一種制備高純硼鐵超細粉體的方法與流程

本發明涉及到高性能合金材料技術領域，具體涉及到一種制備高純硼鐵超細粉體的方法。

背景技術：

高性能非晶帶材及高性能稀土永磁材料的不斷推廣應用，對原材料的純度及品質的穩定性提出了更高的要求。硼鐵合金作為在非晶帶材或稀土永磁材料中引入硼元素的重要原料之一，其成分可控性及穩定性對于在大規模生產水平獲得高性能非晶帶材或稀土永磁材料產品并提高成品率起著至關重要的作用。

硼鐵合金工業化生產的傳統工藝通常是基于如下反應式，采用廢鐵片或者鋼屑作為鐵源，采用硼酐、硼酸或硼砂作為硼源，采用焦炭或者木片作為碳源，在礦熱電爐里，以冶煉的方式進行生產(曹毅，低鋁高純硼鐵的生產方法 鐵合金 1986(03)，韋壽南；施允石，低鋁硼鐵的生產，鐵合金.1986(04)，索淑芬.碳熱法生產硼鐵的最佳參數，鐵合金.1992(05))。

4Fe+2B2O3+3C→4FeB+3CO2

為了讓尺寸較大的鐵片、木片等原料與硼酐、硼酸之間充分接觸并發生反應，通常需要在遠超出主要原料硼酐與鐵片熔點的溫度(高于1800-3000℃)下使硼酐與鐵片熔融，并使冶煉所得的硼鐵合金熔體具有較低的粘度，從而使爐內不同部位硼鐵液態合金成分均勻且易于出爐操作。

這種工藝存在著幾個主要問題：(1)由于生產溫度高，再加上礦熱電爐具有生產環境開放、與大氣接觸的特點，這就使得硼鐵合金生產存在著能量消耗 巨大；(2)由于硼酐的密度遠低于鐵水，在高溫下容易浮在鐵水表面，且由于硼酐及鐵水的粘度都很高，導致硼酐與鐵水及焦炭混合困難，這就使得礦熱電爐內不同部位硼鐵合金熔體成分不均勻；(3)由于硼酐的熔點和沸點都很低(分別大約為450℃和1680℃)，在硼鐵實際生產條件下，很容易發生揮發，造成昂貴原材料硼酐的損耗。在進行冶煉的同時，硼酐也可以作為氧源，將焦炭或者木片氧化，生成碳化硼(B₄C)等副產物，造成物料損失，也造成對環境的嚴重污染；硼酐或者碳化硼也可以固溶或者夾雜進入硼鐵合金熔塊，導致雜質含量增加、品質下降及后處理加工成本的增加。

此外，還有兩個因素會導致硼鐵合金雜質增加，品質下降：(1)硼酸或者硼酐等反應物原料在高溫下存在殘余水分蒸發的現象，在高溫熔體內聚集到一定程度后，容易引發硼鐵合金熔體在爐內爆炸，造成重大生產安全事故。為了減少或者避免這一現象的發生，通常需要在原料混合物里面同時加入木屑或者木片，在爐內熔融的物料之間架空熔體，形成讓水蒸氣逸出的通道。木屑或者木片里面天然存在著的灰分雜質會使得硼鐵雜質含量增加；(2)為了節省硼鐵合金生產成本或者充分利用礦物資源，也有人提出以含硼的硼鐵鎂礦、或者主要成分為氧化鐵(Fe₂O₃)的鐵精粉、燒結球團或者冶金級焦炭作為反應物(竹內順、佐藤有一、坂本廣明 高純度硼鐵合金 中國專利申請號200610082571.X，黃占文 硼鐵的生產方法 中國專利申請號200810224192.9，施允石 祖國文 賈宗生 一種使用預制硼焦的碳熱法生產硼鐵工藝 中國專利申請號93108638.8，張顯鵬 崔傳孟 劉素蘭 冀春霖 趙乃仁 硼鎂鐵礦直接制取硼鐵的方法 中國專利申請號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)。這些原料的利用雖然能夠在一定程度上降低生產成本，但是因為含有太多雜質，也就顯著降低硼鐵合金產品的品質，因為降低產品的使用價值。

大規模的冶煉生產會導致硼鐵合金產品中存在大量的夾雜物，這就給非晶帶材或稀土永磁材料的組分帶來偏差，顯微結構發生起伏，導致最終產品性能不穩定。

最后，為了避免上述高溫下因原料內水蒸氣引發的在礦熱電爐內的爆炸，生產上通常采取將硼酸、硼酸鹽先高溫脫水，轉換成硼酐，再與其他物料一起投入礦熱電爐內生產的方法。由于硼酸脫水轉換成硼酐需要額外的廠房、設備與人力，脫水過程中還存在高溫下揮發損耗，這就給生產帶來額外的成本。

因此，為了解決以上技術問題，設計了一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，該方法只需要將各組分粉體干混均勻，然后以一定壓力壓制，送入高溫爐內處理即可得到高純超細硼鐵合金粉體，大大降低了硼鐵合金生產對設備的依賴程度，并極大程度地降低了生產過程中的安全隱患。同時，由于反應原料在送入爐內進行生產之前就已經在極大程度上得到混合均勻，所以生產溫度也大大降低，原料損耗極大地減少，硼鐵合金成分均勻性也極大程度地得到提高。由于所得到的產物也是粒度細小的粉體，也就減少了傳統冶煉法生產硼鐵合金所需的后續破碎加工這一環節，進一步節省了人力、物力。此外，本方法操作簡單且安全、對設備要求低、節能減排、所得產品高純且品質穩定，能夠滿足高端下游對高純硼鐵超細粉體的需求。

技術實現要素：

為了克服背景技術中存在的缺陷，本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，其步驟為：

(1)以鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝(1.7～2.3)∶(0.8～1.2)∶(2.7～3.2)的摩爾比比例干混混合均勻，并置于模具內在1～250MPa壓力下成型，干壓成型后所得素坯備用；

(2)將步驟(1)制備好的素坯，置于高溫爐里進行熱處理，高溫爐的升溫步驟為：以15℃/分鐘的升溫速率從室溫升至1000℃，并保溫15分鐘；接著以10℃/分鐘的升溫速率從1000℃升溫至1200～1600℃，并保溫30分鐘；然后切斷高溫爐電源，使高溫爐自然冷卻，等到高溫爐內冷卻至室溫時，取出樣品；整個熱處理過程中，高溫爐內充以氮氣或氬氣作為保護氣氛，或者使高溫爐內保持真空狀態；

(3)步驟(2)所取出的樣品與甲醇配置成固含量在5～85wt.％的漿料，同時添加相對于固相質量為0.01～5wt.％的馬來酸作為分散劑，接著置于砂磨機內進行研磨，研磨持續時間為5～300分鐘，研磨之后，將料取出干燥，即制備出高純硼鐵超細粉體。

優選的所述含硼化合物粉體為硼酐、硼酸或者硼砂，所述碳粉為木炭粉、石墨碳粉、焦炭碳粉、石油焦、煅后焦，淀粉或者葡萄糖。

優選的所述步驟(1)中鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉的粒徑小于20目，能夠在以干混工藝或進一步添加少量甲基纖維素或者水進行混合后，壓制成素坯。

優選的所述高溫爐為碳管爐、鉬絲爐、感應爐、隧道爐、電弧爐或礦熱爐。

優選的所述砂磨機為立式砂磨機或臥式砂磨機。

優選的所述高純硼鐵超細粉體的粒度為0.5～5000微米，硼含量為8～17wt.％。

本發明所涉及的一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，該方法只需要將各組分粉體干混均勻，然后以一定壓力壓制，送入高溫爐內處理即可得到高純超細硼鐵合金粉體，大大降低了硼鐵合金生產對設備的依賴程度，并極大程度地降低了生產過程中的安全隱患。同時，由于反應原料在送入爐內進行生產之前就已經在極大程度上得到混合均勻，所以生產溫度也大大降低，原料損耗極大地減少，硼鐵合金成分均勻性也極大程度地得到提高。由于所得到的產物也是粒度細小的粉體，也就減少了傳統冶煉法生產硼鐵合金所需的后續破碎加工這一環節，進一步節省了人力、物力。此外，本方法操作簡單且安全、對設備要求低、節能減排、所得產品高純且品質穩定，能夠滿足高端下游對高純硼鐵超細粉體的需求。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明按照具體實施例二制備出的高純硼鐵超細粉體的X射線衍射圖譜；

圖2是本發明按照具體實施例二制備出的高純硼鐵超細粉體的激光粒度沉降儀測試的粒度分布曲線；

具體實施方式

現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。附圖為簡化的示意圖，僅以 示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。

具體實施例一，一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，其步驟為：

(1)以鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝1.7∶0.8∶2.7的摩爾比比例干混混合均勻，并置于模具內在1MPa壓力下成型，干壓成型后所得素坯備用；

(2)將步驟(1)制備好的素坯，置于高溫爐里進行熱處理，高溫爐的升溫步驟為：以15℃/分鐘的升溫速率從室溫升至1000℃，并保溫15分鐘；接著以10℃/分鐘的升溫速率從1000℃升溫至1200℃，并保溫30分鐘；然后切斷高溫爐電源，使高溫爐自然冷卻，等到高溫爐內冷卻至室溫時，取出樣品；整個熱處理過程中，高溫爐內充以氮氣或氬氣作為保護氣氛，或者使高溫爐內保持真空狀態；

(3)步驟(2)所取出的樣品與甲醇配置成固含量在5wt.％的漿料，同時添加相對于固相質量為0.01wt.％的馬來酸作為分散劑，接著置于砂磨機內進行研磨，研磨持續時間為5分鐘，研磨之后，將料取出干燥，即制備出高純硼鐵超細粉體。

所述含硼化合物粉體為硼酐，所述碳粉為木炭粉，所述步驟(1)中鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉的粒徑小于20目，能夠在以干混工藝壓制成素坯。

所述高溫爐為碳管爐，所述砂磨機為立式砂磨機，所述高純硼鐵超細粉體的粒度為0.5～5000微米，硼含量為8～17wt.％。

具體實施例二，一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，其步驟為：

(1)以鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝2∶1∶3的摩爾比比例干混混合均勻，并置于模具內在120MPa壓力下成型，干壓成型后所得素坯備用；

(2)將步驟(1)制備好的素坯，置于高溫爐里進行熱處理，高溫爐的升溫步驟為：以15℃/分鐘的升溫速率從室溫升至1000℃，并保溫15分鐘；接著以10℃/分鐘的升溫速率從1000℃升溫至1400℃，并保溫30分鐘；然后切斷高溫爐電源，使高溫爐自然冷卻，等到高溫爐內冷卻至室溫時，取出樣品；整個熱處理過程中，高溫爐內充以氮氣或氬氣作為保護氣氛，或者使高溫爐內保持真空狀態；

(3)步驟(2)所取出的樣品與甲醇配置成固含量在55wt.％的漿料，同時添加相對于固相質量為3wt.％的馬來酸作為分散劑，接著置于砂磨機內進行研磨，研磨持續時間為200分鐘，研磨之后，將料取出干燥，即制備出高純硼鐵超細粉體。

所述含硼化合物粉體為硼酸，所述碳粉為焦炭碳粉，所述步驟(1)中鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉的粒徑小于20目，能夠在進一步添加少量甲基纖維素混合后，壓制成素坯。

所述高溫爐為感應爐，所述砂磨機為臥式砂磨機，所述高純硼鐵超細粉體的粒度為0.5～5000微米，硼含量為8～17wt.％。

從圖1中可以看到所得產物成分為硼鐵純相，從圖2中可以看到所得粉體漿料以激光粒度沉降儀測試的粒度分布曲線。

具體實施例三，一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，其步驟為：

(1)以鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉，按Fe∶B₂O₃∶C＝2.3∶1.2∶3.2的摩爾比比例干混混合均勻，并置于模具內在250MPa壓力下成型，干壓成型后所得素坯備用；

(2)將步驟(1)制備好的素坯，置于高溫爐里進行熱處理，高溫爐的升溫步驟為：以15℃/分鐘的升溫速率從室溫升至1000℃，并保溫15分鐘；接著以10℃/分鐘的升溫速率從1000℃升溫至1600℃， 并保溫30分鐘；然后切斷高溫爐電源，使高溫爐自然冷卻，等到高溫爐內冷卻至室溫時，取出樣品；整個熱處理過程中，高溫爐內充以氮氣或氬氣作為保護氣氛，或者使高溫爐內保持真空狀態；

(3)步驟(2)所取出的樣品與甲醇配置成固含量在85wt.％的漿料，同時添加相對于固相質量為5wt.％的馬來酸作為分散劑，接著置于砂磨機內進行研磨，研磨持續時間為300分鐘，研磨之后，將料取出干燥，即制備出高純硼鐵超細粉體。

所述含硼化合物粉體為硼砂，所述淀粉，所述步驟(1)中鐵粉、含硼化合物粉體及碳粉的粒徑小于20目，能夠在以水進行混合后，壓制成素坯。

所述高溫爐為礦熱爐，所述砂磨機為立式砂磨機。，所述高純硼鐵超細粉體的粒度為0.5～5000微米，硼含量為8～17wt.％。

本發明所涉及的一種制備高純硼鐵超細粉體的方法，該方法只需要將各組分粉體干混均勻，然后以一定壓力壓制，送入高溫爐內處理即可得到高純超細硼鐵合金粉體，大大降低了硼鐵合金生產對設備的依賴程度，并極大程度地降低了生產過程中的安全隱患。同時，由于反應原料在送入爐內進行生產之前就已經在極大程度上得到混合均勻，所以生產溫度也大大降低，原料損耗極大地減少，硼鐵合金成分均勻性也極大程度地得到提高。由于所得到的產物也是粒度細小的粉體，也就減少了傳統冶煉法生產硼鐵合金所需的后續破碎加工這一環節，進一步節省了人力、物力。此外，本方法操作簡單且安全、對設備要求低、節能減排、所得產品高純且品質穩定，能夠滿足高端下游對高純硼鐵超細粉體的需求。

以上述依據本專利的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項專利技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項專利的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍 來確定其技術性范圍。