碳化硼因具有硬度高(仅次于金刚石和立方氮化硼)、耐磨损、密度低、中子吸收能力大等优良特性,使其广泛应用于研磨材料、工程陶瓷材料、核反应控制材料和耐火材料等。随着科技的进步,高品质的碳化硼微粉可代替昂贵的金刚石微粉作为蓝宝石的研磨材料。而蓝宝石主要用于LED的底衬和手机的窗口片,随着LED产业的快速发展和蓝宝石在手机行业的逐步普及,近几年国内外对蓝宝石的需求量每年都以20%以上的速度在快速增长。蓝宝石产业的快速发展使得国内外对高品质的碳化硼的需求量猛增。但目前传统的碳化硼的生产工艺普遍存在着能耗高、产率低和污染重等不足,尤其是高品质碳化硼的产出率很低。因此新型电热冶金法制备碳化硼的反应过程的研究,不仅对优化传统冶炼工艺、提高高品质碳化硼的产出率具有理论指导意义,同时对蓝宝石产业的发展也具有积极的推动作用。本文研究内容主要包括以下四部分:(1)研究硼酸与碳的混合物的脱水实验及其反应动力学。通过实验研究了硼酸与碳的混合物在不同条件下的脱水过程,并基于此计算脱水反应的动力学。(2)研究了新型电热冶金法制备碳化硼的反应过程。首先用FactSage热力学软件计算了反应过程的热力学,并对其进行了验证实验,同时还探讨了反应温度和压力等条件对碳化硼产物的影响。此外,在实验室内进行了新型电热冶金法制备碳化硼的初探性实验。(3)进行了新型电热冶金法制备碳化硼的工业试验和实践。将实验室的研究结果在河南一家企业工业试验中进行实践和应用,对比了粉末冶炼和原料预脱水冶炼碳化硼在能耗、产量和产品品质等方面的不同。(4)研究和验证了新型电热冶金法生产出的碳化硼的品质。在云南一家企业将高品质的碳化硼结晶块加工为蓝宝石研磨料,并从纯度、晶型、物相结构和表观形貌等方面与传统工艺生产的碳化硼磨料进行了研究和对比。通过研究,本文得到的主要结果如下:(1)分别研究了硼酸与碳的混合物在100℃、150℃、200℃、300℃、350℃和400℃下的失重量、失重率和脱水速率等随温度的变化。结果表明:随着温度的升高,混合物的失重率和脱水速率也随之提高,在350℃～400℃下混合物不仅脱水速率快,并且脱水较为彻底,已满足工业脱水要求,因此工业上硼酸与碳的混合物炉外预脱水的温度应为350℃～400℃。(2)利用等温热重分析技术,研究硼酸与碳的混合物脱水反应的动力学。利用硼酸与碳的混合物在不同温度下的脱水实验数据,计算出脱水反应的动力学参数:表观活化能E和指前因子lnA,反应的表观活化能为30.89kJ·mol-1,指前因子为0.0138s-1,研究表明硼酸和碳的混合物的脱水反应极易发生,验证了硼酸与碳的混合物炉外预脱水的可行性。(3)新型电热冶金法制备碳化硼的反应过程的计算。利用FactSage热力学软件研究在冶炼过程中发生的主要反应,分别为:硼酸脱水、碳化硼合成及其他副反应。同时计算出碳化硼的理论合成温度为1557.15℃,当温度高于2469.85℃时,已生成的碳化硼会再次发生熔化或分解,并进行了验证实验。此外,还研究了反应温度和压力对反应的影响,研究表明:当温度为1800℃～2200℃,碳化硼的理论生成量较大;降低反应压力可降低碳化硼的合成温度。(4)新型电热冶金法制备碳化硼的初探性实验。以已脱水的物料为原料、采用块状入炉的方式进行冶炼,冶炼出产品主要为B13C2,碳化硼的含量为94.36%,其品质已满足蓝宝石研磨料的要求,验证了新型电热法的优越性。(5)新型电热冶金法制备高品质碳化硼的工业试验和实践。实践证明:采用原料预脱水冶炼工艺,其能耗为20500kwh/t,高品质碳化硼的产出率(一级品率)为63%,碳化硼的含量为94.72%。与传统工艺相比,可降低能耗近17%,提高产出率近15%,提高纯度近2%。实践表明:新型电热冶金法与传统工艺相比具有明显的优势。(6)研究和验证了新型电热冶金法制备的碳化硼结晶块的品质。将新型电热法生产的高品质碳化硼结晶块加工成蓝宝石用的研磨料,并从纯度、晶型、物相结构和表观形貌等方面对其进行了研究,并与传统冶炼工艺制备的产品相比,结果表明:新型电热冶金法制备出的碳化硼微粉纯度高,结晶好,致密性较好,品质明显优于传统工艺制备的产品。