CN106807907A - 低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置 - Google Patents

Abstract

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以结晶器、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。

Description

低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置

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”。

本发明涉及的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以结晶器、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。

结晶器是可以移动的水冷紫铜圆盘，直径小于或等于水冷铜坩埚的内径；在熔炼过程中，结晶器部分或全部代替水冷铜坩埚底的位置承载着炉料和熔池，当它向下移动到坩埚的下方时，由于它的温度较低，液态材料便从它的表面开始凝固。

结晶单元是与水冷铜坩埚下口连通的管状通道，其温度控制在处理材料的凝固点附近，为处理材料提供了凝固的环境；随结晶器向下移动的液态材料，在经过结晶单元时完成凝固过程。

在结晶器下方设置冷却器；冷却器位于结晶单元的下方，一般盛有低熔点液态合金。已经凝固的材料随着结晶器向下移动，在冷却器中得到冷却，形成了温度恒定的低温端。当定向凝固棒的长度不是很大时，可以不要冷却器，结晶器本身构成了低温段。

处理材料在本发明的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置中进行定向凝固的过程是：启动感应电源向感应圈输送超音频电流，电流产生的电磁场使坩埚中的炉料实现悬浮熔炼；炉料完全熔化后，连续拉锭机构牵引拉杆并带动结晶器向下移动，或者边转动边移动；由结晶器承载的液态炉料随之向下移动，液态炉料在经过结晶单元时凝固，在进入冷却器后被进一步冷却；同时，连续加料机构按照设定的速度加料，使坩埚中熔池的液面保持固定的高度，从而实现连续的定向凝固过程。

在半导体材料的情况下，需要先将炉料预热到导电温度，然后再进行感应熔炼和定向凝固处理，预热半导体有多种方法。

为了获得理想的定向凝固效果，需要对诸多技术参数进行控制，例如电磁场频率、熔池温度、结晶器结构、结晶器的移动和转动速度、加料速度等。对这些参数的控制方法可以参考定向凝固过程的一般原则，本发明不予讨论。

在冷坩埚定向凝固装置中获得理想的定向凝固效果的最重要的因素是为结晶单元提供较大的轴向温度梯度和尽量小的径向温度梯度。

轴向温度梯度等于高温端温度T1与低温端温度T2之差与两端距离L的比值(T1-T2)/L。通过改变两端的距离L，轴向温度梯度可以方便地得到调整。在本装置中，高温端是坩埚中的熔池；低温端，在有冷却室的条件下是冷却室，在不使用冷却室的情况下是结晶器表面。

径向温度梯度指材料中心同材料表面的温度差与材料半径之比。如果结晶单元内的径向温度梯度很大，则凝固过程就从液态材料的边缘向中心发展，导致定向凝固失败。在冷坩埚感应熔炼装置中，坩埚壁处于强烈冷却的条件下，如果没有特别的措施，它总要引起很大的径向温度梯度。所以，解决这个问题是设计冷坩埚定向凝固装置难度非常大的关键环节。

由于感应冷坩埚技术自发地产生很大的径向温度梯度，由于凝固过程发生在结晶单元中，所以，本发明最核心的内容就是为冷坩埚定向凝固装置设计出径向温度梯度很低的结晶单元。为此，本发明提出了以下三个技术措施：

1，结晶单元的结晶管使用优质耐热陶瓷材料制作

作为结晶管的陶瓷材料应该满足以下要求：熔点显著高于接受定向凝固处理的材料(以下简称“定向处理材料”，或“处理材料”)；化学稳定性高，在高温下不明显发生与定向处理材料的反应；纯度高，活性杂质的含量低；热稳定性高，在温度变化时不容易破裂，致密性高，不形成粉末和碎屑。根据定向处理材料材料的熔点和性质，结晶管材料可以在以下材料中选用：刚玉、石英、氧化镁、氧化锆、石墨、氮化硼，等等。

对于高活性的定向处理材料，应该在结晶管的内壁制作高稳定性物质的涂层。涂层材料包括稀土氧化物，例如Y₂O₃、CeO₂等，还包括氮化硼等熔点特别高的化合物。

液态金属在向下移动的过程中首先进入结晶管，其温度会自然地降低到处理材料的凝固点以下。所以，关于控制结晶单元的温度处于凝固点，不需要特别的措施，只要结晶管有足够的长度即可。

因为热量会通过结晶管向周围散失，导致进入结晶管的液体其表面温度低于心部温度，导致形成径向温度梯度。为了降低结晶单元内的径向温度梯度，需要适当提高结晶管的温度，使液体在降温过程中表面温度与心部尽量保持一致，即，形成基本上垂直于结晶器移动方向的平直的固/液界面。

减小结晶单元内的径向温度梯度的基本方法是提高结晶管温度，提高结晶管温度的措施包括：利用陶瓷材料自身的低导热系数，阻挡热量向管外散失；在结晶管周围设置保温层，保温层的材料可以在耐热绝热材料中选用；环绕结晶管设置辅助加热器，使结晶管中、上部的温度控制在处理材料的凝固点附近。

这些措施的实质是用陶瓷材料作为结晶管，利用陶瓷的低导热系数，以及利用它的保温层和加热器，使液态处理材料的表面保持着较高的温度，从而减小结晶单元内的径向温度梯度。这是一个比较方便的办法。但是，它有一个致命的缺点——陶瓷材料仍然会对处理材料造成污染。考虑到液态金属经过结晶管的时间比较短，温度也比较低，所以，在处理材料的活性不是特别高，对纯度的要求不是特别苛刻的情况下，可以采用这种技术。

2，使用冷坩埚向下延伸段的不开缝坩埚裙摆作为结晶管

为了完全排除陶瓷材料对液态处理材料的污染，本发明将水冷铜坩埚的坩埚壁向下延伸形成一段坩埚裙摆，用此裙摆作为结晶管。

坩埚裙摆不开缝，不通水冷却，其上口的内径等于坩埚内径，下口的内径稍大，即：下口的内径大于上口的内径；上口的位置略高于感应圈下口。

电磁场不能进入由裙摆组成的结晶管，因此，向下移动进入裙摆的液态处理材料其温度会降低到凝固点，完成凝固过程。

为了减小在坩埚裙摆内的径向温度梯度就要适当提高裙摆的温度。提高裙摆温度的措施是对不开缝坩埚裙摆设有加热装置，包括：调整感应圈的位置，使它对裙摆产生一定的加热作用；环绕裙摆设置电阻加热器，用加热器加热裙摆。采用这些措施时，必须对裙摆的温度进行严密监控，严防超过900℃——紫铜的熔点仅为1080℃。

这种技术的核心是用加热结晶管的方法减小结晶单元内的径向温度梯度。该技术适合于多种处理材料，特别适合于高活性和对纯度要求特别高的处理材料。但是此技术不适合于高熔点材料——高熔点材料的凝固点高，要求结晶管处于高温，紫铜裙摆不能耐受这样的温度。

3，使用冷坩埚向下延伸段的开缝坩埚裙摆作为结晶管

这也是完全排除陶瓷材料对液态处理材料污染的结晶管，它同样是将水冷铜坩埚的坩埚壁向下延伸形成一段坩埚裙摆，用此裙摆作为结晶管。

这个裙摆与上面不开缝裙摆不同，它要求沿着坩埚的轴向开缝，使电磁场能够进入裙摆的内部。与不开缝的裙摆相同，其上口的内径等于坩埚壁的内径，下口的内径稍大，即：下口的内径大于上口的内径。当定向处理材料的熔点明显低于1000℃时，这种裙摆结晶管的瓣片可以不通冷却水；对于熔点接近和高于1000℃的处理材料，在组成结晶管的裙摆瓣片内必须有冷水水路。

为了减小结晶单元内的径向温度梯度，本发明用高频电磁场加热结晶单元内液态处理材料的表面，同时，利用电磁场产生悬浮力，使液态处理材料受到电磁束缚，表面脱离开缝坩埚裙摆的内表面，至少，不与开缝坩埚裙摆的内表面产生密切接触，从而阻断了液态处理材料表面通过开缝坩埚裙摆向外散热的渠道。

产生对液态处理材料的加热和束缚作用的电磁场有三种设置方法：

其一是利用环绕坩埚的感应圈，使它的下口的位置略低于裙摆的上口，利用这个感应圈下部比较低的电磁场实现对液态处理材料的加热和悬浮作用；

其二是环绕裙摆设置一个与环绕坩埚的主感应圈串联或并联的辅助感应圈，要求它只产生比较小的功率输出，由它对处理材料产生加热和悬浮作用；

其三是设置一个小功率的辅助感应电源和一个与此电源连接的环绕裙摆的辅助感应圈。此电源输出电流的频率应该明显高于主感应圈，因此，它的悬浮作用大，热效应小，而且只加热液态处理材料的表层。

前两个措施虽然比较简便，但是，对于不同材料，需要通过精确的实验确定各种控制参数，从而才能获得理想的效果。第三个措施比较容易实现，但是需要增加设备投资。

这种技术的实质是用高频电磁场加热和束缚作为结晶管的开缝坩埚裙摆内的液态处理材料的表面，减小结晶单元内的径向温度梯度。这是一种最理想的措施：它适合各种处理材料的定向凝固，除了陶瓷结晶管适合的材料之外，更加适合于高活性材料、高纯材料，以及高熔点材料。这种技术实际上是将悬浮熔炼技术移植到了凝固过程。

采用本发明的技术具有以下有益效果：

1）以冷坩埚真空感应熔炼技术作为定向凝固过程熔炼材料的技术，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；

2）以冷坩埚真空感应熔炼技术作为定向凝固过程熔炼材料的技术，其难以克服的难题是冷坩埚壁强烈降低结晶单元中材料表面的温度，形成很大的径向温度梯度，破坏轴向定向凝固过程。本发明设计了三种具有低径向温度梯度的结晶单元，它们适合于不同的处理材料。

附图说明

图1本发明提出的冷坩埚定向凝固装置的示意图；

图2 表示冷坩埚定向凝固装置运行过程的示意图；

图3 用陶瓷管作为结晶管的结晶单元的示意图；

图4用不开缝的坩埚裙摆作为结晶管的结晶单元（提高裙摆的温度）且用主感应圈下方的电磁场加热裙摆的示意图；

图5用不开缝的坩埚裙摆作为结晶管的结晶单元（提高裙摆的温度）且用电阻加热器加热裙摆的示意图；

图6用开缝的坩埚裙摆作为结晶管的结晶单元(用电磁场加热和束缚裙摆内的材料)且电磁场是利用主感应圈下方的电磁场的示意图；

图7用开缝的坩埚裙摆作为结晶管的结晶单元(用电磁场加热和束缚裙摆内的材料)且电磁场是用与主感应圈串联或并联的感应圈产生电磁场的示意图；

图8用开缝的坩埚裙摆作为结晶管的结晶单元(用电磁场加热和束缚裙摆内的材料)且电磁场是通过设置辅助高频电源和辅助感应圈产生电磁场的示意图；

图9经过定向凝固处理的Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.97合金的定向结晶组织图。

在以上各图中，01. 真空熔炼室，02. 定向凝固室，03. 连续拉锭机构，04. 感应电源，05. 真空机组，06. 冷却系统，07. 控制系统，08. 水冷铜坩埚，09. 感应圈，10. 加料器，11. 结晶器，12. 结晶单元，13. 拉杆，14. 冷却器，15. 炉料，16. 液态处理材料，17. 冷却器中的低熔点液态合金， 18. 已经凝固的处理材料，19. 陶瓷结晶管，20. 保温层或加热器，21. 作为结晶管的不开缝坩埚裙摆，22. 作为结晶管的开缝坩埚裙摆，23. 与主感应圈串联或并联的感应圈，24. 辅助高频电源，25. 辅助感应圈。

具体实施方式

参照附图，本发明涉及的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以下几个基本部分：真空熔炼室01、与熔炼室连通的定向凝固室02、连续拉锭机构03、感应电源04、真空机组05、冷却系统06、控制系统07 (见图1和图2)。熔炼室的直内径一般按照坩埚内径的5～10倍设计，凝固室的直径可以等于或小于熔炼室。本装置的感应电源需要执行悬浮熔炼的任务，所以，要求它的输出频率应该在10～50kHz的超音频的范围内选择，坩埚的直径越大，则选用的频率越低。

在真空熔炼室中装备有水冷铜坩埚08、环绕坩埚的感应圈09，以及连续加料机构10；在定向凝固室配备有以结晶器11、结晶单元12、拉杆13和冷却器14。

结晶器11是可以移动的水冷紫铜圆盘，直径小于或等于坩埚的内径。在熔炼过程中，它部分或全部代替坩埚底的位置承载着炉料15和熔池16，当它向下移动到坩埚的下方时，由于它的温度较低，液态材料便从它的表面开始凝固。

结晶单元12是与坩埚下口连通的管状通道，其温度处于材料的凝固点附近，为处理材料提供了凝固的环境。随结晶器11向下移动的液态材料16，在经过结晶单元时完成凝固过程。

拉杆13是牵引结晶器并为结晶器11提供水路的管子，它通过真空密封穿过定向凝固室02的室底，与下面的连续拉锭机构03结合。拉杆的长度应该大于要求得到的定向凝固材料的长度。

冷却器14位于结晶单元的下方，一般盛有低熔点液态合金17，例如In-Ga合金。冷却器的内径应该大于结晶器11的直径，高度略大于所要求得到的定向凝固材料的长度。冷却器上口一般低于结晶管11下口10～200mm，具体数值取决于对轴向温度梯度的要求，还与处理材料的直径有关——直径越大，冷却器就应该越低。冷却器的管壁通有冷却水，它使低熔点合金的温度恒定。已经凝固的材料18随结晶器向下移动，在冷却器中得到冷却，形成了温度恒定的低温端。当定向凝固棒的长度不是很大时可以不要冷却器，由结晶器自身充当低温端。

连续拉锭机构03装在定向凝固室02的下面，向拉杆13提供移动和转动的动力。拉杆的移动速度可以控制在0.3～20mm/min的范围内，具体数值取决于定向凝固材料的直径，以及材料的熔点、结晶特性，以及对处理效果的要求；使拉杆转动的目的是使温度沿着处理材料的周边分布均匀，转动速度一般在0.2～2.0rps的范围内选择，主要取决于材料的直径。

在这个装置中进行定向凝固的过程是(见图1和图2)：启动感应电源04向感应圈09输送超音频电流，电流产生的电磁场使坩埚08中的炉料15实现悬浮熔炼。炉料完全熔化后，连续拉锭机构03牵引拉杆13并带动结晶器11向下移动，或者边转动边移动。由结晶器承载的液态炉料17随之向下移动，它们在经过结晶单元12时凝固，在进入冷却器14后被进一步冷却。同时，连续加料机构10按照合适的速度加料，使坩埚中熔池的液面保持固定的高度，从而实现了连续的定向凝固过程。

在半导体材料的情况下，需要先将炉料预热到导电温度，然后再进行感应熔炼和定向凝固处理，预热半导体有多种方法。

获得理想的定向凝固效果的最重要的因素之一是为结晶单元12提供较大的轴向温度梯度。在本装置中，高温端是坩埚08中的熔池17，低温端在有冷却器14的条件下是冷却器，在不使用冷却器的情况下是结晶器11的表面。本发明主要通过改变两端的距离使轴向温度梯度得到调整。实际轴向温度梯度可以在50～300℃/cm的范围内选取，具体数值取决于处理材料的熔点、定向凝固材料的直径，以及材料的结晶特性，例如晶体生长速度等。轴向温度梯度应该显著大于径向温度梯度，数值应该是后者的3倍以上，最好超过后者5倍。

获得理想的定向凝固效果的另一个最重要因素是尽量减小结晶单元12内的径向温度梯度。当对处理效果的要求很高时，径向径向温度梯度应该不超过20℃/cm，在要求不高的情况下，径向径向温度梯度也不要超过120℃/cm。

在冷坩埚感应熔炼装置中，坩埚壁处于强烈冷却的条件下，如果没有特别的措施，它总要引起很大的径向温度梯度。所以，解决这个问题是设计冷坩埚定向凝固装置最关键的环节。所以，本发明最核心的内容是为冷坩埚定向凝固装置设计出径向温度梯度很低的结晶单元。为此，本发明提出了以下三个技术措施：

1，使用优质耐热陶瓷材料作为结晶单元的结晶管(见图3)

这个措施的实质是用陶瓷材料作为结晶管19，利用陶瓷的低导热系数，或者为它设置保温层或加热器20，使液态处理材料16的表面保持着较高的温度，从而减小结晶单元内的径向温度梯度。

作为结晶管的陶瓷材料应该满足以下要求：熔点显著高于接受定向凝固处理的材料(以下简称“定向处理材料”，或“处理材料”)；化学稳定性高，在高温下不明显发生与定向处理材料的反应；纯度高，活性杂质的含量低；热稳定性高，在温度变化时不容易破裂，致密性高，不形成粉末和碎屑。根据定向处理材料材料的熔点和性质，结晶管材料可以在以下材料中选用：刚玉、石英、氧化镁、氧化锆、石墨、氮化硼，等等。

在这些材料中，石英适用于熔点低于1300℃的材料，刚玉适合于熔点低于1800℃的材料，氧化镁、氧化锆可用于熔点低于2500℃的材料，氮化硼可用于熔点低于2800℃的材料，石墨则可以承受更高的温度，但是它不能用于与碳能发生反应的材料。

对于活性比较高的定向处理材料，应该在结晶管的内壁制作高稳定性物质的涂层。涂层材料包括稀土氧化物，例如Y₂O₃、CeO₂等，还包括氮化硼等熔点特别高的化合物。

结晶管19的上口内径等于坩埚08的内径，下口的内径可以比上口大3%～10%。结晶管需要有足够的长度，可以在内径1倍到5倍的范围内选取，原则是保证液态处理材料在移动到结晶管下口之前实现凝固。

减小结晶单元内的径向温度梯度的基本方法是提高结晶管温度，其措施包括：利用陶瓷材料自身的低导热系数，阻挡热量向管外散失；在结晶管周围设置保温层20，保温层的材料可以在耐热绝热材料中选用，例如氧化铝、氧化锆、硅酸铝、石棉等；环绕结晶管设置辅助加热器20，使结晶管中、上部的温度控制在处理材料的凝固点附近。辅助加热器可以是电阻加热器，也可以感应加热器。

这是一个比较方便的办法。在在处理材料的活性不是特别高，对纯度的要求不是特别苛刻的情况下可以采用这种技术。

2，使用冷坩埚向下延伸段的不开缝坩埚裙摆作为结晶管(见图4、图5)

这种技术的核心是用冷坩埚的向下延伸段作为结晶管，用加热结晶管的方法减小结晶单元内的径向温度梯度。

本发明将水冷铜坩埚08的坩埚壁向下延伸形成一段坩埚裙摆21，用此裙摆作为结晶管。

坩埚裙摆不开缝，不通水冷却，其上口的内径等于坩埚内径，下口的内径可以比上口大5%～10%，高度可以在内径的1倍到5倍的范围内选取。裙摆上口的位置应略高于感应圈的下口。

电磁场不能进入由这种裙摆组成的结晶管，因此，向下移动进入裙摆的液态处理材料其温度会降低到凝固点，完成凝固过程。

为了减小在坩埚裙摆21内的径向温度梯度就要适当提高裙摆的温度。提高裙摆温度的措施包括：

一是调整感应圈09的位置，使它对裙摆21产生一定的加热作用。处理材料的凝固点越高，裙摆保持的温度就应该越高，要求感应圈的位置降低得越多(图4)；

二是环绕裙摆21设置电阻加热器20加热裙摆(图5)。

采用这些措施时，必须对裙摆的温度进行严密监控，严防超过900℃——紫铜的熔点仅为1080℃。

这种技术完全排除陶瓷材料对液态处理材料的污染，它适合于多种处理材料，特别适合于高活性和对纯度要求特别高的处理材料。但是此技术不适合于高熔点材料——高熔点材料的凝固点高，要求结晶管处于高温，紫铜裙摆不能耐受这样的温度。

3，使用冷坩埚向下延伸段的开缝坩埚裙摆作为结晶管(见图6、图7、图8)

这种技术的实质是用高频电磁场加热和束缚坩埚裙摆内液态处理材料的表面，从而减小结晶单元内的径向温度梯度。

与上一技术相似，此技术是将水冷铜坩埚的坩埚壁向下延伸形成一段坩埚裙摆22，用它作为结晶管。不同之处在于，它要求沿着坩埚的轴向开缝，使电磁场能够进入裙摆的内部。

作为结晶管的坩埚裙摆22，其上口的内径等于坩埚08内径，下口的内径可以比上口大5%～10%，高度可以在内径的1倍到5倍的范围内选取。

当定向处理材料的熔点明显低于1000℃时，在裙摆瓣片内可以不通冷却水；对于熔点接近和高于1000℃的处理材料，在裙摆瓣片内则必须有冷水水路。

为了减小结晶单元内的径向温度梯度，本发明用高频电磁场加热单元内液态处理材料的表面，同时，利用电磁场产生悬浮力，使液态处理材料受到电磁束缚，表面脱离裙摆的内表面，至少，不与裙摆的内表面产生密切接触，从而阻断了液态处理材料表面通过坩埚裙摆向外散热的渠道。

产生对液态处理材料的加热和束缚作用的电磁场有三种设置方法：

其一是利用环绕坩埚的主感应圈09，使它的下口的位置略低于裙摆22的上口，利用感应圈下部比较低的电磁场实现对液态处理材料16的加热和悬浮作用(图6)。处理材料的凝固点越高，要求主感应圈的位置降低得越多；

其二是环绕裙摆22设置一个与主感应圈串联或并联的辅助感应圈23，要求它只产生比较小的功率输出，由它对处理材料产生加热和悬浮作用(图7)。处理材料的凝固点越高，要求辅助感应圈分得的功率份额越大；

其三是设置一个小功率的辅助感应电源24和一个与此电源连接的环绕裙摆的辅助感应圈25(图8)。此电源输出电流的频率应该明显高于主感应圈的主电源：主电源的输出频率在10～50kHz的范围之内，而辅助电源的输出频率一般在100～500kHz的范围内选取。高频电磁场的悬浮作用大，热效应小，而且只加热液态处理材料的表层。辅助电源的功率可以在主电源的1/5～1/2的范围内选取，处理材料的凝固点越高，直径越大，则要求辅助电源的功率越大。

前两个措施虽然比较简便，但是，对于不同材料，需要通过精确的实验确定各种控制参数，从而才能获得理想的效果。第三个措施效果最好，但是需要增加设备投资。

这些也是完全排除陶瓷材料对液态处理材料污染的措施，而且是最理想的措施：它适合各种处理材料的定向凝固，除了陶瓷结晶管适合的材料之外，更加适合于高活性材料、高纯材料，以及高熔点材料。这种技术实际上是将悬浮熔炼技术移植到了凝固过程。

实施例1(图4)

本实施例的冷坩埚定向凝固装置包括以下几个基本部分：真空熔炼室01、与熔炼室连通的定向凝固室02、连续拉锭机构03、感应电源04、真空机组05、冷却系统06、控制系统07等(图1)。熔炼室01的内径是600mm，凝固室02的内径是300mm。感应电源04的额定功率是200kw，输出频率是23kHz。

在真空熔炼室01中装有内径120mm，高度200mm的水冷铜坩埚08，感应圈09环绕坩埚设置，连续加料机构10装在熔炼室的上方。

在定向凝固室02配备的部件包括结晶器11、结晶单元12、拉杆13等元件。结晶器直径120mm，在熔炼过程中，它位于坩埚底的位置。结晶单元12由坩埚向下延伸的裙摆21组成，高度100mm，不开缝，不通冷却水。拉杆13是牵引结晶器11并为结晶器提供水路管子，它通过真空密封穿过定向凝固室02的底板，与下面的连续拉锭机构03结合。

在这个装置中进行定向凝固的过程是：调整感应圈09的位置，使其下口低于坩埚裙摆21上口10mm。在坩埚08中装入5kg金属钛。然后启动冷却系统06和真空机组05，向真空室01和凝固室02充氩，启动感应电源04。当高频电流达到200A时坩埚中的钛全部熔化，保温3分钟后，启动连续拉锭机构03使结晶器11向下移动，移动速度是1mm/min。由结晶器承载的液态炉料16随之向下移动，它们在经过结晶单元时凝固。在这个过程中启动连续加料机构10，使熔池中液面的高度维持不变(见图2)。

经过3个小时的处理后，得到长度约180mm经过处理的棒。去掉头尾部分，得到了直径120mm，长度120mm，重量约6.1kg的提纯钛。

由于在感应圈下部电磁场的作用下，在处理过程中裙摆表面的温度升高到900±20℃的范围，这对于减小裙摆内的径向温度梯度产生了重要作用。本次实验的处理材料具有直径大，长度小的特点，所以，用结晶器作为凝固过程的低温端已经提供了足够大的轴向温度梯度。

对钛原料经过处理的钛进行的成分分析表明(表1)，本次实验对于金属钛产生了明显的提纯作用。

表1，对定向凝固的金属钛的杂质分析结果，ppm（重量分数）

实施例2(图3)

本实施例使用的设备，其结构与实施例1的基本相同。

设备与实施例1不同的部分包括：熔炼室01的内径是400mm，凝固室02的内径为200mm。主感应电源04的额定功率是80kw，输出频率是25kHz，水冷铜坩埚08的内径是40mm，高度100mm。结晶器11的直径也是40mm。作为结晶管的坩埚裙摆22，其高度为60mm。这个坩埚裙摆，其开缝和水路都是坩埚壁中的延伸。此外，该设备还配备了1台辅助高频电源24，其功率是30kw，输出频率是250kHz，用于向环绕坩埚裙摆的辅助感应圈25输送电流。

实施例2进行的实验过程是：调整主感应圈09的位置，使其下口高于坩埚裙摆上口10mm。在坩埚08中装入0.5kg金属钛。然后启动冷却系统06和真空机组05，向真空室01和凝固室02充氩，启动主感应电源04。当高频电流达到80A时坩埚08中的钛全部熔化，保温2分钟后，启动连续拉锭机构03牵引拉杆13并带动结晶器11向下移动，移动速度是3mm/min。同时，启动辅助电源24加热坩埚裙摆22中液态钛的表面，温度约达到1500℃。在这个过程中，连续加料机构10向坩埚加钛粒，使熔池中液面的高度维持不变。

内径100mm的盛有液态In-Ga合金17的冷却器14位于坩埚裙摆22的下方，其上口低于坩埚裙摆的下口30mm。在定向凝固过程中，已经凝固的材料18被结晶器带入冷却器中，得到低熔点合金的冷却。

经过2个小时的处理后，得到长度约340mm经过处理的棒。去掉头尾部分，得到了直径40mm，长度300mm，重量约1.7kg的提纯钛。

成分分析表明(表1)，本次实验对于金属钛的提纯作用明显高于实施例1，这表明，采用外加电磁场的技术对于消除径向温度梯度的作用比较突出。

实施例3(图8)

本实施例使用的设备与实施例2的是同样一台设备，冷却器的情况也完全相同。

设备与实施例2不同的部分包括：水冷铜坩埚08的内径是60mm，高度120mm。结晶器11的直径也是60mm。在本次实验中，坩埚没有裙摆，结晶管用上口直径60mm，下口直径64mm，高度80mm的刚玉管19替代，它与坩埚的下口相连。为了提高结晶管的稳定性，在刚玉管的内壁喷涂了Y₂O₃涂层。此外，环绕刚玉管还配备了1台功率5kw的电阻加热器20。

实施例3的实验过程是：调整主感应圈08的位置，使其下口高于刚玉管19上口10mm。在坩埚中装入1.0kg的Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.97母合金料。然后启动冷却系统06和真空机组05，向真空室01和凝固室02充氩，启动感应电源04。当高频电流达到60A时坩埚中的合金全部熔化，保温2分钟后，启动连续拉锭机构03牵引拉杆13并带动结晶器11向下移动，直至进入冷却器14中。移动速度是2mm/min。同时，启动电阻加热器20加热刚玉管19中的液态合金，加热器的温控制在1000±5℃。在这个过程中，连续加料机构10向坩埚加合金碎料，使熔池液面的高度维持不变。

经过2个小时的处理后，得到长度约220mm经过处理的棒。去掉头尾部分，得到了直径60mm，长度180mm，重量约4.6kg的Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.97定向结晶合金。金相检验表明(图9)，在经过处理的合金中形成了完美的定向结晶组织。

Claims (13)

1.一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以结晶器、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；所述结晶单元是与水冷铜坩埚下口连通的管状通道，其温度控制在处理材料的凝固点附近，为处理材料提供凝固的环境，随结晶器向下移动的液态材料，在经过结晶单元时完成凝固过程；处理材料的定向凝固的过程是：启动感应电源向感应圈输送超音频电流，电流产生的电磁场使坩埚中的炉料实现悬浮熔炼；炉料完全熔化后，连续拉锭机构牵引拉杆并带动结晶器向下移动，或者边转动边移动；由结晶器承载的液态炉料随之向下移动，液态炉料在经过结晶单元时凝固，在进入冷却器后被进一步冷却；同时，连续加料机构按照设定的速度加料，使坩埚中熔池的液面保持固定的高度，从而实现连续的定向凝固过程。

2.根据权利要求1所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：结晶器是可以移动的水冷紫铜圆盘，直径小于或等于水冷铜坩埚的内径；在熔炼过程中，结晶器部分或全部代替水冷铜坩埚底的位置承载着炉料和熔池，当它向下移动到坩埚的下方时，由于它的温度较低，液态材料便从它的表面开始凝固。

3.根据权利要求1所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：所述结晶单元的结晶管使用耐热陶瓷材料制作。

4.根据权利要求3所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：结晶管材料选用：刚玉、石英、氧化镁、氧化锆、石墨或氮化硼。

5.根据权利要求3或4所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：在结晶管的内壁制作有高稳定性物质的涂层。

6.根据权利要求5所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：所述高稳定性物质的涂层的涂层材料包括稀土氧化物，以及氮化硼。

7.根据权利要求3所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：在结晶管周围设置保温层，或环绕结晶管设置辅助加热器。

8.根据权利要求1所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：所述结晶单元使用冷坩埚向下延伸段的不开缝坩埚裙摆作为结晶管。

9.根据权利要求8所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：所述不开缝坩埚裙摆是将水冷铜坩埚的坩埚壁向下延伸形成一段的坩埚裙摆，不开缝坩埚裙摆的上口内径等于坩埚内径，下口的内径大于上口的内径，上口的位置高于感应圈下口。

10.根据权利要求8所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：不开缝坩埚裙摆设有加热装置。

11.根据权利要求1所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：所述结晶单元使用冷坩埚向下延伸段的开缝坩埚裙摆作为结晶管。

12.根据权利要求11所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：所述开缝坩埚裙摆是将水冷铜坩埚的坩埚壁向下延伸形成一段坩埚裙摆，开缝坩埚裙摆沿着坩埚的轴向开缝，使电磁场能够进入裙摆的内部，开缝坩埚裙摆的上口的内径等于坩埚壁的内径，下口的内径大于上口的内径。

13.根据权利要求11或12所述的低径向温度梯度的冷坩埚真空感应熔炼定向凝固装置，其特征是：用高频电磁场加热结晶单元内液态处理材料的表面，同时，利用电磁场产生悬浮力，使液态处理材料受到电磁束缚，表面脱离开缝坩埚裙摆的内表面。