CN201942732U - 锗区熔提纯设备 - Google Patents

Abstract

锗区熔提纯设备，涉及一种金属材料加工装置，尤其是一种用于金属提纯的锗区熔提纯设备。本实用新型的锗区熔提纯设备，包括相互连接的固态高频设备和加热提纯设备，以及用于控制的PLC控制器，其特征在于所述的加热提纯设备由进气装置、数个工作工位以及高频区栅栏组成，工作工位与进气装置连接后放置在高频区栅栏上；工作工位包括石英管、加热线圈、石墨舟与传动装置，石英管两端固定在高频区栅栏的工作台上；加热线圈与固态高频设备连接，套在石英管上；石墨舟嵌在石英管内；传动装置与加热线圈连接，带动加热线圈沿石英管移动。本实用新型的锗区熔提纯设备产品质量稳定，提纯效果及表面质量较好，使用安全，还具有良好的经济效益。

Description

锗区熔提纯设备

技术领域

本实用新型涉及一种金属材料加工装置，尤其是一种用于金属提纯的锗区熔提纯设备。

背景技术

锗具有半导体性质，高纯度的锗最常用在半导体之中，用来制造晶体管，对固体物理和固体电子学的发展有重要作用。区熔法是现在比较常用的金属提纯法。

目前较常使用的锗区熔提纯设备是GP30-CW7型高频感应加热炉，功率为30kw，能同时满足5个工作工位的负载要求，其工作原理是利用电磁感应加热原理对锗锭进行局部感应加热，通过变化的电场产生磁场，磁场通过石墨容器后产生电流，由于石墨的电阻较大，电流通过石墨时产生大量热量，热量对容器中的锗金属加热，当温度到达937℃时，锗金属被熔化，通过控制加热线圈的移动方向与速度，由于锗金属中的微量杂质在液态锗中的分配系数不同，在区域熔炼过程中，分配系数大的会富集在锗锭的头部；分配系数小的会富集在锗锭的尾部，经过多次的定向区域熔炼后，实现了锗的提纯，经过对区熔完成后的锗产品检验电阻率合格后，可得到合格的区熔锗锭，不合格部分可返回继续区熔。

现有的高频区熔提纯设备是为达到以上目的而设计的，但由于此设备采用的是60~70年代的技术，关键部分技术落后，存在以下缺陷：

（1）设备运行中效率低，有效功率仅有50%左右，损耗大，输入的视载功率53~60KVA，功率因数低，COSφ=0.67~0.77。输出功率18-20KW，高次谐波量相对较大，高次谐波量大，对供电系统造成污染，升压整流变压器运行温度过高，易损坏；

（2）高频电子管寿命短，随着运行时间增加电子管发射功率随之下降从而使高频感应加热设备输出功率不足，每批产品的生产时间延长，产品的单位耗电量增加；高频电子管寿命缩短，更换快，平均使用寿命为1500小时，维护成本大；

（3）高频电子管寿命短，随着运行时间增加电子管发射功率随之下降从而使高频感应加热设备输出功率不足，每批产品的生产时间延长，产品的单位耗电量增加。高频电子管寿命缩短，更换快，平均使用寿命为1500小时，维护成本大（电子管单价3200元）；

（4）高次谐波量大，5次谐波占基波的20%左右，功率因数低约为0.7左右；随着连续还原炉取代原有还原炉，全厂功率因数高的用电设备负荷减少，总的功率因数将会下降，而达不到电力部门要求功率因数COSΦ≥0.9水平。

发明内容

本实用新型所要解决的就是现在使用的锗区熔提纯设备的缺陷，提供一种效率高、寿命长的锗区熔提纯设备。

本实用新型的锗区熔提纯设备，包括相互连接的固态高频设备和加热提纯设备，以及用于控制的PLC控制器，其特征在于所述的加热提纯设备由进气装置、数个工作工位以及高频区栅栏组成，工作工位与进气装置连接后放置在高频区栅栏上；工作工位包括石英管、加热线圈、石墨舟与传动装置，石英管两端固定在高频区栅栏的工作台上；加热线圈与固态高频设备连接，套在石英管上；石墨舟嵌在石英管内；传动装置与加热线圈连接，带动加热线圈沿石英管移动。

所述的工作工位为十三个，分成上、下两排放置，石英管管口用胶塞封闭。

所述的进气装置包括气体分配器、气体流量计以及进气管，进气管穿过胶塞固定在石英管管口；气体流量计安装在进气管上，统计进入石英管的气体量；气体分配器与进气管连接，把成分为氢气75%、氮气25%的保护气体充入石英管。

本设备采用PLC精确控制，设备启动后，通过固态高频设备将三相工频交流电转变为频率为300-400kHZ高频电流，高频电流通过加热线圈，令加热线圈产生高强度磁场，使石墨舟产生大量热量将锗金属加热，当其温度达到937℃后，锗金属熔化，控制加热线圈移动速度与方向，锗锭中含有的杂质与液态锗的分配系数不同，杂质富集在锗锭头部，从而达到区熔提纯锗金属；进气装置将保护气体充入石英管中，提高区熔过程中的安全性。反复熔拉7-10次，关闭电源，通入氢气15-60min，即可出料，送质量检验。

本实用新型的锗区熔提纯设备具有以下优点：

（1）、与原有锗区熔提纯设备相比，采用新的提纯设备，负载功率因数可接近于1，可减少输入功率22%--30%，减少配电容量方面投资；

（2）、半导体器件使用寿命长，一般可达10年以上，正常维护费用低；

（3）、产品质量稳定，提纯效果及表面质量较好，因直流电压供电平稳、输出功率稳定，能稳定产品的质量；

（4）、采用恒功率控制，控制精确灵活，效率高；

（5）、采用PLC控制，控制精确灵活，效率高；

（6）、设备网侧功率因数高，可达0.92以上，谐波含量小，减少了对电网的影响；

（7）、使用安全，设计有完善的保护功能，具有高/低失锁保护、频率上/下限保护、逆变过流保护、槽路过压保护等先进的功能，对感应器开路、短路、打火等故障的保护更加有效，能保证设备的安全、稳定运行。

本设备还具有良好的经济效益，按年产量15t计算，可节约直接成本费用234862元/年，具体效益如下：

1、可减少150kVA设备容量，金属加工车间减少负荷有功功率100kw，年可节约基本电费44400元；

2、每台高频设备节电按30%计算，金属加工车间耗电量节电30%计算：1003080kwh×30%=300924kwh，电费按0.5元/kwh计算，300924kwh×0.5元/kwh=150462元；

3、每年可节省维护修理费约40000元左右；

4、该设备共13个工作工位，每台可替代原用设备2.5台。其使用4台就能完全替代现有的10台GP30~CW7型30kw锗区熔高频提纯设备，年度产量可以达到20~25t；并且改善厂房的空间操作环境；该设备采用高电流低电压，所以安全隐患大大降低；采用PLC中央控制，其自动化程度大幅度提高，人力资源投入减少一半以上。

附图说明

图1是本实用新型加热提纯设备结构示意图

图2是本实用新型加热提纯设备侧面示意图

其中，高频区栅栏1，传动装置2，工作台3，石英管托环4，胶塞5，气体流量计6，气体分配器7，加热线圈8，石英管9，石墨舟10，锗金属11。

具体实施方式

实施例1：锗区熔提纯设备，包括固态高频设备、加热提纯设备以及PLC控制器，固态高频设备与加热提纯设备连接，用PLC控制器控制两个设备工作，加热提纯设备放置在高频区栅栏1表面的工作台3上，工作台3长2200mm，宽1450mm，加热提纯设备由进气装置以及十三个与进气装置连接的工作工位组成，每个工作工位均由石英管9、石英管托环4、加热线圈8、石墨舟10和传动装置2构成，石英管9长1500mm，两端通过石英管托环4水平固定在工作台3上，石英管9管口用胶塞5封闭；加热线圈8与固态高频设备连接后套在石英管9上，锗金属11放置在石墨舟10上，然后把石墨舟10嵌入石英管9内；传动装置2与加热线圈8连接，带动加热线圈8沿石英管9管壁移动；十三个工作工位分为上下两排放置。

进气装置由气体分配器7、气体流量计以及进气管组成，进气管穿过胶塞5把成分为氢气75%、氮气25%的保护气体充入石英管9中；气体流量计安装在进气管上，统计进入每个石英管9的气体流量；石英管9管口的进气管与气体分配器7连接，由气体分配器7统一分配进入每个石英管9的保护气体的含量。

设备启动后，用PLC控制器控制，通过固态高频设备将三相工频交流电转变为频率为300-400kHZ高频电流，高频电流通过加热线圈8，在加热线圈8内产生高强度磁场，使石墨舟10产生1000-1100℃的高温，用传动装置2带动加热线圈8前后移动反复溶拉，第一次溶拉推进速度为20mm/min，融化区域为70mm，以后每次推进速度为5 mm/min，融化区域为40-50mm，传动装置2带动加热线圈8反复溶拉7-10次后，关闭电源，再通入氢气15-60min，即可出料。

Claims (3)

1.锗区熔提纯设备，包括相互连接的固态高频设备和加热提纯设备，以及用于控制的PLC控制器，其特征在于所述的加热提纯设备由进气装置、数个工作工位以及高频区栅栏（1）组成，工作工位与进气装置连接后放置在高频区栅栏（1）上；工作工位包括石英管（9）、加热线圈（8）、石墨舟（10）与传动装置（2），石英管（9）两端固定在高频区栅栏（1）的工作台（3）上；加热线圈（8）与固态高频设备连接，套在石英管（9）上；石墨舟（10）嵌在石英管（9）内；传动装置（2）与加热线圈（8）连接，带动加热线圈（8）沿石英管（9）移动。

2.如权利要求1所述的锗区熔提纯设备，其特征在于所述的工作工位为十三个，分成上、下两排放置，石英管（9）管口用胶塞（5）封闭。

3.如权利要求1所述的锗区熔提纯设备，其特征在于所述的进气装置包括气体分配器（7）、气体流量计（6）以及进气管，进气管穿过胶塞（5）固定在石英管（9）管口；气体流量计（6）安装在进气管上；气体分配器（7）与进气管连接。

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