Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ плазмохимических технологий получения наноразмерных порошков бескислородных соединений титана нитрида, карбида и карбонитрида для производства новых конструкционных и функциональных материалов.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
плазма, плазмотрон, нанопорошки, синтез, тетрахлорид, титан, карбид, нитрид, карбонитрид.

Цель проекта:
1. Получение научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых промышленных технологий мирового уровня получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана, не производящихся в настоящее время в РФ. Обеспечение указанными нанопорошками выполняемых в РФ исследований, разработок и выпуска высокотехнологичной продукции – новых конструкционных и функциональных материалов и изделий на их основе. Вывод нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана прежде всего на внутренний рынок с исключением потребности в их импорте. 2. Разработка основ технологий получения наноразмерных порошков нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана в термической плазме электродугового плазмотрона в унифицированном реакторе, обеспечивающем осуществление синтеза рассматриваемых бескислородных соединений титана.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Эскизная конструкторская документация экспериментального образца унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона номинальной мощностью 25 кВт.
2. Экспериментальный образец унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона с производительностью по целевому продукту до 250 г/ч.
3. Лабораторный технологический регламент получения наноразмерных порошков бескислородных соединений титана - нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана в термической плазме электродугового плазмотрона.
4. Экспериментальные образцы наноразмерных порошков бескислородных соединений титана - нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана.
5. Проект технического задания для проведения ОКР по теме: «Разработка опытно-промышленного унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона номинальной мощностью 150 кВт для производства наноразмерных порошков нитрида, карбида и карбонитрида титана», включающий технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта является промышленная установка и технология для получения нанодисперсных порошков бескислородных соединений титана - нитрида, карбида и карбонитрида в термической плазме электродуговогодугового разряда с производительностью до 15 кг/ч. Результаты ПНИЭР позволят подтвердить возможность получения целевых продуктов в заявленном диапазоне свойств, получить оценку технико-экономических характеристик процесса и подготовить ТЗ на выполнение ОКР по разработке и изготовлению технологического оборудования.
2. Актуальность и перспективность исследований по теме проекта ПНИЭР подтверждена широким многообразием способов получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана. Наряду с этим в выполняемой ПНИЭР есть ряд конструктивно-технологических решений, имеющих несомненную новизну и оригинальность. Конфигурация системы смешения и реактора для осуществления целевых процессов, возможность управления характеристиками получаемых продуктов в широком диапазоне, высокий ресурс работы.
3 На основании проведенного литературного обзора и патентных исследований установлено, что возможность получения нанодисперсных порошков бескислородных соединений титана - нитрида, карбида и карбонитрида к настоящему времени реализована в лабораторном масштабе в термической плазме дугового, высокочастотного и сверхвысокочастотного разрядов наряду с использованием других принципов и подходов. Многие исследования демонстрируют возможность получения нанодисперсного продукта высокого качества, однако большинство из них имеют существенные ограничения по выходу целевого продукта, производительности и ресурсу работы используемых вариантов реакционного оборудования. В рамках проводимых ПНИЭР ставятся задачи не просто продемонстрировать возможность получения означенных нанопорошков, а разработать и испытать конструктивно-технологическую схему, позволяющую наряду с возможностью осуществления трех разных процессов в одном реакторе, обеспечить значения энергозатрат и ресурса, применимые для коммерческой реализации данной технологии.
4. Основные проблемы и задачи, требующие решения в процессе ПНИЭР, связаны с обеспечением заданных и управляемых характеристик дисперсного, химического и фазового составов получаемых порошков. По результатам выполненных ПНИЭР исполнителем проекта совместно с его индустриальным партнером ОАО «ЯрегаРуда» будет выполнен комплекс ОТР/ОКР по созданию и реализации опытно-промышленного производства нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана. Технико-экономическое обоснование проводимых работ и маркетинговые исследования позволят определить необходимый уровень масштабирования производства и обеспечить промышленное производство нанопорошков.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Проект направлен на разработку и реализацию новых высокотехнологичных процессов получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана, используемых для создания новых материалов и имеющих высокую востребованность на мировом рынке. Эти соединения титана широко используются в производстве безвольфрамовых твердых сплавов, износостойких покрытий, абразивных материалов, изделий различного назначения, работающих в условиях высоких температур. Получаемые с использованием наноразмерных порошков материалы обладают уникальными свойствами: высокой прочностью, твердостью и износостойкостью, а также термо- и химической стойкостью. Подобные характеристики наноструктурных и нанокомпозитных материалов приводят к формированию спроса на них в разнообразных областях промышленности: аэрокосмической отрасли, судостроении, химическом машиностроении, энергетике, медицине и 2. В ходе последующих ОТР/ОКР, которые будут выполнены ОАО «ЯрегаРуда», на основе результатов ПНИЭР будет разработана опытно-промышленная технология и оборудование с целью создания опытно-промышленного производства нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана с суточной производительностью на уровне 100 кг в первую очередь для обеспечения российского рынка.
Опытно-промышленное производство обеспечит нанопорошками нитрида, карбида и карбонитрида титана выполняемые в РФ исследования, разработки и выпуск высокотехнологичной продукции – новых конструкционных и функциональных материалов и изделий на их основе.
Основным потребителем результатов работ по проекту, направленных на создание принципиально новой технологии получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана является ОАО «ЯрегаРуда». В настоящее время компания проводит работы по созданию, развитию и привлечению новейших технологий для получении соединений титана на основе нефтетитановых руд Ярегского месторождения.
3. ОАО «ЯрегаРуда» проводит проектные работы, связанные с подготовкой к строительству Ярегского горно-химического комплекса (ЯГХК) с целью комплексного освоения крупнейшего месторождения титанового сырья в России – Ярегского. Отработка аппаратурно-технологических решений по использованию тетрахлорида титана для производства высокотехнологичной продукции – нанопорошков карбида, нитрида и карбонитрида титана позволит обеспечить масштабный переход с увеличением производительности единичного плазменного реактора и перейти в дальнейшем к промышленному производству нанопорошка на базе ОАО «ЯрегаРуда».
Несмотря на то, что проект целевым образом ориентирован на его реализацию в ОАО «ЯрегаРуда», его результаты могут быть востребованы ОАО «Соликамский магниевый завод». Продукцией предприятия является тетрахлорид титана, который служит исходным сырьем для получения рассматриваемых в проекте нанопорошков бескислородных соединений титана, соответственно на заводе имеется и необходимая инфраструктура для работы непосредственно с хлоридом титана. Основным направлением развития компании «Соликамский магниевый завод» является расширение номенклатуры выпускаемой продукции за счет организации выпуска новых продуктов с глубокой степенью переработки сырья.
4. Международное сотрудничество в рамках выполнения данной работы не планируется. При выполнении проекта используется Уникальная научная установка. Результаты, проекта позволят развить ряд конструктивно-технологических решений применяемых Уникальной научной установке, что позволит перейти на более высокий уровень развития материально-технической базы исследовательского оборудования.

Текущие результаты проекта:
1. На основе проведенного обзора научно-технической, нормативной, методической литературы и патентных исследований аналитически обоснованы предлагаемые новые технологические принципы и подходы к получению наноразмерных порошков бескислородных соединений титана - нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана в термической плазме электродугового плазмотрона.
2. Подготовлена эскизная конструкторская документация унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона.
3. Изготовлен экспериментальный образец унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона номинальной мощностью 25 кВт.
4. Проведены испытания экспериментального образца унифицированного плазменного реактора по разработанной Программе и методикам испытаний.
5. Определены энерготехнологические характеристики процессов получения наноразмерных порошков нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана (состав и выход конечных продуктов, затраты энергии на их получение, необходимая энтальпия потока плазмы) на основании расчетов равновесных составов и термодинамических свойств систем Ti-Cl-H-N, Ti-Cl-H-C и Ti-Cl-N-H-C.
6. Разработаны три технологические схемы процессов получения наноразмерных порошков нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана в потоке термической плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне, обеспечивающих реализацию процессов в унифицированном плазмохимическом реакторе.
7. Проводятся экспериментальные исследования по определению влияния основных параметров плазменного процесса (расхода и концентрации реагентов, состава и энтальпии плазменной струи, температуры поверхности осаждения наноразмерных порошков) на физико-химические свойства (дисперсный и химический состав) получаемых наноразмерных порошков нитрида и карбонитрида титана.
8. Проводятся экспериментальные исследования термохимической обработки наноразмерных порошков нитрида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана, полученных в плазменных процессах, для необходимой коррекции их физико-химических свойств (дисперсного, фазового состава и содержания примесей кислорода, хлора, свободного углерода).