. 1966. 27. N 8. P.2374-2378]. The initial mixture of titanium and soot powders was ground in an agate mill at room temperature; no free carbon and soot atoms were found in the final product. The disadvantage of this method is the formation of titanium carbide of non-stoichiometric composition.

В качестве прототипа предлагаемого способа выбран метод получения карбида титана самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), заключающийся в следующем. Исходные компоненты - металлические порошки и сажистый углерод - тщательно перемешивают, брикетируют и помещают в реактор. Процесс инициируют при помощи запального устройства, при этом протекает реакция карбидизации при температуре выше 1600^oC, продолжительность охлаждения 2 часа, за смену получают 20 кг карбида титана [Кипарисов С.С. и др. Карбиды титана. М., Металлургия, 1987, с.259].As a prototype of the proposed method, a method for producing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is selected, which is as follows. The starting components — metal powders and carbon black — are thoroughly mixed, briquetted, and placed in a reactor. The process is initiated using the ignition device, while the carbidization reaction proceeds at a temperature above 1600 ^o C, the cooling time is 2 hours, 20 kg of titanium carbide is obtained per shift [S. Kiparisov. et al. Titanium carbides. M., Metallurgy, 1987, p. 259].

Недостаток прототипа: подготовительный цикл характеризуется многочисленными операциями (прессование брикетов, монтаж запального устройства и др.); относительно сложное аппаратурное оформление (герметичная бомба - реактор) и низкая цикловая производительность; проблемы работы с реакционными газами при высоком давлении. В целом эти обстоятельства приводят к высоким трудозатратам всего технологического цикла. The disadvantage of the prototype: the preparatory cycle is characterized by numerous operations (pressing briquettes, installation of an ignition device, etc.); relatively sophisticated hardware design (sealed bomb - reactor) and low cyclic productivity; problems with high pressure reaction gases. In general, these circumstances lead to high labor costs of the entire technological cycle.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и, как следствие, техническим результатом - увеличение производительности процесса. The objective of the invention is to remedy these disadvantages and, as a result, the technical result is an increase in process productivity.

Технический результат достигается способом получения карбида титана взаимодействием титановых порошков с сажистым углеродом, при этом исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме при 200-300^oC в течение 60-120 мин, после чего непрерывно подают в реакционную зону аппарата при 885-1000^oC.The technical result is achieved by the method of producing titanium carbide by the interaction of titanium powders with carbon black, while the initial mixture is preliminarily kept in vacuum at 200-300 ^o C for 60-120 min, then continuously fed into the reaction zone of the apparatus at 885-1000 ^o C.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Исходные титановые порошки и сажистый углерод адсорбируют на своей поверхности некоторое количество кислорода и влагу из атмосферного воздуха. При быстром нагреве шихты, что имеет место в СВС процессе, происходит окисление металлического титана, поверхность порошков пассивируется и металл теряет свои активные свойства. В конечном итоге процесс синтеза протекает недостаточно полно и образуется карбид титана, содержащий до 2% свободного углерода. The essence of the proposed method is as follows. The initial titanium powders and soot carbon adsorb on their surface a certain amount of oxygen and moisture from atmospheric air. With rapid heating of the charge, which takes place in the SHS process, titanium metal is oxidized, the surface of the powders is passivated, and the metal loses its active properties. In the end, the synthesis process is not complete enough and titanium carbide is formed, containing up to 2% of free carbon.

В предлагаемом способе исходные компоненты предварительно нагреваются в вакууме, что способствует удалению адсорбированного кислорода и влаги. Титановые порошки приобретают активные свойства, их реакционная способность возрастает. Вследствие этого, когда такая шихта поступает в горячую реакционную зону аппарата, синтез будет протекать наиболее полно с высокой скоростью с образованием карбида стехиометрического состава при минимальном содержании непрореагировавшего свободного углерода. Кроме того, предварительное удаление из исходной шихты адсорбированных газов при нагреве до 200-300^oC снижает выделение газов в объеме реактора и уменьшает общее давление в аппарате. Таким образом, непрерывная подача обезгаженных исходных компонентов в аппарат, имеющий свободный объем (типа промышленного реактора для производства губчатого титана), позволит осуществить получение карбида титана с высокой скоростью.In the proposed method, the starting components are preheated in vacuum, which helps to remove adsorbed oxygen and moisture. Titanium powders acquire active properties, their reactivity increases. As a result, when such a charge enters the hot reaction zone of the apparatus, the synthesis will proceed most fully with a high speed with the formation of stoichiometric carbide with a minimum content of unreacted free carbon. In addition, preliminary removal of adsorbed gases from the initial charge upon heating to 200-300 ^o C reduces the evolution of gases in the reactor volume and reduces the total pressure in the apparatus. Thus, the continuous supply of degassed starting components to the apparatus having a free volume (such as an industrial reactor for the production of sponge titanium) will allow the production of titanium carbide with high speed.

Выбор технологических параметров обусловлен следующим. Предварительный нагрев исходной шихты в вакууме при температуре ниже 200^oC не позволяет максимально удалить адсорбированные газы и влагу, что снизит количество углерода связанного и увеличит содержание углерода свободного в получаемом карбиде титана, при этом производительность процесса уменьшится. С другой стороны, повышение температуры дегазации выше 300^oC может привести к взаимодействию остаточных количеств газов с металлическим титаном, запассивировать его поверхность, при этом также возможно неполное взаимодействие исходных компонентов, в продуктах синтеза возрастает количество углерода свободного, производительность реактора снижается.The choice of technological parameters is due to the following. Pre-heating the initial charge in vacuum at a temperature below 200 ^o C does not allow the maximum removal of adsorbed gases and moisture, which will reduce the amount of carbon bound and increase the carbon content of free in the resulting titanium carbide, while the productivity of the process will decrease. On the other hand, an increase in the temperature of degassing above 300 ^o C can lead to the interaction of residual gases with metallic titanium, to passivate its surface, it is also possible incomplete interaction of the starting components, the amount of free carbon in the synthesis products increases, and the reactor productivity decreases.

Проведение дегазации порошков менее 60 мин не приведет к удалению кислородсодержащих примесей, поверхность порошков будет пассивной и в карбиде будет присутствовать свободный углерод; при этом скорость процесса снижается. В случае увеличения выдержки более 120 мин производительность реактора снижается. Carrying out the degassing of powders for less than 60 minutes will not remove oxygen-containing impurities, the surface of the powders will be passive and free carbon will be present in the carbide; while the speed of the process decreases. If the shutter speed increases for more than 120 minutes, the reactor productivity decreases.

Подача дегазированной шихты в реактор при температуре ниже 885^oC не позволит осуществить полный синтез карбида титана, продукты реакции будут содержать непрореагировавший углерод, производительность аппарата падает. При увеличении температуры выше 1000^oC возможно загрязнение продуктов реакции железом, что также способствует снижению производительности процесса.The supply of a degassed charge to the reactor at a temperature below 885 ^o C will not allow for the complete synthesis of titanium carbide, the reaction products will contain unreacted carbon, the productivity of the apparatus decreases. When the temperature rises above 1000 ^o C, contamination of the reaction products with iron is possible, which also contributes to a decrease in the process productivity.

Пример. Опыты проводили на установке, состоящей из реактора с крышкой и реакционного стакана из графита; на крышке реактора установлен герметичный дозатор с нагревателями. Обогрев реактора осуществляли при помощи шахтной электропечи, в случае необходимости производили воздушное охлаждение реактора. В дозатор загружали исходную шихту, состоящую из титановых порошков и сажистого углерода, и производили вакуумирование дозатора при одновременном нагреве шихты. После удаления с поверхности шихты адсорбированных газов осуществляли непрерывную подачу ее в нагретый до 885-1000^oC реакционный стакан. Температуру в реакторе поддерживали в заданном интервале путем подачи воздуха для охлаждения стенок реактора и скоростью загрузки шихты. После окончания подачи реагентов аппарат охлаждали, демонтировали, полученные продукты анализировали на содержание углерода связанного и свободного. Результаты опытов приведены в таблице.Example. The experiments were carried out on a setup consisting of a reactor with a lid and a reaction beaker made of graphite; A sealed dispenser with heaters is installed on the reactor lid. The reactor was heated using a shaft electric furnace; if necessary, the reactor was air-cooled. An initial charge consisting of titanium powders and carbon black was loaded into the batcher, and the batcher was evacuated while the charge was heated. After removal of adsorbed gases from the charge surface, it was continuously fed into a reaction beaker heated to 885-1000 ^° C. The temperature in the reactor was maintained in a predetermined range by supplying air to cool the walls of the reactor and the charge loading rate. After the supply of reagents was completed, the apparatus was cooled, dismantled, the products obtained were analyzed for the carbon content of bound and free. The results of the experiments are shown in the table.

Полученные данные позволяют сделать заключение о техническом эффекте предлагаемого способа - осуществление синтеза карбида титана с предварительной дегазацией шихты и непрерывной подачей ее в нагретый аппарат позволяет достигнуть высокой производительности процесса (в 2-3 раза). The data obtained make it possible to draw a conclusion about the technical effect of the proposed method — the synthesis of titanium carbide with preliminary degassing of the charge and its continuous supply into a heated apparatus allows achieving a high productivity of the process (2-3 times).

Экономический эффект заключается в использовании простой аппаратуры (типа промышленного реактора для магниетермического производства титана), что позволит снизить стоимость карбида (на 30-50%). The economic effect consists in the use of simple equipment (such as an industrial reactor for the magnetothermal production of titanium), which will reduce the cost of carbide (by 30-50%).

Claims

A method of producing titanium carbide by the interaction of titanium powders with carbon black, characterized in that the initial mixture is previously kept in vacuum at 200-300 ^o C for 60-120 min, then continuously fed into the reaction zone of the apparatus at 885-1000 ^o C.