一种双区加热真空感应单晶炉制造技术

本实用新型专利技术涉及定向凝固技术，具体地说是一种用于定向凝固及单晶生长的真空感应单晶炉。包括隔热挡板、感应线圈、水冷环，加热装置为双区加热结构，由上下石墨发热体构成，热电偶置于上、下石墨发热体之间，上、下石墨发热体高度比为２～５，上、下石墨发热体均加设热电偶，接信号至控温仪表，水冷环为具有３～５匝螺旋型筒状结构，装在加热装置下部、于结晶器外侧，水冷环与加热装置之间安放环状、三层钼片相间结构的隔热挡板。本实用新型专利技术具有温度梯度高的特点。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及定向凝固技术，具体地说是一种用于定向凝固及单晶生长的真空感应单晶炉。
技术介绍
定向凝固技术不仅是生产纵向性能较优材料的基本手段，也是研究凝固理论和研制新材料的重要方法。因此，定向凝固技术在材料科学与工程领域受到密切关注，并且得到广泛的应用。各国都非常重视定向凝固技术的应用与研究，因而对定向凝固设备就提出了更高的要求。定向凝固方法及装置主要有功率降低法(PD法)、高速凝固法(HRS法)和液态金属冷却法(LMC法)。其中PD法设备复杂，温度梯度较低，能耗大；LMC法的装置冷却速度得以提高，温度梯度较大，但工艺复杂；HRS法工艺相对简单，易于控制，是目前工业上单晶及定向凝固铸件生产的主要方法。HRS法的主要设备是定向凝固炉或者称为单晶炉，其中的一个关键指标是温度梯度，温度梯度高，生产效率就高，样品或铸件的性能就提高。传统的单晶炉采用单区加热，温度梯度较低，约20～40K/cm；而现有刚玉环档板隔热效果差；冷却采用单匝水冷环，冷却效果不好；感应线圈采用一种规格，不能满足多种容量坩埚的需求。由上述原因造成温度梯度较低。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种温度梯度高的双区加热真空感应单晶炉。本技术的技术方案是采用加料测温室、装有加热装置、坩埚的熔炼室、锭模室三个真空室，配有高、低两套包括罗茨泵、机械泵的真空系统，还包括结晶器、扩散泵，其中熔炼室接加料测温室，并经扩散泵与罗茨泵、机械泵相连，锭模室安装在熔炼室下方，与罗茨泵、机械泵相连，锭模室下设置抽拉机构，加热装置接控温仪表，浇口杯位于加热装置上方，坩埚外设感应线圈；其特征是还包括隔热挡板、感应线圈、水冷环，加热装置为双区加热结构，由上、下石墨发热体构成，热电偶置于上、下石墨发热体之间，上、下石墨发热体高度比为2～5，上、下石墨发热体均加设热电偶，接信号至控温仪表，水冷环为具有3～5匝螺旋型筒状结构，装在加热装置下部、于结晶器外侧，水冷环与加热装置之间安放环状、三层钼片相间结构的隔热挡板。所述感应线圈为4kg，10kg，25kg三种规格；加热装置中上、下石墨发热体的内径可为φ250mm、φ280mm或φ300mm。本技术具有如下优点1.本技术采用双区加热，及新型隔热档板和水冷环，有利于提高温度梯度。其中由上、下石墨加热体提供双区加热，获得均匀温度场；由于隔热挡板采用螺旋型紫铜隔板结构，具有很好的隔热效果，水冷环的吸热面积是现有技术中的3～5倍，单位时间冷却水的容积是现有技术中的2倍以上，水流速快，冷却效果有很大提高。由于上述改进措施，温度梯度由通常的40～60K/cm提高到90～100K/cm。2.本技术采用三个真空室，可以连续作业，与现有技术相比能提高生产效率。3.本技术利用数据自动采集和处理系统，数据可靠，可实时控制凝固过程。附图说明图1为本技术结构示意图。图2为本技术实施例获得的一个样品照片。图3为图1中水冷环结构示意图。图4为图1中隔热挡板结构示意图。具体实施方式下面结合实例详述本技术。本技术采用加料测温室14、装有加热装置、坩埚2的熔炼室、锭模室10三个真空室，配有高、低两套包括罗茨泵11、机械泵12的真空系统，还包括结晶器9、扩散泵17，其中熔炼室1接加料测温室14，并经扩散泵17与罗茨泵11、机械泵12相连，锭模室10安装在熔炼室1下方，与罗茨泵11、机械泵12相连，13为锭模室10下设置的抽拉机构，加热装置接SR52控温仪表实现自动控制，控制温差±1℃，坩埚2外设感应线圈15，浇口杯3位于加热装置上方；还包括隔热挡板8、感应线圈15、水冷环16，加热装置为双区加热结构，由上、下石墨发热体5、7构成，热电偶6置于上、下石墨发热体5、7之间，用于测量炉膛温度，上、下石墨发热体5、7高度比为2～5，上、下石墨发热体5、7均加设钨-铼5/26热电偶测温，接信号至控温仪表，水冷环1 6具有3～5匝螺旋型筒状结构，装在加热装置下部、于结晶器9外侧，水冷环16与加热装置之间安放环状、三层钼片81相间设置结构的隔热挡板8。加热装置中上下区石墨发热体5、7的内径可为φ250mm(或为φ280mm或φ300mm)；熔炼系统采用可控硅电源，功率100kw，频率2500Hz，所述感应线圈15为4kg，10kg，25kg三种规格，以适应不同坩埚2容量的需要。采用微机系统对温度参数进行实时数据采集和处理，进而控制凝固过程。如图3所示，所述水冷环16设有进、出水口164、165，由内套161、外套163和隔板162组成，其中隔板162为螺旋型，设在内套161和外套163之间，固连在一起；另外，外套163上分别设有进水口164和出水口165。所述水冷环16的工作原理是通过隔热板8置于保温炉热区的出口处，用所述水冷环16上的进水口164、出水口165的铜管固定在炉壁上，铸件4在凝固过程中，从热的保温区逐渐移出，进入水冷环16内套161内壁形成的冷却区，本水冷环16离铸件4很近，铸件4的热量直接辐射于水冷环16的内套161上，被水冷环16内套161、外套163中的循环水将热量带走(其中单位时间冷却水的容积是现有技术中的2倍以上，水流速快，冷却效果有很大提高)，移出水冷环16，至凝固炉底，铸件凝固过程完成。本技术采用所述水冷环，温度梯度较单圈水冷环时提高了近1倍，温度梯度由通常的40～60K/cm提高到90～100K/cm。如图4所示，所述隔热挡板8包括石墨毡82，还包括作为档板的三层钼片81，所述三层钼片81为环状，通过钼螺栓83依次排列设置，每二层钼片81之间留有空间，石墨毡82位于第二～三层钼片81之间的空间里，第三层钼片81通过石墨环安放在水冷环16上。本技术采用的隔热挡板8具有很好的隔热效果。由于将钼片81与石墨毡82结合起来使用，钼片81为隔热材料，能在高温下表面有较强的金属光泽，反射辐射热的效果较好，另外，采用三层钼片81对辐射热进行隔离，在第二层和第三层之间以石墨毡82来填充，由于石墨毡82的隔热性，即使有一部分热辐射到第二层钼片81上，也可通过石墨毡82达到进一步隔热的效果。为了防止钼片81在高温下翘曲造成发热体短路，利用钼螺栓83配合钼螺母来加以固定。与现有技术中刚玉环做隔热挡板相比，采用本技术时温度梯度提高了近10％。本实施例采用DD98单晶合金来制备φ16mm的试棒；其原理是上、下石墨加热体5、7采用2高度比，获得上区1500℃，下区1600℃的双区温度配比，建立均匀的温度场；在热区(为加热装置中隔热档板8以上的区域)与冷区(水冷环1 6和结晶器9)之间建立了纵向温度梯度；隔热挡板有效提高温度梯度(约80～100K/cm)；熔炼系统以40KW、2500Hz的功率将DD98合金锭熔化后，以1600℃的浇注温度把液态金属浇注到φ16mm的单晶壳型中；静置1分钟；壳型随结晶器9一起以6毫米/分钟的速度移出热区，进入冷区，铸件4实现由底部到顶部的定向凝固，生长出φ16mm的单晶；如图2所示。权利要求1.一种双区加热真空感应单晶炉，采用加料测温室(14)、装有加热装置、坩埚(2)的熔炼室、锭模室(10)三个真空室，配有高、低两套包括罗茨泵(11)、机械泵(12)的真空系统，还包括结晶器(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双区加热真空感应单晶炉，采用加料测温室（１４）、装有加热装置、坩埚（２）的熔炼室、锭模室（１０）三个真空室，配有高、低两套包括罗茨泵（１１）、机械泵（１２）的真空系统，还包括结晶器（９）、扩散泵（１７），其中：熔炼室（１）接加料测温室（１４），并经扩散泵（１７）与罗茨泵（１１）、机械泵（１２）相连，锭模室（１０）安装在熔炼室（１）下方，与罗茨泵（１１）、机械泵（１２）相连，（１３）为锭模室（１０）下设置的抽拉机构，加热装置接控温仪表，浇口杯（３）位于加热装置上方，坩埚（２）外设感应线圈（１５）；其特征是：还包括隔热挡板（８）、感应线圈（１５）、水冷环（１６），加热装置为双区加热结构，由上、下石墨发热体（５、７）构成，热电偶（６）置于上、下石墨发热体（５、７）之间，上、下石墨发热体（５、７）高度比为２～５，上、下石墨发热体（５、７）均加设热电偶，接信号至控温仪表，水冷环（１６）为具有３～５匝螺旋型筒状结构，装在加热装置下部、于结晶器（９）外侧，水冷环（１６）与加热装置之间安放环状、三层钼片（８１）相间结构的隔热挡板（８）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵乃仁，李金国，王志辉，侯桂臣，金涛，孙晓峰，管恒荣，胡壮麒，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]