CC BY
51
er. Jelektrotehnicheskie kompleksy i sistemy upravlenija. Available at: http://www.energosovet.ru/stat385.html
3. Patsyuk, V. I. (2009). Reduction of losses in the AC power lines at idle and the transmission of natural power with the help of shunt reactors and IRM. Problemele energeticii regionale, 1 (9), 14-24.
4. Matsora, V. S. (2015). Problem of power losses in the transmission network. One way to solve it. Tehnichni nauki, 4 (30), 217-222. Available at: https://sibac.info/studconf/ tech/ xxxi/41824
5. Fedorov, A. (Ed.) (1986). Handbook of electricity and electrical equipment. Moscow: Jenergoatomizdat, 568.
6. Kireeva, E. A., Orlov, V. V., Starko, L. E. (2003). Electricity shops of industrial enterprises. Moscow: Jener-goprogress, 120.
7. Barybina, G. (Ed.) (1990). Reference for the design of power supply. Moscow: Jenergoatomizdat, 576
8. Karatkevich, M. A. (2010). Design of power lines. Moscow: Vysshaja shkola, 574.
9. Loginova, S. E., Loginov, A. V. (2013). Manual for designing of air power transmission lines 0.38-20 kV self-supporting isolated and protected wires. Saint Petersburg, 291.
10. Fedorov, A. A., Kamenev, V. V. (1979). Fundamentals of power industry. Moscow: Jenergija, 408.
11. Magidin, F. A. (1978). Construction of overhead electrical power lines. Moscow: Vysshaja shkola, 320.
12. Magidin, F. A., Berkovskii, A. G. (1971). Device and installation of overhead lines. Moscow: Vysshaja shkola, 255.
13. Rules for Electrical Installation. Transmission of electricity (2003). Moscow: NC JeNAS, 160.
Рекомендовано до публгкацИ' д-р технгчних наук, професор Щокт В. П.
Дата надходженнярукопису 27.10.2016
Константшов Григорш Вжторович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра електропостачання та енергетично-го менеджменту, ДВНЗ "Криворiзький нацюнальний утверситет", вул. Впалш Матусевича, 11, м. Кривий Pir, Украша, 50027
E-mail: epem.konstantinov@gmail.ru
Дудник 1гор Олегович, кафедра електропостачання та енергетичного менеджменту, ДВНЗ "Криворiзький нацюнальний утверситет", вул. Впалш Матусевича, 11, м. Кривий Pir, Украша, 50027 E-mail: ihor.dudnyk@gmail.com
Gregory Konstantinov, PhD, Associate Professor, Department of electricity and energy management, State institution of higher education «Kryvyi Rih National University», Vitali Matusevich st., 11, Kryvyi Rih, Ukraine, 50027 Ihor Dudnyk, Department of electricity and energy management,State institution of higher education «Kryvyi Rih National University», Vitali Matusevich str., 11, Kryvyi Rih, Ukraine,50027
УДК 546.171.1
DOI: 10.15587/2313-8416.2016.86362
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГЕКСАГОНАЛЬНОГО НИТРИДА БОРА © Н. В. Дудченок, I. Ф. Червоний
RESEARCH OF HEXAGONAL BORON NITRIDE TECHNOLOGY © N. Dudchenok, I. Chervonyi
В работе выполнен анализ технологий производства графитоподобного нитрида бора. Проведенные исследования показали возможность проведение технологического процесса получения графитоподобного нитрида бора с применением карбамидной технологии без применения дополнительных реагентов при обеспечении заданного качества готовой продукции. Шихту спекали и подвергали азотированию в индукционной печи с последующими отмывкой в горячей воде и обогащением
Ключевые слова: бор, оксид бора, карбамид, азот, нитрид бора, азотирование, отмывка, обогащение, мельница
The analysis of technologies of hexagonal boron nitride production is carried out. The conducted researches show realization possibility of technological process of hexagonal boron nitride preparation using carbamide technology without application of additional reagents at providing the set quality of the finished products. Charge was burned and nitrided in an induction stove with subsequent washing in hot water and enriching Keywords: boron, boron oxide, carbamide, nitrogen, boron nitride, nitriding, washing, enriching, mill
1. Введение
Технология гексагонального нитрида бора основана на реакции взаимодействия элементарного бора или его окиси с азотом. Гексагональный нитрид
бора нашел широкое применение в промышленности, благодаря широкому спектру своих физико-химических характеристик: электрическое сопротивление, адгезионные свойства, прозрачность для токов высо-
кой частоты, химическая устойчивость, тугоплавкость, низкий коэффициент трения и т. д.
По данным [1, 2] мировое производство борной продукции (в пересчете на В203) в 2012 г. составило около 2,0 млн. т, а распределение производителей по регионам представлено на (рис. 1).
2. Анализ литературных данных
Одним из методов получения графитоподоб-ного нитрида бора является способ получения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [4, 5]. В этом способе приготавливают шихту, состоящую из оксида бора и оксида магния в количестве 10...20 мас. %, которую загружают в реактор, наполненный азотом. Термообработку шихты в реакторе проводят под давление 8.10 МПа при инициировании режима горения. В этом процессе авторами используется дополнительная добавка в виде щавелевой кислоты, мочевины, фторида аммония, хлорида аммония или углерод, взятой в количестве до 10 мас. %. После проведения процесса горения реактор охлаждают. Продукт реакции измельчается и обрабатывается горячей водой для удаления примесей и дополнительных добавок. После обработки горячей водой продукты реакции разделяют и сушат.
Известен также способ с применением режима самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения графитоподобного нитрида бора - способ с применением амидов (амидный про-
цесс) [6]. Этот способ позволяет достичь высокой производительности при минимальных энергетических затратах. Для проведения процесса авторами были выбраны следующие реакции
4В + ЫаЫ3 + ЫН4Г = 4ВЫ + ЫаГ + 2Н2; 8В + 3ЫаЫ3 + КВГ4 = 9 ВЫ + 3ЫаГ + КГ; 12В + 4ЫаЫ3 + ЫН4 ВГ4 = = 13ВЫ + 4ЫаГ + 2Ы2.
Авторами работ [7-9] было установлено, что в результате реакции в режиме горения галоидная соль и азид натрия разлагаются и активный азот вступает в реакцию с бором с образованием графито-подобного нитрида бора. Такой процесс обеспечивает непосредственное участие промежуточных продуктов в образовании заданного продукта. Было также установлено, что наиболее эффективным является процесс с применением смеси ЫН/ВР4+4МаК3.
Развитием известных методов получения гра-фитоподобного нитрида бора является карбамидный процесс [10]. В этом способе в качестве азотсодержащего компонента использовали карбамид -(N^200.
Для увеличения эффективности реакции авторы применили добавку в виде смеси порошка графита и нитрида бора в количестве 0,9.1,0 мас. % с размером частиц менее 300 мкм. Эта добавка обеспечивает рост кристаллов по всему объему реактора и образование нитрида бора с графитоподобной структурой. В таком процессе азотирование шихты проводят при температурах 1810.1850 °С, что обеспечивает возможность получения графитоподобного нитрида бора с приемлемой себестоимостью.
Анализ многочисленных работ показал, что авторами не проводились исследования технологии нитрида бора по прямой схеме, т.е. исключением из шихты графитовой добавки. По нашему мнению целесообразно провести опробование оптимизированной технологической линии с исключением из шихты графитовой добавки, что и является задачей настоящих исследований.
В то же время применение графита в качестве ингредиента технологической смеси затрудняет процесс роста кристаллов и приводит к поступлению нежелательных примесей в кристаллическую решетку нитрида бора.
3. Цель и задачи исследований
Целью проведения исследований являлось оптимизация технологического процесса получения гексагонального нитрида бора путем исключения графитового порошка из состава шихты для проведения реакционного процесса и устранение поступления примесей в кристаллическую решетку конечного продукта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
Asia
Рис. 1. Распределение производства борной продукции по регионам
мира [1]
Основным применением гексагонального нитрида бора является изготовление сверхтвердых материалов [3] в виде кубического и вюрцитоподобного нитридов бора. Многофункциональность гексагонального нитрида бора обеспечивает его использование во многих отраслях промышленности:
- при изготовлении огнеупорных материалов;
- для напыления на металлические поверхности;
- для синтеза сверхтвердых абразивных материалов;
- при производстве высокотемпературных антикоррозионных покрытий в цветной металлургии;
- в ядерной энергетике в качестве поглотителя нейтронов в реакторах;
- в авиационной технике;
- при переработке нефти;
- в изделиях высокотемпературной техники;
- при получении высокочистых металлов.
1. Оптимизировать подготовку исходной шихты и технологический режим ее обработки.
2. Провести обогащение обработанной шихты для повышения выхода в годный продукт.
4. Материалы и методы исследования
Были проведены эксперименты по оптимизации карбамидного процесса за счет устранения графита из реакционного процесса. Для этого подготавливали шихту, состоящую из смеси борной кислоты и карбамида и прокаливали ее при температуре 300...350 °С в муфельной печи (рис. 2). Полученный в муфельной печи спек измельчали на мельнице 2. Измельченную фракцию направляли в индукционную печь 3, а затем азотировали в индукционной печи. Азот (ДСТУ ГОСТ 9293:2009) в индукционную
печь подавали испаренный из жидкого состояния в специальной испарительной установке. Азотирование в индукционной печи проводили при температуре 1700.1800 °С, после чего полученный продукт измельчали на мельнице 2. Графитоподобный нитрид бора, полученный в индукционной печи, содержал борный ангидрид. Для доведения нитрида бора до соответствия требованиям технических условий производили его отмывку от борного ангидрида в горячей воде в аппарате для обогащения 4. Для повышенного качества графитоподобной марки нитрид бора дополнительно промывали в щавелевой кислоте или спиртом. Полученную суспензию разделяли вакуум-фильтром 5. На заключительном этапе полученный продукт просушивали в сушильном шкафу 6 и рассеивали по заданным фракциям.
Рис. 2. Схема производства гексагонального нитрида бора: 1 - муфельная печь; 2 - мельница; 3 - индукционная печь; 4 - аппарат для обогащения; 5 - вакуум-фильтр; 6 - сушильный шкаф
5. Результаты исследования
В результате проведенных исследований достигнуто увеличение выхода продукта по всем элементам технологической цепочки и повышение выхода готовой продукции на 10 %. Результаты исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав и физико-механические
Наименование показателей Нитрид бора графитоподобный
Массовая доля нитрида бора (БМ), % 98,2
Массовая доля оксида бора (Б2О3), % 0,2
Массовая доля карбида бора (В4С), % 0,2
Индекс графитации, в 1,3
Насыпная плотность, г/см3 0,40
Массовая доля нитрида бора, прошедшего через сито с сеткой номинальным размером ячейки 100 мкм, % 95
Как видно из приведенных данных, массовая доля нитрида бора равна 98,2 %, а массовая доля нитрида бора, прошедшего через сито с сеткой номиналь-
ным размером ячейки 100 мкм, составила 95 %, что является достаточно хорошим показателем для величины себестоимости продукции.
6. Выводы
Оптимизация подготовки исходной шихты и технологического режима ее обработки за счет исключения графита из шихтовой массы позволил увеличить выход продукта по всем элементам технологической цепочки. Введение операции отмывки нитрида бора в горячей воде от борного ангидрида с включением промывки в щавелевой кислоте и сушки позволило достигнуть увеличение выхода в готовую продукцию на 10 %. Выполненные исследования показали возможность проведение технологического процесса получения графитоподоб-ного нитрида бора с применением карбамидной технологии без применения дополнительных реагентов при обеспечении заданного качества готовой продукции.
Литература
1. Boron Production [Electronic resource]. - Available at: http://www.boren.gov.tr/en/boron/production-of-boron
2. World Boron Producing Countries [Electronic resource]. - Available at: http://www.mapsofworld.com/ miner-als/world-boron-producers.html
3. Никифоров, И. П. Состояние и перспективы производства абразивных материалов [Текст] / И. П. Никифо-
ров // Машиностроение. - 2011. - № 15.3. - С. 265-270. -Режим доступа: http://pskgu.ru/projects/pgu/storage/wt/wt153/ wt153_10.pdf
4. Пат. RU 2163562. Способ получения графитопо-добного нитрида бора. МПК С01В21/064 [Текст] / Боро-винская И. П., Мержанов А. Г., Хуртина Г. Г.; заявитель и патентообладатель Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. - № 9114720/12; заявл. 07.07.1999; опубл. 27.02.2001.
5. Ertug, B. Powder Preparation, Properties and Industrial Applications of Hexagonal Boron Nitride [Text] / B. Ertug // Sintering Applications. - 2013. - Available at: http://cdn. intechopen.com/pdfs-wm/42532.pdf doi: 10.5772/53325
6. Халиуллина, Е. В. Получение порошка нитрида бора по азидной технологии СВС [Текст] / Е. В. Халиуллина // Тенденции науки и образования в современном мире. - 2015. - № 4. - С. 4-6. - Режим доступа: http://ljournal. ru/wp-content/uploads/2015/09/haliulina_01_08.2015.pdf
7. Курдюмов, А. В. Закономерности структурообра-зования при карбамидном синтезе нанокристаллического графитоподобного нитрида бора [Текст] / А. В. Курдюмов, Т. С. Бартницкая, В. И. Ляшенко, В. Ф. Бритун, Т. Р. Балан, С. Н. Громыко, А. И. Даниленко и др. // Порошковая металлургия. - 2005. - Т. 11, № 12. - С. 88-97.
8. Пат. RU 2130336. Способ получения графитопо-добного нитрида бора. МПК B01J3/06 [Текст] / Боровин-ская И. П., Вершинников В. И., Мержанов А. Г.; заявитель и патентообладатель «Институт структурной макрокинетики РАН (ИСМАН)». - № 98103620/25; заявл. 20.02.1998; опубл. 20.05.1999.
9. Пат. RU 2478077. Способ получения растворимого гексагонального нитрида бора МПК В82В 3/00 [Текст] / Назаров А. С., Демин В. Н., Федоров В. Е.; заявитель и патентообладатель «Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН)». - № 2011117429/05; заявл. 29.04.2011; опубл. 27.03.2013, Бюл. № 9.
10. Пат. RU 2266865. Способ получения нитрида бора. МПК С01В21/064 [Текст] / Нечепуренко А. С., Сорокин И. Н., Ласыченков Ю. Я., Самунь С. В., Бекетов В. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное Государственное унитарное предприятие «Уральский научно-исследовательский химический институт с опытным заводом». -
№ 2004135602/15; заявл. 06.02.2004; опубл. 27.12.2004, Бюл. № 36.
References
1. Boron Production. Available at: http://www.boren. gov.tr/en/boron/production-of-boron
2. World Boron Producing Countries. Available at: http://www.mapsofworld.com/minerals/world-boron-producers.html
3. Nikiforov, I. P. (2011). Sostoyanie i perspektivyi proizvodstva abrazivnyih materialov. Mashinostroenie, 15.3, 265-270. Available at: http://pskgu.ru/projects/pgu/storage/ wt/wt153/wt153_10.pdf
4. Borovinskaya, I. P., Merzhanov, A. G., Hurtina, G. G. (2001). Pat. RU 2163562. Sposob polucheniya grafitopodob-nogo nitrida bora. MPK7 S01V21/064. # 9114720/12; declar-eted 07.07.1999; published 27.02.2001.
5. Ertug, B. (2013). Powder Preparation, Properties and Industrial Applications of Hexagonal Boron Nitride. Sintering Applications. Available at: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/42532.pdf doi: 10.5772/53325
6. Haliullina, E. V. (2015). Preparation of boron nitride powder by the azide SHS technology. Tendencii nauki i obra-zovanija v sovremennom mire, 4, 4-6. Available at: http:// ljournal.ru/wp-content/uploads/2015/09/haliulina_ 01_08.2015.pdf
7. Kurdyumov, A. V., Bartnitskaya, T. S., Lyashen-ko, V. I., Britun, V. F., Balan, T. R., Gromyiko, S. N., Da-nilenko, A. I. et. al. (2005). Zakonomernosti strukturoobra-zovaniya pri karba-midnom sinteze nanokristallicheskogo grafitopodobnogo nitrida bora. Poroshkovaya metallurgiya, 11 (12), 88-97.
8. Borovinskaya, I. P., Vershinnikov, V. I., Merzha-nov, A. G. (1999). Pat. RU 2130336. Sposob polucheniya grafitopodobnogo nitrida bora. MPK B01J3/06, S01V21/064. # 98103620/25; declareted: 20.02.1998; published 20.05.1999.
9. Nazarov, A. S., Demin, V. N., Fedorov, V. E. (2011). Pat. RU 2478077. Sposob polu-cheniya rastvorimogo geksago-nalnogo nitrida bora. MPK V82V 3/00. # 2011117429/05; declareted: 29.04.2011; published 27.03.2013, Bul. # 9.
10. Nechepurenko, A. S., Sorokin, I. N., Lasyichen-kov, Yu. Ya., Samun, S. V., Beketov, V. A. (2004). Pat. RU 2266865. Sposob polucheniya nitrida bora. MPK7 S01V21/064. 2004135602/15; declareted: 06.02.2004; published 27.12.2004, Bul. 36.
Дата надходження рукопису 02.11.2016.
Дудченок Наталья Владимировна, аспирант, кафедра металлургии, Запорожская государственная инженерная академия, пр. Соборный, 226, г. Запорожье, Украина, 69006
Червоный Иван Федорович, доктор технических наук, профессор, кафедра электрометаллургии, Национальная металлургическая академия Украины, пр. Гагарина, 4, г. Днепр, Украина, 49600 E-mail: rot44@yandex.ru
Dudchenok Natalia, Postgraduate student, Department of metallurgy, Zaporizhzhya state engineering academy, Sobor-ny ave., 226, Zaporizhzhya, Ukraine, 69006
Chervony Ivan, Doctor of Technical Sciences, Professor, National metallurgical academy of Ukraine , Gagarin ave., 4, Dnepr, Ukraine, 49600 E-mail: rot44@yandex.ru
