Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ получения неорганического материала на основе оксинитридов титана

Классы МПК:C01G23/00 Соединения титана
C22B7/04 переработка шлака 
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие ФАН" (RU),
Открытое акционерное общество "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-09-07
публикация патента:

Изобретение относится к металлургии. Cпособ получения слитков на основе оксинитридов титана состава TiN0,35-0,7 O0,4-0,6 включает сжигание титансодержащей шихты в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в атмосфере азота под давлением 40-150 атм. В качестве титансодержащей шихты используют отход титанового производства в виде измельченного шлака огневого реза титана и его сплавов фракции минус 0,5 мм, содержащего титан, азот, кислород и механические примеси окислов титана. При использовании шлака огневого реза титана и его сплавов, содержащего более 5 вес.% механических примесей окислов титана, в шихту дополнительно вводят стружку титана или его сплавов или порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана в шихте. Обеспечивается получение гомогенных качественных слитков на основе оксинитридов титана. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 1 пр.

Рисунки к патенту РФ 2518363

способ получения неорганического материала на основе оксинитридов   титана, патент № 2518363

Изобретение относится к неорганическим материалам, содержащим синтезированные оксинитриды различных элементов, давно проявляется большой интерес в силу благоприятных свойств этих композиций, дающих возможность их широкого применения. В их число входят оксинитриды титана, структура и свойства которых на данный момент достаточно хорошо изучена (Алямовский С.И., Зайнуллин Ю.Г., Швейкин Г.П. Оксикарбиды и оксинитриды металлов IVA и VA подгрупп. М., Наука, 1981, с.58-62; Кузнецов М.В., Журавлев Ю.Ф., Жиляев В.А., Губанов В.А. Рентгеноэлектронное исследование нитридов, оксидов и оксинитридов титана. Журнал «Неорганическая химия», 1991, Т.36, вып.4, с.987-991).

Комплекс свойств оксинитридов титана с областью гомогенности Ti N0,35-0,7 О0,4-0,6 харатеризуется высокой микротвердостью 19000 - 24000 МПа, высокой температурой плавления - более 2200°С, стойкостью в агрессивных средах и др., что предопределяют широкие области применения данного неорганического материала, например, для напыления на детали с целью увеличения эксплуатационных свойств, в качестве абразивов, как армирующий компонент порошковых сплавов, для производства специальной керамики и в других направлениях.

Однако широкое внедрение таких материалов в промышленность сдерживается отсутствием промышленных технологий получения гомогенных оксинитридов титана.

Известен способ получения оксинитридов, в том числе оксинитридов титана (Зайнуллин Ю.Г., Алямовский С.И., Швейкин Г.П. Журнал «Неорганическая химия», 1973, Т.9, с.1210-1213). Синтез осуществляется путем вакуумного спекания оксида и нитрида титана при температуре 1500°С в течении 60-80 часов. Недостатком этого способа являются большие энергозатраты, связанные с использованием глубокого вакуума (до 10-5 мм рт.ст.) и необходимостью поддержания высоких температур в течение длительного времени.

Известен способ, когда оксинитриды титана синтезируются попутно при получении более сложных композиций. Например, TiOxCyNz (Ю.В. Левинский, А.П. Петров, Ю.Н. Зайцев. Получение порошков оксикарбонитрида титана с контролируемым составом, «Цветные металлы», 1998, № 1, с.52-54). При этом порошок титана вначале окисляют в атмосфере воздуха при температуре 1000°С до содержания кислорода в нем около 25% (мас.), а затем его в таком виде смешивают с сажей и нагревают в атмосфере азота при давлении 105 Па до температур 1600-2000°С. При такой сложной двухстадийной технологии функции оксинитридов титана не являются самостоятельными.

Наиболее близким является способ получения оксинитридов титана сжиганием (горением) крупнодисперсных промышленных порошков титана в присутствии двуокиси титана в атмосфере воздуха, что является частным случаем процесса СВС. (Ю.И.Строкова, А.А.Громов, В.И.Верещагин. Получение керамических порошков на основе нитрида титана при горении промышленного порошка титана в воздухе. Новые огнеупоры, № 6, 2008; ПРЕПАРАТ «АСМ-34Т», Временные технические условия на порошкообразный азотсодержащий материал на основе нитридов элементов III-IV групп, ОКП 25714, УДК 541.16: 182 Г 06, Томск, 2006). В составе Технических условий обозначен препарат «АСМ-34Т (Т) - немеханическая смесь нитрида титана (более 60%) с оксидом титана (менее 30%) и металлическим титаном (менее 10% мас.).

Недостатком способа является наличие в готовом продукте несгоревшего металлического титана и присутствие в качестве самостоятельной фазы двуокиси титана, т.е. не обеспечивается необходимое гомогенное состояние оксинитридов титана.

Добавим, что все имеющиеся способы получения оксинитридов титана предусматривают использование в качестве исходных материалов порошков чистого титана и его окислов, что удорожает стоимость конечного продукта.

Следует отметить также, что на сегодняшний день классический вариант технологии самораспространяющегося синтеза (СВС) - сжигание (горение) материалов в реакторе при давлении азота целевым назначением для получения оксинитридов титана (материалов на их основе) не используется (Е.А.Левашов, А.С.Рогачев, В.И.Юхвид, И.П. Боровинская. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М., «Изд-во БИНОМ», 1999, с.12).

В настоящем изобретении поставлена задача минимизировать отмеченные недостатки известных технических решений и при сокращении материальных и энергетических затрат создать простой эффективный промышленный способ получения гомогенного слитка с содержанием 85-95% оксинитрида титана, обладающего областью составов Ti N 0,35-0,7 О 0,4-0,6, которая обеспечивает требуемое качество с высокими потребительскими свойствами.

Поставленная задача решается в способе получения слитков на основе оксинитридов титана состава Ti N0,35-0,7 O0,4-0,6, который включает сжигание титансодержащей шихты в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в атмосфере азота под давлением 40-150 атм. В качестве титансодержащей шихты используют отход титанового производства в виде измельченного шлака огневого реза титана и его сплавов фракции минус 0,5 мм, содержащего титан, азот, кислород и механические примеси окислов титана. При использовании шлака огневого реза титана и его сплавов, содержащего более 5 вес.% механических примесей окислов титана, в шихту дополнительно вводят стружку титана или его сплавов, или порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана.

Шлак огневого реза титана и его сплавов образуется в качестве отхода при технологических операциях разделки заготовок титана и его сплавов газовыми горелками. Он представляет из себя металлизированную часть, которая при резке насыщается азотом до 2-4% и кислородом до 6-8% с прилипшими к этой части образующимися окислами титана. Количество чисто окисной составляющей в таких отходах может доходить по весу до 10-15%.

Шлак огневого реза титана и его сплавов перед помещением в реактор СВС измельчают до фракции минус 0,5 мм, поскольку более крупные фракции плохо зажигаются и должного распространения волны горения не происходит.

Давление азота в камере поддерживают в пределах 40-150 атм, исходя из того, что при более низком давлении шихта практически не горит. Давление азота более 150 атм нецелесообразно применять исходя из штатных особенностей по безопасности конструкции промышленных реакторов СВС.

При наличии в шлаке огневого реза титана и его сплавов механических примесей (прилипших) окислов титана более 5%, для повышения термичности процесса СВС в шихту вводят мелкую стружку титана и его сплавов, либо порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана в шихте. Указанное количество компенсирующих добавок выбрано в том числе исходя из соотношения атомных долей титана и кислорода для получения требуемой области составов оксинитридов титана.

Следует отметить, что в номенклатуре титана и титановых сплавов имеются марки, содержащие ванадий, алюминий, молибден, цирконий, ниобий. Поэтому в массе шлака огневого реза наряду с титаном могут присутствовать по отдельности или в сочетаниях ванадий - до 4%, алюминий - до 4%, молибден - до 2%, ниобий - до 0.5%, цирконий - до 0,5%. Однако все указанные элементы способны также образовывать и нитриды и оксинитриды с высокими свойствами. Их присутствие не ухудшит конечные свойства получаемого продукта.

Примеры осуществления процесса

В экспериментах использовался шлак огневого реза титана и его сплавов двух типов: шлак I - металлизированный с количеством механических примесей окислов титана 3,5%, который содержал, вес.%: азот - 3,8; кислород - 8,0; ванадий - 3,6; алюминий - 3,8, молибден - 1,4; ниобий - 0.3; остальное - титан и шлак II с количеством прилипших механических примесей окислов титана около 10% (вес.). В последнем случае количество кислорода в шихте составило 13,3%.

Режим горения указанных материалов в атмосфере азота осуществляли в опытно-промышленном реакторе СВ-25. Материалы измельчали, засыпали в контейнер и после достижения выбранного давления азота поджигали термитной смесью на основе алюминия. Вес шихты составлял 5-8 кг. Результаты опытов по выбору оптимальных параметров приведены ниже:

НомерТип КрупностьДавление Характер процесса
варианта шлакаразмола, мм азота, атмспособ получения неорганического материала на основе оксинитридов   титана, патент № 2518363
1, 1а I-180 и 120 Горения нет или неравномерное
2I-0.5 80Горение прошло полностью
3I -0,530Горения нет
4I -0,540Горение прошло полностью
5 I-0,5120 Горение прошло полностью
6*II-0,5 120Прогорела восьмая часть высоты
способ получения неорганического материала на основе оксинитридов   титана, патент № 2518363 способ получения неорганического материала на основе оксинитридов   титана, патент № 2518363 способ получения неорганического материала на основе оксинитридов   титана, патент № 2518363 способ получения неорганического материала на основе оксинитридов   титана, патент № 2518363 шихты
7**II-0,5 150Прогорела четверть высоты шихты
8*** II-0,5150 Горение прошло полностью

* без добавок мелкой титановой стружки или порошка титана.

** с добавкой в шихту мелкой титановой стружки в количестве 0,3 доли от количества избыточных механических примесей окислов титана в материале (сверх 5%).

*** с добавкой в шихту мелкой титановой стружки в количестве 0,5 долей от количества избыточных механических примесей окислов титана в материале (сверх 5%).

Состав полученной оксинитридной фазы:

Номер варианта Содержание, вес.%Формула TiNzOу
Ti NOz yz+y
266,510,45 10,520,54 0,471,01
471,77,32 10,420,35 0,430,78
469,411,38 9,060,56 0,390,95
564,912,0 11,170,63 0,521,15
8***65,39,39 10,450,49 0,480,97
8***65,011,78 10,670,62 0,491,11

Неорганический материал на основе оксинитридов титана, полученный в оптимальных условиях, представляют из себя слитки (спеки) желтого цвета, характерного для оксинитридов титана (см. фото), имеет высокую микротвердость 19000 МПа.

Количество оксинитридной фазы титана в материале в данных экспериментах составило 85-90%. Остальное - ванадий, алюминий, молибден, ниобий, входящие в твердый раствор продукта. При ином сочетании отходов титана и его сплавов сумма указанных дополнительных элементов может быть меньше, что имеет место на практике. В этом случае возможно увеличение оксинитридной фазы титана в материале до 95%.

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают, что переработка шлака огневого реза титана и его сплавов в режиме горения при давлении азота в реакторе СВС позволяет получать неорганический материал на основе оксинитридов титана с областью составов, характеризующейся по данным приведенных выше источников информации сочетанием высоких благоприятных свойств для их широкого применения в промышленности.

Постоянное наличие шлака огневого реза титана и его сплавов как отхода и имеющиеся производственные мощности по СВС-технологиям дают возможности для организации малозатратной крупномасштабной промышленной технологии производства неорганического материала на основе оксинитридов титана с высокими качественными и потребительскими свойствами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Cпособ получения слитков на основе оксинитридов титана состава TiN0,35-0,7O0,4-0,6, включающий сжигание титансодержащей шихты, отличающийся тем, что в качестве титансодержащей шихты используют отход титанового производства в виде измельченного шлака огневого реза титана и его сплавов фракции минус 0,5 мм, содержащего титан, азот, кислород и механические примеси окислов титана, при этом сжигание шихты проводят в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в атмосфере азота под давлением 40-150 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют шлак огневого реза титана и его сплавов, содержащий более 5 вес.% механических примесей окислов титана, при этом в шихту дополнительно вводят стружку титана или его сплавов или порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана в шихте.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2518363

patent-2518363.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C01G23/00 Соединения титана

Патенты РФ в классе C01G23/00:
способ получения наноразмерных порошков титаната лития -  патент 2528839 (20.09.2014)
смазочная композиция -  патент 2525238 (10.08.2014)
антифрикционная смазка -  патент 2524267 (27.07.2014)
способ приготовления титаноксидного фотокатализатора, активного в видимой области спектра -  патент 2520100 (20.06.2014)
способ получения титаната лития -  патент 2519840 (20.06.2014)
обогащенный титаном остаток ильменита, его применение и способ получения титанового пигмента -  патент 2518860 (10.06.2014)
фотокаталитические композиционные материалы, содержащие титан и известняк без диоксида титана -  патент 2516536 (20.05.2014)
способ получения частиц диоксида титана -  патент 2515449 (10.05.2014)
ферромагнитный полупроводниковый материал -  патент 2515426 (10.05.2014)
дисперсия частиц оксида титана со структурой рутила, способ ее получения и ее применение -  патент 2513423 (20.04.2014)

Класс C22B7/04 переработка шлака 

Патенты РФ в классе C22B7/04:
способ переработки титановых шлаков -  патент 2522876 (20.07.2014)
способ переработки алюминиевого шлака -  патент 2518805 (10.06.2014)
способ извлечения металлов из силикатных шлаков -  патент 2515735 (20.05.2014)
способ получения пентаоксида ванадия из ванадийсодержащего шлака. -  патент 2515154 (10.05.2014)
способ переработки отвальных конверторных шлаков предприятий по производству никеля с получением никелевого полуфабриката, пригодного для производства сталей 20хн2м и 20н2м -  патент 2514750 (10.05.2014)
способ переработки высокоглиноземистых шлаков алюмотермического производства ферросплавов -  патент 2511556 (10.04.2014)
способ извлечения никеля и кобальта из отвальных конверторных шлаков комбинатов, производящих никель -  патент 2499064 (20.11.2013)
устройство для сжатия горячего шлака цветного металла -  патент 2494157 (27.09.2013)
способ переработки солевых алюмосодержащих шлаков с получением покровных флюсов и алюминиевых сплавов-раскислителей -  патент 2491359 (27.08.2013)
способ обработки отвального солевого шлака при переплаве вторичных отходов алюминия и алюминиевых сплавов -  патент 2487180 (10.07.2013)

Наверх