634021, г. Томск, пр. Академический, 10/3
тел. (3822) 49-27-02, 49-24-71
факс (3822) 49-28-38

Новые технологии получения неорганических материалов

Отдел структурной макрокинетики Томского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (ОСМ ТНЦ СО РАН) – один из ведущих научных коллективов России, занимающийся фундаментальными и прикладными исследованиями самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). СВС неорганических соединений – энергосберегающий, быстропротекающий, безотходный процесс получения эффективных материалов, соединений, изделий различного назначения, подчас с особыми, уникальными свойствами. В основе этого метода лежат экзотермические реакции взаимодействия реагентов: металлов с металлами, металлов с неметаллами, неметаллов с неметаллами, а также участие в качестве исходных компонентов различных соединений. Развитие этого научного направления в Томске началось с 1974 года и первой организацией в Сибири, начавшей исследования в этой области, является Отдел структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН.

Преимуществами метода СВС по сравнению с традиционными методами получения неорганических соединений являются: использование более дешевой химической энергии вместо электрической, простых по конструкции и эксплуатации аппаратов, не имеющих нагревательных устройств, быстрого внутреннего саморазогрева вместо медленного нагрева через поверхность системы.

На базе фундаментальных исследований закономерностей СВС порошковых систем на минеральной основе (ильмени, кварц и др.) создана технология получения пористых композиционных материалов. Путем подбора рецептуры шихты, температуры, теплового эффекта реакции, внешних условий продукты СВС-синтеза формируют в виде пористого связанного каркаса, как с изотропной, так и анизотропной структурой, обладающей переменной сквозной пористостью, близкой к пористости исходной шихты. Такие изделия – керамические и металлокерамические фильтрующие трубы – используются в качестве фильтров для очистки водяного пара, воздуха, технологических газов, газовых выбросов, воды, растворов кислот и щелочей, для отделения влаги и механических примесей в нефтепродуктах и смазывающе-охлаждающих жидкостях, в качестве аэрирующих элементов при биологическом методе очистки сточных вод, в качестве фильтров питьевой воды, а также конверторов химической энергии для газовых горелок. Существенным достоинством фильтрующих труб являются их большая механическая прочность, высокая электропроводность, повышенная стойкость к действию высоких температур, способность работать в агрессивных средах. Это обеспечивает их многоцелевое применение, а многократная регенерация дает возможность эксплуатировать их в течение длительного времени, что позволяет реализовать не только технические, но и экономические преимущества созданных изделий. Установленные на технологических аппаратах одного из крупнейших химических предприятий Сибири АО «Саянскхимпром» фильтрующие трубы эксплуатируются в течение 8 лет и заменяют стандартные керамические фильтры германского производства. Применительно к требованиям производства конфигурация и габариты пористых элементов могут быть различными. С использованием новых пористых керамических труб возможен серийный выпуск простых, недорогих и малогабаритных станций очистки и обеззараживания питьевой воды из природных источников для хозяйственно-питьевого водоснабжения предприятий, малых поселков. Производительность установки 0.1-500 м³/час.

Создана технология получения азотированных ферросплавов с максимальным содержанием азота (8-30%), основанная не на обменных реакциях кислородсодержащих соединений, как в классической металлургии, а за счет реакции синтеза с использованием тепла экзотермической реакции образования нитридов. Получаемые продукты используют в качестве легирующих и модифицирующих сплавов, в качестве исходных материалов для выделения однофазных нитридов, в качестве материалов для сварочных и наплавочных электродов и нанесения твердых покрытий. По новой технологии возможно азотирование всех видов традиционных ферросплавов используемых для легирования сталей азотом, но для каждого из них подобраны свои оптимальные условия синтеза. Азотированный феррохром (13-15% N) и хром (18-20% N) используются для легирования высокохромистых нержавеющих сталей, азотированный марганец (8-10% N) и феррованадий (9-12% N) – при выплавке низколегированных высокопрочных сталей, азотированный ферросилиций (25-30% N) предназначен для легирования электротехнических и других марок сталей, содержащих кремний. Использование горения для получения азотсодержащих добавок для стали позволяет получать такие композиции, которые другими способами невозможно получить, либо их получение сопряжено с большими технологическими трудностями, потреблением огромного количества электроэнергии (при производстве в печах расход на электроэнергии на получение 1 тонны азотсодержащей лигатуры составляет 5 000-10 000 кВт). Расход электроэнергии при производстве лигатур СВС-методом составляет всего 0.1 кВт/тонну. Сплавы, полученные по СВС-технологии, содержат азота в 2-3 раза больше, чем в аналогах, что позволяет в несколько раз снизить расход лигатуры при выплавке стали.
Высокое содержание азота в СВС-ферросплавах позволяет выделить из них в достаточных количествах нитриды основных элементов. Из азотированного феррониобия после растворения его в соляной кислоте выделяют мононитрид ниобия d-NbN (куб.), из азотированного ферросилиция – а-и-b-Si3N4, из азотированного феррохрома – CrN. Полученные порошки имеют размер частиц менее 1 мкм.

Технология СВС-азотирования ферросплавов запатентована в 9 странах и внедрена на Ключевском заводе ферросплавов, Чусовском металлургическом заводе, АО «Ижсталь», где выпускаются уже сотни тонн азотированных ферросплавов. Собственное опытное производство позволяет производить до 5 тонн легирующих сплавов в месяц.

Разработана также технология получения резистивных паст на основе СВС-боридов и силицидов Mo, Cr, Ta, Fe, Mn, которые используются для создания многослойных пленочных композиционных нагревательных элементов и устройств (МКНЭ). (МПНЭ) относятся к новому поколению устройств, имеют повышенные КПД, комфортность, надежность и безопасность эксплуатации. Они представляют собой композиционную пленку из связующего и электропроводной керамики на основе тугоплавких химических соединений толщиной 100-200 мкм, нанесенную на металл, керамику, ситалл, стекло, природный и искусственный камень. Возможно изготовление МПНЭ практически любой формы и габаритов: от единиц сантиметров до десятков метров. Диапазон электрической мощности МКНЭ составляет 0.02-10 000 Вт, температура эксплуатации 1~500°С. По качеству обогрева помещений МПНЭ близок к традиционным системам водяного (парового) отопления. В сравнении с эксплуатацией известных проволочных ТЭНов для жидкостей нагрев с помощью МПНЭ позволяет снизить вероятность образования накипи, пригаров, нарушений химического состава среды. Благодаря высокому темпу теплообмена, МПНЭ обеспечивают большую скорость и равномерность прогрева воды и позволяют до 50% снизить нецелесообразные энергетические потери.

Нанесение композиционной пленки непосредственно на наружную электроизолированную поверхность трубопроводов, водогрейных баков и др. исключает необходимость введения нагревателя внутрь водной среды, что гарантирует отсутствие дополнительных загрязнений среды и повышает надежность системы электронагрева. Режим «мягкого нагрева» реализуется МПНЭ в простейшем конструктивном исполнении, что закладывает минимальные затраты на изготовление прибора. В настоящее время изучен рынок сбыта и изготавливается опытная партия изделий.

Продукция, полученная по СВС-технологии, была представлена на международных и российских выставках, удостоена медалей и дипломов.

На стадии лабораторных разработаны технологии получения порошков алюминидов Ni,  Ti для жаростойких защитных покрытий, композиционных порошков на основе боридов, карбидов, нитридов, катализаторов для эффективного сжигания природных топлив и в каталитических процессах гидрирования и гидрогенолиза химических производств, распыляемых геттеров на основе Zr-Al сплавов, захоронения радиоактивных отходов и др.