熔煉方法與流程
2023-06-03 08:22:39 3
本發明涉及金屬冶煉技術領域，尤其涉及一種熔煉方法。
背景技術：
熔煉是將金屬材料及其它輔助材料投入加熱爐熔化並調質，物料在高溫爐內發生一定的物理、化學變化，產出粗金屬和爐渣的冶金過程。通過對熔煉產生的粗金屬進行處理可以得到金屬。
電子束熔煉(electronbeammelting，ebm)是指在高真空條件下，將高速電子束的動能轉換為熱能作為熱源來進行金屬熔煉的一種真空熔煉方法。
電子束熔煉爐一般包括：進料室、電子槍、結晶器、拉錠裝置及抽真空系統。在真空下，電子槍的陰極被加熱產生熱電子。在加速電壓的作用下，熱電子向陽極加速運動。由於聚束極的作用，電子束從陽極的中心孔通過，向下繼續運動，經磁聚焦透鏡的多次聚焦和磁偏轉掃描透鏡的調節，使電子束準確而集中地轟擊到原料表面。在原料和熔池表面產生高溫，使原料的表面被加熱、熔化、滴入熔池中。熔池就是錠上端的熔化部分，其周圍是結晶器。由於電子束的加熱作用，熔池保持不斷地上下、內外對流。隨著熔化的原料不斷滴入，熔池表面不斷上升，拉錠裝置又將錠不斷向下拉動，使熔池表面保持一定高度。
電子束熔煉具有熔煉溫度和速度可以靈活控制以及電子束熔煉對活性難熔金屬及其合金有較好的脫氣效果，能夠得到高質量的產品。
然而，現有技術的電子束熔煉方法形成的鑄錠缺陷率高。
技術實現要素：
本發明解決的問題是提供一種熔煉方法，能夠降低所形成的鑄錠的缺陷率。
為解決上述問題，本發明提供一種熔煉方法，包括提供原料和熔煉爐，所述熔煉爐包括冷床；
將所述原料放入所述熔煉爐，並對所述熔煉爐進行抽真空處理；
使所述原料進入冷床並加熱使所述原料熔化，形成熔融金屬物，並使所述熔融金屬物處於熔融狀態的時間大於3min；
形成熔融金屬物之後，對所述熔融金屬物進行拉錠處理，形成鑄錠；
對所述鑄錠進行冷卻處理。
可選的，所述原料為鈦或鎳。
可選的，所述冷床電子束熔煉爐包括：與冷床第一相連的進料室，與冷床另一端相連的結晶器，位於冷床上方的第一電子槍和位於結晶器上方的第二電子槍。
可選的，所述進料室內具有與所述冷床相連的送料機構；
形成熔融金屬物的步驟包括：通過所述送料機構使原料進入冷床；
通過第一電子槍對所述原料進行加熱，形成熔融金屬物。
可選的，所述送料機構具有送料速度；
使原料進入冷床的步驟中，送料速度為：每10min～12min送料一次，每次送料34kg～36kg。
可選的，所述原料為鎳，所述第一電子槍的功率為200kw～300kw。
可選的，對所述熔融金屬物進行拉錠處理的步驟包括：通過所述第二電子槍對所述熔融金屬物進行加熱。
可選的，對所述熔融金屬物進行拉錠處理的步驟中，所述第二電子槍的功率為150kw～250kw。
可選的，所述第一電子槍的個數為1～3。
可選的，形成熔融金屬物的步驟包括：
對所述原料進行加熱，使原料熔化，形成熔融物；
對所述熔融物進行精煉，形成金屬熔融物。
可選的，所述第一電子槍的數量為3；
形成熔融物的方法包括：通過兩個第一電子槍對所述原料進行加熱，使原料熔化；
進行精煉的方法包括：通過一個第一電子槍對所述熔融物進行加熱，形成金屬熔融物。
可選的，所述冷床的長度為0.9m～1.1m。
可選的，所述冷床的面積為0.3m2～0.4m2。
可選的，所述原料為塊狀或顆粒狀。
可選的，對所述鑄錠進行冷卻的步驟中，冷卻時間為10h～14h。
可選的，熔融金屬物處於熔融狀態的時間大於等於3min且小於5min。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：
本發明的熔煉方法中，通過具有冷床的熔煉爐使原料在冷床中熔化，並使熔融金屬物處於熔融狀態下的時間大於3min。延長熔融金屬物處於熔融狀態下的時間能夠使原料中的雜質氣體充分釋放，從而減少所形成的鑄錠中的氣孔，減少缺陷率；此外，延長熔融金屬物處於熔融狀態下的時間還能夠使密度比較小的雜質上浮並通過揮發充分去除，從而降低所形成鑄錠中的雜質含量，提高鑄錠的純度。另一方面，本發明只需要進行一次熔煉就能夠使所形成的鑄錠符合設計要求，因此，能夠簡化工藝流程，減少能量浪費。
附圖說明
圖1是本發明熔煉方法一實施例各步驟的流程圖；
圖2是本發明熔煉方法一實施例的結構示意圖；
圖3是本發明熔煉方法另一實施例的結構示意圖。
具體實施方式
現有技術的熔煉方法存在所形成的鑄錠缺陷率大的問題。
現結合現有技術的熔煉方法，分析現有技術的熔煉方法所形成的鑄錠缺陷率大的原因：
現有技術的熔煉方法中，熔煉速度快，原料處於熔融狀態的時間短，在 熔融過程中氣體很難充分釋放，而導致在後續原料冷凝過程中，隨著晶核長大，鑄錠內部形成氣孔或縮孔，進而使鑄錠中缺陷率提高。
為了減少所形成鑄錠中的氣孔，降低缺陷率，一種方法是進行多次熔煉。然而，如果通過多次熔煉減少鑄錠中的缺陷率，容易造成能量浪費，並且容易增加熔煉過程中原料的揮發，增加材料浪費，提高成本。
為解決所述技術問題，本發明提供了一種半導體結構的形成方法，包括：提供原料和熔煉爐，所述熔煉爐包括冷床；將所述原料放入所述熔煉爐，並對所述熔煉爐進行抽真空處理；使所述原料進入冷床並加熱使所述原料熔化，形成熔融金屬物，並使所述熔融金屬物處於熔融狀態的時間大於3min；形成熔融金屬物之後，對所述熔融金屬物進行拉錠處理，形成鑄錠；對所述鑄錠進行冷卻處理。
本發明的熔煉方法中，通過具有冷床的熔煉爐使原料在冷床中熔化，並使熔融金屬物處於熔融狀態下的時間大於3min。延長熔融金屬物處於熔融狀態下的時間能夠使原料中的雜質氣體充分釋放，從而減少所形成的鑄錠中的氣孔，減少缺陷率；此外，延長熔融金屬物處於熔融狀態下的時間還能夠使密度比較小的雜質上浮並通過揮發充分去除，從而降低所形成鑄錠中的雜質含量，提高鑄錠的純度。另一方面，本發明只需要進行一次熔煉就能夠使所形成的鑄錠符合設計要求，因此，能夠簡化工藝流程，減少能量浪費。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。
圖1是本發明的熔煉方法一實施例各步驟的流程圖。
請參考圖1，示出本發明熔煉方法一實施例的流程圖。所述熔煉方法包括：
步驟s1，提供原料和熔煉爐，所述熔煉爐包括冷床；
步驟s2，將所述原料放入所述熔煉爐，並對所述熔煉爐進行抽真空處理；
步驟s3，使所述原料進入冷床並加熱使原料熔化，形成熔融金屬物，並使所述熔融金屬物處於熔融狀態的時間大於3min；
步驟s4，形成熔融金屬物之後，對所述熔融金屬物進行拉錠處理，形成 鑄錠；
步驟s5，對所述鑄錠進行冷卻處理。
圖2是本發明熔煉方法一實施例的結構示意圖。
請參考圖2，執行步驟s1，提供原料100和熔煉爐200，所述熔煉爐200包括冷床210。所述原料100用於形成鑄錠，所述熔煉爐200用於對所述原料100進行熔煉。
本實施例中，所述原料100的材料為鎳，在其他實施例中，所述原料的材料還可以為鈦。
本實施例中，所述熔煉爐200為電子束冷床熔煉爐。電子束冷床熔煉爐能夠很好地控制進料速度，從而控制原料100處於熔融狀態的時間，從而能夠延長原料100處於熔融狀態的時間，使產生的氣體充分釋放。
所述電子束冷床熔煉爐包括：進料室，所述進料室包括：整料進料箱和散料進料箱。所述整料進料箱可用於容納板狀或塊狀原料100；所述散料進料箱可用於容納顆粒狀原料100。因此，所述原料100可以為顆粒狀、板狀或塊狀。具體的本實施例中，所述原料100為塊狀。
需要說明的是，本實施例中，提供原料100的步驟之後，所述形成方法還包括：通過清洗液對所述原料100進行清洗並烘乾，去除所述原料100中易溶於所述清洗液的雜質。
具體的，本實施例中，所述清洗液中含有稀硫酸，用於去除原料100中的鎂、鐵等易溶於稀硫酸的金屬和金屬氧化物。
所述電子束冷床熔煉爐包括：爐體、抽真空系統和拉錠機構。
所述爐體包括：
進料室，用於容納原料100，所述進料室還包括：進料口201和用於傳送原料100的進料機構，所述進料機構能夠控制進料的速度；
與所述進料室相連接的冷床210，所述冷床210用於容納原料100和熔融物；
與所述冷床210相連的結晶器220。
電子槍室，所述電子槍室中具有電子槍，所述電子槍能夠產生電子束；
所述拉錠系統用於將後續處於熔融狀態的熔融金屬物拉製成鑄錠。
所述抽真空系統用於對所述爐體進行抽真空處理，所述抽真空系統包括位於爐體上的抽氣孔240。
以下結合所述熔煉爐結構對所述熔煉方法進行詳細說明。
繼續參考圖2，執行步驟s2，將所述原料100放入所述熔煉爐200，並對所述熔煉爐200進行抽真空處理。
具體的，將所述原料100放入所述熔煉爐200的進料室，並利用抽真空系統對所述爐體進行抽真空處理，使熔煉爐200爐體中的空氣通過所述抽氣口240排出。
需要說明的是，進行抽真空處理的步驟中，如果爐體內的真空度過小，爐體內殘餘空氣較多，所述原料100容易被空氣氧化；如果所述爐體內的真空度過大，容易對爐體產生很大壓力而導致爐體損壞。具體的，本實施例中，所述爐體內的真空度在0.05pa～0.005pa的範圍內。
繼續參考圖2，執行步驟s3，使所述原料100進入冷床並加熱使所述原料100熔化，形成熔融金屬物112，並使所述熔融金屬物112處於熔融狀態的時間大於3min。
使所述熔融金屬物112處於熔融狀態的時間大於3min，能夠使熔融金屬物112充分脫氣，從而減少後續形成的鑄錠中的氣孔，提高良品率。
需要說明的是，加熱使所述原料100熔化的步驟中，所述處於熔融狀態的原料100為熔融物110，所述熔融物110中，密度大的雜質下沉，形成凝殼111；密度小的雜質上浮並通過加熱使其揮發去除。所述凝殼111表面的熔融物110形成熔融金屬物112。
此外，本實施例中，所述冷床210用於容納所述熔融物110，所述熔融金屬物112在進料機構的推動下從冷床210鄰近進料口201的一端流動至另一端，此過程中，所述熔融金屬物112處於熔融狀態，所述冷床210的長度較大，能 夠保證所述熔融金屬物112處於熔融狀態下的時間較長，從而能夠使所述熔融金屬物112在進入結晶器220之前充分脫氣，進而減少後續形成的鑄錠內的氣孔，提高良品率。
本實施例中，延長所述熔融金屬物112處於熔融狀態的時間能夠使熔融金屬物112中的雜質氣體充分釋放；但是如果所述熔融金屬物112處於熔融狀態的時間過長，容易造成熔融金屬物的揮發，產生材料浪費，此外還容易產生能量浪費。因此，本實施例中，所述熔融金屬物112處於熔融狀態的時間大於等於3min且小於5min。
需要說明的是，所述冷床210的長度過小，很難保證熔融金屬物112處於熔融狀態的時間足夠長，從而很難使熔融金屬物112充分脫氣；如果所述冷床210的長度過大，容易引起能量浪費。具體的，本實施中，所述冷床210的長度在0.9m～1.1m的範圍內。
此外，所述冷床210的面積較大，有利於增加熔融物110與外界的接觸面積，從而使熔融物110充分受熱，進而有利於熔融物110中雜質氣體的揮發；但是如果所述冷床210的面積過大，容易使熔融物110受熱不均勻。因此，本實施例中，所述冷床210的面積在0.3m2～0.4m2的範圍內。
本實施例中，通過電子槍產生的電子束對所述原料100進行加熱處理，使原料100熔化。通過電子束對原料100進行加熱時，原料100的溫度及其分布可控，所述熔融金屬物112的維持時間可在很大的範圍內調整，有利於使所述熔融金屬物112充分脫氣。
具體的，本實施例中，形成熔融金屬物112的步驟包括：對所述原料100進行加熱，使原料100熔化，形成熔融物110；對所述熔融物110進行精煉，形成金屬熔融物112。
相應的，所述冷床210與進料室相連的一端為熔融區，在所述熔融區使原料100熔化；所述冷床210與所述熔融區相連的部分為精煉區，在所述精煉區對所述熔融物110進行精煉，使熔融物脫氣，形成金屬熔融物112。
本實施例中，所述用於對原料100和冷床200中的熔融金屬物112進行加熱的電子槍為第一電子槍221。具體的，所述第一電子槍221的數量為3。在其他 實施例中，所述第一電子槍的個數還可以為1個或2個。
具體的，需要說明的是，由於在形成熔融物110的過程中，原料100熔化需要吸收大量的能量，因此，本實施例中，通過兩個第一電子槍221對所述原料100進行加熱，使原料100熔化。即所述熔融區上方的第一電子槍221的數量為2個。
需要說明的是，在形成熔融物110的過程中，如果第一電子槍221的功率過小，很難使原料100熔化；如果所述第一電子槍221的功率過大，容易產生能量浪費。具體的，本實施例中，所述第一電子槍221的功率在200kw～300kw的範圍內。
還需要說明的是，所述精煉區上方的第一電子槍221用於對所述熔融物110進行加熱，使熔融物110中密度較小的雜質受熱揮發。本實施例中，所述精煉區上方的第一電子槍221的數量為1個。
具體的，本實施例中，在形成金屬熔融物112的過程中，通過一個第一電子槍221對所述熔融物110進行加熱，使熔融物110中密度較小的雜質在電子束的作用下揮發去除，密度較大的雜質下沉形成所述凝殼111，位於所述凝殼111表面的熔融物110形成金屬熔融物112。
在形成金屬熔融物112的過程中，如果第一電子槍221的功率過小，很難保證所述熔融金屬物112處於熔融狀態，此外很難去除熔融物110中密度較小的雜質；如果所述第一電子槍221的功率過大，容易產生能量浪費。因此，精煉區的所述第一電子槍221的功率為200kw～300kw。具體的，本實施例中，精煉區的所述第一電子槍221的功率為250kw。
需要說明的是，加熱使原料100熔化的步驟之前，形成所述熔融金屬物112的步驟還包括：通過所述送料機構使原料100進入冷床210。
所述送料機構具有送料速度，所述送料速度決定了所述金屬熔融物112在冷床210中的流動速度，從而影響所述金屬熔融物112處於熔融狀態的時間。如果所述送料速度過大，容易使金屬熔融物112在冷床210中的流動速度過大，從而很難保證所述金屬熔融物112處於熔融狀態的時間足夠長；如果所述送料速度過小，容易降低生產效率。具體的，本實施例中，所述送料速度為每 10min～12min送料一次，每次送料34kg～36kg。
繼續參考圖2，執行步驟s4，對所述熔融金屬物112進行拉錠處理，形成鑄錠120。
本實施例中，對所述熔融金屬物112進行拉錠處理的步驟包括：使所述熔融金屬物112在進料機構的推動下進入所述結晶器220；隨著結晶器220中熔融金屬物112的增加，所述熔融金屬物112在重力和拉錠機構230的作用下從結晶器220中垂下，並通過拉錠機構230拉製成鑄錠120。
具體的，本實施例中，所述結晶器220為水冷銅坩堝。
需要說明的是，為保證熔融金屬物112能夠從所述結晶器220中垂下，對所述熔融金屬物112進行拉錠處理的步驟還包括：通過所述第二電子槍222對所述熔融金屬物112進行加熱，使所述熔融金屬物112在結晶器230中處於熔融狀態。
具體的，如果所述第二電子槍222的功率過小，很難保持所述熔融金屬物112處於熔融狀態，從而難以實現拉錠處理；如果第二電子槍222的功率過大，容易造成能量浪費。因此，所述第二電子槍222的功率為150kw～250kw。本實施例中，所述第二電子槍222的功率為200kw。
需要說明的是，本發明的熔融方法中，所述原料100隻需經過一次熔煉即可達到要求，不需多次重複熔煉。因此，能夠減少工藝流程，節約能量，提高產品收率。
繼續參考圖2，執行步驟s5，對所述鑄錠120進行冷卻處理。
所述冷卻處理的步驟包括：關閉第一電子槍221和第二電子槍222，使鑄錠120隨熔煉爐200冷卻；取出鑄錠120。
需要說明的是，如果冷卻時間過短，鑄錠120溫度較高，容易與拉錠機構230粘連；如果冷卻時間過長，容易延長生產周期而減低生產效率。具體的，本實施例中，所述冷卻時間在10h～14h的範圍內。
請參考圖3，示出本發明熔融方法另一實施例的結構示意圖。本實施例與上一實施例的相同之處再在此不做贅述，不同之處包括：本實施例中，所述 冷床310的長度較小，因此，所述第一電子槍321的數量為1，所述第一電子槍321用於對原料進行加熱使原料熔化，其次用於使熔融物300中密度較小的雜質揮發。
本實施例中，進料速度進一步降低，使金屬熔融物在冷床310中的流速進一步降低，從而使金屬熔融物處於熔融狀態的時間大於3min。
綜上，本發明的熔煉方法中，通過具有冷床的熔煉爐使原料在冷床中熔化，並使熔融金屬物處於熔融狀態下的時間大於3min。延長熔融金屬物處於熔融狀態下的時間能夠使原料中的雜質氣體充分釋放，從而減少所形成的鑄錠中的氣孔，減少缺陷率；此外，延長熔融金屬物處於熔融狀態下的時間還能夠使密度比較小的雜質上浮並通過揮發充分去除，從而降低所形成鑄錠中的雜質含量，提高鑄錠的純度。另一方面，本發明只需要進行一次熔煉就能夠使所形成的鑄錠符合設計要求，因此，能夠簡化工藝流程，減少能量浪費。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。