Технология получения карбида бора

Карбид бора – В₄С (торговая марка тетрабор) и изделия на его основе широко применяются в различных отраслях техники и промышленности, в порошковой металлургии, для изготовления конструкционной керамики (броневых плит, облицовочной брони кабин самолетов, вертолетов), противоударной одежды (бронежелетов), а также в атомной энергетике в качестве поглотителей тепловых нейтронов в регулируемых стержнях ядерных реакторов. В металлообрабатывающей отрасли В₄С используется в шлифовально-полировочных операциях.

Температура плавления карбида В₄С 2450^оС. Образование В₄С из элементов представлено реакцией

4В + С = В₄С

и сопровождается изменением энергии Гиббса

∆G = 544368 + 2,763∙10^-3Т² – 138,84Т, Дж/моль.

В соответствии с ГОСТ 5744-74 промышленность производит карбид бора, предназначенный для использования в свободном виде на шлифовально-полировальных операциях и для других указанных выше целей. Карбид бора поставляется в виде шлифзерна (номер 16), шлифовального порошка (номера 12, 10, 8, 6, 5, 3) и микропорошка (М40, М28, М20, М14, М10, М7, М5) по ГОСТ 3647-71. По химическому составу карбид бора должен удовлетворять требованиям ГОСТ 5744-74 (табл. 17.7).

Таблица 17.7. Химический состав, %, карбида бора

Химизм процесса в общем виде может быть представлен реакцией

4Н₃ВО₃ + 7С = В₄С + 6Н₂О + 6СО,

являющейся суммой низкотемпературного превращения ортоборной кислоты

4Н₃ВО₃ 2В₂О₃ + 6Н₂О

и основной высокотемпературной реакции

2В₂О₃ + 7С = В₄С + 6СО,

∆G = 1639247 – 891,053Т, Дж/моль.

Условие ∆G = 0 соблюдается при 1840 K.

Исходя из данных термодинамики, кинетики и механизма этого сложного процесса, разработан* процесс получения карбида бора с использованием ортоборной кислоты и углеродистого восстановителя в дуговой печи специально разработанной конструкции (рис. 17.5).

Разработана новая конструкция дуговой электропечи для выплавки карбида бора. Как следует из рис. 17.5, дуговая электропечь с установленной мощностью трансформатора 2000 кВ∙А имеет два металлических нефутерованных кожуха. Наружный кожух стационарный, внутренний – подвижный. Наружный кожух имеет диаметр 2 м и высоту 2 м, а внутренний – диаметр 1,6 м, высоту 1,2. Наружный кожух устанавливается на тележку – подину, а внутренний – подвешивается та тягах и может перемещаться по вертикали по ходу плавки карбида бора, для чего имеется механизм перемещения этого кожуха. Наружный кожух по верхней кромке переходит в так называемый ложный кожух, представляющий собой секционный

_______________________________

* Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических материалов. – М.: Металлургия, 1990. – 232с.

раструб высотой 0,5 м с верхним диаметром 3,1 м. Подина на тележке выкладывается из графитированных блоков сечения 0,4х0,4 м. Электропитание печи производится от трехфазного трансформатора типа ЭТМК 3200/10 мощностью 2000 кВ∙А, имеющего 12 ступеней напряжения на низкой стороне от 69,6 В до 145 В при токе 7–10 кА. Электроды используются графитированные диаметром 300 мм.

Рис. 17.5. Общий вид дуговой печи для выплавки карбида бора

блок-процессом:

1 – трос; 2 – стойка механизма перемещения электрода; 3 – гибкий кабель; 4 – проем; 5 – рукав электрододержателя; 6 – электрод; 7 - подвижный кожух; 8 – наружный кожух; 9 – подина; 10 – выкатная тележка

Подготовленная шихта для выплавки карбида бора засыпается в раструб и поступает в кольцевой зазор между наружным и внутренним кожухами. В процессе плавки внутренний кожух нагревается от электрических дуг реакционного расплава до 600–700^оС, вследствие чего борная кислота плавится, а шихтовая смесь (Н₃ВО₃ + углерод) приобретает подвижность. При этих температурах происходит дегидратация Н₃ВО₃ с образованием борного ангидрида В₂О₃ и Н₂О_пар. Шихта состоит из ортоборной кислоты Н₃ВО₃ (ГОСТ 1870-78) и углеродистого восстановителя с весьма малым содержанием золы (≤0,5%). Борная кислота содержит ³99,9% Н₃ВО₃ (марки А и Б) и ³99,6 (I сорт) ³98,6% (II сорт) Н₃ВО₃ (марка В). Компоненты шихты тщательно дозируются и в порошкообразном виде поступают в плавку.

Гетерогенный оксидноуглеродный расплав по мере подъема внутреннего кожуха самотеком поступает под электроды в зоны горения электрических дуг, которые практически закрыты этим расплавом. Поступление расплавившейся шихты под электроды регулируется скоростью (частотой) подъема внутреннего кожуха. Поступление шихты – расплава в реакционную зону (под электрические дуги) сообразуется со скоростью восстановительных реакций и, в конечном счете, со скоростью формирования из жидкой карбидборовой фазы блока карбида бора гомогенной структуры, по составу отвечающей формуле В₄С.

По окончании плавки электроды, внутренний и ложный кожухи поднимаются, тележка–подина с наплавленным блоком карбида бора (массой 250–300 кг) выкатываются в основной пролет цеха. После охлаждения блока он передается на эстакаду для последующего дробления. Тележка–подина с установленным наружным кожухом закатывается на рабочее место для новой плавки.

Электропечи описанной конструкции и разработанной технологии электроплавки карбида бора позволяют получать блок карбида бора следующего состава, %: 75–77 В_общ; 1–2 В₂О₃; 22–24 С_общ; 1–3 С_своб; 95–98 В₄С.

На 1 т дробленого блока карбида бора расходуется 5,0 т борной кислоты, 1,6 т нефтяного кокса (или стружки от механической обточки графитированных электродов на электродных заводах); 0,15 т графитированных электродов, 18000 кВт∙ч электроэнергии.