一种射频等离子体区域熔炼提纯装置

1.本实用新型涉及金属提纯技术领域，尤其是指一种射频等离子体区域熔炼提纯装置。


背景技术：

2.高纯金属被广泛应用于电子信息、航空航天等高科技领域，而区域熔炼技术是获得高纯金属的一种重要的物理提纯技术，该技术主要是利用杂质元素在固液两相中溶解度不同而实现金属提纯，自上世纪50年代w.g.pfann发明区域熔炼技术以来，区域熔炼从理论及工艺上不断得到改进和完善，目前，区域熔炼技术的加热方式主要分为感应加热方式、电子束加热以及直流电弧等离子体加热等。
3.然而，现有的区域熔炼加热方式仍然存在一些弊端，例如：当采用感应加热方式对待提纯金属进行区熔时，一般需要使用陶瓷坩埚，因而存在坩埚污染的问题，而为了克服坩埚污染采用水冷铜坩埚时，又常常会因为感应加热温度不够导致金属的提纯效果有限；当采用电子束加热对待提纯金属进行区熔时，则需要高真空条件，难以适用不同气氛下的提纯，从而导致提纯度不够；也有研究者提出采用直流电弧等离子体加热方式进行区熔，但直流电弧等离子体却存在阴极污染的问题。


技术实现要素：

4.为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中区域熔炼装置存在加热时能量密度低、易受到污染、气氛不可调等弊端进而导致待提纯金属纯度不够的问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种射频等离子体区域熔炼提纯装置，包括：
6.水冷炉体；
7.水冷铜坩埚，其与所述水冷炉体的底部滚动连接，所述水冷铜坩埚用于放置待提纯金属，所述水冷铜坩埚的一端设置有牵引杆；
8.射频等离子枪，其设置于所述水冷炉体的顶部，所述射频等离子枪包括感应线圈、等离子体约束管和中心气体管道，所述中心气体管道同轴设置于所述等离子体约束管的内部，所述等离子体约束管同轴设置于所述感应线圈的内部，所述感应线圈通电时电离所述中心气体管道内的气体并产生等离子体火焰，所述等离子体火焰加热所述待提纯金属的一端形成熔区；
9.非接触式测温计，其设置于所述水冷炉体上，所述非接触式测温计对准所述熔区；
10.真空泵，其设置于所述水冷炉体外，所述真空泵包括进气管和排气口，所述进气管连通所述水冷炉体的内部，所述真空泵用于对所述水冷炉体抽真空；
11.驱动源，其设置于所述水冷炉体的一侧，所述驱动源连接所述牵引杆，所述驱动源带动所述水冷铜坩埚往复移动。
12.在本实用新型的一个实施例中，所述水冷炉体的底部设置有导轨，所述水冷铜坩
埚的底部设置有滑轮，所述滑轮卡设于所述导轨上。
13.在本实用新型的一个实施例中，所述水冷炉体上设置有密封套筒，所述牵引杆穿设于所述密封套筒，所述牵引杆的自由端设置有齿条。
14.在本实用新型的一个实施例中，所述驱动源为电动机，所述电动机的输出端设置有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿条啮合。
15.在本实用新型的一个实施例中，所述水冷炉体包括水冷腔体，所述水冷腔体设置有进水口和出水口。
16.在本实用新型的一个实施例中，所述水冷铜坩埚设置有冷却水进口软管和冷却水出口软管，所述冷却水进口软管和所述冷却水出口软管均连通外部水冷机。
17.在本实用新型的一个实施例中，所述射频等离子枪与所述水冷炉体通过法兰连接。
18.在本实用新型的一个实施例中，所述水冷铜坩埚为长条状，所述水冷铜坩埚的长度方向与所述导轨的长度方向保持一致。
19.在本实用新型的一个实施例中，所述导轨设置有多组，所述滑轮也设置有多组，单组所述滑轮设置有多个。
20.在本实用新型的一个实施例中，所述进气管设置有滤网。
21.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
22.本实用新型所述的一种射频等离子体区域熔炼提纯装置，通过真空泵将水冷炉体内的空气排除，并向等离子体约束管与中心气体管道之间的空隙通入惰性气体对炉体内循环洗气，确保炉体内为高纯气氛环境，还可通过中心气体管道通入惰性气体、中性气体(氮气等)、氧化性气体(氧气等)、还原性气体(氢气等)或者他们之间按一定比例的混合气体，然后射频等离子枪电离从中心气体管道通入的气体产生高温等离子体火焰，熔化水冷铜坩埚内的待提纯金属某一区域并形成熔区，同时非接触式测温计对熔区进行测温并调节射频等离子枪的功率，使得等离子体火焰与熔区之间保持最佳距离，从而能够实现熔区在特定温度下的熔炼，之后，驱动源带动水冷铜坩埚在导轨上沿一定方向移动，熔区也随之移动，熔区从待提纯金属的一端移动到另一端，完成一次区域熔炼，且根据所需纯度可进行多道次区域熔炼提纯，这种装置以射频等离子体作为加热源，等离子体温度可达7000k以上，能量密度高，并能够根据实际需求采用不同的熔炼气氛，当气体为惰性或中性气体时，所产生的高温等离子体有利于去除饱和蒸汽压高的杂质元素，当气体为氧化还原性气体时，等离子体火焰中包含的高反应活性离子或原子(如：氢离子，氢原子)与金属熔体中气体杂质元素(氧、氮、硫等)快速反应，形成便于去除的挥发性物质，更有利于金属的提纯，同时可以避免出现直流电弧等离子体存在阴极污染的问题。
附图说明
23.为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
24.图1为本实用新型射频等离子体区域熔炼提纯装置的整体结构示意图；
25.图2为图1所示射频等离子体区域熔炼提纯装置的俯视图；
26.图3为图1所示射频等离子体区域熔炼提纯装置中射频等离子枪的结构示意图。
27.说明书附图标记说明：1、水冷炉体；101、水冷腔体；102、进水口；103、出水口；2、水冷铜坩埚；201、牵引杆；202、齿条；203、冷却水进口软管；204、冷却水出口软管；3、射频等离子枪；301、感应线圈；302、等离子体约束管；303、中心气体管道；4、非接触式测温计；5、真空泵；501、进气管；502、排气口；6、驱动源；7、导轨；8、滑轮；9、密封套筒；10、滤网；11、等离子体火焰；12、熔区；13、待提纯金属。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
29.参照图1和图3所示，本实用新型提供了一种射频等离子体区域熔炼提纯装置，包括：
30.水冷炉体1；
31.水冷铜坩埚2，其与水冷炉体1的底部滚动连接，水冷铜坩埚2用于放置待提纯金属13，水冷铜坩埚2的一端设置有牵引杆201；
32.射频等离子枪3，其设置于水冷炉体1的顶部，射频等离子枪3包括感应线圈301、和中心气体管道303，中心气体管道303同轴设置于等离子体约束管302的内部，等离子体约束管302同轴设置于感应线圈301的内部，感应线圈301通电时电离中心气体管道303内的气体并产生等离子体火焰11，等离子体火焰11加热待提纯金属13的一端形成熔区12；
33.非接触式测温计4，其设置于水冷炉体1上，非接触式测温计4对准熔区12；
34.真空泵5，其设置于水冷炉体1外，真空泵5包括进气管501和排气口502，进气管501连通水冷炉体1的内部，真空泵5用于对水冷炉体1抽真空；
35.驱动源6，其设置于水冷炉体1的一侧，驱动源6连接牵引杆201，驱动源6带动水冷铜坩埚2往复移动。
36.实际操作时，由以下步骤展开：
37.步骤一：采用真空泵5对水冷炉体1抽真空至1
×
10-3
pa，对炉体充高纯氩气(99.9999％)或根据需求通入其它类型气体，如此循环若干次，排除炉体内的空气；
38.步骤二：对水冷炉体1通冷却水；
39.步骤三：对射频等离子枪3通入高频交变电流，产生射频等离子体火焰11，待提纯金属棒13的一端在等离子体火焰11的加热作用下形成熔区12；
40.步骤四：驱动源6带动牵引杆201移动，水冷铜坩埚2及待提纯金属棒13以某一速率移动，当熔区12从待提纯金属棒13的一端运动到另一端时，完成一次区域熔炼提纯；
41.步骤五：重复步骤四若干次，获得所需要的金属纯度。
42.综上所述，这种射频等离子体区域熔炼提纯装置，通过真空泵5将水冷炉体1内的空气排除，用于熔炼期间保持炉体内压力恒定，并向等离子体约束管302与中心气体管道303之间的空隙通入惰性气体对炉体内循环洗气，确保炉体内为高纯气氛环境，还可通过中心气体管道303通入惰性气体、中性气体(氮气等)、氧化性气体(氧气等)、还原性气体(氢气等)或者他们之间按一定比例的混合气体，然后射频等离子枪3电离从中心气体管道303通入的气体产生高温等离子体火焰11，熔化水冷铜坩埚2内的待提纯金属13某一区域并形成熔区12，同时非接触式测温计4对熔区12进行测温并调节射频等离子枪3的功率，使得等离
子体火焰11与熔区12之间保持最佳距离，从而能够实现熔区12在特定温度下的熔炼，之后，驱动源6带动水冷铜坩埚2在导轨7上沿一定方向移动，熔区12也随之移动，熔区12从待提纯金属13的一端移动到另一端，完成一次区域熔炼，且根据所需纯度可进行多道次区域熔炼提纯，这种装置以射频等离子体作为加热源，等离子体温度可达7000k以上，能量密度高，并能够根据实际需求采用不同的熔炼气氛，当气体为惰性或中性气体时，所产生的高温等离子体有利于去除饱和蒸汽压高的杂质元素，当气体为氧化还原性气体时，等离子体火焰11中包含的高反应活性离子或原子(如：氢离子，氢原子)与金属熔体中气体杂质元素(氧、氮、硫等)快速反应，形成便于去除的挥发性物质，更有利于金属的提纯，同时可以避免出现直流电弧等离子体存在阴极污染的问题。
43.具体的，等离子体约束管302通入等离子体约束管302，可避免其受熔化；待提纯金属13以金属棒的形式最好，方便其移动过程中的全部区熔以保证提纯度；非接触式测温计4可以为红外测温计，以实现对熔区12的远距离测温以调整射频等离子枪3的高度；水冷铜坩埚2为业界公知的一种技术手段，利用水冷铜坩埚2代替传统的陶瓷坩埚，可以避免金属熔池同坩埚壁的接触，从而消除坩埚材料对金属熔池的污染，同时，在熔炼过程中，非金属杂质会上浮到熔池表面，然后被坩埚壁所粘连，能够起到一定的提纯作用，且水冷铜坩埚2的耐受温度极高，适用于超高温环境下的区域熔炼；射频等离子枪3的内部安装感应线圈301，感应线圈301连接射频电源时会产生高频交变电流，电离气体可形成等离子体火焰11，等离子体火焰11对金属棒加热，形成熔区12，更多的，感应线圈301是管式螺旋线圈或平面螺旋线圈。
44.进一步的，水冷炉体1的底部设置有导轨7，水冷铜坩埚2的底部设置有滑轮8，滑轮8卡设于导轨7上。
45.具体的，滑轮8的设计保证水冷铜坩埚2带动其内放置的待提纯金属13能够始终沿着导轨7的方向定向移动，并在驱动源6和牵引杆201的作用下逐渐熔炼整个长度的金属，更多的，可在导轨7的首尾两端设置挡块和到位传感器，以限制水冷铜坩埚2的往复移动。
46.进一步的，水冷炉体1上设置有密封套筒9，牵引杆201穿设于密封套筒9，牵引杆201的自由端设置有齿条202。
47.具体的，牵引杆201始终沿水平方形移动，并与密封套筒9的内壁紧贴，可以保证水冷炉体1内的密封性，牵引杆201的一端与水冷铜坩埚2的外壁套接，可采用套环加轴的设计，即在坩埚的外壁设置一牵引轴，牵引杆201的一端设置套设于牵引轴的圆环，能够在保证对水冷铜坩埚2的牵引的同时防止坩埚移动过程中的跳动对牵引杆201的干涉。
48.进一步的，驱动源6为电动机，电动机的输出端设置有驱动齿轮，驱动齿轮与齿条202啮合。
49.具体的，利用驱动齿轮和齿条202移动啮合的方式，电动机的转轴和驱动齿轮同步，可以通过设定电动机转速与齿条202行进距离的关系来设置水冷铜坩埚2的移动速度，更多的，可以在齿条202和电动机之间设置减速齿轮箱，以保护电动机并根据需要进一步降低牵引杆201对水冷铜坩埚2的牵引速率。
50.进一步的，水冷炉体1包括水冷腔体101，水冷腔体101设置有进水口102和出水口103。
51.具体的，整个水冷炉体1的外壁向内设置等厚的水冷腔体101，该水冷腔体101只在
各个安装件部位形成局部阻隔，水冷腔体101的左右侧上方分别设置进水口102和出水口103，并用于外接冷却水系统，冷却水将射频等离子体火焰11辐射产生的热量快速带走，以保证炉体外壁始终保持在室温，可保护外部操作人员，更多的，可以在炉体外壁设置水温表伸入水冷腔体101内，以对炉体的水冷系统进行实时监测，有利于及时进行检修。
52.进一步的，水冷铜坩埚2设置有冷却水进口软管203和冷却水出口软管204，冷却水进口软管203和冷却水出口软管204均连通水冷腔体101。
53.具体的，冷却水进口软管203和冷却水出口软管204的设计可以保证水冷铜坩埚2在移动过程中不会对其移动产生阻碍，水冷铜坩埚2单独设置一组外接的水冷系统以保证与水冷炉体1的冷却保持独立，二者可单独冷却不受影响。
54.进一步的，射频等离子枪3与水冷炉体1通过法兰连接。
55.具体的，射频等离子枪3由内向外依次设置中心气体管道303、等离子体约束管302和感应线圈301，感应线圈301设置于中心气体管道303内外侧，等离子体约束管302和中心气体管道303均可外接气源，等离子体约束管302的长度大于中心气体管道303，感应线圈301则对应设置于下部，等离子体约束管302内始终通入惰性气体以实现对管道内壁的隔热保护，中心气体管道303内通入气体可以实现电离形成等离子体火焰11，用于熔炼提纯，可以想象到的是，射频等离子枪3的上部密封，其下部枪口部位通过法兰连通炉体的内部，由此能够实现很好的固定和密封作用。
56.进一步的，水冷铜坩埚2为长条状，水冷铜坩埚2的长度方向与导轨7的长度方向保持一致。
57.具体的，水冷铜坩埚2的容纳腔应能够放置长条状金属棒，使得待提纯金属棒13能够沿其长度方向实现区域熔炼，更有利于金属棒的提纯。
58.进一步的，导轨7设置有多组，滑轮8也设置有多组，单组滑轮8设置有多个。
59.具体的，多组导轨7和滑轮8的设计可以保证水冷铜坩埚2在移动过程中的稳定性。
60.进一步的，进气管501设置有滤网10。
61.具体的，进气管501设置滤网10可避免水冷炉体1内的粉尘进入真空泵5，起到保护真空泵5的作用。
62.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。