一種可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于藍寶石晶體原料制備加工設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種可實現(xiàn)連續(xù)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(huán)繞于冷坩堝外的感應(yīng)線圈、用于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(nèi)均設(shè)置有冷卻水通道，還包括預(yù)制晶柱，預(yù)制晶柱設(shè)置于冷坩堝和升降裝置之間，預(yù)制晶柱的頂部設(shè)置有凹陷區(qū)，在凹陷區(qū)內(nèi)放置有熔煉初始所必需的啟熔材料。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用分瓣式水冷銅管與支撐座之間的分體式設(shè)置，通過支撐座的升降實現(xiàn)連續(xù)拉晶，達成單爐生產(chǎn)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(chǎn)成本。此外，預(yù)制晶柱頂端的凹陷區(qū)的設(shè)置還可有效減少啟熔材料殘留物對晶體質(zhì)量的影響。
【專利說明】一種可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于藍寶石晶體原料制備加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]冷坩堝法最初是生產(chǎn)合成氧化鋯晶體的方法，目前也常用于合成藍寶石，其裝置一般是采用由銅管排列成方形或圓形的冷坩堝作為容器，容器內(nèi)放置氧化鋯或氧化鋁，銅管用于通冷卻水，坩堝外環(huán)繞感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈處于固定位置，而冷坩堝連同水冷底座均可以下降。冷坩堝方法采用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的高頻電磁場進行加熱，感應(yīng)電磁場通過銅管間的間隙作用于放置于冷坩堝內(nèi)的原料。但是，這種方法只對導(dǎo)體起作用，而氧化鋯和氧化鋁等固態(tài)時電阻率大，不導(dǎo)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(tài)下是導(dǎo)電的，在這種情況下，就需要采用“啟熔”技術(shù)，即先將金屬片、石墨、金屬絲等在放置坩堝內(nèi)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、熔融后的氧化鋁和氧化鋯具有導(dǎo)電特性，熔體中會形成感應(yīng)渦流不斷加熱熔體，使周圍的氧化鋁不斷熔化，直至實現(xiàn)全部熔融，熔體冷卻后即得到結(jié)晶。
[0003]但是，現(xiàn)有技術(shù)中的冷坩堝熔煉裝置均未實現(xiàn)連續(xù)拉晶，嚴重影響了單爐的生產(chǎn)效率，而且原料的有效利用率也未能達到最佳化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，采用該裝置可進行連續(xù)拉晶生產(chǎn)，實現(xiàn)了單爐生產(chǎn)效率的最大化，而且可提高原料的有效利用率，降低生產(chǎn)成本。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種可實現(xiàn)連續(xù)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(huán)繞于所述冷坩堝外的感應(yīng)線圈、用于支撐所述冷坩堝的水冷支撐座、可升降的分體式底座、用于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(yīng)線圈連接，所述分瓣銅水冷管和所述支撐座內(nèi)均設(shè)置有冷卻水通道，該裝置還包括預(yù)制晶柱，所述預(yù)制晶柱設(shè)置于所述冷坩堝和所述分體式底座之間，所述預(yù)制晶柱的頂部設(shè)置有凹陷區(qū)，在所述凹陷區(qū)內(nèi)放置用于啟燃的啟熔金屬絲。
[0006]作為本發(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)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(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)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(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述金屬絲在所述預(yù)制晶柱的凹陷區(qū)內(nèi)呈環(huán)形放置，其外緣與冷坩堝內(nèi)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(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述啟燃金屬絲設(shè)置于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(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置的一種改進，所述凹陷區(qū)設(shè)置于所述預(yù)制晶柱的頂部，并且所述凹陷區(qū)的深度為5~15mm，直徑為20_65mm。
[0011]作為本發(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)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(shè)置有加料斗。
[0012]作為本發(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)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于所述水冷支撐座上，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(xiàn)分體式底座與上端環(huán)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(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)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(nèi)壁整體略呈倒錐形，該設(shè)置使連續(xù)式拉晶這一過程更為流暢無阻礙。
[0014]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過在冷坩堝和升降裝置之間設(shè)置預(yù)制晶柱，該預(yù)制晶柱是利用該裝置預(yù)先制備出的晶體，其可以作為下一次連續(xù)拉晶時原料的底托，即下一次生長晶體時，引燃熔池將在該預(yù)制晶柱的頂部凹陷處形成，隨后分體式底座開始以一定的速度連續(xù)下降，實現(xiàn) 連續(xù)拉晶，實現(xiàn)了單爐生產(chǎn)效率的最大化，，進而降低了生產(chǎn)成本。
[0015]此外，凹陷區(qū)放置的引燃金屬絲燃燒后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(qū)中，隨著分體式底座的下降而移出感應(yīng)區(qū)并冷卻凝固下來，使啟熔時未燃燒完全的金屬絲不會污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(zhì)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(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明及其有益技術(shù)效果進行詳細說明。
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的剖視結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖3為本發(fā)明中預(yù)制晶柱的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明中分瓣銅水冷管的結(jié)構(gòu)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(yīng)線圈，4-水冷支撐座，5-分體式底座，6-冷卻水通道，7-預(yù)制晶柱，8-啟熔金屬絲，9-加料斗，10-定位銷柱，11-石棉線，12-小熔池，13-結(jié)晶區(qū)，14-螺母，71-凹陷區(qū)。
【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(fā)明提供的一種可實現(xiàn)連續(xù)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(huán)繞于冷坩堝2外的感應(yīng)線圈3、用于支撐冷坩堝2的水冷支撐座4、可升降的分體式底座5、用于控制分體式底座5升降的升降裝置和控制電源，控制電源與感應(yīng)線圈3連接，分瓣銅水冷管I和支撐座4內(nèi)均設(shè)置有冷卻水通道6，該裝置還包括預(yù)制晶柱7，預(yù)制晶柱7設(shè)置于冷坩堝2和分體式底座5之間，預(yù)制晶柱7的頂部設(shè)置有凹陷區(qū)71，凹陷區(qū)71內(nèi)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,便于引燃。
[0025]啟熔金屬絲8在凹陷區(qū)71內(nèi)呈環(huán)形放置，其外緣與冷坩堝2內(nèi)壁等距，啟熔金屬絲8的單次使用量為150-800克，引燃啟熔金屬絲后將在凹陷區(qū)71內(nèi)形成初始熔池。
[0026]啟熔金屬絲8設(shè)置于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(zhì)均為氧化鋁。實際使用時，先在預(yù)制晶柱凹陷區(qū)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，然后在上面放置400g的金屬鋁絲，鋁絲呈環(huán)形排列，注意鋁絲環(huán)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(qū)71設(shè)置于預(yù)制晶柱7的頂部的中央部，并且凹陷區(qū)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(shè)置有加料斗9，方便在拉晶過程中加料。
[0029]升降裝置可采 用現(xiàn)有技術(shù)中常用的各種機械升降驅(qū)動裝置，只需能夠使得分體式底座5連同放置其上的預(yù)制晶柱7與冷坩堝2之間發(fā)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固定連接于環(huán)形的水冷支撐座4上(用螺母14固定)，水冷支撐座4與托著預(yù)制晶柱7的分體式底座5之間是分體的。在連續(xù)拉晶的過程中，冷坩堝2、水冷支撐座4，以及感應(yīng)線圈3始終保持靜止不動狀態(tài)。原料粉熔化后在預(yù)制晶柱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(nèi)。啟動分體式底座5的升降裝置，可將預(yù)制晶柱7以及其上面新生成的熔殼連同里面的熔體一起，緩慢地脫離冷坩堝2而逐漸下降、移出感應(yīng)區(qū)域，它們會逐漸凝固形成致密的結(jié)晶柱，該結(jié)晶柱與預(yù)制晶柱緊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(huán)形內(nèi)壁略呈倒錐形，該設(shè)置使連續(xù)式拉晶這一過程更為流暢，晶柱不易被卡住。
[0032]以制備藍寶石為例，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(yù)制晶塊7的凹陷區(qū)71內(nèi)，然后將純度為99.995%的金屬鋁絲呈環(huán)形水平放置在氧化鋁微粉上，然后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于氧化招微粉中。
[0033]然后，先啟動分瓣銅水冷管I和水冷支撐座4內(nèi)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，并使冷卻水保持循環(huán)流動狀態(tài)。
[0034]將感應(yīng)線圈3與控制電源接通，設(shè)定控制電源的頻率為900kHz，電壓為380V，金屬鋁絲感應(yīng)放電并燃燒，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(dǎo)電狀態(tài)，形成渦流發(fā)熱，使更多的氧化鋁微粉熔化，熔融區(qū)逐漸擴大。
[0035]然后，將550kg氧化鋁微粉原料粉通過上方的加料斗9分多次陸續(xù)投入熔池12中，當(dāng)投入的氧化鋁微粉逐漸熔融，并形成一個有一定高度的大熔池后，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(yù)制晶柱7以及更上方的氧化物熔體以5mm/小時的速率持續(xù)下降，在此過程中，不斷通過上方的加料斗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，緩慢下降并脫離固定不動的冷坩堝2，逐漸完成定向結(jié)晶，最終形成一個較長的結(jié)晶柱13。結(jié)晶柱13的長度取決于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，采用本發(fā)明的連續(xù)拉晶裝置，其單爐產(chǎn)量比傳統(tǒng)冷坩堝單爐產(chǎn)量高2-4倍。
[0036]之后，繼續(xù)保持冷卻水處于循環(huán)流動狀態(tài)，直至結(jié)晶柱冷卻至接近室溫，卸出晶柱，將其破拆后即可得到所需的氧化鋁塊體料。新熔制的晶柱與底部的預(yù)制晶柱7之間有明顯分界面，稍加震打，二者即可脫離開來。預(yù)制晶塊可在下一次拉晶時重復(fù)使用。
[0037]根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對上述實施方式進行適當(dāng)?shù)淖兏托薷?。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便`說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制。
【權(quán)利要求】
1.一種可實現(xiàn)連續(xù)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(huán)繞于所述冷坩堝外的感應(yīng)線圈、用于支撐所述冷坩堝的水冷支撐座、可升降的分體式底座、用于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(yīng)線圈連接，所述分瓣銅水冷管和所述支撐座內(nèi)均設(shè)置有冷卻水通道，其特征在于:該裝置還包括預(yù)制晶柱，所述預(yù)制晶柱設(shè)置于所述冷坩堝和所述分體式底座之間，所述預(yù)制晶柱的頂部設(shè)置有凹陷區(qū)，在所述凹陷區(qū)內(nèi)放置有啟熔金屬絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述啟熔金屬絲為純度為99.993~99.999%的金屬鋁絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述啟熔金屬絲的直徑為I~3mm,長度為3~6mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述啟熔金屬絲在所述凹陷區(qū)內(nèi)呈環(huán)形放置，所述啟熔金屬絲的單次使用量為150-800克。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述啟熔金屬絲設(shè)置于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(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述凹陷區(qū)的深度為5~15mm,直徑為20~65_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述冷坩堝的頂部還設(shè)置有加料斗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于:所述分瓣銅水冷管通過定位銷柱固定連接于水冷支撐座上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項所述的可實現(xiàn)連續(xù)拉晶的冷坩堝熔煉裝置，其特征在于: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(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】李暉云 申請人:東莞市精研粉體科技有限公司