CC BY
22
Оригинальная статья / Original article УДК 661.665
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-10-177-187
0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА КАРБИДА ХРОМА С ПРИВЛЕЧЕНИЕМ МЕТОДА ПЛАНИРУЕМОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ХРОМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
© Л.С. Ширяева1, И.В. Ноздрин2, В.В. Руднева3, Г.В. Галевский4
Сибирский государственный индустриальный университет, Российская Федерация, 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Карбид хрома Сг3С2 - твердый, износостойкий, химически инертный материал - достаточно востребован для изготовления защитных покрытий металлов и керметов в качестве компонентов и легирующих добавок безвольфрамовых твердых сплавов. Перспективы расширения применения карбида хрома связаны с производством его в наносостоянии. Введение в обращение карбида хрома в наносостоянии открывает новые направления его применения, в том числе для гальваники, поверхностного и объемного модифицирования металлических сплавов и полимеров. Целью работы является экспериментальное исследование плазменных процессов с привлечением метода планируемого эксперимента для определения связи управляющих параметров с основными физико-химическими характеристиками карбида хрома. МЕТОДЫ. Работа выполнена с привлечением современных методов исследования: математического моделирования и термодинамических расчетов, гидродинамического и теплового подобия, зондовой калориметрии и диагностики, химического и физико-химического анализов (рентгенография, спектроскопия в инфракрасной области, хроматография, высокотемпературная импульсная экстракция, термогравиметрия, термодесорбционная масс-спектрометрия, низкотемпературная адсорбция, просвечивающая и растровая электронная микроскопия). РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Исследованы зависимости содержания в продуктах синтеза карбонитрида хрома и примесей от основных параметров: количества восстановителя, состава газа-теплоносителя, начальной температуры плазменного потока, температуры закалки. Разработана комплексная многофакторная математическая модель карбонитридооб-разования. ВЫВОДЫ. По результатам экспериментальных исследований определены оптимальные значения технологических факторов и основные характеристики карбонитрида хрома. Содержание карбонитрида в продуктах синтеза составляет 91,80-93,40, % масс.; сопутствующих примесей, % масс.: хрома свободного - 1,80-2,1; углерода свободного - 1,10-1,3; кислорода - 3,00-4,00; размер частиц - 30-35 нм; форма частиц - шарообразная; выход карбонитрида хрома - 91,4 %.
Ключевые слова: карбид хрома, карбонитрид хрома, плазменный синтез, нанопорошки, моделирование плазменного синтеза.
Формат цитирования: Ширяева Л.С., Ноздрин И.В., Руднева В.В., Галевский Г.В. Экспериментальное исследование плазмометаллургического синтеза карбида хрома с привлечением метода планируемого эксперимента для различных видов хромсодержащего сырья // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 10. С. 177-187. РО!: 10.21285/1814-3520-2017-10-177-187
1
Ширяева Людмила Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии цветных металлов и химической технологии, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
Lyudmila S. Shiryaeva, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Metallurgy of Non-Ferrous Metals and Chemical Technology, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
2Ноздрин Игорь Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры металлургии цветных металлов и химической технологии, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
Igor V. Nozdrin, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Metallurgy of Non-Ferrous Metals and Chemical Technology, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
3Руднева Виктория Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры металлургии цветных металлов и химической технологии, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
Viktoria V. Rudneva, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Metallurgy of Non-Ferrous Metals and Chemical Technology, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
4Галевский Геннадий Владиславович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии цветных металлов и химической технологии, e-mail: kafcmet@sibsiu.ru
Gennady V. Galevsky, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Metallurgy of Non-Ferrous Metals and Chemical Technology, e-mail: kafc-met@sibsiu.ru
EXPERIMENTAL STUDY OF PLASMA METALLURGICAL SYNTHESIS OF CHROMIUM CARBIDE BY MEANS OF PLANNED EXPERIMENT FOR VARIOUS TYPES OF CHROME-CONTAINING RAW MATERIALS L.S. Shiryaeva, I.V. Nozdrin, V.V. Rudneva, G.V. Galevsky
Siberian State Industrial University,
42 Kirov St., Novokuznetsk 654007, Russian Federation.
ABSTRACT. Chromium carbide Cr3C2 is a hard, durable, chemically inert material. It is in demand for the production of protective coatings for metals and cermets as a component and alloying additive of tungsten-free solid alloys. The prospects of expanded use of chromium carbide are related to its production in the nanostate. Introduction of nanostate chromium carbide into use opens new directions for its application including those for galvanizing, surface and volumetric modification of metal alloys and polymers. The PURPOSE of the work is an experimental study of plasma processes using the method of planned experiment to determine the relationship between the control parameters and the basic physicochemical characteristics of chromium carbide. METHODS. The study involves the use of the following modern research methods: mathematical modeling and thermodynamic calculations, hydrodynamic and thermal similarity, probe calorimetry and diagnostics, chemical and physico-chemical analyzes (X-ray diffraction, infrared spectroscopy, chromatography, high-temperature pulse extraction, thermogravimetry, thermal desorption mass spectrometry, low-temperature adsorption, transmission and raster electronic microscopy). RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The study has been given to the dependences of the chromium carbonitride and impurities content in the synthesis products on the basic parameters: amount of reducing agent, composition of coolant, initial temperature of the plasma flow and quenching temperature. A complex multi-factor mathematical model of carbonitride formation has been developed. CONCLUSIONS. The optimal values of technological factors and the main characteristics of chromium carbonitride are determined by the results of experimental studies. The content of carbonitride in the synthesis products is 91.80-93.40% wt; accompanying impurities,% wt is as follows: free chromium - 1.80-2.1; free carbon - 1.10-1.3; oxygen - 3.00-4.00; particle size - 30-35 nm; shape of the particles - ball-shaped; yield of chromium carbonitride - 91.4%. Keywords: chromium carbide, chromium carbonitride, plasma synthesis, nanopowders, plasma synthesis modeling
For citation: Shiryaeva L.S., Nozdrin I.V., Rudneva V.V., Galevsky G.V. Experimental study of plasma metallurgical synthesis of chromium carbide by means of planned experiment for various types of chrome-containing raw materials. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 10, pp. 177-187. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2017-10-177-187
Введение
В современной технике и технологиях для изготовления защитных покрытий металлов и керметов, легирования безвольфрамовых твердых сплавов широко востребован высший по содержанию углерода карбид Сг3С2. Это обусловлено такими его свойствами, как износо- и коррози-онностойкость, твердость, химическая инертность. Сопоставление различных технологий получения порошков тугоплавких соединений свидетельствует о том, что для достижения наноуровня в первую очередь востребованы технологии, основанные на применении высококонцентрированных энергетических потоков для газификации сырья и формирования целевого продукта при объемной конденсации из газовой фазы. Среди подобных технологий плазменный способ отличается сравнительной простотой реализации и является наиболее изученным и конкурентоспособным. Процессы плазменного синтеза условно можно подразделить на три стадии: 1) эволюция
исходного сырья, включающая его движение в потоке газа-теплоносителя, нагрев и фазовые переходы; 2) химические реакции, т.е. сам синтез; 3) формирование дисперсного продукта (конденсация, коалесценция, кристаллизация, коагуляция). На завершенность первой стадии, являющейся в случае использования дисперсного сырья лимитирующей и определяющей (в связи с этим происходит количественный выход целевого продукта), существенные ограничения накладывают высокие скорости движения реагирующих сред, основных составляющих в каналах трехструйных прямоточных реакторов, в зависимости от рабочих параметров плазмотронов 30-60 м/с. Тем самым они способствуют сокращению времени пребывания сырья при температурах перехода его в паровую фазу
(10"4 - 10"5 с).
В связи с этим из всех факторов, влияющих на степень превращения исходного сырья, а именно: теплофизических и
термодинамических свойств плазмы и сырья, соотношения массовых расходов плазмообразующего газа и сырья, начальной температуры плазмы, конструктивных особенностей реактора, удельных энергозатрат, организации процесса смешения дисперсного сырья с плазмой и др. - основным лимитирующим фактором является теплообмен высокотемпературного потока газа с движущимися в нем частицами обрабатываемого материала. Следовательно, высокие степени превращения сырья на первой стадии синтеза могут быть достигнуты при таких гидродинамических и энергетических параметрах реакторов, которые обеспечивают за весьма ограниченное время подвод от теплоносителя к дисперс-
ному сырью количества энергии, достаточного для требуемых теплофизических и физико-химических превращений. Однако экспериментальное исследование этой стадии синтеза затруднено ввиду ее кратковременности и отсутствия надежно работающих в подобных условиях средств диагностики и контроля и сводится в связи с этим, как правило, к модельно-математическому, позволяющему при определенной «идеализации» процесса выявить влияние на степень перехода сырья в газовую фазу температуры и скорости газового потока в зоне ввода сырья, расхода реагентов, условий ввода и размеров частиц сырья [1].
Цель исследования
Целью работы является экспериментальное исследование плазменных процессов с привлечением метода планируемого эксперимента для определения
связи управляющих параметров с основными физико-химическими характеристиками карбида хрома.
Материал и методы исследования
В данной работе проведено экспериментальное исследование плазменного синтеза карбида хрома с привлечением метода планируемого эксперимента для трех технологических вариантов: карбидизации хрома, восстановления оксида хрома Сг2О3, восстановления хлорида хрома СгС13. В качестве объекта исследования и освоения выбрана технология производства карбида хрома карбидизацией хромсодержащего сырья углеводородами в плазменном потоке, генерируемом в трехструйном прямоточном реакторе [2]. Технологические варианты, параметры и показатели синтеза карбида хрома спрогнозированы по данным термодинамического моделирования высокотемпературных взаимодействий в карби-дообразующих хромсодержащих системах и модельно-математического исследования взаимодействия потоков хромсодержащего
сырья и газа - теплоносителя. Их результаты описаны в работе [3].
Технологические варианты, параметры и показатели синтеза карбида хрома представлены в табл. 1. При расчете учитывались возможные потери сырья в реакторе в количестве 4 % и потери продуктов синтеза в системе улавливания в количестве 5 %.
Анализ приведенных в табл. 1 данных показывает, что наиболее перспективным является технологический вариант получения карбида карбидизацией порошка хрома, технико-экономические показатели которого значительно превышают ожидаемые в других вариантах.
Экспериментальные исследования проводились с привлечением метода планируемого эксперимента. Реализована полуреплика полного факторного эксперимента 25. В результате этих исследований
5Вершинин В.И., Перцев Н.В. Планирование и математическая обработка результатов химического эксперимента: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. 184 с. / Vershinin V.I., Pertsev N.V. Planning and mathematical processing of chemical experiment results: Learning aids. Omsk: Omsk State University Publ., 2005. 184 p.
Таблица 1
Технологические варианты, параметры и показатели синтеза карбида хрома (прогноз)
Table 1
Technological variants, parameters and synthesis indicators of _chromium carbide (forecast)_
Технологические параметры и показатели / Technological parameters and indicators Технологические варианты / Technological options
Карбиди-зация хрома / Chromium carbidiza-tion Восстановление оксида хрома Cr203 / Reduction of chromium oxide C2O3 Восстановление хлорида хрома CrCl3 / Reduction of chromium chloride CrCl3
Мощность реактора, кВт / Reactor capacity, kW 150 150 150
Расход плазмообразующего газа (азота), кг/с / Consumption of plasma-forming gas (nitrogen), kg/s 910-3 910-3 910-3
Начальная температура плазменного потока, К / Initial temperature of plasma flow, K 5400 5400 5400
Температуры закалки, К / Quenching temperatures, K 2000 2000 2000
Массовая расходная концентрация, кг сырья/кг азота / Mass flow rate, kg of feed / kg of nitrogen 0,10 0,12 0,15
Степень превращения сырья в карбид / Conversion degree of raw materials into carbide 0,96 0,96 0,96
Выход карбида, % масс / Carbide yield,% wt. 91,4 90,0 91,8
Производительность по карбиду хрома, кг/ч / Chromium carbide productivity, kg/h 3,42 2,79 1,69
о Интенсивность производства, кг/чм3 / Production intensity, kg/h m3 2011 1641 994
Расход хромсодержащего сырья, кг/кг / Consumption of chromium-containing raw materials, kg/kg 0,90 1,30 2,76
Расход метана, кг/кг / Methane consumption, kg /kg 0,84 2,74 0,89
Расход газа - теплоносителя, кг/кг / Coolant flow rate, kg/kg 9,47 11,6 19,70
Удельный расход эл. энергии, кВтч /кг / Specific consumption of electrical energy, kWh/kg 43,85 53,76 88,70
о Расход охлаждающей воды, м3/кг / Consumption of cooling water, m3/kg 1,08 1,32 2,19
установлено, что продуктом карбидизации в области температур 5400-2000 К является близкий по кристаллической структуре и фазовому составу к карбиду хрома карбо-нитрид состава Сг3(Со,8оМо,2о)2. Для исследуемых технологических вариантов получены уравнения регрессии в натуральных переменных (1)-(16):
[Сгз(С1М)2]= -66, 12+0,03То-0,42{Н2}-
-0,14{М}-0,00002 То М; (1)
[Сг3(С1 М)2 -Сгсвоб] =147,95-о,о27То--о,34 {Н2}-1,37{М}+0,0003То{М}; (2)
[Сг3(С1М)2-Ссвоб]=11,2-о,оо2То+ +0,0096{СН}+й,44{М}-0,00008То{М}; (3)
[Сг3(С^)2 - Сг203]=41,о8-о,ооб9То+ +о,оооо4То{СН}-о,2о8{СН}; (4)
[Сг3(С1М)2-Мсвяз]=1,74+о,ооо2То--о,о12{Н2}-о,о4{М}-о,ооооо7То{М}; (5)
[Сг3(Сс8Мо2)2]=-бо,59+ +о,о31То-2,25{Н2}-о,24{М}; (6)
[Сг3(Со 8Мо 2)2-СгС12]=2об,9--о,о34То-о,о116Т1-2,8{Н2}-1,75{М}+ +о,ооо3То{М}+о,оо15 Т1{Н2}; (7)
[Сг3(Со,8Мо,2)2 - Ссвоб]=13,64 - о,оо22То; (8)
[Сг3(Со 8Мо 2)2-НС1]=-9,85+о,оо25То+ +о,ооо86Т1-о,о192{СН}--о,32{Н2}+1,18{М}-о,ооо2 То{М}--о,оооо688Т1{М}+о,оо256{СН}{Н2}; (9)
[Сг3(Со еМо 2)2 - 0]=13,99-о,оо2То --о,8{М}+о,ооо16 То{М}; (Ю)
[Сг3(Со8Мо2)2 - М]=о,35+о,о8{Н2}+ +о,о5{М}-о,оо62о{Н2}{М}; (11)
[Сг3(Со,8Мо,2)2]= [Сг3(Со,8Мо,2)2]=-97,7+
+о,о324 То+о,оо39Т1+2,8{Н2}+о,7556{М}--о,ооо192То {М}- о,оо157 Т1{Н2}; (12)
[Сг3(Со 8Мо 2)2 - Сг2О3]=185,5-о,о3То+ +о,4{Н2}-1,5{М}+о,ооо3 То{М}; (13)
[Сг3(Со 8Мо 2)2 - Ссвоб]=11-о,оо198 То+ +о,о1{СН}+о,6{М}-о,ооо112 То{М}; (14)
У4[Cгз(CоеNо2)2 - 0] =-о,86+
+о,оо1292Т1 +о,2{М}-о,ооо1Т1{М}; (15)
У5[Cгз(Cо,еNо,2)2 - М]=о,95-о,оо4ВД, (16)
где То - начальная температура плазменного потока, К; Т1 - температура закалки, К; {Н2} - концентрация водорода в плазмооб-разующем газе, % об.; {М} - количество атомарного азота в плазмообразующем газе М(МН3)/С (СН4), % от стехиометриче-ского; {СН} - количество углеводорода от стехиометрически необходимого для кар-бидизации хрома.
Во всех случаях с 95%-й степенью вероятности установлена адекватность полученных интерполяционных полиномов (^табл > Рэксп.) описываемым процессам синтеза (вариант 1, 2, 3). Это свидетельствует об учете всех основных влияющих на процесс факторов.
На рис. 1-4 показаны зависимости содержания карбонитрида хрома Сг3(С,М)2 в продуктах синтеза от концентрации водорода в плазмообразующем газе ({Н2}, %) и от количества атомарного азота в плазмо-образующем газе ({М}, %) при температуре 5400 К, а также содержания хрома свободного Сгсвоб. в продуктах синтеза от концентрации водорода в плазмообразующем газе ({Н2}, %) и от количества атомарного азота в плазмообразующем газе ({М}, %) при температуре 5000 К; содержания углерода свободного Ссвоб. в продуктах синтеза от количества углеводорода от стехиометрически необходимого для карбидизации хрома ({СН}, %) и от количества атомарного азота в плазмообразующем газе ({М}, %) при температуре 5400 К; содержания оксида хрома Сг203 в продуктах синтеза от начальной температуры плазменнго потока (То, К) и от количества углеводорода от стехиометрически необходимого для карбидизации хрома ({СН}, %); содержания азота Мсвяз в продуктах синтеза от концентрации водорода в плазмообразующем
{N},%
Рис. 1. Содержание карбонитрида хрома Сг3(С,Ы)2 в продуктах синтеза при температуре 5400 К Fig. 1. Content of chromium carbonitride Сг3(0,Ы)2 in synthesis products at the temperature of 5400 K
Рис. 2. Содержание хрома свободного Сгсвоб. в продуктах синтеза при температуре 5000 К Fig. 2. Content of free chromium Сгfree in the synthesis products at the temperature of 5000 K
Рис. 3. Содержание углерода свободного Ссвобш в продуктах синтеза при температуре 5400 К Fig. 3. Content of free carbon Сfree in the synthesis products at the temperature of 5400 K
Рис. 4. Содержание оксида хрома Cr2O3 в продуктах синтеза Fig. 4. Content of chromium oxide Cr2O3 in the synthesis products
Риc. 5. Содержание азота Ысвяз в продуктах синтеза при температуре 5400 К Fig. 5. Content of nitrogen Nbound in the synthesis products at the temperature of 5400 K
Результаты исследования и их обсуждение
газе ({Н2}, %) и от количества атомарного азота в плазмообразующем газе ({N1, %) при температуре 5400 К (вариант 1).
Из анализа полученных результатов для технологического варианта 1 следует, что содержание в продуктах синтеза карбо-нитрида хрома является функцией трех факторов: х1 - начальной температуры плазменного потока; х4 - концентрации водорода в плазмообразующем газе; х5 - количества атомарного азота в плазмообразующем газе и одного двойного взаимодействия х15. Ранжирование факторов по значимости коэффициентов показывает, что
х1 > х5 > х4 > х15.
Следовательно, для повышения содержания карбонитрида хрома синтез тех-
нологически целесообразно осуществлять в плазменном потоке, имеющем максимально достижимую начальную температуру, без дополнительного введения в поток водорода и аммиака. Содержание свободного углерода может быть снижено при повышении начальной температуры плазменного потока (фактор х1), снижении концентрации атомарного азота (фактор х5) и водорода (фактор х4) в плазмообразующем газе. Сопоставление уравнений 1 и 4 для свободного хрома и диоксида хрома позволяет предположить, что окисление носит вторичный характер, происходит в послеп-лазменный период в момент разгерметизации системы улавливания, а в содержание оксида хрома вносят вклад как карбонит-рид, так и свободный хром.
Из анализа полученных результатов для технологического варианта 2 следует, что содержание в продуктах синтеза карбо-нитрида хрома является функцией трех факторов: х1 - начальной температуры плазменного потока, х4 - концентрации водорода в плазмообразующем газе, х5 - количества атомарного азота в плазмообразующем газе. Ранжирование факторов по значимости коэффициентов показывает, что х1 > х5 > х4.
Следовательно, для повышения содержания карбонитрида хрома синтез технологически целесообразно осуществлять в плазменном потоке, имеющем максимально достижимую начальную температуру, без дополнительного введения в поток водорода и аммиака. Содержание CrCl2 может быть снижено при повышении начальной температуры плазменного потока (фактор х1), понижении концентрации водорода (фактор х4) и атомарного азота (фактор х5) в плазмообра-зующем газе, а также при снижении температуры закалки, о чем свидетельствуют факторы двойного взаимодействия (х15, х24). Содержание углерода свободного может быть снижено при повышении начальной температуры плазменного потока (фактор х1). Содержание HCl является функцией трех двойных взаимодействий: х15, x25, хз4. Следовательно, для понижения содержания HCl синтез необходимо проводить в наиболее высокотемпературном азот-водородном плазменном потоке и сниженных концентрациях метана и водорода. Содержание кислорода в карбиде является функцией одного двойного взаимодействия - начальной температуры плазменного потока и концентрации азота в плазмообразующем газе (х15). Содержание азота в карбиде также является функцией одного двойного взаимодействия и определяется условиями газификации углерода и концентрации атомарного азота (фактор х45).
Из анализа полученных результатов для технологического варианта 3 следует, что содержание в продуктах синтеза карбо-
нитрида хрома является функцией четырех факторов (х1 - начальной температуры плазменного потока, х2 - температуры закалки, х4 - концентрации водорода в плаз-мообразующем газе, х5 - количества атомарного азота в плазмообразующем газе и двух двойных взаимодействий - х15 и х24. Ранжирование факторов по значимости коэффициентов показывает, что
х1 >х5> х4 > х24 > х15.
Следовательно, для повышения содержания карбонитрида хрома синтез технологически целесообразно осуществлять в плазменном потоке, имеющем максимально достижимую начальную температуру, без дополнительного введения в поток водорода и аммиака, а также с понижением температуры закалки. Содержание оксида хрома Сг2О3 уменьшается с повышением начальной температуры плазменного потока (фактор х1), уменьшением концентрации водорода (фактор х4) и атомарного азота (фактор х5) в плазмообразующем газе. Содержание углерода свободного может быть снижено при повышении начальной температуры плазменного потока (фактор х1), понижении количества метана (фактор х3) и концентрации азота в плазмообразующем газе (фактор х5). Содержание кислорода является функцией одного двойного взаимодействия и зависит от температуры закалки и концентрации азота в плазмообра-зующем газе (фактор х25). Содержание азота зависит от концентрации азота в плаз-мообразующем газе (фактор х5).
Оптимальные значения технологических факторов и допустимые пределы их изменения, а также основные характеристики синтезируемого при этих условиях карбонитрида хрома, полученные при пятикратном дублировании опытов, приведены в табл. 2 Аналогичная методика описания параметров синтеза и характеристик нано-дисперсных материалов представлена в работах56 [4-8].
6Костин В.Н., Тишина Н.А. Статистические методы и модели: учеб. пособие. Оренбург: Изд-во ОГУ, 2004. 138 с. /
Kostin V.N., Tishina N.A. Statistical methods and models: Learning aids. Orenburg: Orenburg State University Publ.,
2004. 138 p.
Таблица 2
Допустимые пределы изменения параметров синтеза карбонитрида хрома в промышленном реакторе мощностью 150 кВт и его основные характеристики
Table 2
Permissible limits of chromium carbonitride synthesis parameters alteration in an industrial reactor of 150 kW and its main characteristics
Параметры синтеза и характеристики карбонитрида хрома / Synthesis parameters and characteristics of chromium carbonitride Значение / Value
Состав газа-теплоносителя, % об. / Composition of coolant gas, % vol. - азот / nitrogen 100
Состав карбидизатора, % об. / Composition of carbidizer, % vol. - метан / methane - этан / ethane - пропан / propane - бутан / butane 93,6 3,0 2,2 1,2
Состав хромсодержащего сырья, % масс. / Composition of chromium-containing raw materials, % wt. - хром металлический / metallic chromium 99,3
Крупность хромсодержащего сырья, мкм / Size of chromium-containing raw materials, -10
Производительность по сырью, кг/ч / Total crude capacity, kg/h 3,11
Количество карбидизатора, % от стехиометрического / Amount of carbidizer, % of stoichiometric 120 - 140
Начальная температура плазменного потока, К / Initial temperature of the plasma flow, K н.м. 5400
Температура закалки, К / Quenching temperature, K 2000-2200
Фазовый состав / Phase composition Cr3(C0,80N0,20)2
Химический состав, % масс. / Chemical Composition, % wt - Cr3(Co,8oNo,2o)2 - хром свободный / free chromium - углерод свободный / free carbon - оксид хрома (III)* / chromium (III) oxide * - летучие / volatiles 91,8 - 93,45 2,10 - 1,80 1,30 - 1,10 4,00 - 3,00 0,80 - 0,60
Выход карбонитрида хрома, % масс. / Yield of chromium carbonitride,% wt 92,0
Производительность, кг/ч / Productivity, kg / h 3,42
Интенсивность, кг/чм3 / Intensity, kg/hm3 2010
Удельная поверхность, м2/кг / Specific surface, m2/kg 31000 - 35000
Размер частиц, нм / Size of particles, nm 32 - 35
Форма частиц / Shape of particles Шаровидная / Ball-shaped
Окисленность нанопорошка карбонитрида хрома*** х 107, кг О2/м2 / Oxidation of chromium carbonitride nanopowder 2,56
Примечание / Note. * - определялось по содержанию кислорода / determined by the oxygen content; **- рассчитывался по величине удельной поверхности/ calculated by the specific surface area value; ***- определялась после выдержки на воздухе в течение 24 ч / determined after 24-hour exposure to air.
0
Выводы
Оценка влияния отдельных факторов на состав продуктов синтеза подтверждает лимитирующую роль в этом процессе испарения хромсодержащего сырья. Слабая чувствительность синтеза к разбавлению плазменного потока азота водородом и аммиаком обусловлена применением метана как альтернативного пропану углеводорода с более высоким соотношением водорода к углероду. Результаты экспериментального исследования процесса синтеза карбонитрида хрома в целом подтверждают основные выводы, вытекающие из его термодинамического и кинетического анализов. По результатам экспериментальных исследований определены опти-
мальные значения технологических факторов и основные характеристики карбонит-рида хрома. Содержание карбонитрида в продуктах синтеза составляет 91,80-93,40 % масс; сопутствующих примесей, % масс: хрома свободного - 1,80-2,1; углерода свободного - 1,10-1,3; кислорода - 3,004,00; размер частиц - 30-35 нм; форма частиц - шарообразная; выход карбонитрида хрома - 91,4 %. Следует отметить, что в отдельных опытах отмечается оптимальное сочетание факторов, обеспечивающих достижение требуемых характеристик карбонитрида хрома уже на стадии синтеза: фазового и химического составов, а также дисперсности.
Библиографический список
1. Галевский Г.В., Руднева В.В., Юркова Е.К. Компьютерное моделирование режимов эффективной переработки дисперсного сырья в плазменном реакторе // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: тр. VI Всерос. науч.-практ. конф. СибГИУ (Новокузнецк, 17-19 мая 2007 г.). Новокузнецк, 2007. С. 343-346.
2. Галевский Г.В., Руднева В.В., Ноздрин И.В. Исследование характеристик реактора для плазмоме-таллургического производства тугоплавких боридов и карбидов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2011. № 8. С. 27-32.
3. Руднева В.В., Ноздрин И.В, Терентьева М.А. Ноздрин И.В. Модельно-математическое исследование условий эффективной переработки хромсодержащего сырья в плазменном реакторе // Изв. вузов. Черная металлургия. 2012. № 2. С. 13-18.
4. Моссэ А.Л. Обработка дисперсных материалов в плазменных реакторах. Минск: Наука и техника, 1980. 207 с.
5. Самсонов Г.В. Свойства элементов: справочник в 2-х частях. М.: Металлургия, 1976. Ч. 1. Физические свойства. 600 с.
6. Самсонов Г.В., Борисова А.Л. Физико-химические свойства окислов: справочник. М.: Металлургия, 1978. 472 с.
7. Фурман А.А. Неорганические хлориды. М.: Химия, 1980. 416 с.
8. Боровинская И.П., Прокудина В.К., Ратников В.И. Применение титана в процессах СВС // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010, № 4. С. 26-33.
References
1. Galevskij G.V., Rudneva V.V., Jurkova E.K. Kompjuternoe modelirovanie rezhimov jeffektivnoj pererabotki dispersnogo syr'ja v plazmennom reaktore [Computer simulation of efficient processing modes of disperse raw materials in a plasma reactor]. Works VI Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii SibGIU "Sistemy avtomatizacii v obrazovanii, nauke i proizvod-stve" [Proceedings of VI All-Russia scientific and practical conference of Siberian State Industrial University "Automation systems in education, science and industry", Novokuznetsk, 17-19 May 2007]. Novokuzneck, 2007, pp. 343-346. (In Russian)
2. Galevskij G.V., Rudneva V.V., Nozdrin I.V. Reactor for plasmometallurgical production of refractory borides and carbides. Izvestija vuzov. Chernaja metallurgija
[Izvestiya. Ferrous metallurgy]. 2011, no. 8, pp. 27-32. (In Russian)
3. Rudneva V.V., Nozdrin I.V, Terent'eva M.A. Nozdrin I.V. Mathematical analysis and simulation study on the conditions of the effective chromium-containing raw materials processing in plasma reactor. Izvestija vuzov. Chernaja metallurgija [Izvestiya. Ferrous metallurgy]. 2012, no. 2, pp. 13-18. (In Russian)
4. Mossje A.L. Obrabotka dispersnyh materialov v plazmennyh reaktorah [Dispersed materials processing in plasma reactors]. Minsk: Nauka i tehnika Publ., 1980, 207 p. (In Russian)
5. Samsonov G.V. Svojstva jelementov. Fizicheskie svojstva. [Properties of elements. Physical properties]. Moscow: Metallurgija Publ., 1976, 600 p. (In Russian)
6. Samsonov G.V., Borisova A.L. Fiziko-himicheskie svojstva okislov [Physico-chemical properties of oxides]. Moscow: Metallurgija Publ., 1978, 472 p. (In Russian)
7. Furman A.A. Neorganicheskie hloridy [Inorganic chlorides]. Moscow: Himija Publ., 1980, 416 p. (In Russian)
Критерии авторства
Ширяева Л.С., Ноздрин И.В., Руднева В.В., Галев-ский Г.В. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 25.09.2017 г.
8. Borovinskaja I.P., Prokudina V.K., Ratnikov V.I. Obtaining of titanium powder from titanium sponge by self-propagating high-temperature synthesis hydration and dehydration. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Poroshkovaja metallurgija i funkcional'nye pokrytija [Universities' Proceedings. Powder Metallurgy and Functional Coatings]. 2010, no. 4, pp. 26-33. (In Russian)
Authorship criteria
Shiryaeva L.S., Nozdrin I.V., Rudneva V.V., Galevsky G.V. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 25 September 2017
