TW201823525A - 一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置 - Google Patents

Abstract

一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，包括：一精煉爐本體；一第一真空腔體；一電子束單元，設置於該第一真空腔體內上方區域，係用以提供電子束；一坩堝，設置於該電子束單元下方；一第二真空腔體，設置於該第一真空腔體下方區域，利用一真空閥門管控與該第一真空腔體連結的通道；一區域熔煉熱源，設置於該第二真空腔體內上方區域，係用以提供熱源；一拉錠載台，設置於該坩堝下方，以上下移動方式通過第一真空腔體與第二真空腔體連結的通道。藉此，可將一次精煉後的晶棒再以區域熔煉的方式，分離雜質於柱錠頂端，以得到高品質難熔金屬的純化材料。

Description

一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置

本發明係關於一種真空精煉爐，特別是關於一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐。

高純度金屬材料是許多應用領域的重要關鍵原物料，尤其是高純度且高熔點的難熔金屬材料，是國防工業、航太工業，半導體產業及光電產業等重要的基礎，高熔點的難熔金屬材料是非常耐熱和耐磨性，其特質包含超過2000℃以上，在室溫下具有很高的硬度。

一般業界用於冶煉礦物和熔煉金屬的工業爐，常用的有高爐、電爐、轉爐、鐵合金電爐，有色金屬工業中常用的有鼓風爐、反射爐、臥式轉爐、閃速爐等，其他如感應電爐、電子束真空精煉爐等，也都稱做熔煉爐；使用熔煉爐有多種冶金熔煉方法，其習知的相關技術包含有以下技術：如CN103882509A號專利案所揭露，以電子束熔煉爐將高熔點金屬及稀土金屬等材料放置於坩堝中，再以電子槍熱源將材料變成懸浮熔液，用以提純出高純度的材料來、如CN103882509A號專利案所揭露，先使用真空感應法，再以電子束熔煉二次來精煉純銅的方法，控制適當的熔煉條件，例如真空度、溫 度及時間等條件來製作出5N的純銅材料、如CN103952569A號專利案所揭露，使用電子束冷床爐，爐體中有三組電子槍熱源，藉由冷床系統、結晶器系統、拉錠系統與冷卻系統等設計來降低熔煉中的耗能、如EP0834582B1號專利案所揭露，其為精煉高純度金屬的一種方法，藉由使用難熔金屬做為熔煉時的坩堝，以加熱坩堝方式，將熔點低於坩堝材料的金屬材料，以感應法來提高精煉材料的純度；然而在眾多的冶金熔煉方法中，對於高熔點的難熔金屬材料的精煉與純化，電子束熔煉法為一種低汙染、高效率的製作方法，電子束熔煉過程在電子束真空精煉爐中的高真空下進行，主要優點有熔煉速度可在大工作範圍內調整，功率密度高，熔池表面溫度高，液態的維持時間長，使材料的精煉與純化作用得以有效進行，同時在熔煉過程中時，材料發生脫氣、分解、雜質的揮發和不熔雜質的上浮或沉澱等以利排除，來達到難熔金屬材料的精煉與純化，但以電子束熔煉法須藉由單一冷床或雙冷床，其材料在精煉的過程中(雜質材料的揮發及沉澱)，精煉材料會有相當重量的損失，此外，將一次精煉好的材料，再次進行精煉作業時，材料在不同精煉爐間移動的過程，由外在環境所引起的汙染，會影響材料二次精煉的品質。

因此目前業界極需發展出一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐，可同時用於解決精煉過程中材料損耗的問題，及環境所引起汙染的問題，如此一來，方能同時兼 具成本與效率，製備出可縮短精煉時間，提升材料的精煉效率，與降低生產成本的電子束真空精煉爐裝置。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，整合一第一真空腔體、一電子束單元、一坩堝、一第二真空腔體、一區域熔煉熱源及一拉錠載台，以製備出可降低成本、提高品質的結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，包括：一第一真空腔體；一電子束單元，設置於該第一真空腔體內上方區域，係用以提供電子束；一坩堝，設置於該電子束單元下方；一第二真空腔體，設置於該第一真空腔體下方區域，利用一真空閥門管控與該第一真空腔體連結的通道；一區域熔煉熱源，設置於該第二真空腔體內上方區域，係用以提供熱源；一拉錠載台，設置於該坩堝下方，以上下移動方式通過第一真空腔體與第二真空腔體連結的通道。

上述的電子束單元可以是一支電子槍或複數電子槍來進行難熔金屬的精煉，而該坩堝底部具有一孔洞之設計，讓熔煉成形之鑄錠或晶棒可以通過，坩堝另可設計為水冷式坩堝(但不以此為限)，該水冷式坩堝可以設計為水冷銅空 心圓坩堝、水平式滴漏水冷床銅坩堝其中之一(但不以此為限)。

本案發明中，區域熔煉熱源可選自感應線圈熱源、電子槍熱源其中之一(但不以此為限)，該區域熔煉熱源的加熱方向可以設計為水平方向(平行水平面，但不以此為限)，當上述拉錠載台設計為一旋轉升降台時，可逐漸向下移動，讓經由熔煉成形之鑄錠或晶棒可以通過坩堝底部孔洞流下來先到拉錠載台，而當拉錠載台通過真空閥門管控的該第一真空腔體與第二真空腔體連結的通道後，區域熔煉熱源可對進入到第二真空腔體的晶棒進行加熱，可分離出雜質而讓晶棒形成一柱錠，其中，雜質分離到柱錠頂部。

本發明可另包含一進料系統，該進料系統處理的原物料之形狀可選自塊狀、粉狀、片狀其中之一或其混合，此進料系統可降低因物料投料動作導致坩堝噴濺或物料飛散於坩鍋外的問題產生，因此原物料可作多樣形狀的選擇；該進料系統，可包含一進料倉單元、一斜向導管單元、一運輸單元，該進料倉單元連接該斜向導管單元，其中該運輸單元一側設置於該斜向導管單元下方，該運輸單元另一側包含有一冷卻系統，並設置於該坩堝上方。

上述的進料倉單元可包含一進料倉、一上止漏閥門、一真空傳送腔、一下止漏閥門、一上真空閥門、一下真空閥門，其中，真空傳送腔設置於上止漏閥門與下止漏閥門 間；本案發明中，設置於進料倉單元下方與該進料倉單元連接的斜向導管單元，其內部可利用重力或一導管運輸機構來運輸物料，或利用一震動機構協助運輸，以避免物料停留在斜向導管單元內。

運輸單元可包含一金屬製成之金屬運輸帶、一主動輪軸、一被動輪軸，該金屬運輸帶用來運送物料至坩堝，另該金屬運輸帶上可包含一物料容置空間，例如一凹槽結構或一承接器，以分批方式運送物料；運輸單元一側(主動輪軸側)設置於斜向導管單元下方，其另一側(被動輪軸側)則包含有一冷卻系統，位置設置於該坩堝上方，該冷卻系統可設置於被動輪軸上，其可設計由一封閉水路循環機構組成，用來冷卻運輸單元位於坩堝那一側的構件，避免因高溫而受影響，該冷卻系統的封閉水路循環機構可利用銅做為管壁(不以此為限)，以降低輻射熱影響；被動輪軸上更包含一投料機構，可讓物料以更接近坩堝的方式，平緩滑落至坩堝內。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

101‧‧‧第一真空腔體

1011、1081‧‧‧真空幫浦

102‧‧‧電子束單元

103‧‧‧電子束

104‧‧‧坩堝

105‧‧‧晶棒

106‧‧‧真空閥門

107‧‧‧區域熔煉熱源

108‧‧‧第二真空腔體

109‧‧‧拉錠載台

201‧‧‧第二真空腔體精煉爐本體

202‧‧‧電子束單元

203‧‧‧電子束

204‧‧‧坩堝

21‧‧‧進料倉單元

22‧‧‧進料倉

23‧‧‧上止漏閥門

24‧‧‧上真空閥門

25‧‧‧真空傳送腔

26‧‧‧下止漏閥門

27‧‧‧下真空閥門

28‧‧‧斜向導管單元

29‧‧‧運輸單元

31、41‧‧‧主動輪軸

32、42‧‧‧金屬運輸帶

33、43‧‧‧被動輪軸

34、44‧‧‧冷卻系統

35、45‧‧‧物料容置空間

46‧‧‧投料機構

第一圖係為本發明一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置示意圖； 第二圖係為本發明第一真空腔體另一實施例示意圖；第三圖係為本發明一種實施例之運輸單元結構示意圖；第三圖係為本發明另一種實施例之運輸單元結構示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

習知技術在高純度的金屬及半導體材料的精煉作法上，常以以電子束熔煉法搭配單一冷床或雙冷床等設備，其材料在精煉的過程中，雜質材料進行揮發及沉澱時，精煉材料會有相當重量的損失，此外，將一次精煉好的材料，再次進行精煉作業時，材料在不同精煉爐間移動的過程，由外在環境所引起的汙染，會影響材料二次精煉的品質，因此本案發明主要目的之一乃在於將二次精煉的製程與設施結合於單一精煉設備中，不僅可以減少精煉因外在因素的汙染，也可以縮短精煉時間，提升材料的精煉效率，與降低生產成本。

本案另一發明目的乃在於提供一種應用在電子 束真空精煉爐的進料系統之作法，藉以改善過去習知技術中的投料方法，以縮短投料裝置與熔爐坩堝的操作距離，大大地減少物料因投料過程所造成的損失，避免物料的浪費尤其是對於精煉高純度材料的電子束熔爐而言，物料精煉之前的價格即以不斐，因此減少物料在精煉過程中的損失，是一項具經濟意義之重要的生產製程技術改良，同時，本案發明還可以改善損失的物料所造成熔爐真空腔體的汙染，降低熔爐系統的維修頻率，避免物料汙染電子槍源、真空抽氣馬達、控制閥門及達到延長機電系統的壽命；另本案發明還可以有效處理塊狀、顆粒狀及粉體狀等三種型態的物料所產生的問題，是一種可以處理不同物料形態的電子束真空精煉爐，可提高電子束真空精煉爐的工作效率。

請參閱第一圖所示，為本發明一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置示意圖。如圖一所示，本發明所提供一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，包括有下列組成：一第一真空腔體101；一電子束單元102，設置於該第一真空腔體101內上方區域，係用以提供電子束103，其中該電子束單元102係為一支電子槍或複數電子槍；一坩堝104，設置於該電子束單元102下方，其底部具有一孔洞結構，其中，該坩堝104係為一水冷式坩堝，係選自一水冷銅空心圓坩堝、一水平式滴漏水冷床銅坩堝其中之一；一第二真空腔體108，設置於該第一真空腔體101下方區域，利用一真空 閥門106管控與該第一真空腔體101連結的通道，該真空閥門106可封閉第一真空腔體101與第二真空腔體108的通道，使第一真空腔體101與第二真空腔體可獨立作業，但當晶棒105產生時，第一真空腔體101與第二真空腔體108的通道打開，讓晶棒105從第一真空腔體101進入到第二真空腔體108；一區域熔煉熱源107，設置於該第二真空腔體108內上方區域，係用以提供熱源，其中，該區域熔煉熱源107係選自感應線圈熱源、電子槍熱源其中之一，該區域熔煉熱源加熱方向係為水平方向；一拉錠載台109，設置於該坩堝104下方，以上下移動方式通過第一真空腔體101與第二真空腔體108連結的通道，其中，該拉錠載台係為一旋轉升降台。

請參閱第二圖所示，為本發明第一真空腔體另一實施例示意圖。如圖二所示，本發明所第一真空腔體另一實施例，包括有下列組成：一第一真空腔體精煉爐本體201、一電子束單元202(可發出電子束203)、一坩堝204及一進料系統，其中該進料系統包含有一進料倉單元21、一斜向導管單元28及一運輸單元29，而該進料倉單元21更包含一進料倉22、一上止漏閥門23、一上真空閥門24、一真空傳送腔25、一下止漏閥門26、一下真空閥門27等元件；本發明所提供的電子束真空精煉爐，根據物料的種類需求，可能為單一種高純度金屬材料，或是兩種、兩種以上的高純度合金材料，因而進料倉單元21可以包含至少一個或一個以上之進料倉22。

本發明所提供的電子束真空精煉爐由於其爐體內工作時需為高真空環境，當物料進入到進料倉22後，依據生產製程需求，可將上真空閥門24及上止漏閥門23開啟(上真空閥門24及上止漏閥門23可管控物料進入真空傳輸腔體25)，讓物料由進料倉22依靠重力自由落進連接於進料倉22下方的真空傳輸腔體25(此一腔體25也可做為不同比例合金材料(物料)的混料腔)，接續可將上止漏閥門23及上真空閥門24關閉，讓真空傳輸腔內氣體排出，排出到與第一真空腔體精煉爐本體201內的壓力一致時，將下真空閥門27與下止漏閥門開啟26，讓物料進入斜向導管單元28，本實施例中的斜向導管單元28是為減緩物料因重力作用所產生的衝力，該斜向導管單元28具有一水平傾斜角度(水平傾斜角度係為和地表垂直線傾斜的夾角，故水平傾斜角度0即為垂直(自由落體)，通常此角度會大於0)，該水平傾斜角度範圍可設計為1度到40度，可將物料以減低重力衝擊的狀態，以較平緩的方式讓物料落在運輸單元29上，再將物料運輸至精煉爐的坩堝104。

物料如果藉由重力法讓其自由落入坩堝，雖然進料裝置的製作與操作較為單純及簡易，但是對於粉體或顆粒狀物料，可能會發生飛散情形，而如果是塊狀原料，則可然會發生熔湯飛濺情形，因此本發明導入斜向導管單元28的傾斜設計，減緩重力加速作用，有助於改善前述兩種情形，然 而當斜向導管單元傾斜後，則可能發生部分物料積聚於斜向導管單元中，因此本發明除了對斜向導管的置放方式予以改進外，同時在導管內可增加震動或導管傳輸機構，可藉由震動方式有效地改善部分粉體或顆粒狀物料積聚情事，或直接藉由導管傳輸機構，以自動化方式將粉體或顆粒狀物料運送至運輸單元上。

請參閱第三圖所示，為本發明一種實施例之運輸單元結構示意圖。如圖二所示，運輸單元可由兩個轉動軸輪(31、33)與具有物料容置空間35的金屬運輸帶32所構成，本實施例中，轉動軸輪分別為主動軸輪31，來帶動具有承接器(物料容置空間35)的金屬運輸帶32移動，讓金屬運輸帶32上的承接器移動至被動輪軸33處，藉由旋轉方式，讓承接器中的物料倒入至坩堝內，承接器可設計為上方及前方具開口的金屬容器，控制承接器在被動輪軸33處的旋轉位置時，讓承接器的開口在旋轉點時位於坩堝上方，然後將物料平緩地倒入坩堝內，其中，冷卻系統46可由一封閉水路循環機構組成，用來冷卻位於被動輪軸33處那一側附近的構件，避免因高溫而受影響，該冷卻系統的封閉水路循環機構可利用銅做為管壁(不以此為限)以硬銲的方式(不以此為限)完成封閉系統，以降低輻射熱影響。

請參閱第四圖所示，為本發明另一種實施例之運輸單元結構示意圖。如圖四所示，當物料經由斜向導管單元 落進金屬運輸帶42上的物料容置空間45，可簡化為金屬運輸帶42上具有承接功能的金屬帶的結構與製作，可使用旋轉插銷及凹型金屬片頭尾疊加成為一種具有一凹槽結構(物料容置空間45)的金屬運輸帶42上，此外，在被動軸輪43處可設計另有一投料機構46，利用軸輪將落在金屬運輸帶42上的物料移動至被動輪軸43處，藉由旋轉方式，讓物料自凹槽結構倒入金屬的投料機構46，該投料機構46(具有類似刮刀的功能，可把金屬運輸帶42上的物料由下往上將大部分的物料刮下)，可再以更接近坩堝的方式，讓物料更平緩滑落至坩堝內，由於被動軸輪43具有冷卻系統，而金屬的投料機構46附裝置於被動軸輪43上，可以避免熔湯高溫對其性能的影響。

本發明第一真空腔體及第二真空腔體間有真空閥門，控制第一真空腔體成長出之晶棒進入第二真空腔體中；第一真空腔體中有電子束加熱源(電子束單元)，水冷坩堝，坩堝中有空心圓形孔洞，第二真空腔體中的旋轉升降台(拉錠載台)於第一真空腔體精煉初時位於圓形孔洞位置。隨著精煉時的增加與原料的投入，載台朝下移動，將第一次精煉後的材料拉引成柱錠；在第二腔體中具有一橫向加熱源，對朝下移動的柱錠於以區域加熱成熔融態，藉以分離雜質於柱錠頂端，來達到進一步的精煉目的。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉 此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (10)

1. 一種結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，包括：一第一真空腔體；一電子束單元，設置於該第一真空腔體內上方區域，係用以提供電子束；一坩堝，設置於該電子束單元下方；一第二真空腔體，設置於該第一真空腔體下方區域，利用一真空閥門管控與該第一真空腔體連結的通道；一區域熔煉熱源，設置於該第二真空腔體內上方區域，係用以提供熱源；一拉錠載台，設置於該坩堝下方，以上下移動方式通過第一真空腔體與第二真空腔體連結的通道。
2. 如申請專利範圍第1項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該電子束單元係為一支電子槍或複數電子槍。
3. 如申請專利範圍第1項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該坩堝係為一水冷式坩堝。
4. 如申請專利範圍第3項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該水冷式坩堝係為一水冷銅空心圓坩堝。
5. 如申請專利範圍第3項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該水冷式坩堝係為一水平式滴漏水冷床銅坩堝。
6. 如申請專利範圍第1項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該坩堝底部係具有一孔洞。
7. 如申請專利範圍第1項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該區域熔煉熱源係選自感應線圈熱源、電子槍熱源其中之一。
8. 如申請專利範圍第1項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該區域熔煉熱源加熱方向係為水平方向。
9. 如申請專利範圍第6項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，其中，該拉錠載台係為一旋轉升降台。
10. 如申請專利範圍第1項所述之結合電子束與區域熔煉的真空精煉爐裝置，更包含一進料系統，其中，該進料系統處理的原物料之形狀係選自塊狀、粉狀、片狀其中之一或其混合。