CN111115636B - 一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈和方法 - Google Patents

一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈和方法 Download PDF

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本发明涉及一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈和方法，属于电磁悬浮熔炼技术领域。该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈和下端线圈；下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.5～1.0mm；所述上端线圈为1～2匝，内径为16～22mm；所述下端线圈为3～5匝，内径为16～22mm；所述两个上、下端线圈之间的间距为10～15mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4～6mm的空心铜导管，绕制线圈的悬浮样品质量为0.6～1.0g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下5～10mm。本发明通过改变电磁悬浮线圈的结构特性，使半导体材料冶金级硅快速升温，促使冶金级硅的电导率急剧上升，使其达到感应加热及悬浮精炼条件。

Description

一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈和方法
技术领域
本发明涉及一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈和方法，属于电磁悬浮熔炼技术领域。
背景技术
与传统的平衡凝固相比，悬浮精炼技术是一种具备良好动力学条件的真空精炼技术，在冶金级硅脱磷的过程中，无需另配热源，悬浮与加热同时进行，可直接实现悬浮样品的高温悬浮熔化，焦耳效应、趋肤效应以及液态冶金级硅中电磁力的搅拌作用对磷的去除有重要作用，悬浮条件下可以实施特殊气氛从而实现冶金级硅悬浮无容器快速精炼。但是冶金级硅由于其导电性较差，所以不易被实现电磁感应加热和悬浮精炼。
在已公开的国内外文献中，人们从不同途径尝试设计了多种电磁线圈。 “一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈,专利号CN 107425755 A，2017”、“用于10～100g金属材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈，专利号CN 107517024 A，2017”、以及“一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈，专利号CN 107508499 A，2017”，这些专利涉及用于金属和金属合金材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈；“高频电磁悬浮熔炼研究[J],电炉,1981” 的悬浮电磁线圈是锥形线圈设计，在底部盘状绕制两圈，悬浮线圈用铜管采用直径3mm、4mm绕制，可悬浮铝、铜、铁、钛、铌、钼、锆等金属；“Suspension MeltingPreparation of Zr1-xTixNiSn0.975Sb0.025Half-Heusler Alloy and Its ThermoelectricProperties[J], Rare Metal Materials and Engineering， 2009”利用悬浮熔炼法合成Half-Heusler金属合金、Zr1-xTixNiSn0.975Sb0.025金属合金。金属和金属合金材料在室温下导电率较高，而冶金级硅的室温电导率远远低于一般的金属材料。因此，室温下冶金级硅是无法与电磁场产生相互作用的。然而，随着温度的升高，冶金级硅的电导率急剧上升。在600°左右，冶金级硅材料电导率可达到电磁悬浮熔炼的基本要求。所以，改善冶金级硅材料电导率大小是能否产生电磁感应现象及电磁悬浮熔炼的关键，即冶金级硅材料在悬浮前快速升温至600°左右是冶金级硅电磁悬浮处理的关键。截止目前，对于半导体材料冶金级硅的电磁悬浮的悬浮实验或者工业应用比较少，采用文献中的电磁线圈悬浮很难实现半导体冶金级硅材料的熔化，不足以满足冶金级硅样品的悬浮精炼实验要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈和方法。本发明通过改变电磁悬浮线圈的结构特性，使半导体材料冶金级硅快速电磁感应加热升温，优化半导体材导电性使其悬浮精炼。本发明通过以下技术方案实现。
一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为0.5～1.0mm；所述上端线圈1为1～2匝，内径为16～22mm；所述下端线圈2为3～5匝，内径为16～22mm；所述两个线圈之间的间距为10～15mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4～6mm的空心铜导管，所述绕制线圈的悬浮样品质量为0.6～1.0g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下5～10mm。
所述上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度小于15°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度小于15°。
所述上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
上述悬浮样品初始位置位于该间距中心向下5～10mm。
一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将待提纯的质量为0.6～1.0g的冶金级硅样品通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下5～10mm。将电磁悬浮反应室成真空至133～1.33×10-1Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理。
上述电磁悬浮反应室材料为耐高温、耐真空的石英管。
本发明的有益效果是：
1、得益于线圈结构的变化，使半导体材料冶金级硅快速升温，促使冶金级硅的电导率急剧上升，优化半导体材导电性，使其达到感应熔炼及悬浮精炼条件。
2、电磁感应线圈的上端线圈部分与下端线圈部分为同轴螺旋状且绕制方向相反，螺旋上升方向不同，实现了半导体材料电磁悬浮。该发明适用于真空或者特定气氛下冶金级硅材料的无容器超洁加工，从而实现非接触式精炼。
3、该方法具有改动小、成本低、见效快的优点，容易在相同设备上推广应用。
附图说明
图1是本发明电磁悬浮线圈主视示意图；
图2是本发明电磁悬浮线圈俯视示意图；
图3是本发明电磁悬浮线圈实物图；
图4是本发明用于冶金级硅电磁悬浮处理的实物图；
图5是本发明实施例5电磁悬浮线圈实物图；
图6是本发明实施例6电磁悬浮线圈实物图。
图中：1-上端线圈，2-下端线圈，3-电流和水冷装置接口端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至图4所示，该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为0.5mm；所述上端线圈1为2匝，内径为16mm；所述下端线圈2为3匝，内径为16mm；所述两个线圈之间的间距为10mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4mm的空心铜导管；悬浮质量为0.6g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下5mm。
其中上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将0.6g待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至133Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理，具体的悬浮处理如下表表1所示。
表1
Figure 604717DEST_PATH_IMAGE002
。
实施例2
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为0.7mm；所述上端线圈1为2匝，内径为16mm；所述下端线圈2为3匝，内径为20mm；所述两个线圈之间的间距为12mm；所述绕制线圈的材料采用直径为5mm的空心铜导管，悬浮质量为0.7g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下8mm。
其中上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将0.7g待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至60Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理，具体的悬浮处理如下表表2所示。
表2
Figure 239967DEST_PATH_IMAGE004
。
实施例3
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为1.0mm；所述上端线圈1为2匝，内径为22mm；所述下端线圈2为3匝，内径为16mm；所述两个线圈之间的间距为15mm；所述绕制线圈的材料采用直径为6mm的空心铜导管，悬浮质量为1.0g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下10mm。
其中上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将1.0g待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至1.33×10-1Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理，具体的悬浮处理如下表表3所示。
表3
Figure 754125DEST_PATH_IMAGE006
对比实施例
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为0.5mm；所述上端线圈1为2匝，内径为16mm；所述下端线圈2为3匝，内径为16mm；所述两个线圈之间的间距为10mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4mm的空心铜导管；绕制线圈的悬浮样品质量为0.5g，悬浮样品初始位置为两个上、下线圈之间的间距中心位置下4mm；
其中上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将0.5g待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至133Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理，具体的悬浮处理如下表表4所示。
表4
Figure 618176DEST_PATH_IMAGE008
从对比实施例可以看出，当待提纯的冶金级硅质量为0.5g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下4mm时，冶金级硅出现不熔化现象。证明该电磁悬浮线圈不能使半导体材料冶金级硅快速升温，使其达到感应熔炼及悬浮精炼条件。
实施例5
如图5所示，该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为1.0mm；所述上端线圈1为1匝，内径为20mm；所述下端线圈2为4匝，内径为22mm；所述两个线圈之间的间距为12mm；所述绕制线圈的材料采用直径为5mm的空心铜导管，悬浮质量为0.7g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下8mm。
其中上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将0.7g待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至60Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理。
实施例6
如图6所示，该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2；下端线圈2与上端线圈1为反向串联绕制，绕匝间距为0.8mm；所述上端线圈1为2匝，内径为20mm；所述下端线圈2为5匝，内径为22mm；所述两个线圈之间的间距为14mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4mm的空心铜导管，悬浮质量为0.7g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下8mm。
其中上端线圈1为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；下端线圈2下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度为10°；上端线圈1和下端线圈2分别连接电流和水冷装置接口端3。
该用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈1和下端线圈2，外侧包裹绝缘层；
步骤2、将0.7g待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至60Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端3向上端线圈1和下端线圈2输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，其特征在于：电磁悬浮线圈包括上端线圈（1）和下端线圈（2）；下端线圈（2）与上端线圈（1）为反向串联绕制，绕匝间距为0.5～1.0mm；所述上端线圈（1）为1～2匝，内径为16～22mm；所述下端线圈（2）为3～5匝，内径为16～22mm；所述两个线圈之间的间距为10～15mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4～6mm的空心铜导管，所述绕制线圈的悬浮样品质量为0.6～1.0g，悬浮样品初始位置为两个线圈之间的间距中心位置下5～10mm；
所述上端线圈（1）为内径保持不变，左螺旋上升的线圈，螺旋上升角度小于15°；下端线圈（2）下部的线圈内径保持不变，为右螺旋上升的线圈，螺旋上升角度小于15°。
2.根据权利要求1所述的用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈，其特征在于：所述上端线圈（1）和下端线圈（2）分别连接电流和水冷装置接口端（3）。
3.一种根据权利要求1至2任意一项所述的用于冶金级硅电磁悬浮处理的电磁悬浮线圈的电磁悬浮方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1、将电磁悬浮反应室外部绕制电磁悬浮线，电磁悬浮线圈包括上端线圈（1）和下端线圈（2），外侧包裹绝缘层；
步骤2、将待提纯的冶金级硅通过送样棒放入电磁悬浮反应室中，将电磁悬浮反应室成真空至133～1.33×10-1Pa，再通入氩气至标准大气压值，通过电流和水冷装置接口端（3）向上端线圈（1）和下端线圈（2）输入高频交流电源电流28A～44A，开启水冷循环设备；逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下送样棒，样品稳定悬浮处理。
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