CN113046821A - 一种多工位定向凝固及单晶铸造炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，涉及单晶加工技术领域，包括铸造炉本体和熔化坩埚，所述铸造炉本体的内部安装有多孔隔热屏，且铸造炉本体内部靠近多孔隔热屏的下侧沿竖直方向滑动连接有结晶器，所述结晶器的上表面安装有若干个单晶模壳，若干个所述单晶模壳的顶端均安装有小漏斗，所述铸造炉本体靠近多孔隔热屏的上侧安装有大漏斗，所述熔化坩埚位于大漏斗的上侧。本发明中的多工位定向凝固及单晶铸造炉的核心部位铸型室石墨发热体下面的隔热屏为多孔隔热屏，可以实现一炉当多炉用，从而可以提高装置的生产效率，并且可以做到每个单晶铸型模壳单元的单晶生长的固液界面前沿温度梯度与只有一个单晶铸型模壳单元相似。

Description

一种多工位定向凝固及单晶铸造炉

技术领域

本发明涉及单晶加工技术领域，具体涉及一种多工位定向凝固及单晶铸造炉。

背景技术

单晶炉是一种在惰性气体环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶的设备，目前的定向凝固产品尤其是定向凝固的单晶产品生产效率与普通铸造产品相比要低得多，单晶体的生产速度太慢，若拉晶速度过快，则会导致柱状晶断晶的问题，单晶产品就会产生杂晶。

越大的模组在单晶炉中拉单晶时，其单晶生长的最关键参数——固液界面前沿温度梯度就越低，单晶产品的质量就越差，为了保证产品仍然是单晶，拉晶的速度也就是单晶体的生长速度就不得不越慢，而当慢到一定程度时，容纳钢水的铸型模壳就会承受不住钢水的高温侵蚀而漏钢，使单晶炉损毁，因此保证固液界面前沿温度梯度是问题的关键。

经检索，中国专利公开了一种单晶硅生长炉(公开号：CN106894082B)，该专利在石墨坩埚口上设有分流导流筒，且在主加热器周围设有竖直分流筒，使氩气气流被竖直分流筒分隔成两股，一股进入竖直分流筒内经过主加热器排出腔体，另一股直接从竖直分流筒外排出腔体；并可通过排气阀门调整两股气流的流量，从而调整热场的分布以及减少热量散失。

单晶炉的核心功能部位是加热保温铸型室，而其中的关键部件就是位于该铸型室中石墨发热体下面的隔热屏，传统的隔热屏都是单孔隔热屏，虽然是单孔隔热屏，但是孔的直径大，并且现有单孔隔热屏的中间部位不具有隔热能力，不能在隔热屏上、下形成温度阶梯，因此也就完全没有在凝固界面前沿形成温度梯度的能力。

发明内容

为了克服上述传统的隔热屏都是单孔隔热屏，虽然是单孔隔热屏，但是孔的直径大，并且现有单孔隔热屏的中间部位不具有隔热能力，不能在隔热屏上、下形成温度阶梯，因此也就完全没有在凝固界面前沿形成温度梯度的能力的技术问题，本发明的目的在于提供一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，解决的是目前没有多工位的单晶炉的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，包括铸造炉本体和熔化坩埚，所述铸造炉本体的内部安装有多孔隔热屏，且铸造炉本体内部靠近多孔隔热屏的下侧沿竖直方向滑动连接有结晶器，所述结晶器的上表面安装有若干个单晶模壳，若干个所述单晶模壳的顶端均安装有小漏斗，所述铸造炉本体靠近多孔隔热屏的上侧安装有大漏斗，所述熔化坩埚位于大漏斗的上侧，且熔化坩埚与大漏斗相互连通。

作为本发明进一步的方案：所述多孔隔热屏的内部开设有3×3个隔热孔，相邻所述隔热孔之间的X轴和Y轴之间距均相等；

各个隔热孔的形状均相同，采用现有任一规则形状。

作为本发明进一步的方案：所述结晶器的上表面开设有3×3个连接孔，相邻所述连接孔之间X轴和Y轴之间的间距均相等。

作为本发明进一步的方案：若干个所述单晶模壳均包括壳体，所述壳体的上表面均固定连接有柱体，且壳体的外直径不大于连接孔的直径，所述柱体内部的顶端均开设有连接槽，所述连接槽为圆柱、圆台或者矩形中的任一种形状。

作为本发明进一步的方案：若干个所述隔热孔的内直径均相同，且若干个所述隔热孔分布在多孔隔热屏的中间部位，若干个所述柱体的外直径均相同，且若干个所述单晶模壳的外直径均不大于隔热孔的内直径。

作为本发明进一步的方案：所述大漏斗的下表面开设有3×3个漏孔，各个所述漏孔分别与各个所述小漏斗、单晶模壳和隔热孔处于同一竖直方向。

作为本发明进一步的方案：所述铸造炉本体采用传统感应圈与圆形石墨发热体或者采用方形或圆形电阻原件的电阻式加热中任一种加热保温方式。

作为本发明进一步的方案：所述多孔隔热屏的材料采用碳毡或者直接采用硬质混合材料碳纤维石墨毡中的任一种，在采用碳毡作为材料时，碳毡的下表面撑衬有与碳毡同形状的钼板片或钨钼合金板片。

作为本发明进一步的方案：该单晶铸造炉的使用方法包括以下步骤：

步骤一：将9组单晶模壳按照3×3的排列方式安装到结晶器上侧的连接孔中；

步骤二：上升结晶器，将9组单晶模壳均穿过多孔隔热屏的隔热孔，再将9组小漏斗依次安装到单晶模壳顶部的连接槽中；

步骤三：在小漏斗的上侧安装大漏斗，将熔化坩埚的钢水注入到大漏斗中，大漏斗中的钢水通过9组漏孔沿着注入到单晶模壳中；

步骤四：启动铸造炉本体，进行拉晶工作，并且延长保温时间和拉晶速度。

作为本发明进一步的方案：保温时间和拉晶速度可根据具体单晶模壳2的数量进行选择，不同数量的单晶模壳2在使用前，需经过10炉以上的试验。

本发明的有益效果：

本发明中的多工位定向凝固及单晶铸造炉的核心部位铸型室石墨发热体下面的隔热屏为多孔隔热屏，可以实现一炉当多炉用，从而可以提高装置的生产效率；

并且由于新型隔热屏与多个单晶铸型模壳单元的配合缝隙小，因此可以使常规单晶炉在多个单晶铸型模壳单元的生产中，也可以做到每个单晶铸型模壳单元的单晶生长的固液界面前沿温度梯度与只有一个单晶铸型模壳单元相似,因此可使常规单晶炉用于多个单晶铸型模壳单元的生产时，单晶产品的成品率和质量获得极大的提高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的工作结构示意图；

图2是本发明中多孔隔热屏的剖视图；

图3是本发明中多孔隔热屏与单晶模壳的组装结构俯视图；

图4是本发明中结晶器的立体图；

图5是本发明中单晶模壳的局部结构图；

图6是本发明中A型隔热屏与单晶模壳的组装图。

图中：1、结晶器；2、单晶模壳；3、多孔隔热屏；4、小漏斗；5、大漏斗；6、漏孔；7、熔化坩埚；31、隔热孔；11、连接孔；21、壳体；22、柱体；23、连接槽；3a、A型隔热屏。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5所示，一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，包括铸造炉本体和熔化坩埚7，铸造炉本体的内部安装有多孔隔热屏3，且铸造炉本体内部靠近多孔隔热屏3的下侧沿竖直方向滑动连接有结晶器1，结晶器1的上表面安装有若9个单晶模壳2，9个单晶模壳2的顶端均安装有小漏斗4，铸造炉本体靠近多孔隔热屏3的上侧安装有大漏斗5，熔化坩埚7位于大漏斗5的上侧，且熔化坩埚7与大漏斗5相互连通。

多孔隔热屏3的内部开设有3×3个隔热孔31，相邻隔热孔31之间的X轴和Y轴之间距均相等；

结晶器1的上表面开设有3×3个连接孔11，相邻连接孔11之间X轴和Y轴之间的间距均相等。

若干个单晶模壳2均包括壳体21，壳体21的上表面均固定连接有柱体22，且壳体21的外直径不大于连接孔11的直径，柱体22内部的顶端均开设有连接槽23，连接槽23为圆台形，柱体22和隔热孔31均采用圆形设计，方便生产和使用。

若干个隔热孔31的内直径均相同，且若干个隔热孔31分布在多孔隔热屏3的中间部位，若干个柱体22的外直径均相同，且若干个单晶模壳2的外直径均不大于隔热孔31的内直径。

大漏斗5的下表面开设有3×3个漏孔6，各个漏孔6分别与各个小漏斗4、单晶模壳2和隔热孔31处于同一竖直方向。

铸造炉本体采用传统感应圈与圆形石墨发热体的发热方式。

多孔隔热屏3的材料硬质混合材料碳纤维石墨毡。

同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

本发明的工作原理：

将单晶模壳2按照3×3的排列方式安装到结晶器1上侧的连接孔11中；

上升结晶器1，将9组单晶模壳2穿过多孔隔热屏3的隔热孔31，再将9组小漏斗4依次安装到单晶模壳2顶部的连接槽23中；

在小漏斗4的上侧安装大漏斗5，将熔化坩埚7的钢水注入到大漏斗5中，大漏斗5中的钢水通过9组漏孔6沿着小漏斗4注入到单晶模壳2中；

启动铸造炉本体，进行拉晶工作，并且延长保温时间和拉晶速度，铸造炉本体拉晶工作的方法采用公开专利(公开号：CN103334153B)中相同的方式，并且铸造炉本体中为公开的结构采用现有铸造炉中相同的结构；

同时本发明中的保温时间和拉晶速度可根据具体单晶模壳2的数量进行选择，不同数量的单晶模壳2在使用前，需经过10炉以上的试验。

请参阅图6所示，图6为传统的A型隔热屏3a，与图6相比，本发明中的多孔隔热屏3具有更多圆孔，也就是单晶模壳2的拉晶工位，因此，比A型隔热屏3a工作效率高得多，并且图6中的A型隔热屏3a与单晶模壳2之间的缝隙要更大，并且A型隔热屏3a的中间部位不具备隔热能力，导致单晶模壳2需紧贴在A型隔热屏3a内部的周边位置，因此也就完全没有在凝固界面前沿形成温度梯度的能力，此处若设置单晶模壳2，将没有被拉制成单晶制品的可能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，包括铸造炉本体和熔化坩埚(7)，其特征在于，所述铸造炉本体的内部安装有多孔隔热屏(3)，且铸造炉本体内部靠近多孔隔热屏(3)的下侧沿竖直方向滑动连接有结晶器(1)，所述结晶器(1)的上表面安装有若干个单晶模壳(2)，若干个所述单晶模壳(2)的顶端均安装有小漏斗(4)，所述铸造炉本体靠近多孔隔热屏(3)的上侧安装有大漏斗(5)，所述熔化坩埚(7)位于大漏斗(5)的上侧，且熔化坩埚(7)与大漏斗(5)相互连通。

2.根据权利要求1所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，所述多孔隔热屏(3)的内部开设有3×3个隔热孔(31)，相邻所述隔热孔(31)之间的X轴和Y轴之间距均相等。

3.根据权利要求2所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，所述结晶器(1)的上表面开设有3×3个连接孔(11)，相邻所述连接孔(11)之间X轴和Y轴之间的间距均相等。

4.根据权利要求3所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，若干个所述单晶模壳(2)均包括壳体(21)，所述壳体(21)的上表面均固定连接有柱体(22)，且壳体(21)的外直径不大于连接孔(11)的直径，所述柱体(22)内部的顶端均开设有连接槽(23)，所述连接槽(23)为圆柱、圆台或者矩形中的任一种形状。

5.根据权利要求4所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，若干个所述隔热孔(31)的内直径均相同，且若干个所述隔热孔(31)分布在多孔隔热屏(3)的中间部位，若干个所述柱体(22)的外直径均相同，且若干个所述单晶模壳(2)的外直径均不大于隔热孔(31)的内直径。

6.根据权利要求5所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，所述大漏斗(5)的下表面开设有3×3个漏孔(6)，各个所述漏孔(6)分别与各个所述小漏斗(4)、单晶模壳(2)和隔热孔(31)处于同一竖直方向。

7.根据权利要求1所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，所述铸造炉本体采用传统感应圈与圆形石墨发热体或者采用方形或圆形电阻原件的电阻式加热中任一种加热保温方式。

8.根据权利要求1所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，所述多孔隔热屏(3)的材料采用碳毡或者直接采用硬质混合材料碳纤维石墨毡中的任一种，在采用碳毡作为材料时，碳毡的下表面撑衬有与碳毡同形状的钼板片或钨钼合金板片。

9.根据权利要求1所述的一种多工位定向凝固及单晶铸造炉，其特征在于，该单晶铸造炉的使用方法包括以下步骤：

步骤一：将单晶模壳(2)安装到结晶器(1)上侧的连接孔(11)中；

步骤二：上升结晶器(1)，将单晶模壳(2)穿过多孔隔热屏(3)的隔热孔(31)，再将小漏斗(4)依次安装到单晶模壳(2)顶部的连接槽(23)中；

步骤三：在小漏斗(4)的上侧安装大漏斗(5)，将熔化坩埚(7)的钢水注入到大漏斗(5)中，大漏斗(5)中的钢水通过漏孔(6)沿着小漏斗(4)注入到单晶模壳(2)中；

步骤四：启动铸造炉本体，进行拉晶工作，并且延长保温时间和拉晶速度。

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