RU2495826C1 - Method of producing titanium carbide - Google Patents

Method of producing titanium carbide Download PDF

Info

Publication number
RU2495826C1
RU2495826C1 RU2012120463/05A RU2012120463A RU2495826C1 RU 2495826 C1 RU2495826 C1 RU 2495826C1 RU 2012120463/05 A RU2012120463/05 A RU 2012120463/05A RU 2012120463 A RU2012120463 A RU 2012120463A RU 2495826 C1 RU2495826 C1 RU 2495826C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium
carbide
carbon
synthesis
titanium carbide
Prior art date
Application number
RU2012120463/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Альфритович Закиров
Олег Григорьевич Парфенов
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со 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 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран)
Priority to RU2012120463/05A priority Critical patent/RU2495826C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2495826C1 publication Critical patent/RU2495826C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to metallurgy of high-melting compounds. The method of producing titanium carbide involves using aluminium subchloride, titanium tetrachloride and carbon as starting components. Carbon is fed into the reaction in powder or fibre form. Synthesis of titanium carbide is carried out in two steps. At the first step, aluminium carbide is obtained from aluminium subchloride and carbon at temperature of 1100-1250°C. At the second step, titanium carbide is obtained from aluminium carbide and titanium tetrachloride at temperature of 800-900°C.
EFFECT: invention increases output of titanium carbide, eliminates the step of trapping the product from the gas stream.
2 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к металлургии тугоплавких соединений, а именно к способу получения карбида титана.The invention relates to the metallurgy of refractory compounds, and in particular to a method for producing titanium carbide.

Все известные способы синтеза карбида титана можно разделить на четыре группы. К первой, основной группе следует отнести карботермический синтез карбида титана восстановлением диоксида титана по реакции [Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.Л. Карбид титана: получение, свойства, применение / М.: Металлургия, 1987. - 216 с.]:All known methods for the synthesis of titanium carbide can be divided into four groups. The first, main group should include carbothermic synthesis of titanium carbide by reduction of titanium dioxide by reaction [Kiparisov SS, Levinsky Yu.V., Petrov A.L. Titanium Carbide: Preparation, Properties, Application / M .: Metallurgy, 1987. - 216 p.]:

TiO2+3C=TiC+2COTiO 2 + 3C = TiC + 2CO

На практике карбидизацию оксида титана ведут при высокой температуре ~ 2000°C, что можно отнести к существенным недостаткам этого способа. При этой температуре смесь диоксида титана с сажей, спрессованная в брикеты, выдерживается в атмосфере водорода или аргона. Другим недостатком способа является наличие свободного углерода в продукте >1%, поскольку для исключения кислородсодержащих соединений твердофазную реакцию восстановления оксида титана ведут при стехиометрическом избытке углерода. Остающийся свободный углерод трудно извлечь из продукта. Кроме того, для твердофазных реакций необходимо предварительное очень тщательное механическое смешение двух реагентов, что также существенно удорожает процесс. Наконец, большинство карботермических способов синтеза TiC требует длительного (десятки часов) размола полученного продукта синтеза.In practice, carbidization of titanium oxide is carried out at a high temperature of ~ 2000 ° C, which can be attributed to significant disadvantages of this method. At this temperature, a mixture of titanium dioxide with soot compressed into briquettes is aged in an atmosphere of hydrogen or argon. Another disadvantage of the method is the presence of free carbon in the product> 1%, since in order to exclude oxygen-containing compounds, the solid-phase reduction reaction of titanium oxide is carried out with a stoichiometric excess of carbon. The remaining free carbon is difficult to extract from the product. In addition, for solid-phase reactions, preliminary very thorough mechanical mixing of the two reagents is necessary, which also significantly increases the cost of the process. Finally, most carbothermal methods for the synthesis of TiC require a long (tens of hours) grinding of the resulting synthesis product.

Известны способы производства из TiO2 порошков TiC с характерным размером 2-3 мкм при пониженной температуре карбидизации, не требующих дальнейшего размола, [Симороз Л.И., Прилуцкий Э.В., Домасевич Л.Т. Карбиды и материалы на их основе. Киев: ОНТИ ИПМ АН УССР, 1983. С.48-51; Koc R., Folmer J.S. Carbothermal synthesis of titanium carbide using ultrafine titania powders // Journal of materials science, 32 (1997), P.3101-3111]. Для этого в качестве исходного сырья предложено использовать высоко дисперсную фракцию TiO2 0.1-0.2 мкм, что также удорожает конечный продукт.Known methods of production from TiO2 TiC powders with a characteristic size of 2-3 μm at a low carbidization temperature that do not require further grinding, [Simoroz LI, Prilutsky E.V., Domasevich L.T. Carbides and materials based on them. Kiev: ONTI IPM Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, 1983. P.48-51; Koc R., Folmer J.S. Carbothermal synthesis of titanium carbide using ultrafine titania powders // Journal of materials science, 32 (1997), P.3101-3111]. For this purpose, it was proposed to use a highly dispersed TiO fraction as a feedstock.2 0.1-0.2 microns, which also increases the cost of the final product.

Общими недостатками для всех способов первой группы является относительно малая скорость химических превращений, характерная для большинства твердофазных реакций, высокая температура синтеза и необходимость тщательного перемешивания исходных реагентов.The common disadvantages for all the methods of the first group are the relatively low rate of chemical transformations characteristic of most solid-phase reactions, high synthesis temperature, and the need for thorough mixing of the starting reagents.

К этой же группе синтеза следует отнести способ получения волокон карбида титана золь-гель методом с использованием вискозного волокна [Raman V., Dhakate S.R., Sahare p.D. Synthesis of titanium carbide whiskers (TiCW) through sol-gel process from rayon fibers // Journal of materials science letters. 2000, 19, P.1897-1898]. Изопропоксид титана Ti(OC3H7) смешивают с изопропанолом и ацетилацетоном в мольном соотношении 1:2 чтобы подавить выпадение из раствора диоксида титана. Ацетилацетон образует с титаном растворимый хелатный комплекс. Смесь алкоксида титана, изопропанола и ацетилацетона в мольном соотношении 1:2:2 помешается в магнитную мешалку на 5 часов для получения золя TiO2, используемого далее для пропитки волокон вискозы, которые служат источником углерода. Весовое отношение алкоксида титана и вискозного волокна 2:1. Вискозные волокна пропитывались гелем TiO2, высушивались при 60°C и далее нагревались со скоростью 100-50 градусов в час под аргоном до температуры 1420°C, а затем охлаждались с такой же скоростью до комнатной температуры.The synthesis group should include the method for producing titanium carbide fibers by the sol-gel method using viscose fiber [Raman V., Dhakate SR, Sahare pD Synthesis of titanium carbide whiskers (TiCW) through sol-gel process from rayon fibers // Journal of materials science letters. 2000, 19, P.1897-1898]. Titanium isopropoxide Ti (OC 3 H 7 ) is mixed with isopropanol and acetylacetone in a 1: 2 molar ratio to suppress the precipitation of titanium dioxide from the solution. Acetylacetone forms a soluble chelate complex with titanium. A mixture of titanium alkoxide, isopropanol and acetylacetone in a molar ratio of 1: 2: 2 is mixed in a magnetic stirrer for 5 hours to obtain a TiO 2 sol, which is then used to impregnate viscose fibers, which serve as a carbon source. The weight ratio of titanium alkoxide and viscose fiber is 2: 1. Viscose fibers were impregnated with a TiO 2 gel, dried at 60 ° C and then heated at a speed of 100-50 degrees per hour under argon to a temperature of 1420 ° C, and then cooled at the same speed to room temperature.

Недостатком этого способа, кроме указанных выше, является большая длительность общего времени синтеза TiC, доходящая до 30 часов и использование дорогостоящих химических реагентов.The disadvantage of this method, in addition to the above, is the long duration of the total synthesis time of TiC, reaching up to 30 hours and the use of expensive chemicals.

Ко второй группе способов синтеза TiC следует отнести прямой синтез из элементного титана и углерода спеканием их при высокой температуре либо периодическим внепечным способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), либо непрерывным способом в высокотемпературной печи. Так, известны СВС - способы получения TiC из смеси порошков титана и сажи. [Дрозденко В.А., Боровинская Н.И. и др. Патент RU 2038296 C1, 1995; Мержанов А.Г., Дрозденко В.А. и др. Патент RU 1570225 A1, 2003]. Недостатком этих способов является использование дорогостоящего титанового порошка, а так же аппаратурное оформление процесса, обуславливающее его периодичность и необходимость измельчения полученного компактного TiC.The second group of methods for the synthesis of TiC should include direct synthesis from elemental titanium and carbon by sintering them at high temperature either by a periodic out-of-furnace method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), or by a continuous method in a high-temperature furnace. Thus, SHS - methods for producing TiC from a mixture of titanium and carbon black powders are known. [Drozdenko V.A., Borovinskaya N.I. et al. Patent RU 2038296 C1, 1995; Merzhanov A.G., Drozdenko V.A. et al. Patent RU 1570225 A1, 2003]. The disadvantage of these methods is the use of expensive titanium powder, as well as the hardware design of the process, which determines its frequency and the need to grind the resulting compact TiC.

Известны способы непрерывного получения TiC из смеси порошков титана и сажистого углерода [Александровский С.В., Мушков С.В. и др. Патент RU 2066700, 1996; Александровский С.В., Ли Д.В. Patent RU 2175988, 2001]. В нем синтез ведут в непрерывном режиме в герметичном реакторе, нагретом до 1000-1050°C. При этом объем реактора превышает объем загружаемой смеси титанового порошка и сажи в 250-500 раз. Как вариант, для повышения производительности исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме. Недостатком является использование дорогостоящего порошка титана, низкая объемная производительность реактора и необходимость последующего измельчения полученного TiC.Known methods for the continuous production of TiC from a mixture of powders of titanium and carbon black [Alexandrovsky SV, Mushkov SV et al. Patent RU 2066700, 1996; Alexandrovsky S.V., Lee D.V. Patent RU 2175988, 2001]. In it, the synthesis is carried out continuously in a sealed reactor, heated to 1000-1050 ° C. The volume of the reactor exceeds the volume of the loaded mixture of titanium powder and soot by 250-500 times. Alternatively, to increase productivity, the initial mixture is previously kept in vacuum. The disadvantage is the use of expensive titanium powder, low volumetric capacity of the reactor and the need for subsequent grinding of the obtained TiC.

К общим недостаткам способов второй группы можно отнести необходимость тщательного перемешивания исходных реагентов, измельчения полученного карбида титана и его высокую стоимость.The common disadvantages of the methods of the second group include the need for thorough mixing of the starting reagents, grinding of the obtained titanium carbide and its high cost.

По химизму процесса к этой же группе можно отнести способ синтеза TiC взаимодействием титанового порошка с продуктами разложения метана или других газообразных углеводородов [Kim Y. - J., Chung K, Kang S. - J.L. In situ formation of titanium carbide in titanium powder compacts by gas-solid reaction // Composite: Part A 32 (2001) P.731-738]. В этом способе отпадает необходимость в перемешивании реагентов, поскольку один из них находится в газовой фазе, но выход карбида титана не превышает 30%, и он входит в состав композита Ti-TiC, что затрудняет его использование в соединениях, не содержащих элементный титан.According to the chemistry of the process, the same group includes the method of TiC synthesis by the interaction of titanium powder with the decomposition products of methane or other gaseous hydrocarbons [Kim Y. - J., Chung K, Kang S. - J.L. In situ formation of titanium carbide in titanium powder compacts by gas-solid reaction // Composite: Part A 32 (2001) P.731-738]. In this method, there is no need to mix the reagents, since one of them is in the gas phase, but the titanium carbide yield does not exceed 30%, and it is part of the Ti-TiC composite, which makes it difficult to use in compounds that do not contain elemental titanium.

К третьей группе способов синтеза TiC относятся плазмохимические способы, основанные на совместном восстановлении в водородной или углеводородной плазме газовой смеси, состоящей из TiCl4 и углеводорода CnHm. В плазмохимическом способе [Neunschwarner E. // Less-Common Metals. 1966, V.11, N5, P.365-375] синтез TiC осуществляли в потоке водородной плазмы, содержащей хлорид титана и метан. Использование вместо метана бензина и бензола для получения в плазме карбида титана предложено в работах [Панфилов С.А., Резвых В.Ф., Цветков Ю.В. и др. // Физ. и хим. обраб. материалов. 1979, №2, С.21-27; Резвых В.Ф., Панфилов С.А., Хайдаров В.В. и др. // Физ. и хим. обраб. материалов. 1983, №2, С.58-61; Ибрагимов А.Т., Каламазов Р.И., Цветков Ю.В. // Физ. и хим. обраб. материалов. 1985, №5, с.58-61].The third group of methods for the synthesis of TiC includes plasma-chemical methods based on the joint reduction in a hydrogen or hydrocarbon plasma of a gas mixture consisting of TiCl 4 and hydrocarbon C n H m . In the plasma chemical method [Neunschwarner E. // Less-Common Metals. 1966, V.11, N5, P.365-375] the synthesis of TiC was carried out in a stream of hydrogen plasma containing titanium chloride and methane. The use of gasoline and benzene instead of methane for the production of titanium carbide in plasma was proposed in [Panfilov SA, Rezvykh VF, Tsvetkov Yu.V. and others // Phys. and chem. processing materials. 1979, No. 2, C.21-27; Rezvykh V.F., Panfilov S.A., Khaidarov V.V. and others // Phys. and chem. processing materials. 1983, No. 2, S.58-61; Ibragimov A.T., Kalamazov R.I., Tsvetkov Yu.V. // Phys. and chem. processing materials. 1985, No. 5, p. 58-61].

Известен способ синтеза карбида титана напылением углерода из материала анода в водородной плазме на поверхность титана, служащей катодом [Достовалов В.А., Гордиенко Н.С. и др. Патент RU 2424352, 2011]. Недостатками данного способа, кроме общих недостатков плазмохимических способов, являются: возможность получения только тонкой пленки карбида на поверхности титана, трудность равномерного покрытия поверхности сложной формы, низкая производительность, лимитированная в том числе скоростью эрозионных процессов на поверхности графитового анода.A known method of synthesis of titanium carbide by carbon deposition from anode material in a hydrogen plasma on a titanium surface serving as a cathode [Dostovalov VA, Gordienko NS et al. Patent RU 2424352, 2011]. The disadvantages of this method, in addition to the general disadvantages of plasma-chemical methods, are: the ability to obtain only a thin carbide film on the titanium surface, the difficulty of uniformly coating a complex surface, low productivity, including limited by the rate of erosion processes on the surface of a graphite anode.

Известен способ получения покрытий TiC осаждением титана из потока металлической плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым разрядом в парах бензола [Быстрое Ю.А., Ветров Н.З., Лисенков А.А. Плазмохимический синтез карбида титана на медных подложках // Письма в ЖТФ, 2011, Т.37, вып.15, с.33-39].A known method of producing TiC coatings by deposition of titanium from a stream of metal plasma generated by a vacuum-arc discharge in benzene vapor [Bystroy Yu.A., Vetrov N.Z., Lisenkov A.A. Plasma-chemical synthesis of titanium carbide on copper substrates // Letters in ZhTF, 2011, V.37, issue 15, p.33-39].

К общим недостатком плазмохимических способов следует отнести сложность аппаратурного оформления и большие затраты электрической энергии, необходимые для поддержания химических превращений в плазме, а также использование водорода.The general disadvantage of plasma-chemical methods is the complexity of the hardware design and the high cost of electrical energy necessary to maintain chemical transformations in the plasma, as well as the use of hydrogen.

К четвертой группе способов синтеза карбида титана следует отнести металлотермические способы, в основе которых лежат обобщенные реакции:The fourth group of methods for the synthesis of titanium carbide should include metallothermic methods, which are based on generalized reactions:

mTiClx+MnCm→nMClmx/n+mTiCmTiCl x + M n C m → nMCl mx / n + m TiC

илиor

TiClx+nM+CCly→nMCl(x+y)/n+TiCTiCl x + nM + CCl y → nMCl (x + y) / n + TiC

На первой обобщенной реакции основан способ получения карбида титана с использованием карбида кальция (CaC2) в качестве реагента MnCm (n=1, m=2) [Абрамов Д.С., Нечаев Н.И. и др. SU 1809586 А1, 2000]. Синтез осуществляют введением в расплав солей низших хлоридов титана и карбида кальция при температуре 700-800°C Недостатками этого способа является необходимость предварительного получения низших хлоридов титана, растворимых в солевых расплавах и дорогостоящего карбида кальция, а также неизбежность последующего измельчения полученного порошка.The first generalized reaction is based on the method of producing titanium carbide using calcium carbide (CaC 2 ) as a reagent M n C m (n = 1, m = 2) [Abramov DS, Nechaev NI and others SU 1809586 A1, 2000]. The synthesis is carried out by introducing into the melt salts of lower titanium chlorides and calcium carbide at a temperature of 700-800 ° C. The disadvantages of this method are the need for preliminary production of lower titanium chlorides soluble in salt melts and expensive calcium carbide, as well as the inevitability of subsequent grinding of the obtained powder.

На второй реакции основаны многочисленные способы магниетермического восстановления в расплаве смеси тетрахлорида титана и углерода [Александровский С.В., Мушков С.В. и др. Патент RU 2083708 С1, 1997; Александровский С.В. Патент RU 2130424 C1, 1999]. В них ПС получают восстановлением смеси тетрахлоридов титана и углерода (или TiCl4 и C2Cl4 [Александровский С.В., Ли Д.В., Сизяков В.М. Получение нанопорошков карбида титана магнивтермическим восстановлением смеси хлоридов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2004, №5, с.60-65]) магнием с последующей вакуумной сепарацией. В таком синтезе используют аппаратуру, предназначенную для получения титановой губки магниетермией. Как вариант, для облегчения измельчения полученного карбида титана до порошка требуемой крупности перед восстановлением смесь тетрахлоридов или магний насыщают водородом.The second reaction is based on numerous methods of magnetothermal reduction in a melt of a mixture of titanium tetrachloride and carbon [Aleksandrovsky SV, Mushkov SV et al. Patent RU 2083708 C1, 1997; Alexandrovsky S.V. Patent RU 2130424 C1, 1999]. In them, PSs are obtained by reduction of a mixture of titanium and carbon tetrachlorides (or TiCl 4 and C 2 Cl 4 [Aleksandrovsky SV, Lee DV, Sizyakov VM. Obtaining nanopowders of titanium carbide by magnesium thermal reduction of a mixture of chlorides // Izvestiya Vuzov. Non-ferrous metallurgy. 2004, No. 5, pp. 60-65]) magnesium, followed by vacuum separation. In this synthesis using equipment designed to obtain a titanium sponge with magnetermia. Alternatively, a mixture of tetrachlorides or magnesium is saturated with hydrogen to facilitate grinding the resulting titanium carbide to a powder of the desired size before reduction.

Недостатком способа является необходимость использования металлического магния, а также стадий вакуумной сепарации и измельчения полученного продукта.The disadvantage of this method is the need to use metallic magnesium, as well as stages of vacuum separation and grinding of the resulting product.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу относится алюминотермический субхлоридный способ синтеза карбида титана смешением в газовой фазе субхлорида алюминия, тетрахлорида титана и безкислородного углеродсодержащего газа (например, углеводородов (CnHm), хлоруглеводородов (CnHmClk) или хлоруглеродов (CCl4, C2Cl6)) [Закиров Р.А., Парфенов О.Г., Пашков Г.Л. Субхлоридный синтез в металлургии титана // Доклады Академии Наук. - 2009. - Т.425. - №5, С.631-633; Zakirov R.A., Parfenov O.G., Pashkov G.L. Subchloride Synthesis in Titanium Metallurgy // Doklady Chemistry, 2009, Vol.425, Part 2, P.77-79]. Синтез карбида титана, например, из углеводорода ведется из газовой фазы при температуре 1000K<T<2000K с выделением тепла на основе следующей обобщенной химической реакции:The closest analogue to the claimed method includes an aluminothermic subchloride method for synthesizing titanium carbide by mixing in the gas phase aluminum subchloride, titanium tetrachloride and oxygen-free carbon-containing gas (for example, hydrocarbons (C n H m ), chlorohydrocarbons (C n H m Cl k ) or chlorocarbons (CCl 4 , C 2 Cl 6 )) [Zakirov R.A., Parfenov O.G., Pashkov G.L. Subchloride synthesis in titanium metallurgy // Reports of the Academy of Sciences. - 2009. - T. 425. - No. 5, S.631-633; Zakirov RA, Parfenov OG, Pashkov GL Subchloride Synthesis in Titanium Metallurgy // Doklady Chemistry, 2009, Vol.425, Part 2, P.77-79]. The synthesis of titanium carbide, for example, from hydrocarbon is carried out from the gas phase at a temperature of 1000K <T <2000K with the release of heat based on the following generalized chemical reaction:

nTiCl 4 + C n N m + 2nAlCl nTiC + 2nAlCl 3 + m/2H 2         (1)

Figure 00000001
nTiCl four + C n N m + 2nAlCl nTiC + 2nAlCl 3 + m / 2H 2 (one)
Figure 00000001

Использование вместо углеводородов хлорсодержащих углеродных соединений позволяет получать тот же целевой продукт, но требует дополнительного расхода субхлорида алюминия для связывания хлора, входящего в состав хлоруглеродов или хлоруглеводородов, и тем самым удорожает процесс синтеза карбида титана.The use of chlorine-containing carbon compounds instead of hydrocarbons makes it possible to obtain the same target product, but requires an additional consumption of aluminum subchloride to bind chlorine, which is part of chlorocarbons or chlorohydrocarbons, and thereby increases the cost of titanium carbide synthesis.

Способ, основанный на реакции (1) позволяет синтезировать и осаждать из газовой фазы порошки карбида титана любой крупности - от нанометров до сотен микрон. Несмотря на то, что термодинамика разрешает равновесный выход карбида титана близкий к 100% в широком диапазоне температур при 300<T<2000K, на практике такого высокого выхода добиться не удается. Одна из причин - трудности выделения ультрадисперсных частиц карбида титана из газового потока. Другая причина - в малой вероятности трехмолекулярных столкновений в реакции (1). На практике химические превращения идут в результате последовательности двухмолекулярных столкновений, и с учетом кинетики промежуточных химических превращений, требующих несколько разнящиеся оптимальные температурные режимы, суммарный выход карбида титана в потоке газа оказывается ниже равновесного.The method based on reaction (1) allows synthesizing and precipitating from the gas phase powders of titanium carbide of any size - from nanometers to hundreds of microns. Despite the fact that thermodynamics allows an equilibrium yield of titanium carbide close to 100% in a wide temperature range at 300 <T <2000 K, in practice such a high yield cannot be achieved. One of the reasons is the difficulty in separating ultrafine particles of titanium carbide from the gas stream. Another reason is the low probability of three-molecular collisions in reaction (1). In practice, chemical transformations occur as a result of a sequence of two-molecular collisions, and taking into account the kinetics of intermediate chemical transformations that require slightly different optimal temperature conditions, the total yield of titanium carbide in the gas stream is below equilibrium.

Предлагаемый способ направлен на получение технического результата, заключающегося в повышении полноты превращения вводимого на синтез титана и в устранении стадии улавливания продукта из газового потока.The proposed method is aimed at obtaining a technical result, which consists in increasing the completeness of conversion of titanium introduced into the synthesis and in eliminating the stage of product capture from the gas stream.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что субхлоридный алюминотермический синтез карбида титана при нормальном давлении по суммарной реакции (1) осуществляется в две стадии при различных температурах, на каждой из них в химических превращениях участвуют два реагента, один из них находится в реакторе в газовой, другой - в твердой фазе.The achievement of the technical result is ensured by the fact that the subchloride aluminothermic synthesis of titanium carbide at normal pressure by the total reaction (1) is carried out in two stages at different temperatures, at each of them two reagents are involved in chemical transformations, one of them is in the reactor in the gas - in the solid phase.

На первой стадии осуществляется синтез карбида алюминия из сажи или другого углеродного вещества (твердая фаза), и из субхлорида алюминия AlCl (газовая фаза), причем субхлорид вводят в стехиометрическом избытке по отношению к углероду для гарантированного полного превращения этого углерода в карбид алюминия.In the first stage, the synthesis of aluminum carbide from carbon black or another carbon substance (solid phase) and from aluminum subchloride AlCl (gas phase) is carried out, and the subchloride is introduced in a stoichiometric excess with respect to carbon to ensure complete conversion of this carbon to aluminum carbide.

На второй стадии полученный на первой стадии порошок карбида алюминия (твердая фаза), продувают парами тетрахлорида титана. Синтезируемый таким путем карбид титана затем отмывают в соляной кислоте от остатков карбида алюминия, элементного алюминия и адсорбированных хлоридов алюминия.In the second stage, the aluminum carbide powder obtained in the first stage (solid phase) is purged with vapors of titanium tetrachloride. The titanium carbide synthesized in this way is then washed in hydrochloric acid from the residues of aluminum carbide, elemental aluminum and adsorbed aluminum chlorides.

Сущность предлагаемого способа заключается том, что субхлорид алюминия при температуре выше 730°C существует в газовой фазе и служит газофазным восстановителем для хлоридов менее активных к хлору элементов, таких как титан или углерод, а с углерòдсодержащими веществами, например, с углеводородами способен образовывать карбиды по реакции:The essence of the proposed method lies in the fact that aluminum subchloride at a temperature above 730 ° C exists in the gas phase and serves as a gas-phase reducing agent for chlorides of less chlorine-active elements, such as titanium or carbon, and with carbon-containing substances, for example, with hydrocarbons, it can form carbides by reactions:

2nAlCl+CnHm→n/3Al4C3+2n/3AlCl3+m/2Н2 2nAlCl + C n H m → n / 3Al 4 C 3 + 2n / 3AlCl 3 + m / 2Н 2

Или реагировать с элементным углеродом (n=1, m=0):Or react with elemental carbon (n = 1, m = 0):

2AlCl + C 1/3Al 4 C 3 + 2/3AlCl 3                     (2)

Figure 00000002
2AlCl + C 1 / 3Al four C 3 + 2 / 3AlCl 3 (2)
Figure 00000002

Углеродсодержащее вещество подают на реакцию в форме порошка, нити или пленкиThe carbon-containing substance is fed into the reaction in the form of a powder, thread or film

Для синтеза предлагается использовать частицы термостойкого твердого углеродного вещества, например, сажи, угля, графита, графена, фуллерена или углеродных волокон. Попутно образующийся AlCl3 возгоняется при T>180°C и практически не загрязняет твердый карбид алюминия.For the synthesis, it is proposed to use particles of heat-resistant solid carbon substance, for example, soot, coal, graphite, graphene, fullerene or carbon fibers. AlCl 3 formed along the way sublimates at T> 180 ° C and practically does not pollute solid aluminum carbide.

Реакция (2) на поверхности углеродной частицы интенсивно протекает при температуре 1100-1250°C. При T<1100°C скорость синтеза заметно падает преимущественно из-за низкого парциального давления паров AlCl, которое резко растет с температурой. С ростом температуры также улучшается кинетика процесса, падает вероятность диспропорционирования избыточного субхлорида алюминия и, соответственно, падает содержание примеси металлического алюминия в карбиде алюминия. При T>1250°C появляются технологические трудности защиты стенок реактора от химической эрозии.Reaction (2) on the surface of a carbon particle intensively proceeds at a temperature of 1100-1250 ° C. At T <1100 ° C, the synthesis rate noticeably decreases mainly due to the low partial vapor pressure of AlCl, which increases sharply with temperature. With increasing temperature, the kinetics of the process also improves, the probability of disproportionation of excess aluminum subchloride decreases, and, accordingly, the content of aluminum metal impurity in aluminum carbide decreases. At T> 1250 ° C, technological difficulties arise in protecting the walls of the reactor from chemical erosion.

На второй стадии при нормальном давлении осуществляется синтез карбида титана по реакции:In the second stage, at normal pressure, titanium carbide is synthesized by the reaction:

Al 4 C 3 + 3TiCl = 3TiC + 4AlCl 3                  (3)

Figure 00000003
Al four C 3 + 3TiCl = 3TiC + 4AlCl 3 (3)
Figure 00000003

Температура в реакторе не превышает 900°C с тем, чтобы подавить попутное образование TiCl3, которое становится заметным уже при температуре 1000°C и выше, и сопровождается травлением титана в карбиде избыточным тетрахлоридом по реакции:The temperature in the reactor does not exceed 900 ° C in order to suppress the associated formation of TiCl 3 , which becomes noticeable even at a temperature of 1000 ° C and higher, and is accompanied by etching of titanium in carbide with excess tetrachloride by reaction:

TiC+3TiCl4=C+4TiCl3 TiC + 3TiCl4 = C + 4TiCl 3

По завершении второй стадии остающийся карбид алюминия, адсорбированные остатки хлорсодержащих соединений и металлический алюминий, попавший в твердый продукт на первой стадии, удаляют отмывкой TiC в соляной кислоте.At the end of the second stage, the remaining aluminum carbide, the adsorbed residues of chlorine-containing compounds and the metal aluminum trapped in the solid product in the first stage are removed by washing with TiC in hydrochloric acid.

Введение в реакцию на каждой стадии одного твердого и одного газофазного реагента избавляет от необходимости предварительного смешения реагентов и улавливания целевого продукта химической реакции из газового потока.The introduction of one solid and one gas-phase reagent into the reaction at each stage eliminates the need for preliminary mixing of the reagents and capture of the target product of the chemical reaction from the gas stream.

Полученный TiC, подвергался рентгеноструктурному и элементному анализу. Фотография растрового электронного микроскопа исходных частиц сажи и полученного порошка TiC представлена на рис.1. Размер агломератов частиц сажи, используемой для получения карбида алюминия, составляет около 30 мкм. Порошок синтезированного TiC состоял из агломератов ~10-20 мкм, объединяющих частицы размером 100÷300 нм. Примеси свободного углерода, алюминия, карбида алюминия, титана и алюминидов титана не превышали 0.1%, выход карбида титана по отношению к вводимому в систему тетрахлориду титана был не менее 90%. При введении в реакцию углеродных волоков вместо сажи получали волокна карбида титана с длиной и диаметром, близкими к длине и диаметру исходного углеродного волокна (рис.2).The resulting TiC was subjected to x-ray diffraction and elemental analysis. A photograph of a scanning electron microscope of the initial soot particles and the obtained TiC powder is shown in Fig. 1. The size of the agglomerates of soot particles used to produce aluminum carbide is about 30 microns. The synthesized TiC powder consisted of agglomerates of ~ 10–20 μm, uniting particles 100–300 nm in size. The admixtures of free carbon, aluminum, aluminum carbide, titanium, and titanium aluminides did not exceed 0.1%; the yield of titanium carbide relative to the titanium tetrachloride introduced into the system was at least 90%. When carbon drags were introduced into the reaction, instead of soot, titanium carbide fibers with a length and diameter close to the length and diameter of the initial carbon fiber were obtained (Fig. 2).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами 1-3.The essence of the invention is illustrated by examples 1-3.

Примеры осуществления способа:Examples of the method:

Пример 1.Example 1

На первой стадии над ацетиленовой сажей массой 150 мг пропускались пары субхлорида алюминия в течение 60 минут при температуре 1250°C. Субхлорид подавался в трехкратном избытке относительно стехиометрии. В полученных частицах карбида алюминия свободный углерод не обнаруживался. На второй стадии полученный карбид алюминия выдерживался при температуре 900°C в парах четыреххлористого титана также в течение 60 минут. Полученный продукт отмывался в растворе соляной кислоты для удаления непрореагировавшего карбида алюминия и осевшего при диспропорциокировании алюминия. Выход карбида титана составлял 90%.In the first stage, aluminum subchloride vapor was passed over 150 mg acetylene carbon black for 60 minutes at a temperature of 1250 ° C. Subchloride was supplied in triplicate in relation to stoichiometry. No free carbon was detected in the resulting aluminum carbide particles. In the second stage, the obtained aluminum carbide was maintained at a temperature of 900 ° C in vapors of titanium tetrachloride also for 60 minutes. The resulting product was washed in a hydrochloric acid solution to remove unreacted aluminum carbide and precipitated during the disproportionation of aluminum. The titanium carbide yield was 90%.

Пример 2.Example 2

Первая стадия осуществляется при тех же параметрах, что и в примере 1. На второй стадии температура составляла 800°C. Понижение температуры второй стадии позволяет снизить скорость травления TiC четыреххлористым титаном и таким образом увеличить выход продукта и также предотвратить выделение свободного углерода. Выход карбида титана превышал 98%.The first stage is carried out with the same parameters as in example 1. In the second stage, the temperature was 800 ° C. Lowering the temperature of the second stage can reduce the etching rate of TiC with titanium tetrachloride and thus increase the yield of the product and also prevent the release of free carbon. The titanium carbide yield exceeded 98%.

Пример 3.Example 3

Режимы синтеза TiC выбирались как в Примере 2, но вместо сажи в реактор вводились углеродные волокна. В результате синтеза образовывались волокна в форме трубок карбида титана. Фотография волокон TiC с разным увеличением представлена на рис.2.The modes of synthesis of TiC were selected as in Example 2, but instead of soot, carbon fibers were introduced into the reactor. The synthesis resulted in the formation of fibers in the form of titanium carbide tubes. A photograph of TiC fibers with different magnifications is shown in Fig. 2.

Claims (1)

Способ получения карбида титана, включающий в себя использование в качестве исходных компонентов субхлорида алюминия, тетрахлорида титана и углерода, отличающийся тем, что углерод подают на реакцию в форме порошка или нити, а синтез карбида титана из него проводят в две стадии через получение на первой стадии карбида алюминия из субхлорида алюминия и углерода, и на второй стадии - карбида титана из карбида алюминия и тетрахлорида титана. A method of producing titanium carbide, including the use of aluminum subchloride, titanium tetrachloride and carbon as starting components, characterized in that the carbon is fed into the reaction in the form of a powder or thread, and the synthesis of titanium carbide from it is carried out in two stages through the preparation in the first stage aluminum carbide from aluminum and carbon subchloride, and in the second stage, titanium carbide from aluminum carbide and titanium tetrachloride.
RU2012120463/05A 2012-05-17 2012-05-17 Method of producing titanium carbide RU2495826C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012120463/05A RU2495826C1 (en) 2012-05-17 2012-05-17 Method of producing titanium carbide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012120463/05A RU2495826C1 (en) 2012-05-17 2012-05-17 Method of producing titanium carbide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2495826C1 true RU2495826C1 (en) 2013-10-20

Family

ID=49357146

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012120463/05A RU2495826C1 (en) 2012-05-17 2012-05-17 Method of producing titanium carbide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2495826C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2694297C1 (en) * 2018-07-04 2019-07-11 Акционерное общество "Концерн "Созвездие" Nanostructured coatings from the refractory metals carbides obtaining method
RU2715182C1 (en) * 2015-07-03 2020-02-25 Хохай Юниверсити Method of producing nano-sheet from sulphate two-dimensional titanium carbide

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2747016A1 (en) * 1976-10-20 1978-04-27 Toyo Soda Mfg Co Ltd High purity titanium carbide - is made by heating compacted mixt. of titanium tri:chloride a metal such as aluminium and carbon
JPS5410960B2 (en) * 1974-04-30 1979-05-10
RU2066700C1 (en) * 1993-01-11 1996-09-20 Акционерное общество открытого типа "АВИСМА титано-магниевый комбинат" Titanium carbide production method
RU2130424C1 (en) * 1996-06-04 1999-05-20 Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова (технический университет) Method of preparing titanium carbide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5410960B2 (en) * 1974-04-30 1979-05-10
DE2747016A1 (en) * 1976-10-20 1978-04-27 Toyo Soda Mfg Co Ltd High purity titanium carbide - is made by heating compacted mixt. of titanium tri:chloride a metal such as aluminium and carbon
RU2066700C1 (en) * 1993-01-11 1996-09-20 Акционерное общество открытого типа "АВИСМА титано-магниевый комбинат" Titanium carbide production method
RU2130424C1 (en) * 1996-06-04 1999-05-20 Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова (технический университет) Method of preparing titanium carbide

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АЛЕКСАНДРОВСКИЙ С.В. и др. Получение нанопорошков карбида титана магниетермическим восстановлением смеси хлоридов. - Известия вузов. Цветная металлургия, 2004, No.5, с.60-65. *
АЛЕКСАНДРОВСКИЙ С.В. и др. Получение нанопорошков карбида титана магниетермическим восстановлением смеси хлоридов. - Известия вузов. Цветная металлургия, 2004, №5, с.60-65. *
ЗАКИРОВ Р.А. и др. Субхлоридный синтез в металлургии титана. Доклады Академии Наук, 2009, т.425, No.5, с.631-633. *
ЗАКИРОВ Р.А. и др. Субхлоридный синтез в металлургии титана. Доклады Академии Наук, 2009, т.425, №5, с.631-633. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715182C1 (en) * 2015-07-03 2020-02-25 Хохай Юниверсити Method of producing nano-sheet from sulphate two-dimensional titanium carbide
RU2694297C1 (en) * 2018-07-04 2019-07-11 Акционерное общество "Концерн "Созвездие" Nanostructured coatings from the refractory metals carbides obtaining method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. Low‐Temperature Synthesis of Nanocrystalline Titanium Nitride via a Benzene–Thermal Route
US20060051281A1 (en) Metal carbides and process for producing same
US11193185B2 (en) Producing titanium alloy materials through reduction of titanium tetrachloride
WO1983004188A1 (en) Process for manufacturing metal carbides and their precursors
RU2734225C1 (en) Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrachloride
Farzaneh et al. New route for preparing nanosized boron carbide powder via magnesiothermic reduction using mesoporous carbon
Katea et al. Synthesis of nano-phase ZrC by carbothermal reduction using a ZrO2–carbon nano-composite
Liu et al. In-situ synthesis of ultra-fine ZrB2–ZrC–SiC nanopowders by sol-gel method
Xie et al. Chemical reactions between calcium carbide and chlorohydrocarbon used for the synthesis of carbon spheres containing well-ordered graphite
CN108840681B (en) Nano boron carbide and preparation method thereof
Wu et al. Synthesis of high purity nano-sized transition-metal carbides
Epur et al. A simple facile approach to large scale synthesis of high specific surface area silicon nanoparticles
Liu et al. Synthesis of ultra-fine tantalum carbide powders by a combinational method of sol–gel and spark plasma sintering
Krutskii et al. Synthesis of fine dispersed titanium diboride from nanofibrous carbon
RU2495826C1 (en) Method of producing titanium carbide
Heidarpour et al. Structural and morphological characterization of the layered carbide-derived-carbon nanostructures obtained by HF etching of Ti2AlC
Wang et al. A universal method for the synthesis of refractory metal diborides
FR2545077A1 (en) PREPARATION OF METALLIC DIBORIDE POWDERS
Dasan et al. Towards a surface functionalisation and grafting of a polycarbosilane onto zirconium carbide particles for the development of hybrid core-shell structures
Nosrati et al. One-step synthesis of high purity ZnO micro/nanostructures from pure Zn and pre-alloyed brass powders by vapor phase transport
Velashjerdi et al. Novel synthesis of ZrB2 powder by low temperature direct molten salt reaction
Davoodi et al. The effect of NiO catalyst on reduction, synthesis and binder content of TiC-Ni nanocomposite
US11713251B2 (en) Method for preparing powdered composite carbide of tungsten and titanium
Simsek et al. Low temperature synthesis and characterization of pure lanthanum hexaboride nanocrystals
Niu et al. Synthesis of silicon carbide nanoparticles from amorphous carbon: Based on the domain structure of electrically calcined anthracite

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20180710

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20181107

Effective date: 20181107