0029] 在一個(gè)實(shí)施例中，壁隔熱結(jié)構(gòu)220包括暴露的層230,其將在定向凝固操作中與烙 融娃直接接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，暴露的層230是實(shí)質(zhì)上連續(xù)的（與組裝的磚層等相反）W 容納烙融娃。包括良好的熱特性的一種材料包括例如Al2〇3形式的氧化侶。在一個(gè)實(shí)施例 中，氧化侶是實(shí)質(zhì)上純的Al2〇3,運(yùn)使得來自暴露的層230的雜質(zhì)進(jìn)入娃烙融物中最小化。在 一個(gè)實(shí)施例中，Al2〇3是大于98%純的Al 2〇3。在一個(gè)實(shí)施例中，暴露的層230包裹在壁隔熱 結(jié)構(gòu)220的頂部表面231上。運(yùn)種配置的一個(gè)特征包括，對(duì)于在壁隔熱結(jié)構(gòu)220內(nèi)的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)或?qū)拥谋Ｗo(hù)，該內(nèi)部結(jié)構(gòu)或?qū)涌赡懿痪哂信c暴露的層230-樣的對(duì)溫度的耐熱性。運(yùn)種 配置的另一個(gè)特征包括，將烙融娃與潛在污染物隔離，該污染物可能容納在壁隔熱結(jié)構(gòu)220 內(nèi)的其他層中。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，壁隔熱結(jié)構(gòu)220還包括形成與暴露的層230形成界面的耐火磚 232的層。在一個(gè)實(shí)施例中，耐火磚232的層包含Al2〇3。耐火磚232可W向壁隔熱結(jié)構(gòu)220 提供期望的結(jié)構(gòu)特性例如初性。在一個(gè)實(shí)施例中，耐火磚232的層包括被額定至1540°C或 更少的磚。在一個(gè)實(shí)施例中，耐火磚232的層包括被額定至1430°C或更少的磚。在耐火磚 232的選擇中將特性的組合考慮在內(nèi)，例如烙融娃的期望的梯度所需要的厚度和熱特性，W 及其他特性例如成本、強(qiáng)度和初性。
[0031] 在一個(gè)實(shí)施例中，壁隔熱結(jié)構(gòu)220還包括多微孔的耐火層236。在一個(gè)實(shí)施例中， 多微孔的耐火層236被額定至IOOCTC或更少。多微孔的耐火層236中的氣孔提供良好的隔 熱特性。在所選擇的實(shí)施例中，陶瓷纖維隔熱的層還被包括在所選擇的層之間。在一個(gè)實(shí) 施例中，第一陶瓷纖維層238被包括在模具外套210和多微孔的耐火層236之間。在一個(gè) 實(shí)施例中，第二陶瓷纖維層234被包括在多微孔的耐火層236和耐火磚232的層之間。陶 瓷纖維層的實(shí)例包括板、柔性織物或其他配置。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施例中，壁隔熱結(jié)構(gòu)220中的一個(gè)或多個(gè)層從壁隔熱結(jié)構(gòu)220的外緣222 至壁隔熱結(jié)構(gòu)220的底部226呈錐形，其中壁隔熱結(jié)構(gòu)220與底部212形成界面。在圖2 中示出的實(shí)施例中，暴露的層230和耐火磚232的層二者都從外緣222至底部226呈錐形， 而多微孔的耐火層236保持一致的厚度242。在一個(gè)實(shí)施例中，多微孔的耐火層236保持沿 著模具外套210的W及此外圍繞越過模具外套210底部至少一部分的角落240的一致厚度 242。運(yùn)種配置提供對(duì)娃的冷卻速率的精確控制。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施例中，底部212包括一個(gè)或多個(gè)熱傳導(dǎo)層。在圖2中示出的實(shí)施例中， 示出了兩個(gè)熱傳導(dǎo)層。含有石墨的層214被示出，并且碳化娃層216被示出。諸如碳化娃 和石墨的材料具有高導(dǎo)熱率和高耐熱性的期望的特性。在所示出的實(shí)施例中，底部212把 來自娃烙融物的熱從模具200的底部傳導(dǎo)出來，而不烙融自身或污染所述娃。雖然兩個(gè)層 214、216被示出，但其他實(shí)施方案可W包括多于兩個(gè)層或僅單一的層。
[0034] 在一個(gè)實(shí)施例中，含有石墨的層214包含半石墨，雖然本發(fā)明不限于此。在一個(gè)實(shí) 施例中，含有石墨的層214包含高密度石墨。含有石墨的層214包含二重的高密度石墨。在 一個(gè)實(shí)施例中，使用被組裝為一個(gè)層的多個(gè)石墨磚形成含有石墨的層214。其他實(shí)施例包 括連續(xù)的石墨片材或鑄造的石墨層。在一個(gè)實(shí)施例中，含有石墨的層214的厚度為約1至 2英寸。在一個(gè)實(shí)施例中，含有石墨的層214的厚度約2英寸。 陽0巧]在一個(gè)實(shí)施例中，使用被組裝為一個(gè)層的多個(gè)碳化娃磚形成碳化娃層216。在一 個(gè)實(shí)施例中，碳化娃層216是連續(xù)的碳化娃片材。在一個(gè)實(shí)施例中，碳化娃層216是現(xiàn)場誘 鑄的。在一個(gè)實(shí)施例中，碳化娃層216的厚度為約2至3英寸。在一個(gè)實(shí)施例中，碳化娃層 216的厚度約2. 5英寸。在一個(gè)實(shí)施例中，碳化娃層216包含鑄造在耐火結(jié)合劑材料中的W 重量計(jì)約80 %的碳化娃。
[0036] 在圖2中示出的實(shí)施例中，在含有石墨的層214上形成碳化娃層216。在運(yùn)樣的配 置中，碳化娃層216可W提供針對(duì)潛在雜質(zhì)的阻擋層，所述雜質(zhì)可能包含在后續(xù)的層例如 含有石墨的層214中。
[0037] 在圖2中示出的實(shí)施例中，含有石墨的層214的位置郵鄰于模具外套210的底部。 在運(yùn)樣的配置中，含有石墨的層214可W向模具外套210 W及向位于模具外套210上的冷 卻翅片提供增加的導(dǎo)熱率，如在下文更詳細(xì)地描述的。在一個(gè)實(shí)施例中，在本公開內(nèi)容中描 述的模具和模具系統(tǒng)的配置，能夠W約1-2厘米/小時(shí)的速率使凝固前沿移動(dòng)。在一個(gè)實(shí) 施例中，在本公開內(nèi)容中描述的模具和模具系統(tǒng)的配置，能夠W高至約10厘米/小時(shí)的速 率使凝固前沿移動(dòng)。
[0038] 圖3圖示了可W進(jìn)一步幫助把娃烙融物的頂部表面保持在液態(tài)且同時(shí)凝固期望 地從模具的底部至頂部行進(jìn)的頂部加熱器300。頂部加熱器300可W包括一個(gè)或多個(gè)加熱 構(gòu)件310。所述一個(gè)或多個(gè)加熱構(gòu)件中的每個(gè)可W獨(dú)立地包含任何合適的材料。例如，所述 一個(gè)或多個(gè)加熱構(gòu)件310中的每個(gè)可W獨(dú)立地包含加熱元件，其中加熱元件可W包括碳化 娃、二娃化鋼、石墨、銅或它們的組合；并且，所述一個(gè)或多個(gè)加熱構(gòu)件中的每個(gè)可W可選擇 地獨(dú)立地包括感應(yīng)加熱器。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述一個(gè)或多個(gè)加熱構(gòu)件310位于大約相 同的高度處。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述一個(gè)或多個(gè)加熱構(gòu)件位于不同的高度處。
[0039]在一個(gè)實(shí)施例中，頂部加熱器300包括12個(gè)加熱構(gòu)件310。在一個(gè)實(shí)施例中，12個(gè) 加熱構(gòu)件310在距離312內(nèi)近似相等地被隔開。在一個(gè)實(shí)施例中，距離312約54英寸。諸 如加熱構(gòu)件的定位和加熱構(gòu)件的數(shù)量的變量對(duì)于加工期間在娃中產(chǎn)生的熱梯度是重要的。 熱梯度的小變化可W導(dǎo)致定向凝固期間在娃中的液體-固體界面的部分的非期望的行進(jìn)。 例如非期望的是，使烙融娃的表面凝固，并且把烙融的內(nèi)部部分俘獲在娃錠內(nèi)。俘獲的烙融 娃部分可能含有非期望的水平的雜質(zhì)，其不利地影響所得到的娃材料的特性。
[0040] 除了多個(gè)加熱構(gòu)件310和加熱構(gòu)件310的橫向間距之外，在一個(gè)實(shí)施例中，所述多 個(gè)加熱構(gòu)件310被定位為在烙融物表面上方約1. 9英寸的距離314。在一個(gè)實(shí)施例中，加 熱構(gòu)件310的直徑約2英寸。如同所選擇的加熱構(gòu)件310的數(shù)量和加熱構(gòu)件310的橫向間 距，所選擇的維度如加熱構(gòu)件310的直徑和在烙融物的表面上方的距離已被掲示于本公開 內(nèi)容中，從而提供定向凝固期間在娃中的液體-固體界面的部分的期望的行進(jìn)。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，通風(fēng)孔302被設(shè)置在頂部加熱器300中，W從加熱構(gòu)件310和 娃烙融物的表面除去氣體例如氧氣。在一個(gè)實(shí)施例中，真空累（未示出）被禪合于通風(fēng)孔 302,W把不想要的氣體經(jīng)過通風(fēng)孔302除去。在一個(gè)實(shí)施例中，僅在頂部加熱器300中使 用直徑約1-2英寸的單個(gè)通風(fēng)孔302。在一個(gè)實(shí)施例中，該單個(gè)通風(fēng)孔302直徑約1英寸。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，諸如具有合適尺寸的單一個(gè)通風(fēng)孔的變量有效地除去不想要的氣體，而不導(dǎo)致 娃烙融物表面的不想要的冷卻。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件包含碳化娃，運(yùn)具有某些優(yōu)點(diǎn)。例如，碳化娃加熱元件 在氧氣存在下高溫時(shí)不受腐蝕。對(duì)于包含可腐蝕材料的加熱元件可W通過使用真空室來減 少氧氣腐蝕，但是碳化娃加熱元件可W在沒有真空室的情況下避免腐蝕。此外，碳化娃加熱 元件可W在沒有水冷卻的導(dǎo)線（leads)的情況下被使用，具有多個(gè)工作區(qū)域，例如在邊緣 處的冷區(qū)域和在加熱元件的中屯、處的熱區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，加熱元件在真空室中使 用、與水冷卻的導(dǎo)線共同使用，或二者。在另一個(gè)實(shí)施方案中，加熱元件在沒有真空室、沒有 水冷卻的導(dǎo)線、或沒有二者的情況下使用。
[0043]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述一個(gè)或多個(gè)加熱構(gòu)件310是感應(yīng)加熱器。感應(yīng)加熱器可W被鑄造為一個(gè)或多個(gè)耐火材料。容納一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)加熱線圈的耐火材料可W然后被定 位在模具上。耐火材料可W是任何合適的材料。例如，耐火材料可W包括氧化侶、氧化娃、 氧化儀、氧化巧、氧化錯(cuò)、氧化銘、碳化娃、石墨或它們的組合。在另一個(gè)實(shí)施方案中，感應(yīng)加 熱器不被鑄造為一個(gè)或多個(gè)耐火材料。
[0044]頂部加熱器可W包括隔熱部，例如在圖4中示出的頂部加熱器300包括隔熱部 316。隔熱部可W包含任何合適的隔熱材料。隔熱部可W包含一種或多種隔熱材料。例如， 隔熱部可W包含隔熱磚、耐火材料、耐火材料的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫羊毛、鑄造隔 熱材料、或它們的混合物。隔熱板可W包括高溫陶瓷板。在一個(gè)實(shí)施例中，隔熱部316圍繞 加熱構(gòu)件310而被鑄造W使它們更堅(jiān)固且耐熱沖擊，W防止圍繞加熱構(gòu)件310的零件的變 形。一種合適的鑄造材料包括來自MorganThermalCeramics,Inc.的Kaolit;e取3300。