CN1107120A - 氧化硼的制备 - Google Patents
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Abstract
通过将硼酸在不超过大约275℃的高温下加热，
使硼酸脱水形成熔融玻璃并冷却为固态玻璃状产品，从而制得包含大约85—92％(重量)B2O3的含无定型态氧化硼产品。可以将这种固态玻璃粉碎形成颗粒状产品。优选将硼酸加热至220—275℃，最优选将硼酸加热至250—270℃。很容易将该方法改进为连续方法即将硼酸置于移动的连续的钢传送带上并输送通过一个加热区。熔融玻璃状产品冷却形成固态玻璃状产品，将固态玻璃状产品从传送带除下并粉碎至需要的颗粒尺寸范围。
Description
本发明涉及氧化硼，更具体地说涉及含85-92%B2O3并基本不含钠的新的无定形态氧化硼产品的制备。
氧化硼有许多工业用途，特别是在玻璃制造领域希望有一个不含不受欢迎的钠的B2O3来源，例如用硼砂或从例如硼酸中蒸发多余的水得到。氧化硼通常是以工业化规模在燃油或燃气的玻璃窑炉中通过硼酸在高温（例如约700-950℃的范围内）下脱水来制备。熔融玻璃通过让连续玻璃带沿冷却辊上流动来固化，然后破碎并过筛得到需要的颗粒尺寸。（见Kirk-Othmer，“Encyclopedia of Chemical Technology”第四版、第四卷的370页和U.S.Patent 2893838。）这种产品是高纯（99% B2O3）的无定形态固体，但它有一个缺点就是在正常的使用和贮存条件下会吸水，容易再次水合并结块。此外，由于保持窑炉在要求的高温下需要的能量使得生产的费用很高。通过用硼砂与硫酸反应然后将得到的混合物供给燃气的于800℃-900℃下工作的窑炉中已经制得了较低B2O3含量的产品。得到的无定形态产品含95-98%的B2O3并还含有残留的钠，这在许多玻璃制造的应用中是不希望出现的。该方法也要消耗大量的能量使得产品制造费用很高。“见Supplement to Mello′s Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry，Volume V.Part A.Pages 171-174”。
例如使硼酸在225℃-250℃的炉子中缓慢脱水7-14天已经可以制得高纯、晶态的氧化硼。还有人建议使用负压或有机液相载体。见美国专利号：2137058、2186257、3397954、3582272和4098196，意大利专利467440[Chemical Abrtracts 47，4563（1953）]，还有上面讨论的Kirk-Othmer和Mellor的文献，以及Kemp“The Chemistry of Borates”，Part I，Page10-11（1956）。
英国专利1278466描述了一种通过在一个气体扩散装置（例如多孔板，热空气流通过该板形成流化床）里加热颗粒状的原硼酸来制备颗粒状氧化硼的方法。这种产品是B2O3含量接近98%的颗粒状氧化硼。
本发明提供了一种含大约85-92%B2O3的新的含氧化硼的产品以及制造这种新产品的方法。该方法需要相对较低的温度，结果能量消耗费用明显减少。它容易改进为不需要耐高温的特殊装置也不用在反应区滞留很长时间并以连续方式来生产很有用的含氧化硼产品的连续方法。
该产品是一种稳定的固态玻璃，当将它粉碎到希望的颗粒度时，它比类似颗粒度的氧化硼更不容易再次水合。这是一种高度无定形态并且无孔的产品，当研磨至约过60目筛的粒度时，其体积密度约64磅/立方英尺。它基本上是不含钠并且比许多其它的市场上可买到的脱水硼酸产品纯度要高。由于它比这样的工业化产品吸水性低因此不容易结块。在较低温度下制造本发明产品可节省大量的能源，因此可获得适合于在各种玻璃制造中使用的经济性满意的产品。
本发明的方法包括：在220°-275℃范围的温度下加热硼酸，经过足够使硼酸脱水的时间并形成含有约85-92%B2O3、优选约88-91%B2O3的熔融玻璃。将获得的熔融玻璃冷却并形成固态玻璃状产品，该产品可进一步粉碎（如研磨）得到基本上不含钠杂质的颗粒状的含无定形态氧化硼产品。
应严格保证硼酸加热的温度不超过约275℃并且优选的温度范围是约250℃-270℃。已经发现硼酸在约220℃的较低温度下要经过一个玻璃相。在220℃时熔融配合料是一种可浇注的、沸腾的液态熔体，其粘度约为5000泊。随着温度的升高和硼酸的继续脱水，熔体变得粘稠并不可浇注。在270℃时熔体粘度很快增加到18000泊，而且在这点上熔体中B2O3含量达到90-91%（重量B2O3）附近的平稳段。然后将熔体冷却形成固态玻璃状产品，它可按需要进行研磨。
本方法容易改进为例如通过输送连续的硼酸料流经过一个加热区的连续方法。一种特别有利的装置是使用连续的不锈钢带（或用平板运输机替换），在其上铺开一层约0.25-0.75英寸厚的连续的均匀硼酸层。传送带将硼酸传送经过一个加热区，加热区的热量是通过电或天然气使用加热板从硼酸层的上面提供的。控制加热板的温度使得硼酸受热后温度不高于大约275℃。硼酸在加热区的滞留时间由传送带移动的速率和加热区的长度来控制。通常，滞留时间不超过约0.5小时，优选约5-15分钟，将形成含大约90%B2O3的氧化硼产品。包含一层熔融氧化硼玻璃的移动传送带在退出热区后通过用冷水或冷空气喷射传送带下面而冷却。当冷却的氧化硼玻璃层到达传送带末端并开始沿皮带轮弯曲时，很容易用跨过传送带并在气动装置或液压装置负载作用下压在传送带表面的刮刀将这层氧化硼玻璃刮下而除去。用刮刀将冷却的产品以片状玻璃除下，然后将片状玻璃喂入不同的研磨设备以粉碎成需要的筛分粒度的颗粒状材料。
下面的实施例表明了使用一批量的配合料和连续工艺时本发明的新方法。
实施例1
在9×11 1/2英寸的不锈钢盘（型号304）中均匀铺上一层3/4英寸厚的颗粒状硼酸层。将盘置于预热好的强制对流炉并在270℃保持4.3小时。经过大约3小时硼酸就完全变为熔体。将盘从炉中取出，在不浸湿盘中产品的前提下通过在冷水浴中骤冷而将产品快速冷却。冷却时产品从盘中分离并裂成碎片。使用TEEM-A-MILL环辊研磨机（ring and puck grinder）来研磨碎片。获得的研磨材料在美国标准筛30目和200目上过筛。+30目的材料重新研磨，-30+200目的材料保留作为最后的产品。发现得到的产品含有89.7%（重量）的B2O3。
重复进行上述过程两次，只是在270℃下加热6.5小时来获得产品的附加配合料。将三批配合料混合发现含有89.9%的B2O3。
实施例Ⅱ
重复实施例Ⅰ的步骤，只是将硼酸加热至270℃保持3小时。发现得到的产品中含86.98%的B2O3。
实施例Ⅲ
将硼酸在用连续的1050SM不锈钢带（0.6×5.5m）做成的移动传送带装置中加热。螺旋加料机在传送带一端维持一堆硼酸。传送带驱动速率为23cm/min，当传送带转动时，传送带上的硼酸被拉着经过一个在传送带上方0.8cm高和41cm宽的门。这将硼酸均匀地铺在移动的传送带上并在其整个长度上形成一条0.8cm深、41cm宽的硼酸料带。移动传送带被四块燃气加热板加热，燃气加热板悬挂在传送带上方并覆盖从离门口处61cm开始的传送带中173cm长的区段。当传送带以每分钟9英寸速度通过加热板下方时，硼酸被加热7-8分钟。加热板在离硼酸上方约5-8cm处悬挂着覆盖传送带。每块板通过固着在板下面的2.5cm厚的纤维垫将热量均匀向硼酸传递。加热板的温度约760-870℃，可将硼酸加热至约270℃。当硼酸通过第一块板下面时，可以观察到有水蒸汽从硼酸中产生。当硼酸经过第二块板和第三块板下方时随着更多的水被蒸发除去，硼酸转化为沸腾的熔融液体。材料在第四块指下方变成粘稠的熔融玻璃并在传送带上形成0.1cm均匀厚度的玻璃层。用悬挂在燃烧器上面的顶排气罩从燃烧区域将空气中的水蒸汽和从硼酸中释放的挥发性B2O3抽走。当熔融玻璃块从加热区离开后，经过一个向传送带下方喷水的区域而快速冷却。在冷却时固化的玻璃片破裂并从传送带上脱离。当冷却的玻璃碎片到达传送带末端时，用刮刀将玻璃刮下使其掉入装在传送带下面的小料斗中。玻璃通过一个圆锥破碎机破碎至-30到+140目颗粒度的颗粒，过30目筛后，将过大的颗粒重新破碎。从最后取出的试样表明产品中的B2O3含量在89.5-90.7%（重量）范围内。
实施例Ⅳ
对本发明产品和市场上买到的氧化硼产品（作为脱水硼酸HP，含B2O398.5%）进行加速结块测试。将本发明产品（-30+200目）和脱水硼酸（60目）分别装入成对的宽口瓶里到离顶部1 1/4英寸的位置。将倒置的瓶盖放在材料表面作为压板，在压板上放置一弹簧。拧上瓶盖压紧弹簧，产生约4磅/平方英寸压强。将装有每种测试材料的1个宽口瓶用胶带密封并置于135°F烘箱中。另一个测试瓶置于室温下。
24小时后将瓶盖、弹簧和压板从每个瓶中取出。将宽口瓶小心倾斜观察内装产品的结块情况。室温下保存的两种测试材料均自由流下。本发明的产品在135°F保存后也是自由流下。工业化脱水硼酸结块而且不能从宽口瓶中流下。使用顶尖为1/10平方英寸的葡氏贯入器（Proctor penetometer），发现打破结块需830磅/平方英寸压强。
根据体现本发明精神的程度不同，可以对本发明进行各种改进和变化，但它们都包含在后面权利要求书中所限定的本发明范围内。
Claims (17)
1、一种通过硼酸脱水而制得的无定形态氧化硼产品，其特征在于包含大约85-92%的B2O3并基本上不含钠。
2、一种根据权利要求1的氧化硼产品，其特征在于包含约88-91%的B2O3。
3、一种根据权利要求1的颗粒状氧化硼产品的颗粒度在-30+200目范围内。
4、一种制造含大约85-92%B2O3的颗粒状无定形态氧化硼产品的方法，包括将硼酸在220℃-275℃范围温度下加热足够使所说的硼酸脱水的时间，并形成含大约85-92%B2O3的熔融玻璃，冷却上述的熔融玻璃形成固态玻璃状产品，粉碎上述的固态玻璃状产品形成包含大约85-92%B2O3的颗粒状无定形态氧化硼产品，上述产品基本上不含钠。
5、一种根据权利要求4的方法，其中所说的硼酸放置在移动的传送带上。
6、一种根据权利要求5的方法，其中所说的硼酸被其上面的热源加热。
7、一种根据权利要求4的方法，其中所说的氧化硼产品包含大约88-91%的B2O3。
8、一种根据权利要求4的方法，其中所说的硼酸被加热至大约250-270℃的温度。
9、一种制备包含大约85-92%B2O3的氧化硼产品的连续方法，包括将硼酸加在移动的传送带上，输送上述硼酸经过一个加热区并将上述硼酸加热至220℃-275℃范围温度下保持足够使所述硼酸脱水的时间，形成含大约85-92%B2O3的熔融玻璃，冷却上述的熔融玻璃形成固态玻璃状产品，从上述移动的传送带上除下上述的固态玻璃状产品，并将上述除下来的固态玻璃状产品粉碎形成包含大约85-92%B2O3的颗粒状无定形态氧化硼产品。
10、根据权利要求9的方法，其中上述的硼酸被加热至250°-270℃范围的温度。
11、根据权利要求9的方法，其中上述的硼酸在上述加热区保持大约5-15分钟。
12、根据权利要求9的方法，其中所说的移动传送带为不锈钢带。
13、根据权利要求9的方法，其中所说的硼酸被其上面的加热板加热。
14、根据权利要求13的方法，其中所说的移动传送带上有一层0.25-0.75英寸厚的硼酸层。
15、根据权利要求9的方法，其中所说的氧化硼产品包含大约88-91%的B2O3。
16、根据权利要求9的方法，其中所说的熔融玻璃通过冷却上述传送带的下侧面而冷却。
17、根据权利要求9的方法，其中所述的氧化硼被粉碎至-30+200目尺寸范围内。
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