[实用新型]一种气体冷却式定向凝固装置

说明书

技术领域

本实用新型属于定向凝固领域，特别涉及一种气体冷却式定向凝固装置。

背景技术

定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。

现有多晶硅铸锭炉是采用电阻或感应加热，将配比好的多晶硅放入方形坩埚内进行熔化后，通过对组成热场的零组件之间做相对运动，以使得多晶硅料从底部开始冷却，逐渐向上长晶的定向凝固的方式，得到多晶硅锭的。评价多晶硅铸锭炉性能的一个重要指标是单位质量的能耗，而降低单位质量的能耗，进而降低成本是企业赢得市场竞争的重要手段。目前市场上企业降低能耗的主要方式是提高单炉产能，从2004年的单炉产量120kg，到170kg，250kg，450kg，650kg。

目前定向凝固技术基本上都采用铜坩埚水冷盘的方式使得硅熔体进行定向凝固，该种方式的冷源在熔炼的整个过程中都存在，这种方式会将大量的热能带走，增大了能耗。

实用新型内容

本实用新型克服上述不足问题，提供一种气体冷却式定向凝固装置，采用以氩气作为凝固过程中的冷源，可实现仅在凝固过程中加冷源，熔化和保温阶段无冷源，大幅的提高了能量的利用率，降低了能量的消耗。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：炉体内放置有石英坩埚，石英坩埚外壁由内向外依次环绕有石墨发热体、保温套筒和感应线圈；拉锭机构位于炉体底部中心位置，且与外部相连通，拉锭机构的上部为石墨螺旋板，石墨螺旋板上的螺旋通道与拉锭机构的进气口相连通，石墨螺旋板的两侧边缘处开有的出气口。

石英坩埚和拉锭机构之间优选设置有石墨托板，且石墨托板与保温套筒内壁贴合，使其对融化过程中的硅进行保温。

螺旋通道内所通气体优选为氩气。因为通入气体为惰性气体，在惰性气体中，氩气的价格较为便宜，所以选择氩气作为优选气体。

螺旋通道优选为双螺旋结构设计。

本实用新型中，石墨螺旋板为分为上下两部分：上部分为带有螺旋反向螺片的石墨板，下部分为石墨板，上下两部分共同构成一个带有螺旋通道的通气装置。气体由出气口排出，经过保温装置外侧，从上炉盖开口处排出炉体。石墨螺旋板为双螺旋通气形式，通过调节氩气流量来控制装置的冷却能力，同时，双螺旋通气的形式能使石英坩埚底部冷却更加均匀。

工作过程如下：

1、将工业硅放置于石英坩埚内，开启机械泵、罗茨泵对炉体抽真空。

2、开启感应线圈，对石墨发热体作用，使石英坩埚内硅料升温熔化形成硅熔体。

3、保温后，依次关闭罗茨泵和机械泵。启动拉锭机构，同时打开进气口，通入氩气；

4、控温偶位于石英坩埚外部悬空放置，实时监测硅的熔体与固体界面温度，当显示的温度高于1414℃时，持续增加气体通气量，当温度低于1414℃时，减小气体通气量，使硅熔体的冷却速度和拉锭机构的下降速度一致。

5、直至硅熔体完全被冷却凝固后，停止对感应线圈通电，停止拉锭机构电机运转，操作结束。

本实用新型装置构思独特，能够实现硅熔体的定向生长，起到定向凝固去除多晶硅中金属性杂质的目的，对于相同条件下的硅料数据来看，该装置的升温时间短，保温时能耗小，同时冷却速度可控制，且晶体生长较常规的冷却方式好，能更好的实现定向凝固的效果。

附图说明

图1为一种气体冷却式定向凝固装置示意图。

图2为图1中10的A-A视图。

图中，1.进气口2.出气口3.石墨托板4.石英坩埚5.硅熔体6.石墨发热体7。感应线圈8.保温套筒9.炉体10.石墨螺旋板11.拉锭机构

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图详细说明本实用新型，但本实用新型并不局限于具体实施例。

实施例1：

操作步骤如下：

1、将工业硅500kg放置于石英坩埚4内，开启机械泵对炉体9抽真空至800Pa，再开启罗茨泵继续抽真空至0.1Pa。