RU2406592C2 - Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron - Google Patents

Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron Download PDF

Info

Publication number
RU2406592C2
RU2406592C2 RU2009106503/02A RU2009106503A RU2406592C2 RU 2406592 C2 RU2406592 C2 RU 2406592C2 RU 2009106503/02 A RU2009106503/02 A RU 2009106503/02A RU 2009106503 A RU2009106503 A RU 2009106503A RU 2406592 C2 RU2406592 C2 RU 2406592C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
nanopowder
nanopowders
gas
feedstock
Prior art date
Application number
RU2009106503/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009106503A (en
Inventor
Игорь Максимович Уланов (RU)
Игорь Максимович Уланов
Артем Юрьевич Литвинцев (RU)
Артем Юрьевич Литвинцев
Михаил Витальевич Исупов (RU)
Михаил Витальевич Исупов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН
Priority to RU2009106503/02A priority Critical patent/RU2406592C2/en
Publication of RU2009106503A publication Critical patent/RU2009106503A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2406592C2 publication Critical patent/RU2406592C2/en

Links

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to plasma chemical synthesis using transformer plasmatron to produce high-quality nanopowders of diverse substances. In compliance with this method, initial stock is fed in liquid or vaporous state, or gaseous state in induction discharge or in plasma jet. Plasma chemical reaction is performed at 1.01×105 Pa and higher, induction discharge frequency of 100-400 kHz and temperature of up to 10000 °C in atmosphere of reducing or oxidising gas. Produced powder is tempered and extracted from reaction zone. Proposed device comprises initial stock feed system, transformer plasmatron, nanopowders tempering system, water-cooled chamber, bag filter and nanopowders collector, all being interconnected.
EFFECT: high-quality nanopowders, efficiency, simple design, safe use.
5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазмохимической промышленности, в том числе к плазмохимическому синтезу с применением плазмотрона трансформаторного типа, позволяющему организовать производство порошков металлов (вольфрама, молибдена, ванадия, кремния, алюминия, серебра и др.) и других веществ, и их соединений (оксидов, нитридов, боридов и карбидов) с размерами не более 80 нм, пригодных для использования в различных областях промышленности и техники.The invention relates to the plasmachemical industry, including plasmachemical synthesis using a transformer type plasmatron, which makes it possible to organize the production of metal powders (tungsten, molybdenum, vanadium, silicon, aluminum, silver, etc.) and other substances and their compounds (oxides, nitrides , borides and carbides) with sizes not exceeding 80 nm, suitable for use in various fields of industry and technology.

Проблема получения нанопорошков веществ и их соединений решается в мировой практике самыми разнообразными методами (раздельно и в комбинациях). Плазмохимический метод получения нанопорошков имеет преимущества перед другими способами по высокой производительности, и, кроме того, с его помощью можно получать очень широкий спектр материалов, причем таких, которые по-другому получить просто нельзя, в частности, тугоплавкие металлы и соединения (в том числе твердые сплавы). Суть метода заключается в том, что если поместить в поток плазмы нужный нам материал, вплоть до самых тугоплавких (вольфрам, тантал и т.д.), то с ним начинают происходить физические и химические превращения. Все это происходит за чрезвычайно короткое время - сотые и даже тысячные доли секунды. При этом возникает резкий перепад температур, до 105-107 градусов в секунду. В результате материал очень быстро охлаждается и кристаллизуется. Причем можно создать такие условия, что эта кристаллизация будет происходить в виде наночастиц. В результате экспериментов выяснилось, что таким способом можно получить широчайший спектр материалов с размером частиц от 10 до 100 нм.The problem of obtaining nanopowders of substances and their compounds is solved in world practice by a variety of methods (separately and in combinations). The plasma-chemical method for producing nanopowders has advantages over other methods for high productivity, and, in addition, it can be used to obtain a very wide range of materials, which cannot be obtained differently, in particular refractory metals and compounds (including hard alloys). The essence of the method is that if we put the material we need into the plasma stream, up to the most refractory ones (tungsten, tantalum, etc.), then physical and chemical transformations begin to occur with it. All this happens in an extremely short time - hundredths and even thousandths of a second. In this case, a sharp temperature difference occurs, up to 10 5 -10 7 degrees per second. As a result, the material cools and crystallizes very quickly. Moreover, it is possible to create such conditions that this crystallization will occur in the form of nanoparticles. As a result of the experiments, it turned out that in this way you can get the widest range of materials with particle sizes from 10 to 100 nm.

Существует четыре различных метода получения порошков плазмохимическим способом [Плазмохимическая технология / В.Д.Пархоменко, П.И.Сорока и др. - Новосибирск: Наука. 1991. - 392 с. - (Низкотемпературная плазма. Т.4)]: переработка газообразных соединений; переработка жидких диспергированных соединений; переработка твердых частиц, взвешенных в потоке плазмы; переработка твердых частиц в стационарном слое.There are four different methods for producing powders by the plasma-chemical method [Plasma-chemical technology / V.D.Parkhomenko, P.I. Soroka et al. - Novosibirsk: Science. 1991 .-- 392 p. - (Low-temperature plasma. T.4)]: processing of gaseous compounds; processing liquid dispersed compounds; processing of solid particles suspended in a plasma stream; processing of solid particles in a stationary layer.

Для нагрева исходного материала в плазмохимических методах используются как дуговые (электродные), так и безэлектродные плазматроны, в которых подвод энергии в плазму разряда осуществляется без использования электродов. При этом безэлектродные плазматроны имеют ряд существенных преимуществ перед дуговыми: существенно больший ресурс работы; высокая чистота плазмы и получаемого порошка (не загрязняются продуктами эрозии электродов); возможность работы с агрессивными химическими веществами (например, синтез нанопорошков оксидов из хлоридов).To heat the starting material in plasma-chemical methods, both arc (electrode) and electrodeless plasmatrons are used, in which energy is supplied to the discharge plasma without using electrodes. At the same time, electrodeless plasmatrons have a number of significant advantages over arc ones: a significantly longer service life; high purity of plasma and the resulting powder (not contaminated by erosion products of electrodes); the ability to work with aggressive chemicals (for example, the synthesis of nanopowders of oxides from chlorides).

В настоящее время для получения нанопорошков в плазме используют безэлектродные индукционные плазматроны двух типов: ВЧ либо СВЧ плазмотроны.Currently, two types of electrodeless induction plasmatrons are used to obtain nanopowders in plasma: high-frequency or microwave plasmatrons.

Известны способ и установка для получения нанопорошков оксидов металлов [Патент US 6994837, 2003.02.25, МПК C01G 23/047; B01J 23/00; C01G 25/02; C01G 27/02]. Установка включает плазменный реактор и фильтр. Плазменный реактор включает ВЧ-плазмотрон, камеру реактора, состоящую из вертикальной цилиндрической секции и суживающейся секции, предназначенной для сбора синтезированного нанопорошка оксида металла. Рабочий газ и металлический порошок подаются в камеру плазмотрона через два разных входа. В струе плазмы создается температура, при которой происходит реакция с образованием наноразмерных частиц оксида металла, которые затем быстро охлаждаются в зоне охлаждения продуктов реакции путем подачи охлаждающего газа (воздух, кислород, азот) через множество плоских сопел, расположенных в одной плоскости ниже верхней кромки вертикальной цилиндрической секции камеры реактора.A known method and installation for producing nanopowders of metal oxides [Patent US 6994837, 2003.02.25, IPC C01G 23/047; B01J 23/00; C01G 25/02; C01G 27/02]. The installation includes a plasma reactor and a filter. The plasma reactor includes an HF plasmatron, a reactor chamber, consisting of a vertical cylindrical section and a tapering section, designed to collect the synthesized nanopowder of metal oxide. The working gas and metal powder are fed into the plasma torch chamber through two different inlets. A temperature is created in the plasma jet at which a reaction occurs with the formation of nanosized metal oxide particles, which are then rapidly cooled in the cooling zone of the reaction products by supplying a cooling gas (air, oxygen, nitrogen) through many flat nozzles located in the same plane below the upper edge of the vertical cylindrical section of the reactor chamber.

Достоинствами указанного изобретения являются: использование минимальной мощности разряда формирования индукционной плазмы, 30 кВт, и минимально возможной частоты, 3 МГц; создание интенсивной турбулизации, 20-30%, в зоне закалки продуктов реакции за счет особенностей организации вдува потока газа.The advantages of this invention are: the use of the minimum discharge power of the formation of induction plasma, 30 kW, and the lowest possible frequency, 3 MHz; creation of intensive turbulization, 20-30%, in the zone of hardening of reaction products due to the peculiarities of the organization of injection of a gas stream.

К недостаткам можно отнести то, что изобретение предназначено для производства ограниченного ряда нанопорошков, а именно нанопорошков оксидов металлов.The disadvantages include the fact that the invention is intended for the production of a limited number of nanopowders, namely nanopowders of metal oxides.

Основным недостатком установок с ВЧ-индукционными плазматронами является то, что требуется применение дорогостоящих высокочастотных источников питания, а также защитных экранов, так как генерация разряда осуществляется при частоте тока мегагерцевого диапазона.The main disadvantage of installations with RF induction plasmatrons is that they require the use of expensive high-frequency power supplies, as well as protective shields, since the discharge is generated at a current frequency of the megahertz range.

Известна установка для получения нанодисперсных порошков [Патент РФ 2311225, 2006.04.05, МПК B01J 19/00], состоящая из связанных между собой плазмотрона, узла ввода газообразного, жидкого или порошкообразного сырья, реактора, фильтра и узла очистки отходящих газов.A known installation for producing nanodispersed powders [RF Patent 2311225, 2006.04.05, IPC B01J 19/00], consisting of interconnected plasmatrons, an input unit for gaseous, liquid or powder raw materials, a reactor, a filter, and an exhaust gas purification unit.

Реактор имеет определенные соотношения геометрических размеров, связывающие выходной диаметр сопла плазмотрона, диаметр и длину реактора. Ввод сырья вынесен за пределы канала истечения плазмы в реактор. Поверхности реактора, на которых осаждается получаемый нанопорошок, имеют специальные очистители для удаления нанопорошка. Удаление отложений нанопорошка с разных поверхностей реактора осуществляется в разные сборники, исключая тем самым возможность попадания спеков порошка. Реактор позволяет повысить температуру плазмы для осуществления процессов, не допуская при этом спекания получаемых нанопорошков, получить нанопорошок без загрязнения грубодисперсными включениями спеков. В установке может быть использован дуговой, ВЧ, СВЧ-генератор или их комбинация.The reactor has certain ratios of geometric dimensions, connecting the output diameter of the plasma torch nozzle, the diameter and length of the reactor. The input of raw materials is taken outside the channel of the plasma flow into the reactor. The reactor surfaces on which the resulting nanopowder is deposited have special cleaners to remove the nanopowder. Removal of nanopowder deposits from different surfaces of the reactor is carried out in different collectors, thereby eliminating the possibility of ingress of powder cakes. The reactor allows you to increase the temperature of the plasma for the implementation of the processes, while preventing sintering of the resulting nanopowders, to obtain a nanopowder without contamination with coarse inclusions of cakes. In the installation, an arc, RF, microwave generator, or a combination thereof can be used.

Установка позволяет получать широкий круг нанопорошков элементов и их соединений из различных видов сырья, без зарастания плазменного реактора спекающимся нанопорошком, а также без загрязнения нанопорошка грубодисперсными включениями спеков. Предложенная конструкция реактора позволяет повысить температуру плазмы для осуществления процессов, требующих высокой температуры их осуществления, не допуская при этом спекания получаемых нанопорошков.The facility allows one to obtain a wide range of nanopowders of elements and their compounds from various types of raw materials, without overgrowing the plasma reactor with sintering nanopowders, and also without contaminating the nanopowder with coarse particulate inclusions. The proposed reactor design makes it possible to increase the plasma temperature for the implementation of processes requiring a high temperature for their implementation, while avoiding sintering of the resulting nanopowders.

Основным недостатком СВЧ плазматрона является относительно невысокий срок службы магнетрона, несколько тысяч часов.The main disadvantage of the microwave plasmatron is the relatively low life of the magnetron, several thousand hours.

К общим недостаткам установок с СВЧ и ВЧ плазмотронами следует отнести образование на нагреваемых кварцевых стенках камер плазмотронов, а также стенках реакционных камер спеков нанопорошка, нарушающих установленный режим работы аппаратуры. Это приводит к снижению выхода целевого нанопорошка и его загрязнению крупнодисперсными включениями. Дополнительные устройства очистки стенок от спеков существенно усложняют конструкцию, увеличивают энергоемкость установок. К недостаткам относится необходимость применения дорогостоящих высокочастотных источников питания. При использовании ВЧ и СВЧ плазмотронов необходимо устанавливать защитные экраны, поглощающие микроволновое излучение, т.к. генерация разряда осуществляется при частоте тока в мегагерцевом и гигагерцовом диапазонах, соответственно, что также усложняет конструкцию. ВЧ и СВЧ плазмотроны работают при давлении ниже атмосферного, при температуре плазмы не более 6000-8000°С, в них невозможно работать с газами, требующими высокой напряженности электрического поля для поддержания разряда, что существенно сужает их возможности, в частности, в установках с плазмотронами указанного вида невозможно получать нанопорошки различных тугоплавких металлов, соединений и наноструктурных твердых сплавов, невозможно получать плазму любых молекулярных газов, в том числе агрессивных, таких как хлор, фтор, кислород.The general disadvantages of installations with microwave and high frequency plasmatrons include the formation of plasma torch chambers on heated quartz walls, as well as the walls of the reaction chambers of nanopowder cakes that violate the established operating mode of the equipment. This leads to a decrease in the yield of the target nanopowder and its contamination with coarse inclusions. Additional devices for cleaning the walls of the cakes significantly complicate the design, increase the energy consumption of installations. The disadvantages include the need for expensive high-frequency power sources. When using RF and microwave plasmatrons, it is necessary to install protective screens that absorb microwave radiation, because The discharge is generated at a current frequency in the megahertz and gigahertz ranges, respectively, which also complicates the design. HF and microwave plasmatrons operate at a pressure below atmospheric, at a plasma temperature of not more than 6000-8000 ° C, it is impossible to work with gases that require a high electric field to maintain a discharge, which significantly reduces their capabilities, in particular, in installations with plasmatrons of this type it is impossible to obtain nanopowders of various refractory metals, compounds and nanostructured hard alloys, it is impossible to obtain plasma of any molecular gases, including aggressive ones, such as chlorine, fluorine, oxygen.

Безэлектродные плазматроны, работающие по принципу низкочастного индукционного разряда трансформаторного типа, могут быть с успехом использованы в плазмохимической промышленности для синтеза нанопорошков, взамен ВЧ и СВЧ плазматронов [I.M. Ulanov, M.V. Isupov and A.Yu. Litvinsev. Experimental study of transformer-coupled toroidal discharge in mercury vapour. J. Phys. D.: Appl. Phys. 40 (2007) 4561-4567, И.М.Уланов, А.Ю.Литвинцев, П.А.Мищенко, С.В.Кротов. Трансформаторный плазматрон мощностью 50 кВт, с частотой тока 100 кГц. Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции Физика Низкотемпературной Плазмы-2007. Петрозаводск. 2007. Т.1. С.240-245].Electrodeless plasmatrons operating on the principle of a low-frequency induction discharge of a transformer type can be successfully used in the plasma chemical industry for the synthesis of nanopowders, instead of high-frequency and microwave plasmatrons [I.M. Ulanov, M.V. Isupov and A.Yu. Litvinsev. Experimental study of transformer-coupled toroidal discharge in mercury vapor. J. Phys. D .: Appl. Phys. 40 (2007) 4561-4567, I.M. Ulanov, A.Yu. Litvintsev, P.A. Mishchenko, S.V. Krotov. Transformer plasmatron with a power of 50 kW, with a current frequency of 100 kHz. Materials of the All-Russian (with international participation) conference Physics of Low-Temperature Plasma-2007. Petrozavodsk. 2007.V.1. S.240-245].

Известно небольшое количество трансформаторных плазмотронов различной конструкции, описанных в патентах [А.С. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2094961, 1989, Н05В 7/18, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2056702, 1990, Н05 В7/18, RU 2093459, 1995, С01В 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10] и научно-технической литературе [Уланов И.М. Исследование возможности создания плазмотронов трансформаторного типа. ТВТ, т.31, №4, 1993, I.M. Ulanov. 200-KW transformer Plasmachemical reactor. Int. Congress "Electromagn. Processing of material" Paris, May, 1997, Уланов и др.]. Отличительной особенностью индукционных разрядов трансформаторного типа является низкочастотный диапазон генерации разряда. Эффективная генерация индукционных разрядов трансформаторного типа возможна в килогерцовом диапазоне частот тока. Благодаря этому существенно удешевляется конструкция источника питания, упрощается задача согласования источника питания и нагрузки (разряда), уменьшается уровень электромагнитных помех. Срок службы трансформаторного плазмотрона составляет десятки тысяч часов, при этом с помощью трансформаторного плазмотрона может быть получена плазма любых молекулярных газов, в том числе и агрессивных газов (хлор, фтор, кислород).A small number of transformer plasmatrons of various designs are described in the patents [A.S. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2094961, 1989, Н05В 7/18, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2056702, 1990, Н05 B7 / 18, RU 2093459, 1995, СВВ 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10] and scientific and technical literature [Ulanov I.M. Study of the possibility of creating transformer type plasmatrons. TVT, t.31, No. 4, 1993, I.M. Ulanov. 200-KW transformer Plasmachemical reactor. Int. Congress "Electromagn. Processing of material" Paris, May, 1997, Ulanov et al.]. A distinctive feature of transformer-type induction discharges is the low-frequency range of discharge generation. Efficient generation of transformer type induction discharges is possible in the kilohertz range of current frequencies. Due to this, the design of the power source is significantly cheaper, the task of matching the power source and the load (discharge) is simplified, the level of electromagnetic interference is reduced. The service life of a transformer plasma torch is tens of thousands of hours, and with the help of a transformer plasma torch plasma of any molecular gases, including aggressive gases (chlorine, fluorine, oxygen) can be obtained.

Известен трансформаторный плазмотрон [Патент РФ RU 2094961, 1989, МПК Н05В 7/18], содержащий магнитопровод с первичной обмоткой и охватывающую магнитопровод замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру, выполненную из электроизолированных одна от другой металлических секций, с узлами ввода газа и вывода плазмы, расположенными на противоположных участках камеры. Узел ввода газа снабжен завихрителем для вихревой стабилизациии дуги, а магнитопровод имеет первичную обмотку, состоящую из нескольких витков обычного проводника.A transformer plasmatron is known [RF Patent RU 2094961, 1989, IPC Н05В 7/18], comprising a magnetic circuit with a primary winding and a closed water-cooled discharge chamber enclosing a magnetic circuit made of electrically insulated metal sections from one another, with gas inlet and plasma outlet assemblies located on opposite parts of the camera. The gas input unit is equipped with a swirl for vortex stabilization of the arc, and the magnetic circuit has a primary winding consisting of several turns of a conventional conductor.

В данном плазмотроне за счет особенностей конструкции достигается получение устойчивого разряда в среде инертных и молекулярных газов при давлениях вплоть до атмосферного, снижение удельного расхода энергии и повышение производительности.In this plasmatron, due to the design features, a stable discharge is achieved in an inert and molecular gas medium at pressures up to atmospheric pressure, a decrease in the specific energy consumption and an increase in productivity.

В известных трансформаторных плазмотронах максимальная величина напряженности электрического поля ограничена, так как между отдельными металлическими секциями камеры плазмотрона могут возникать электрические пробои.In known transformer plasmatrons, the maximum value of the electric field is limited, since electrical breakdowns can occur between the individual metal sections of the plasma torch chamber.

В качестве прототипа выбрано изобретение «Установка и способ получения нанодисперсных порошков в плазме СВЧ разряда» [Патент РФ № 2252817, 2003.12.23, МПК B01J 19/08, B01J 19/12, Н05В 6/80, Н05Н 1/24, B22F 9/14]. Установка содержит технологически связанные между собой микроволновой генератор, СВЧ-плазмотрон, формирователь газового потока, разрядную камеру, поглотитель микроволнового излучения, реакционную камеру, теплообменник, фильтр-сборник целевого продукта, устройство для ввода исходных реагентов в порошкообразном или парообразном состоянии. Установка дополнительно содержит устройство для ввода в реакционную камеру исходных реагентов в жидкокапельном состоянии, содержащее связанные между собой дозатор в виде цилиндра, поршень с зубчато-винтовым механизмом электрического привода, регулирующие скорость движения поршня, испарительную камеру с термостатируемым корпусом для регулирования температуры внутри камеры, которая соединена с узлом ввода реагентов в парообразном состоянии, и с узлом ввода реагентов в жидкокапельном состоянии, узел ввода выполнен с 6-12 отверстиями, открывающимися в объем реакционной камеры под углом 45-60 градусов к оси камеры, состоящей по меньшей мере из двух секций, первая из которых верхним фланцем подсоединена к узлам ввода реагентов, к разрядной камере, плазмотрону, с установленным между ним и генератором СВЧ вентелем, а нижним фланцем, через последующие секции подсоединена к теплообменнику, при этом реакционная камера содержит вращаемую электродвигателем внутреннюю водоохлаждаемую вставку и расположенный вдоль нее металлический скребок для срезания отложений порошка целевого продукта, образующегося на стенках реакционной камеры, а теплообменник выполнен из двух водоохлаждаемых коаксиальных цилиндров, оси которых перпендикулярны оси реакционной камеры и установлены с зазором для прохождения охлаждаемого потока, и расположенным в зазоре ножом, вращающимся вокруг оси цилиндров и очищающим рабочие поверхности цилиндров от обрастания порошком, фильтр-сборник порошка, содержащий внутри фильтрующий рукав из химически и термически стойкого материала, на котором происходит осаждение порошка целевого продукта из газового потока, в верхней части подсоединен фланцем к теплообменнику, а в нижней части фильтр снабжен устройством для периодической очистки материала путем его деформирования и устройством с клапаном для герметизации внутреннего объема фильтра.As a prototype, the invention was selected “Installation and method for producing nanodispersed powders in microwave discharge plasma” [RF Patent No. 2252817, 2003.12.23, IPC B01J 19/08, B01J 19/12, Н05В 6/80, Н05Н 1/24, B22F 9 /fourteen]. The installation contains a technologically interconnected microwave generator, a microwave plasmatron, a gas flow former, a discharge chamber, a microwave absorber, a reaction chamber, a heat exchanger, a filter collector of the target product, and a device for introducing the starting reagents in a powder or vapor state. The installation further comprises a device for introducing into the reaction chamber the initial reagents in a liquid droplet state, containing a dispenser in the form of a cylinder, a piston with a gear-screw mechanism of an electric drive, regulating the speed of the piston, an evaporation chamber with a thermostatic housing to control the temperature inside the chamber, which connected to the reagent input unit in the vapor state, and to the reagent input unit in the liquid-droplet state, the input unit is made with 6-12 holes, from which are enclosed in the volume of the reaction chamber at an angle of 45-60 degrees to the axis of the chamber, which consists of at least two sections, the first of which is connected with the reagent inlet nodes to the discharge chamber, the plasma torch, with a microwave fan installed between it and the generator, and the lower flange, through subsequent sections connected to a heat exchanger, while the reaction chamber contains an electric water-cooled insert rotated by an electric motor and a metal scraper located along it to cut off the powder deposits of the target the product formed on the walls of the reaction chamber, and the heat exchanger is made of two water-cooled coaxial cylinders, the axes of which are perpendicular to the axis of the reaction chamber and installed with a gap for the passage of the cooled stream, and a knife located in the gap, rotating around the cylinder axis and cleaning the working surfaces of the cylinders from powder growth , a powder filter collector comprising inside a filter sleeve of chemically and thermally resistant material on which the powder of the target product is deposited and gas stream, at the top of the flange is connected to the heat exchanger and the bottom of the filter is provided with a device for periodic cleaning of the material by its deformation and the device with a valve for sealing the internal volume of the filter.

Достоинства заключаются в универсальности указанной установки, повышении производительности, увеличении длительности непрерывной работы, а также в повышение выхода нанодисперсного порошка и расширении технологических возможностей способа.Advantages are the versatility of this installation, increasing productivity, increasing the duration of continuous operation, as well as increasing the yield of nanodispersed powder and expanding the technological capabilities of the method.

Недостатком является невозможность увеличения температуры плазмы, что обусловлено конструктивными особенностями реактора, а именно тем, что диаметр канала плазмотрона практически не отличается от диаметра реактора. При повышении температуры плазмы будет возрастать температура слоя осаждающегося нанопорошка. Это будет приводить к спеканию нанопорошка и потере требуемых свойств. Использование технически сложного решения очистки стенок реактора от осаждающегося нанопорошка за счет вращения внутренней водоохлаждаемой вставки относительно неподвижного скребка обеспечивает непрерывность работы установки, однако усложняет конструкцию установки, увеличивает ее энергоемкость. Этой установке также присущи все недостатки, связанные с использованием СВЧ плазмотронов.The disadvantage is the impossibility of increasing the plasma temperature, which is due to the design features of the reactor, namely the fact that the diameter of the plasma torch channel is practically the same as the diameter of the reactor. With increasing plasma temperature, the temperature of the deposited nanopowder layer will increase. This will lead to sintering of the nanopowder and loss of the required properties. The use of a technically sophisticated solution for cleaning the walls of the reactor from precipitated nanopowder due to the rotation of the internal water-cooled insert relative to the stationary scraper ensures the continuity of the installation, however, it complicates the design of the installation and increases its energy consumption. This installation also has all the disadvantages associated with the use of microwave plasmatrons.

Способ получения нанодисперсных порошков в плазме СВЧ разряда с использованием указанной установки включает введение исходных реагентов в поток плазмообразующего газа реакционной камеры, плазмохимический синтез реагентов, охлаждение целевого продукта и его выделение из реакционной зоны через фильтр-сборник, при этом исходные реагенты вводят в поток плазмообразующего газа, имеющего среднемассовую температуру 1200-3200 K, в любом агрегатном состоянии: парообразном, порошкообразном, жидкокапельном или в любой их комбинации, реагенты в порошкообразном состоянии вводят в виде аэрозоля с газом-носителем в реакционную камеру через узел ввода с отверстием, открывающимся в объем реакционной камеры под углом 45-60 градусов к оси камеры, реагенты в жидкокапельном или парообразном состоянии вводят в реакционную камеру через узлы ввода, в виде кольцевых коллекторов, последний из которых выполнен с 6-12 отверстиями, открывающимися в объем реакционной камеры под углом 45-60 градусов к оси камеры, каждое из которых обдувается спутным потоком газа через коаксиальные каналы вокруг отверстий, при расходе исходных реагентов, плазмообразующего газа, удельной мощности микроволнового излучения, длины реакционной зоны, позволяющих получать композиционные системы и индивидуальные вещества с заданными свойствами, химическим, фазовым составом и дисперсностью.A method for producing nanodispersed powders in a microwave discharge plasma using this setup involves introducing the starting reagents into the plasma gas stream of the reaction chamber, plasma-chemical synthesis of the reactants, cooling the target product and its separation from the reaction zone through the filter collector, while the starting reagents are introduced into the plasma gas stream having a mass-average temperature of 1200-3200 K, in any state of aggregation: vaporous, powdery, liquid droplet or in any combination thereof, reagents in the shock-like state is introduced in the form of an aerosol with a carrier gas into the reaction chamber through an input unit with an opening opening into the volume of the reaction chamber at an angle of 45-60 degrees to the axis of the chamber, the reagents in a liquid or vapor state are introduced into the reaction chamber through the input nodes, in the form ring collectors, the last of which is made with 6-12 holes opening into the volume of the reaction chamber at an angle of 45-60 degrees to the axis of the chamber, each of which is blown by a satellite gas stream through coaxial channels around the holes, with the consumption of initial reagents, plasma-forming gas, specific power of microwave radiation, the length of the reaction zone, allowing to obtain composite systems and individual substances with desired properties, chemical, phase composition and dispersion.

Способ позволяет получать нанопорошок ряда веществ с заданными свойствами, химическим, фазовым составом, дисперсностью.The method allows to obtain nanopowder of a number of substances with desired properties, chemical, phase composition, dispersion.

К недостаткам при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве отсутствуют технологические приемы и режимные условия, например, максимально возможная температура плазмы не более 6000-8000°С, невозможность работать при высоких напряженностях электрического поля, получать плазму любых молекулярных газов, в том числе и агрессивных газов (хлор, фтор, кислород), обеспечивающие более эффективный способ получения нанопрошков широкого ряда веществ, включая тугоплавкие металлы, соединения и наноструктурные твердые сплавы, с минимальными затратами в процессе эксплуатации.The disadvantages when using the known method adopted for the prototype are that the known device lacks technological methods and operating conditions, for example, the maximum possible plasma temperature is not more than 6000-8000 ° C, the inability to work at high electric field intensities, to obtain any plasma molecular gases, including aggressive gases (chlorine, fluorine, oxygen), providing a more efficient way to obtain nanowires of a wide range of substances, including refractory metals, compounds and nano structural hard alloys, with minimal cost during operation.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка эффективного способа получения широкого ряда нанопорошков металлов (вольфрама, молибдена, ванадия, кремния, алюминия, серебра и др.), других веществ и их соединений (оксидов, нитридов, боридов и карбидов) с размерами не более 80 нм и установки для его реализации с использованием плазмотрона трансформаторного типа.The problem to which the present invention is directed, is to develop an effective method for producing a wide range of metal nanopowders (tungsten, molybdenum, vanadium, silicon, aluminum, silver, etc.), other substances and their compounds (oxides, nitrides, borides and carbides) with with dimensions not exceeding 80 nm and installations for its implementation using a plasma torch of transformer type.

Поставленную задачу решают путем использования для получения нанопорошков плазмотрона трансформаторного типа. Причем новое использование известного в технике объекта - плазмотрона трансформаторного типа, не аналогично известному из области техники его использованию, так как трансформаторные плазмотроны, использующиеся в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов, например синтеза окислов азота, получение фторуглеродных соединений и т.п., никогда не использовались для получения нанопорошков, и при этом дает существенный новый эффект, который заключается в возможности плазмохимического синтеза значительно более широкого ряда веществ и их соединений с получением высококачественного продукта, большом ресурсе непрерывной работы установки (десятки тысяч часов) и ее высокой производительности. Производительность установки выше в два раза и более всех известных установок по производству нанопорошков в зависимости от получаемых продуктов.The problem is solved by using a transformer type plasmatron to obtain nanopowders. Moreover, the new use of a transformer type plasmatron known in the art is not analogous to its use from the technical field, since transformer plasmatrons are used in plasma chemistry and metallurgy for various plasma chemical processes, for example, the synthesis of nitrogen oxides, production of fluorocarbon compounds, etc. , have never been used to obtain nanopowders, and at the same time gives a significant new effect, which consists in the possibility of plasma-chemical synthesis significantly olee wide variety of substances and their compounds to obtain a high quality product, a large resource continuous operation (tens of thousands of hours) and its high productivity. Plant productivity is twice or more than all known plants for the production of nanopowders, depending on the products obtained.

Термодинамические расчеты показывают, что производительность установки мощностью 50 кВт составляет: для нанопорошка кремния - 5 кг/ч;Thermodynamic calculations show that the capacity of a 50 kW plant is: for silicon nanopowder - 5 kg / h;

для нанопорошка вольфрама - 30 кг/ч, для нанопорошка оксида титана - 10 кг/ч. Расчеты по другим видам сырья также демонстрируют высокую производительность и низкую стоимость получаемых нанопорошков.for tungsten nanopowder - 30 kg / h, for titanium oxide nanopowder - 10 kg / h. Calculations for other types of raw materials also demonstrate high productivity and low cost of the resulting nanopowders.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать нанопорошки высокого качества, экономичен с точки зрения энергозатрат, непрерывен, одностадиен, высокопроизводителен. Предлагаемая установка отличается универсальностью, простотой конструкции, безопасностью использования, высоким ресурсом работы.Thus, the proposed method allows to obtain high-quality nanopowders, economical in terms of energy consumption, continuous, single-stage, highly efficient. The proposed installation is characterized by versatility, simplicity of design, safety of use, high resource of work.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая установка отличается тем, что проведение плазмохимических реакций в ней осуществляется в трансформаторном плазмотроне, что позволяет использовать более эффективные технологические приемы и более широкие режимные условия. Установка имеет также конструктивные отличия в организации системы подачи исходного сырья, вывода плазмы, закалки продуктов.Comparative analysis with the prototype shows that the proposed installation is characterized in that the plasma-chemical reactions in it are carried out in a transformer plasmatron, which allows the use of more efficient technological methods and wider operating conditions. The facility also has structural differences in the organization of the feed system, plasma output, and product quenching.

Предлагаемый способ отличается от прототипа режимными параметрами процесса, а именно, разряд инициируют, используя низкие частоты порядка 100-400 кГц, реакция осуществляется при атмосферном давлении и выше, температура в плазме может достигать 10000°С.Наиболее существенным отличием от прототипа является введение исходного сырья непосредственно в разряд, что позволяет значительно увеличить скорость реакции и производительность устройства. Для закалки нанопорошков металлов используют аргон и азот, для закалки нанопорошков окислов металлов -воздух, для закалки нанопорошков карбидов и нитридов - инертные газы.The proposed method differs from the prototype by the process operating parameters, namely, the discharge is initiated using low frequencies of the order of 100-400 kHz, the reaction is carried out at atmospheric pressure and higher, the temperature in the plasma can reach 10,000 ° C. The most significant difference from the prototype is the introduction of the feedstock directly to the discharge, which can significantly increase the reaction rate and device performance. For quenching of metal nanopowders, argon and nitrogen are used, for quenching of nanopowders of metal oxides - air, for quenching of nanopowders of carbides and nitrides - inert gases.

Достигаемый технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении технологических возможностей способа производства нанопорошков, в создании универсальной установки непрерывного действия, позволяющей указанным способом получать высококачественные нанопорошки широкого ряда веществ, включая тугоплавкие металлы, соединения и наноструктурные твердые сплавы, с минимальными затратами в процессе эксплуатации, имеющей высокую производительность при низкой себестоимости получаемых нанопорошков.Achievable technical result of the claimed invention consists in expanding the technological capabilities of the method of production of nanopowders, in creating a universal installation of continuous operation, which allows to obtain high-quality nanopowders of a wide range of substances in this way, including refractory metals, compounds and nanostructured hard alloys, with minimal cost during operation, which has a high performance at low cost of the resulting nanopowders.

Способ получения нанопорошка в плазме осуществляют путем выполнения ряда последовательных операций. Способ включает предварительную подачу плазмообразующего газа в камеру плазмотрона, осуществление разряда при давлении 1-10 Па в зависимости от газа, повышение давления в разрядной камере до атмосферного, подачу исходного сырья в камеру плазмотрона одновременно с восстановительным газом, плазмохимическую реакцию с получением нанопорошка, закалку полученного нанопорошка и его выделение из реакционной зоны через рукавный фильтр в сборник. Введение исходного сырья в жидком или парообразном или газообразном состоянии осуществляют в индукционный разряд или струю плазмы. Плазмохимическую реакцию осуществляют в трансформаторном плазмотроне при давлении 1,01×105 Па и выше, частоте индукционного разряда 100-400 кГц и температуре 10000°С и менее в присутствии восстановительного или окислительного газа. Введение исходного сырья непосредственно в индукционный разряд или струю плазмы позволяет значительно увеличить скорость реакции и производительность. Подачу ряда веществ, например моносилана кремния, для разложения которых требуются невысокие температуры порядка 800-1000°С, осуществляют непосредственно в плазменную струю. Закалку полученного нанопорошка осуществляют с помощью системы закалки. Закалку осуществляют аргоном или азотом при получении нанопорошка металлов, воздухом - при получении нанопорошка оксидов металлов или инертными газами - при получении нанопорошка карбидов и нитридов. В качестве восстановительного газа используют водород, в качестве окислительного газа - кислород.A method of producing a nanopowder in plasma is carried out by performing a series of sequential operations. The method includes pre-supplying a plasma-forming gas to the plasma torch chamber, performing a discharge at a pressure of 1-10 Pa depending on the gas, increasing the pressure in the discharge chamber to atmospheric, supplying the feedstock to the plasma torch chamber simultaneously with a reducing gas, a plasma-chemical reaction to obtain a nanopowder, and quenching of the obtained nanopowder and its separation from the reaction zone through a bag filter into the collector. The introduction of the feedstock in a liquid or vapor or gaseous state is carried out in an induction discharge or a plasma jet. The plasma-chemical reaction is carried out in a transformer plasmatron at a pressure of 1.01 × 10 5 Pa and above, an induction discharge frequency of 100-400 kHz and a temperature of 10000 ° C or less in the presence of a reducing or oxidizing gas. The introduction of the feedstock directly into the induction discharge or plasma jet can significantly increase the reaction rate and productivity. The supply of a number of substances, for example silicon monosilane, for the decomposition of which low temperatures of the order of 800-1000 ° C are required, is carried out directly into the plasma jet. Quenching of the obtained nanopowder is carried out using a quenching system. Hardening is carried out with argon or nitrogen upon receipt of a metal nanopowder, air - upon receipt of a nanopowder of metal oxides or inert gases - upon receipt of a nanopowder of carbides and nitrides. Hydrogen is used as the reducing gas, and oxygen is used as the oxidizing gas.

Для осуществления вышеуказанного способа получения нанопорошков предлагается универсальная установка непрерывного действия, включающая технологически связанные между собой систему подачи исходного сырья, трансформаторный плазмотрон, камеру реактора, систему закалки целевого продукта, рукавный фильтр, бункер-сборник целевого продукта. Применение трансформаторного плазмотрона позволяет использовать эффективные и широкие режимные условия заявляемого способа. Установка имеет конструктивные особенности организации системы подачи исходного сырья, вывода плазмы, закалки продуктов. В установке предусмотрена подача исходного сырья в жидком или парообразном состоянии посредством системы подачи исходного сырья, когда рабочую жидкость под действием давления любого инертного газа из питателя через испаритель подают через узел ввода сырья непосредственно в разряд камеры плазмотрона, или в газообразном состоянии, когда через тот же узел ввода сырья газ подают непосредственно в разряд камеры плазмотрона. В узел ввода сырья одновременно с исходным сырьем подают кислород или водород для проведения восстановительной или окислительной реакции в зависимости от получаемого продукта. Камеру плазмотрона соединяют с камерой реактора посредством патрубка, который является частью узла вывода плазмы, через который в камеру реактора истекает поток плазмы. Для ввода ряда веществ непосредственно в струю плазмы на патрубке располагают один или несколько узлов. Ниже этих узлов располагают систему охлаждения нанопорошка, которая представляет собой набор трубок, расположенных радиально к стенкам патрубка, оси которых лежат в одной плоскости. Количество трубок и их геометрические размеры подбирают в зависимости от получаемого продукта. Такое конструктивное решение системы охлаждения нанопорошка позволяет максимально близко к струе плазмы подводить закалочный газ, подбирать наиболее эффективные режимы подачи закалочного газа в зависимости от требуемой скорости закалки продуктов, скорости выхода и температуры струи плазмы. Водоохлаждаемая камера реактора имеет форму вертикально установленного цилиндра, верхний конец которого закрывают крышкой с узлом вывода плазмы, к нижнему концу крепится конусообразный бункер для сбора синтезированного нанопорошка.To implement the aforementioned method for producing nanopowders, a universal continuous installation is proposed, including a feedstock supply system, a transformer plasma torch, a reactor chamber, a target product quenching system, a bag filter, and a target product collection hopper. The use of transformer plasma torch allows you to use effective and wide operating conditions of the proposed method. The installation has design features of the organization of the feed system of the feedstock, the output of plasma, quenching of products. The installation provides for the supply of feedstock in a liquid or vapor state by means of a feed feed system, when the working fluid under pressure of any inert gas from the feeder is fed through the evaporator through the feed inlet directly to the discharge chamber of the plasma torch, or in a gaseous state, when through the same the input node of the feed gas is supplied directly to the discharge chamber of the plasma torch. Oxygen or hydrogen is supplied simultaneously to the feedstock input unit to carry out a reduction or oxidation reaction, depending on the product obtained. The plasma torch chamber is connected to the reactor chamber by means of a nozzle, which is part of the plasma outlet assembly, through which a plasma stream flows into the reactor chamber. To introduce a number of substances directly into the plasma jet, one or more nodes are located on the nozzle. Below these nodes, a nanopowder cooling system is located, which is a set of tubes located radially to the walls of the nozzle, the axes of which lie in the same plane. The number of tubes and their geometric dimensions are selected depending on the product obtained. Such a constructive solution of the nanopowder cooling system makes it possible to bring quenching gas as close as possible to the plasma jet and select the most effective quenching gas supply modes depending on the required rate of quenching of the products, the exit velocity, and the temperature of the plasma jet. The water-cooled chamber of the reactor has the form of a vertically mounted cylinder, the upper end of which is closed with a lid with a plasma outlet unit, and a cone-shaped hopper for collecting the synthesized nanopowder is attached to the lower end.

Предлагаемую установку для получения нанопорошков с использованием трансформаторного плазмотрона иллюстрируют чертежом, представленным на фиг.1, где все элементы показывают схематично и в произвольном масштабе. Установка включает источник питания 1 (100-400 кГц), систему подачи исходного сырья в жидком (парообразном) состоянии, которая включает манометр 11, питатель 7 с индикатором уровня 8, испаритель 10, трансформаторный плазмотрон, состоящий из водоохлаждаемых секций газоразрядной камеры 3, системы ферритовых магнитопроводов с первичными обмотками 2, узла ввода плазмообразующего газа 12, оснащенного завихрителем потока, узла ввода жидкого (парообразного) или газообразного исходного сырья 13, узлов для ввода исходного сырья в газообразном виде 14, а также узла вывода плазмы 15, представляющего собой секцию камеры плазмотрона с поперечным патрубком, водоохлаждаемую камеру реактора 4, представляющую собой вертикально расположенный цилиндр, верхний конец которого закрывают крышкой с узлом вывода плазмы, к нижнему концу крепится конусообразный бункер для сбора синтезированного нанопорошка 6, систему закалки целевого продукта 16, и рукавный фильтр 5, в котором происходит осаждение нанопорошка целевого продукта из газового потока в бункер сбора целевого продукта 6.The proposed installation for producing nanopowders using a transformer plasma torch is illustrated by the drawing shown in figure 1, where all the elements are shown schematically and at an arbitrary scale. The installation includes a power source 1 (100-400 kHz), a feed system in the liquid (vapor) state, which includes a pressure gauge 11, feeder 7 with a level indicator 8, an evaporator 10, a transformer plasma torch, consisting of water-cooled sections of a gas discharge chamber 3, systems ferrite magnetic circuits with primary windings 2, a plasma-forming gas input unit 12, equipped with a flow swirl, a liquid (vapor) or gas input unit 13, input units for inputting a gaseous source 14, and also e of the plasma outlet assembly 15, which is a section of the plasma torch chamber with a transverse nozzle, a water-cooled reactor chamber 4, which is a vertically arranged cylinder, the upper end of which is closed by a lid with the plasma outlet assembly, a cone-shaped hopper for collecting synthesized nanopowder 6, a quenching system is attached to the lower end the target product 16, and a bag filter 5, in which the nanopowder of the target product is deposited from the gas stream into the collection hopper of the target product 6.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

В камеру плазмотрона 3 подают через узел 12 плазмообразующий газ (аргон или другой инертный газ), расход которого контролируется ротаметром 9, осуществление разряда и получение плазмы происходит в разрядной камере плазмотрона 3 при давлении 1-10 Па в зависимости от газа, затем давление в разрядной камере поднимают до атмосферного и вводят исходное сырье в жидком или парообразном или газообразном состоянии. Подачу исходного сырья в жидком или парообразном состоянии осуществляют непосредственно в разряд посредством системы подачи исходного сырья, которая разработана таким образом, что рабочая жидкость под действием давления, создаваемого подачей аргона или другого инертного газа, из питателя 7 поступает в испаритель 10, где при необходимости ее испаряют, а затем через узел ввода сырья 13 - в разряд. Подачу ряда веществ в газообразном виде, для разложения которых требуются невысокие температуры порядка 800-1000°С, осуществляют непосредственно в плазменную струю через один, два или более узлов ввода сырья 14. Плазмохимическую реакцию осуществляют либо непосредственно в разряде камеры плазмотрона 3, либо в струе плазмы. Закалку целевого продукта осуществляют путем подачи соответствующего закалочного газа в струю плазмы через систему закалки целевого продукта 16. Для закалки нанопорошков металлов используют аргон и азот, нанопорошков окислов металла - воздух, нанопорошков карбидов, нитридов - инертные газы. Часть продукта оседает в бункер сбора нанопорошка 6 камеры реактора 4. Выделение другой части продукта осуществляют через рукавный фильтр 5 путем обратной продувки фильтра в сборник продукта 6.A plasma-forming gas (argon or other inert gas) is supplied to the chamber of the plasma torch 3 through a node 12, the flow rate of which is controlled by the rotameter 9, the discharge and plasma are produced in the discharge chamber of the plasma torch 3 at a pressure of 1-10 Pa depending on the gas, then the pressure in the discharge the chamber is raised to atmospheric and feedstock is introduced in a liquid or vaporous or gaseous state. The feedstock in a liquid or vapor state is supplied directly to the discharge by means of a feedstock feed system, which is designed in such a way that the working fluid under the pressure created by the supply of argon or other inert gas from the feeder 7 enters the evaporator 10, where if necessary evaporate, and then through the input node of the raw material 13 in the discharge. The supply of a number of substances in a gaseous form, the decomposition of which requires low temperatures of the order of 800-1000 ° C, is carried out directly into the plasma jet through one, two or more input nodes of the raw material 14. The plasma-chemical reaction is carried out either directly in the discharge of the chamber of the plasma torch 3, or in the stream plasma. The quenching of the target product is carried out by supplying the corresponding quenching gas into the plasma jet through the quenching system of the target product 16. For quenching of metal nanopowders, argon and nitrogen are used, nanopowders of metal oxides are air, nanopowders of carbides, nitrides are inert gases. A part of the product settles in the nanopowder collection hopper 6 of the reactor chamber 4. The other part of the product is isolated through a bag filter 5 by back-flushing the filter into the product collector 6.

Практическая реализация.Practical implementation.

Изготовлен экспериментальный стенд, моделирующий установку для получения нанопорошка кремния из тетрахлорида кремния мощностью 20 кВт, с частотой 100 кГц. Выполнена серия экспериментов и с помощью электронной микроскопии проведен анализ полученного нанопорошка кремния, который показал, что в плазме образуются частицы кремния размером 20-40 нм. Эксперименты показали, реализуемый в данной установке способ позволяет получать нанопорошок высокого качества, экономичен с точки зрения энергозатрат, непрерывен, одностадиен, высокопроизводителен.An experimental bench has been manufactured that simulates a setup for producing silicon nanopowder from silicon tetrachloride with a power of 20 kW and a frequency of 100 kHz. A series of experiments was carried out and electron microscopy was used to analyze the obtained silicon nanopowder, which showed that 20-40 nm silicon particles were formed in the plasma. The experiments showed that the method implemented in this setup allows one to obtain high-quality nanopowder, it is economical in terms of energy consumption, continuous, single-stage, highly efficient.

Claims (5)

1. Способ получения нанопорошка в плазме, включающий подачу исходного сырья в камеру плазмотрона, плазмохимическую реакцию с получением нанопорошка, закалку полученного нанопорошка и его выделение из реакционной зоны, отличающийся тем, что плазмохимическую реакцию осуществляют в трансформаторном плазмотроне при давлении 1,01·105 Па и выше, частоте индукционного разряда 100-400 кГц и температуре до 10000°С в присутствии восстановительного или окислительного газа, при этом исходное сырье подают в жидком или парообразном, или газообразном состоянии в индукционный разряд или в струю плазмы.1. A method of producing a nanopowder in a plasma, including supplying the feedstock to the plasma torch chamber, a plasma-chemical reaction to obtain a nanopowder, quenching the obtained nanopowder and its separation from the reaction zone, characterized in that the plasma-chemical reaction is carried out in a transformer plasmatron at a pressure of 1.01 · 10 5 Pa and above, the frequency of the induction discharge of 100-400 kHz and a temperature of up to 10,000 ° C in the presence of a reducing or oxidizing gas, while the feedstock is supplied in a liquid or vapor, or gaseous state radiation into an induction discharge or into a plasma jet. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье, имеющее температуру разложения 800-1000°С, подают в струю плазмы.2. The method according to claim 1, characterized in that the feedstock having a decomposition temperature of 800-1000 ° C is fed into the plasma stream. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановительного газа используют водород, в качестве окислительного газа - кислород.3. The method according to claim 1, characterized in that hydrogen is used as the reducing gas, and oxygen is used as the oxidizing gas. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что закалку осуществляют аргоном или азотом при получении нанопорошка металлов, воздухом - при получении нанопорошка оксидов металлов или инертными газами - при получении нанопорошка карбидов или нитридов.4. The method according to claim 1, characterized in that the hardening is carried out with argon or nitrogen upon receipt of a metal nanopowder, air - upon receipt of a nanopowder of metal oxides or inert gases - upon receipt of a nanopowder of carbides or nitrides. 5. Установка для получения нанопорошка в плазме, содержащая технологически связанные между собой систему подачи исходного сырья, плазмотрон, систему закалки нанопорошка, водоохлаждаемую камеру, рукавный фильтр и сборник нанопорошка, отличающаяся тем, что она в качестве плазмотрона содержит плазмотрон трансформаторного типа с узлами ввода плазмообразующего газа и вывода плазмы, расположенными на противоположных участках камеры плазмотрона, соединенной с водоохлаждаемой камерой посредством патрубка, являющегося частью узла вывода плазмы, при этом система подачи исходного сырья состоит из системы подачи исходного сырья в жидком состоянии, содержащей испаритель, питатель с индикатором уровня и манометр, и системы подачи исходного сырья в газообразном состоянии, содержащей один и более узлов ввода сырья, расположенных на патрубке, ниже которых размещена система закалки нанопорошка, выполненная в виде набора расположенных радиально к стенкам патрубка трубок для подачи закалочного газа, оси которых лежат в одной плоскости. 5. Installation for producing a nanopowder in a plasma, containing a technologically interconnected feed system, a plasma torch, a quenching system of a nanopowder, a water-cooled chamber, a bag filter and a nanopowder collector, characterized in that it contains a transformer type plasmatron with plasma forming input nodes gas and plasma outlet located on opposite sections of the plasma torch chamber connected to the water-cooled chamber by means of a nozzle that is part of the plasma outlet assembly zma, while the feedstock supply system consists of a feedstock feed system in a liquid state containing an evaporator, a feeder with a level indicator and a manometer, and a feed gas supply system containing one or more feed input nodes located on the pipe, below which host the nanopowder quenching system, made in the form of a set of tubes radially located to the nozzle pipe for supplying quenching gas, the axes of which lie in the same plane.
RU2009106503/02A 2009-02-24 2009-02-24 Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron RU2406592C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009106503/02A RU2406592C2 (en) 2009-02-24 2009-02-24 Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009106503/02A RU2406592C2 (en) 2009-02-24 2009-02-24 Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009106503A RU2009106503A (en) 2010-08-27
RU2406592C2 true RU2406592C2 (en) 2010-12-20

Family

ID=42798527

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009106503/02A RU2406592C2 (en) 2009-02-24 2009-02-24 Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2406592C2 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2492027C1 (en) * 2012-04-06 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КНИТУ") Plasmachemical method of producing modified superdispersed powder
RU2505949C1 (en) * 2012-08-03 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Low pressure transformer-type plasmatron for ion-plasma treatment of surface of materials
RU2523471C1 (en) * 2013-01-18 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Method of obtaining nanodisperse powders of boron nitride and titanium diboride
RU2533622C1 (en) * 2013-10-07 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "НОРМИН" Method for obtaining ultradisperse powders of alloys
RU2593061C1 (en) * 2015-01-20 2016-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "НОРМИН" Method of obtaining ultra-disperse powders of titanium
RU2641737C1 (en) * 2016-11-29 2018-01-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method for producing nanocrystalline powder of molybdenum oxycarbide
RU2719211C1 (en) * 2019-08-12 2020-04-17 Андрей Валерьевич Шеленин Device for reduction of metals from minerals
RU2749533C1 (en) * 2020-10-19 2021-06-11 Общество с ограниченной ответственностью "Империус Групп" Plasma torch for production of powdered materials

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ306742B6 (en) * 2012-04-23 2017-06-07 Vakos Xt, A. S. A method of preparation of nanometric metallic silver particles and a device for implementation of this method

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2492027C1 (en) * 2012-04-06 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КНИТУ") Plasmachemical method of producing modified superdispersed powder
RU2505949C1 (en) * 2012-08-03 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Low pressure transformer-type plasmatron for ion-plasma treatment of surface of materials
RU2523471C1 (en) * 2013-01-18 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Method of obtaining nanodisperse powders of boron nitride and titanium diboride
RU2533622C1 (en) * 2013-10-07 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "НОРМИН" Method for obtaining ultradisperse powders of alloys
RU2593061C1 (en) * 2015-01-20 2016-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "НОРМИН" Method of obtaining ultra-disperse powders of titanium
RU2641737C1 (en) * 2016-11-29 2018-01-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method for producing nanocrystalline powder of molybdenum oxycarbide
RU2719211C1 (en) * 2019-08-12 2020-04-17 Андрей Валерьевич Шеленин Device for reduction of metals from minerals
RU2749533C1 (en) * 2020-10-19 2021-06-11 Общество с ограниченной ответственностью "Империус Групп" Plasma torch for production of powdered materials
WO2022086374A1 (en) * 2020-10-19 2022-04-28 Общество с ограниченной ответственностью "Империус Групп" Plasma spraying assembly for producing powder materials

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009106503A (en) 2010-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2406592C2 (en) Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron
JP5241984B2 (en) Twin plasma torch device
US5073193A (en) Method of collecting plasma synthesize ceramic powders
EP2606003B1 (en) An apparatus, a system and a method for producing hydrogen
EP1515798B1 (en) Process for preparing nanostructured materials of controlled surface chemistry
EP1523755B1 (en) Plasma reactor for carrying out gas reactions and method for the plasma-supported reaction of gases
US6409851B1 (en) Microwave plasma chemical synthesis of ultrafine powders
JP2017523121A (en) Apparatus and method for plasma synthesis of graphite products containing graphene
KR102020314B1 (en) Method for manufacturing spherical high purity metal powder
JP2012521617A (en) Plasma reactor for nanopowder synthesis and material processing
WO2007001400A2 (en) Cyclonic flow reaction vessel
KR20010099622A (en) Method and Transferred Arc Plasma System for Production of Fine and Ultrafine Powders
RU2489232C1 (en) Method of producing metal nano-sized powders
EP3077100B1 (en) Process and apparatus for the production of carbon nanotubes
Boulos New frontiers in thermal plasmas from space to nanomaterials
RU2455119C2 (en) Method to produce nanoparticles
CN1203948C (en) Equipment for preparing nano metal powder
Dolbec et al. Nanopowders synthesis at industrial-scale production using the inductively-coupled plasma technology
RU2252817C1 (en) Installation and method for production of nanodispersed powders in microwave plasma
EP2698196A1 (en) Method for obtaining silicon and titanium by generating electromagnetic interactions between sio2 and fetio3 particles and magnetic waves
RU2455061C2 (en) Method of producing nanodisperse powders in microwave discharge plasma and device to this end
RU2414993C2 (en) Method of producing nanopowder using low-pressure transformer-type induction charge and device to this end
KR101724359B1 (en) Method of manufacturing of silicon nanopowder and Apparatus of manufacturing of silicon nanopowder
US10974220B2 (en) Fine particle producing apparatus and fine particle producing method
CN209997611U (en) apparatus for producing nano material from liquid or gaseous precursor

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20180215