CN109019605A - 一种碳化硼材料的冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碳化硼材料的冶炼方法，其原材料包括硼源材料、碳源材料、以及添加材料；所述添加材料主要起到调整炉料电阻率，稳定电流作用；本发明的优点是：1、炉料的硼源、碳源升高，炉料电阻率降低，启炉电流上升迅速、物料加热速度增快，稳定温度。2、通过极心圆、电压、电流的匹配，提高了炉内坩埚区的温度均匀度，为碳化硼结晶生成提供稳定环境。3、硼碳蒸气压增加后，布朗运动加速，结晶块的聚合力增大。4、固定电流供给量，使炉内还原反应一致，碳化硼结晶块致密度一致。5、通过解决原料、配比、冶炼参数、操作参数，使碳化硼结晶块纯度提高，高纯结晶块产量增大。

Description

一种碳化硼材料的冶炼方法
技术领域
本发明涉及化工技术领域，具体说是一种碳化硼的冶炼方法。
背景技术
根据高性能碳化硼指标分析，化学成分中铁、硅含量指标较正常结晶块大幅降低，冶炼难度较大，高性能碳化硼的硼碳比指标在4.0±0.2，实际在电弧炉中碳化硼的反应碳位是由15％--22％之间，碳硼比3.5--6之间，碳硼比控制在4.0±0.2冶炼难度较大，所以高性能碳化硼存在以上两个难点。
碳化硼的传统冶炼生产一般采用硼酸(或氧化硼)、碳粉(或电解石墨)等原料，在惰性气体保护的电弧炉中合成，所得的铁、硅含量指标很难达到。主要原因在于：
(1)原材料的质量状况参差不齐，不同产地及生产工艺的原材料在成分上有明显差别；
(2)电弧炉温度高且温度场均匀性较差，会造成硼的挥发损失，从而形成低硼碳比的碳化硼；
(3)通过固相还原碳化合成的结晶块中除了碳化硼主相外，还存有一些其他杂相以及没有反应完全的原料。
而根据碳化硼反应机理，碳化硼中碳含量的高低决定着硼碳原子的空间排列，从而直接影响所得碳化硼的质量。表现为：
(1)生产不同碳位的碳化硼需要不同的投料比；
(2)在反应系统当中，温度和压力的控制对碳化硼的生产起着决定性作用。
因此，原料选用、投料比、冶炼方式、冶炼温度和压力参数、电流电压匹配等因素成为高纯碳化硼冶炼的工艺难点。
高性能碳化硼陶瓷制备对粉体有几项基本的要求：
(1)原料粉体的杂质含量要尽可能低，因为杂质易富集在陶瓷晶界处，降低陶瓷强度和韧性；
(2)碳化硼粉体粒度细小，以增加陶瓷烧结驱动力，增加陶瓷密度、细化陶瓷晶粒，提高陶瓷强度和韧性；
(3)为保证陶瓷性能稳定性，要求粉体物相纯度高，硼碳比稳定等。
而实际生产中与这些要求相冲突的点在于：
(1)作为碳化硼粉体原材料的高纯碳化硼结晶块的化学指标及生产稳定性不易达到；
(2)碳化硼的超硬特性致使加工设备磨损较为严重，使物料中容易引入磨损杂质；
(3)常规的破碎及粉磨只能使粒度达到3μm左右，更细的粉体制备面临难题。
因此，在获得高纯度碳化硼粉体料源的基础上，如何使碳化硼粉体粒度降至亚微米级，并且在破碎过程中最大限度地减少杂质引入，成为高性能碳化硼粉体制备的工艺难点所在。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种碳化硼材料的冶炼方法，其原材料包括硼源材料、碳源材料、以及添加材料；所述添加材料主要起到调整炉料电阻率，稳定电流作用；
所述的硼源材料，包括硼酸或氧化硼；
所述的碳源材料，为石油焦、锻后焦、木炭、秸秆、锯末的一种或几种，上述几种碳源材料配入硼源材料，根据结晶块的碳硼比控制在4.0±0.2调整硼源材料和碳源材料的比例；
所述的添加材料为纳米级石墨、块状回炉料的混合物，纳米级石墨、块状回炉料的重量比为10:1-3；
所述添加材料占原材料的重量比为5％--10％；
冶炼方法包括以下步骤：
(1)通过气流磨将硼源材料放入气流磨进行破碎，充分融合，粒度在100目以细；
(2)将碳源材料均匀破碎2毫米以细作为碳质材料；
(3)通过混料机将物料均匀混合入炉；
(4)调整矿热炉的极心圆参数，极心圆直径调整至350毫米，使炉内温度均衡；
(5)调整电压至140伏，调高炉内有效功率；
(6)单次加料量为1.8-1.85吨以增加炉内硼的蒸汽压，使炉内温度对流辐射均匀，有效保持炉内高温区稳定；
(7)调整电极的进给量，稳定炉内电流4000--5000A之间，稳定炉内温度送入。
所述步骤(3)通过混料机将物料均匀混合入炉的方法是：先将硼源材料放入混料机，搅拌1分钟后加入碳源材料及硼源材料重量十分之一的水，反应4-5分钟后加入添加材料。
所述的块状回炉料是已经过2000℃高温烧结后的碳化硼结晶块的冷却物料的边皮料，目的是为加速整体碳化硼高温结晶速度。
本发明的优点是：
1、炉料的硼源、碳源升高，炉料电阻率降低，启炉电流上升迅速、物料加热速度增快，稳定温度。
2、通过极心圆、电压、电流的匹配，提高了炉内坩埚区的温度均匀度，为碳化硼结晶生成提供稳定环境。
3、硼碳蒸气压增加后，布朗运动加速，结晶块的聚合力增大。
4、固定电流供给量，使炉内还原反应一致，碳化硼结晶块致密度一致。
5、通过解决原料、配比、冶炼参数、操作参数，使碳化硼结晶块纯度提高，高纯结晶块产量增大。
具体实施方式
下面结合具体实施例说明本发明，
实施例1具体操作步骤如下：
(1)选择高硼含量的硼源材料硼酸或氧化硼，减少冶炼过程中的硼挥发损失；选择纯度高、粒径细、导电性好的纳米级石墨、块状回炉料的混合物，纳米级石墨、块状回炉料的重量比为10:1-3，增加导电性、提高反应活性；
(2)优化混料工艺技术，采用转子混料机，采取首先向混料机中投入配方中大占比的硼源材料硼酸或氧化硼，其次投入导电性不良的碳源材料石油焦、锻后焦，使其两相材料均匀混合后，再次投入导电性好、粒度细的纳米级石墨、块状回炉料的混合物，使得导电性好的纳米级石墨、块状回炉料的混合物包覆在前两相材料的表面，提高投炉料的导电性，增加碳源磁选工艺降低铁含量。
(3)采用1000kVA碳化硼精炼炉，调整极心圆直径到350mm，调整冶炼相间电压为140V提高炉内的功率密度，冶炼合成电流控制在4000A左右，熔化期2h排气一次、氧化期和结晶期1.5h排气一次，投料量由单次950kg调整为1800kg，维持炉内的硼蒸气压，使碳化硼合成稳定。
(4)工艺参数如表1及表2
表1 碳化硼精炼炉参数
表2 原材料明细
电流变化曲线为3.5小时升温至4000℃，然后4000℃保温9小时，再每3小时降温500℃至3000℃，稳定4小时后，逐渐下降至常温；
实施例2
实施例2与实施例1的区别为：1)选择高硼含量的硼源材料硼酸或氧化硼，减少冶炼过程中的硼挥发损失；选择纯度高、粒径细、导电性好的纳米级石墨、块状回炉料的混合物，纳米级石墨、块状回炉料的重量比为10:3，增加导电性、提高反应活性；
(2)优化混料工艺技术，采用转子混料机，采取首先向混料机中投入配方中大占比的硼源材料氧化硼，其次投入导电性不良的碳源材料木炭、秸秆、锯末，使其两相材料均匀混合后，再次投入导电性好、粒度细的纳米级石墨、块状回炉料的混合物，使得导电性好的纳米级石墨、块状回炉料的混合物包覆在前两相材料的表面，提高投炉料的导电性，增加碳源磁选工艺降低铁含量。
(3)采用1000kVA碳化硼精炼炉，调整极心圆直径到350mm，调整冶炼相间电压为140V提高炉内的功率密度，冶炼合成电流控制在4000A左右，熔化期2h排气一次、氧化期和结晶期1.5h排气一次，投料量由单次950kg调整为1850kg，维持炉内的硼蒸气压，使碳化硼合成稳定。
实施例3
实施例3与实施例1的区别为：
1)选择高硼含量的硼源材料硼酸或氧化硼，减少冶炼过程中的硼挥发损失；选择纯度高、粒径细、导电性好的纳米级石墨、块状回炉料的混合物，纳米级石墨、块状回炉料的重量比为10:2，增加导电性、提高反应活性；
(2)优化混料工艺技术，采用转子混料机，采取首先向混料机中投入配方中大占比的硼源材料氧化硼，其次投入导电性不良的碳源材料石油焦、木炭，使其两相材料均匀混合后，再次投入导电性好、粒度细的纳米级石墨、块状回炉料的混合物，使得导电性好的纳米级石墨、块状回炉料的混合物包覆在前两相材料的表面，提高投炉料的导电性，增加碳源磁选工艺降低铁含量。
(3)采用1000kVA碳化硼精炼炉，调整极心圆直径到350mm，调整冶炼相间电压为140V提高炉内的功率密度，冶炼合成电流控制在4000A左右，熔化期2h排气一次、氧化期和结晶期1.5h排气一次，投料量由单次950kg调整为1830kg，维持炉内的硼蒸气压，使碳化硼合成稳定。
最终产品指标如表3；
表3
需要阐述的是：碳源材料还可以是木炭、秸秆、锯末的一种或几种；其作为原料用来制备碳化硼的方法与本实施例相同。

Claims (3)

1.一种碳化硼材料的冶炼方法，其特征在于：其原材料包括硼源材料、碳源材料、以及添加材料；所述添加材料主要起到调整炉料电阻率，稳定电流作用；
所述的硼源材料，包括硼酸或氧化硼；
所述的碳源材料，为石油焦、锻后焦、木炭、秸秆、锯末的一种或几种，上述几种碳源材料配入硼源材料，根据结晶块的碳硼比控制在4.0±0.2调整硼源材料和碳源材料的比例；
所述的添加材料为纳米级石墨、块状回炉料的混合物，纳米级石墨、块状回炉料的重量比为10:1-3；
所述添加材料占原材料的重量比为5％--10％；
冶炼方法包括以下步骤：
(1)通过气流磨将硼源材料放入气流磨进行破碎，充分融合，粒度在100目以细；
(2)将碳源材料均匀破碎2毫米以细作为碳质材料；
(3)通过混料机将物料均匀混合入炉；
(4)调整矿热炉的极心圆参数，极心圆直径调整至350毫米，使炉内温度均衡；
(5)调整电压至140伏，调高炉内有效功率；
(6)单次加料量为1.8吨以增加炉内硼的蒸汽压，使炉内温度对流辐射均匀，有效保持炉内高温区稳定；
(7)调整电极的进给量，稳定炉内电流4000--5000A之间，稳定炉内温度送入。
2.根据权利要求1所述的碳化硼材料的冶炼方法；其特征在于：所述步骤(3)通过混料机将物料均匀混合入炉的方法是：先将硼源材料放入混料机，搅拌1分钟后加入碳源材料及硼源材料重量十分之一的水，反应4-5分钟后加入添加材料。
3.根据权利要求1所述的碳化硼材料的冶炼方法，其特征在于：所述的块状回炉料是已经过2000℃高温烧结后的碳化硼结晶块的冷却物料的边皮料。
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