CN103442825A - 用于铸块的电磁铸造中的开底式电感应冷却坩埚 - Google Patents

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Abstract

一种用于电磁铸造过程中产生铸块的开底式电感应冷却坩埚，该开底式电感应冷却坩埚具有开槽式壁，该开槽式壁在围绕该坩埚的部分外部高度的一个或多个感应线圈下方延伸。在壁槽和底部连接构件的底部开口和底部终端附近的该坩埚的开槽式壁外围提供底部磁屏蔽。

Description

用于铸块的电磁铸造中的开底式电感应冷却坩埚
相关申请的交叉引用
本申请主张2011年3月14日申请的美国临时申请案第61/452,408号的利益，该案的全文以引用的方式并入本文中。
发明领域
本申请涉及铸块的电磁铸造，其中开底式电感应冷却坩埚用于铸造过程中。
背景技术
可以通过加热和熔化放置在开底式电感应冷却坩埚中的材料的装料而铸造铸块。例如当熔融体中的一部分固化并且作为形成的铸块离开该坩埚底部开口时，可以将呈原始或加工过的矿石形式的装料（charge）馈送至该坩埚以维持该坩埚中材料的熔融体（熔融物）。用于该电磁铸造过程中的该材料必须至少在熔融（液体）状态时是可导电的。对该装料熔化和加热可以引起该装料的纯化，例如，通过将杂质从该熔融物中蒸发，或者将渣滓穿过该熔融物上升从而漂浮在该坩埚内的该熔融物表面。
如上文提到的，该材料在固态时不需要是导电的。例如在硅电磁铸造过程中，当在该坩埚内建立导电硅的熔融体之后，可以将室温固态非导电硅装料馈送至该坩埚的顶部。名称为“用于铸造导电和半导体材料的方法及装置”的美国专利号为4,572,812的专利公开了基本连续硅电磁铸造过程，该专利的全文以引用方式并入本文中。
美国专利号为4,572,812（称为“812专利”）的专利公开了利用围绕开底式电感应冷却坩埚的外部的开槽式壁（slotted wall）（有多个垂直构件形成）的单一感应加热线圈的电磁铸造过程，该感应线圈的终端连接到单一RF电源。
可以将该开底式冷却坩埚安装在封闭腔室内使得加热、熔化和/或固化过程在真空或处理气体（process gas）环境中完成。此外其他适宜冷却的装置可以在该铸块离开该坩埚时与该铸块进行热交互，使得可以控制该铸块的冷却速度直到其达到周围温度。
在其他电磁铸造过程中，在该坩埚的部分外部高度（partial exteriorheight）周围可以使用呈堆叠（相邻）结构的两个或两个以上感应线圈。例如，如图1（a）、图1（b）和图1（c）所示的，开底式电感应冷却坩埚100包括由多个垂直构件112形成的开槽式壁，该垂直构件112被垂直槽114（图中由实线表示）彼此分离开，具有围绕该坩埚的部分外部高度的两个分离的感应线圈116a和116b。该垂直的开槽式构件由适宜的材料形成，例如本例中的铜，并且可以连接到该坩埚的顶部和底部。该坩埚顶部的开槽式构件之间的连接几乎一直被使用并且通常为每个构件和水冷却电路之间提供连接。顶部连接通常与熔融物相距明显的距离，并因此本质上不会影响该坩埚中的材料负载的感应耦合。另一方面，该底部连接不总是用于较小尺寸的坩埚，而更普遍用于较大尺寸的坩埚，其中该连接为每个垂直开槽式构件的底部提供支撑。在电磁铸造过程中，该坩埚槽至少足够长以支持该坩埚内熔融物的感应加热，并且当在固化边界120产生铸块时促进该铸块逐渐冷却（如图1(c)中所示）直到该铸块离开该坩埚底部。本发明的垂直构件之间的槽不延伸到该坩埚的底部，并因此形成底部铜（在本例中）连接构件（水平的）117，介由感应线圈116b中的交流电流的流动产生的电磁场将在负载离开该坩埚时倾向感应非常接近该负载（铸块）的循环电流。该循环电流的这种临近会在临界位置处在负载中产生热量，在该临界位置处可能增加发生耗尽事件风险，当液态硅在铸造的铸块流出该坩埚时设法找到至该铸造的铸块的正常固化边缘的外部边缘的路径时该耗尽事件会发生。该液态硅接着以不受控的方式流进熔炉外毂的底部以对辅助加热器、绝缘体和机械部件造成损害。可以将每个线圈连接到以不同频率运行的分开的交流（AC）电源。例如上线圈116a的频率可以低于下线圈116b的频率运行。每个线圈中的交流电的流动产生磁通场，该磁通场进入该坩埚上的槽（用电绝缘材料填充）以电磁加热和熔化放置在内部坩埚容积内的导电材料。至于所有的电感应冷却坩埚，组成该坩埚壁的多个垂直构件112被冷却（通常由内部循环水）使得与该壁接触的熔融体冷却。这可以阻止壁材料污染该熔融体。该熔融体的上区域至少部分由该电感线圈产生的磁场和由熔融物中的感应电流的相互作用产生的洛伦兹力支撑，以形成该壁和液态金属之间的接触压力减小的或者甚至分开的区域。
以不同频率操作的多个线圈的优点是能够降低横跨每个感应线圈的终端电压的量值，同时仍然可以实现传送到位于该坩埚中的该材料的感应能量的高水准。当利用在阻止熔融材料氧化的坩埚内部的防氧化覆盖剂(oxidationprevention cover agent)执行电磁铸造过程时，这是特别有利的，如在一些硅电磁铸造过程中的一样。较低的终端电压减轻上文提到的分开区域中的熔融物与壁之间的电弧现象，该电弧现象可以引起组成该坩埚壁的垂直构件局部熔化及来自该局部构件的杂质流入坩埚内的熔融材料中。横跨每个线圈的终端电压越高，电弧的风险就越大。当坩埚内部的横截面积足够大以要求高线圈终端电压传送足够的感应能量到该坩埚中的熔融物时最有效。一般而言当该坩埚内部的横截面积超过大约180平方英寸时，因为这种配置允许线圈终端电压小于600伏特同时可以将等效量值的感应能量传送到该熔融物，如以600伏特或更高的终端电压运行的线圈完成的，所以以不同频率运行的多个线圈是有利的，并由此避免如上文描述的电弧的熔化污染问题。
该开底式电感应冷却坩埚在下感应线圈116b下端的下方延伸距离h1。通常组成该坩埚的壁的垂直构件112向外朝向该坩埚的开放底部倾斜（渐缩）以促进形成的铸块移出该坩埚。在图1（a）展示的两线圈配置中，向外的渐进可以在该上感应线圈和下感应线圈的相邻的终端之间开始，以建立渐进距离h2。
在一些电磁铸造配置中，可以将线圈间磁屏蔽118放置在线圈116a和116b的相邻端部之间以阻止由该两个线圈中的每一个中的电流流动建立的磁通量之间的相互磁耦合（及干扰）。典型的产生的磁通量图案由图1（a）中的虚线表示。由上线圈116a中的交流电流建立磁通量116a’且由下线圈116b中的交流电流建立磁通量116b’。磁通量116b’在该坩埚的底部开口下方延伸。这样的配置引起离开该坩埚底部的形成的铸块的外围周围的异常。包围该坩埚的底部铜构件（水平的）117的电磁感应场的一部分感应（induces）循环电流，由于相对高的温度该固态硅仍然部分导电的事实，该循环电流造成该负载表面的局部加热。这可能造成固化温度梯度的局部改变，这种改变将增加该负载中的应力且可能增加耗尽的风险（其可能终结该过程且损害设备）。
图1（d）由横截面热图（thermal diagram）展示了该坩埚底部附近的异常。虚线表示在硅铸块的铸造的过程中典型温度范围（轮廓）的边界。指示的数字范围，例如，“每立方米（m3）20-19千瓦（kW）”指示在硅铸块铸造的过程中在代表性横截面轮廓内（体积）欧姆损失为每立方米20至19千瓦的范围。区域内欧姆损失的量值表示该区域内的温度。局部加热的不利效应展示在绘示与该底部连接构件（水平的）117相邻的铸造硅中的相对强烈加热效应（欧姆损失）的轮廓（单横线single cross hatch强调的区域）中及在该区域周围较不强烈加热的又一轮廓（双交叉线double cross hatch强调区域）中。
本发明的一个目的在于消除电磁铸造熔炉中使用的开底式电磁冷却坩埚的底部开口周围发生的异常，该异常由该坩埚的底部铜连接组件（水平的）区域中的磁通量延伸造成的。
发明内容
在一方面，本发明是用于在电磁铸造过程中感应加热和熔化使用的开底式电感应冷却坩埚中的材料的装置及方法。该开底式电感应冷却坩埚包括该壁中的槽下端附近的底部磁屏蔽，该坩埚的底部铜连接构件（水平的），及该坩埚的开放底部。
在另一方面，本发明是用于电磁铸造的开底式电感应冷却坩埚。该坩埚具有可将装料馈送其中用于电磁加热和熔化的坩埚容积。熔化物在该坩埚内至少部分固化以形成离开坩埚的开放底部的铸块。该坩埚容积由导电的水冷式及槽分段式壁（an electrically conductive,water-cooled and slot-segmented wall）形成。该槽分段式壁在该冷却坩埚的开放底部处与非开槽式外围壁区域（perimeter wall region）交接，并且一个或多个感应线圈围绕该坩埚容积的外部高度的一部分以感应加热和熔化该坩埚容积中的装料。将底部导电磁屏蔽布置在与连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的坩埚底部区域的槽分段式壁的外围周围。
在另一方面，本发明是在开底式电感应冷却坩埚中电磁铸造铸块的方法。向由导电的、水冷式及槽分段式壁形成的坩埚容积提供预铸块材料的装料，该导电的、水冷式及槽分段式壁在该开底式电感应冷却坩埚的开放底部有连续的、导电的及非开槽式外围壁区域。在该槽分段式壁外部产生围绕该槽分段式壁的高度的一部分的磁通场。该磁通场进入（penetrates）该坩埚容积以感应加热和熔化该坩埚容积中的预铸块材料的装料以在该坩埚容积中形成熔融的预铸块复合物。该熔融的预铸块复合物在该坩埚容积内至少部分固化以在该开底式电感冷却坩埚的开放底部形成铸块。以及该磁通场进入临近该非开槽式外围壁区域的槽分段式壁。
说明书及随附的权利要求中陈述了本发明的其它方面。
附图说明
为了图解本发明，图中图示了最优形式；然而，应当理解为本发明并不限于图中展示的精确配置及工具。
图1（a）是可用于电磁铸造过程中的开底式电感应冷却坩埚的简化横截面侧面正视图。
图1（b）是图1（a）中所示的用于电磁铸造过程中的开底式电感应冷却坩埚的简化横截面侧面正视图，其具有形成的铸块离开该坩埚底部。
图1（c）是图1（b）中所示的用于电磁铸造过程中的开底式电感应冷却坩埚的简化横截面侧面正视图，图示了在电磁铸造期间该坩埚内示例性的熔融体及固化体。
图1（d）是由于在其周围有水平连接构件的坩埚的底部开口的磁通量的延伸而在图1（a）中图示的开底式电感应冷却坩埚的开放底部发生的异常的部分横截面详细图。
图2是用于电磁铸造过程中的本发明中的开底式电感应冷却坩埚的一个示例的等距视图（isometric view）。
图3是图2中所示的开底式电感应冷却坩埚的简化横截面侧面正视图，其具有形成的铸块离开该坩埚底部。
图4是图2中所示的开底式电感应冷却坩埚的简化横截面侧面正视图，绘示当为感应线圈提供AC功率时典型的磁通场图案。
图5（a）和图5（b）是可用于本发明的示例中的底部磁屏蔽的示例的俯视平视图及侧视图。
图6是具有能够消除图1（d）中的异常的磁屏蔽的本发明中的开底式电感应冷却坩埚的部分横截面详细图。
具体实施方式
当在本文中使用术语“导电材料”时，该术语包括在固态时不必要导电但在熔融状态时导电的材料，诸如具有不同纯度的基于硅的组合物。
图2至图4展示用于电磁铸造过程中的本发明的开底式电感应冷却坩埚的一个示例。在图中所示的特定示例中，使用了双线圈配置。
在本发明的一个示例中，该开底式电感应冷却坩埚具有37又1/8英寸（37-1/8 inches）的整体高度h3且包括经配置形成正方形内部容积的60个水冷却垂直构件（water-cooled vertical members）12（槽分式壁段slotted wallsegments），该正方形内部容积具有13又3/4英寸的顶侧长度L1；14英寸的渐缩底侧长度L2；及如图3展示的开始于线圈间磁屏蔽18且延伸至该坩埚底部的13又1/2英寸的渐缩高度h2。如图3展示的电绝缘槽14的整体高度h4是26又3/4英寸，该槽底部在与该坩埚底部相距1英寸的距离h5处终止。该槽的底部在底部连接构件17处终止。槽分段式壁和底部连接构件由适宜的导电材料形成。
本发明示例中的底部磁屏蔽20包括铜矩形平坦环状物（copperrectangularly-shaped flattened annulus），如图5（a）和图5（b）展示的该环状物具有16又3/4英寸的侧长度L3；6英寸的侧宽度L4；及1/4英寸的厚度L5。该底部磁屏蔽安装在距离该坩埚底部2又1/2英寸的距离h6处使得该底部磁屏蔽定位在具有底部连接组件的底部槽终端上方大约1又1/2英寸处。即，将其布置在相邻于该底部连接构件的坩埚底部区域中的槽分段式壁的外围周围，该区域也可以描述为连续的、导电的及非开槽式外围壁区域。
上文描述的底部磁屏蔽是适宜的磁屏蔽的一个示例。在本发明中，可以在该坩埚外部的位置中传导感应电流的任意组态中形成该底部磁屏蔽，使得该底部铜连接构件（水平的）不遭受（subjected）感应磁场，且因此不将附近的电流传导至负载，因此减轻可能发生的不利的加热效应。该底部磁屏蔽抑制（suppresses）磁通场进入相邻于该连续的、导电的及非开槽式外围壁区域（底部连接构件17）。例如，可以通过使冷却媒介循环流过或附接至该底部磁屏蔽的通道来冷却该底部磁屏蔽，比如具有用于连接到冷却媒介循环装置的适宜的供应和返回终端22a和22b的管道22。
本发明中的坩埚10的一个应用是在将该坩埚安装在惰性气体中进行操作的可选的可密封的电磁铸造熔炉容器中的硅电磁铸造过程中。在坩埚容积的周围外部安装感应线圈16a和16b，其中线圈间磁屏蔽18定位在密封熔炉容器内部的线圈之间，这两个线圈以堆叠（相邻的）组态配置在该坩埚高度的部分（aportion of the height of the crucible）周围。适宜的装料供应装置可以用于将固态硅装料馈送入密封容器中的坩埚的开放顶部。可以利用本领域中已知的辅助加热装置和方法对非导电的固态装料进行初始加热和熔化直到在坩埚中形成足够的导电的熔融硅，使得在离开该坩埚的铸块90的长度延伸（grow）时，流过该感应线圈的交流电流进一步加热该熔融物和供应至该熔融物的额外的固态装料。在该坩埚的底部出口处（或者是该密封熔炉容器的内部或外部）可以使用温度控制装置控制该铸块进一步固化时的温度。当铸块90离开该坩埚及密封熔炉容器时，该铸块90被支撑在铸块支撑构件30上。支撑构件30可以由石墨形成且用于加热和熔化该熔炉中初始固态硅装料的加热元件。垂直回动装置32接附至支撑构件30的底部以控制该铸块离开该坩埚底部的垂直降落速率。
一旦通过辅助加热铸造将该坩埚中的固态硅的初始装料熔化，可由横跨该上感应线圈的终端施加电压，在15kHz处使自该上感应线圈16a输出的感应功率增加至大约750kW而将感应能量提供至该熔融物。随后，或与其结合，可由横跨该下感应线圈的终端施加电压，在35kHz处使自该上感应线圈16b输出的感应功率增加至大约300kW而将感应能量提供至该熔融物。施加到该上感应线圈16a的终端电压最大为大约600伏特且施加到该下感应线圈16b的终端电压最小值为大约600伏特以实现上文提到的感应能量输出，因此将该终端电压分别限制在小于600伏特，以避免上文提到的熔融体污染问题。
图6在部分横截面热图中绘示该坩埚底部附近的本发明的典型优点。将本发明中在该坩埚外部放置底部磁屏蔽20的图6与没有使用底部磁屏蔽的图1（d）相比，以与图1（d）中的示例相同的电流，使该底部连接构件17（水平的）屏蔽于感应场的效应，且虚线轮廓图示了通过利用本发明中的底部磁屏蔽减轻不利的加热效应。
本发明的以上硅电磁铸造过程可用于除了硅之外的复合物，预铸块装料材料的适宜选择可引起形成铸块的熔融预铸块复合物。
虽然在本发明的上文示例中绘示了双线圈开底式电感应冷却坩埚，但通过相对于最下面的线圈的位置来定位该底部磁屏蔽，可以将本发明应用于外部围绕有单个线圈或两个以上线圈的坩埚，如上文描述的槽（14a）和底部开口的下端用于双线圈配置。
虽然本发明的上文示例中描述具有正方形横截面的内部坩埚容积的坩埚，但本发明可应用于其他组态，诸如具有圆形横截面的内部坩埚容积。
当本文使用术语“连续电磁铸造过程”时，该术语包括间歇性（intermittent）的电磁铸造，例如，在期望高度的制造的铸块离开该坩埚之后，铸造过程停止，使得在该铸造过程继续生产另一个铸块之前重新定位该制造的铸块。
虽然上文已描述其绘示本发明的较佳实施例，但应当理解这是本发明的示例并且不受此限制。在不背离本发明的范围的情况下可以做出增加、省略、替代及其他修改。因此，本发明不视为受先前描述的限制。

Claims (18)

1.用于电磁铸造的开底式电感应冷却坩埚，所述开底式电感应冷却坩埚包括：
坩埚容积，可将装料馈送入该坩埚容积中用于感应加热和熔化，以及在所述坩埚容积内的随后固化以在所述开底式电感应冷却坩埚的开放底部形成铸块，所述坩埚容积由导电的水冷却的及槽分段式壁形成，所述导电的水冷却的及槽分段式壁在所述开底式电感应冷却坩埚的所述开放底部具有连续的、导电的及非开槽式外围壁区域；以及
至少一个感应线圈，所述至少一个感应线圈围绕所述坩埚容积的高度的部分使得当交流电流流过所述至少一个感应线圈时感应加热和熔化所述坩埚容积中的装料；
改进包括：
底部导电磁屏蔽，所述底部导电磁屏蔽布置在相邻于所述所述连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的坩埚底部区域中的所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外围周围。
2.根据权利要求1所述的开底式电感应冷却坩埚，其特征在于，所述底部导电磁屏蔽包括铜矩形平坦环状物。
3.根据权利要求1所述的开底式电感应冷却坩埚，其特征在于，所述底部导电磁屏蔽是水冷却的。
4.根据权利要求1所述的开底式电感应冷却坩埚，其特征在于，所述至少一个感应线圈包括在所述坩埚容积的高度的部分彼此相邻放置的上感应线圈和下感应线圈，且所述上感应线圈和下感应线圈通过线圈间磁屏蔽彼此分离。
5.在开底式电感应冷却坩埚中电磁铸造铸块的方法，所述方法包括以下步骤：
向由导电的水冷却的及槽分段式壁形成的坩埚容积供应预铸块材料的装料，所述导电的水冷却的及槽分段式壁在所述开底式电感应冷却坩埚的开放底部具有连续的、导电的及非开槽式外围壁区域；
在所述所述导电的水冷却的及槽分段式壁外部产生围绕所述导电的水冷却的及槽分段式壁的高度的部分的至少一个磁通场，所述至少一个磁通场进入所述坩埚容积以感应加热和熔化所述坩埚容积内的预铸块材料的装料，以在所述坩埚容积内形成熔融预铸块复合物；以及
至少部分固化所述坩埚容积内的所述熔融预铸块复合物以在所述开底式电感应冷却坩埚的所述开放底部形成铸块；
改进包括：
抑制至少一个磁通场进入相邻于所述连续的，导电的及非开槽式外围壁区域的所述导电的水冷却的及槽分段式壁中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述抑制至少一个磁通场进入相邻于所述连续的，导电的及非开槽式外围壁区域的所述导电的水冷却的及槽分段式壁中的步骤包括：将铜矩形平坦环状物定位在相邻于所述连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的坩埚底部区域中的所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外围周围的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括冷却所述铜矩形平坦环状物的步骤。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述所述导电的水冷却的及槽分段式壁外部产生围绕所述导电的水冷却的及槽分段式壁的高度的部分的至少一个磁通场的步骤进一步包括：自分别流过围绕所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外部的上感应线圈和下感应线圈的交流电流产生第一磁通场和第二磁通场，其中所述上感应线圈和所述下感应线圈配置为彼此相邻且通过线圈间磁屏蔽彼此分离。
9.根据权利要求5所述的方法，进一步包括将开底式电感应熔炉装入可密封的熔炉容器中的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述抑制至少一个磁通场进入相邻于所述连续的，导电的及非开槽式外围壁区域的所述导电的水冷却的及槽分段式壁中的步骤进一步包括：将铜矩形平坦环状物定位在相邻于所述连续的，导电的及非开槽式外围壁区域的坩埚底部区域中的所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外围周围的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括冷却所述铜矩形平坦环状物的步骤。
12.在开底式电感应冷却坩埚中电磁铸造硅铸块的方法，所述方法包括以下步骤：
向由导电的水冷却的及槽分段式壁形成的坩埚容积供应硅材料的装料，所述导电的水冷却的及槽分段式壁在所述开底式电感应冷却坩埚的开放底部具有连续的、导电的及非开槽式外围壁区域；
在所述所述导电的水冷却的及槽分段式壁外部产生围绕所述导电的水冷却的及槽分段式壁的高度的部分的至少一个磁通场，所述至少一个磁通场进入所述坩埚容积以感应加热和熔化所述坩埚容积内的硅材料的装料，以在所述坩埚容积内形成熔融硅复合物；以及
至少部分固化所述坩埚容积内的所述熔融硅复合物以在所述开底式电感应冷却坩埚的所述开放底部形成硅铸块；
改进包括：
抑制至少一个磁通场进入相邻于所述连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的所述导电的水冷却的及槽分段式壁中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述抑制至少一个磁通场进入相邻于所述连续的，导电的及非开槽式外围壁区域的所述导电的水冷却的及槽分段式壁中的步骤包括：将铜矩形平坦环状物定位在相邻于所述连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的坩埚底部区域中的所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外围周围的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括冷却所述铜矩形平坦环状物的步骤。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述在所述所述导电的水冷却的及槽分段式壁外部产生围绕所述导电的水冷却的及槽分段式壁的高度的部分的至少一个磁通场的步骤进一步包括：自分别流过围绕所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外部的上感应线圈和下感应线圈的交流电流产生第一磁通场和第二磁通场，其中所述上感应线圈和所述下感应线圈配置为彼此相邻且通过线圈间磁屏蔽彼此分离。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将开底式电感应熔炉装入可密封的熔炉容器中的步骤。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述抑制至少一个磁通场进入相邻于所述连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的所述导电的水冷却的及槽分段式壁中的步骤进一步包括：将铜矩形平坦环状物定位在相邻于所述连续的、导电的及非开槽式外围壁区域的坩埚底部区域中的所述导电的水冷却的及槽分段式壁的外围周围的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括冷却所述铜矩形平坦环状物的步骤。
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