一种制备高纯硼铁超细粉体的方法与流程

本发明涉及到高性能合金材料技术领域，具体涉及到一种制备高纯硼铁超细粉体的方法。

背景技术：

高性能非晶带材及高性能稀土永磁材料的不断推广应用，对原材料的纯度及品质的稳定性提出了更高的要求。硼铁合金作为在非晶带材或稀土永磁材料中引入硼元素的重要原料之一，其成分可控性及稳定性对于在大规模生产水平获得高性能非晶带材或稀土永磁材料产品并提高成品率起着至关重要的作用。

硼铁合金工业化生产的传统工艺通常是基于如下反应式，采用废铁片或者钢屑作为铁源，采用硼酐、硼酸或硼砂作为硼源，采用焦炭或者木片作为碳源，在矿热电炉里，以冶炼的方式进行生产(曹毅，低铝高纯硼铁的生产方法 铁合金 1986(03)，韦寿南；施允石，低铝硼铁的生产，铁合金.1986(04)，索淑芬.碳热法生产硼铁的最佳参数，铁合金.1992(05))。

4Fe+2B2O3+3C→4FeB+3CO2

为了让尺寸较大的铁片、木片等原料与硼酐、硼酸之间充分接触并发生反应，通常需要在远超出主要原料硼酐与铁片熔点的温度(高于1800-3000℃)下使硼酐与铁片熔融，并使冶炼所得的硼铁合金熔体具有较低的粘度，从而使炉内不同部位硼铁液态合金成分均匀且易于出炉操作。

这种工艺存在着几个主要问题：(1)由于生产温度高，再加上矿热电炉具有生产环境开放、与大气接触的特点，这就使得硼铁合金生产存在着能量消耗 巨大；(2)由于硼酐的密度远低于铁水，在高温下容易浮在铁水表面，且由于硼酐及铁水的粘度都很高，导致硼酐与铁水及焦炭混合困难，这就使得矿热电炉内不同部位硼铁合金熔体成分不均匀；(3)由于硼酐的熔点和沸点都很低(分别大约为450℃和1680℃)，在硼铁实际生产条件下，很容易发生挥发，造成昂贵原材料硼酐的损耗。在进行冶炼的同时，硼酐也可以作为氧源，将焦炭或者木片氧化，生成碳化硼(B₄C)等副产物，造成物料损失，也造成对环境的严重污染；硼酐或者碳化硼也可以固溶或者夹杂进入硼铁合金熔块，导致杂质含量增加、品质下降及后处理加工成本的增加。

此外，还有两个因素会导致硼铁合金杂质增加，品质下降：(1)硼酸或者硼酐等反应物原料在高温下存在残余水分蒸发的现象，在高温熔体内聚集到一定程度后，容易引发硼铁合金熔体在炉内爆炸，造成重大生产安全事故。为了减少或者避免这一现象的发生，通常需要在原料混合物里面同时加入木屑或者木片，在炉内熔融的物料之间架空熔体，形成让水蒸气逸出的通道。木屑或者木片里面天然存在着的灰分杂质会使得硼铁杂质含量增加；(2)为了节省硼铁合金生产成本或者充分利用矿物资源，也有人提出以含硼的硼铁镁矿、或者主要成分为氧化铁(Fe₂O₃)的铁精粉、烧结球团或者冶金级焦炭作为反应物(竹内顺、佐藤有一、坂本广明 高纯度硼铁合金 中国专利申请号200610082571.X，黄占文 硼铁的生产方法 中国专利申请号200810224192.9，施允石 祖国文 贾宗生 一种使用预制硼焦的碳热法生产硼铁工艺 中国专利申请号93108638.8，张显鹏 崔传孟 刘素兰 冀春霖 赵乃仁 硼镁铁矿直接制取硼铁的方法 中国专利申请号87101579，Takao Hamada，Nobuo Tsuchiya，Toshihiro Inatani，Yoshiyasu Takada，Mitsuo Sumito，Eiji Katayama，Toshimitsu Koitabashi，Kyoji Okabe，Yo Ito，Method for producing Fe-B molten metal，US4397691， 1983，Sunao Takeuchi，Yuichi Sato，Hiroaki Sakamoto，High-purity ferroboron，a mother alloy for iron-base amorphous alloy，an iron-base amorphous alloy，and methods for producing the same，US 2006/0292027 A1)。这些原料的利用虽然能够在一定程度上降低生产成本，但是因为含有太多杂质，也就显著降低硼铁合金产品的品质，因为降低产品的使用价值。

大规模的冶炼生产会导致硼铁合金产品中存在大量的夹杂物，这就给非晶带材或稀土永磁材料的组分带来偏差，显微结构发生起伏，导致最终产品性能不稳定。

最后，为了避免上述高温下因原料内水蒸气引发的在矿热电炉内的爆炸，生产上通常采取将硼酸、硼酸盐先高温脱水，转换成硼酐，再与其他物料一起投入矿热电炉内生产的方法。由于硼酸脱水转换成硼酐需要额外的厂房、设备与人力，脱水过程中还存在高温下挥发损耗，这就给生产带来额外的成本。

因此，为了解决以上技术问题，设计了一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，该方法只需要将各组分粉体干混均匀，然后以一定压力压制，送入高温炉内处理即可得到高纯超细硼铁合金粉体，大大降低了硼铁合金生产对设备的依赖程度，并极大程度地降低了生产过程中的安全隐患。同时，由于反应原料在送入炉内进行生产之前就已经在极大程度上得到混合均匀，所以生产温度也大大降低，原料损耗极大地减少，硼铁合金成分均匀性也极大程度地得到提高。由于所得到的产物也是粒度细小的粉体，也就减少了传统冶炼法生产硼铁合金所需的后续破碎加工这一环节，进一步节省了人力、物力。此外，本方法操作简单且安全、对设备要求低、节能减排、所得产品高纯且品质稳定，能够满足高端下游对高纯硼铁超细粉体的需求。

技术实现要素：

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，其步骤为：

(1)以铁粉、含硼化合物粉体及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝(1.7～2.3)∶(0.8～1.2)∶(2.7～3.2)的摩尔比比例干混混合均匀，并置于模具内在1～250MPa压力下成型，干压成型后所得素坯备用；

(2)将步骤(1)制备好的素坯，置于高温炉里进行热处理，高温炉的升温步骤为：以15℃/分钟的升温速率从室温升至1000℃，并保温15分钟；接着以10℃/分钟的升温速率从1000℃升温至1200～1600℃，并保温30分钟；然后切断高温炉电源，使高温炉自然冷却，等到高温炉内冷却至室温时，取出样品；整个热处理过程中，高温炉内充以氮气或氩气作为保护气氛，或者使高温炉内保持真空状态；

(3)步骤(2)所取出的样品与甲醇配置成固含量在5～85wt.％的浆料，同时添加相对于固相质量为0.01～5wt.％的马来酸作为分散剂，接着置于砂磨机内进行研磨，研磨持续时间为5～300分钟，研磨之后，将料取出干燥，即制备出高纯硼铁超细粉体。

优选的所述含硼化合物粉体为硼酐、硼酸或者硼砂，所述碳粉为木炭粉、石墨碳粉、焦炭碳粉、石油焦、煅后焦，淀粉或者葡萄糖。

优选的所述步骤(1)中铁粉、含硼化合物粉体及碳粉的粒径小于20目，能够在以干混工艺或进一步添加少量甲基纤维素或者水进行混合后，压制成素坯。

优选的所述高温炉为碳管炉、钼丝炉、感应炉、隧道炉、电弧炉或矿热炉。

优选的所述砂磨机为立式砂磨机或卧式砂磨机。

优选的所述高纯硼铁超细粉体的粒度为0.5～5000微米，硼含量为8～17wt.％。

本发明所涉及的一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，该方法只需要将各组分粉体干混均匀，然后以一定压力压制，送入高温炉内处理即可得到高纯超细硼铁合金粉体，大大降低了硼铁合金生产对设备的依赖程度，并极大程度地降低了生产过程中的安全隐患。同时，由于反应原料在送入炉内进行生产之前就已经在极大程度上得到混合均匀，所以生产温度也大大降低，原料损耗极大地减少，硼铁合金成分均匀性也极大程度地得到提高。由于所得到的产物也是粒度细小的粉体，也就减少了传统冶炼法生产硼铁合金所需的后续破碎加工这一环节，进一步节省了人力、物力。此外，本方法操作简单且安全、对设备要求低、节能减排、所得产品高纯且品质稳定，能够满足高端下游对高纯硼铁超细粉体的需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明按照具体实施例二制备出的高纯硼铁超细粉体的X射线衍射图谱；

图2是本发明按照具体实施例二制备出的高纯硼铁超细粉体的激光粒度沉降仪测试的粒度分布曲线；

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图为简化的示意图，仅以 示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

具体实施例一，一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，其步骤为：

(1)以铁粉、含硼化合物粉体及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝1.7∶0.8∶2.7的摩尔比比例干混混合均匀，并置于模具内在1MPa压力下成型，干压成型后所得素坯备用；

(2)将步骤(1)制备好的素坯，置于高温炉里进行热处理，高温炉的升温步骤为：以15℃/分钟的升温速率从室温升至1000℃，并保温15分钟；接着以10℃/分钟的升温速率从1000℃升温至1200℃，并保温30分钟；然后切断高温炉电源，使高温炉自然冷却，等到高温炉内冷却至室温时，取出样品；整个热处理过程中，高温炉内充以氮气或氩气作为保护气氛，或者使高温炉内保持真空状态；

(3)步骤(2)所取出的样品与甲醇配置成固含量在5wt.％的浆料，同时添加相对于固相质量为0.01wt.％的马来酸作为分散剂，接着置于砂磨机内进行研磨，研磨持续时间为5分钟，研磨之后，将料取出干燥，即制备出高纯硼铁超细粉体。

所述含硼化合物粉体为硼酐，所述碳粉为木炭粉，所述步骤(1)中铁粉、含硼化合物粉体及碳粉的粒径小于20目，能够在以干混工艺压制成素坯。

所述高温炉为碳管炉，所述砂磨机为立式砂磨机，所述高纯硼铁超细粉体的粒度为0.5～5000微米，硼含量为8～17wt.％。

具体实施例二，一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，其步骤为：

(1)以铁粉、含硼化合物粉体及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝2∶1∶3的摩尔比比例干混混合均匀，并置于模具内在120MPa压力下成型，干压成型后所得素坯备用；

(2)将步骤(1)制备好的素坯，置于高温炉里进行热处理，高温炉的升温步骤为：以15℃/分钟的升温速率从室温升至1000℃，并保温15分钟；接着以10℃/分钟的升温速率从1000℃升温至1400℃，并保温30分钟；然后切断高温炉电源，使高温炉自然冷却，等到高温炉内冷却至室温时，取出样品；整个热处理过程中，高温炉内充以氮气或氩气作为保护气氛，或者使高温炉内保持真空状态；

(3)步骤(2)所取出的样品与甲醇配置成固含量在55wt.％的浆料，同时添加相对于固相质量为3wt.％的马来酸作为分散剂，接着置于砂磨机内进行研磨，研磨持续时间为200分钟，研磨之后，将料取出干燥，即制备出高纯硼铁超细粉体。

所述含硼化合物粉体为硼酸，所述碳粉为焦炭碳粉，所述步骤(1)中铁粉、含硼化合物粉体及碳粉的粒径小于20目，能够在进一步添加少量甲基纤维素混合后，压制成素坯。

所述高温炉为感应炉，所述砂磨机为卧式砂磨机，所述高纯硼铁超细粉体的粒度为0.5～5000微米，硼含量为8～17wt.％。

从图1中可以看到所得产物成分为硼铁纯相，从图2中可以看到所得粉体浆料以激光粒度沉降仪测试的粒度分布曲线。

具体实施例三，一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，其步骤为：

(1)以铁粉、含硼化合物粉体及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝2.3∶1.2∶3.2的摩尔比比例干混混合均匀，并置于模具内在250MPa压力下成型，干压成型后所得素坯备用；

(2)将步骤(1)制备好的素坯，置于高温炉里进行热处理，高温炉的升温步骤为：以15℃/分钟的升温速率从室温升至1000℃，并保温15分钟；接着以10℃/分钟的升温速率从1000℃升温至1600℃， 并保温30分钟；然后切断高温炉电源，使高温炉自然冷却，等到高温炉内冷却至室温时，取出样品；整个热处理过程中，高温炉内充以氮气或氩气作为保护气氛，或者使高温炉内保持真空状态；

(3)步骤(2)所取出的样品与甲醇配置成固含量在85wt.％的浆料，同时添加相对于固相质量为5wt.％的马来酸作为分散剂，接着置于砂磨机内进行研磨，研磨持续时间为300分钟，研磨之后，将料取出干燥，即制备出高纯硼铁超细粉体。

所述含硼化合物粉体为硼砂，所述淀粉，所述步骤(1)中铁粉、含硼化合物粉体及碳粉的粒径小于20目，能够在以水进行混合后，压制成素坯。

所述高温炉为矿热炉，所述砂磨机为立式砂磨机。，所述高纯硼铁超细粉体的粒度为0.5～5000微米，硼含量为8～17wt.％。

本发明所涉及的一种制备高纯硼铁超细粉体的方法，该方法只需要将各组分粉体干混均匀，然后以一定压力压制，送入高温炉内处理即可得到高纯超细硼铁合金粉体，大大降低了硼铁合金生产对设备的依赖程度，并极大程度地降低了生产过程中的安全隐患。同时，由于反应原料在送入炉内进行生产之前就已经在极大程度上得到混合均匀，所以生产温度也大大降低，原料损耗极大地减少，硼铁合金成分均匀性也极大程度地得到提高。由于所得到的产物也是粒度细小的粉体，也就减少了传统冶炼法生产硼铁合金所需的后续破碎加工这一环节，进一步节省了人力、物力。此外，本方法操作简单且安全、对设备要求低、节能减排、所得产品高纯且品质稳定，能够满足高端下游对高纯硼铁超细粉体的需求。

以上述依据本专利的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项专利技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项专利的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围 来确定其技术性范围。