CN107606946A - 一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置和方法，该装置包括冷坩埚，沿冷坩埚周向设置的电磁感应线圈，感应等离子体炬，沿感应等离子体炬环绕设置的等离子体感应线圈，氩气供气系统和升降系统；感应等离子体炬位于冷坩埚的正上方，感应等离子体炬和等离子体感应线圈均连接于控制感应等离子体炬升降的升降系统上，感应等离子体炬的上端设置氩气通入口，氩气通入口与氩气供气系统连通。该方法通过使氩气电离，形成纯净的等离子体火焰，使粉体熔化，同时通过电磁感应线圈产生的磁场对原料粉体进行感应加热，完成冷坩埚的启动熔化过程；使得启动熔化过程迅速，且该感应等离子体没有任何电极，保证了启动熔化过程无污染。
Description
技术领域
本发明属于冷坩埚制备高纯金属氧化物技术领域，特别是涉及一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置和方法。
背景技术
冷坩埚壁面由数十根水冷铜管组成，采用感应加热线圈直接加热物料，特别适合高纯氧化物的熔炼。感应线圈产生感应电磁场，感应电磁场透过铜管间的间隙作用于冷坩埚内的原料。如果原料是导体，则可以感应出感应电流，从而对原料进行感应加热。但由于高纯氧化物(如氧化铝，氧化锆)在常温下是绝缘体，不能直接感应加热，因此需要通过一些特殊的方法来获得一定量的熔体，通过熔体在感应电磁场中的进一步加热，从而带动周围氧化物的熔融，这个过程一般称为启动熔化。启动熔化有多种方法，比如放入金属，或者石墨等。
当采用冷坩埚进行高纯氧化物生产时，要求启动熔化不能残留任何污染。如果采用金属，或者石墨时容易在高纯氧化物内残留未氧化的金属或者石墨，因此这种方法使用有局限性。
专利CN104790034A公布了一种用水燃料等离子火焰熔化一部分物料，从而开始启动熔化。这种方法虽然水燃料不会造成污染，但是阴阳极的金属材料，仍然会被等离子体带入到高纯物料中，带来污染。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置和方法，采用等离子体火焰进行启动熔化，保证启动熔化过程无污染。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置，包括冷坩埚和沿冷坩埚周向设置的电磁感应线圈，还包括感应等离子体炬，沿感应等离子体炬环绕设置的等离子体感应线圈，氩气供气系统和升降系统；所述感应等离子体炬位于冷坩埚的正上方，所述感应等离子体炬和等离子体感应线圈均连接于控制感应等离子体炬升降的升降系统上，所述感应等离子体炬的上端设置氩气通入口，所述氩气通入口与氩气供气系统连通。
所述等离子体感应线圈的电源频率为3M Hz。
所述升降系统包括支撑架、涡轮丝杆升降机、电机、导向柱和升降支架；所述涡轮丝杆升降机固定在支撑架内部的支撑托板上，所述涡轮丝杆升降机的丝杆的顶端固定在升降支架的下端面上，所述涡轮丝杆升降机的蜗杆通过联轴器与电机的输出轴相连；所述导向柱的顶端穿过支撑托板的导向孔，并固定在升降支架的下端面上，所述丝杆和导向柱的底端均设有一限位块，所述感应等离子体炬固定在升降支架上。
一种采用上述装置的高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的方法，包括如下步骤：
1)向冷坩埚内装填原料粉体，使原料粉体高度处于电磁感应线圈上沿高度和下沿高度之间；
2)通过升降系统带动感应等离子体炬和等离子体感应线圈移动，使感应等离子体炬的下端口与原料粉体表面之间的距离为10cm；
3)打开氩气供气系统，使氩气从感应等离子体炬上端的氩气通入口进入，从感应等离子体炬的下端口流出，并调节至合适流量；
4)开启等离子体感应线圈的电源，使感应等离子体炬内的氩气电离，形成等离子体火焰；
5)等离子体火焰喷射到原料粉体表面，使原料粉体熔化，同时打开电磁感应线圈的电源，通过电磁感应线圈产生的磁场对熔体进行感应加热；
6)当形成足够的熔体时，通过升降系统将感应等离子体炬和等离子体感应线圈移走。
所述步骤1)中，原料粉体高度处于电磁感应线圈高度的正中间。
所述步骤3)中，氩气的流量为1-8m3/min。
本发明的原理为氩气进入高频等离子体炬内，高频感应线圈使氩气电离，形成纯净的等离子体火焰，等离子体火焰喷射到高纯氧化物粉体表面，使高纯氧化物粉体熔化，形成熔体，同时通过电磁感应线圈对熔体加热，当形成足够的熔体时，通过升降系统将感应等离子体炬和等离子体感应线圈移走，完成冷坩埚的启动熔化过程。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明通过将氩气送入感应等离子体炬内，高频感应线圈使氩气电离，形成纯净的等离子体火焰，等离子体火焰使高纯金属氧化物粉体熔化，同时通过电磁感应线圈产生的磁场对原料粉体进行感应加热，当形成足够的熔体时，通过升降系统将感应等离子体炬和等离子体感应线圈移走，完成冷坩埚的启动熔化过程；感应等离子体是最为纯净的超高温热源，直接感应加热氩气，核心温度可达1万度，确保快速引燃，使得启动熔化过程迅速，且该感应等离子体没有任何电极，保证了启动熔化过程无污染。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-冷坩埚；2-电磁感应线圈；3-感应等离子体炬；4-等离子体感应线圈；51-支撑架；52-电机；53-导向柱；54-升降支架；55-支撑托板；56-丝杆；57-蜗杆；58-限位块；6-氩气通入口；7-原料粉体；8-等离子体火焰。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置，包括冷坩埚1，沿冷坩埚1周向设置的电磁感应线圈2，感应等离子体炬，沿感应等离子体炬3环绕设置的等离子体感应线圈4，氩气供气系统和升降系统；感应等离子体炬位于冷坩埚1的正上方，感应等离子体炬3和等离子体感应线圈4均连接于控制感应等离子体炬升降的升降系统上，等离子体感应线圈4通过电缆和控制其工作的等离子体电源箱连接，等离子体电源箱安装在升降系统的升降支架54上，为更便于感应等离子体炬3和等离子体感应线圈4的移动，将感应等离子体炬3和等离子体感应线圈4固定在升降系统的升降支架54上，感应等离子体炬3的上端设置氩气通入口6，氩气通入口6与氩气供气系统连通。通过升降系统带动感应等离子体炬3和等离子体感应线圈4移动，升降系统包括支撑架51、涡轮丝杆升降机、电机52、导向柱53和升降支架54；涡轮丝杆升降机固定在支撑架51内部的支撑托板55上，涡轮丝杆升降机的丝杆56的顶端固定在升降支架54的下端面上，涡轮丝杆升降机的蜗杆57通过联轴器与电机52的输出轴相连；导向柱53的顶端穿过支撑托板55的导向孔，并固定在升降支架54的下端面上，丝杆56和导向柱53的底端均设有一限位块58，避免过度操作涡轮丝杆升降机，使涡轮丝杆升降机的丝杆脱离。通过电机52带动蜗杆57转动，蜗杆57带动与其啮合的涡轮转动，进而带动丝杆56上下移动，丝杆56上下移动带动升降支架54做上下运动，进而带动感应等离子体炬做上下运动，无需人工进行操作，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，避免了人工操作所带来的危险性；并通过导向柱53做进一步定位，防止升降支架54在水平圆周方向运动，确保升降支架的升降平稳。
一种采用上述装置的高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的方法，包括如下步骤：
1)向冷坩埚1内装填原料粉体7，使原料粉体7高度处于电磁感应线圈2高度的正中间，此时感应磁场最强；
2)通过升降系统带动感应等离子体炬3和等离子体感应线圈4移动，使感应等离子体炬3的下端口与原料粉体7表面之间的距离为10cm，保证喷出的等离子体火焰的核心温度喷射到原料粉体表面上；
3)打开氩气供气系统，使氩气从感应等离子体炬3上端的氩气通入口6进入，从感应等离子体炬3的下端口流出，并调节氩气的流量在1-8m3/min；
4)开启等离子体感应线圈4的电源，调整等离子体感应线圈4的电源频率为3MHz，使感应等离子体炬3内的氩气电离，形成等离子体火焰8；
5)等离子体火焰8喷射到原料粉体7表面，使原料粉体熔化，同时打开电磁感应线圈2的电源，通过电磁感应线圈2产生的磁场对熔体进行感应加热；
6)当形成足够的熔体时，通过升降系统将感应等离子体炬3和等离子体感应线圈4移出冷坩埚。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置，包括冷坩埚和沿冷坩埚周向设置的电磁感应线圈，其特征在于：还包括感应等离子体炬，沿感应等离子体炬环绕设置的等离子体感应线圈，氩气供气系统和升降系统；所述感应等离子体炬位于冷坩埚的正上方，所述感应等离子体炬和等离子体感应线圈均连接于控制感应等离子体炬升降的升降系统上，所述感应等离子体炬的上端设置氩气通入口，所述氩气通入口与氩气供气系统连通。
2.根据权利要求1所述的一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置，其特征在于：所述等离子体感应线圈的电源频率为3MHz。
3.根据权利要求1所述的一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的装置，其特征在于：所述升降系统包括支撑架、涡轮丝杆升降机、电机、导向柱和升降支架；所述涡轮丝杆升降机固定在支撑架内部的支撑托板上，所述涡轮丝杆升降机的丝杆的顶端固定在升降支架的下端面上，所述涡轮丝杆升降机的蜗杆通过联轴器与电机的输出轴相连；所述导向柱的顶端穿过支撑托板的导向孔，并固定在升降支架的下端面上，所述丝杆和导向柱的底端均设有一限位块，所述感应等离子体炬固定在升降支架上。
4.一种采用权利要求1-3中任一项所述装置的高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)向冷坩埚内装填原料粉体，使原料粉体高度处于电磁感应线圈上沿高度和下沿高度之间；
2)通过升降系统带动感应等离子体炬和等离子体感应线圈移动，使感应等离子体炬的下端口与原料粉体表面之间的距离为10cm；
3)打开氩气供气系统，使氩气从感应等离子体炬上端的氩气通入口进入，从感应等离子体炬的下端口流出，并调节至合适流量；
4)开启等离子体感应线圈的电源，使感应等离子体炬内的氩气电离，形成等离子体火焰；
5)等离子体火焰喷射到原料粉体表面，使原料粉体熔化，同时打开电磁感应线圈的电源，通过电磁感应线圈产生的磁场对熔体进行感应加热；
6)当形成足够的熔体时，通过升降系统将感应等离子体炬和等离子体感应线圈移走。
5.根据权利要求4所述的一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的方法，其特征在于：所述步骤1)中，原料粉体高度处于电磁感应线圈高度的正中间。
6.根据权利要求4所述的一种高频等离子体在冷坩埚中启动熔化的方法，其特征在于，所述步骤3)中，氩气的流量为1-8m3/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180119 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |