一种高品质碳化硼结晶块的冶炼制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳化硼原料生产制备领域，特别涉及一种高品质碳化硼结晶块的冶炼制备方法。
【背景技术】
[0002]蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(Ct-Al2O3)单晶，具有高硬度、耐磨性好、优异机械性能、光学性能和化学稳定性等优良特性，已被广泛地应用于红外军事装置、卫星空间技术和高强度激光的窗口材料。近年来，蓝宝石被广泛用作LED最理想的衬底材料，又开始逐步应用于高端手机领域，如手机屏幕、触控键以及镜头等。
[0003]但是蓝宝石不论是用于LED或是手机领域等，都需要先将蓝宝石晶体切割成厚度为800μπι左右的晶片，然后再通过研磨和抛光工序将蓝宝石加工成700μπι左右的晶片。而研磨工序是蓝宝石关键环节，过去主要是采用不同粒度的金刚石粉进行研磨，但是由于金刚石价格昂贵且产量低，现在国内外逐渐采用价格相对低廉的碳化硼替代金刚石对蓝宝石进行研磨。
[0004]碳化硼，分子式为B4C,为灰黑色粉末，是最硬的人造磨料之一。目前碳化硼工业生产的主要方法就是碳热还原法即在电弧炉内用碳还原硼酸来制备的。如在公开号为CN1421386A的发明申请《核工业用碳化硼粉的制备方法》中，将硼酸、炭黑和石油焦粉混合后，放入电弧炉中在2350?2500°C下冶炼10?14h后生成块状碳化硼，再将其粉碎成粒径小于63μπι的粉体。在公开号为CN102115080B的发明专利《一种lt3B碳化硼及其制备方法》中，将富含lt3B的硼酸和高纯石墨粉混合后压片，然后在100?200°C和500?700°C下分段焙烧脱水后放入感应加热炉或石墨加热炉或者电弧炉中进行碳化，碳化温度1855?2100°C下得到lt3B碳化硼产品。
[0005]在以上两个发明中，由于粉料的直接入炉和电弧炉明弧冶炼的特性，这就造成了以下缺点:(I)由于硼酸挥发损失大，使得硼酸和碳的配料比容易失调、难以准确控制；(2)由于电弧炉明弧冶炼的特性，造成硼酸挥发损失大，电弧炉炉内温度低且难以保温，且电弧炉内不同炉区的温度差别较大，所以生产的碳化硼杂质高、硬度低、密度小、质量差，能用于蓝宝石研磨用的高品质碳化硼的产出率低(20?40%); (3)碳化硼冶炼能耗较高，环境污染严重。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对目前碳化硼冶炼技术及其产品存在的不足之处，以及蓝宝石行业对高品质碳化硼的迫切需求，提出了一种高品质碳化硼结晶块的冶炼制备方法。本发明不仅原料利用率高，生产成本低，节约了能源，而且生产的碳化硼纯度高、硬度高、密度大，高品质碳化硼产出率高(60 %?80 % )，完全可以满足蓝宝石的研磨的需求，此外，本方法的原料挥发较少，极大降低了粉尘污染。
[0007]—种高品质碳化硼结晶块的冶炼制备方法，包括如下步骤:
[0008](I)将碳质还原剂和催化剂分别破碎成粒度为< 3_的粉料；
[0009](2)按照重量比例取硼酸粉、碳质还原剂粉、催化剂粉，再加适量水进行混料，搅拌后在高压压球机上压制成团块；
[0010](3)将压制好的团块烘干；
[0011](4)将已烘干的团块放入炉体可旋转的矿热炉内进行埋弧高温冶炼，制备出碳化硼结晶大块；
[0012](5)将碳化硼结晶大块破碎成20?80mm的小块，然后进行分级，取高品质碳化硼结晶块即为产品，高品质碳化硼结晶块的纯度应为2 94%，硼碳比应为3.9?4.2;
[0013]高品质碳化硼结晶块经过破碎、酸洗、筛分后加工成150?400μπι的粒度砂，可用于制备蓝宝石研磨用的碳化硼微粉;低品质的碳化硼可加工成耐火材料。
[0014]上述碳质还原剂为石油焦、石墨、煅后焦和炭黑，或者为石油焦、石墨和煅后焦，或者为石油焦、石墨和炭黑，或者为石油焦和石墨；
[0015]上述催化剂为0&?2、0&(:12、1((:1、他(:1中的一种或多种；
[0016]上述步骤(2)中硼酸粉、碳质还原剂、催化剂的重量百分含量为:硼酸60?80%，石油焦5?25%，煅后焦O?10%，石墨5?25%，炭黑O?10%，催化剂0.5?5% ;总重为100% ；
[0017]上述步骤(2)中，高压压球机的压制压力为8?50MPa，团块直径为25?50mm;
[0018]上述步骤(3)中，烘干温度为50?500°C;烘干时间为2?24h;
[0019]上述步骤(4)中，冶炼温度为1600?3000°C，较好的冶炼温度为1600?2500°C;冶炼时间为24?72h;
[0020]上述步骤(4)中，矿热炉的旋转速度为15?60度/h。
[0021]上述方法制得的高品质碳化硼纯度为96%?98%，硼碳比为3.9?4.2，高品质碳化硼产出率60%?80 %。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点是:
[0023](I)将原料破碎成< 3mm的粒度，既保证了原料配料混料后的分散性和均匀性，同时也增加了原料的比表面积，提高原料的反应活性；
[0024](2)通过将混合的原料高压压制成团，并进行烘干，不仅增加了原料的相互接触面积，而且显著减少了原料的扬尘损失和硼酸在旋转矿热炉内的高温挥发损失，为实现和保证原料配料比在炉外和炉内的准确控制奠定了基础；
[0025](3)在生成碳化硼的反应中添加了催化剂，即降低了反应温度，又促进了炉内碳化硼的生成反应，显著地提高了碳化硼的品质和致密性；
[0026](4)采用矿热炉埋弧冶炼，显著减少了硼酸的挥发损失，保证了炉内配料的准确性和冶炼高品质碳化硼所需要的高温；
[0027](5)采用炉体可旋转的矿热炉，显著地提高了炉内不同区域温度的均匀性，这些都是生产高品质碳化硼的必要条件。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0029]本发明实施例中采用的硼酸原料为粉末，重量纯度299.4%。
[0030]本发明实施例中采用的CaF2、CaCl2、KCl、NaCl为工业级产品。
[0031]本发明实施例中采用的炉体旋转的矿热炉购自遵义嘉行铁合金技术有限责公司。
[0032]实施例1
[0033]1、将石油焦、煅后焦、石墨、氯化钙和氯化钾分别研磨成粒度< 3_的粉料；
[0034]2、将原料按照如下重量百分含量进行配料:硼酸60%、石油焦25%、石墨5%、煅后焦5%、氯化钙2%和氯化钾3% ；
[0035]3、将混合料加适量水进行混料后置于高压压球机上压制成直径25?30mm团块，压制压力为8MPa;
[0036]4、将压制好的团块进行烘干，烘干温度为50°C，烘干时间为24h;
[0037]5、将团块放入旋转矿热炉内高温冶炼，矿热炉炉体的旋转速度为15度/h，冶炼温度1600?2000°C，冶炼时间为24h，冶炼成碳化硼结晶大块；
[0038]6、将碳化硼结晶大块破碎成20?80mm的小块，然后进行分级；将二级品即低品质的碳化硼用于加工成耐火材料;将一级品即高品质碳化硼块经破碎、酸洗、筛分后加工成粒度为250?350μπι的粒度砂，用于制备蓝宝石研磨用的碳化硼微粉。
[0039]经检测，制得的高品质碳化硼纯度为97.6 %，硼碳比为4.03，产出率61.7 %。
[0040]对比例I
[0041]1、将石油焦、煅后焦、石墨分别研磨成粒度<3_的粉料；
[0042]2、将原料按照如下重量比进行配料:硼酸60份、石油焦粉25份、石墨粉5份、煅后焦粉5份；
[0043]3、将原料放入旋转矿热炉内高温冶炼，矿热炉炉体的旋转速度为15度/h，冶炼温度2200°C?2600°C，冶炼时间为24h，冶炼成碳化硼结晶大块；
[0044]4、将碳化硼结晶大块破碎成20?80_的小块。
[0045]制得的碳化硼纯度为91.6%硼碳比为4.3，产出率为41.2%。
[0046]对比例2
[0047]1、将石油焦、煅后焦、石墨分别研磨成粒度< 3_的粉料；
[0048