Исследование процесса получения титановых порошков по технологии кальциегидридотермии
Анализ процесса восстановления диоксида титана гидридом кальция при различных температурах и соотношениях компонентов реакционной среды. Определение влияния условий проведения эксперимента на химический и гранулометрический состав синтезируемого продукта.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 27.07.2017 |
Размер файла | 285,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Исследование процесса получения титановых порошков по технологии кальциегидридотермии
В.А. Тихонов, С.В. Лановецкий
Пермский национальный исследовательский
политехнический университет
Аннотация
Используя современные физико-химические методы исследования, такие как дифференциально-термический анализ, сканирующая электронная микроскопия, атомно-абсорбционная спектрометрия, изучен процесс восстановления диоксида титана гидридом кальция при различных температурах и стехиометрических соотношениях исходных компонентов реакционной среды. Установлено влияние условий проведения эксперимента на химический и гранулометрический состав синтезируемого продукта. Получена математическая зависимость качественного состава титанового порошка от максимальной температуры процесса восстановления и стехиометрического соотношения исходных компонентов. По результатам экспериментальных данных установлено, что увеличение диаметра зерна и снижение удельной поверхности синтезируемого порошка приводит к увеличению содержанию титана в пробе. Показано, что основной проблемой получения титановых порошков является их повышенная окисляемость, вызванная высокой удельной поверхностью.
Ключевые слова: порошок титана, диоксид титана, гидрид кальция, шихта, процесс кальциегидридотермического восстановления.
титан кальций температура гранулометрический
Введение
Основной тенденцией развития современной порошковой металлургии является создание кристаллических продуктов с заданными свойствами (чистота, размер частиц, фазовый состав). Данные характеристики во многом определяют будущие свойства синтезируемых материалов, позволяя значительно расширять сферы их применения [1-3].
Порошок титана, получаемый восстановлением диоксида титана гидридом кальция, обладает развитой пористой структурой и высокой сорбционной емкостью в температурном диапазоне 25-350оС. В данном температурном интервале металл адсорбирует водород, азот, пары воды, кислород, углекислый газ. Именно с учетом этой особенности основано его широкое применение в качестве геттеров, пористых элементов для фильтрации агрессивных жидкостей и газов, а также в качестве сырья при производстве соединений титана (гидридов, карбидов, нитридов и т.д.) [4, 5].
Порошок титана относится к группе горючих веществ, температура воспламенения которого, в зависимости от фракции, составляет 440-540°С. Эта особенность позволяет с успехом использовать титановый порошок в пиротехнике [6, 7].
Нельзя не отметить высокую перспективность использования полученного титана как промежуточного продукта для создания композиционных материалов, так как получаемые порошки титана обладают развитой удельной поверхностью и обеспечивают более интенсивное протекание реакционных процессов. Также на основе наноструктурированных ультрадисперсных металлических порошков создаются принципиально новые высокопрочные и тугоплавкие материалы [8-11].
Целью данной работы являлось оценка влияния параметров процесса кальциегидридотермического восстановления диоксида титана на качественный и гранулометрический состав получаемых титановых порошков.
Экспериментальная часть
Процесс восстановления диоксида титана представляет собой химическую реакцию, протекающую с образованием промежуточных соединений (соединений титана (III и II) с кислородом), и осуществляемую на молекулярном уровне.
Для получения титанового порошка использовали TiO2 с размером частиц около 0,4 мкм, гидрид кальция в виде гранул соответствующий ТУ 14-1-1737-76.
Термический анализ процесса восстановления диоксида титана гидридом кальция проводили с помощью дериватографа «STA 449 С Jupiter» немецкой фирмы «Netzsch» (скорость нагрева в токе аргона
10оС/мин, начальная масса образца 38 мг, съемка в алундовом тигле с крышкой, имеющей отверстие для отвода газов и паров).
Анализ элементного состава полученного металлического порошка осуществляли на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Optima 3100» фирмы «Perkin Elmer». Размеры частиц титанового порошка определяли с помощью электронного сканирующего микроскопа «S-3400N» японской фирмы «Hitachi».
Эксперимент по восстановлению TiO2 гидридом кальция осуществляли в металлическом тигле, помещённым в трубчатую электропечь сопротивления ПТ - 1,2-40.
Весовое количество компонентов рассчитывали в соответствии со стехиометрией химической реакции восстановления диоксида титана гидридом кальция:
TiO2 + 2CaH2 = Ti + 2CaO + 2H2
При проведении исследований оценивали влияние температуры проведения процесса и соотношение исходных компонентов на состав и морфологию получаемого продукта.
Исходные компоненты шихты подвергали предварительному измельчению для обеспечения равномерного распределения восстановителя по всему реакционному объёму. Реакционная смесь загружалась в тигель, который помещался в холодную печь. После герметизации печи и продувки аргоном, осуществляли процесс нагрева до 1000оС в течение 90 минут. Фиксация давления в печи осуществлялась при помощи U - образного водяного манометра.
По окончании процесса восстановления, для отделения оксида кальция от целевого продукта, охлаждённый продукт помещался в реактор с мешалкой, предварительно заполненный 5% раствором соляной кислотой. Полученная суспензия, подвергалась фильтрованию и промывке дистиллированной водой. Сушка влажного порошка осуществлялась в вакуумном сушильном шкафу при температуре 50ч60oC и остаточном давлении 50ч70 мм. рт. ст.
Результаты и их обсуждение
Для исследования кинетики процесса восстановления диоксида титана была проведена серия экспериментов с определением влияния температуры процесса и стехиометрического соотношения компонентов на давление в реакционной среде. Результаты измерений представлены на рис. 1.
Рис. 1. - Влияние температуры и стехиометрического соотношения компонентов на давление в аппарате: 1 - соотношение CaH2:TiO2 = 1,2, 2 - соотношение CaH2:TiO2 = 1,5, 3 - соотношение CaH2:TiO2 = 2
Первоначально, при осуществлении нагрева шихты было зафиксировано незначительное увеличение давления в аппарате, по всей видимости, за счёт десорбции водяных паров с поверхности диоксида титана и разложения гидроксида кальция, присутствующего в небольших количествах в смеси, до его оксида (гидроксида кальция образуется при измельчении и шихтовке гидрида кальция). При достижении температуры процесса 750оС происходит падение давления в аппарате, связанное с поглощением шихтой газовой фазы. Причем интенсивность снижение давления коррелирует с ростом соотношения CaH2:TiO2. В дальнейшем, при температуре 810 - 830оC вновь наблюдается рост давления, на этот раз он вызван разложением гидрида кальция на кальций и водород. Водород, в свою очередь, довольно интенсивно поглощается образующимся при температуре 900оС титаном, что проявляется в снижении давления. Впоследствии гидрид титана распадается на металлический титан и водород.
Термический анализ процесса восстановления диоксида титана гидридом кальция, представленный на рис. 2, показал, что при температуре 800-818оС протекает процесс полиморфного превращения гидрида кальция из б формы в в [12] с максимальным эндотермическим эффектом при температуре 807оС.
Рис. 2. - Дериватограмма процесса восстановления диоксида титана гидридом кальция
Далее в температурном диапазоне 818-866оС осуществляется процесс разложения гидрида кальция на металлический кальций и водород. С появлением активного кальция сразу же начинается процесс восстановления диоксида титана, который протекает в интервале 866-880оС с ярко выраженным экзотермическим эффектом при температуре 872оС.
Результаты влияния соотношений компонентов шихты и температуры проведения процесса на состав синтезируемого титанового порошка представлены в табл. 1.
Таблица №1
Результаты анализов
№ п/п |
Соотношение CaH2:TiO2 |
Максимальная температура, процесса, оC |
Ti, % |
Ca, % |
|
1 |
1,2:1 |
800 |
55,0 |
5,3 |
|
2 |
1,5:1 |
800 |
60,0 |
0,7 |
|
3 |
2:1 |
800 |
63,9 |
4,0 |
|
4 |
1,2:1 |
900 |
68,9 |
4,1 |
|
5 |
1,5:1 |
900 |
80,0 |
0,2 |
|
6 |
2:1 |
900 |
82,8 |
3,5 |
|
7 |
2,5:1 |
900 |
86,4 |
0,3 |
|
8 |
1,2:1 |
1000 |
47,6 |
15,1 |
|
9 |
1,5:1 |
1000 |
52,0 |
12,0 |
|
10 |
2:1 |
1000 |
65,4 |
5,1 |
Анализ результатов экспериментов показал, что прослеживается определенная зависимость влияния соотношения исходных веществ на выход целевого продукта и распределение примеси кальция в нем. С увеличением количества восстановителя (CaH2) в шихте, наблюдается тенденция к увеличению степени превращения диоксида титана в целевой продукт. Так, например, при соотношении CaH2:TiO2 = 2,5:1, содержание титана в порошке достигает 86,4% и при этом содержание кальция составляет всего 0,3%.
Влияние температуры и стехиометрического соотношения компонентов на качественный состав титанового порошка адекватно описывается уравнением регрессии (значимость критерия Фишера составляет 0,0008):
у = -1485,03 - 5,38а1 - 9,78а12 + 3,48а2 - 0,002а22 + 0,059а1а2, (1)
где у - концентрация титана в порошке, %; а1 - соотношение CaH2:TiO2;
а2 - максимальная температура процесса, оС.
Используя полученное уравнение (1), была построена трехмерная диаграмма зависимости концентрации титана в порошке от максимальной температуры процесса и стехиометрического соотношения исходных компонентов (рис. 3).
Рис. 3. _ Зависимость концентрации титана в порошке от максимальной температуры процесса и стехиометрического соотношения исходных компонентов
Изучение гранулометрического состава титанового порошка, полученного в процессе кальциегидридотермии диоксида титана, проводилось с целью определения параметров влияющих на размер синтезируемых частиц целевого продукта.
При помощи электронной микроскопии (рис. 4) были определены размеры частиц, имеющие отчётливо выраженную сферическую форму.
Рис. 4. - Микрофотография частиц титанового порошка
Полученные данные по влиянию параметров проведения процесса восстановления на средний размер синтезированных частиц представлены в табл. 2.
Таблица №2
Влияние параметров процесса восстановления на размер титанового порошка
Параметры процесса |
Содержание Ti, % |
Средний размер полученных частиц, нм. |
Удельная поверхность частиц порошка, м2/г |
|
t = 800oC, соотношение (CaH2:TiO2) = 1,5:1 |
60 |
105 |
12,58 |
|
t = 900oC, соотношение (CaH2:TiO2) = 1,5:1 |
80 |
157 |
8,42 |
|
t = 1000oC, соотношение (CaH2:TiO2) = 1,5:1 |
52 |
91 |
14,52 |
|
t = 1000oC, соотношение (CaH2:TiO2) = 2:1 |
65,4 |
62 |
21,32 |
Результаты анализов показали, что увеличение диаметра зерна приводит к увеличению содержанию титана в пробе. Если исходить из теоретических представлений, то полученная зависимость вполне предсказуема, так как снижение удельной поверхности за счёт общего увеличения диаметра частицы титана благоприятно сказывается на снижении степени окисления металлического титана в процессе выщелачивания, сушки и хранения.
Как показали результаты экспериментов, главной проблемой получения титановых порошков является их повышенная окисляемость, вызванная высокой удельной поверхностью, т.е. снижение диаметра зерна титана вызывает ответное увеличение содержания кислорода в порошке.
Таким образом, на основе проведенных исследований установлен механизм процесса восстановления диоксида титана гидридом кальция. Показано влияние температуры и количества исходных компонентов на конечный состав получаемого продукта и геометрические характеристики синтезируемых частиц титанового порошка.
Литература
1. Сметкин А. А. Тенденции развития процессов получения титановых материалов методом порошковой металлургии // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2013. Том 15. № 3. С. 26-32.
2. Фиговский О. Л. Нанотехнологии: сегодня и завтра (зарубежный опыт, обзор) // Инженерный вестник Дона, 2011, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2011/511.
3. Дюжечкин М. К., Сергеенко С. Н. Особенности механохимической активации шихты Al-Si и формирования горячедеформированного порошкового материала на её основе // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2377.
4. Фадин В.В., Колубаев А.В., Алеутдинова М.И. Композиты на основе карбида титана, полученного методом технологического горения // Перспективные материалы, 2011. №4. С. 91-96.
5. Park M., Ha H., Kim W., Park J., Suh C., Woo S. Activation and gas sorption properties of nano-size titanium powder getters // Solid State Phenomena. 2007. Vol. 124-126 (2). P. 1281-1284.
6. Пиротехнический состав: пат. 2286325 Рос. Федерация / А.Ю. Постников, И.К. Кремзуков, А.А. Татынов, Е.В. Леваков, С.А. Пелесков, А.И. Веденеев, Д.Г.Иванов. № 2005103794/02; заявл. 14.02.2005; опубл. 27.10.2006. Бюл. №30 - 5с.
7. Захаров Р.С., Глотов О.Г. Характеристики горения пиротехнических композиций с порошкообразным титаном // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика, 2007. Т. 2. №3. С. 32-40.
8. Стороженко П.А., Гусейнов Ш.Л., Малашин С.И. Нанодисперсные порошки: методы получения и способы практического применения // Российские нанотехнологии, 2009. Т. 4. №1,2. С. 27-39.
9. Fernandes B.B., De Moura Neto C., Ramos A.S., De Melo F.C.L., Henriques V.A.R. Study of Ti-7.5Si-22.5B alloys produced by powder metallurgy // Materials Research. 2014. Vol. 17 (3). P. 557-564.
10. Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Евдокимов А.А., Усиков А.И. Плазмодинамический синтез сверхтвердых порошковых материалов с нанокристаллической структурой // Известия высших учебных заведений. Физика, 2013. Т. 56. №9-3. С. 87-89.
11. Крючков Д.И., Поляков А.П., Залазинский А.Г., Березин И.М., Субачев Ю.В. Влияние состава механической смеси порошков титана на свойства заготовок // Фундаментальные исследования, 2014. №9-1. С. 24-28.
12. Касимцев А.В. Физико-химия и технология получения порошков интерметаллидов, тугоплавких соединений и композиционных материалов гидридно-кальциевым методом: Автореф. дис.... д-ра техн. наук / МИСИС. М., 2010. - 44с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Содержание титана в земной коре. Состав титановых концентратов, полученных из титановых руд, находящихся на территории Казахстана. Современная технология получения титанового шлака и металлического титана. Особенности очистки четырёххлористого титана.
реферат [4,8 M], добавлен 11.03.2015Анализ метода повышения радиационной стойкости порошка диоксида титана путем модифицирования его нанопорошком диоксида титана. Исследование спектров диффузного отражения, зависимость изменения интегральной чувствительности порошка от концентрации TiO2.
дипломная работа [4,2 M], добавлен 21.08.2013Сущность и преимущества золь-гель-технологии синтеза порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Технологические свойства, структура и фазовый состав полученных порошков и напыленных из них покрытий, перспективы их применения.
статья [172,1 K], добавлен 05.08.2013Характеристика и механические свойства титана. Исследование влияния вспомогательных компонентов на свойства титанового сплава. Технологические аспекты плавки, определение типа плавильного агрегата. Термическая обработка: отжиг, закалка, старение.
реферат [1,6 M], добавлен 17.01.2014Технология и химические реакции стадии производства аммиака. Исходное сырье, продукт синтеза. Анализ технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода, существующие проблемы и разработка способов решения выявленных проблем производства.
курсовая работа [539,8 K], добавлен 23.12.2013Сфера применения карбидов титана и хрома. Состав и технологические характеристики исходных продуктов и композиционных порошков на их основе. Скорость окисления образцов. Микроструктура плазменного покрытия после изотермической выдержки в течение 28 часов.
статья [211,0 K], добавлен 05.08.2013Рассмотрение механизма получения биоэтанола из растительного сырья. Изучение трансформации целлюлозы в растворимые формы простых углеводов, определение оптимальных условий для протекания процесса. Исследование состава субстрата после гидролиза.
презентация [279,1 K], добавлен 19.02.2014Физические особенности лазерной сварки титановых сплавов. Моделирование процесса воздействия лазерного излучения на металл. Исследование влияния энергетических и временных характеристик и импульсного лазерного излучения на плавление титановых сплавов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 11.01.2014Cпособы получения титана. Механизм формирования реакционной массы. Загрязнение титановой губки железом и другими примесями, в процессе восстановления. Основные неисправности при работе оборудования и меры по их устранению.
реферат [17,6 K], добавлен 06.08.2007Обоснование применения новых полуфабрикатов из титановых сплавов, как наиболее перспективных конструкционных материалов в области стационарной атомной энергетики. Опыт применения титана и его сплавов для конденсаторов отечественных и зарубежных АЭС.
дипломная работа [11,7 M], добавлен 08.01.2011Способы получения алюминиево-кремниевых сплавов. Процесс углетермического восстановления оксидов кремния и алюминия. Механизм и кинетика процесса восстановления алюмосиликатных шихт в диапазоне составов силикоалюминия с использованием восстановителя.
автореферат [439,3 K], добавлен 16.06.2009Химический состав компонентов шихты. Определение состава доменной шихты. Составление уравнений баланса железа и основности. Состав доменного шлака, его выход и химический состав. Анализ состава чугуна и его соответствие требованиям доменной плавки.
контрольная работа [88,4 K], добавлен 17.05.2015Основные направления использования окиси этилена, оптимизация условий его получения. Физико-химические основы процесса. Материальный баланс установки получения оксида этилена. Расчет конструктивных размеров аппаратов, выбор материалов для изготовления.
отчет по практике [1,2 M], добавлен 07.06.2014Материалы с малой плотностью (легкие материалы), получение и способы их обработки. Химический состав стекла, его свойства и типы. Основы современной технологии получения стекла. Применение стекломатериалов в авиастроении, автомобилестроении, судостроении.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 27.05.2013Характеристика детали "Ступица". Химический состав и механические свойства стали. Выбор технологического процесса и обоснование принятого способа литья. Определение непроливных элементов, норм точности и величины припусков. Расчет литниковой системы.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 19.01.2011Повышение износостойкости плазменных покрытий из эвтектических самофлюсующихся сплавов, путём введения в состав серийного материала мелкодисперсной добавки диборида титана. Зависимость количества и размера образующихся фаз от количества вводимой добавки.
статья [1,9 M], добавлен 05.08.2013Проектирование технологии восстановления вала ротора электродвигателя для трактора. Создание технологического процесса дефектации, маршрута восстановления детали. Выбор рационального способа, расчет себестоимости. Ремонтные материалы и оборудование.
курсовая работа [165,8 K], добавлен 17.05.2012Гранулометрический и химический состав сырых шихтовых материалов. Дозирование и физико-химические основы процесса. Введение плавки. Нарушения хода печи: повышенное содержание кремния, оксида хрома и углерода, срыв подины, загрязнение слитков шлаком.
курсовая работа [78,4 K], добавлен 20.09.2013Методы порошковой металлургии. Повышение износостойкости покрытий, полученных методом высокоскоростного воздушно-топливного напыления, из самофлюсующихся сплавов на никелевой основе путём введения в состав исходных порошков добавок диборида титана.
статья [2,3 M], добавлен 18.10.2013Общая характеристика и механические свойства титана как металла. Оценка главных преимуществ и недостатков титановых сплавов, сферы их практического применения и значение в кораблестроении. Батискаф "Алвин": история проектирования и построения, проблемы.
реферат [161,2 K], добавлен 19.05.2015