СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING NANOPOWDER USING LOW-PRESSURE TRANSFORMER-TYPE INDUCTION CHARGE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к плазмохимической промышленности, в том числе к плазмохимическому синтезу с использованием индукционных разрядов трансформаторного типа низкого давления, позволяющему получать порошки вольфрама, молибдена, ванадия, кремния, алюминия, серебра и других веществ с размерами не более 80 нм, пригодные для использования в различных областях промышленности и техники.
Проблема получения нанопорошков веществ и их соединений решается в мировой практике самыми разнообразными методами (раздельно и в комбинациях). Плазмохимический метод получения нанопорошков имеет преимущества перед другими способами по высокой производительности и возможности получать очень широкий спектр материалов, причем таких, которые по-другому получить просто нельзя, в частности тугоплавкие металлы и соединения (в том числе твердые сплавы).
В настоящее время для получения нанопорошков в плазме индукционного разряда используют безэлектродные ВЧ или СВЧ-плазмотроны.
Известны способ и установка для получения нанопорошков оксидов металлов [Патент US 6994837, 25.02.2003, МПК С01G 23/047; B01J 23/00; C01G 25/02; C01G 27/02]. Установка включает плазменный реактор и фильтр. Плазменный реактор включает ВЧ-плазмотрон, камеру реактора, состоящую из вертикальной цилиндрической секции и суживающейся секции, предназначенной для сбора синтезированного нанопорошка оксида металла. Рабочий газ и металлический порошок подаются в камеру плазмотрона через два разных входа. В струе плазмы создается температура, при которой происходит реакция с образованием наноразмерных частиц оксида металла, которые затем быстро охлаждаются в зоне охлаждения продуктов реакции путем подачи охлаждающего газа (воздух, кислород, азот) через множество плоских сопел, расположенных в одной плоскости ниже верхней кромки вертикальной цилиндрической секции камеры реактора.
Достоинствами указанного изобретения являются использование минимальной мощности разряда формирования индукционной плазмы 30 кВт и минимально возможной частоты 3 МГц; создание интенсивной турбулизации 20-30% в зоне закалки продуктов реакции за счет особенностей организации вдува потока газа.
К недостаткам можно отнести то, что изобретение предназначено для производства ограниченного ряда нанопорошков, а именно нанопорошков оксидов металлов.
Основным недостатком установок с ВЧ-индукционными плазмотронами является то, что требуется применение дорогостоящих высокочастотных источников питания, а также защитных экранов, так как генерация разряда осуществляется при частоте тока мегагерцевого диапазона.
Известна установка для получения нанодисперсных порошков [Патент РФ 2311225, 05.04.2006, МПК B01J 19/00], состоящая из связанных между собой плазмотрона, узла ввода газообразного, жидкого или порошкообразного сырья, реактора, фильтра и узла очистки отходящих газов. Реактор имеет определенные соотношения геометрических размеров, связывающие выходной диаметр сопла плазмотрона, диаметр и длину реактора. Ввод сырья вынесен за пределы канала истечения плазмы в реактор. Поверхности реактора, на которых осаждается получаемый нанопорошок, имеют специальные очистители для удаления нанопорошка. Удаление отложений нанопорошка с разных поверхностей реактора осуществляется в разные сборники, исключая тем самым возможность попадания спеков порошка. В установке может быть использован дуговой, ВЧ, СВЧ-генератор или их комбинация.
Установка позволяет получать широкий круг нанопорошков элементов и их соединений из различных видов сырья, без зарастания плазменного реактора спекающимся нанопорошком, а также без загрязнения нанопорошка грубодисперсными включениями спеков. Предложенная конструкция реактора позволяет повысить температуру плазмы для осуществления процессов, требующих высокой температуры их осуществления, не допуская при этом спекания получаемых нанопорошков.
Основным недостатком СВЧ-плазмотрона является относительно невысокий срок службы магнетрона, несколько тысяч часов.
К общим недостаткам установок с СВЧ и ВЧ-плазмотронами следует отнести образование на нагреваемых кварцевых стенках камер плазмотронов, а также стенках реакционных камер спеков нанопорошка, нарушающих установленный режим работы аппаратуры. Это приводит к снижению выхода целевого нанопорошка и его загрязнению крупнодисперсными включениями. Дополнительные устройства очистки стенок от спеков существенно усложняют конструкцию, увеличивают энергоемкость установок. К недостаткам относится необходимость применения дорогостоящих высокочастотных источников питания. При использовании ВЧ и СВЧ-плазмотронов необходимо устанавливать защитные экраны, поглощающие микроволновое излучение, т.к. генерация разряда осуществляется при частоте тока в мегагерцевом и гигагерцевом диапазонах соответственно, что также усложняет конструкцию.
ВЧ и СВЧ-плазмотроны работают при давлении ниже атмосферного, при температуре плазмы не более 6000-8000°С, в них невозможно работать с газами, требующими высокой напряженности электрического поля для поддержания разряда, что существенно сужает их возможности, в частности в установках с указанного вида плазмотронами невозможно получать нанопорошки различных тугоплавкие металлов, соединений и наноструктурных твердых сплавов, невозможно получать плазму любых молекулярных газов, в том числе агрессивных, таких как хлор, фтор, кислород.
Безэлектродные плазмотроны, работающие по принципу низкочастного индукционного разряда трансформаторного типа, могут быть с успехом использованы в плазмохимической промышленности для синтеза нанопорошков, взамен ВЧ и СВЧ-плазмотронов [I.M. Ulanov, M.V. Isupov and A Yu Litvinsev. Experimental study of transformer-coupled toroidal discharge in mercury vapour. J.Phys. D.: Appl. Phys. 40 (2007) 4561-4567, И.М.Уланов, А.Ю.Литвинцев, П.А.Мищенко, С.В.Кротов. Трансформаторный плазмотрон мощностью 50 кВт с частотой тока 100 кГц. Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции Физика Низкотемпературной Плазмы-2007. Петрозаводск. 2007. Т.1. С.240-245].
Известно небольшое количество трансформаторных плазмотронов различной конструкции, описанных в патентах [А.с. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2094961, 1989, Н05В 7/18, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2056702, 1990, Н05В 7/18, RU 2093459, 1995, С01В 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10] и научно-технической литературе [Уланов И.М. Исследование возможности создания плазмотронов трансформаторного типа. ТВТ, т.31, №4, 1993, I.M.Ulanov. 200-KW transformer Plasmachemical reactor. Int. Congress "Electromagn. Processing of material" Paris, May, 1997, Уланов и др.]. Отличительной особенностью индукционных разрядов трансформаторного типа является килогерцевый диапазон генерации разряда. Благодаря этому существенно удешевляется конструкция источника питания, упрощается задача согласования источника питания и нагрузки (разряда), уменьшается уровень электромагнитных помех. Срок службы трансформаторного плазмотрона составляет десятки тысяч часов, при этом с помощью трансформаторного плазмотрона может быть получена плазма любых молекулярных газов, в том числе и агрессивных газов (хлор, фтор, кислород).
Известен трансформаторный плазмотрон [Патент РФ RU2094961, 1989, МПК Н05В 7/18], содержащий магнитопровод с первичной обмоткой и охватывающую магнитопровод замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру, выполненную из электроизолированных одна от другой металлических секций, с узлами ввода газа и вывода плазмы, расположенными на противоположных участках камеры. Узел ввода газа снабжен завихрителем для вихревой стабилизациии дуги, а магнитопровод имеет первичную обмотку, состоящую из нескольких витков обычного проводника.
В данном плазмотроне за счет особенностей конструкции достигается получение устойчивого разряда в среде инертных и молекулярных газов при давлениях вплоть до атмосферного, снижение удельного расхода энергии и повышение производительности.
В известных трансформаторных плазмотронах максимальная величина напряженности электрического поля ограничена, так как между отдельными металлическими секциями камеры плазмотрона могут возникать электрические пробои.
В качестве прототипа выбрано изобретение «Установка и способ получения нанодисперсных порошков в плазме СВЧ-разряда» [Патент РФ №2252817, 23.12.2003, МПК B01J 19/08, B01J 19/12, Н05В 6/80, Н05Н 1/24, B22F 9/14]. Установка содержит технологически связанные между собой микроволновый генератор, СВЧ-плазмотрон, формирователь газового потока, разрядную камеру, поглотитель микроволнового излучения, реакционную камеру, теплообменник, фильтр-сборник целевого продукта, устройство для ввода исходных реагентов в порошкообразном или парообразном состоянии. Установка дополнительно содержит устройство для ввода в реакционную камеру исходных реагентов в жидкокапельном состоянии, содержащее связанные между собой дозатор в виде цилиндра, поршень с зубчато-винтовым механизмом электрического привода, регулирующие скорость движения поршня, испарительную камеру с термостатируемым корпусом для регулирования температуры внутри камеры, которая соединена с узлом ввода реагентов в парообразном состоянии и с узлом ввода реагентов в жидкокапельном состоянии, узел ввода выполнен с 6-12 отверстиями, открывающимися в объем реакционной камеры под углом 45-60° к оси камеры, состоящей по меньшей мере из двух секций, первая из которых верхним фланцем подсоединена к узлам ввода реагентов, к разрядной камере, плазмотрону, с установленным между ним и генератором СВЧ-вентилем, а нижним фланцем через последующие секции подсоединена к теплообменнику, при этом реакционная камера содержит вращаемую электродвигателем внутреннюю водоохлаждаемую вставку и расположенный вдоль нее металлический скребок для срезания отложений порошка целевого продукта, образующегося на стенках реакционной камеры, а теплообменник выполнен из двух водоохлаждаемых коаксиальных цилиндров, оси которых перпендикулярны оси реакционной камеры и установлены с зазором для прохождения охлаждаемого потока и расположенным в зазоре ножом, вращающимся вокруг оси цилиндров и очищающим рабочие поверхности цилиндров от обрастания порошком, фильтр-сборник порошка, содержащий внутри фильтрующий рукав из химически и термически стойкого материала, на котором происходит осаждение порошка целевого продукта из газового потока, в верхней части подсоединен фланцем к теплообменнику, а в нижней части фильтр снабжен устройством для периодической очистки материала путем его деформирования и устройством с клапаном для герметизации внутреннего объема фильтра.
Достоинства заключаются в универсальности указанной установки, повышении производительности, увеличении длительности непрерывной работы, а также в повышении выхода нанодисперсного порошка и расширении технологических возможностей способа.
Недостатком является невозможность увеличения температуры плазмы, что обусловлено конструктивными особенностями реактора, а именно тем, что диаметр канала плазмотрона практически не отличается от диаметра реактора. При повышении температуры плазмы будет возрастать температура слоя осаждающегося нанопорошка. Это будет приводить к спеканию нанопорошка и потере требуемых свойств. Использование технически сложного решения очистки стенок реактора от осаждающегося нанопорошка за счет вращения внутренней водоохлаждаемой вставки относительно неподвижного скребка обеспечивает непрерывность работы установки, однако усложняет конструкцию установки, увеличивает ее энергоемкость. Этой установке также присущи все недостатки, связанные с использованием СВЧ-плазмотронов.
Способ получения нанодисперсных порошков в плазме СВЧ-разряда с использованием указанной установки включает введение исходных реагентов в поток плазмообразующего газа реакционной камеры, плазмохимический синтез реагентов, охлаждение целевого продукта и его выделение из реакционной зоны через фильтр-сборник, при этом исходные реагенты вводят в поток плазмообразующего газа, имеющего среднемассовую температуру 1200-3200 К, в любом агрегатном состоянии: парообразном, порошкообразном, жидкокапельном или в любой их комбинации, реагенты в порошкообразном состоянии вводят в виде аэрозоля с газом-носителем в реакционную камеру через узел ввода с отверстием, открывающимся в объем реакционной камеры под углом 45-60° к оси камеры, реагенты в жидкокапельном или парообразном состоянии вводят в реакционную камеру через узлы ввода, в виде кольцевых коллекторов, последний из которых выполнен с 6-12 отверстиями, открывающимися в объем реакционной камеры под углом 45-60° к оси камеры, каждое из которых обдувается спутным потоком газа через коаксиальные каналы вокруг отверстий, при расходе исходных реагентов, плазмообразующего газа, удельной мощности микроволнового излучения, длины реакционной зоны, позволяющих получать композиционные системы и индивидуальные вещества с заданными свойствами, химическим, фазовым составом и дисперсностью.
Способ позволяет получать нанопорошок ряда веществ с заданными свойствами, химическим, фазовым составом, дисперсностью.
К недостаткам при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве отсутствуют технологические приемы и режимные условия, например максимально возможная температура плазмы не более 6000-8000°С, невозможность работать при высоких напряженностях электрического поля, получать плазму любых молекулярных газов, в том числе и агрессивных газов (хлор, фтор, кислород), обеспечивающие более эффективный способ получения нанопрошков широкого ряда веществ, включая тугоплавкие металлы, соединения и наноструктурные твердые сплавы, с минимальными затратами в процессе эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка эффективного способа получения широкого ряда нанопорошков металлов (вольфрама, молибдена, ванадия, алюминия, серебра и др.) и других веществ, в частности кремния, из порошкообразного сырья с использованием индукционных разрядов трансформаторного типа низкого давления и установки для его реализации.
Поставленную задачу решают путем проведения плазмохимических реакций в индукционном разряде трансформаторного типа низкого давления, который создают в плазмотроне трансформаторного типа.
Использование известного в технике плазмотрона трансформаторного типа для решения упомянутой задачи позволяет получать высококачественные нанопорошки значительно более широкого ряда веществ и их соединений, при этом производительность возрастает в два раза и более, а себестоимость получаемых нанопорошков значительно снижается.
Проблему непрерывности работы установки и качества целевого продукта решают путем наложения водоохлаждаемых металлических конструкций (не показано) на камеру плазмотрона и камеру охлаждения газов, что позволяет полностью исключить возможность образования на стенках камер спеков порошка.
Предлагаемый способ позволяет получать нанопорошки высокого качества, экономичен с точки зрения энергозатрат, непрерывен, одностадиен, высокопроизводителен. Предлагаемая установка отличается простотой конструкции, безопасностью использования, высоким ресурсом работы.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что проведение плазмохимических реакций осуществляется непосредственно в индукционном разряде трансформаторного типа низкого давления при более эффективных режимных условиях. Установка имеет конструктивные отличия.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что исходное сырье в виде порошка с размерами частиц микронного диапазона подают непосредственно в разряд, плазмохимический синтез нанопорошка осуществляют в индукционном разряде трансформаторного типа при давлении 10-200 Па, частоте разряда 100-400 кГц и температуре 3000-5000°С. Подача исходного сырья непосредственно в разряд и заданная длительность его пребывания в разряде позволяют значительно увеличить скорость реакции и производительность устройства.
При поиске совокупности признаков, тождественных всем признакам заявленного изобретения, в приведенных выше аналогах и других источниках патентной и научно-технической литературы соответствий не обнаружено, что подтверждает соответствие данного изобретения критерию "новизна".
Достигаемый технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении технологических возможностей способа производства нанопорошков в индукционном разряде трансформаторного типа низкого давления, в создании установки непрерывного действия, позволяющей указанным способом получать высококачественные нанопрошки широкого ряда веществ, включая тугоплавкие металлы, соединения и наноструктурные твердые сплавы, с минимальными затратами в процессе эксплуатации, имеющей высокую производительность при низкой себестоимости получаемых нанопорошков.
Способ осуществляют путем выполнения ряда последовательных операций. Предварительно в камеру плазмотрона подают плазмообразующий газ, осуществляют разряд при давлении от 1-10 Па в зависимости от газа. Введение исходных реагентов в твердом состоянии осуществляют непосредственно в разряд, где при пониженном давлении 10-200 Па, частоте разряда 100-400 кГц и температуре 3000-5000°С осуществляют плазмохимический синтез нанопорошка. Введение исходного сырья непосредственно в разряд и заданная длительность его пребывания в разряде позволяют существенно увеличить скорость реакции и производительность. Для осуществления вышеуказанного способа получения нанопорошков используют установку непрерывного действия, включающую технологически связанные между собой трансформаторный плазмотрон с узлом ввода плазмообразующего газа, узлами ввода исходного сырья и узлами вывода плазмы, камеру охлаждения газов, рукавный фильтр и бункер сбора целевого продукта. Применение трансформаторного плазмотрона в установке позволяет использовать эффективные режимные условия заявляемого способа, существенно упростить конструкцию установки.
Предлагаемая установка для получения нанопорошков с использованием индукционных разрядов трансформаторного типа низкого давления проиллюстрирована на чертеже, где все элементы показаны схематично и в произвольном масштабе.
Установка включает источник питания 1 (100-400 кГц), трансформаторный плазмотрон, состоящий из водоохлаждаемых секций газоразрядной камеры 3, системы ферритовых магнитопроводов с первичными обмотками 2, узла ввода плазмообразующего газа 7, оснащенного завихрителем потока, узлов ввода исходного сырья 8, а также узлов ввода плазмообразующего газа 9 и вывода плазмы 10 в камеру охлаждения газов 4, представляющую собой вертикально расположенный цилиндр, верхний конец которого закрывают крышкой с узлами вывода плазмы, к нижнему концу крепится конусообразный бункер для сбора синтезированного нанопорошка 6 и рукавный фильтр 5, в котором происходит осаждение порошка целевого продукта из газового потока в бункер сбора целевого порошка 6.
Установка работает следующим образом.
В камеру плазмотрона 3 подают плазмообразующий газ (аргон или другой инертный газ), осуществление разряда и получение плазмы происходят в разрядной камере плазмотрона 3 при давлении от 1-10 Па в зависимости от газа, затем давление в разрядной камере устанавливают равным 10-200 Па и через узлы ввода сырья 8 вводят непосредственно в разряд исходное сырье в виде мелкодисперсного порошка с размером частиц микронного диапазона. Плазмохимическую реакцию осуществляют непосредственно в разряде камеры плазмотрона 3. Часть продукта оседает в сборник 6 камеры охлаждения газов. Выделение другой части продукта осуществляют через рукавный фильтр 5 путем обратной продувки фильтра в сборник продукта 6.