一種高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊的冶煉制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳化硼原料生產(chǎn)制備領(lǐng)域，特別涉及一種高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊的冶煉制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Ct-Al2O3)單晶，具有高硬度、耐磨性好、優(yōu)異機械性能、光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，已被廣泛地應(yīng)用于紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)和高強度激光的窗口材料。近年來，藍(lán)寶石被廣泛用作LED最理想的襯底材料，又開始逐步應(yīng)用于高端手機領(lǐng)域，如手機屏幕、觸控鍵以及鏡頭等。
[0003]但是藍(lán)寶石不論是用于LED或是手機領(lǐng)域等，都需要先將藍(lán)寶石晶體切割成厚度為800μπι左右的晶片，然后再通過研磨和拋光工序?qū)⑺{(lán)寶石加工成700μπι左右的晶片。而研磨工序是藍(lán)寶石關(guān)鍵環(huán)節(jié)，過去主要是采用不同粒度的金剛石粉進(jìn)行研磨，但是由于金剛石價格昂貴且產(chǎn)量低，現(xiàn)在國內(nèi)外逐漸采用價格相對低廉的碳化硼替代金剛石對藍(lán)寶石進(jìn)行研磨。
[0004]碳化硼，分子式為B4C,為灰黑色粉末，是最硬的人造磨料之一。目前碳化硼工業(yè)生產(chǎn)的主要方法就是碳熱還原法即在電弧爐內(nèi)用碳還原硼酸來制備的。如在公開號為CN1421386A的發(fā)明申請《核工業(yè)用碳化硼粉的制備方法》中，將硼酸、炭黑和石油焦粉混合后，放入電弧爐中在2350?2500°C下冶煉10?14h后生成塊狀碳化硼，再將其粉碎成粒徑小于63μπι的粉體。在公開號為CN102115080B的發(fā)明專利《一種lt3B碳化硼及其制備方法》中，將富含lt3B的硼酸和高純石墨粉混合后壓片，然后在100?200°C和500?700°C下分段焙燒脫水后放入感應(yīng)加熱爐或石墨加熱爐或者電弧爐中進(jìn)行碳化，碳化溫度1855?2100°C下得到lt3B碳化硼產(chǎn)品。
[0005]在以上兩個發(fā)明中，由于粉料的直接入爐和電弧爐明弧冶煉的特性，這就造成了以下缺點:(I)由于硼酸揮發(fā)損失大，使得硼酸和碳的配料比容易失調(diào)、難以準(zhǔn)確控制；(2)由于電弧爐明弧冶煉的特性，造成硼酸揮發(fā)損失大，電弧爐爐內(nèi)溫度低且難以保溫，且電弧爐內(nèi)不同爐區(qū)的溫度差別較大，所以生產(chǎn)的碳化硼雜質(zhì)高、硬度低、密度小、質(zhì)量差，能用于藍(lán)寶石研磨用的高品質(zhì)碳化硼的產(chǎn)出率低(20?40%); (3)碳化硼冶煉能耗較高，環(huán)境污染嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對目前碳化硼冶煉技術(shù)及其產(chǎn)品存在的不足之處，以及藍(lán)寶石行業(yè)對高品質(zhì)碳化硼的迫切需求，提出了一種高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊的冶煉制備方法。本發(fā)明不僅原料利用率高，生產(chǎn)成本低，節(jié)約了能源，而且生產(chǎn)的碳化硼純度高、硬度高、密度大，高品質(zhì)碳化硼產(chǎn)出率高(60 %?80 % )，完全可以滿足藍(lán)寶石的研磨的需求，此外，本方法的原料揮發(fā)較少，極大降低了粉塵污染。
[0007]—種高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊的冶煉制備方法，包括如下步驟:
[0008](I)將碳質(zhì)還原劑和催化劑分別破碎成粒度為< 3_的粉料；
[0009](2)按照重量比例取硼酸粉、碳質(zhì)還原劑粉、催化劑粉，再加適量水進(jìn)行混料，攪拌后在高壓壓球機上壓制成團(tuán)塊；
[0010](3)將壓制好的團(tuán)塊烘干；
[0011](4)將已烘干的團(tuán)塊放入爐體可旋轉(zhuǎn)的礦熱爐內(nèi)進(jìn)行埋弧高溫冶煉，制備出碳化硼結(jié)晶大塊；
[0012](5)將碳化硼結(jié)晶大塊破碎成20?80mm的小塊，然后進(jìn)行分級，取高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊即為產(chǎn)品，高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊的純度應(yīng)為2 94%，硼碳比應(yīng)為3.9?4.2;
[0013]高品質(zhì)碳化硼結(jié)晶塊經(jīng)過破碎、酸洗、篩分后加工成150?400μπι的粒度砂，可用于制備藍(lán)寶石研磨用的碳化硼微粉;低品質(zhì)的碳化硼可加工成耐火材料。
[0014]上述碳質(zhì)還原劑為石油焦、石墨、煅后焦和炭黑，或者為石油焦、石墨和煅后焦，或者為石油焦、石墨和炭黑，或者為石油焦和石墨；
[0015]上述催化劑為0&?2、0&(:12、1((:1、他(:1中的一種或多種；
[0016]上述步驟(2)中硼酸粉、碳質(zhì)還原劑、催化劑的重量百分含量為:硼酸60?80%，石油焦5?25%，煅后焦O?10%，石墨5?25%，炭黑O?10%，催化劑0.5?5% ;總重為100% ；
[0017]上述步驟(2)中，高壓壓球機的壓制壓力為8?50MPa，團(tuán)塊直徑為25?50mm;
[0018]上述步驟(3)中，烘干溫度為50?500°C;烘干時間為2?24h;
[0019]上述步驟(4)中，冶煉溫度為1600?3000°C，較好的冶煉溫度為1600?2500°C;冶煉時間為24?72h;
[0020]上述步驟(4)中，礦熱爐的旋轉(zhuǎn)速度為15?60度/h。
[0021]上述方法制得的高品質(zhì)碳化硼純度為96%?98%，硼碳比為3.9?4.2，高品質(zhì)碳化硼產(chǎn)出率60%?80 %。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0023](I)將原料破碎成< 3mm的粒度，既保證了原料配料混料后的分散性和均勻性，同時也增加了原料的比表面積，提高原料的反應(yīng)活性；
[0024](2)通過將混合的原料高壓壓制成團(tuán)，并進(jìn)行烘干，不僅增加了原料的相互接觸面積，而且顯著減少了原料的揚塵損失和硼酸在旋轉(zhuǎn)礦熱爐內(nèi)的高溫?fù)]發(fā)損失，為實現(xiàn)和保證原料配料比在爐外和爐內(nèi)的準(zhǔn)確控制奠定了基礎(chǔ)；
[0025](3)在生成碳化硼的反應(yīng)中添加了催化劑，即降低了反應(yīng)溫度，又促進(jìn)了爐內(nèi)碳化硼的生成反應(yīng)，顯著地提高了碳化硼的品質(zhì)和致密性；
[0026](4)采用礦熱爐埋弧冶煉，顯著減少了硼酸的揮發(fā)損失，保證了爐內(nèi)配料的準(zhǔn)確性和冶煉高品質(zhì)碳化硼所需要的高溫；
[0027](5)采用爐體可旋轉(zhuǎn)的礦熱爐，顯著地提高了爐內(nèi)不同區(qū)域溫度的均勻性，這些都是生產(chǎn)高品質(zhì)碳化硼的必要條件。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明實施例中采用的硼酸原料為粉末，重量純度299.4%。
[0030]本發(fā)明實施例中采用的CaF2、CaCl2、KCl、NaCl為工業(yè)級產(chǎn)品。
[0031]本發(fā)明實施例中采用的爐體旋轉(zhuǎn)的礦熱爐購自遵義嘉行鐵合金技術(shù)有限責(zé)公司。
[0032]實施例1
[0033]1、將石油焦、煅后焦、石墨、氯化鈣和氯化鉀分別研磨成粒度< 3_的粉料；
[0034]2、將原料按照如下重量百分含量進(jìn)行配料:硼酸60%、石油焦25%、石墨5%、煅后焦5%、氯化鈣2%和氯化鉀3% ；
[0035]3、將混合料加適量水進(jìn)行混料后置于高壓壓球機上壓制成直徑25?30mm團(tuán)塊，壓制壓力為8MPa;
[0036]4、將壓制好的團(tuán)塊進(jìn)行烘干，烘干溫度為50°C，烘干時間為24h;
[0037]5、將團(tuán)塊放入旋轉(zhuǎn)礦熱爐內(nèi)高溫冶煉，礦熱爐爐體的旋轉(zhuǎn)速度為15度/h，冶煉溫度1600?2000°C，冶煉時間為24h，冶煉成碳化硼結(jié)晶大塊；
[0038]6、將碳化硼結(jié)晶大塊破碎成20?80mm的小塊，然后進(jìn)行分級；將二級品即低品質(zhì)的碳化硼用于加工成耐火材料;將一級品即高品質(zhì)碳化硼塊經(jīng)破碎、酸洗、篩分后加工成粒度為250?350μπι的粒度砂，用于制備藍(lán)寶石研磨用的碳化硼微粉。
[0039]經(jīng)檢測，制得的高品質(zhì)碳化硼純度為97.6 %，硼碳比為4.03，產(chǎn)出率61.7 %。
[0040]對比例I
[0041]1、將石油焦、煅后焦、石墨分別研磨成粒度<3_的粉料；
[0042]2、將原料按照如下重量比進(jìn)行配料:硼酸60份、石油焦粉25份、石墨粉5份、煅后焦粉5份；
[0043]3、將原料放入旋轉(zhuǎn)礦熱爐內(nèi)高溫冶煉，礦熱爐爐體的旋轉(zhuǎn)速度為15度/h，冶煉溫度2200°C?2600°C，冶煉時間為24h，冶煉成碳化硼結(jié)晶大塊；
[0044]4、將碳化硼結(jié)晶大塊破碎成20?80_的小塊。
[0045]制得的碳化硼純度為91.6%硼碳比為4.3，產(chǎn)出率為41.2%。
[0046]對比例2
[0047]1、將石油焦、煅后焦、石墨分別研磨成粒度< 3_的粉料；
[0048