專利名稱：加熱難熔氧化物的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加熱難熔(耐火)氧化物的方法和裝置，較具體地，涉及加熱難熔氧化物而不降低其純度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
難熔氧化物在低溫下是絕緣體，但是當(dāng)其溫度升高到一定溫度之上時(shí)會(huì)成為導(dǎo)體。
在被稱為“渣殼”熔煉的方法中加熱和熔煉難熔氧化物是已知的。在該方法中，固態(tài)形式的難熔即高熔點(diǎn)材料容納在一水冷式似坩堝結(jié)構(gòu)中，然后通過高頻感應(yīng)加熱被直接加熱。通過冷卻材料團(tuán)的外表面，形成該材料的燒結(jié)殼或“渣殼”以密閉內(nèi)部的熔融物質(zhì)。這樣可用于鑄造、再結(jié)晶或形成晶體生成的熔體不會(huì)被污染。而且，該方法可以密閉甚至極難熔材料構(gòu)成的穩(wěn)定、無污染熔體，其中目前還不存在用于這種極難熔材料的坩堝。因此減少了以前有關(guān)密閉和污染的嚴(yán)重-如果不是不能解決的-問題。
合成高熔點(diǎn)半導(dǎo)體和使難熔氧化物如Y2O3(熔點(diǎn)2376℃)、ZrO2(熔點(diǎn)2690℃)、La2O3(熔點(diǎn)2300℃)和HfO2(熔點(diǎn)2790℃)以及混合氧化物如LaAlO3(熔點(diǎn)2100℃)、CaZrO3(熔點(diǎn)2345℃)等結(jié)晶的能力意味著可以提供如獨(dú)特的激光晶體、難熔光學(xué)元件和熔-鑄陶瓷制品的材料。美國(guó)專利No.4 049 384(Wenckus等人)公開了一種可用于這樣一種目的的冷坩堝系統(tǒng)。
渣殼熔煉技術(shù)還具有其它應(yīng)用，例如核廢料如钚和鈾氧化物的安全密閉。例如，在一已知系統(tǒng)中，利用渣殼熔煉方法將钚廢料和殘?jiān)D(zhuǎn)變?yōu)榕鸸杷猁}玻璃。
利用射頻(RF)感應(yīng)加熱的渣殼熔煉可用于熔煉極難熔的氧化物(如氧化釷、氧化鋯)，因?yàn)轭l率低至足以在裝載的材料熔化時(shí)在其內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)渦電流。使用的頻率通常在0.5-13MHz的范圍內(nèi)，優(yōu)選地大于3.8MHz。渦電流抵抗材料的阻抗，并通過I2R焦耳加熱產(chǎn)生熱量。雖然溫度上限僅由可利用的輸入功率的量和坩堝的熱力學(xué)特性決定，但是渣殼熔煉具有一固有的溫度下限。
不能在不使用引發(fā)劑的情況下在低于氧化物的從絕緣體向?qū)w轉(zhuǎn)化的溫度時(shí)使用渣殼熔煉。引發(fā)劑通常為金屬盤或存在于化合物成分中的金屬或石墨的碎片。引發(fā)劑提高坩堝內(nèi)裝載物的局部溫度。在一定溫度下待熔化材料變得具有足夠的傳導(dǎo)性以便在材料中發(fā)生“渦電流”感應(yīng)加熱。
這種渣殼熔煉存在兩個(gè)主要的缺陷。首先，在使用引發(fā)劑處，雜質(zhì)被引入待熔化的難熔氧化物。其次，如果熔體的溫度下降到低于一定溫度，裝載物可能無法與RF配合并將迅速冷卻。雖然提高溫度較容易，但是熔體的控制冷卻實(shí)際上很困難。
在其它方法中，利用在極高頻率如915MHz和2450MHz下的微波加熱加熱氧化物是已知的，其中2450MHz是工業(yè)和家用微波爐最常用的頻率。某些氧化物需要利用感受器(反應(yīng)劑)如碳化硅、石墨或氧化鋁預(yù)熱至300℃-500℃以開始微波加熱。美國(guó)專利No.4 219 361(Sutton等人)公開了一種提高氧化物對(duì)微波加熱的感受性的方法。
微波加熱某些氧化物的缺陷是，一旦這些氧化物開始直接吸收微波能量，它們的微波感受性將以指數(shù)形式增加。這會(huì)導(dǎo)致被稱為“熱失控”的不可控制的溫度上升。這會(huì)導(dǎo)致破裂、不良的粒度、設(shè)備損壞以及不同程度的多孔性。另一個(gè)問題在于由于頻率很高，微波的滲透限于幾十微米數(shù)量級(jí)的厚度。用微波電加熱較大的導(dǎo)體產(chǎn)生極薄的加熱表層，而內(nèi)部保持完全是冷的。最終，被反射的功率產(chǎn)生電弧并可能損壞設(shè)備。因此，關(guān)于微波加熱氧化物的現(xiàn)有技術(shù)主要用于燒結(jié)而不是熔煉。
本發(fā)明尋求通過至少基本克服上述方法中的缺陷而改善難熔氧化物的加熱。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明包括一種加熱難熔氧化物材料的方法，所述方法包括應(yīng)用高頻電場(chǎng)以加熱所述難熔氧化物材料以及應(yīng)用磁場(chǎng)以加熱所述難熔氧化物材料，所述高頻電場(chǎng)將所述難熔氧化物材料基本加熱至這樣的溫度范圍，即在該溫度范圍內(nèi)所述難熔氧化物材料經(jīng)歷從絕緣體到導(dǎo)體的電阻率變化，所述磁場(chǎng)在所述變化期間和/或之后感應(yīng)地加熱所述難熔氧化物材料。
優(yōu)選地，將所述高頻電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)通過一諧振結(jié)構(gòu)施加到所述難熔氧化物材料上。
優(yōu)選地，通過該諧振結(jié)構(gòu)施加的頻率在第一頻率范圍內(nèi)實(shí)行，然后降低到第二頻率范圍，在第一頻率范圍內(nèi)基本由電場(chǎng)進(jìn)行加熱，在第二頻率范圍內(nèi)基本由磁場(chǎng)進(jìn)行加熱。
優(yōu)選地，所述第一頻率范圍為13MHz-42MHz的范圍。
優(yōu)選地，所述第二頻率范圍為0.5MHz-13MHz的范圍。
優(yōu)選地，在一實(shí)施例中，將所述難熔氧化物材料保持在一容器中，并且通過兩個(gè)連接到電路上的間隔開的板將所述高頻電場(chǎng)基本施加到所述難熔氧化物材料上，并通過環(huán)繞(圍繞)所述容器的RF線圈施加所述磁場(chǎng)。
優(yōu)選地，在另一實(shí)施例中，將所述難熔氧化物材料保持在一非法拉第容器中，并且通過環(huán)繞所述非法拉第容器的RF線圈施加所述高頻電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)。
在一實(shí)施例中，所述方法優(yōu)選地用于制造人造(合成)寶石。
在另一實(shí)施例中，所述方法優(yōu)選地用于使危險(xiǎn)的或其它廢料玻璃化。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明包括一種用于加熱難熔氧化物材料的坩堝裝置，所述坩堝裝置包括用于支承所述難熔氧化物材料的裝置，用于將高頻電場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置和用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置。
優(yōu)選地，所述坩堝裝置包括一諧振結(jié)構(gòu)。
在一實(shí)施例中，所述坩堝裝置優(yōu)選地包括一適于保持所述難熔氧化物材料的容器，并且所述用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置為環(huán)繞所述容器的RF線圈。
優(yōu)選地，所述坩堝裝置連接到一可變頻率發(fā)生器上。
優(yōu)選地，所述可變頻率發(fā)生器適于施加0.5MHz-42MHz范圍內(nèi)的頻率。
優(yōu)選地，所述用于施加高頻電場(chǎng)的裝置包括兩個(gè)連接到電路上的間隔開的板。
優(yōu)選地，所述兩個(gè)間隔開的板之間的電容可以可變地調(diào)節(jié)。
優(yōu)選地，所述兩個(gè)間隔開的金屬板中的至少一個(gè)是水冷式的。
優(yōu)選地，所述坩堝裝置包括用于感知(檢測(cè))所述難熔氧化物材料的溫度的傳感裝置，所述傳感裝置可操作地連接到一控制裝置上，該控制裝置相應(yīng)于感知到的溫度改變由所述可變頻率發(fā)生器施加的頻率。
優(yōu)選地，所述用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置適于以0.5MHz-13MHz范圍內(nèi)的頻率加熱所述難熔氧化物材料。
優(yōu)選地，所述用于將電場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置適于以13MHz-42MHz范圍內(nèi)的頻率加熱所述難熔氧化物材料。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述坩堝優(yōu)選地包括一適于保持所述難熔氧化物材料的非法拉第容器，并且所述用于將電場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置為環(huán)繞所述非法拉第容器的RF線圈，所述用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置為所述RF線圈。


現(xiàn)在將結(jié)合

本發(fā)明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的坩堝裝置的示意性正視圖。
圖2為圖1所示坩堝裝置的示意性電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1和2描述了用于難熔氧化物加熱和熔煉的坩堝1。將坩堝1安裝到由例如特氟綸(聚四氟乙烯)和高密度聚乙烯的材料制成的絕緣架(未示出)上，以使坩堝1與地面絕緣。
坩堝1包括一容器3，該容器3坐靠在基板4上并由頂板5覆蓋。
一常規(guī)的水冷式RF線圈6環(huán)繞容器3并適于通過以通常在0.5MHz-13MHz的范圍內(nèi)的頻率向放置在容器1內(nèi)的氧化物施加磁場(chǎng)而感應(yīng)地加熱該氧化物。
基板4和頂板5形成電路的一部分，在該電路中這些板作為電容器板以便向容器3及其容納物施加電場(chǎng)。基板4呈中凹形(碟形)且為水冷式的。冷水能夠經(jīng)由入口9進(jìn)入基板4并經(jīng)由出口10流出?；?的中凹形構(gòu)形允許容器3內(nèi)的熔融樣品冷卻。頂板5也是水冷式的并且其中具有一孔20。
另一激勵(lì)線圈2環(huán)繞RF線圈6且可操作地連接到圖1中未示出的可變頻率發(fā)生器8上。
在本實(shí)施例的一簡(jiǎn)化說明中，基板4和頂板5以電容器的形式使用，且適于以通常在13MHz-40MHz的范圍內(nèi)的頻率加熱放置在容器1中的難熔氧化物材料。
首先，電場(chǎng)通過由極化和弛豫過程以及偶極運(yùn)動(dòng)在最初為非導(dǎo)體(絕緣體)的氧化物內(nèi)產(chǎn)生的熱損耗而提供電介質(zhì)加熱過程。當(dāng)頂板5和基板4連接到為一高頻電源的頻率發(fā)生器8上時(shí)在兩極之間會(huì)產(chǎn)生交流(振蕩)電場(chǎng)。該交流電場(chǎng)首先沿一個(gè)方向然后沿另一方向極化難熔氧化物材料內(nèi)的原子、分子、載荷子和運(yùn)動(dòng)物質(zhì)。沿給定方向進(jìn)行該極化所需的能量的任何差異都表現(xiàn)為熱量。“絕緣體”(本實(shí)例中是指難熔氧化物材料)的容量-此處為熱容量-與“損耗因子”或損耗正切有關(guān)。損耗因子越高，加熱效果越好。
當(dāng)難熔氧化物材料內(nèi)的溫度升高時(shí)，將達(dá)到難熔氧化物材料將在其中經(jīng)歷從絕緣體到導(dǎo)體的電阻率變化的溫度范圍。在此階段，難熔氧化物將繼續(xù)由RF線圈6以常規(guī)方式施加的磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)熱加熱。
為了實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的結(jié)合以加熱放置在容器3內(nèi)的難熔氧化物材料，需要改變應(yīng)用在作為諧振結(jié)構(gòu)的坩堝1上的頻率。圖2示意性地示出連接到可變頻率發(fā)生器8上的RF線圈6、底板4和頂板5。優(yōu)選地，發(fā)生器的頻率適于在0.5MHz和40MHz之間變化。
在實(shí)施的試驗(yàn)中，加熱粉末形式的ZrO2、CeO2、Al2O3、SiO2和TiO2或包含這些物質(zhì)的混合物或化合物。為了加熱樣品，同時(shí)應(yīng)用電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并且RF發(fā)生器8的頻率優(yōu)選地大于25MHz，且可高達(dá)約40MHz。在此頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)足以加熱非導(dǎo)體(絕緣體)狀態(tài)下的難熔氧化物。當(dāng)樣品的溫度增加并達(dá)到(電阻率)變化階段時(shí)，頻率可降低到大約10MHz，在此情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都起作用以加熱難熔氧化物材料。當(dāng)溫度繼續(xù)上升且難熔氧化物材料的性能改變成基本為導(dǎo)體的性能時(shí)，改變頻率發(fā)生器8將頻率大幅降低至0.5MHz，并通過感應(yīng)過程繼續(xù)加熱難熔氧化物。從上述可以看出，較高的頻率有利于電場(chǎng)加熱，而較低的頻率有利于感應(yīng)加熱。
上述坩堝裝置和方法的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的微波裝置固定為對(duì)感應(yīng)之前的電介質(zhì)加熱有利的約2450MHz的高頻時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體在較高頻率下將變成磁場(chǎng)的完全反射體。就此而言，通過提供在大約25-40MHz的范圍內(nèi)的開始頻率以由電場(chǎng)進(jìn)行加熱，可以隨后將頻率可變地降低到感應(yīng)加熱在其中非常有效的大約0.5-4MHz的范圍。
當(dāng)使用上述方法和加熱裝置時(shí)，已發(fā)現(xiàn)如TiO2、CeO2和ZrO2的難熔氧化物將自發(fā)引發(fā)，因此不需要引發(fā)劑。然而，對(duì)于具有太低的損耗因子的材料(如Al2O3和SiO2)，可以將一鉬棒或鎢棒暫時(shí)放入頂板5的孔20中，以引發(fā)帶電的等離子體放電，這在樣品的中央形成熔融的放電管狀部?？梢栽?熔化)開始后立即取走金屬棒，從而不會(huì)污染樣品。
基板4和頂板5以及位于它們之間的線圈6的布置使得產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)效應(yīng)最大。
當(dāng)在最簡(jiǎn)化的形式中可以通過手工調(diào)節(jié)而改變頻率時(shí)，應(yīng)該理解的是，在未示出的另一實(shí)施例中，坩堝可包括一用于感知所述難熔氧化物材料的溫度的傳感裝置，該傳感裝置可操作地連接到一控制裝置如一電控單元(ECU)上，該控制裝置相應(yīng)于感知到的溫度改變所述可變頻率發(fā)生器施加的頻率。
本發(fā)明優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的渣殼熔煉的一優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)保持在容器3內(nèi)的難熔氧化物材料的加熱被意外中斷或停止時(shí)，可以容易地重新開始加熱。
在另一未示出的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的加熱裝置包括與上述實(shí)施例中的線圈6類似的RF線圈，該線圈連接到同樣與上述實(shí)施例中的可變頻率發(fā)生器8類似的可變頻率發(fā)生器上。然而，在該實(shí)施例中，該RF線圈環(huán)繞一“非法拉第容器”，即或者一非金屬容器例如陶瓷容器，或者某一不能屏蔽電場(chǎng)的其它容器。在本說明書中，“非法拉第容器”是指由不干涉穿透該容器的RF輻射的材料或結(jié)構(gòu)組成的容器。當(dāng)將難熔氧化物材料放入這樣一個(gè)非法拉第容器時(shí)，在頻率很高即為13-42MHz時(shí)，將以電介質(zhì)方式進(jìn)行加熱。這是在如此高的頻率下在這樣一個(gè)線圈周圍存在很強(qiáng)的電場(chǎng)的結(jié)果。使用時(shí)，最初可通過施加范圍為13-42MHz的高頻而對(duì)放入非法拉第容器的難熔氧化物進(jìn)行電介質(zhì)加熱。一旦開始熔煉，頻率便可降低至0.5-13MHz的范圍內(nèi)，從而主要通過磁場(chǎng)感應(yīng)效應(yīng)加熱難熔氧化物。
如同上述實(shí)施例，該未示出的加熱裝置也可包括一用于感知材料溫度的傳感裝置，該裝置可相應(yīng)于感知的溫度改變所述可變頻率發(fā)生器施加的頻率。
有很多商業(yè)應(yīng)用需要加熱難熔氧化物。這樣一種應(yīng)用為制造人造寶石例如紅寶石、藍(lán)寶石、立方體氧化鋯等，所有這些都能夠通過本發(fā)明的方法和裝置制造。
此外，本發(fā)明的方法和裝置可用于消除危險(xiǎn)的廢物，例如包括至少部分難熔氧化物材料的放射性廢物。這種危險(xiǎn)的廢物包括可加熱變成半熔(玻璃)狀以易于搬運(yùn)和處理的石棉纖維/水泥。應(yīng)該理解的是，本發(fā)明還可用于各種其它廢料如飛塵、污水污泥、廢電池等的玻璃化。這種玻璃化允許加熱的材料形成固體塊以便于搬運(yùn)，或者被回收以用于其它目的。
在此所用的術(shù)語“包括”表示“包含”或“具有”的含義，而不是只有“僅由......組成”的含義。
權(quán)利要求
1.一種加熱難熔氧化物材料的方法，所述方法包括應(yīng)用高頻電場(chǎng)來加熱所述難熔氧化物材料以及應(yīng)用磁場(chǎng)來加熱所述難熔氧化物材料，所述高頻電場(chǎng)將所述難熔氧化物材料基本加熱至這樣的溫度范圍，即在該溫度范圍內(nèi)所述難熔氧化物材料經(jīng)歷從絕緣體到導(dǎo)體的電阻率變化，所述磁場(chǎng)在所述變化期間和/或之后感應(yīng)地加熱所述難熔氧化物材料。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述高頻電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)通過一諧振結(jié)構(gòu)施加到所述難熔氧化物材料上。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過該諧振結(jié)構(gòu)施加的頻率在第一頻率范圍內(nèi)實(shí)行，然后降低到第二頻率范圍，在第一頻率范圍內(nèi)基本由電場(chǎng)進(jìn)行加熱，在第二頻率范圍內(nèi)基本由磁場(chǎng)進(jìn)行加熱。
4.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一頻率范圍為13MHz-42MHz的范圍。
5.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二頻率范圍為0.5MHz-13MHz的范圍。
6.一種如權(quán)利要求1所述的加熱難熔氧化物材料的方法，其特征在于，將所述難熔氧化物材料保持在一容器中，并且通過兩個(gè)連接到電路上的間隔開的板將所述高頻電場(chǎng)基本施加到所述難熔氧化物材料上，并通過環(huán)繞所述容器的RF線圈施加所述磁場(chǎng)。
7.一種如權(quán)利要求1所述的加熱難熔氧化物材料的方法，其特征在于，將所述難熔氧化物材料和一非法拉第容器保持在一起，并且通過環(huán)繞所述非法拉第容器的RF線圈施加所述高頻電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)。
8.一種如權(quán)利要求1所述的加熱難熔氧化物材料的方法，其特征在于，所述方法用于制造人造寶石。
9.一種如權(quán)利要求1所述的加熱難熔氧化物材料的方法，其特征在于，所述方法用于使危險(xiǎn)的或其它廢料玻璃化。
10.一種用于加熱難熔氧化物材料的坩堝裝置，所述坩堝裝置包括用于支承所述難熔氧化物材料的裝置，用于將高頻電場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置和用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置。
11.一種如權(quán)利要求10所述的坩堝裝置，其特征在于，所述坩堝裝置包括一諧振結(jié)構(gòu)。
12.一種如權(quán)利要求10所述的坩堝裝置，其特征在于，所述坩堝裝置包括一適于保持所述難熔氧化物材料的容器，并且所述用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置為環(huán)繞所述容器的RF線圈。
13.一種如權(quán)利要求12所述的坩堝裝置，其特征在于，所述坩堝連接到一可變頻率發(fā)生器上。
14.一種如權(quán)利要求13所述的坩堝裝置，其特征在于，所述可變頻率發(fā)生器適于施加0.5MHz-42MHz范圍內(nèi)的頻率。
15.一種如權(quán)利要求10所述的坩堝裝置，其特征在于，所述用于施加高頻電場(chǎng)的裝置包括兩個(gè)連接到電路上的間隔開的板。
16.一種如權(quán)利要求15所述的坩堝裝置，其特征在于，所述兩個(gè)間隔開的板之間的電容可以可變地調(diào)節(jié)。
17.一種如權(quán)利要求15所述的坩堝裝置，其特征在于，所述兩個(gè)間隔開的金屬板中的至少一個(gè)是水冷式的。
18.一種如權(quán)利要求13所述的坩堝裝置，包括用于感知所述難熔氧化物材料的溫度的傳感裝置，所述傳感裝置可操作地連接到一控制裝置上，該控制裝置相應(yīng)于感知到的溫度改變由所述可變頻率發(fā)生器施加的頻率。
19.一種如權(quán)利要求10所述的坩堝裝置，其特征在于，所述用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置適于以0.5MHz-13MHz范圍內(nèi)的頻率加熱所述難熔氧化物材料。
20.一種如權(quán)利要求10所述的坩堝裝置，其特征在于，所述用于將電場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置適于以13MHz-42MHz范圍內(nèi)的頻率加熱所述難熔氧化物材料。
21.一種如權(quán)利要求10所述的坩堝裝置，其特征在于，所述坩堝包括一適于保持所述難熔氧化物材料的非法拉第容器，并且所述用于將電場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置為環(huán)繞所述非法拉第容器的RF線圈，所述用于將磁場(chǎng)施加到所述難熔氧化物材料上的裝置為所述RF線圈。
全文摘要
一種加熱難熔氧化物材料的方法，包括應(yīng)用一高頻電場(chǎng)以加熱該難熔氧化物材料以及應(yīng)用一磁場(chǎng)以加熱該難熔氧化物材料。所述高頻電場(chǎng)將所述難熔氧化物材料充分加熱至這樣的溫度范圍，即在該溫度范圍內(nèi)所述難熔氧化物材料經(jīng)歷從絕緣體到導(dǎo)體的電阻率變化。所述磁場(chǎng)在所述變化期間和/或之后感應(yīng)地加熱所述難熔氧化物材料。
文檔編號(hào)H05B6/02GK1711803SQ200380103327
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者M·G·塔爾納夫斯基 申請(qǐng)人:液體制陶技術(shù)有限公司