一种碳化硼制备方法技术

本发明专利技术公开一种碳化硼制备方法，以B2O3为原料，采用石墨化处理后的石油焦为还原剂，在加热炉内，加热还原生成B4C；所述石油焦与B2O3的按质量比为1:2.5，加热温度为2400摄氏度；加热时间为21小时。本发明专利技术的优点是：通过化学指标分析结果证明，石油焦在石墨化过程中将卤素及同位素大量排出，制备出的碳化硼化学成分达到了优质标准的要求。

Preparation method of boron carbide

The invention discloses a preparation method of boron carbide, using B2O3 as the raw material by graphitized petroleum coke as a reductant in heating furnace, heating and reducing the generation of B4C; the petroleum coke and B2O3 according to the mass ratio of 1:2.5, the heating temperature is 2400 degrees Celsius; the heating time is 21 hours. The invention has the advantages that by chemical index analysis results show that the petroleum coke graphitization process will discharge a lot of halogen and isotope, the chemical composition of boron carbide prepared to achieve the high quality standards.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硼制备方法
本专利技术涉及冶金化工
，具体说是一种碳化硼的制备方法。
技术介绍
碳化硼最早是在1858年被发现的，然后英国的JOIY在1883年、法国的Moissan在1894年分别制备和认定了B3C\B6C。化学计量分子式为B4C的化合物直到1934年才被认知。碳化硼(B4C)由于其共价键的性质而具有较高的熔点、较高的硬度、耐磨性好、耐酸碱腐蚀、密度小等性质。在碳化硼中，硼和碳同为非金属元素，切原子半径互相接近，其结合方式与一般填隙型化合物不同。正是由于这种特殊的结合方式，使其具有很高的热中子吸收能力，可以作为核反应堆控制棒和屏蔽材料，但近几年核工业碳化硼微量元素偏高，始终困扰着碳化硼发展。在工业上制备B4C，多以B2O3为原料，传统以碳(石墨或石油焦)为还原剂，在矿热炉内，用碳热还原生成B4C，其还原反应式为：2/3B2O3+7/3C＝1/3B4C+2CO石油焦中含有N、S及灰分等杂质，这些杂质在直接还原氧化硼工艺中影响着碳化硼的质量。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种碳化硼的制备方法，采用石油焦作为还原剂，为克服石油焦中杂质对碳化硼成品的影响，首先对石油焦进行石墨化处理；具体技术方案如下：一种碳化硼制备方法，以B2O3为原料，采用石墨化处理后的石油焦为还原剂，在加热炉内，加热还原生成B4C；所述石油焦与B2O3按质量比为1:2.5，加热温度为2400摄氏度；加热时间为21小时。所述石油焦的石墨化处理前的成分按质量百分比：炭86.6-91.8、氢3.44-4.16、氧0.12-6.2、氮0.79-3.028、硫0.5-5.61、灰分0.21-1.75。所述石墨化处理方法为采用加热炉对石油焦进行加热处理，加热方式为三段式加温，第一段加热温度1273～1700K，加热时间为2小时，第二段加热温度1700～2400K，加热时间为4小时，第三段加热温度2400K-2600K,加热时间为2小时。本专利技术的优点是：通过化学指标分析结果证明，石油焦在石墨化过程中将卤素及同位素大量排出，制备出的碳化硼化学成分达到了优质标准的要求。具体实施方式碳化硼制备工艺用氧化硼与碳在立式电炉中进行高温还原反应：2B2O3(4H3BO3)+7C＝B4C+6CO+(6H2O)。碳化硼制备过程中的物理化学特征一般认为B4C(含B:77.5％)的熔点为2720K(2447℃)，沸点为3770K(3497℃)，分子生成热为27.17J.K-1.mol-1。B4C的蒸汽压PB4C与温度的关系为：lgPB4C＝-28850/T+8.88当T＝2400K(2127℃)3，PB4C＝0.72Pa,可见B4C在高温情况下几乎不挥发。根据无机物热力学数据，再用组合法可求出上述反应的△Gθ值为：△Gθ＝565417-306.98T,J.mol-1则可计算出B4C的生成温度。当△Gθ＝0时，标态下B4C的生成温度为1824K(1551℃)。实际生产中体系中PCO<100kpa，故碳化硼的生成温度比上述计算值还低。从氧化还原反应分析：主要原材料有还原剂石油焦，那么卤素及同位素存在于这种原材料当中，从这种原材料着手为切入点。石油焦的元素分析与前期制备石油焦是石油炼制过程中的副产品，用途随种类不同而不同，它主要用于制取碳素、碳化硅以及有色金属和铝的冶炼中的还原剂等。石油焦具有灰分低，热值高的特点。对石油焦的组成成分和热值进行统计分析如下表1石油焦中水分M、灰分A和挥发分V和固定碳FC质量百分比的统计石油焦的元素分析元素分析一般采用干燥试样进行，测量的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫五种元素，其质量分数通常直接用化学符号C、H、O、N和S表示，灰分以A表示，其试样结果如下：表2石油焦中C、H、O、N和S五种元素质量百分比的统计值表3石油焦中C、H、O、N和S五种元素质量百分比的统计值从表中不难看出氮和硫含量的平均值分别是1.79％和2.87％，灰分0.86％所以需将这些微量元素进行去除。通过分析石油焦直接还原氧化硼这些杂质影响着碳化硼的质量，所以对石油焦进行石墨化处理石墨化过程在石墨化过程中，炭一石墨体系既有吸热也有放热，大致可以分成以下三个阶段：第一阶段(1273～1700K)：在比焙烧最高温度更高的温度下，制品进一步排除挥发分，所有残留的脂肪族碳链，C-H、C＝O键都在此温度范围内先后断裂。乱层结构层间的C、H、O、N、S等原子或简单分子(CH4、CO、CO2等)也在这时排出。这一温度区间主要是吸热过程，化学反应在继续，同时也有物理变化，表现在一部分微晶边界消失，界面能以热的形式放出，成为促进碳网平面长大的动力。X射线测定表明，在此温度区间内，层面堆砌厚度没有明显的增大，有序排列是在二维平面上进行的，二维平面尺寸不超过80×10-10m，炭网结构的大分子仍为乱层结构。第二阶段(1700～2400K)：这一阶段有两种情况。一是随温度上升，碳原子热振频率增加，振幅增大，受最小自由能规律的支配，碳网层面间距缩小，向石墨结构过渡。与此同时，碳原子沿层面方向的振幅增大，晶体平面上的位错线和晶界消失。到2000K时，体系的熵变达到最低值，三维有序排列基本形成，这是一个放热过程。二是在2000～2400K有碳化物生成，并随之在更高温度下分解。当温度接近2400K时，碳的蒸气压开始增大，出现热缺陷。由于碳化物的生成和分解反应在此温度区间进行较多，故体系需吸热，表现为熵变重新增大。第三阶段(2400K以上)：一般石油焦石墨化后当温度达到2400K以上时，晶粒的a轴方向平均已长大到10～15nm，c轴方向层面堆砌达到60层左右(厚约200nm)。由于2400K以前的有序化，引起晶粒收缩，晶粒界面间隙有所扩大，此时，石墨化度的提高主要靠再结晶过程。一方面以吸热为动力，碳网平面内和层面间的碳原子发生迁移，进行结晶的完善和三维排列。另一方面，碳的蒸发率随温度的升高而呈指数地增大。此时，在石墨化体系中充满着C、C2、C3、C4…等碳原子及分子气体，在固相和气相间进行着极其活跃的物质交换一再结晶。通过石油焦石墨化后得到高纯碳质还原剂，解决碳化硼冶炼出的成品卤素及同位素的含量。石油焦的燃烧反应式如表3。表3通过化学指标分析结果证明，石油焦在石墨化过程中将卤素及同位素大量排出，制备出的碳化硼化学成分达到了优质标准的要求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硼制备方法，其特征在于：以B2O3为原料，采用石墨化处理后的石油焦为还原剂，在加热炉内，加热还原生成B4C；所述石油焦与B2O3按质量比为1:2.5，加热温度为2400摄氏度；加热时间为21小时。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硼制备方法，其特征在于：以B2O3为原料，采用石墨化处理后的石油焦为还原剂，在加热炉内，加热还原生成B4C；所述石油焦与B2O3按质量比为1:2.5，加热温度为2400摄氏度；加热时间为21小时。2.根据权利要求1所述的碳化硼制备方法，其特征在于：所述石油焦在石墨化处理前的成分按质量百分比：炭86.6-91.8、氢3.44...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓波，王忠瑞，张特佳，张亚君，王润宇，王森，李文艳，
申请(专利权)人：润鸣新素材通辽有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15