专利名称：出自开底冷坩埚感应炉的提纯定向凝固物质的远程冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及出自开底冷坩埚感应炉(open bottom cold crucible induction furnace)的提纯物质多晶锭的定向凝固，其中远离该炉实现热固体锭的冷却。
背景技术：
诸如硅等多晶物质的电磁铸造，可以在开底电感应冷坩埚炉中实现。原料被连续地供应到坩埚的内部容积，而且在冷坩埚中熔化，而多晶物质的凝固热块(mass)从该坩埚的开底中离去。典型地，多晶物质的凝固热块在离开电感应冷坩埚后，作为铸造工序的不可缺少步骤被冷却，而并不立即离开铸造工序线。本发明的一个目的是由原料物质产生提纯多晶固体锭，其中原料在开底冷坩埚感应炉中被熔化和提纯，而且热多晶固体块从该炉的底分离，用于置入从铸造工序线中被移走的铸模中，从而实现铸模中该热多晶固体块的定向凝固以及远程被动冷却，而不用外部加热或冷却该铸模的进一步应用。
发明内容
本发明的一方面，是一种通过定向凝固提纯晶物质的装置和方法。固态或半固态原料在开底冷坩埚电感应炉中被熔化。热的已提纯多晶凝固物质连续地离开该炉的开底， 而且在被布置到输送铸模之中以及移动到远程保存区以用于该热的已提纯多晶凝固物质的被动冷却和定向凝固之前，可选地穿过热调节室。本发明的上述和其它方面，在说明书和附录的权利要求书中得到阐述。
当结合附图时，可以更好地理解上述简要说明，以及后续对本发明的详细描述。为了图示本发明，在附图中示出本发明当前优选示范形式；然而，本发明并不局限于在下面附图中披露的特定布置和手段。图1示出了本发明中使用的装置的实例。图2示出了本发明中使用的装置的另外实例。图3示出了本发明中使用的装置的另外实例。图4用图表示出了固态硅相对于硅温度的热膨胀系数的变化。
具体实施例方式在图1中示出本发明的装置和方法的一个实例。原料90以合适的形式从合适源被提供到电感应冷坩埚12，该电感应冷坩埚12被一或多个连接到一或多个合适的交变电流源16的感应线圈14所环绕。除了没有底结构以阻止提纯多晶物质的连续热凝固块从该冷坩埚底离开之外，该开底电感应冷坩埚12在结构和操作上都类似于闭底电感应冷坩埚， 比如在美国专利申请公开号No. 2005/0175064A1中所描述。最开始地，原料90可以是半固态(特别当原料物质在固态时非电传导，在液体时电传导，比如硅原料)，以在正离开该冷坩埚底的已提纯多晶热固体块90b(点阴影部分)之上，建立熔化的原料90a(水平线阴影部分)通常稳定状态凝固前沿90’。多晶热固体块将重力自由落体到铸模81中。该铸模可以具有可移动内底81a以及控制该可移动内底下降速度的动力传动装置92，并由此控制铸模中多晶固态块的垂直形成速度。感应冷坩埚的底开口可以是任意形状，举例，以用于产生圆柱形或长方形固体块。填充过程中的铸模81、填充前的铸模81”和填充后铸模81’，分别可以由与包含在铸模中的物质块90b相一致的合适衬料81b形成。热绝缘81c可以至少围绕该铸模的外壁。 在本发明的一些实例中，底81a可以由承受器(sus^ptor)形成。可选地，在填充入铸模之前，该承受器可以被恰当地加热，比如电阻地或电感地。当多晶固体块在铸模81中达到期望的垂直高度时，切锯18被起动，以穿过多晶固态块的水平面切割。多晶固态块的向下运动能够以相对切锯的切割速度足够慢的速度被控制，从而利用该切锯实现了对多晶固态块的实质上水平切割。当被热多晶固体块填充时，如图1中的已填充铸模81’所示，铸模81从炉移开，而且被热绝缘盖81d覆盖，从而铸模81中的多晶固体块冷却和被动地定向凝固，而不需要控制区的外部加热或冷却应用。多晶金属或类金属，比如硅，将起初在高温(名义上对于硅为 1380°C )凝固(非结晶到结晶阶段转变)，在冷却和定向凝固之前，它是布置在铸模中的热多晶固体块。在任意物质的定向凝固过程中，最重要的是通过控制从液态到热固态的体积转变速率，以及接着控制铸模中热物质块的冷却(定向凝固)速度，避免从液态向内转变为固态时由物质体积收缩所造成的“缩陷(shrink defects)”。举例，图4的图表示出了固态硅关于温度范围的膨胀和收缩特性。可以提供热监测系统，以监测铸模中热物质块的被动冷却速度，举例来说，从而离开坩埚开底的提纯多晶物质的热凝固块的温度可以被调整，以用于最佳被动冷却速度。举例，热电偶或其它温度传感器83可以沿着铸模的壁高被埋，以监测铸模的冷却速度。只要可获取稳定的物质原料，整个过程可以被自动化，以最小化在过程操作中所需的人工。铸模(比如填充前铸模81”)可以被提供到炉，而且在合适的传输装置上离开该炉。传输装置可以将填充后的铸模移动到远处的冷却存储区域，冷却存储区域自动将包含已完成冷却过程的物质的铸模移动到过程完成区域，举例，进一步用于为海运的锭修边，以及将充分纯度的锭修边屑再作为原料90回收利用。整个过程可以被自动化，以最小化在过程操作中所需的人工。在本发明的一些实例中，填充后的铸模可以被插入在远处区域的热控制室或隧道，以进一步调节自铸模中多晶块的热传速度。该室或隧道可以提供被动热控制，举例，通过为该室或隧道添加热绝缘物质的衬料。通常而言，铸模填充和远程冷却过程并不是非常快的过程。举例，对于具有32平方公分横截面，以及内部高度为1米的铸模，用多晶固态硅填充铸模的时间可以大约为6小时。该相同硅块在铸模中的被动受控冷却完成时间可以大约为36小时。在本发明的一些实例中，需要离开该冷坩埚炉的多晶固体块的热调节。举例，可以如图2所示实现，其中提供有分等级的垂直热区域控制装置20。在这个实例中，该区域热源是当多晶固态块掉入装置20时选择性施加到承受器21的感应电磁场。可以经由穿过感应线圈2 , 22b和22c (被热绝缘器23与承受器分开)的电流建立该电磁场，电流由交变电流源M提供且被开关设备^a，26b和26c控制。通常而言，施加到承受器的感应热在从装置20项部到底部的方向上被降低，以沿着该承受器壁的高度降低温度梯度。承受器21执行第二功能，以当穿过20时保持该多晶物质凝固块的外壁形状。在定向凝固过程中，杂质通常迁移到熔化物的液体物质相的顶部。在图3中示出了本发明移除这些杂质的一个方法。在这个实例中，至少感应冷坩埚12的开口顶部被包含在密封压力室30中，从而正(大于大气的)压力可以施加到熔化物90a的表面，在该表面下杂质趋于迁移。举例，可以使用阀32，以向压力室提供惰性气体，它使杂质已浓缩的熔化物90a向上经过管34并且出离压力室。在图3示出的特定布置中，管34作为虹吸管被布置。因此，一旦压缩气体注入虹吸管34，室30的内部可以经由连接开启阀32通风到大气中且为大气压，而且当熔化物90a在冷坩埚中的高度达到yi时杂质已浓缩的熔化物90a虹吸排出将停止，Y1为虹吸管34在包含杂质的熔化物中的最高垂直位置。管34可以由高温度电感应物质至少部分沿着其长度形成。如果该管由电感应物质形成，通过将该管的外部端连接到电源供应36的第一端子(而该电源供应具有连接到系统地的第二端子)，可以对该管电加热。如果冷坩埚感应炉被系统接地，举例，由系统接地连 1 接到该坩埚壁，穿过炉凝壳(furnaceskull)(在冷坩埚操作过程中形成的固态物质)的电感应通道以及与熔化物中管端相接触的坩埚中熔化物，将从电源供应36 (经由系统接地返回)经过电感应管建立焦耳加热电流，使得杂质被浓缩的熔化物流过管而不凝固(冷凝)。必须确认系统接地被安全地安装，而且在按照如恰当标准建立的任意特定安装中正确操作。从坩埚中拉出的杂质被浓缩的熔化物可以被送到杂质分离器，从而足够纯的原料可以自杂质中分离，而且馈回到向冷坩埚的原料供应中。虽然本发明特别适用于定向凝固硅的冷却过程，本发明还可以应用到能够由需要受控冷却过程的定向凝固所提纯的其它类金属或金属及其合金。已经根据优选实例和实施方式描述了本发明。除了这些表达陈述之外的等同物， 可替换和修改，都是可能的而且在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种来自产生于开底感应冷坩埚的熔化物的多晶物质的凝固方法，该凝固方法包括步骤在该开底感应冷坩埚的顶部提供原料；当交流电流经过围绕该开底感应冷坩埚外部的一或多个感应线圈时，通过与原料和熔化物的组合物相结合的磁通量在该开底感应冷坩埚中形成该熔化物；在该开底感应冷坩埚的开底处，从该熔化物中形成提纯多晶物质热凝固块的连续供应；该提纯多晶物质热凝固块重力送料进铸模；在该开底感应冷坩埚的开底处，从提纯多晶物质热凝固块的连续供应中切割提纯多晶物质热凝固块；移动该铸模以用于铸模中该提纯多晶物质热凝固块的远程定向凝固，而不用外部加热或冷却源的应用。
2.根据权利要求1所述的凝固方法，其中该铸模包括可移动内底，该可移动内底与动力传动装置联系，因此该动力传动装置控制该多晶物质热凝固块重力送料进该铸模的速率。
3.根据权利要求1所述的凝固方法，其中移动该铸模以用于铸模中该提纯多晶物质热凝固块的远程定向凝固而不用外部热源的应用的步骤进一步包括插入该铸模到被动热控室，以调节自该铸模中提纯多晶物质热凝固块的热传速率。
4.根据权利要求1所述的凝固方法，进一步包括在该提纯多晶物质热凝固块重力送料进铸模的步骤之前，在该开底感应冷坩埚的开底处对该提纯多晶物质热凝固块的连续供应进行热调节。
5.根据权利要求1所述的凝固方法，进一步包括通过在该开底感应冷坩埚的顶部施加正气压到该熔化物的表面以建立自该熔化物的虹吸流，在该熔化物中虹吸杂质的步骤。
6.根据权利要求5所述的凝固方法，其中在该熔化物中虹吸杂质的步骤进一步包括 通过连接电源供应的电不接地电势端接子到虹吸管第二端，以及该电源供应的电接地电势端接子到系统电气接地，该开底感应冷坩埚连接到该系统电气接地，对该虹吸管进行电加热，该虹吸管具有浸入该熔化物的第一端及相对于第一端布置在该开底感应冷坩埚内部容积的外部的第二端，从而通过该虹吸管第一端与该熔化物接触，以及该熔化物与该感应冷坩埚加热过程中所形成的炉凝壳接触，沿着该虹吸管的长度建立电路。
7.一种用于产生凝固多晶物质锭的系统，该系统包括 开底感应冷坩埚炉；原料提供装置，用于向该开底感应冷坩埚炉中的熔化物提供原料； 至少一个围绕该开底感应冷坩埚炉外部高度的感应线圈，通过与原料和熔化物的组合物磁耦合由改变该至少一个感应线圈中电流而建立的流场，在该开底感应冷坩埚炉中形成该熔化物；切锯，用于切割从该开底感应冷坩埚炉的开底处离开的提纯多晶物质热凝固块；以及可移动铸模，用于安置自该开底感应冷坩埚炉的开底处被切割的提纯多晶物质热凝固块，以及将该被切割的提纯多晶物质热凝固块输送到远离该开底感应冷坩埚炉的开底的位置，用于被切割的提纯多晶物质热凝固块的被动定向凝固。
8.根据权利要求7所述的系统，其中该可移动铸模进一步包括至少围绕该铸模外壁的热绝缘。
9.根据权利要求7所述的系统，其中该可移动铸模进一步包括可移动内底，该可移动内底连接到用于控制该提纯多晶物质热凝固块插入铸模速率的动力传动装置。
10.根据权利要求7所述的系统，进一步包括用于插入该铸模的被动热控室。
11.根据权利要求7所述的系统，进一步包括承受器热调节容器，布置在开底感应冷坩埚炉的开底以及该可移动铸模之间，用于该提纯多晶物质热凝固块自该开底感应冷坩埚炉的开底的通道；一或多个围绕该承受器热调节容器外部的感应线圈，通过感应地耦合由改变流经该一或多个感应线圈的交流电流所产生的磁通量，沿着该容器的高度建立热梯度，从而在布置到该可移动铸模之前该提纯多晶物质热凝固块被热调节。
12.根据权利要求7所述的系统，进一步包括在该开底感应冷坩埚炉开口顶部上的密封附件；具有第一和第二相对端的虹吸管，该虹吸管的第一相对端布置在该开底感应冷坩埚炉内部体积中，高度适于从该熔化物中虹吸杂质；该虹吸管的第二相对端布置在该密封附件的外部；以及构件，用于将气体引入该密封附件中，通过施加足以建立自该开底感应冷坩埚炉的熔化物虹吸流的正气压到该熔化物的表面，提升该开底感应冷坩埚炉中熔化物的等级，当该正气压被移走时虹吸流结束而且熔化物的高度降到该虹吸管第一相对端的高度。
13.根据权利要求12所述的系统，进一步包括具有不接地电输出端子和电接地电输出端子的电源供应；该不接地电输出端子连接到该虹吸管的第二相对端；和该电接地电输出端子连接到系统接地，该开底感应坩埚连接到该系统接地，从而在操作该开底感应冷坩埚炉的过程中，当该熔化物经由围绕该开底感应冷坩埚炉外壁形成的炉凝壳接触该虹吸管时，电流从该电源供应流经该虹吸管。
全文摘要
固态或半固态原料在开底电感应冷坩埚炉中被熔化。定向凝固的多晶固体提纯物质连续地离开该炉的底，而且在重力送料入输送铸模之前，可选地穿过热调节室。在输送铸模填满多晶物质以及从物质的连续供应中被切割后，提纯多晶固体物质锭被传输到远程保存区。该锭的冷却在远离该冷坩埚炉的开底处完成。
文档编号C30B28/06GK102392296SQ20111019364
公开日2012年3月28日 申请日期2011年7月6日 优先权日2009年7月3日
发明者奥列格·S·菲什曼 申请人:应达公司