一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置製造方法
2023-12-11 03:14:52 1
一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於藍寶石晶體原料製備加工設備【技術領域】，尤其涉及一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，包括由若干個分瓣銅水冷管圍成的冷坩堝、環繞於冷坩堝外的感應線圈、用於支撐冷坩堝的支撐座和升降裝置，分瓣銅水冷管和支撐座內均設置有冷卻水通道，還包括預製晶柱，預製晶柱設置於冷坩堝和升降裝置之間，預製晶柱的頂部設置有凹陷區，在凹陷區內放置有熔煉初始所必需的啟熔材料。相對於現有技術，本發明採用分瓣式水冷銅管與支撐座之間的分體式設置，通過支撐座的升降實現連續拉晶，達成單爐生產效率的最大化，而且可提高原料的有效利用率，進而降低了生產成本。此外，預製晶柱頂端的凹陷區的設置還可有效減少啟熔材料殘留物對晶體質量的影響。
【專利說明】一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於藍寶石晶體原料製備加工【技術領域】，尤其涉及一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置。
【背景技術】
[0002]冷坩堝法最初是生產合成氧化鋯晶體的方法，目前也常用於合成藍寶石，其裝置一般是採用由銅管排列成方形或圓形的冷坩堝作為容器，容器內放置氧化鋯或氧化鋁，銅管用於通冷卻水，坩堝外環繞感應線圈，感應線圈處於固定位置，而冷坩堝連同水冷底座均可以下降。冷坩堝方法採用感應線圈產生的高頻電磁場進行加熱，感應電磁場通過銅管間的間隙作用於放置於冷坩堝內的原料。但是，這種方法只對導體起作用，而氧化鋯和氧化鋁等固態時電阻率大，不導電，所以很難用高頻電磁場加熱熔融。但是氧化鋯和氧化鋁在熔融狀態下是導電的，在這種情況下，就需要採用「啟熔」技術，即先將金屬片、石墨、金屬絲等在放置坩堝內的原料中，高頻電磁場加熱時，這些金屬片、石墨、金屬絲就會形成一個高溫小熔池，將周圍的氧化鋯和氧化鋁融化、熔融後的氧化鋁和氧化鋯具有導電特性，熔體中會形成感應渦流不斷加熱熔體，使周圍的氧化鋁不斷熔化，直至實現全部熔融，熔體冷卻後即得到結晶。
[0003]但是，現有技術中的冷坩堝熔煉裝置均未實現連續拉晶，嚴重影響了單爐的生產效率，而且原料的有效利用率也未能達到最佳化。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於:針對現有技術的不足而提供一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，採用該裝置可進行連續拉晶生產，實現了單爐生產效率的最大化，而且可提高原料的有效利用率，降低生產成本。
[0005]為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案:一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，包括由若干個分瓣銅水冷管圍成的冷坩堝、環繞於所述冷坩堝外的感應線圈、用於支撐所述冷坩堝的水冷支撐座、可升降的分體式底座、用於控制所述分體式底座升降的升降裝置和控制電源，所述控制電源與所述感應線圈連接，所述分瓣銅水冷管和所述支撐座內均設置有冷卻水通道，該裝置還包括預製晶柱，所述預製晶柱設置於所述冷坩堝和所述分體式底座之間，所述預製晶柱的頂部設置有凹陷區，在所述凹陷區內放置用於啟燃的啟熔金屬絲。
[0006]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述啟熔金屬絲為純度為99.993~99.999%的金屬鋁絲。
[0007]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述啟熔金屬絲的直徑為1~3mm,長度為3~6_。 [0008]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述金屬絲在所述預製晶柱的凹陷區內呈環形放置，其外緣與冷坩堝內壁等距，所述啟熔金屬絲的單次使用量為 150-800 克。
[0009]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述啟燃金屬絲設置於上金屬氧化物層和下金屬氧化物層之間，所述上氧化物層的厚度為25~60mm，所述下氧化物層的厚度為50~100mm。
[0010]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述凹陷區設置於所述預製晶柱的頂部，並且所述凹陷區的深度為5~15mm，直徑為20_65mm。
[0011]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述冷坩堝的頂部還設置有加料鬥。
[0012]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述分瓣銅水冷管通過定位銷柱固定於所述水冷支撐座上，所述水冷支撐座與可所述升降的分體式底座為分體的，通過升降裝置可實現分體式底座與上端環形排列的水冷銅管之間在垂直方向上的相對移動。
[0013]作為本發明可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述冷坩堝的靠近頂端位置通過石棉繩將分瓣式水冷銅管圍成的圈箍緊，使水冷銅管內壁整體略呈倒錐形，該設置使連續式拉晶這一過程更為流暢無阻礙。
[0014]相對於現有技術，本發明通過在冷坩堝和升降裝置之間設置預製晶柱，該預製晶柱是利用該裝置預先製備出的晶體，其可以作為下一次連續拉晶時原料的底託，即下一次生長晶體時，引燃熔池將在該預製晶柱的頂部凹陷處形成，隨後分體式底座開始以一定的速度連續下降，實現 連續拉晶，實現了單爐生產效率的最大化，，進而降低了生產成本。
[0015]此外，凹陷區放置的引燃金屬絲燃燒後留下的殘留物可隨同最初熔化的氧化物熔液一起匯流到凹陷區中，隨著分體式底座的下降而移出感應區並冷卻凝固下來，使啟熔時未燃燒完全的金屬絲不會汙染上方新加入的氧化物，從而有效減少啟熔材料(即引燃金屬絲)殘留物對晶體質量的影響，提高原料的有效利用率(高達95%以上)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發明及其有益技術效果進行詳細說明。
[0017]圖1為本發明的結構示意圖。
[0018]圖2為本發明的剖視結構圖。
[0019]圖3為本發明中預製晶柱的結構示意圖。
[0020]圖4為本發明中分瓣銅水冷管的結構示意圖(圖中的箭頭表示冷卻水的流向)。
[0021]其中:1-分瓣銅水冷管，2-冷坩堝，3-感應線圈，4-水冷支撐座，5-分體式底座，6-冷卻水通道，7-預製晶柱，8-啟熔金屬絲，9-加料鬥，10-定位銷柱，11-石棉線，12-小熔池，13-結晶區，14-螺母，71-凹陷區。
【具體實施方式】
[0022]如圖1至4所示(其中，圖1中為了表示清楚，前部的分瓣銅水冷管I被挪去)，本發明提供的一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，包括由若干個分瓣銅水冷管I圍成的冷坩堝2、環繞於冷坩堝2外的感應線圈3、用於支撐冷坩堝2的水冷支撐座4、可升降的分體式底座5、用於控制分體式底座5升降的升降裝置和控制電源，控制電源與感應線圈3連接，分瓣銅水冷管I和支撐座4內均設置有冷卻水通道6，該裝置還包括預製晶柱7，預製晶柱7設置於冷坩堝2和分體式底座5之間，預製晶柱7的頂部設置有凹陷區71，凹陷區71內放置有啟熔金屬絲8，作為引燃金屬用。
[0023]其中，啟熔金屬絲8為純度為99.993~99.999%的金屬鋁絲。
[0024]啟熔金屬絲8的直徑為I~3mm,長度為3~6mm,便於引燃。
[0025]啟熔金屬絲8在凹陷區71內呈環形放置，其外緣與冷坩堝2內壁等距，啟熔金屬絲8的單次使用量為150-800克，引燃啟熔金屬絲後將在凹陷區71內形成初始熔池。
[0026]啟熔金屬絲8設置於上金屬氧化物層和下金屬氧化物層之間，上氧化物層的厚度為35mm，下金屬氧化物層的厚度為50mm。上氧化物層和下氧化物層的材質均為氧化鋁。實際使用時，先在預製晶柱凹陷區71的表面鋪上一層純度為99.997%以上的高純氧化鋁粉末，壓實，厚度為約50mm，然後在上面放置400g的金屬鋁絲，鋁絲呈環形排列，注意鋁絲環與四周坩堝壁要等距。再在金屬鋁絲上覆蓋一層高純氧化鋁粉末，壓實，形成厚度為35mm的上金屬氧化物層。
[0027]凹陷區71設置於預製晶柱7的頂部的中央部，並且凹陷區71的深度為5~15mm，直徑為20-65mm (視坩堝直徑而定)。
[0028]冷坩堝2的頂部還設置有加料鬥9，方便在拉晶過程中加料。
[0029]升降裝置可採 用現有技術中常用的各種機械升降驅動裝置，只需能夠使得分體式底座5連同放置其上的預製晶柱7與冷坩堝2之間發生垂直方向上的相對運動即可。
[0030]分瓣銅水冷管I通過定位銷柱10固定連接於環形的水冷支撐座4上(用螺母14固定)，水冷支撐座4與託著預製晶柱7的分體式底座5之間是分體的。在連續拉晶的過程中，冷坩堝2、水冷支撐座4，以及感應線圈3始終保持靜止不動狀態。原料粉熔化後在預製晶柱7的上方形成熔池，該熔池被局限在水冷銅管包圍的「熔殼」之內。啟動分體式底座5的升降裝置，可將預製晶柱7以及其上面新生成的熔殼連同裡面的熔體一起，緩慢地脫離冷坩堝2而逐漸下降、移出感應區域，它們會逐漸凝固形成緻密的結晶柱，該結晶柱與預製晶柱緊S連接在一起。
[0031]冷坩堝2靠近頂端的一端纏繞有石棉繩11，石棉繩11的作用是將冷坩堝2的上端收緊，使整個冷坩堝2的環形內壁略呈倒錐形，該設置使連續式拉晶這一過程更為流暢，晶柱不易被卡住。
[0032]以製備藍寶石為例，使用時，先將純度為99.997%以上氧化鋁粉料鋪在冷坩堝2底部，即預製晶塊7的凹陷區71內，然後將純度為99.995%的金屬鋁絲呈環形水平放置在氧化鋁微粉上，然後再用高純氧化鋁微粉覆蓋在金屬鋁絲上，使金屬鋁絲整體被埋沒於氧化招微粉中。
[0033]然後，先啟動分瓣銅水冷管I和水冷支撐座4內的冷卻水循環系統，並使冷卻水保持循環流動狀態。
[0034]將感應線圈3與控制電源接通，設定控制電源的頻率為900kHz，電壓為380V，金屬鋁絲感應放電並燃燒，其燃燒高溫使得周圍的氧化鋁微粉熔化，形成一個高溫小熔池12，熔融的氧化鋁在高頻電磁場下呈導電狀態，形成渦流發熱，使更多的氧化鋁微粉熔化，熔融區逐漸擴大。
[0035]然後，將550kg氧化鋁微粉原料粉通過上方的加料鬥9分多次陸續投入熔池12中，當投入的氧化鋁微粉逐漸熔融，並形成一個有一定高度的大熔池後，啟動分體式底座5的升降裝置，使分體式底座5連同放置其上的預製晶柱7以及更上方的氧化物熔體以5mm/小時的速率持續下降，在此過程中，不斷通過上方的加料鬥投入新的氧化鋁微粉。隨著分體式底座5的下降，氧化物熔體將逐漸凝固形成晶柱，緩慢下降並脫離固定不動的冷坩堝2，逐漸完成定向結晶，最終形成一個較長的結晶柱13。結晶柱13的長度取決於總的投料量以及分體式底座5下降的距離。一般而言，若使用相同直徑的冷坩堝，採用本發明的連續拉晶裝置，其單爐產量比傳統冷坩堝單爐產量高2-4倍。
[0036]之後，繼續保持冷卻水處於循環流動狀態，直至結晶柱冷卻至接近室溫，卸出晶柱，將其破拆後即可得到所需的氧化鋁塊體料。新熔制的晶柱與底部的預製晶柱7之間有明顯分界面，稍加震打，二者即可脫離開來。預製晶塊可在下一次拉晶時重複使用。
[0037]根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明並不局限於上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護範圍內。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便`說明，並不對本發明構成任何限制。
【權利要求】
1.一種可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，包括由若干個分瓣銅水冷管圍成的冷坩堝、環繞於所述冷坩堝外的感應線圈、用於支撐所述冷坩堝的水冷支撐座、可升降的分體式底座、用於控制所述分體式底座升降的升降裝置和控制電源，所述控制電源與所述感應線圈連接，所述分瓣銅水冷管和所述支撐座內均設置有冷卻水通道，其特徵在於:該裝置還包括預製晶柱，所述預製晶柱設置於所述冷坩堝和所述分體式底座之間，所述預製晶柱的頂部設置有凹陷區，在所述凹陷區內放置有啟熔金屬絲。
2.根據權利要求1所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述啟熔金屬絲為純度為99.993~99.999%的金屬鋁絲。
3.根據權利要求2所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述啟熔金屬絲的直徑為I~3mm,長度為3~6mm。
4.根據權利要求3所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述啟熔金屬絲在所述凹陷區內呈環形放置，所述啟熔金屬絲的單次使用量為150-800克。
5.根據權利要求3所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述啟熔金屬絲設置於上氧化物層和下氧化物層之間，所述上氧化物層的厚度為25~60mm，所述下金屬氧化物層的厚度為50~100mm。
6.根據權利要求1所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述凹陷區的深度為5~15mm,直徑為20~65_。
7.根據權利要求1所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述冷坩堝的頂部還設置有加料鬥。
8.根據權利要求1所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述分瓣銅水冷管通過定位銷柱固定連接於水冷支撐座上。
9.根據權利要求1至8任一項所述的可實現連續拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特徵在於:所述冷坩堝的靠近頂端的位置通過石棉線將分瓣式水冷銅管圍成的圈箍緊，使水冷銅管整體略呈倒錐形。
【文檔編號】C30B15/08GK103628130SQ201310676054
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】李暉雲 申請人:東莞市精研粉體科技有限公司