CN203245344U

CN203245344U - 一种单晶细线材的连续生长装置

Info

Publication number: CN203245344U
Application number: CN 201320184897
Authority: CN
Inventors: 陈源清; 张卫华
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2023-04-12

Abstract

本实用新型公开了一种单晶细线材的连续生长装置，包括气氛保护罩，在气氛保护罩内设置有压力调节室、熔化保温室和结晶器，压力调节室径向与熔化保温室固定连通，结晶器轴向与熔化保温室固定连通，气氛保护罩设置有保护气氛接口；压力调节室进口的进料线材路线上设置有同步进料轮，结晶器的单晶线材出口路线上同时设置有冷却室和恒速牵引轮；沿压力调节室和熔化保温室的外周设置有加热器，沿熔化保温室的外周设置有温度监测器，加热器和温度监测器外包有保温耐火层。本实用新型，实现了不同线径的连续线材制备。

Description

一种单晶细线材的连续生长装置

技术领域

本实用新型属于铜、铝单晶、柱晶线材制造设备技术领域，涉及一种单晶细线材的连续生长装置。

背景技术

随着电子、网络、通讯设备向小型化、集成化、高速率、高保真方向的发展，对作为其重要承载体的金属导线如铜导线、铝导线等加工性、强度、柔韧性和线路损耗特性、信号保真能力提出了更高的要求。目前沿用的多晶线材因为存在大量晶界和晶体缺陷，其线路损耗和信号保真性能受到固有的限制，不能满足目前高速率、高保真信号传输的需求，而且就加工性能而言也不能满足0.05mm以下超细线材的成形需要。

因此，单晶、柱晶结构的金属线材制备成为目前研究和应用研发的热点。这类线材因为没有横向晶界且晶内缺陷大大降低，因而加工性、塑性、损耗特性和信号保真特性大幅度提高，成为目前新一代高性能、高速率、高保真高强度信号传输线材和超细线材的发展方向。国际上加拿大多伦多大学OCC技术研究室、日本Osaka Fuji Kogyo公司，国内西工大超晶科技公司、森格高新材料公司、慧邦科技有限公司、协力创壹科技发展公司等企业均在进行单晶制品的生产应用研发。其方法主要有上引式、下引式、水平引出式3类，但其设计原理上都是制备大截面尺寸（3mm～100mm甚至更大）的单晶铸锭、管材或棒材，不适宜制备小尺寸（～1mm）的连续单晶线材5。其用于目前高速率、高保真信号传输超细线材不得不进行反复的塑性拉拔加工，不仅带来高能耗和高成本，而且急剧增加的晶内缺陷会导致其信号传输的高保真性能恶化。

因此迫切需要发展一种生产设备，满足高强度、高塑性、低线路损耗、高保真的毫米级铜、铝单晶、柱晶线材的产业化生产需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种单晶细线材的连续生长装置，解决了现有常规OCC工艺不能制备毫米级截面尺寸的单晶线材的问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种单晶细线材的连续生长装置，包括气氛保护罩，在气氛保护罩内设置有压力调节室、熔化保温室和结晶器，压力调节室径向与熔化保温室固定连通，结晶器轴向与熔化保温室固定连通，气氛保护罩设置有保护气氛接口；压力调节室进口的进料线材路线上设置有同步进料轮，结晶器的单晶线材出口路线上同时设置有冷却室和恒速牵引轮；

沿压力调节室和熔化保温室的外周设置有加热器，沿熔化保温室的外周设置有温度监测器，加热器和温度监测器外包有保温耐火层。

本实用新型的有益效果是，与现有OCC单晶制备技术相比具有以下优点：1）利用进料室结构建立适当的液面高度可以制备线径在0.1mm～5mm的单晶（或柱晶）铜、铝金属线材；2）基于定向凝固的OCC原理连续生长高质量单晶金属毫米级细线材，温度场可以精确控制，单晶线材连铸工艺稳定、尺寸均匀、表面光洁；3）结晶器8快速更换，以方便制备不同直径尺寸（0.1mm～5mm）的单晶（或柱晶）线材；4）结晶器8上可以加工多个孔径，同时可以得到多根（可以不同直径）单晶线材5，大幅度提高生产效率。

附图说明

图1是本实用新型单晶细线材的连续生长装置的结构示意图。

图中，1.同步进料轮，2.气氛保护罩，3.温度监测器，4.加热器，5.单晶线材，6.恒速牵引轮，7.冷却室，8.结晶器，9.保温耐火层，10.保护气氛接口，11.熔化保温室，12.压力调节室。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行说明。

如图1所示，本实用新型单晶细线材的连续生长装置的结构是，包括气氛保护罩2，在气氛保护罩2内设置有压力调节室12、熔化保温室11和结晶器8，压力调节室12径向与熔化保温室11固定连通，结晶器8轴向与熔化保温室11固定连通，气氛保护罩2设置有保护气氛接口10；压力调节室12进口的进料线材路线上设置有同步进料轮1，结晶器8的单晶线材5出口路线上同时设置有冷却室7和恒速牵引轮6；

沿压力调节室12和熔化保温室11的外周设置有加热器4，沿熔化保温室11的外周分区设置有温度监测器3，加热器4和温度监测器3外包有保温耐火层9。

同步进料轮1采用步进电机或数控马达驱动，采用耐腐蚀金属材料如不锈钢、铜合金等制件，进料线材根据生产需要采用电解铜丝、电解铝丝或银铜合金丝等线材。

气氛保护罩2采用金属钣金件，如不锈钢、铝、铜合金等制件配作。

温度监测器3分区段设置，采用热电偶、或热电阻测温元件，如铂铑、镍铬镍硅系列测温元件等（市售）。

加热器4分区段设置，采用碳硅板（棒）、硅钼板（棒）、镍铝丝或镍铬丝等加热器（市售）定制，配套控制电源采用数字PID程序控制。通过分区的加热器4和对应分区设置的温度监测器3，来分区段加热熔化保温室11和结晶器8（如图1所示的熔化加热区、单晶生长区、辅助控温区），建立稳定的温度场分布。

单晶线材5根据生产需要适用于生产铜丝、电解铝丝、银铜合金丝的单晶（或柱晶）线材。

恒速牵引轮6采用步进电机或数控马达驱动，采用耐腐蚀金属材料如不锈钢、铜合金等制件。

冷却室7选用半封闭结构，采用冷却水或冷却介质油的循环方式快速强制冷却单晶线材5，同时在恒速牵引轮6的牵引下匀速引出单晶线材5。

结晶器8采用三高石墨、或模压石墨的机械加工回转体制件，通过螺纹方式与熔化保温室11紧固连接，也可以拆换，根据需要设置有一个或多个不同口径的排线材结晶孔道。

保温耐火层9的耐火部分采用预成形中性或碱性氧化物陶瓷构件，作为加热器的紧固和承载体，外围的保温部分采用玻璃纤维棉或多孔珍珠岩粉作为填充料制成（市售）。

保护气氛接口10通入氮气、氩气或其混合气体，采用气氛保护罩2使得加热器4、压力调节室12、熔化保温室11和结晶器8整体处于惰性气体保护下。

熔化保温室11采用三高石墨、或模压石墨的机械加工回转体制件，通过螺纹方式分别与结晶器8、压力调节室12紧固，可以拆换。

压力调节室12采用三高石墨、或模压石墨的机械加工回转体制件，进料线材通过同步进料轮1送入压力调节室12（进料室），建立并保持适当液面高度（压力）；通过螺纹方式和熔化保温室11径向紧固，可以拆换，用于进料线材的熔化和金属液压力的保持。

本实用新型装置的工作原理是：1）采用线材垂直进料方式在进料室内建立适当的金属液面高度，形成充型压力以克服金属液表面张力，使金属液和结晶器8内的金属固相界面始终接触；2）采用水平熔化保温室11和外围的分区段加热器，精确调节熔化保温室11腔内和结晶器8上的温度场连续，在结晶器8上得到略高于金属熔点0.2～0.5℃的均匀温度场，采用出离结晶器8末端的单晶线材5冷却室7对已结晶的金属线材强制冷却，实现定向凝固的OCC过程，使凝固从单晶线材5本体伸向结晶器8内液态金属内，通过水平牵引轮以接近于其凝固速度的速度匀速引出单晶线材5，得到任意长度的连续的单晶（或柱晶）结构的单晶线材5；3）因为采用分区段控温方法，结晶过程无电磁搅拌，有利于得到内部缺陷更低的单晶（或柱晶）线材，工艺稳定性好，结晶器8内的温度是均匀的，因此换装不同结晶器8，改变结晶器8的孔径尺寸和个数，可以得到0.1mm～5mm直径的线材，或同时制备多根线材，大幅度提高生产效率；4）采用惰性气氛正压流动实现全程保护，能够避免金属表面的氧化和加热器4、结晶器8、熔化保温室11等的氧化烧蚀问题，使用寿命长；5）采用惰性气氛的正压流动实现结晶过程的全覆盖保护，不需要密封和真空等严苛条件，便于生产组织。

本实用新型装置工作过程是：

步骤1)通入保护性气氛，使加热器4、熔化保温室11、结晶器8处于正压状态，隔离空气和环境气体；

步骤2)启动加热电源和温控系统，形成设定的温度场；

步骤3)在结晶器8中置入同质的牵引丝材，同时启动冷却泵使冷却室7工作；

步骤4)启动同步进料轮1在熔化保温室11内充满金属液，并在压力调节室12内建立稳定的液面高度，通过控制同步进料轮1的转速，在工作期间始终保持此液面高度稳定；

步骤5)启动恒速牵引轮6使牵引丝材按设定速度匀速引出在结晶器8内形成的单晶丝材，得到制品。

步骤6)停机时，首先停止同步进料轮1停止供丝，同时继续拉制单晶丝材直到自然断开；然后关闭加热电源，自然冷却至室温，开炉后旋下结晶器8、压力调节室12，然后清理熔化保温室11内的残留的金属锭料。

Claims

1.一种单晶细线材的连续生长装置，其特征在于：包括气氛保护罩（2），在气氛保护罩（2）内设置有压力调节室（12）、熔化保温室（11）和结晶器（8），压力调节室（12）径向与熔化保温室（11）固定连通，结晶器（8）轴向与熔化保温室（11）固定连通，气氛保护罩（2）设置有保护气氛接口（10）；压力调节室（12）进口的进料线材路线上设置有同步进料轮（1），结晶器（8）的单晶线材（5）出口路线上同时设置有冷却室（7）和恒速牵引轮（6）；

沿压力调节室（12）和熔化保温室（11）的外周设置有加热器（4），沿熔化保温室（11）的外周设置有温度监测器（3），加热器（4）和温度监测器（3）外包有保温耐火层（9）。

2.根据权利要求1所述的单晶细线材的连续生长装置，其特征在于：所述的温度监测器（3）和加热器（4）分区段对应设置。