专利名称：一种熔铝石英坩埚的制作方法
技术领域：
本发明一种熔铝石英坩埚的制作方法涉及的是与铝、锡、铅、锌、铜、镉等金属浇铸行业使用的中小型熔铝电炉配套的一种工业坩埚的制作方法，具体涉及一种以较高纯度的石英砂熔制的熔铝石英坩埚的制作方法。
背景技术：
熔铝电炉主要供低熔点的有色金属如铝、锡、铅、锌、铜、镉及巴氏合金等熔炼、熔化或保温之用，在金属零配件生产企业中使用十分普遍。单次熔化量在1500公斤以下的中小型电炉大多数使用石墨或者合金坩埚作为装载和加热熔化金属的载体，最近几年新开发的碳化硅坩埚也有所使用。熔融状态下的上述金属尤其是铝和锡具有强烈的附着性和腐蚀性，在生产过程中熔融的金属不断附着在石墨或者金属坩埚上愈积愈厚，加热效率愈来愈低，同时促使石墨、各种合金及碳化硅坩埚的表面不断发生剧烈氧化，有时局部严重脱落， 不仅对所浇铸产品的质量产生负面影响，而且生产过程中很难检查出坩埚的缺陷，坩埚的使用寿命短并且难以具体确定，经常发生意外穿孔、熔融金属泄漏、电炉毁坏的事故，给企业造成损失。一般石墨或者合金坩埚的使用寿命为一个月左右，铝的损耗率20%左右，企业消耗性成本高，大量废弃的坩埚连带附着的金属造成严重的环境污染，并且存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处，提供以高纯石英砂为原料的一种熔铝石英坩埚的制作方法，这种熔铝石英坩埚用来与铝、锡、铅、锌、铜、镉等金属浇铸行业使用的中小型熔铝电炉配套，以较低的成本解决熔融状态下的上述金属尤其是铝和锡对现有技术的石墨或者金属坩埚附着性和腐蚀性问题。一种熔铝石英坩埚的制作是采取以下技术方案实现 一种熔铝石英坩埚的制作方法如下
1、首先是按照预先设定好的熔铝石英坩埚尺寸和厚度范围，制作合适的电弧法石英坩埚熔制模具，所述电弧法石英坩埚熔制模具设置成“U”字形或者“V”字形，坩埚熔制模具上口内直径(内径)为400-800mm，“U”字形坩埚模具的底部内直径略小于上口内直径，高度为 400-1200mm;所述石英坩埚熔制模具采用石墨或者合金模具。所述预先设定好的熔铝石英坩埚侧剖面设置成“U”字形或者“V”字形，坩埚的上口外直径(外径)为400-800mm，“U”字形坩埚的底部外直径略小于上口外直径，坩埚壁厚为 10-30mm，底部厚度稍大于壁厚，高度为400-1200mm。2、熔制石英坩埚时，在电弧法石英坩埚熔制设备上旋转中的石墨或者合金模具中均勻加入厚度1.5-5011的高纯石英砂，所述高纯石英砂中41、1^、妝、1(46、11、Ca、Mg等金属元素杂质总量小于lOOppm，根据坩埚厚度设定电流强度和熔制时间的长短，电流强度范围在1500-2000A，熔制时间20-60分钟，在模具中心以石墨电极为发热原件进行熔制，所要求熔制设备的功率为600-1200KVA。
3、坩埚熔制完成出模冷却后，将上口的毛边切除，外层浮砂除尽，再用2-5%浓度的氢氟酸浸泡2-3小时，然后用电阻率15兆欧以上的纯净水清洗3-5遍，在100-300°C温度下烘干，再检验、包装，即得成品熔铝石英坩埚。在坩埚熔制成形后，也可以再在坩埚内喷涂一层Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg等金属元素杂质总量小于20ppm的更高纯度的高纯石英砂，然后再次加热熔融，电流强度范围在1500-2000A，熔制时间5-20分钟，在坩埚内表面熔融形成一层0. 1 mm以上具有更高纯度的石英玻璃层，以提高坩埚的质量。在坩埚清洗烘干后，也可以在其内表面人工或者设备冷涂一层0. 1-0. 5mm厚度的氧化钡或氧化锆涂层，同样能够提高坩埚的质量。其中氧化钡或氧化锆的纯度99. 99%以上，调配喷涂液时氧化钡或氧化锆粉末与电阻率15兆欧以上纯净水的比例为1:30。所述的熔制石英坩埚所采用的原料-高纯石英砂，其纯度为二氧化硅含量99. 5% 以上。所述的在坩埚内表面热涂的具有更高纯度的石英玻璃层，其原料高纯石英砂的二氧化硅含量为99. 99%以上，主要杂质成分为A1 < 20ppm, Na、Ti分别< 5ppm，Fe、Ca、Mg分别< 3ppm, Li、K 分别 < 2ppm。本发明的一种熔铝石英坩埚的制作方法，是制作一种与熔铝电炉相配套的石英坩埚，该“熔铝石英坩埚”产品的主要检测指标包括两个方面(一)、外观，包括裂纹、划伤、凹坑、表面附着物和沾污、斑点和失透点、气泡、波纹等，主要要求坩埚内表面平整光洁，没有密集的直径2毫米以上的气泡群和超过10个直径2毫米以上的开口气泡；(二)、杂质含量， 主要包括Al、Fe、Ca、Cu、K、Na、Li、B等8种常见杂质总含量一般要求在50ppm以下，质量要求较低的也可以放宽到IOOppm以下。与市场上常见的电子级和太阳能级石英坩埚相比较，由于熔铝石英坩埚的尺寸和厚度更大，本发明提出的熔铝石英坩埚的制作方法对设备的功率要求更大，但对原料石英砂的纯度要求相对要低得多，坩埚的产品检测指标也宽松很多，生产中的成品合格率更高。石英坩埚具有导热性好、耐高温、耐腐蚀、光洁度高的特点。以本发明生产的熔铝石英坩埚经实际使用试验，在900°C以下的温度下能够平均连续使用6个月以上，同样功率和控制条件下，对比石墨坩埚能耗降低50%以上，铝的损耗率减少30%以上，除了受外力撞击以外不会发生破裂穿孔事故，平均寿命是石墨坩埚的6倍，生产成本和销售价格也只有石墨坩埚的6倍左右，性能价格比远高于行业内目前使用的各种石墨、合金和碳化硅坩埚。 但石英坩埚的纯度越高其制作成本也越高，在坩埚的内表面上设置较薄的高纯度石英玻璃层既能达到耐高温、附着力低、耐腐蚀、能耗降低、使用寿命长的效果，又可大大降低制作成本。在坩埚内表面增加的各种涂层均能够增加坩埚的强度，延长坩埚的使用寿命。本发明的关键技术是
根据熔铝石英坩埚尺寸和厚度大、但使用温度较低的特点，在现有太阳能级石英坩埚生产技术的基础上，采用较大功率和模具尺寸的电弧法石英坩埚熔制设备，以较低纯度的石英砂为原料熔制相应规格的石英坩埚。该石英坩埚用来取代传统的石墨、合金或者碳化硅坩埚，相对成本低，实用性强。本发明能够解决金属浇铸行业埚壁附着导致热效率下降、金属原料浪费和经常发生坩埚穿孔漏料的两大难题，在提高生产效率和产品质量的同时，大幅度减少能耗和金属原料损耗，减少环境污染和资源浪费，提高经济效益。
以下将结合坩埚附图对本发明作进一步说明
图1为本发明一种熔铝石英坩埚的制作方法实施例1的坩埚结构示意图。图2为本发明一种熔铝石英坩埚的制作方法实施例2的坩埚结构示意图。
具体实施例方式
参照附图1、2，一种熔铝石英坩埚的制作方法如下
1、首先是按照预先设定好的熔铝石英坩埚尺寸和厚度范围，制作合适的电弧法石英坩埚熔制模具，所述电弧法石英坩埚熔制模具设置成“U”字形或者“V”字形，坩埚熔制模具上口内直径(内径)为400-800mm，“U”字形坩埚模具的底部内直径略小于上口内直径，高度为 400-1200mm;所述石英坩埚熔制模具采用石墨或者合金模具。所述预先设定好的熔铝石英坩埚侧剖面设置成“U”字形或者“V”字形，坩埚的上口外直径为400-800mm，“U”字形坩埚的底部外直径小于上口外直径，坩埚壁1厚为 10-30mm,底部2厚度稍大于壁厚，高度为400-1200mm。2、熔制石英坩埚时，在电弧法石英坩埚熔制设备上旋转中的石墨或者合金模具中均勻加入厚度1.5-5011的高纯石英砂，所述高纯石英砂中41、1^、妝、1(46、11、Ca、Mg等金属元素杂质总量小于lOOppm，根据坩埚厚度设定电流强度和熔制时间的长短，电流强度范围在1500-2000A，熔制时间20-60分钟，在模具中心以石墨电极为发热原件进行熔制，所要求熔制设备的功率一般为600-1200KVA。3、坩埚熔制完成出模冷却后，将上口的毛边切除，外层浮砂除尽，再用2-5%浓度的氢氟酸浸泡2-3小时，然后用电阻率15兆欧以上的纯净水清洗3-5遍，在100-300°C温度下烘干，再检验、包装，即得成品熔铝石英坩埚。实施例1:如图1所示，以电弧法生产的熔铝石英坩埚开口和底部圆形，侧剖面略成“U”字形，坩埚壁1与底部2成圆弧形过度。坩埚的上口直径590mm，近底部“L”角处的直径550mm，坩埚壁厚20mm，底部厚度22_25mm，高度690mm。熔制设备的功率为630KVA，用于熔制石英坩埚的石英砂以及成品坩埚的二氧化硅的含量为99. 9%以上，主要杂质成分要求为A1 < 50ppm, Li、Na、K、Ti分别< 20ppm，Fe < IOppm, Ca、Mg 分另ij< 15ppm。1、首先，在低速旋转中的石墨模具内壁和底部人工均勻加入原料石英砂共计约50 公斤，底部略厚于壁部。2、将模具归位，合上石墨电极，逐步加大电流至1650A，熔制时间35分钟。3、逐步降低石墨电极的电流，移出模具，在坩埚熔制成形后，通过专用的喷砂装置，在坩埚内表面添加部分更高纯度的二氧化硅的含量为99. 99%以上的石英砂，然后再次加热熔融，电流强度范围在1500-2000A，熔制时间5-20分钟，在坩埚内表面形成0. Imm以上厚度的具有更高纯度的石英玻璃层3。该石英玻璃层3主要杂质成分为A1 < 20ppm，Na、 Ti分别< 5ppm，Fe、Ca、Mg分别< 3ppm，Li、K分别< 2ppm，比坩埚壁1和底部2的纯度更尚ο4、自然冷却脱模，石英坩埚初步检测，冷加工喷砂法除尽坩埚外表的浮砂、切断上口毛边、倒角，石英坩埚二次检测，再用2-5%浓度的氢氟酸浸泡2-3小时，用电阻率18兆欧高纯水清洗3遍，超声波喷淋，30(TC烘干，石英坩埚三次检验，真空包装，成品入库。实施例2:如图2所示，以电弧法生产的熔铝石英坩埚开口和底部圆形，侧剖面略成“V”字形，坩埚壁1与底部2成圆弧形过渡。坩埚的上口直径800mm，近底部“L”角处的直径300mm，坩埚壁1厚25mm，底部2厚度35mm，高度1200mm。熔制设备的功率为1100KVA，用于熔制石英坩埚的石英砂以及成品坩埚的二氧化硅的含量为99. 5%以上，主要杂质成分要求为A1 < 100ppm，Li、Na、K、Ti分别< 30ppm，！^ < IOppm, Ca、Mg 分别 < 20ppm。1、首先，在低速旋转中的石墨模具内壁和底部人工均勻加入原料石英砂共计约 180公斤，底部略厚于壁部。2、将模具归位，合上石墨电极，逐步加大电流至1850A，熔制时间60分钟。3、自然冷却脱模，石英坩埚初步检测，冷加工喷砂法除尽坩埚外表的浮砂，切断上口毛边，倒角，石英坩埚二次检测，再用2-5%浓度的氢氟酸浸泡2-3小时，用电阻率18兆欧高纯水清洗5遍，超声波喷淋，200°C烘干，即得成品熔铝石英坩埚。4、在石英坩埚内壁冷涂0. 1-0. 5mm厚的氧化钡或氧化锆涂层。5、石英坩埚三次检验，真空包装，成品入库。本发明熔铝石英坩埚的制作方法制作的熔铝石英坩埚经过检测
坩埚内表面光洁度高，没有直径超过5mm的明显凹坑，没有直径超过2mm的开口气泡， 直径超过2mm的污点平均不超过5个。空埚耐高温变形试验结果1050°C下100小时无明显变形；熔铝浇铸使用试验表明平均节电50%以上，铝的损耗率减少30%以上，自然使用寿命超过6个月。上述的石英坩埚除用于铝浇铸行业使用外，还适合锡、铅、锌、铜、镉等金属浇铸行业使用。本发明的一种熔铝石英坩埚的制作方法，是制作一种与熔铝电炉相配套的石英坩埚。本发明的关键技术是，根据熔铝石英坩埚尺寸和厚度大、但使用温度较低的特点，在现有太阳能级石英坩埚生产技术的基础上，采用较大功率和模具尺寸的电弧法石英坩埚熔制设备，以较低纯度的石英砂为原料熔制相应规格的石英坩埚。在坩埚内表面增加的各种涂层均能够增加坩埚的强度，延长坩埚的使用寿命。该石英坩埚用来取代传统的石墨、合金或者碳化硅坩埚，相对成本低，实用性强。本发明能够解决金属浇铸行业埚壁附着导致热效率下降、金属原料浪费和经常发生坩埚穿孔漏料的两大难题，在提高生产效率和产品质量的同时，大幅度减少能耗和金属原料损耗，减少环境污染和资源浪费，提高经济效益。
权利要求
1.一种熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于(1)首先是按照预先设定好的熔铝石英坩埚尺寸和厚度范围，制作合适的电弧法石英坩埚熔制模具，所述电弧法石英坩埚熔制模具设置成“U”字形或者“V”字形，坩埚熔制模具上口内直径为400-800mm，“U”字形坩埚模具的底部内直径略小于上口内直径，高度 400-1200mm ；(2)熔制石英坩埚时，在电弧法石英坩埚熔制设备上旋转中的石墨或者合金模具中均勻加入厚度1. 5-5cm的高纯石英砂，所述高纯石英砂中Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg金属元素杂质总量小于lOOppm，根据坩埚厚度设定电流强度和熔制时间的长短，电流强度范围在1500-2000A，熔制时间20-60分钟，在模具中心以石墨电极为发热原件进行熔制，所要求熔制设备的功率为600-1200KVA ；(3)坩埚熔制完成出模冷却后，将上口的毛边切除，外层浮砂除尽，再用2-5%浓度的氢氟酸浸泡2-3小时，然后用电阻率15兆欧以上的纯净水清洗3-5遍，在100-300°C温度下烘干，再检验、包装，即得成品熔铝石英坩埚。
2.根据权利要求1所述的熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于所述预先设定好的熔铝石英坩埚侧剖面设置成“U”字形或者“V”字形，坩埚的上口外直径为400-800mm，“U”字形坩埚的底部外直径略小于上口外直径，坩埚壁厚为10-30mm，底部厚度稍大于壁厚，高度为 400-1200mm。
3.根据权利要求1所述的熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于所述石英坩埚熔制模具采用石墨或者合金模具。
4.根据权利要求1所述的一种熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于在坩埚熔制成形后，也可以再在坩埚内喷涂一层更高纯度的高纯石英砂，然后再次加热熔融，电流强度范围在1500-2000A，熔制时间5-20分钟，在坩埚内表面熔融形成一层0. 1 mm以上具有更高纯度的石英玻璃层，以提高坩埚的质量。
5.根据权利要求1所述的一种熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于在坩埚清洗烘干后，也可以在其内表面人工或者设备冷涂一层0. 1-0. 5mm厚度的氧化钡或氧化锆涂层，同样能够提高坩埚的质量。
6.根据权利要求1所述的一种熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于所述的熔制石英坩埚所采用的原料-高纯石英砂，其纯度为二氧化硅含量99. 5%以上。
7.根据权利要求4所述的一种熔铝石英坩埚的制作方法，其特征在于所述的在坩埚内表面热涂的具有更高纯度的石英玻璃层，其原料高纯石英砂的二氧化硅含量为99. 99%以上，主要杂质成分为A1 < 20ppm, Na、Ti分别< 5ppm，Fe、Ca、Mg分别< 3ppm，Li、K分别 < 2ppm0
全文摘要
本发明一种熔铝石英坩埚的制作方法涉及的是与铝、锡、铅、锌、铜、镉等金属浇铸行业使用的中小型熔铝电炉配套的一种工业坩埚的制作方法，具体涉及一种以较高纯度的石英砂熔制的熔铝石英坩埚的制作方法。其制作方法(1)首先是按照预先设定好的熔铝石英坩埚尺寸和厚度范围，制作合适的电弧法石英坩埚熔制模具；(2)熔制石英坩埚时，在电弧法石英坩埚熔制设备上旋转中的石墨或者合金模具中均匀加入厚度1.5-5cm的高纯石英砂，在模具中心以石墨电极为发热元件进行熔制；(3)坩埚熔制完成出模冷却后，将上口的毛边切除，外层浮砂除尽，再用2-5%浓度的氢氟酸浸泡2-3小时，用纯净水清洗，在100-300℃温度下烘干，再检验、包装，即得成品熔铝石英坩埚。
文档编号C03B20/00GK102351407SQ20111024640
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者杜建中 申请人:江苏阳山硅材料科技有限公司