CN101353734A - 真空熔炼制备Li-B合金的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于冶金技术领域的一种真空熔炼制备Li－B合金的方法及装置。该装置为真空熔炼炉，在坩埚外侧设置控温热电偶，在熔炼炉中央位置处设置搅拌桨，在搅拌桨底端设置测温热电偶，在炉盖上表面设置入射光口和观察孔，抽真空和氩气通道设置在炉体侧面上端处，并在氩气通道相对位置处设置风冷设备。将Li和B粉放入铁坩埚里，以高真空气氛进行保护，加热到400℃，保持10min～2h，B粉在熔融Li中溶解完全时，通入Ar气进行保护，继续升温且加强搅拌，530℃时熔体凝固，合金完全凝固后，升温到650℃，随炉冷却，当400℃后进行空冷。本发明结构紧凑合理，工艺简单，使用安全，操作方便、生产高效，具有推广应用价值。

Description

真空熔炼制备Li-B合金的方法及装置

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种真空熔炼制备Li-B合金的方法及装置。

背景技术

Li-B合金作为一种新型的热电池阳极材料，较目前常用的Li-Al、Li-Si合金其性能参数有了较大的提高，但是由于Li和B的熔点相差大，分别为180.5℃和2300℃，所以不同于常规的Li-Al、Li-Si合金熔炼。制备Li-B合金的关键是严格控制330～350℃和530～550℃的放热速率，由于两个反应都是放热反应，如果不能控制温度，就会破坏锂硼多孔骨架结构，不能有效地吸收单质Li致使合金的电性能降低。正由于上述原因，大铸锭的Li-B合金制备是极其困难的，这也是目前制约它实际应用的主要原因。因此，在生产大铸锭时，设备和工艺等方面有待改进。

目前国内外Li-B合金制备一般都是采用惰性气体保护的手套箱，这种装置主要是针对实验室小批量样品合成而设计的，其存在主要问题有：(1)单一的温度控制。将测温热电偶置于搅拌桨中心，虽测温比较准确，但是无法进行温度的控制；而在坩埚壁处安装控温热电偶，则由于坩埚壁处和熔体的温度差别比较大，所以这种方法对温度的控制很不准确。(2)真空度的控制。由于手套箱只配备机械泵，所以在Li-B合金熔炼时真空度处于低真空状态，致使合金表面氧化，影响其性能参数。(3)搅拌速度和时间的控制。Li-B合金熔炼过程中搅拌是一个重要的环节，搅拌的速度和时间直接影响合金的性能参数。采用手套箱较难对搅拌参数进行控制，导致角落里的硼粉无法被搅拌或者硼粉聚集成团无法散开的现象。

Li-B合金制备成功与否关键在于对其反应过程中的温度及热量的控制，特别是第一次反应的控制。如果反应放热或温度控制不当，第一个温度区反应还未完全结束，就上升到第二个温度区，会使得第一个阶段的产物变成一些非活性物质，而不能进行下一步反应；如果第二个阶段得不到控制，温度急剧升高，就会破坏锂硼化合物的多孔结构，使其不能有效地吸收合金内剩余的单质Li，导致合金电极性能的降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种集测温、控温、搅拌、熔炼于一体，安全、高效地实现Li-B合金熔炼的真空熔炼制备Li-B合金的方法及装置，包括真空熔炼制备Li-B合金的方法和真空熔炼的装置。

一方面，本发明提供一种真空熔炼制备Li-B合金的装置，该装置为真空熔炼炉，其特征在于，在坩埚外侧设置控温热电偶7，在熔炼炉中央位置处设置搅拌桨4，在搅拌桨底端设置测温热电偶3，在炉盖上表面设置入射光口2和观察孔5，抽真空和高纯氩气通道6设置在炉体侧面上端位置处，并在氩气通道相对位置处设置风冷设备1。

所述控温热电偶和测温热电偶均为铠装热电偶。

所述搅拌桨桨叶展开的长度小于坩埚的直径，且在桨叶上设置一些均匀分布的圆孔。

所述入射光口和观察孔中轴线均与坩锅中心相交。

另一方面，本发明提供一种真空熔炼制备Li-B合金的方法，其特征在于，制备方法如下：熔炼开始前，先将炉盖打开，将金属Li和烘干B粉放入干燥气氛保护下的铁坩埚里，置于熔炼炉下部，然后将熔炼炉密封，打开真空系统，排除熔炼炉内的空气，当炉内压力小于10^-2Pa时，打开加热电源，将炉子缓慢加热到400℃，并恒温保持10min～2h，在金属Li完全熔化之后开始搅拌，在搅拌良好的条件下，B粉开始在熔融Li中溶解，当B溶解完全时，关闭扩散泵阀门，打开充气阀门，充入氩气，为了保证Li-B熔体的均匀性，温度继续升高，并且加强搅拌，温度为530℃时，搅拌桨已经无法旋转，这时熔体凝固，合金完全凝固后，继续升温到650℃，随炉冷却，当温度降到400℃后进行空冷，得到Li-B合金。

所述Li和B的重量比为7∶3。

所述Ar气为干燥高纯的Ar气。

所述氩气的充气速率为10L/min。

本发明的有益效果是，本发明设计的Li-B合金真空熔炼炉采用两只热电偶克服了单一的温度控制问题，通过实验确定控温测温热电偶的参数，可以较为准确地监控整个熔体的温度，防止局部区域控温失败而导致合金性能下降；改进后的搅拌桨可以有效遏制合成反应时B粉聚集成团现象，保证最终得到的铸锭成分均匀；通过在熔炼设备上增加的入射光口和观察孔，可以随时观察合成反应中现象的变化，既有助于理解合成反应机制，又可以此协助指导合成工艺的制定及调整；在装置中引入了真空装置，采用机械泵和扩散泵的组合，使得制备的合金锭致密、表面平整、呈现金属光泽。

本发明设计结构紧凑合理，工艺简单，整个系统使用安全，操作方便、生产高效，具有推广应用价值。

附图说明

图1是真空熔炼炉结构示意图；

图中标号：

1-风冷设备；2-入射光口；3-测温热电偶；4-搅拌桨；5-观察孔；

6-抽真空和高纯氩气通道；7-控温热电偶。

具体实施方式

本发明提供了一种真空熔炼制备Li-B合金的方法及装置，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一方面，本发明提供一种真空熔炼制备Li-B合金的装置，图1所示为真空熔炼炉装置的结构示意图。该装置为真空熔炼炉，在坩埚外侧设置控温铠装热电偶7；在熔炼炉中央位置处设置搅拌桨4，搅拌桨桨叶展开的长度小于坩埚的直径，且在桨叶上设置一些均匀分布的孔径合适的圆孔，孔径大小以熔体能透过圆孔且达到搅拌目的为宜；在搅拌桨底端设置测温铠装热电偶3；在炉盖上表面设置入射光口2和观察孔5，入射光口和观察孔中轴线均与坩锅中心相交，均倾斜的一定角度，使光线聚焦正对坩埚；抽真空和高纯氩气通道6设置在炉体侧面上端处，并在氩气通道相对位置处设置风冷设备1。

另一方面，本发明提供一种真空熔炼制备Li-B合金的方法，熔炼开始前，先将炉盖打开，按照重量比7∶3取金属Li和烘干B粉并放入干燥气氛保护下的铁坩埚里，置于熔炼炉下部，然后将熔炼炉密封，打开真空系统，排除熔炼炉内的空气，当炉内压力小于10^-2Pa时，打开加热电源，将炉子缓慢加热到400℃，并恒温保持1h，在金属Li完全熔化之后开始搅拌，在搅拌良好的条件下，B粉开始在熔融Li中溶解，当B溶解完全时，关闭扩散泵阀门，打开充气阀门，利用氩气净化机通过充气口向熔炼炉内以10L/min速率冲入干燥高纯的氩气，为了保证Li-B熔体的均匀性，温度继续升高，并且加强搅拌，温度为530℃时，搅拌桨已经无法旋转，这时熔体凝固，合金完全凝固后，继续升温到650℃，随炉冷却，当温度降到400℃后进行空冷，得到Li-B合金。

熔炼过程中，利用压力表实时监测炉内的压力，当在加热升温的过程中熔炼炉内氩气的压力大于1.5个大气压，则打开放气阀，利用机械泵抽气，使炉内氩气的压力小于1.5个大气压；在降温的过程中熔炼炉内氩气的压力小于1个大气压，则向熔炼炉内再次充入干燥高纯的氩气至熔炼炉内压力高于1个大气压，从而防止Li蒸汽的挥发和氧化。

Claims (8)

1、一种真空熔炼制备Li-B合金的装置，该装置为真空熔炼炉，其特征在于，在坩埚外侧设置控温热电偶(7)，在熔炼炉中央位置处设置搅拌桨(4)，在搅拌桨底端设置测温热电偶(3)，在炉盖上表面设置入射光口(2)和观察孔(5)，抽真空和高纯氩气通道(6)设置在炉体侧面上端处，并在氩气通道相对位置处设置风冷设备(1)。

2、根据权利要求1所述的真空熔炼制备Li-B合金的装置，其特征在于，所述控温热电偶和测温热电偶均为铠装热电偶。

3、根据权利要求1所述的真空熔炼制备Li-B合金的装置，其特征在于，所述搅拌桨桨叶展开的长度小于坩埚的直径，且在桨叶上设置一些均匀分布的圆孔。

4、根据权利要求1所述的真空熔炼制备Li-B合金的装置，其特征在于，所述入射光口和观察孔中心线相交于坩锅中心。

5、一种真空熔炼制备Li-B合金的方法，其特征在于，制备方法如下：熔炼开始前，先将炉盖打开，将金属Li和烘干B粉放入干燥气氛保护下的铁坩埚里，置于熔炼炉下部，然后将熔炼炉密封，打开真空系统，排除熔炼炉内的空气，当炉内压力小于10^-2Pa时，打开加热电源，将炉子缓慢加热到400℃，并恒温保持10min～2h，在金属Li完全熔化之后开始搅拌，在搅拌良好的条件下，B粉开始在熔融Li中溶解，当B溶解完全时，关闭扩散泵阀门，打开充气阀门，充入氩气，为了保证Li-B熔体的均匀性，温度继续升高，并且加强搅拌，温度为530℃时，搅拌桨已经无法旋转，这时熔体凝固，合金完全凝固后，继续升温到650℃，随炉冷却，当温度降到400℃后进行空冷，得到Li-B合金。

6、根据权利要求5所述的真空熔炼制备Li-B合金的方法，其特征在于，所述Li和B的重量比为7∶3。

7、根据权利要求5所述的真空熔炼制备Li-B合金的方法，其特征在于，所述Ar气为干燥高纯的Ar气。

8、根据权利要求5所述的真空熔炼制备Li-B合金的方法，其特征在于，所述氩气的充气速率为10L/min。

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