RU2616058C2 - Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining - Google Patents

Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining Download PDF

Info

Publication number
RU2616058C2
RU2616058C2 RU2015137006A RU2015137006A RU2616058C2 RU 2616058 C2 RU2616058 C2 RU 2616058C2 RU 2015137006 A RU2015137006 A RU 2015137006A RU 2015137006 A RU2015137006 A RU 2015137006A RU 2616058 C2 RU2616058 C2 RU 2616058C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
carbon
plasmas
oxygen
metal
Prior art date
Application number
RU2015137006A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015137006A (en
Inventor
Николай Васильевич Алексеев
Андрей Владимирович Самохин
Дмитрий Евгеньевич Кирпичев
Юрий Владимирович Цветков
Михаил Викторович Шиман
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ 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 металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority to RU2015137006A priority Critical patent/RU2616058C2/en
Publication of RU2015137006A publication Critical patent/RU2015137006A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2616058C2 publication Critical patent/RU2616058C2/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/14Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes using electric discharge
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: method of producing of metal-carbon systems nanopowders consisting of metal carbides and metal-carbon compositions from chloride and oxide metals and hydrocarbons compounds in a thermal electrical discharges plasma, in which the process is carried out in a mixture plasma of saturated hydrocarbons with oxygen at the atomic ratio of elements in the mixture - carbon (C plasmas) and oxygen (O plasmas), which corresponds to the condition of C plasmas/O plasmas = 1.
EFFECT: developed method for the formation of metal-carbon systems nanopowders makes it possible to reduce the energy expenditure on the generation of a thermal plasma flow.
2 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии. Карбиды металлов и композиции металл-углерод находят широкое применение для создания твердых, антифрикционных, электроконтактных и других материалов и покрытий.The invention relates to powder metallurgy. Metal carbides and metal-carbon compositions are widely used to create solid, anti-friction, electrical and other materials and coatings.

Известны многочисленные способы получения порошков карбидов элементов и элемент-углеродных композиций, в том числе в потоках термической плазмы электрических разрядов, в виде нанопорошков с размерами частиц менее 100 нм.Numerous methods are known for producing powders of carbides of elements and element-carbon compositions, including in flows of thermal plasma of electric discharges, in the form of nanopowders with particle sizes less than 100 nm.

Синтез карбида титана осуществлен в трехструйном плазменном реакторе при восстановлении оксида титана TiO2 метаном и карбидизации метаном металлического титана в потоке азотной плазмы (А.К. Гарбузова и др. Плазменный синтез карбида титана: научное обоснование, технология, экономическая оценка. Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. Выпуск 32, с. 122-136, 2014 г.). Получен нанопорошок карбида титана состоящий из частиц кубической формы со средним размером 35 нм. В карбиде титана присутствуют примеси свободного углерода (1.2-1.6 мас. %), а также диоксида титана (6.5 мас. %) или титана (5.5 мас. %) в зависимости от вида используемого сырья. Наличие значительного количества примесей в получаемом карбиде титана является серьезным недостатком процесса.The synthesis of titanium carbide was carried out in a three-jet plasma reactor during the reduction of titanium oxide TiO 2 with methane and methane carbidization of titanium metal in a nitrogen plasma stream (A.K. Garbuzova et al. Plasma synthesis of titanium carbide: scientific justification, technology, economic evaluation. Bulletin of the mining and metallurgical industry section of the Russian Academy of Natural Sciences, Department of Metallurgy, Issue 32, pp. 122-136, 2014). The obtained titanium carbide nanopowder consisting of cubic particles with an average size of 35 nm. Titanium carbide contains impurities of free carbon (1.2-1.6 wt.%), As well as titanium dioxide (6.5 wt.%) Or titanium (5.5 wt.%) Depending on the type of raw material used. The presence of a significant amount of impurities in the resulting titanium carbide is a serious disadvantage of the process.

Карбид вольфрама WC1-x с размером частиц менее 20 нм получен при взаимодействии паравольфрамата аммония с метаном в потоке водородно-аргоновой плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне (Taegong Ryu etal, Plasma Synthesis of Tungsten Carbide Nanopowder from Ammonium Paratungstate, J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92, 3, pp. 655-660). К недостаткам процесса относится использование инертного газа аргона для генерации термической плазмы, что приводит к повышению себестоимости получаемого продукта из-за необходимости нагрева аргона до высоких температур и, соответственно, увеличению энергозатрат.Tungsten carbide WC 1-x with a particle size of less than 20 nm was obtained by the interaction of ammonium paratungstate with methane in a stream of hydrogen-argon plasma generated in an electric arc plasma torch (Taegong Ryu etal, Plasma Synthesis of Tungsten Carbide Nanopowder from Ammonium Paratungstate, J. Am. Soc., 2009, 92, 3, pp. 655-660). The disadvantages of the process include the use of an inert argon gas to generate thermal plasma, which leads to an increase in the cost of the resulting product due to the need to heat argon to high temperatures and, consequently, increase energy consumption.

Нанопорошки карбида кремния SiC получены в термической плазме смеси аргон-водород, генерируемой в ВЧ-плазмотроне, при взаимодействии тетрахлорида кремния SiCl4 и этилена С2Н4 (KlotzH.-D., MachR., OleszakF., SzulzewskyK., KramerW., SchierhornE. NanocrystallineCeramicSiC, TiCandSiC-TiCPowdersProducedinanRFInductionPlasma, ISPC-12, Minneapolis, USA, 1995, pp. 1147-1152). Синтезированные в этих условиях порошки состояли из наночастиц преимущественно β-SiC со средним размером 20-50 нм, Как и в предыдущем варианте получения карбида вольфрама недостатком процесса является использование аргона, приводящее к увеличению затрат электроэнергии.Silicon carbide nanopowders SiC were obtained in a thermal plasma of an argon-hydrogen mixture generated in an RF plasmatron by the interaction of silicon tetrachloride SiCl 4 and ethylene C 2 H 4 (KlotzH.-D., MachR., Oleszak F., Szulzewsky K., Kramer W.,. Schierhorn E. Nanocrystalline Ceramic SiC, TiCand SiC-TiCPowders Producedinan RFInductionPlasma, ISPC-12, Minneapolis, USA, 1995, pp. 1147-1152). The powders synthesized under these conditions consisted mainly of β-SiC nanoparticles with an average size of 20-50 nm. As in the previous version of the production of tungsten carbide, the disadvantage of the process is the use of argon, which leads to an increase in the cost of electricity.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нанопорошков систем элемент-углерод (патент РФ №2434807, 2010 г. ), в котором процесс проводится в термической плазме смеси углеводорода с одним из компонентов или смесью компонентов из группы: водяной пар, диоксид углерода. В реагирующей системе поддерживается суммарное атомное содержание элементов углерода Собщ, кислорода Ообщ и элемента Е1 общ, образующего систему элемент-углерод, отвечающее условию (Собщобщ)/Е1общ>K, где K - число атомов углерода, приходящееся на один атом элемента в брутто-формуле получаемого нанопорошка систем элемент-углерод. Изобретение позволяет получать целевые нанопорошки без использования для получения плазмы дополнительных газов, не участвующих в химических реакциях.The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a method for producing nanopowders of element-carbon systems (RF patent No. 2434807, 2010), in which the process is carried out in thermal plasma of a mixture of hydrocarbon with one of the components or a mixture of components from the group: water vapor , carbon dioxide. In the reacting system, the total atomic content of carbon elements C total , oxygen O total and element E1 total, forming the element-carbon system that meets the condition (C total -O total ) / E1 total > K, where K is the number of carbon atoms per one atom of an element in the gross formula of the resulting nanopowder of element-carbon systems. EFFECT: invention allows to obtain target nanopowders without using additional gases not involved in chemical reactions for plasma production.

Недостатком способа является использование для генерации плазмы смесей водяной пар (диоксид углерода) - углеводород, при нагреве которых до высоких температур происходят сильно выраженные эндотермические реакции, увеличивающие затраты энергии на проведение процесса при требуемой температуре.The disadvantage of this method is the use of water vapor (carbon dioxide) - hydrocarbon mixtures for plasma generation, when heated to high temperatures, strongly pronounced endothermic reactions occur that increase the energy consumption for carrying out the process at the required temperature.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нанопорошков системы металл-углерод, состоящих из карбидов металлов и композиций металл-углерод, из хлоридных и оксидных соединений металлов и углеводородов в термической плазме электрических разрядов, согласно изобретению процесс проводится в плазме смеси насыщенных углеводородов с кислородом при атомном соотношении элементов в смеси углерода (С плазм) и кислорода (О плазм), отвечающем условию С плазм / О плазм = 1.The technical result is achieved by the fact that in the method of producing nanopowders of the metal-carbon system, consisting of metal carbides and metal-carbon compositions, from chloride and oxide compounds of metals and hydrocarbons in thermal plasma of electrical discharges, according to the invention, the process is carried out in a plasma of a mixture of saturated hydrocarbons with oxygen when the atomic ratio of elements in a mixture of carbon (C plasmas) and oxygen (O plasmas) satisfying the condition C plasmas / O plasmas = 1.

Для реализации способа известный способ получения нанопорошков систем элемент-углерод (карбидов элементов, элемент-углеродных и элемент-карбид-углеродных композиций) из элементов и их соединений в плазме электрического разряда предлагается осуществлять с использованием в качестве плазмообразующих газов смесей углеводородов (природный, сжиженный газ, пары жидкого топлива) с кислородом при определенном атомном соотношении общего углерода (С) и общего кислорода (О) в смеси, отвечающем условию С/О=1. Для реализации способа к наиболее предпочтительным следует отнести насыщенные углеводороды, являющиеся основой природного газообразного углеводородного сырья (природный и сжиженный газ), а также бензина.To implement the method, the known method for producing nanopowders of element-carbon systems (element carbides, element-carbon and element-carbide-carbon compositions) from elements and their compounds in an electric discharge plasma is proposed to be carried out using mixtures of hydrocarbons as plasma-forming gases (natural, liquefied gas , vapors of liquid fuel) with oxygen at a certain atomic ratio of total carbon (C) and total oxygen (O) in a mixture that meets the condition C / O = 1. For the implementation of the method, the most preferred should include saturated hydrocarbons, which are the basis of natural gaseous hydrocarbon raw materials (natural and liquefied gas), as well as gasoline.

Указанные газообразные реагенты подаются в плазменный генератор при атомном соотношении С/O=1, где при прохождении через электрический разряд нагреваются до температуры 2500-6000 К и образуют высокотемпературный поток, состоящий из диссоциированного водорода и монооксида углерода. Перерабатываемое сырье, а также углеводороды вводятся в полученный высокотемпературный плазменный поток. Соотношение элементов С/О в составе плазмообразующего газа должно быть равно единице. При соотношении С/О>1 в плазменном генераторе возможно образование отложений углерода на стенках разрядного канала, приводящее к нарушению режима его работы, при соотношении С/O<1 в составе высокотемпературного потока будут присутствовать окислительные компоненты в виде продуктов диссоциации молекул диоксида углерода и водяного пара (О, ОН), препятствующие образованию целевых продуктов.These gaseous reactants are supplied to the plasma generator at an atomic ratio C / O = 1, where when passing through an electric discharge they are heated to a temperature of 2500-6000 K and form a high-temperature stream consisting of dissociated hydrogen and carbon monoxide. The processed raw materials as well as hydrocarbons are introduced into the obtained high-temperature plasma stream. The ratio of C / O elements in the composition of the plasma-forming gas should be equal to unity. At a C / O ratio> 1, the formation of carbon deposits on the walls of the discharge channel is possible in the plasma generator, leading to a disruption of its operation mode; at a C / O ratio <1, oxidizing components will be present in the composition of the high-temperature flow in the form of dissociation products of carbon dioxide and water molecules a pair of (O, OH), preventing the formation of the target products.

Для генерации плазмы могут использовать электродуговой, высокочастотный или сверхвысокочастотные плазмотроны, а также комбинированные схемы на их основе.To generate plasma, one can use electric arc, high-frequency, or microwave plasmatrons, as well as combined circuits based on them.

Отличительной особенностью и преимуществом предложенного процесса является использование в качестве плазмообразующего газа смесей углеводород-кислород, атомное соотношение элементов в которых удовлетворяет условию С/O=1, при этом для генерации термической плазмы не требуется использования дополнительных инертных или нейтральных компонентов, приводящее к увеличению затрат электроэнергии на их нагрев до высоких температур.A distinctive feature and advantage of the proposed process is the use of hydrocarbon-oxygen mixtures as a plasma-forming gas, the atomic ratio of elements in which satisfies the condition C / O = 1, while the generation of thermal plasma does not require the use of additional inert or neutral components, which leads to an increase in energy costs to heat them to high temperatures.

Достижение минимальных затрат энергии при использовании углеводород-кислородных смесей как плазмообразующего газа подтверждается результатами расчетов равновесных составов и энергетических характеристик взаимодействия метана и пропана с кислородом, воздухом, диоксидом углерода и водяным паром при атомном соотношении элементов С/О=1. В таблице 1 и 2 представлены затраты энергии (кДж), необходимые для получения 1 моля смеси восстановителей (СО+Н2+Н) из метана (таблица 1) и пропана (таблица 2) в интервале температур 2000-6000 К. Указанные компоненты являются преобладающими в равновесной системе С-Н-О при атомном соотношении элементов С/О=1 в рассматриваемом диапазоне температур.The achievement of minimum energy costs when using hydrocarbon-oxygen mixtures as a plasma-forming gas is confirmed by the results of calculations of the equilibrium compositions and energy characteristics of the interaction of methane and propane with oxygen, air, carbon dioxide and water vapor at an atomic ratio of elements C / O = 1. Table 1 and 2 shows the energy costs (kJ) required to obtain 1 mole of a mixture of reducing agents (CO + H 2 + H) from methane (table 1) and propane (table 2) in the temperature range 2000-6000 K. These components are prevailing in the equilibrium system С-Н-О at the atomic ratio of elements С / О = 1 in the considered temperature range.

Как следует из приведенных таблиц, минимальные затраты энергии на получение смеси восстановительных компонентов во всем рассмотренном диапазоне температур обеспечиваются для исходных смесей метан (пропан) - кислород. Аналогичные результаты характерны и для других углеводородов.As follows from the tables, the minimum energy consumption for obtaining a mixture of reducing components in the entire temperature range considered is provided for the initial mixtures of methane (propane) - oxygen. Similar results are characteristic of other hydrocarbons.

Предлагаемый процесс реализуется следующим образом.The proposed process is implemented as follows.

В качестве исходного сырья могут использоваться различные соединения металлов - оксиды, галогениды, оксигалогениды, элементорганические соединения в порошкообразном, жидком или газообразном состоянии, при этом вид сырья не ограничивается указанными группами, однако наиболее предпочтительным является оксидное или хлоридное сырье, используемое в настоящее время в промышленном масштабе. В состав исходного сырья могут входить соединения различных металлов.As the feedstock, various metal compounds can be used - oxides, halides, oxyhalides, organoelemental compounds in powder, liquid or gaseous state, while the type of feed is not limited to these groups, however, the oxide or chloride feedstock currently used in industrial scale. The composition of the feedstock may include compounds of various metals.

Углеводороды в газообразном состоянии и кислород подается в плазменный генератор, где при прохождении через электрический разряд - дуговой, высокочастотный, сверхвысокочастотный, комбинированный - нагревается до температуры не менее 2500 К для обеспечения целевых физико-химических превращений, приводящих к образованию водорода и монооксида углерода. Углеводороды и кислород должны подаваться в плазменный генератор раздельными потоками для исключения образования взрывоопасных смесей.Hydrocarbons in a gaseous state and oxygen are supplied to a plasma generator, where when passing through an electric discharge - arc, high-frequency, microwave, combined - it is heated to a temperature of at least 2500 K to provide targeted physicochemical transformations leading to the formation of hydrogen and carbon monoxide. Hydrocarbons and oxygen must be supplied to the plasma generator in separate streams to prevent the formation of explosive mixtures.

Исходное сырье и углеводород вводятся в плазменный поток в количествах, обеспечивающих образование целевых продуктов - нанопорошков систем металл-углерод (карбидов элементов, металл-углеродных композиций). Полученный газодисперсный поток охлаждается и далее поступает в узел сепарации, например фильтр, где происходит разделение газообразных и дисперсных продуктов реакции.The feedstock and hydrocarbon are introduced into the plasma stream in quantities that ensure the formation of the target products — nanopowders of metal-carbon systems (element carbides, metal-carbon compositions). The obtained gas-dispersed stream is cooled and then goes to a separation unit, for example, a filter, where gaseous and dispersed reaction products are separated.

Реализация способа представлена следующими примерами.The implementation of the method is presented by the following examples.

Пример №1Example No. 1

В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в электродуговом плазменном генераторе смеси метана (67.7 мольных %) и кислорода (33.3 мольных %) с суммарным расходом 1.3 м3/ч (норм. условия), вводится порошок триоксида вольфрама WO3 с расходом 0.15 кг/ч и метан с расходом 0.3 м3/ч (норм. условия).A mixture of methane (67.7 mol%) and oxygen (33.3 mol%) with a total flow rate of 1.3 m 3 / h (normal conditions) is introduced into the thermal plasma stream obtained by heating in an electric arc plasma generator a tungsten trioxide powder WO 3 with a flow rate of 0.15 kg / h and methane with a flow rate of 0.3 m 3 / h (normal conditions).

Атомное соотношение С/О в составе плазмообразующих газов равно единице, среднемассовая энтальпия плазменной струи на выходе из плазменного генератора составляет 4.7 кВтч/нм3.The atomic C / O ratio in the composition of the plasma-forming gases is unity, the mass-average enthalpy of the plasma jet at the exit of the plasma generator is 4.7 kWh / nm 3 .

Получаемый нанопорошок состоит из частиц с размерами менее 30 нм, преобладающими фазами в нем являются карбиды вольфрама W2C, WC1-x с присутствием металлического вольфрама и свободного углерода.The resulting nanopowder consists of particles with sizes less than 30 nm, the predominant phases in it are tungsten carbides W 2 C, WC 1-x with the presence of tungsten metal and free carbon.

Среднемассовая энтальпия плазменной струи 4.7 кВтч/нм3 соответствует равновесной температуре 3500 К, и при этой температуре, исходя из таблицы 1, затраты энергии на получение 1 моля восстановителей (Н2+Н+СО) из смеси (СН4+0.5 O2) составляют 163 кДж, для смесей (СН4+0.5 O2+1.88 N2), (CH4+CO2) и (СН4+H2O) эта величина выше на 40%, 68% и 34% соответственно. На столько же увеличились бы и затраты энергии на получение целевых продуктов, т.е. нанопорошка, если бы метан - кислородная плазма с температурой 3500 К была заменена на другие указанные выше смеси с такой же температурой.The mass-average enthalpy of a plasma jet of 4.7 kWh / nm 3 corresponds to an equilibrium temperature of 3500 K, and at this temperature, based on table 1, the energy consumption for obtaining 1 mole of reducing agents (H 2 + H + CO) from a mixture (CH 4 +0.5 O 2 ) constitute 163 kJ, for mixtures of (CH 4 +0.5 O 2 +1.88 N 2 ), (CH 4 + CO 2 ) and (CH 4 + H 2 O) this value is higher by 40%, 68% and 34%, respectively. The energy costs for obtaining the target products would increase by the same amount, i.e. nanopowder, if methane - oxygen plasma with a temperature of 3500 K were replaced by the other mixtures mentioned above with the same temperature.

Пример №2Example No. 2

В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в электродуговом плазменном генераторе смеси пропан (40 мольных %) - кислород (60 мольных %) с суммарным расходом 1.2 м3/ч (норм. условия), вводится порошок меди CuCl2 с расходом 0.1 кг/ч и пропан с расходом 0.2 нм3/ч (норм. условия). Атомное соотношение С/О в составе плазмообразующих газов равно единице, среднемассовая энтальпия плазменной струи на выходе из плазменного генератора составляет 1.7 кВтч/м3 (норм. условия). Полученный продукт представляет собой композицию из наночастиц металлической меди с размером менее 40 нм и углерода с содержанием 9 массовых %.In a stream of thermal plasma obtained by heating a mixture of propane (40 mol%) - oxygen (60 mol%) with a total flow rate of 1.2 m 3 / h (normal conditions), CuCl 2 powder is introduced at a flow rate of 0.1 kg / h and propane with a flow rate of 0.2 nm 3 / h (normal conditions). The atomic C / O ratio in the composition of the plasma-forming gases is equal to unity, the mass-average enthalpy of the plasma jet at the exit of the plasma generator is 1.7 kWh / m 3 (normal conditions). The resulting product is a composition of nanoparticles of metallic copper with a size of less than 40 nm and carbon with a content of 9 mass%.

Среднемассовая энтальпия плазменной струи 1.7 кВтч/нм3 соответствует равновесной температуре 3000 К, и при этой температуре затраты энергии на получение 1 моля восстановителей (Н2+Н+СО) из смеси (С3Н8+1.5 O2) составляют 80.4 кДж, для смесей (С3Н8+1.5 O2+5.62 N2), (C3H8+3 CO2) и (С3Н8+3 H2O) эта величина выше на 128%, 53% и 42% соответственно. На столько же увеличились бы и затраты энергии на получение целевых продуктов, т.е. нанопорошка, если бы пропан - кислородная плазма с температурой 3000 К была заменена на другие указанные выше смеси с такой же температурой.The mass-average enthalpy of a plasma jet of 1.7 kWh / nm 3 corresponds to an equilibrium temperature of 3000 K, and at this temperature the energy consumption for obtaining 1 mole of reducing agents (H 2 + H + CO) from a mixture (C 3 H 8 +1.5 O 2 ) is 80.4 kJ, mixtures (C 3 H 8 +1.5 O 2 +5.62 N 2), (C 3 H 8 +3 CO 2) and (C 3 H 8 +3 H 2 O) this value is above 128%, 53% and 42 % respectively. The energy costs for obtaining the target products would increase by the same amount, i.e. nanopowder, if propane - oxygen plasma with a temperature of 3000 K were replaced by other mixtures mentioned above with the same temperature.

Пример №3Example No. 3

В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в электродуговом плазменном генераторе смеси метана (67.7 мольных %) и кислорода (33.3 мольных %) с суммарным расходом 1.3 м3/ч (норм. условия), вводится смесь паров тетрахлорида титана TiCl4 с расходом 0.3 кг/ч и гексана С6Н14 с расходом 0.81 кг/ч. Атомное соотношение С/О в составе плазмообразующих газов равно единице, среднемассовая энтальпия плазменной струи на выходе из плазменного генератора составляет 2.7 кВтч/м3 (норм. условия).The mixture of methane (67.7 mol%) and oxygen (33.3 mol%) with a total flow rate of 1.3 m 3 / h (normal conditions) is introduced into a thermal plasma stream obtained by heating in an electric arc plasma generator a mixture of titanium tetrachloride vapors TiCl 4 with a flow rate of 0.3 kg / h and hexane C 6 H 14 with a flow rate of 0.81 kg / h. The atomic C / O ratio in the composition of the plasma-forming gases is equal to unity, the mass-average enthalpy of the plasma jet at the exit of the plasma generator is 2.7 kWh / m 3 (normal conditions).

Полученный продукт представляет собой нанопорошок карбида титана TiC c удельной поверхностью 17 м2/г, что соответствует среднеповерхностному размеру частиц d32=72 нм.The resulting product is a titanium carbide TiC nanopowder with a specific surface area of 17 m 2 / g, which corresponds to an average surface particle size of d 32 = 72 nm.

Среднемассовая энтальпия плазменной струи 2.7 кВтч/нм3 соответствует равновесной температуре 3000 К, и при этой температуре, исходя из таблицы 1, затраты энергии на получение 1 моля восстановителей (Н2+Н+СО) из смеси (СН4+0.5 O2) составляют 101 кДж, для смесей (СН4+0.5 O2+1.88 N2), (СН4+CO2) и (CH4+H2O) эта величина выше на 58%, 130% и 60% соответственно. На столько же увеличились бы и затраты энергии на получение целевых продуктов, т.е. нанопорошка, если бы метан - кислородная плазма с температурой 3500 К была заменена на другие указанные выше смеси с такой же температурой.The mass-average enthalpy of a plasma jet of 2.7 kWh / nm 3 corresponds to an equilibrium temperature of 3000 K, and at this temperature, based on table 1, the energy consumption for obtaining 1 mole of reducing agents (H 2 + H + CO) from the mixture (CH 4 +0.5 O 2 ) make up 101 kJ, for mixtures of (CH 4 +0.5 O 2 +1.88 N 2 ), (CH 4 + CO 2 ) and (CH 4 + H 2 O) this value is 58%, 130% and 60% higher, respectively. The energy costs for obtaining the target products would increase by the same amount, i.e. nanopowder, if methane - oxygen plasma with a temperature of 3500 K were replaced by the other mixtures mentioned above with the same temperature.

Пример №4Example No. 4

В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в плазменном генераторе смеси паров бензина с брутто-формулой С7.95Н17.9 (47 массовых %) и кислорода (53 массовых %) с суммарным расходом 2.26 кг/ч, вводится порошок парамолибдата аммония (NH4)6Mo7O24 с расходом 0.2 кг/ч и пары бензина с расходом 0.15 кг/ч.Ammonium paramolybdate powder (NH 4 ) is introduced into the thermal plasma stream obtained by heating a mixture of gasoline vapors with a gross formula C 7.95 H 17.9 (47 mass%) and oxygen (53 mass%) with a total consumption of 2.26 kg / h in a plasma generator 6 Mo 7 O 24 with a flow rate of 0.2 kg / h and gasoline vapors with a flow rate of 0.15 kg / h.

Атомное соотношение С/О в составе плазмообразующих газов - смеси бензина и кислорода - равно единице, среднемассовая энтальпия плазменной струи на выходе из плазменного генератора составляет 15.5 МДж/кг, что соответствует равновесной среднемассовой температуре 3900 К.The atomic C / O ratio in the plasma-forming gases — a mixture of gasoline and oxygen — is equal to unity; the mass-average enthalpy of the plasma jet at the exit of the plasma generator is 15.5 MJ / kg, which corresponds to the equilibrium mass-average temperature of 3900 K.

Получаемый нанопорошок состоит из карбидов молибдена Мо2С и MoC1-x, размер частиц которых составляет менее 40 нм.The resulting nanopowder consists of molybdenum carbides Mo 2 C and MoC 1-x , the particle size of which is less than 40 nm.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Claims (1)

Способ получения нанопорошков систем металл-углерод, состоящих из карбидов металлов и композиций металл-углерод, из хлоридных и оксидных соединений металлов и углеводородов в термической плазме электрических разрядов, отличающийся тем, что процесс проводится в плазме смеси насыщенных углеводородов с кислородом при атомном соотношении элементов в смеси углерода (С плазм) и кислорода (О плазм), отвечающем условию С плазм / О плазм = 1.A method of producing nanopowders of metal-carbon systems consisting of metal carbides and metal-carbon compositions, from chloride and oxide compounds of metals and hydrocarbons in thermal plasma of electrical discharges, characterized in that the process is carried out in a plasma of a mixture of saturated hydrocarbons with oxygen at an atomic ratio of elements in a mixture of carbon (C plasmas) and oxygen (O plasmas) corresponding to the condition C plasmas / O plasmas = 1.
RU2015137006A 2015-09-01 2015-09-01 Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining RU2616058C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015137006A RU2616058C2 (en) 2015-09-01 2015-09-01 Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015137006A RU2616058C2 (en) 2015-09-01 2015-09-01 Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015137006A RU2015137006A (en) 2017-03-10
RU2616058C2 true RU2616058C2 (en) 2017-04-12

Family

ID=58453931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015137006A RU2616058C2 (en) 2015-09-01 2015-09-01 Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2616058C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672422C1 (en) * 2018-03-05 2018-11-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method of obtaining nanocrystalline titanium powder-molybdenum carbide powder
RU2746673C1 (en) * 2020-10-09 2021-04-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» METHOD FOR PRODUCING POWDER CONTAINING SINGLE-PHASE HIGH-ENTROPY CARBIDE OF COMPOSITION Ti-Nb-Zr-Hf-Ta-C WITH CUBIC LATTICE
RU2762897C1 (en) * 2020-12-22 2021-12-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Method for obtaining carbide powder of a high-entropy alloy with a spherical particle shape

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7547431B2 (en) * 1996-09-03 2009-06-16 Ppg Industries Ohio, Inc. High purity nanoscale metal oxide powders and methods to produce such powders
US7615097B2 (en) * 2005-10-13 2009-11-10 Plasma Processes, Inc. Nano powders, components and coatings by plasma technique
RU2434807C1 (en) * 2010-04-14 2011-11-27 Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН Method of producing nanopowder of carbon-element systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7547431B2 (en) * 1996-09-03 2009-06-16 Ppg Industries Ohio, Inc. High purity nanoscale metal oxide powders and methods to produce such powders
US7615097B2 (en) * 2005-10-13 2009-11-10 Plasma Processes, Inc. Nano powders, components and coatings by plasma technique
RU2434807C1 (en) * 2010-04-14 2011-11-27 Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН Method of producing nanopowder of carbon-element systems

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
US 7615097 B2 (PLASMA PROCESSES, INC), 10.11.2009. US 7547431 B2 (PPG INDUSTRIES OHIO, INC), 16.06.2009. RU 2434807 C1 (УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ИМ. А.А. БАЙКОВА РАН), 27.11.2011. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672422C1 (en) * 2018-03-05 2018-11-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method of obtaining nanocrystalline titanium powder-molybdenum carbide powder
RU2746673C1 (en) * 2020-10-09 2021-04-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» METHOD FOR PRODUCING POWDER CONTAINING SINGLE-PHASE HIGH-ENTROPY CARBIDE OF COMPOSITION Ti-Nb-Zr-Hf-Ta-C WITH CUBIC LATTICE
RU2762897C1 (en) * 2020-12-22 2021-12-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Method for obtaining carbide powder of a high-entropy alloy with a spherical particle shape

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015137006A (en) 2017-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
USRE37853E1 (en) Fast quench reactor and method
US8137653B1 (en) System and method for producing carbon nanotubes
Fabry et al. Carbon black processing by thermal plasma. Analysis of the particle formation mechanism
ES2366917T3 (en) SYNTHESIS OF NANOPOLVES THROUGH INDUCTION PLASMA.
US3340020A (en) Finely dispersed carbides and process for their production
US8551413B2 (en) System and method for producing carbon nanotubes
US6821500B2 (en) Thermal synthesis apparatus and process
US4022872A (en) Process for preparing finely-divided refractory powders
RU2616058C2 (en) Method of elements carbides and element-carbon compositions obtaining
US3532462A (en) Method of effecting gas-phase reactions
Allaedini et al. Methane decomposition for carbon nanotube production: Optimization of the reaction parameters using response surface methodology
JP2006028017A (en) Method for producing nanoparticle of metal oxide
US3625846A (en) Chemical process and apparatus utilizing a plasma
RU2349424C1 (en) Method of powder receiving on basis of tungsten carbide
Lee et al. Evaluation of process conditions for methane pyrolysis applying the triple thermal plasma system
RU2434807C1 (en) Method of producing nanopowder of carbon-element systems
US4233277A (en) Preparing refractory metal boride powder
Vissokov et al. Plasma-chemical synthesis and regeneration of catalysts for reforming natural gas
Krutskii et al. Synthesis of Fine Vanadium-Carbide (VC 0.88) Powder Using Carbon Nanofiber
AU2002301589B2 (en) Thermal synthesis apparatus and method
Hamblyn et al. Use of radio-frequency plasma in chemical synthesis
Samokhin et al. Characteristics of heat and mass transfer to the wall of a confined-jet plasma flow reactor in the processes of nanopowder preparation from metals and their compounds
Krutskii et al. Carbides of transition metals: Properties, application and production. Review. Part 1. Titanium and vanadium carbides
RU2612293C1 (en) Method of titanium carbonitride nanopowder obtainment
RU2638471C2 (en) Method for producing powder of titanium carbonitride