專(zhuān)利名稱(chēng)：燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定向凝固技術(shù)，尤其是一種冶金法多晶硅制備過(guò)程中的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t。
背景技術(shù)：
定向凝固技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，主要被用來(lái)生產(chǎn)磁性材料、航空和地面燃機(jī)渦輪葉片、自生復(fù)合材料以及各種功能晶體；在研究領(lǐng)域，定向凝固是研究金屬凝固和晶體生長(zhǎng)的基本手段。定向凝固法通常指的是在同一坩堝中熔煉，利用雜質(zhì)元素在固相和液相中，分凝效應(yīng)達(dá)到提純目的的方法，同時(shí)通過(guò)單向熱流控制，使坩堝中的熔體達(dá)到一定的溫度梯度，從而獲得沿生長(zhǎng)方向整齊排列的柱狀晶組織。一種較為常見(jiàn)的定向凝固技術(shù)的工藝特點(diǎn)是將鑄型以一定速度從爐中移出，并采用空冷的方式；多數(shù)定向凝固研究的重點(diǎn)都在冷卻技術(shù)的介質(zhì)和工藝方面，常用的定向凝固爐的加熱方式有感應(yīng)加熱和電阻器加熱兩種，均以電能作為熱源的加熱方式。如專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN101173838A —種定向凝固提純爐， 定向凝固提純爐為雙層鋼板組成外爐殼體內(nèi)襯保溫材料及耐火材料組成整體密閉直桶立式爐體，爐體內(nèi)，若干只電阻加熱器垂直均布吊掛在爐內(nèi)壁上部，感應(yīng)加熱器設(shè)置在電阻加熱器的下部，位于爐體中軸線(xiàn)上的液壓升降式底架上依次設(shè)有水冷總成、石墨加熱塊、石墨坩堝，石墨坩堝與電阻加熱器等高。又如專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN1862201A的一種定向凝固熔煉爐，在坩堝的下面設(shè)置中空結(jié)構(gòu)的耐火外保溫托以及和水冷器可互換位置的內(nèi)保溫托，在耐火外保溫托與坩堝之間設(shè)置散熱承重板，耐火外保溫托的下部與升降箍連接，與耐火外保溫托相對(duì)的周?chē)突鸨夭牧蟼?cè)壁上開(kāi)有環(huán)形凹槽，凹槽內(nèi)鑲嵌有彈性密封圈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的定向凝固法熱源選擇單一、運(yùn)行成本較高的問(wèn)題，為增加多樣化能源的選擇并降低能耗成本，提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，它主要是將泡沫陶瓷的良好火焰?zhèn)鞑?、傳熱性能和石英坩堝定向凝固爐結(jié)合起來(lái)，即把用感應(yīng)線(xiàn)圈或電阻加熱的方式換成用燃?xì)饣鹧婕訜?，從而?duì)爐體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足冶金法多晶硅定向凝固爐的工藝要求。本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的一種燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，包括支撐鋼座，設(shè)置在支撐鋼座底部中間部位的升降機(jī)構(gòu)，固定在支撐鋼座上的爐體，其特征是所述的升降機(jī)構(gòu)上方裝有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上方設(shè)有坩堝，坩堝位于爐體的芯部，爐體包括殼體，殼體內(nèi)側(cè)設(shè)有爐墻，爐墻內(nèi)側(cè)是泡沫陶瓷層，泡沫陶瓷層內(nèi)側(cè)是坩堝保護(hù)層，坩堝保護(hù)層與坩堝緊貼，爐墻中設(shè)有燒嘴通道，爐墻和泡沫陶瓷層之間設(shè)有間隙，沿坩堝上下方向分為若干個(gè)加熱區(qū)，每一個(gè)加熱區(qū)設(shè)有若干個(gè)燒嘴。采用電器控制的升降機(jī)構(gòu)其升降速度能調(diào)整成工藝要求的數(shù)值，坩堝隨支撐臺(tái)同升降機(jī)構(gòu)上下運(yùn)行，在上下運(yùn)行的過(guò)程中，加熱區(qū)和冷凝區(qū)緩和連續(xù)過(guò)渡，在燒嘴和坩堝之間鋪設(shè)泡沫陶瓷層，確保加熱的溫度均勻。
根據(jù)鑄件定向凝固需要的兩個(gè)條件即熱流向單一方向流動(dòng)并垂直于生長(zhǎng)中的固-液界面，晶體生長(zhǎng)前方的熔液中沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)晶核心，因此，在工藝上采取措施避免側(cè)向散熱，坩堝保護(hù)層、泡沫陶瓷層在停止火焰加熱后起著側(cè)向保溫作用，同時(shí)在靠近固-液界面的熔液中由多層加熱區(qū)和升降機(jī)構(gòu)造成較大的溫度梯度，這也是保證定向柱晶和單晶生長(zhǎng)挺直，取向正確的基本要素。當(dāng)燒嘴系統(tǒng)工作后，燃?xì)饣鹧鎸⑴菽沾蓪诱w加熱，泡沫陶瓷層通過(guò)熱傳導(dǎo)和輻射兩者方式，將熱量傳給坩堝加熱熔融金屬物料，待熔融充分，開(kāi)始升降，定向凝固過(guò)程開(kāi)始，熱流的傳遞方向是由熔融液自上而下傳遞，先脫離加熱區(qū)的坩堝和其上部的坩堝之間存在溫度梯度，凝固的方向從底部向上，當(dāng)坩堝下降脫離上部加熱區(qū)時(shí)，控制系統(tǒng)關(guān)閉對(duì)應(yīng)該層的燒嘴系統(tǒng)。作為優(yōu)選，所述的爐墻和泡沫陶瓷層之間設(shè)有空間，空間內(nèi)設(shè)有側(cè)壁定位磚。燒嘴通道設(shè)置在爐墻中，燃燒氣行走路線(xiàn)就在該空間中，該空間高度由若干塊側(cè)壁定位磚的厚度決定。作為優(yōu)選，所述的坩堝的頂部設(shè)有石英坩堝蓋，外爐殼體的頂部設(shè)有爐頂，爐頂與坩堝蓋之間設(shè)有空隙通道?？障锻ǖ罉?gòu)成還原性氣氛的空間，坩堝頂部加設(shè)石英坩堝蓋，保證內(nèi)部熔融和結(jié)晶的氣氛要求，減少煙氣對(duì)晶體的污染，保護(hù)氣體同樣為了保證熔融和結(jié)晶的氣氛需求?？障锻ǖ纼?nèi)可充有保護(hù)氣體。作為優(yōu)選，所述的爐體內(nèi)設(shè)有排煙通道，排煙通道設(shè)置在最底部加熱區(qū)的下部，每一面?zhèn)葔Σ贾靡粋€(gè)排煙通道。燒嘴通道和排煙通道構(gòu)成一個(gè)燃?xì)庑凶呦到y(tǒng)的進(jìn)口和出口。作為優(yōu)選，所述的爐體的橫截面為方形，若干個(gè)燒嘴分別分布在爐體的四面爐墻中。方形的爐體配置方形的坩堝，有利于升降機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)的導(dǎo)向。作為優(yōu)選，所述的坩堝的下部設(shè)有隔熱墊板，隔熱墊板固定在支撐臺(tái)上，支撐臺(tái)與升降機(jī)構(gòu)連接。升降機(jī)構(gòu)或采用液壓或螺桿傳動(dòng)的方式，升降速度由電氣控制部分調(diào)節(jié)。作為優(yōu)選，所述的爐體底部設(shè)有框形隔熱擋板，隔熱擋板中間框孔與支撐臺(tái)上的隔熱墊板之間具有加熱區(qū)和冷凝區(qū)過(guò)渡的絕熱層。隔熱擋板和隔熱墊板的接觸面之間設(shè)有接口，在加熱過(guò)程中隔熱擋板和隔熱墊板由該接口相互緊貼，保證爐內(nèi)燃燒的封閉，而在升降機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)有利于縱向溫度梯度的形成。作為優(yōu)選，所述的坩堝采用石英材質(zhì)制作，坩堝保護(hù)層的材質(zhì)采用碳化硅或莫來(lái)石，坩堝的截面為方形。其中莫來(lái)石是A1203 -Si02 二元系中常壓下唯一穩(wěn)定存在的二元化合物，化學(xué)式為3A1203-2Si02，通常用燒結(jié)法或電熔法等人工合成，是一種新型的節(jié)能耐火材料，具有耐高溫、強(qiáng)度高導(dǎo)熱系數(shù)小，節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。作為優(yōu)選，所述的沿坩堝上下方向至少分為三個(gè)加熱區(qū)，每一個(gè)加熱區(qū)至少設(shè)有四個(gè)燒嘴，四個(gè)燒嘴均勻分布，燒嘴與燒嘴通道相接。四個(gè)燒嘴位于爐墻的四個(gè)不同方向， 燃嘴與爐墻、泡沫陶瓷層之間的空間相通。本發(fā)明的有效效果是沿坩堝上下方向分為若干個(gè)加熱區(qū)連續(xù)分布，加熱過(guò)程可控，節(jié)約能源，且造價(jià)低廉，可滿(mǎn)足冶金法提純定向凝固爐的工藝要求。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明圖1的一種爐體俯視剖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.爐頂，2.爐墻，3.坩堝蓋，4.燒嘴通道，5.泡沫陶瓷層，6.坩堝，7. 坩堝保護(hù)層，8.排煙通道，9.隔熱墊板，10.殼體，11.隔熱擋板，12.支撐臺(tái)，13.支撐鋼座，14.升降機(jī)構(gòu)，15.側(cè)壁定位磚，16.燒嘴。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例一種燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，設(shè)一支撐鋼座13，支撐鋼座13底部中間位置設(shè)升降機(jī)構(gòu)14，支撐鋼座13上方為爐體。爐體內(nèi)加熱區(qū)芯部為方形石英式坩堝6，坩堝6外套裝一層由莫來(lái)石材質(zhì)制作的坩堝保護(hù)套7。坩堝6的頂部設(shè)有同坩堝6開(kāi)口形狀相同的石英材質(zhì)的坩堝蓋3。沿坩堝保護(hù)層7外四側(cè)面布置泡沫陶瓷層5，在爐墻2和泡沫陶瓷層之間安裝側(cè)壁定位磚15，如圖2所示。燒嘴通道4布置在爐墻2的四側(cè)面內(nèi)，燒嘴通道4的外接口與燒嘴 16相接。在爐墻2與泡沫陶瓷層5之間的每一側(cè)墻中布置三層燒嘴通道4，每一層燒嘴通道4形成一個(gè)層面的加熱區(qū)，加熱區(qū)共分三層。排煙通道8設(shè)置在最底部加熱區(qū)的下部，每一側(cè)墻內(nèi)布置一個(gè)排煙通道4。坩堝6及坩堝保護(hù)套7放置在隔熱墊板9上，隔熱墊板9固定在支撐臺(tái)12上，支撐臺(tái)12下部連接升降機(jī)構(gòu)14，以實(shí)現(xiàn)坩堝6的上下移動(dòng)。爐體的保溫、密封結(jié)構(gòu)包括爐墻2、爐頂1、隔熱板9和隔熱擋板11，其中爐墻2由耐火材料和保溫材料組成，爐頂ι用輕質(zhì)隔熱材料制成，隔熱擋板11與隔熱墊板9接觸后形成臺(tái)階式曲封結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)形式的外爐殼體10密封包裹在爐體的最外側(cè)，并連接到底部支撐鋼座13上，形成定向凝固爐的固定支撐結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，首先將升降機(jī)構(gòu)14降低，將待加工的物料裝入坩堝6內(nèi)，用升降機(jī)構(gòu)14 將坩堝6調(diào)整至加熱區(qū)。燒嘴系統(tǒng)(包括燒嘴16、燒嘴通道等)工作后，燃?xì)饣鹧鎸⑴菽沾蓪?整體加熱，泡沫陶瓷層5通過(guò)熱傳導(dǎo)和輻射兩者方式，將熱量傳給坩堝6并加熱熔融金屬物料。待熔融充分，升降機(jī)構(gòu)14再工作，定向凝固效應(yīng)開(kāi)始，熱流的傳遞方向是由熔融液由上往下傳遞，先脫離加熱區(qū)的坩堝6和其上部的坩堝6之間存在溫度梯度，凝固的方向從底部向上；當(dāng)坩堝6下降脫離上部加熱區(qū)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉對(duì)應(yīng)的該層燒嘴16。下降速度根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。上述實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明，不是對(duì)本發(fā)明的限定，任何對(duì)本發(fā)明的簡(jiǎn)單變換后的結(jié)構(gòu)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，包括支撐鋼座(13)，設(shè)置在支撐鋼座(13)底部中間部位的升降機(jī)構(gòu)(14)，固定在支撐鋼座上的爐體，其特征是所述的升降機(jī)構(gòu)(14)上方裝有支撐臺(tái)(12)，支撐臺(tái)(12)上方設(shè)有坩堝(6)，坩堝(6)位于爐體的芯部，爐體包括殼體(10)，殼體 (10)內(nèi)側(cè)設(shè)有爐墻(2)，爐墻(2)內(nèi)側(cè)是泡沫陶瓷層(5)，泡沫陶瓷層(5)內(nèi)側(cè)是坩堝保護(hù)層 (7)，坩堝保護(hù)層(7)與坩堝(6)緊貼，爐墻(2)中設(shè)有燒嘴通道(4)，爐墻(2)和泡沫陶瓷層 (5)之間設(shè)有間隙，沿坩堝(6)上下方向分為若干個(gè)加熱區(qū)，每一個(gè)加熱區(qū)設(shè)有若干個(gè)燒嘴 (16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的爐墻(2)和泡沫陶瓷層(5 )之間設(shè)有空間，空間內(nèi)設(shè)有側(cè)壁定位磚(15 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的坩堝(6)的頂部設(shè)有石英坩堝蓋(3)，外爐殼體(10)的頂部設(shè)有爐頂(1)，爐頂(1)與坩堝蓋(3)之間設(shè)有空隙通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的爐體內(nèi)設(shè)有排煙通道(8)，排煙通道(8)設(shè)置在最底部加熱區(qū)的下部，每一面?zhèn)葔Σ贾靡粋€(gè)排煙通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的爐體的橫截面為方形，若干個(gè)燒嘴(16)分別分布在爐體的四面爐墻(2)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的坩堝(6)的下部設(shè)有隔熱墊板(9)，隔熱墊板(9)固定在支撐臺(tái)(12)上，支撐臺(tái)(12)與升降機(jī)構(gòu)(14)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的爐體底部設(shè)有框形隔熱擋板(11)，隔熱擋板(11)中間框孔與支撐臺(tái)(12)上的隔熱墊板(9)之間具有加熱區(qū)和冷凝區(qū)過(guò)渡的絕熱層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的坩堝(6)采用石英材質(zhì)制作，坩堝保護(hù)層(7)的材質(zhì)采用碳化硅或莫來(lái)石，坩堝(6)的截面為方形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，其特征在于所述的沿坩堝(6)上下方向至少分為三個(gè)加熱區(qū)，每一個(gè)加熱區(qū)至少設(shè)有四個(gè)燒嘴(16)，四個(gè)燒嘴(14)均勻分布， 燒嘴(16)與燒嘴通道(4)相接。
全文摘要
本發(fā)明涉及定向凝固技術(shù)，尤其是一種冶金法多晶硅制備過(guò)程中的燃?xì)饧訜岫ㄏ蚰虪t，解決現(xiàn)有的定向凝固法熱源選擇單一、運(yùn)行成本較高的問(wèn)題，包括支撐鋼座，設(shè)置在支撐鋼座底部中間部位的升降機(jī)構(gòu)，固定在支撐鋼座上的爐體，其特征是所述的升降機(jī)構(gòu)上方裝有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上方設(shè)有坩堝，坩堝位于爐體的芯部，爐體包括殼體，殼體內(nèi)側(cè)設(shè)有爐墻，爐墻內(nèi)側(cè)是泡沫陶瓷層，泡沫陶瓷層內(nèi)側(cè)是坩堝保護(hù)層，坩堝保護(hù)層與坩堝緊貼，爐墻中設(shè)有燒嘴通道，爐墻和泡沫陶瓷層之間設(shè)有間隙，沿坩堝上下方向分為若干個(gè)加熱區(qū)，每一個(gè)加熱區(qū)設(shè)有若干個(gè)燒嘴?？刹捎萌?xì)饽茉刺娲娔?，加熱過(guò)程可控，節(jié)約能源，且造價(jià)低廉。
文檔編號(hào)C30B28/06GK102358952SQ20111026712
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者劉小稚, 方來(lái)仁, 方立峰, 杜少峰, 王子延 申請(qǐng)人:寧波國(guó)鈺光伏材料有限公司