專(zhuān)利名稱(chēng)：制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備高純和超純材料的區(qū)熔提純技術(shù)，尤其是用感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔技術(shù)制備高純和超純材料的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
一般稱(chēng)純度為3N 5N (即99. 9% 99. 999%)的金屬為高純金屬，純度超過(guò)5N的金屬為超純金屬(文中的N表示9)。過(guò)去，高純、超純材料只用于科研和尖端技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)中的用量非常少。但是，隨著世界進(jìn)入高科技時(shí)代，高純、超純材料已經(jīng)成為許多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。例如，在21世紀(jì)以前，制備信息產(chǎn)業(yè)的芯片薄膜的濺射Al靶和濺射Cu靶需要達(dá)到4N 5N的純度，而在進(jìn)入21世紀(jì)之后則要求它們達(dá)到5. 5N 6N ；純度7N的超純Al除用于制備化合物半導(dǎo)體材料外，還用于低溫電磁設(shè)備。近十年以來(lái)，由于石油危機(jī)，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)開(kāi)始在各發(fā)達(dá)國(guó)家中得到了重點(diǎn)發(fā)展，而純度達(dá)到和超過(guò)6N的超純Si是這個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。計(jì)算機(jī)芯片基板大量需要純度8N、9N的單晶Si，純度8N 9N的Ge用于半導(dǎo)體元件，純度13N的Ge則用于探測(cè)器，6N 7N的Ga、In、P、As則用于制備化合物半導(dǎo)體料。 此外，許多稀土功能材料，如稀土超磁致伸縮材料、稀土磁光記錄材料、稀土磁致冷材料等， 它們都需要用純度達(dá)到4N的高純稀土金屬作為原料。制備高純金屬材料一般采用以下技術(shù)先制得高純金屬氧化物或其他類(lèi)型的高純化合物，再用它們作原料用真空熱還原法或電解法制得高純金屬。但是用這些技術(shù)無(wú)法制取超純金屬，即便用超純氧化物或其它類(lèi)型的超純化合物作為原料。這是因?yàn)椋诮饘贌徇€原過(guò)程或電解過(guò)程中坩堝材料、電解槽、電解質(zhì)、電極材料都會(huì)帶入雜質(zhì)。精餾技術(shù)、真空蒸餾技術(shù)可以將高純金屬進(jìn)一步提純，但是，在這些技術(shù)中仍然有坩堝、模具等污染問(wèn)題。Si雖然不是金屬，但是它的性質(zhì)與金屬材料有相似之處。一般用SIMENS法制備 6N的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅在流態(tài)化氯化爐中使純度99. 8%的金屬硅與氯化氫進(jìn)行反應(yīng)形成三氯氫硅；用精餾法提純法提純?nèi)葰涔?；在化學(xué)氣相沉積設(shè)備中在1100 1150°C用氫將三氯氫硅還原成硅，并使硅沉積在超純的細(xì)硅芯發(fā)熱體上。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，設(shè)備復(fù)雜，投資大，沉積速度慢，生產(chǎn)率低，電能消耗大，污染嚴(yán)重，并產(chǎn)生有毒性的副產(chǎn)品。對(duì)于稀土金屬和其它活潑金屬，坩堝污染的影響更加嚴(yán)重，所以，要使稀土金屬和其它活潑金屬的純度達(dá)到4N已經(jīng)非常困難了。實(shí)際上，制備超純金屬和超純半導(dǎo)體材料最有效的方法是區(qū)熔提純技術(shù)，或者先使用精細(xì)電解技術(shù)或蒸餾、精餾技術(shù)預(yù)提純?nèi)缓笤賲^(qū)熔的區(qū)熔提純技術(shù)。區(qū)熔技術(shù)根據(jù)的原理是，材料中的熔池在固化時(shí)，分配系數(shù)小于1的雜質(zhì)會(huì)向液相富集，使凝固的固相的純度提高。分配系數(shù)大于1的雜質(zhì)，則需要在預(yù)提純過(guò)程中去除。區(qū)熔提純的實(shí)際過(guò)程是在棒狀高純材料中形成熔區(qū)，使熔區(qū)沿著棒的軸向移動(dòng)，通過(guò)雜質(zhì)隨著熔區(qū)向前遷移，使熔區(qū)后面固化段的純度得到提高。經(jīng)過(guò)數(shù)次區(qū)熔并切除棒料的頭尾，得到被提純的材料。采用這類(lèi)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)成功制備了 6N 7N的Al和Cu，6N 9N的Si，8N 13N的Ge，以及純度高于6N的( 和h。用區(qū)熔技術(shù)還提純了 Ag、Au、Cd、Hg、Pt、Sb、Fe、Te、B 等材料。此外，區(qū)熔提純技術(shù)也應(yīng)該能夠制備純度達(dá)到4N 5N的高純稀土金屬和其它活潑金屬。以前的區(qū)熔提純技術(shù)的缺點(diǎn)在于，它所使用的管狀陶瓷坩堝，例如區(qū)熔Al和Cu所用的石墨坩堝，區(qū)熔Si時(shí)使用的石英坩堝，它們?nèi)匀粫?huì)產(chǎn)生污染從而引起廢品率升高，并限制了進(jìn)一步的提純；為了避免坩堝的影響，一些區(qū)熔提純技術(shù)(如浮區(qū)區(qū)熔技術(shù))不使用坩堝，依靠表面張力和電磁懸浮力阻止熔區(qū)表面發(fā)生崩塌，但是這只適用于直徑很小(一般僅幾毫米)的棒料，制備效率非常低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服了現(xiàn)有的區(qū)熔提純技術(shù)產(chǎn)生污染、高純和超純材料的制備效率非常低的缺陷，提出一種無(wú)污染、與不使用坩堝的區(qū)熔提純技術(shù)(如浮區(qū)區(qū)熔技術(shù))相比制備高純超純材料的效率高的設(shè)備及制備方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案一種制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其包括一真空室、一冷坩堝、至少一個(gè)感應(yīng)器；該冷坩堝安裝在該真空室內(nèi)，該冷坩堝是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁、一進(jìn)水水套、一回水水套，該坩堝壁上平行于坩堝軸線(xiàn)分成若干坩堝瓣，每一個(gè)坩堝瓣都通入循環(huán)的冷卻水，該進(jìn)水水套安裝在該坩堝壁的下面，該回水水套安裝在該坩堝壁的上面；該至少一個(gè)感應(yīng)器環(huán)繞在該冷坩堝外面，該感應(yīng)器上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多。優(yōu)選地，沿冷坩堝軸線(xiàn)每隔一定距離設(shè)置一個(gè)環(huán)繞冷坩堝的感應(yīng)器。優(yōu)選地，該冷坩堝是圓截面或者方截面，該冷坩堝的取向是豎直的、水平或斜臥的。優(yōu)選地，用紫銅管制作坩堝瓣，它們環(huán)繞拼裝成坩堝壁，上下分別與回水水套和進(jìn)水水套連接，紫銅管本身的內(nèi)孔就形成了水路，紫銅管是園管、方管、扁管或異形管。優(yōu)選地，用若干作為坩堝瓣的紫銅板條環(huán)繞得到坩堝壁，在每一坩堝瓣的表面焊接作為水路的紫銅管，紫銅管的兩端分別與進(jìn)水水套、回水水套相接。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提出以下技術(shù)方案一種制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純方法，該方法應(yīng)用一設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備包括一真空室、一冷坩堝、 至少一個(gè)感應(yīng)器；該冷坩堝安裝在該真空室內(nèi)，該冷坩堝是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁、一進(jìn)水水套、一回水水套，該坩堝壁上平行于坩堝軸線(xiàn)分成若干坩堝瓣，每一個(gè)坩堝瓣都通入循環(huán)的冷卻水，該進(jìn)水水套安裝在該坩堝壁的下面，該回水水套安裝在該坩堝壁的上面；該至少一個(gè)感應(yīng)器環(huán)繞在該冷坩堝外面，該感應(yīng)器上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多；本制備方法包括以下步驟步驟1 在真空室中，用冷坩堝作為區(qū)熔提純的坩堝，將純度符合要求的原料裝入冷坩堝；步驟2 環(huán)繞冷坩堝的感應(yīng)器輸出電磁場(chǎng)在原料中產(chǎn)生熔區(qū)，當(dāng)熔區(qū)沿冷坩堝緩慢和勻速的移動(dòng)時(shí)，熔區(qū)中分配系數(shù)小于1的雜質(zhì)元素便跟隨熔區(qū)向冷坩堝前端富集，使熔區(qū)后面的凝固材料得到提純；步驟3 經(jīng)過(guò)數(shù)次區(qū)熔提純操作后，去除棒料的兩端，就可以得到純度很高的產(chǎn)品。優(yōu)選地，沿冷坩堝軸線(xiàn)每隔一定距離設(shè)置一個(gè)環(huán)繞冷坩堝的感應(yīng)器。優(yōu)選地，該冷坩堝是圓截面或者方截面，該冷坩堝的取向是豎直的、水平或斜臥的。優(yōu)選地，用紫銅管制作坩堝瓣，它們環(huán)繞拼裝成坩堝壁，上下分別與回水水套和進(jìn)水水套連接，紫銅管本身的內(nèi)孔就形成了水路，紫銅管是園管、方管、扁管或異形管。優(yōu)選地，用若干作為坩堝瓣的紫銅板條環(huán)繞得到坩堝壁，在每一坩堝瓣的表面焊接作為水路的紫銅管，紫銅管的兩端分別與進(jìn)水水套、回水水套相接。本發(fā)明的有益效果包括以下幾點(diǎn)
1、將冷坩堝技術(shù)應(yīng)用于區(qū)熔提純有兩個(gè)特別重要的技術(shù)困難，一是區(qū)熔用的冷坩堝形狀細(xì)長(zhǎng)，制作難度大，二是坩堝壁強(qiáng)烈的冷卻作用導(dǎo)致熔區(qū)的固/液界面和液/固界面嚴(yán)重向后凹曲，破壞區(qū)熔效果。本發(fā)明通過(guò)坩堝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、感應(yīng)圈設(shè)計(jì)和電磁場(chǎng)頻率選擇等措施解決了這些困難，如直接用紫銅管制作坩堝瓣，它們環(huán)繞拼裝成坩堝壁，上下分別與回水水套和進(jìn)水水套連接，即可制成細(xì)長(zhǎng)的冷坩堝，而采用上層匝數(shù)少、下層匝數(shù)多的感應(yīng)圈能改善固/液界面和液/固界面嚴(yán)重向后凹曲的缺陷。；
2、與不使用坩堝的區(qū)熔提純技術(shù)(如浮區(qū)區(qū)熔技術(shù))相比，冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)可以對(duì)大直徑的棒料進(jìn)行提純，獲得較高的制備效率，同時(shí)保持著沒(méi)有坩堝污染的優(yōu)點(diǎn)；
3、與使用特種陶瓷坩堝的區(qū)熔提純技術(shù)相比，冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)排除了坩堝材料引起的污染，所以產(chǎn)品的純度、質(zhì)量和成品率能得到提高，它還可以通過(guò)進(jìn)行更多次的區(qū)熔提純操作使產(chǎn)品的純度達(dá)到更高的檔次；
4、冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)能提純稀土金屬和其它活潑金屬。在使用陶瓷坩堝的情況下， 這些材料對(duì)于坩堝材料的化學(xué)活性使得提純過(guò)程難以進(jìn)行。


圖1是本發(fā)明感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備的的示意圖。圖2是本發(fā)明感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備的真空室內(nèi)部的示意圖。圖3表示采用多個(gè)感應(yīng)器的冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備的圖。圖4是本發(fā)明提出的用紫銅管拼裝的冷坩堝的示意圖。圖fe是表示用圓管紫銅管拼裝的冷坩堝的截面結(jié)構(gòu)。圖恥是表示用方管紫銅管拼裝的冷坩堝的截面結(jié)構(gòu)。圖中的虛線(xiàn)圓表示對(duì)拼裝的坩堝的內(nèi)表面升加工得到圓形的內(nèi)壁。圖6表示在冷坩堝區(qū)熔過(guò)程中熔區(qū)表面的受熱、散熱和受力分析，以及這些因素對(duì)熔區(qū)的熔化面和凝固面的形態(tài)的影響。圖7a表示當(dāng)熔區(qū)的熔化面的曲率特別大時(shí)對(duì)區(qū)熔過(guò)程的影響。圖7b表示當(dāng)熔區(qū)的凝固面的曲率特別大時(shí)對(duì)區(qū)熔過(guò)程的影響。圖8表示采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的感應(yīng)圈對(duì)熔區(qū)的熔化面圖和凝固面形態(tài)的影響。在以上各圖中，冷坩堝2，原料500，感應(yīng)圈3，熔區(qū)200，經(jīng)過(guò)區(qū)熔后重新凝固的材料300，進(jìn)水水套M，回水水套沈，熔區(qū)中沒(méi)有被熔化就被埋到凝固面后面的固相粒子600， 熔區(qū)中沒(méi)有凝固就被埋到凝固面后面的液滴700。在以上各圖中，A表示熔區(qū)前面的熔化面，B表示熔區(qū)后面的凝固面，C表示凝固面附近的雜質(zhì)原子，小箭頭表示雜質(zhì)原子的運(yùn)動(dòng)方向，雙箭頭表示感應(yīng)器相對(duì)坩堝的運(yùn)動(dòng)方向，F(xiàn)和三角箭頭表示電磁懸浮力對(duì)熔區(qū)表面的作用，R和虛箭頭表示水冷坩堝壁引起的熔區(qū)表面的熱量流失。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1至圖8，本發(fā)明提出一種制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其包括一真空室1、一冷坩堝2、一感應(yīng)器3。該冷坩堝2安裝在該真空室1內(nèi)。該冷坩堝2是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁22、一進(jìn)水水套24、一回水水套26。該坩堝壁22上平行于坩堝軸線(xiàn)分成若干坩堝瓣224，例如16 M瓣，以便使電磁場(chǎng)能夠穿過(guò)坩堝壁22進(jìn)入坩堝內(nèi)部。每一個(gè)坩堝瓣2M都通入循環(huán)的冷卻水，以防紫銅坩堝被燒損。該進(jìn)水水套M安裝在該坩堝壁22的下面。該回水水套沈安裝在該坩堝壁22的上面。該冷坩堝2可以是圓截面，也可以是方截面，該冷坩堝2的取向可以是豎直的，也可以是水平或斜臥的。該感應(yīng)器3環(huán)繞在該冷坩堝2外面，該感應(yīng)器3上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多。制備高純和超純材料的簡(jiǎn)要過(guò)程如下在真空室1中，用冷坩堝2作為區(qū)熔提純的坩堝，將純度符合要求的原料即紫銅棒500裝入冷坩堝2，環(huán)繞冷坩堝2的感應(yīng)器3輸出電磁場(chǎng)在原料中產(chǎn)生熔區(qū)200，當(dāng)熔區(qū)200沿冷坩堝2緩慢和勻速的移動(dòng)時(shí)，熔區(qū)中分配系數(shù)小于1的雜質(zhì)元素C便跟隨熔區(qū)向冷坩堝2前端富集，使熔區(qū)后面的凝固材料300得到提純(如圖2所示)。經(jīng)過(guò)數(shù)次區(qū)熔提純操作后，去除棒料的兩端，就可以得到純度很高的產(chǎn)
P
ΡΠ O為了提高提純過(guò)程的效率，可以沿冷坩堝2軸線(xiàn)每隔一定距離設(shè)置一個(gè)環(huán)繞冷坩堝2的感應(yīng)器3，它們同時(shí)在原料的不同位置形成熔區(qū)200，這樣，感應(yīng)器3運(yùn)行一個(gè)周期之后，冷坩堝2中的原料就得到了數(shù)次提純(如圖3所示)。冷坩堝設(shè)計(jì)
區(qū)熔用的冷坩堝2可以是圓截面，也可以是方截面，冷坩堝2的取向可以是豎直的，也可以是水平或斜臥的。但是，它們一般要有比較大的高度，而冷坩堝2的直徑一般比較小， 所以，坩堝瓣2 又細(xì)又長(zhǎng)。以?xún)?nèi)徑20mm，高度500mm的坩堝為例，如果分成16瓣，則每一個(gè)坩堝瓣的截面尺寸僅約4mm。在這么細(xì)的坩堝瓣224中要鉆出直徑2mm長(zhǎng)度接近500mm 的孔本來(lái)就相當(dāng)困難，還要其中在裝一支更細(xì)的長(zhǎng)回水管就難上加難，這是將冷坩堝技術(shù)用于區(qū)熔提純最重要的困難之一。本發(fā)明從兩個(gè)方面簡(jiǎn)單地解決了這個(gè)問(wèn)題
1、鑒于定向凝固的冷坩堝不需要傾轉(zhuǎn)鑄造，所以可以將進(jìn)水水套M和回水水套分26 別裝在冷坩堝2的下面和上面，使冷卻水從進(jìn)水水套M通過(guò)坩堝瓣2 的水路直接到達(dá)回水水套26。2、直接用紫銅管400制作坩堝瓣224，它們環(huán)繞拼裝成坩堝壁22，上下分別與回水水套沈和進(jìn)水水套M連接。在這種情況下，紫銅管400本身的內(nèi)孔就形成了水路，不需要專(zhuān)門(mén)制備(如圖4所示)。紫銅管400用園管、方管、扁管或異形管均可，只要它們有一定的壁厚即可——需要利用壁厚加工有一定寬度的拼接接縫(如圖5所示)。
如果冷坩堝2的直徑較大時(shí)，坩堝壁22可以用若干作為坩堝瓣2M的紫銅板條環(huán)繞得到，在每一坩堝瓣224的表面焊接作為水路的紫銅管400，紫銅管400的兩端分別與進(jìn)水水套24、回水水套沈相接。根據(jù)這些設(shè)計(jì)原則，可以為區(qū)熔技術(shù)很容易地制作出分12 20瓣的內(nèi)徑20mm或更細(xì)，長(zhǎng)度500mm或更長(zhǎng)的水冷紫銅坩堝2，而制作內(nèi)徑較大的冷坩堝2其難度就更小。感應(yīng)器設(shè)計(jì)
現(xiàn)有技術(shù)中，由于對(duì)區(qū)熔過(guò)程的熔區(qū)寬度有限制，所以，作為輸出區(qū)熔電磁能的感應(yīng)器一般都做成單層單匝、單層多匝的扁平感應(yīng)圈或雙層多匝、多層多匝的扁園柱形感應(yīng)圈。但是，本發(fā)明提出，在冷坩堝區(qū)熔技術(shù)中，感應(yīng)圈3應(yīng)該具有上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多的形式。這與控制熔區(qū)的界面形狀有關(guān)在區(qū)熔技術(shù)中，熔區(qū)前部的表面先受熱，溫度高于中心，而熔區(qū)后部的表面則先被坩堝壁22冷卻，溫度低于中心。這些作用使熔區(qū)前面的固/液界面(A)和熔區(qū)后面的液/固界面(B)(下文將它們分別稱(chēng)為“熔區(qū)的熔化面”和 “熔區(qū)的凝固面”)一般都形成向后凹的曲面(如圖6所示)。這種現(xiàn)象在冷坩堝區(qū)熔提純過(guò)程尤為突出——熔化面和凝固面向后凹的曲率特別大。這是由于，在熔區(qū)前部，電磁感應(yīng)加熱的高頻渦流I集中在料棒500表面，電磁束縛力F又壓迫熔體表面離開(kāi)坩堝壁22，減弱了坩堝壁22的冷卻作用，所以表面溫度顯著高于心部；在熔區(qū)的后面，隨電磁場(chǎng)減弱，電磁束縛力減小，熔體表面會(huì)比較緊密地附著于坩堝壁22，而通有冷卻水的坩堝壁22的冷卻作用又特別強(qiáng)烈(見(jiàn)圖中熱量R的散失方向)，所以，表面溫度特別顯著地低于心部(圖6)。熔區(qū)熔化面㈧嚴(yán)重向后凹陷的曲率特別大時(shí)會(huì)引起熔化面㈧中斷和間斷(如圖7a所示)，其本質(zhì)是料棒的心部因溫度偏低而沒(méi)有熔化或熔化不充分，部分固相600沒(méi)有受到區(qū)熔提純就被埋到凝固面之后；熔區(qū)凝固面(B)向后凹陷的曲率特別大時(shí)則會(huì)引起凝固面中斷和間斷(如圖7b所示)，其本質(zhì)是熔區(qū)200的心部冷卻不夠，部分含雜質(zhì)的液相 700被埋到凝固面之后了。采用上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多的感應(yīng)圈3能改善這種情況(如圖8所示)，例如上層一匝，下層三匝的感應(yīng)圈，或者上層兩匝，下層四匝的感應(yīng)圈。對(duì)于熔區(qū)后部，這一方面使其溫度，特別是表面溫度提高，另一方面它使電磁束縛力增大，坩堝壁對(duì)表面冷卻作用減小，從而減輕了凝固面區(qū)域表面冷，心部熱的傾向，減小了凝固面向后凹的曲率；對(duì)于熔區(qū)的前部，由于表面加熱作用和束縛作用降低，熱量主要來(lái)自從后部高溫區(qū)的中心，所以，也減輕了表面熱，中心冷的傾向，減小了熔化面向后凹的曲率。由于兩個(gè)界面都變得比較平直，從而為良好的區(qū)熔效果提供了保障。電磁場(chǎng)和熔區(qū)移動(dòng)速度的頻率確定
電磁場(chǎng)的頻率選擇首先取決于感應(yīng)器3同負(fù)載的匹配，它取決于材料的種類(lèi)和冷坩堝 2的內(nèi)徑，這方面已經(jīng)有成熟的經(jīng)驗(yàn)。本發(fā)明提出，在頻率合適的范圍內(nèi)，在冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)應(yīng)該選用較高的頻率。因?yàn)?，電磁?chǎng)對(duì)場(chǎng)中液態(tài)金屬表面的束縛力隨頻率升高而增大， 所以，提高頻率能降低冷坩堝2表面的冷卻作用，改善區(qū)熔的效果。以區(qū)熔提純直徑20mm的稀土金屬鋱為例，從匹配考慮，合適的電磁場(chǎng)頻率是100 kHz 500kHz，而使用400 kHz 500kHz的電磁場(chǎng)時(shí)能得到較好的區(qū)熔效果。降低熔區(qū)移動(dòng)速度有助于熱量沿徑向傳導(dǎo)，減小熔區(qū)表面與心部的溫差，減小熔化面和凝固面的曲率，改善區(qū)熔提純的效果。實(shí)施例一用冷坩堝區(qū)熔技術(shù)提純Cu，制備超純Cu
用Φ60Χ1200πιπι的石英管制作成豎直安裝的真空室1。冷坩堝2用16支異形紫銅管400按照?qǐng)D4和圖5的形式拼裝制作。坩堝內(nèi)徑30mm，高度800mm，純度為4N的 Φ 30mmX800mm的料棒即紫銅棒500放在冷坩堝2中。將3個(gè)單層三匝的感應(yīng)圈3相互間隔50mm地環(huán)繞石英管，并與高頻電源(頻率為300kc)連接。這些感應(yīng)圈3可以同步地沿石英管移動(dòng)。在抽真空QX10-3Pa)和充入5N的高純氬后向感應(yīng)圈3送電，在熔區(qū)200形成后驅(qū)動(dòng)3個(gè)感應(yīng)圈3同時(shí)由下向上移動(dòng)?？刂迫蹍^(qū)的寬度約為60mm，熔區(qū)的移動(dòng)速度為2mm/ min0當(dāng)最后一個(gè)感應(yīng)圈3越過(guò)冷坩堝2的頂端時(shí)，將感應(yīng)圈3回位到初始位置，然后重新進(jìn)行區(qū)熔提純。提純結(jié)束和冷卻之后取出紫銅棒500，切除其上端150mm和下端50mm的長(zhǎng)度，對(duì)剩余棒分上、中、下三點(diǎn)取樣，分析結(jié)果表明，成品銅棒500的純度達(dá)到了 5. 5N。實(shí)施例二 提純并制備高純鈦鍍膜靶材的例子。原料的純度是4N，要求得到純度為5N，尺寸為Φ 200 X 6mm的濺射靶。真空室1用不銹鋼制作。冷坩堝2的坩堝壁22用M片紫銅板拼裝，板的外表面焊接Φ 12mm的紫銅管400，紫銅管400再與進(jìn)水水套24、回水水套沈連接。坩堝壁22內(nèi)徑205mm，高度600mm。在坩堝壁22的下端裝有水冷的紫銅坩堝底。 原料鈦棒裝入坩堝待提純。在冷坩堝2的下端環(huán)繞冷坩堝2安裝1個(gè)雙層感應(yīng)器3，它的上層為2匝，下層為 4匝(如圖8所示)。高頻電磁場(chǎng)的頻率為20kc。啟動(dòng)高頻電源后，感應(yīng)器3在冷坩堝2的下端形成熔區(qū)，驅(qū)動(dòng)冷坩堝2以0. 5mm/ min的速度勻速、穩(wěn)定地下降，開(kāi)始進(jìn)行第一次區(qū)熔提純，直至熔區(qū)到達(dá)冷坩堝2頂端。然后提升冷坩堝2回到初始位置，進(jìn)行第二次區(qū)熔提純。鈦棒冷卻后被取出，切除底部30mm和頂部IOOmm的厚度，對(duì)剩余棒的上、中、下三點(diǎn)取樣，分析結(jié)果表明純度達(dá)到了 5N。本發(fā)明的有益效果包括幾點(diǎn)
1、將冷坩堝技術(shù)應(yīng)用于區(qū)熔提純有兩個(gè)特別重要的技術(shù)困難，一是區(qū)熔用的冷坩堝形狀細(xì)長(zhǎng)，制作難度大，二是坩堝壁22強(qiáng)烈的冷卻作用導(dǎo)致熔區(qū)的固/液界面和液/固界面嚴(yán)重向后凹曲，破壞區(qū)熔效果。本發(fā)明通過(guò)坩堝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、感應(yīng)圈設(shè)計(jì)和電磁場(chǎng)頻率選擇等措施解決了這些困難；
2、與不使用冷坩堝2的區(qū)熔提純技術(shù)(如浮區(qū)區(qū)熔技術(shù))相比，冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)可以對(duì)大直徑的棒料進(jìn)行提純，獲得較高的制備效率，同時(shí)保持著沒(méi)有坩堝污染的優(yōu)點(diǎn)；
3、與使用特種陶瓷坩堝的區(qū)熔提純技術(shù)相比，冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)排除了坩堝材料引起的污染，所以產(chǎn)品的純度、質(zhì)量和成品率能得到提高，它還可以通過(guò)進(jìn)行更多次的區(qū)熔提純操作使產(chǎn)品的純度達(dá)到更高的檔次；
4、冷坩堝區(qū)熔提純技術(shù)能提純稀土金屬和其它活潑金屬。在使用陶瓷坩堝的情況下， 這些材料對(duì)于坩堝材料的化學(xué)活性使得提純過(guò)程難以進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其特征在于，其包括一真空室、一冷坩堝、至少一個(gè)感應(yīng)器；該冷坩堝安裝在該真空室內(nèi)，該冷坩堝是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁、一進(jìn)水水套、一回水水套，該坩堝壁上平行于坩堝軸線(xiàn)分成若干坩堝瓣，每一個(gè)坩堝瓣都通入循環(huán)的冷卻水，該進(jìn)水水套安裝在該坩堝壁的下面，該回水水套安裝在該坩堝壁的上面；該至少一個(gè)感應(yīng)器環(huán)繞在該冷坩堝外面，該感應(yīng)器上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其特征在于，沿冷坩堝軸線(xiàn)每隔一定距離設(shè)置一個(gè)環(huán)繞冷坩堝的感應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其特征在于，該冷坩堝是圓截面或者方截面，該冷坩堝的取向是豎直的、水平或斜臥的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其特征在于，用紫銅管制作坩堝瓣，它們環(huán)繞拼裝成坩堝壁，上下分別與回水水套和進(jìn)水水套連接， 紫銅管本身的內(nèi)孔就形成了水路，紫銅管是園管、方管、扁管或異形管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其特征在于，用若干作為坩堝瓣的紫銅板條環(huán)繞得到坩堝壁，在每一坩堝瓣的表面焊接作為水路的紫銅管，紫銅管的兩端分別與進(jìn)水水套、回水水套相接。
6.一種制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純方法，其特征在于，該方法應(yīng)用一設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備包括一真空室、一冷坩堝、至少一個(gè)感應(yīng)器；該冷坩堝安裝在該真空室內(nèi)，該冷坩堝是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁、一進(jìn)水水套、一回水水套，該坩堝壁上平行于坩堝軸線(xiàn)分成若干坩堝瓣，每一個(gè)坩堝瓣都通入循環(huán)的冷卻水，該進(jìn)水水套安裝在該坩堝壁的下面，該回水水套安裝在該坩堝壁的上面；該至少一個(gè)感應(yīng)器環(huán)繞在該冷坩堝外面， 該感應(yīng)器上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多；本制備方法包括以下步驟步驟1 在真空室中，用冷坩堝作為區(qū)熔提純的坩堝，將純度符合要求的原料裝入冷坩堝；步驟2 環(huán)繞冷坩堝的感應(yīng)器輸出電磁場(chǎng)在原料中產(chǎn)生熔區(qū)，當(dāng)熔區(qū)沿冷坩堝緩慢和勻速的移動(dòng)時(shí)，熔區(qū)中分配系數(shù)小于1的雜質(zhì)元素便跟隨熔區(qū)向冷坩堝前端富集，使熔區(qū)后面的凝固材料得到提純；步驟3 經(jīng)過(guò)數(shù)次區(qū)熔提純操作后，去除棒料的兩端，就可以得到純度很高的產(chǎn)品。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純方法，其特征在于，沿冷坩堝軸線(xiàn)每隔一定距離設(shè)置一個(gè)環(huán)繞冷坩堝的感應(yīng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純方法，其特征在于，該冷坩堝是圓截面或者方截面，該冷坩堝的取向是豎直的、水平或斜臥的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純方法，其特征在于，用紫銅管制作坩堝瓣，它們環(huán)繞拼裝成坩堝壁，上下分別與回水水套和進(jìn)水水套連接， 紫銅管本身的內(nèi)孔就形成了水路，紫銅管是園管、方管、扁管或異形管。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純方法，其特征在于，用若干作為坩堝瓣的紫銅板條環(huán)繞得到坩堝壁，在每一坩堝瓣的表面焊接作為水路的紫銅管，紫銅管的兩端分別與進(jìn)水水套、回水水套相接。
全文摘要
一種制備高純和超純材料的感應(yīng)冷坩堝區(qū)熔提純?cè)O(shè)備，其包括一真空室、一冷坩堝、至少一個(gè)感應(yīng)器；該冷坩堝安裝在該真空室內(nèi)，該冷坩堝是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁、一進(jìn)水水套、一回水水套，該坩堝壁上平行于坩堝軸線(xiàn)分成若干坩堝瓣，每一個(gè)坩堝瓣都通入循環(huán)的冷卻水，該進(jìn)水水套安裝在該坩堝壁的下面，該回水水套安裝在該坩堝壁的上面；該至少一個(gè)感應(yīng)器環(huán)繞在該冷坩堝外面，該感應(yīng)器上層匝數(shù)少，下層匝數(shù)多。本發(fā)明設(shè)備制備高純超純材料的效率很高。
文檔編號(hào)C30B13/00GK102168919SQ20111009381
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者張森, 李碚 申請(qǐng)人:張森