Аннотация
Методом зондовой диагностики проведено изучение особенностей восстановления и карбидизации диоксида циркония природным газом в плазменном азотно-водородном потоке. Оно включает в себя исследование температурной зависимости составов конденсированных и газообразных продуктов карбидообразования, состава, размера и морфологии наночастиц карбида циркония, масс-спектров продуктов, десорбированных с их поверхности при вакуумтермической обработке. Плазмосинтез проводили в трехструйном прямоточном вертикальном реакторе мощностью 150 кВт, футерованном изнутри вставками из диоксида циркония с внутренним диаметром 0,054 м. Расход азота составлял 32,5 кг/ч, удельная электрическая мощность в зоне испарения – 2140 МДж/кг, начальная среднемассовая температура потока – 5400 К, среднемассовая температура на входе потока в закалочно-осадительную камеру – 4000 – 2000 К, массовая расходная концентрация диоксида циркония – 0,1 кг/кг азота. Анализ результатов исследования свидетельствует о присутствии в азотно-водородном потоке газообразных азот-углеродных и углеводородных соединений. При этом характер изменения температурной зависимости концентрации цианистых соединений подтверждает их участие в карбидообразовании. В масс-спектрах продуктов вакуумной термодесорбции образцов карбида циркония обнаружены компоненты с молекулярными массами 13, 14, 15 и 26, 27, предположительно соответствующие СН, СН2, СН3, С2Н6, СN и HCN. Полученные результаты позволяют сформировать представления о карбидообразовании в условиях турбулентной реакционной химически активной смеси как о процессе. Последний включает следующие три стадии, реализуемые в пространственно-разделенных зонах потока: формирование реакционной смеси заданного состава при пиролизе, испарении и газификации углерода в цианистые соединения при температуре 5400 – 4000 К, образование нанокристаллических частиц карбида циркония при взаимодействии в газовой фазе паров циркония и циана при температуре 4000 – 2500 К, их азотирование и поверхностное насыщение технологическими газами и газообразными продуктами карбидообразования при температуре 2500 – 2000 К.
Ключевые слова
Диоксид циркония, природный газ, плазмосинтез, карбид циркония, механизм карбидообразования «пар-кристалл», диффузионная карбидизация.
1. Григорьев О.Н. Керамика и керметы на основе тугоплавких бескислородных соединений // Порошковая металлургия. 2012. №11/12. С. 100 – 116.
2. Колмаков А.Г., Борисов С.М., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит, 2012. 208 с.
3. Технологические решения в производстве карбида циркония: анализ, оценка состояния и перспектив / Т.И. Алексеева, Г.В. Галевский, В.В. Руднева, С.Г. Галевский // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2017. Т. 23. № 1. С. 256–270.
4. Mestvirishvili Z., Bairamachvili J., Kvadchadze V., Rekhviashvili. Thermal and mechanical properties of B4C – ZrB2 ceramic composite // Journal of Material Science and Engineering. 2015, no. 5( 9 -10), pp. 385–393.
5. О возможности изготовления керамики на основе тугоплавких бескислородных соединений в системах B4C – MeB2 (Me = Ti, V, Cr, Zr) / Т.С. Гудыма, Ю.Л. Крутский, Т.М. Крутская, М.В. Дубровская, А.А. Соломатина // Металлургия: технологии, инновации, качество: труды XXI Международной научно-практической конференции: в 2-х ч. Ч. 2. Изд. центр СибГИУ. Новокузнецк, 2019. С. 290–293.
6. Meier M. Anodes – From the Raw Materials to the Pot Performance. Switzerland: R 8 Carbon Ltd, 2019. 452 p.
7. Jingjing Xie, Zhengyi Fu, Yucheng Wang, Soo Wohn Lee, Koichi Niihara. Synthesis of nanosized zirconium carbide powders by a combinational method of sol–gel and pulse current heating // Journal of the European Ceramic Society. 2014, no. 34(1), pp. 131–137.
8. Dan Zhao, Changrui Zhan, Haifeng Hu, Yudi Zhang. Preparation and characterization of three-dimensional carbon fiber reinforced zirconium carbide composite by precursor infiltration and pyrolysis process // Ceramics International. 2011, no. 37(7), pp. 2089–2093.
9. Medri V., Monteverde F., Balbo A., Bellosi A. Comparison of ZrB2 – ZrC – SiC Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering and Hot-Pressing // Advanced Engineering Materials. 2005, no. 7(3), pp. 159–163.
10. Разработка научных и технологических основ плазмометаллургического производства карбида циркония / Алексеева Т.И., Галевский Г.В., Руднева В.В., Галевский С.Г. // Вестник ИрГТУ. 2018. Т. 22. № 7. С. 164 – 180.