[发明专利]低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置

说明书

本发明涉及一种低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，包括真空熔炼室、与真空熔炼室连通的定向凝固室、连续拉锭机构、感应电源、真空机组、冷却系统、控制系统，其特征是：在真空熔炼室中装备有水冷铜坩埚、环绕水冷铜坩埚的感应圈，以及连续加料机构；在定向凝固室中配备有结晶器、结晶单元、牵引结晶器并提供水路的拉杆，以及在结晶器下方的冷却器；连续拉锭机构装在定向凝固室的下面，向拉杆提供移动和转动的动力。其优点是：能够减小凝固过程中固/液界面区的径向温度梯度、具有良好定向凝固效果的低径向温度梯度，排除了杂质元素进入处理材料的渠道，对于保证定向凝固处理的效果具有重要作用。

技术领域

本发明涉及一种低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，是一种在冷坩埚真空感应熔炼装置中使金属、合金和半导体材料实现定向凝固的技术，属于金属熔炼定向凝固处理的技术领域。

背景技术

定向凝固处理是指在液态材料的凝固过程中，使固/液界面按照预定的方向一致移动的技术。利用这种处理，位于固/液界面区分配系数小于1的杂质元素将被排除到界面前的液相区，从而使界面后面的凝固区得到了提纯。随着固/液界面持续向液相区移动，在界面的后面就获得了经过提纯的棒状材料。超纯铝、超纯锗、光伏级多晶硅和高纯钛的制备过程都采用了这种技术。

定向凝固处理的第二个作用是形成定向结晶的组织——在凝固过程，晶体是按照垂直于固/液界面的方向生长的，所以，如果固/液界面保持着平直的状态一致地向着垂直于界面的方向移动，在移动速度合适的条件下，在界面后面就形成了生长方向平行于凝固方向的定向结晶组织。这种技术在单晶硅、定向凝固的钛产品、稀土超磁致伸缩晶体等高技术材料的生产过程得到了应用。

杂质污染是实现定向凝固上述两个目标的严重障碍——在提纯过程中，杂质污染抵消了提纯的效果；在定向结晶过程中，杂质元素成为晶体非自发形核的核心，促进形成新晶粒，破坏晶体的持续生长。

在定向凝固过程中，杂质元素来源于三个渠道：一是原料本身的杂质——这个问题可以通过对原料的纯度水平提出要求来解决；二是高温下气体分子与材料反应引起污染——使过程在真空条件下或惰性气体保护下进行可以大幅度减少这类杂质；三是高温下坩埚材料与炉料反应引起污染——用冷坩埚感应熔炼装置熔化材料则是排除这种杂质来源的最可靠的手段。这种技术不使用能够引起污染的陶瓷坩埚，而且熔池与冷态的金属坩埚壁不发生密切的接触。

上述分析表明，以冷坩埚真空感应熔炼技术熔化材料，配备适当的装置实现定向凝固，由此组成冷坩埚真空感应熔炼-定向凝固装置(以下简称“冷坩埚定向凝固装置”)是一种科学的组合。

冷坩埚真空感应熔炼技术(以下简称“感应冷坩埚技术”)是悬浮熔炼技术中的成熟技术，它是“将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内，在真空条件下或惰性气体保护下，利用感应涡流加热坩埚中的材料使其熔化，依靠电磁悬浮力使熔融材料与坩埚壁不产生密切接触”。此处所说的悬浮力，是方向与坩埚的轴线垂直，指向坩埚轴线的力。为了保证在熔炼温度下紫铜坩埚不发生熔化和烧损，坩埚的每一瓣都必须得到强力的冷却。

感应冷坩埚技术虽然已经比较成熟，但是，研制冷坩埚定向凝固装置尚有一些关键的环节需要解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够减小凝固过程中固/液界面区的径向温度梯度、具有良好定向凝固效果的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置。

本发明的技术方案如下：

在本发明中，轴向是指水冷铜坩埚的坩埚轴线方向，它也是结晶器的移动方向；径向则是指坩埚半径的方向，它与轴向垂直。

在本发明中，接受熔化和定向凝固的材料包括金属、合金和半导体材料，并简称这些材料为“定向处理材料”，或“处理材料”。