CN112746310A - 一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，该方法在晶体生长和材料冶炼过程中，在导电熔体外围设置侧部和顶部两个电阻加热器，每个电阻加热器有3个电极，用以接入三相交变电流。通有交变电流的两组电阻加热器能够在空间感应产生磁场，所述磁场在导电熔体内产生的感应电流和磁场相互作用产生能够影响熔体流动的洛伦兹力。本发明通过调节两个电阻加热器接入电流的参数组合方式来改变熔体中洛伦兹力的大小与方向分布，以此主动控制熔体流动，进而改善晶体生长和材料冶炼过程中的温度分布、凝固界面形状以及组分分布，例如在侧部和顶部电阻加热器中采用不同的三相电流接入方向，可以改变熔体的流动结构与强度，进而改善温度和组分分布等。

Description

一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法
技术领域
本发明属于晶体生长和材料冶炼控制技术领域，具体涉及一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法。
背景技术
晶体生长和材料冶炼过程往往包含复杂的熔体流动、固体导热、高温辐射、固液相变等多种流动传热现象，其中熔体流动直接影响温度分布、凝固界面形状、组分分布等重要参数。因此，有必要对熔体流动特性开展深入研究并实行有效控制。热场设计是改善晶体生长和材料冶炼过程中温度与热浮力分布、进而影响熔体流动的传统方式。然而，随着技术的进步纯粹的热场设计已无法满足对熔体流动的控制要求，这就需要寻找新的调控方法。
近年来，晶体生长和材料冶炼过程中磁场控制技术的相关研究受到广受关注。磁场按来源可分为外加磁场和加热器生成的固有磁场。外加磁场通常是在晶体生长和材料冶炼设备核心区域外部设计专门的磁场生成装置，许多研究者对外加磁场作用于垂直布里奇曼法、垂直梯度冷凝法和定向凝固法等晶体生长和材料冶炼过程进行了研究，但因成本高昂和设计复杂，外加磁场在工业生产中难以大规模应用。除了外加磁场外，电阻加热器中通入交变电流提供加热功率的同时，基于电磁感应定律在空间产生交变磁场，这种磁场是固有存在的，能够在导电熔体中产生感应电流，电流与空间磁场相互作用产生洛伦兹力，进而影响熔体流动以及晶体生长和材料冶炼过程。
在现有的科学研究和生产实践中，人们往往只关注加热器中通入交变电流产生的热量对晶体生长和材料冶炼过程中熔体流动和温度分布的影响，忽略了加热器生成的固有磁场和洛伦兹力的作用效果。这使得接入加热器的电流参数设置比较随意，没有特别考虑加热器位置以及接入加热器电流的相位移动方向、频率和相位差等参数变化时磁场和洛伦兹力的变化及其影响，相应地无法根据需要精细控制熔体流动并改善晶体生长和材料冶炼条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，该方法通过调整熔体外围侧部和顶部两个电阻加热器中接入电流的参数来改变电阻加热器在空间感应出的磁场及相应的洛伦兹力分布，从而影响晶体生长和材料冶炼过程中的熔体流动、温度分布、凝固界面形状和组分分布等参数，以提高晶体材料品质。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，该方法包括：
在晶体生长和材料冶炼过程中，通有交变电流的电阻加热器能够在空间生成磁场进而在导电熔体中感应产生洛伦兹力，从而影响熔体流动；其中，电阻加热器有2个，分别布置于熔体的侧部和顶部，每个电阻加热器有3个电极，通过调整侧部、顶部电阻加热器接入电流参数的组合方式改变所述磁场和洛伦兹力的空间分布，从而改变熔体流动并影响温度分布、凝固界面形状和组分分布。
本发明进一步的改进在于，所述侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相同，即两个电阻加热器各自三个电极接入电流的相位变化为同时逆时针增加或同时顺时针增加。
本发明进一步的改进在于，所述侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相反，即侧部电阻加热器三个电极接入电流的相位变化为顺时针增加、顶部三个电极接入电流的相位变化为逆时针增加，或者侧部电阻加热器三个电极接入电流的相位变化为逆时针增加、顶部三个电极接入电流的相位变化为顺时针增加。
本发明进一步的改进在于，所述侧部、顶部电阻加热器电流相位位置发生扭转，即某一电阻加热器三个电极接入电流的相位位置顺时针扭转或逆时针扭转，扭转一位或两位。
本发明进一步的改进在于，所述侧部、顶部电阻加热器接入电流频率变化范围为10～1000Hz，相邻电极之间的电流相位变化范围为-180°～180°。
本发明进一步的改进在于，熔体区域为立方体或圆柱体；所述侧部电阻加热器以蛇形或带状围绕在熔体区域四周，侧部电阻加热器安装位置相对熔体区域的范围为电阻加热器上沿与熔体区域底部平齐，至电阻加热器下沿与熔体区域顶部平齐；所述顶部电阻加热器以蛇形或带状安装在熔体区域上部中间位置。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明所述电阻加热器生成磁场无需额外磁场生成装置，可在提供加热功率的同时进行磁场控制，因而可大量节约能源资源；所述电阻加热器生成磁场的电流参数组合方式多、可控性强，可精确调制其参数组合方式来控制熔体流动、温度分布、凝固界面形状和组分分布，从而改善晶体生长和材料冶炼过程。
附图说明
图1为本发明中电阻加热器结构及熔体区域示意图，其中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相同。
图2为本发明中电阻加热器结构及熔体区域示意图，其中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相反。
图3为本发明中电阻加热器结构及熔体区域示意图，其中侧部、顶部电阻加热器电流相位位置发生扭转。
图4为本发明中电阻加热器不同电流接入方式下熔体空间感应生成的洛伦兹力方向分布。其中，图4(a)中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相同，图4(b)中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相反，图4(c)中侧部、顶部电阻加热器电流相位位置发生扭转。
图5为本发明中电阻加热器采用不同电流接入方式时洛伦兹力作用下熔体中的流线分布。
其中，图5(a)中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相同，图5(b)中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相反，图5(c)中侧部、顶部电阻加热器电流相位位置发生扭转。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明：
实施例：
本实施例为通过调整电阻加热器接入电流的参数组合方式来控制导电熔体流动。
参见图1，采用侧部、顶部组合式电阻加热器对导电熔体进行加热，每个电阻加热器有三个电极，用以接入电流。熔体区域为立方体(也可以为或圆柱体，由晶体生长和材料冶炼的实际需求决定)，侧部电阻加热器以蛇形围绕在熔体区域四周，侧部电阻加热器竖直方向的中部与熔体区域顶部平齐，顶部电阻加热器以带状安装在熔体区域上部中间位置。电极中接入的三相电流表达式为：IA＝Ia＝I0 sin(ωt)、
Figure BDA0002870602570000041
其中IA、IB、IC为接入侧部电阻加热器三个电极的电流，Ia、Ib、Ic为接入顶部电阻加热器三个电极的电流。I0为接入电流的幅值，依据晶体生长和材料冶炼过程所需加热功率确定；ω为接入电流的频率，此处取值为100π，对应频率为50Hz；
Figure BDA0002870602570000042
为相邻两相之间的相位差，此处取值2π/3。
图1中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相同，此处为两个电阻加热器各自三个电极接入电流的相位变化为同时逆时针增加。图2中侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相反，此处为侧部电阻加热器三个电极接入电流的相位变化为顺时针增加、顶部三个电极接入电流的相位变化为逆时针增加。图3中侧部、顶部电阻加热器电流相位位置发生扭转，此处为侧部电阻加热器接入电流的相位位置逆时针扭转一位。
图4为电阻加热器不同电流接入方式下熔体空间的洛伦兹力方向分布，其中图4(a)、4(b)、4(c)中的洛伦兹力分布分别对应图1、2、3中的电流接入方式。图5所示为电阻加热器不同电流接入方式下熔体中的流线分布，其中图5(a)、5(b)、5(c)中的熔体流动分别对应图1、2、3中的电流接入方式以及图4(a)、4(b)、4(c)中的洛伦兹力分布。
由图1、4(a)、5(a)可以发现，当侧部、顶部电阻加热器各自三个电极接入电流的相位变化为同时逆时针增加时，生成的洛伦兹力使得熔体上部发生顺时针方向流动，底部发生逆时针方向流动。由图2、4(b)、5(b)可以发现，侧部电阻加热器三个电极接入电流的相位变化为顺时针增加、顶部三个电极接入电流的相位变化为逆时针增加时，熔体上部和底部均发生逆时针流动。由图3、4(c)、5(c)可以发现，当侧部电阻加热器电流相位位置逆时针扭转一位时，熔体整体呈现顺时针方向流动。不同电流接入方式下的熔体流动可满足晶体生长和材料冶炼所需的特定条件。
上述实施例表明，电阻加热器电流连接参数的改变使得熔体中感应生成的洛伦兹力发生变化，进而改变了导电熔体的流动结构及强度。在晶体生长和材料冶炼过程中，熔体流动直接影响温度分布、凝固界面形状、组分分布等重要参数。因此，实际应用中可调制多个电阻加热器相对熔体的位置、接入电流的方向、电流的频率以及相邻两相之间的相位差等参数，达到控制熔体流动、改善凝固过程的目的。与现有技术相比，本发明在考虑电阻加热器中接入电流提供加热功率的基础上，进一步设计了电流的接入方式以及电阻加热器位置，考虑了加热器生成磁场对熔体流动的影响，实现了对晶体生长和材料冶炼过程的主动与精细控制。

Claims (6)

1.一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，其特征在于，该方法包括：
在晶体生长和材料冶炼过程中，通有交变电流的电阻加热器能够在空间生成磁场进而在导电熔体中感应产生洛伦兹力，从而影响熔体流动；其中，电阻加热器有2个，分别布置于熔体的侧部和顶部，每个电阻加热器有3个电极，通过调整侧部、顶部电阻加热器接入电流参数的组合方式改变所述磁场和洛伦兹力的空间分布，从而改变熔体流动并影响温度分布、凝固界面形状和组分分布。
2.根据权利要求书1所述的一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，其特征在于，所述侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相同，即两个电阻加热器各自三个电极接入电流的相位变化为同时逆时针增加或同时顺时针增加。
3.根据权利要求书1所述的一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，其特征在于，所述侧部、顶部电阻加热器电流相位移动方向相反，即侧部电阻加热器三个电极接入电流的相位变化为顺时针增加、顶部三个电极接入电流的相位变化为逆时针增加，或者侧部电阻加热器三个电极接入电流的相位变化为逆时针增加、顶部三个电极接入电流的相位变化为顺时针增加。
4.根据权利要求书1所述的一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，其特征在于，所述侧部、顶部电阻加热器电流相位位置发生扭转，即某一电阻加热器三个电极接入电流的相位位置顺时针扭转或逆时针扭转，扭转一位或两位。
5.根据权利要求书1所述的一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，其特征在于，所述侧部、顶部电阻加热器接入电流频率变化范围为10～1000Hz，相邻电极之间的电流相位变化范围为-180°～180°。
6.根据权利要求书1所述的一种适用于导电熔体流动的加热器生成磁场控制方法，其特征在于，熔体区域为立方体或圆柱体；所述侧部电阻加热器以蛇形或带状围绕在熔体区域四周，侧部电阻加热器安装位置相对熔体区域的范围为电阻加热器上沿与熔体区域底部平齐，至电阻加热器下沿与熔体区域顶部平齐；所述顶部电阻加热器以蛇形或带状安装在熔体区域上部中间位置。
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Assignee: JIANGSU JINGPIN NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: XI'AN JIAOTONG University

Contract record no.: X2022610000010

Denomination of invention: A control method of magnetic field generated by heater for conductive melt flow

Granted publication date: 20220422

License type: Common License

Record date: 20220629

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