专利名称：带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种冷坩埚真空感应熔炼设备，尤其是带有能量束辅助热源的冷
坩埚真空感应熔炼设备。
技术背景冷坩埚真空感应熔炼技术(以下简称为"感应冷坩埚技术"或"坩埚技术")是当 代最于先进的熔炼技术，它用金属(大多为紫铜)坩埚代替陶瓷材料坩埚，在熔炼过程中 炉料呈悬浮或半悬浮状态，所以这种技术不仅排除了熔炼过程中气氛和加热源对炉料的污 染，而且完全排除了坩埚材料的污染，可以熔炼对纯度要求特别高的产品，可以熔炼特别活 泼材料。 为防止金属坩埚本身被熔化，坩埚必须用水或其它冷却剂冷却，冷却剂总是要带 走大量的热量。所以，冷坩埚技术消耗的能量比普通感应熔炼技术要高得多，而且炉料的温 度很难超过2000°C 。难熔金属和合金的熔点一般都在2000 3400°C ，用单纯的感应冷坩 埚技术熔炼这些材料几乎是不可能的。 另一方面，虽然用电弧熔炼技术、等离子熔炼技术、电子束熔炼技术和激光束技术 (以下统称"能量束技术")可以熔炼难熔金属和合金，但是它们都要求使用水冷铜坩埚，因 为在超过这些材料熔点的温度下无法使用耐火材料坩埚。无论是电弧、等离子束、电子束 还是激光束(以下统称"能量束")，它们的加热范围都非常局限，所以在能量束聚焦的位置 炉料能够熔化，但是当能量束转移到其它位置，熔化其它位置的炉料时，在强烈水冷的条件 下，刚刚熔化的炉料立即就凝固了。因此，用能量束技术熔炼难熔金属和合金时，难以得到 成分准确、均匀，材质致密的产品。 除了温度问题之外，用感应冷坩埚技术熔炼半导体材料(例如Si)也存在困难，因 为这种材料在室温不导电，感应电源无法将它们加热。
实用新型内容本实用新型针对以上问题，提供一种冷坩埚真空感应熔炼设备的辅助热源装置， 解决感应冷坩埚技术难以熔炼难熔金属和合金，无法熔炼在室温不导电的半导体材料等问 题，本实用新型为冷坩埚真空感应熔炼设备配备了以能量束作为辅助热源的装置，使感应 冷坩埚技术的熔炼温度能够超过3000°C ，使这种技术的熔炼对象扩大到难熔金属和合金以 及半导体材料，而且熔炼效果优于其它熔炼技术的效果。本实用新型中提到的能量束熔炼 技术是指非自耗电弧熔炼技术、等离子束熔炼技术、电子束熔炼技术和激光熔炼技术等。 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是在普通冷坩埚真空感应熔炼设 备的基础上装设能量束发射装置，形成辅助热源。 普通冷坩埚真空感应熔炼设备由冷坩埚(01)、感应圈(02)、真空室(03)、高频或 中频感应电源(04)、真空-充氩系统(05)、控制柜(06)和冷却系统(07)等七部分组成(图 1)。炉料置于冷坩埚中，由电源送达感应圈的高频或中频电流所产生的电磁场穿过坩埚壁加热炉料产生熔炼作用。坩埚用金属材料制备，一般都是用紫铜。电磁场能穿过金属坩埚 壁的原因在于坩埚分瓣，它有若干平行于坩埚轴的缝隙。为了使坩埚在熔炼温度下不熔化， 坩埚壁始终处于强烈水冷的条件之下。 冷坩埚技术的特点在于在坩埚、感应圈和电源得到合理设计的条件下，炉料熔体 能处于悬浮或半悬浮状态。如果在熔炼过程中熔体同坩埚保持密切接触，大量的热量被冷 却液带走，熔炼过程将无法持续进行。悬浮技术使炉料免除了坩埚材料的污染，能够获得纯 度极高的产品。 冷坩埚技术的另一个特点在于作为加热源的电磁场，其作用范围是整体的，而且 能产生强烈的搅拌作用，所以炉料是整体熔化、整体悬浮、整体搅拌。这个条件是获得成分 准确、均匀，材质致密的产品所必须的。 但是，在水冷的作用下实现整体高温所需要的功率供应必然非常大。所以，在一般 的功率条件下，感应冷坩埚技术很难达到200(TC以上的温度。 能量束技术的特点是温度高，它们能够实现500(TC甚至数万度的温度，所以用这 些技术可以熔炼各种难熔金属，包括熔点为340CTC的钨。在使用水冷铜坩埚这一点上，它们 与感应冷坩埚技术相同。但是，他们的熔炼热源能量束是集中的，所以炉料的熔化范围是局 部的。前面已经指出，当能量束转移到其它位置，熔化其它位置的炉料时，刚才熔化的炉料 就立即凝固，无法实现整体熔化状态。因此，用能量束技术进行熔炼时，难以得到成分准确、 均匀，材质致密的产品。 本实用新型的关键技术措施是将这两类先进的冶金技术结合在一个设备中，结合 到同一熔炼过程中设备的主体结构仍然同冷坩埚真空感应熔炼设备，本实用新型为这个 设备增加的部件是能量束发射装置，它的发射头位于坩埚的上方或斜上方。这样，合成的新 设备就包括冷坩埚(01)、感应圈(02)、真空室(03)、高频或中频感应电源(04)、真空-充氩 系统(05)、控制柜(06)、冷却系统(07)、能量束发射头(08)和能量束发生器(09)等九部分 组成(图2)。 熔炼过程由感应电源通过感应圈产生的电磁场和能量束发射装置产生的能量束 共同完成电磁场B使炉料整体受热，能量束N则使局部炉料达到高温和熔化，电磁场的搅 拌作用使熔化区扩大，在能量束的协助下，炉料最后全部熔化，电磁场的搅拌又使炉料的成 分趋于均匀(图3)。两种热源可以是同时启动，同时结束，可以是交替工作，也可以是有时 共同工作，有时单独工作。 本实用新型所述带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，冷坩埚用金属材料制 备，一般使用致密的紫铜，坩埚由若干瓣的坩埚片组成，坩埚片之间的间隙平行于坩埚的轴 线，每一片坩埚片都受到冷却液的充分冷却，冷却液一般使用水。 本实用新型所述带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，能量束发射装置主要 由能量束发生器(09)和发射头(08)两部分组成。该装置需要的冷却系统和控制系统可以 分别合并到原来的冷坩埚真空感应熔炼设备的冷却系统(07)和控制柜(06)部分，也可以 单独设置(图2)。 本实用新型所述带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备中，能量束装置可以是 非自耗电弧发生装置，它由生产电弧的电极棒和大电流直流电源组成，电极棒一般使用鸨 棒或钼棒；
4[0018] 本实用新型所述带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备中，能量束装置也可以 是等离子束发射装置，它由产生等离子束的等离子枪和激发等离子化的电源组成。等离子 载体一般用惰性气体的离子，例如氩离子，在有特殊需要时可以使用还原性气体的离子，例 如氢离子；电源有两种，一种是高频感应激发电源(5 20兆赫)，另一种是电弧激发电源； 本实用新型所述带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备中，能量束装置也可以 是电子束发射装置，它由产生高束电子束的电子枪和提供加速电压的直流电源组成。 此外，能量束装置还可以是激光发射装置，它由激光头和激光发生器组成。 各种能量束装置的发射头均固定在炉体真空室的顶部，位于坩埚的上方或斜上 方，是可以拆卸和更换的部件。把发射头拆除后，设备可以作为普通冷坩埚真空熔炼设备使 用；把发射头拆卸后，可以根据不同需要更换不同类型的能量束装置。 带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其熔炼和铸造的的模式包括 单炉熔炼，倾转浇注；单炉熔炼，坩埚底底注；连续加料，连续拉锭等等。除了基本结构之 外，冷坩埚真空感应熔炼炉还可能装备一些操作机构，例如加料机构、搅拌机构、翻锭机构、 铸造机构、拉锭机构、测温-控温系统、氩气净化系统，等等，以及其它为了设备操作设置的 机构。在带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备中，仍然可以根据需要设置这些 机构，或设置其中的一个、两个、数个机构，由于能量束装置是独立装置，且能量束装置的发 射头位于坩埚的上方或斜上方，对原有的设备没有影响，不会妨碍原有设备的操作。 本实用新型的有益效果包括几点 1)使感应冷坩埚技术的熔炼温度提高到300(TC以上，使这种技术可以用于熔炼 难熔金属和合金。对于制备难熔金属及其合金的致密产品而言，以本实用新型设计的设备 为基础，可以发展出一类效果理想的新技术。这种技术能够克服以往的能量束熔炼技术无 法实现炉料整体熔化，无法搅拌的缺点，可以得到成分准确、均匀，材质致密的产品。这个优 点对于制备难熔金属的合金特别重要。 2)配备了能量束辅助热源之后，感应冷坩埚技术可以用到半导体材料的熔炼、提 纯和定向凝固领域，例如制备超纯Si，制备定向结晶的太阳能Si。 Si的熔点虽然不很高，但 是它在室温不导电，仅用感应冷坩埚的感应电源无法将其加热、熔化。配备了能量束辅助热 源之后，可以用能量束将炉料部分熔化，而熔化的Si是导电的。感应电源的电磁场能通过 加热这部分熔体，使炉料温度升高，直至使炉料全部熔化。 3)获得了能量束辅助热源之后，感应冷坩埚技术的应用领域可以得到大范围的扩 展。以等离子束为例，如果用用氢或含氢气体作介质，它可以从氧化物获得金属(铁、铝、 钴、铌、钽、锆、钨等)，还可用于分解羰基镍，得到极细的镍粉，以及从金属卤化物得到金属 或其氧化物如(钛、二氧化钛)等。 4)对于感应冷坩埚技术的一般应用，例如熔炼钛和钛合金，稀土金属和合金等，利 用能量束辅助热源可以大幅度降低熔炼过程的能量消耗，减小对配备电源的功率要求。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是普通冷坩埚真空感应设备的基本结构示意图。
图2是本发明实施例1设备的基本结构示意图。[0031] 图3表示实施例1冷坩埚和能量束发射头的配置和工作状态。 在以上各图中，Ol.冷坩埚，02.感应圈，03.炉体真空室，04.高频或中频感应电 源，05.真空-充氩系统，06.控制柜，07.冷却系统，08.能量束发射头，09.能量束发生器， 10.炉料熔体。
具体实施方式
实施例1 : 实施例1的设备的结构见图2。 该实施例是带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备的基本结构，它在 冷坩埚真空感应熔炼设备的冷坩埚(01)、感应圈(02)、真空室(03)、高频或中频感应电源 (04)、真空-充氩系统(05)、控制柜(06)和冷却系统(07)的七个部件的基础是，增加了能 量束发射头(08)和能量束发生器(09)两个部件。发射头(08)位于冷坩埚的上方。 图3显示了在熔炼过程中，电磁场B和能量束N相互配合工作的情况电磁场使 炉料(10)整体受热，能量束则使局部炉料达到高温和熔化，电磁场的搅拌作用使熔化区扩 大，在能量束的协助下，炉料最后全部熔化，电磁场的搅拌又使炉料的成分趋于均匀。
权利要求带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，由冷坩埚(01)、感应圈(02)、真空室(03)、高频或中频感应电源(04)、真空-充氩系统(05)、控制柜(06)、冷却系统(07)、能量束发射头(08)和能量束发生器(09)九部分组成，其特征在于能量束发射装置包括能量束装置(09)和发射头(08)两部分，能量束装置的发射头固定在炉体真空室的顶部，位于坩埚的上方或斜上方。
2. 根据权利要求1所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于能量束装置的发射头可拆卸。
3. 根据权利要求1所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于能量束装置可以是非自耗电弧发生装置、等离子束发射装置、电子束发射装置或激光发射装置。
4. 根据权利要求1或3所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于作为能量束装置的非自耗电弧发生装置由生产电弧的电极棒和大电流直流电源组成。
5. 根据权利要求3所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于非自耗电弧发生装置中生产电弧的电极棒使用钨棒或钼棒。
6. 根据权利要求1或3所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于作为能量束装置的等离子束发射装置由产生等离子束的等离子枪和激发等离子化的电源组成。
7. 根据权利要求1或3所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于作为能量束装置的电子束发射装置由产生高束电子束的电子枪和提供加速电压的直流电源组成。
8. 根据权利要求1或3所述的带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于作为能量束装置的激光发射装置由激光头和激光发生器组成。
专利摘要本实用新型涉及一种带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备。本实用新型所述带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，由冷坩埚(01)、感应圈(02)、真空室(03)、高频或中频感应电源(04)、真空-充氩系统(05)、控制柜(06)、冷却系统(07)、能量束发射头(08)和能量束装置(09)九部分组成，能量束装置的发射头固定在炉体真空室的顶部，位于坩埚的上方或斜上方。本实用新型为冷坩埚真空感应熔炼设备配备了以能量束作为辅助热源的装置，熔炼过程由感应电源通过感应圈产生的电磁场和能量束发射装置产生的能量束共同完成。
文档编号F27B14/14GK201527174SQ20092012522
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月14日 优先权日2009年1月14日
发明者康宁, 李碚 申请人:贵州贵航能发装备制造有限公司