CN111912220A - 一种区熔提纯系统、使用方法及区熔提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区熔提纯系统，属于区熔提纯技术领域。本系统包括：底座；加热器阵列，所述加热器阵列套设于所述底座的外周并可沿底座的长度方向移动，所述加热器阵列沿所述长度方向具有第一长度，且所述加热器阵列包括至少2个沿所述长度方向均匀间隔设置的加热器；以及载料舟，所述载料舟设置于底座且位于所述加热器阵列与所述底座之间的区熔空间内，且所述载料舟沿所述底座的长度方向具有第二长度；其中，所述第一长度大于所述第二长度，且所述第一长度与所述第二长度的差值不大于所述加热器阵列中相邻加热器的排间距。本公开还提供了一种使用方法和区熔提纯方法，大大提高作业效率，使区熔提纯作业的周期大幅缩短。

Description

一种区熔提纯系统、使用方法及区熔提纯方法

技术领域

本发明属于区熔提纯技术领域，具体涉及到一种区熔提纯系统、使用方法及区熔提纯方法。

背景技术

在制备高纯材料时，使用区熔法提纯是常用的工艺方法，其中水平区熔提取，其原理是利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次(多次区熔)使杂质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。

本公开的发明人在实现本公开的技术方案的过程中发现现有技术中至少存在以下问题：当前业内使用的水平区熔提纯设备普遍采用多管及多排阵列加热器，参阅图1，其加热器阵列的移动行程至少为载料舟长度加上加热器阵列的宽度，阵列加热器组的运动轮廓宽宽度为材料舟长加上2倍阵列加热器组宽度。从而造成当阵列加热器组未与载料舟重叠时，阵列加热器组中有加热器未能对提纯材料形成熔区，浪费了时间效率，特别是在行程两端时，大部分加热器均处于空置状态，不仅浪费时间还增加了能耗。同时也造成现有设备整体占用空间比较大。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本公开的实施例提供一种区熔提纯系统、使用方法及区熔提纯方法。

为了达到上述目的，本申请的实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本申请的实施例提供一种区熔提纯系统，包括：

底座；

加热器阵列，所述加热器阵列套设于所述底座的外周并可沿底座的长度方向移动，所述加热器阵列沿所述长度方向具有第一长度，且所述加热器阵列包括至少2个沿所述长度方向均匀间隔设置的加热器；以及

载料舟，所述载料舟设置于底座且位于所述加热器阵列与所述底座之间的区熔空间内，且所述载料舟沿所述底座的长度方向具有第二长度；

其中，所述第一长度大于所述第二长度，且所述第一长度与所述第二长度的差值不大于所述加热器阵列中相邻加热器的排间距。

可选的，所述第一长度与所述第二长度的差值等于相邻加热器的排间距。

可选的，所述加热器阵列包括至少5个加热器。

可选的，所述加热器阵列包括5个加热器。

可选的，所述加热器阵列包括至少2层加热器。

第二方面，本申请的实施例提供一种区熔提纯系统的使用方法，使用如前所述的区熔提纯系统，所述方法包括以下步骤：

步骤a,驱动加热器阵列向所述载料舟的一端移动至初始位置，其中，加热器阵列位于所述初始位置时，所述加热器阵列中不多于一个加热器与所述载料舟错开处于空置状态；

步骤b,所述加热器阵列以行车速度向所述载料舟的另一端移动第一距离，其中，所述第一距离不大于相邻加热器的排间距；

步骤c,所述加热器阵列以回车速度返回至初始位置，其中，所述回车速度大于所述行车速度，返回至步骤b直至区熔提纯完成。

可选的，所述第一距离等于所述排间距。

第三方面，本申请的实施例提供一种区熔提纯方法，使用如前所述的区熔提纯系统，且所述载料舟沿所述载料舟的长度方向对应于所述加热器阵列中每一加热器依次形成有若干个熔区，所述方法包括：

所述任一熔区中的物料中的杂质在相应的加热器作用下沿长度方向移动一个步长至所述任一熔区的相邻的下一熔区，并在所述下一熔区对应的加热器作用下继续沿长度方向移动一个步长，重复上述步骤直至区熔提纯完成。

与现有技术相比，本公开的提供的区熔提纯系统通过对载料舟和加热器阵列之间的长度关系的改进，使得加热器阵列仅移动一个较短的距离，就可以让加热器阵列完全覆盖载料舟，此时，载料舟上对应热加热器阵列中每一个加热器形成有若干个熔区，每一个熔区中的物料在加热器作用下移动至下一熔区时就更换加热器，由下一熔区对应的加热器继续推动其移动一个步长至再下一熔区，直至移动至载料舟的端部的设定位置，完成物料提纯。

即本公开通过一种内循环的加热方式可使整个区熔提纯作业周期内，载料舟13b内使用稳定数量的加热器对熔区数量提纯作业，而传统方法在加热器阵列排处于左右极限位置时仅有一个甚至无熔区，本公开提供的系统以及方法可大大提高作业效率，使区熔提纯作业的周期大幅缩短。

同时，由于本公开通过改进载料舟和加热器阵列相对的长度关系，使得加热器阵列的运动长度宽度得到了有效控制，从而占用更小的空间。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的区熔提纯设备行程示意图；

图2为本公开的区熔提纯系统的一个实施例中加热器阵列处于初始位置的示意图；

图3为本公开的区熔提纯系统的一个实施例中加热器阵列移动一个步长的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

现有的区熔提纯技术中，对于大部分材料，其区熔提纯工序的整个工艺周期往往会达到甚至超过一个月，为提高效率，当前业内使用的水平区熔提纯设备普遍采用多管及多排阵列加热器，如附图1所示，现有的区熔提纯设备在使用时，将加热器阵列的右端加热器从载料舟的左侧进入后，加热器阵列完全通过载料舟直至加热器阵列的左端加热器移动至载料舟的右侧。也即是现有技术中加热器阵列的移动行程至少为载料舟长度加上加热器阵列的宽度，加热器阵列的运动轨迹长度为载料舟长加上2倍加热器阵列的长度，从而造成现有区熔提纯设备的轴向尺寸大，所以传统区熔的行车方式也限制了阵列加热器组的阵列排数量，业内普遍均不超过4排，否则设备尺寸较很大。

另外，参阅图1，传统区熔提存设备在行车时，当加热器阵列12a中移动至载料舟13a两端时，加热器阵列12a中始终有部分加热器未与载料舟13a重叠，未能对载料舟13a中的提纯材料形成熔区，浪费了时间，徒增了系统的整体能耗。加热器阵列12a中加热器的排数越多，无作用区域越长。

本公开的提供的区熔提纯系统通过对载料舟13b和加热器阵列12b之间的长度关系的改进，使得加热器阵列12b仅移动一个较短的距离，就可以让加热器阵列12b完全覆盖载料舟13b，此时，载料舟13b上对应热加热器阵列12b中每一个加热器形成有若干个熔区，每一个熔区中的物料在加热器作用下移动至下一熔区时就更换加热器，由下一熔区对应的加热器继续推动其移动一个不占至再下一熔区，直至移动至载料舟13b的设定位置，完成物料提纯。

即本公开通过一种内循环的加热方式可使整个区熔提纯作业周期内，载料舟13b内使用稳定数量的加热器对熔区数量提纯作业，而传统方法在加热器阵列排处于左右极限位置时仅有一个甚至无熔区，本公开提供的系统以及方法可大大提高作业效率，使区熔提纯作业的周期大幅缩短。

同时，由于本公开通过改进载料舟13b和加热器阵列12b相对的长度关系，使得加热器阵列的运动长度宽度得到了有效控制，从而占用更小的空间。

另外，由于本专利方法可以使加热器阵列排数显著增多，加热器之间相互热辐射，可以降低单个加热器的功率，降低了单位产量的能耗。

下面结合一些具体实施例，进一步阐述本公开的发明构思。

一种区熔提纯系统，包括：底座11、加热器阵列12a以及载料舟13b。

具体的，底座为本系统的支承部件，用于支承载料舟13b以及加热器阵列12b。其中，底座的水平设置，其沿水平上的长度方向构造有一工作槽，或者一工作面。

载料舟13b布置于该工作槽内或者工作面内，且载料舟13b可于所述工作槽内或者工作面上移动。例如，工作面沿底座的长度方向依次设置有多个传送辊，载料舟13b放置于传送辊上，并可在该传送辊上移动。当一个载料舟13b上的物料区熔提纯完后可沿传送辊离开底座，然后将新的载料舟13b置于传送辊上，继续对下一载料舟13b上的物料进行提纯处理。

在底座的外周上套设有加热器阵列12b，所述加热器阵列12b套设于所述底座的外周并可沿底座的长度方向移动，所述加热器阵列12b沿所述长度方向具有第一长度，且所述加热器阵列12b包括至少2个沿所述长度方向均匀间隔设置的加热器。加热器阵列12b和所述底座之间形成有一区熔空间，载料舟13b即置于该区熔空间内。例如，当底座上具有一工作槽时，该工作槽和加热器阵列12b的内壁面限定所述区熔空间。或者，当底座上具有一工作面时，该工作面和加热器阵列12b的内壁面有一空隙，该空隙即所述区熔空间。

其中，所述载料舟13b沿所述底座的长度方向具有第二长度。所述第一长度大于所述第二长度，且所述第一长度与所述第二长度的差值不大于所述加热器阵列12b中相邻加热器的排间距。

相较于现有的区熔提纯设备，本公开提供的区熔提纯系统改进了载料舟13b和加热器阵列12b的相对长度，使得在区熔提纯时，加热器阵列12b移动不超过一个排间距，就可使熔区移动的距离覆盖整个载料舟13b的长度。从而提高了加热器提纯的效率。使得区熔提纯作业的周期大大缩短。

其中，底座可以是石英管。载料舟13b可直接置于该石英管内，并相对石英管移动。且本申请中的加热器，不特指定加热器的加热原理类型，可以是电阻丝热辐射加热、发热元件热传导加热、感应加热、等离子加热、激光加热等。

容易理解的，本公开并没有对底座、载料舟13b以及加热器阵列12b的内部构造进行改进，即本领域技术人员知晓如何实施本公开的底座、载料舟13b以及加热器阵列12b的内部结构，在此并不赘述。

在一些实施例中，为了使得加热器阵列12b在移动过程中，加热器阵列12b左右移动一步就可完全覆盖载料舟13b，且并不超出载料舟13b，所述第一长度与所述第二长度的差值等于相邻加热器的排间距。

例如，加热器阵列12b移动的每一步步长都为相邻加热器的排间距，即加热器阵列12b中的每一加热器都驱动其对应熔区内的物料中的杂质刚好移动至下一加热器对应的熔区内，然后加热器交替，由该下一加热器继续驱动该物料中的杂质到再下一熔区，直至杂质移动到载料舟13b中的设定位置。

在一些实施例中，所述加热器阵列12b包括至少5个加热器。较佳的，所述加热器阵列12b包括5个加热器。

且可选的，为了进一步提高加热效率，加热器阵列还可以形成为多排多列多层的立体组合。例如，加热器阵列至少包括2层。

本公开还提供了一种区熔提纯系统的使用方法，使用如前所述的区熔提纯系统，所述方法包括以下步骤：

步骤0、使所述载料舟13b的至少部分位于加热器阵列12b与所述底座之间的区熔空间内。

具体的，步骤S1即准备步骤，例如，在每次区熔提纯进行时将新的待提纯物料补充到载料舟13b内，然后将载料舟13b移动至某一固定位置，从而方便后续移动加热器阵列12b。便于加热器阵列12b每一移动均为一个步长。或者，在上一提纯步骤完成后，将对应的载料舟13b从底座上取下。然后将新的载满待提纯物料的载料舟13b移动至底座上，且使其进入区熔空间内。

步骤a、驱动加热器阵列12b向所述载料舟13b的一端移动至初始位置，其中，加热器阵列12b位于所述初始位置时，所述加热器阵列12b中不多于一个加热器与所述载料舟13b错开处于空置状态。

具体的，步骤S2即调整加热舟阵列和载料舟13b的相对位置，使得加热器阵列12b可以从载料舟13b的一端向另一端移动，从而使得载料舟13b中每一处待提纯物料都可以被加热器作用，避免遗漏。

此时，加热器阵列12b中的每一加热器开始对载料舟13b中的对应的熔区内的物料开始提纯作业。

步骤b、所述加热器阵列12b以行车速度向所述载料舟13b的另一端移动第一距离，其中，所述第一距离不大于相邻加热器的排间距。

具体的，即使用如前所述的区熔提纯系统时，加热器阵列12b移动一个步长，即第一距离时，加热器阵列12b即从载料舟13b的一端移动至另一端，全面覆盖了载料舟13b。使得载料舟13b中的物料中的杂质整体向设定位置移动了一个步长，逐渐开始聚集。

此时，加热器阵列12b中的加热器驱动其对应熔区内的物料中的杂质移动到一下熔区的位置。

容易理解的，本公开不涉及到对加热器作用的时间的改进，该行车速度为现有区熔提纯系统的行车速度，本公开在此并不赘述。

步骤c、所述加热器阵列12b以回车速度返回至初始位置，返回至步骤b直至区熔提纯完成,其中，所述回车速度大于所述行车速度。

具体的，此步骤中，加热器阵列12b以回车速度迅速回到初始位置。容易理解的，回车速度是为了使得加热器阵列12b迅速回到初始位置，而非对熔区内的物料作业。因此，该回车速度可以远大于行车速度，取决于用于驱动加热器阵列12b作用移动的驱动装置的运行速度。

在此步骤后，对于任一熔区中的物料中的杂质而言，其移动到下一熔区，对其作用的加热器完成了更换为了该下一熔区对应的加热器。

相较于现有技术中加热器阵列12b在一个行程中加热器提纯并驱动推动杂质从载料舟13b的一端移动至设定位置，例如载料舟13b的另一端。本公开提供的区熔提纯系统的使用方法在区熔提纯作业时，加热器阵列12b中的任一加热器仅对其对应的熔区内的物料提纯作业。或者对于待提纯物料中的杂质而言，其移动至设定位置的全程是由至少一个加热器接力完成的。

本公开还提供了一种区熔提纯方法，使用如前所述的区熔提纯系统，且所述载料舟13b沿所述载料舟13b的长度方向对应于所述加热器阵列12b中每一加热器依次形成有若干个熔区，所述方法包括：

所述任一熔区中的物料中的杂质在相应的加热器作用下沿长度方向移动一个步长至所述任一熔区的相邻的下一熔区，并在所述下一熔区对应的加热器作用下继续沿长度方向移动一个步长，重复上述步骤直至区熔提纯完成。

具体的，参阅图2和图3，熔区C1中的杂质在对应的加热器作用下移动一个步长，即加热器阵列12b中排间距，到达熔区C2,然后由熔区C2对应的加热器提纯作业驱动其沿底座的长度方向继续移动至下一熔区，直至其移动至设定位置，例如载料舟13b的右端。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (8)

1.一种区熔提纯系统，其特征在于，包括：

底座；

加热器阵列，所述加热器阵列套设于所述底座的外周并可沿底座的长度方向移动，所述加热器阵列沿所述长度方向具有第一长度，且所述加热器阵列包括至少2个沿所述长度方向均匀间隔设置的加热器；以及

载料舟，所述载料舟设置于底座且位于所述加热器阵列与所述底座之间的区熔空间内，且所述载料舟沿所述底座的长度方向具有第二长度；

其中，所述第一长度大于所述第二长度，且所述第一长度与所述第二长度的差值不大于所述加热器阵列中相邻加热器的排间距。

2.根据权利要求1所述的区熔提纯系统，其特征在于，所述第一长度与所述第二长度的差值不大于相邻加热器的排间距。

3.根据权利要求1所述的区熔提纯系统，其特征在于，所述加热器阵列包括至少3个加热器。

4.根据权利要求3所述的区熔提纯系统，其特征在于，所述加热器阵列包括3个加热器。

5.根据权利要求1所述的区熔提纯系统，其特征在于，所述加热器阵列包括至少2层加热器。

6.一种区熔提纯系统的使用方法，其特征在于，使用如权利要求1-4任一所述的区熔提纯系统，所述方法包括以下步骤：

步骤a、驱动加热器阵列向所述载料舟的一端移动至初始位置，其中，加热器阵列位于所述初始位置时，所述加热器阵列中不多于一个加热器与所述载料舟错开处于空置状态；

步骤b、所述加热器阵列以行车速度向所述载料舟的另一端移动第一距离，其中，所述第一距离不大于相邻加热器的排间距；

步骤c、所述加热器阵列以回车速度返回至初始位置，其中，所述回车速度大于所述行车速度，返回至步骤b直至区熔提纯完成。

7.根据权利要求6所述的区熔提纯系统的使用方法，其特征在于，所述第一距离等于所述排间距。

8.一种区熔提纯方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一所述的区熔提纯系统，且所述载料舟沿所述载料舟的长度方向对应于所述加热器阵列中每一加热器依次形成有若干个熔区，所述方法包括：

所述任一熔区中的物料中的杂质在相应的加热器作用下沿长度方向移动一个步长至所述任一熔区的相邻的下一熔区，并在所述下一熔区对应的加热器作用下继续沿长度方向移动一个步长，重复上述步骤直至区熔提纯完成。

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