Способ получения порошкообразного диборида циркония
Владельцы патента RU 2309893:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский химический комбинат" (RU)
Изобретение относится к производству жаро- и радиационностойких материалов на основе циркония, в частности к производству его диборида. Способ может быть применен для получения диборида циркония, обогащенного одним из изотопов бора. Способ получения порошкообразного диборида циркония включает взаимодействие с водородом в плазменном водородсодержащем теплоносителе распыленного единого раствора тетрахлорида циркония и галогенида бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, с последующим выделением целевого продукта из пылегазовой смеси. Процесс осуществляют при следующем мольном соотношении компонентов: тетрахлорид циркония: галогенид бора: органический растворитель: водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85). Результат изобретения: обеспечение постоянства качества целевого продукта. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к производству жаро- и радиационностойких материалов на основе циркония, в частности к производству его диборида. Способ может быть применен для получения диборида циркония, обогащенного одним из изотопов бора.
Известен способ получения тонкоизмельченных порошков боридов, карбидов, силицидов, нитридов и сульфидов металлов III-V групп Периодической системы элементов путем смешения их газообразных соединений с газообразными источниками бора, углерода, кремния, азота или серы соответственно и водородом и инициированием взаимодействия путем нагрева смеси до температуры реагирования [Патент США №3979500, МКИ С01В 35/04, опубл. 07.09.1976].
Недостатками способа являются низкая скорость перемешивания реагентов в газовой фазе и возможность отложения твердых продуктов взаимодействия на поверхности внутренних стенок смесительной камеры и реактора.
Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является способ получения порошков боридов тугоплавких металлов [Патент США №4233277, МКИ СO1В 35/04, опубл. 11.11.1980]. Указанным способом получают бориды титана, циркония или гафния путем раздельного введения потоков хлорида выбранного металла и галогенида бора в поток водорода, нагретого в плазмотроне.
Недостатком прототипа является сложность обеспечения постоянства качества диборида циркония из-за сложности обеспечения постоянного соотношения вводимых во взаимодействие реагентов при их раздельной подаче в реактор.
Задачей изобретения является обеспечение постоянства качества целевого продукта.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения порошкообразного диборида циркония путем взаимодействия в плазменном водородсодержащем теплоносителе тетрахлорида циркония, галогенида бора и водорода с последующим выделением целевого продукта из пылегазовой смеси, взаимодействию с водородом подвергают распыленный единый раствор тетрахлорида циркония и галогенида, а именно трифторида или трихлорида бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол.
Процесс осуществляют при мольном соотношении компонентов тетрахлорид циркония: галогенид бора: органический растворитель: водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85).
Приготовление единого раствора галогенидов бора и циркония в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, и введение этого раствора в распыленном виде в поток водорода, нагретого в плазменном нагревателе, обеспечивает постоянство качества целевого продукта, обусловленное постоянством его химического состава, поскольку в растворах все компоненты распределены между собой однородно на молекулярном уровне.
Отклонения во взаимодействующей смеси соотношения реагентов в сторону снижения их содержания по отношению к тетрахлориду циркония приводит к снижению выхода диборида циркония.
Превышение содержания галогенида бора выше 2,60 молей на 1 моль тетрахлорида циркония приводит к его непроизводительным потерям из-за уноса с отходящими газами непрореагировавшего соединения бора.
Превышение содержания органического растворителя, выбранного из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, приводит к загрязнению целевого продукта углеродом.
Введение водорода в повышенном от заявляемых пределов количестве также приводит к снижению выхода целевого продукта и ухудшению его качества.
Способ осуществляется следующим образом.
Готовят единый раствор тетрахлорида циркония и галогенида (трифторида или трихлорида) бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, при заданном соотношении компонентов. Этот раствор подают с заданным расходом в плазмохимический реактор, в котором он через форсунки распыляется в поток смеси водорода с аргоном, нагретой до состояния низкотемпературной плазмы. При этом мольное соотношение всех взаимодействующих реагентов составляет: тетрахлорид циркония: галогенид бора: органический растворитель (выбранный из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол): водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85) соответственно. Образующуюся при взаимодействии пылегазовую смесь направляют в систему пылеулавливания для выделения диборида циркония. Выход его составляет 99,1-99,6% от теоретически возможного. Содержание в нем углерода и других примесей не превышает 0,6%. Размер частиц порошка не превышает 300 им. Отходящие газы, содержащие смесь метана, моноксида углерода, фтористого, хлористого и элементарного водорода, направляют на утилизацию.
В таблице приведены результаты опытов по получению порошкообразного диборида циркония с использованием заявляемых галогенидов бора и растворителей при различных соотношениях используемых компонентов.
| Таблица. | |||||
| № | Галогенид бора | Растворитель | Мольное соотношение: ZrCl2: BF3 (BCl3): растворитель: Н2 | Выход ZrB2, % от теоретич. | Содержание в ZrB2 примесей, % мас. |
| 1 | BCl3 | Тетрахлорметан | 1:2,12:12,1:64 | 99,6 | 0,4 |
| 2 | BCl3 | Тетрахлорметан | 1:2,55:14,0:80 | 99,5 | 0,5 |
| 3 | BF3 | Тетрахлорметан | 1:2,60:13,0:70 | 99,5 | 0,5 |
| 4 | BF3 | Тетрахлорметан | 1:2,56:13,6:76 | 99,1 | 0,6 |
| 5 | BCl3 | Метилендихлорид | 1:2,10:12,3:65 | 99,3 | 0,6 |
| 6 | BCl3 | Метилендихлорид | 1:2,50:13,8:74 | 99,5 | 0,5 |
| 7 | BF3 | Метилендихлорид | 1:2,13:12,0:60 | 99,1 | 0,6 |
| 8 | BF3 | Метилендихлорид | 1:2,46:14,0:81 | 99,4 | 0,6 |
| 9 | BCl3 | Дихлорэтан | 1:2,05:12,2:64 | 99,5 | 0,5 |
| 10 | BCl3 | Дихлорэтан | 1:2,52:13,6:82 | 99,4 | 0,4 |
| 11 | BF3 | Дихлорэтан | 1:2,12:12,4:67 | 99,2 | 0,6 |
| 12 | BF3 | Дихлорэтан | 1:2,48:12,1:80 | 99,5 | 0,5 |
| 13 | BCl3 | Монохлорбензол | 1:2,10:12,3:62 | 99,4 | 0,6 |
| 14 | BCl3 | Монохлорбензол | 1:2,05:12,1:85 | 99,5 | 0,5 |
| 15 | BF3 | Монохлорбензол | 1:2,20:12,1:63 | 99,1 | 0,1 |
| 16 | BF3 | Монохлорбензол | 1:2,56:13,9:84 | 99,3 | 0.6 |
| 17 | BCl3 | Анизол | 1:2,17:12,4:68 | 99,5 | 0,5 |
| 18 | BCl3 | Анизол | 1:2,54:13,0:85 | 99,5 | 0,5 |
| 19 | BF3 | Анизол | 1:2,05:12,2:65 | 99,5 | 0,5 |
| 20 | BF3 | Анизол | 1:2,58:13,9:82 | 99,6 | 0,4 |
В случае необходимости получения диборида циркония на основе одного из изотопов бора данный способ позволяет использовать промежуточный продукт технологического процесса разделения изотопов бора - раствор изотопнообогащенного трифторида бора в анизоле.
1. Способ получения порошкообразного диборида циркония путем взаимодействия в плазменном водородсодержащем теплоносителе тетрахлорида циркония, галогенида бора и водорода с последующим выделением целевого продукта из пылегазовой смеси, отличающийся тем, что взаимодействию с водородом подвергают распыленный единый раствор тетрахлорида циркония и галогенида бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс осуществляют при следующем мольном соотношении компонентов: тетрахлорид циркония : галогенид бора : органический растворитель : водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85).
