專利名稱：一種單晶提拉爐及其利用單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金制造領(lǐng)域，具體的說，涉及一種經(jīng)過改進(jìn)的單晶提拉爐及其利用單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法。
背景技術(shù)：
合金的顯微結(jié)構(gòu)由多個(gè)晶相組成，各個(gè)晶相相互緊密連接成一個(gè)整體，合金的整體熱膨脹系數(shù)、βχ和導(dǎo)熱系數(shù)與各單個(gè)晶相的熱膨脹系數(shù)、β,和導(dǎo)熱系數(shù)ι 的關(guān)系為
k^i^u-ki(3)
α,是整體或平均線膨脹系數(shù)；
β}是整體或平均體積熱膨脹系數(shù)； 是晶相i的體積熱膨脹系數(shù)； 是晶相i的線膨脹系數(shù)；
W1 是晶相i的重量分?jǐn)?shù)； p:是晶相i的密度；
是體積模數(shù)或體積彈性率
km 是合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)；
h 是合金中晶相i的熱傳導(dǎo)系數(shù)；
Oi 是合金中晶相i的體積分?jǐn)?shù)； :取值在+1與一 1之間
(參考《硅酸鹽物理化學(xué)》，中國建筑工業(yè)出版社，1980年7月第一版)
3從式(1)、(2)、(3)可以看出合金的整體熱膨脹系數(shù)、βγ和導(dǎo)熱系數(shù)J^a由各單個(gè)
晶相的熱膨脹系數(shù)、β,和導(dǎo)熱系數(shù)決定?？梢酝ㄟ^由具有不同熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系
數(shù)的兩種晶相或多種晶相形成合金的方法得到某種合金材料，使這種材料具有中間數(shù)值的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)及其它物理化學(xué)特性。如圖2所示，是具有一個(gè)低共熔點(diǎn)的鋁一娃二元相圖，當(dāng)熔體的組成遠(yuǎn)離低共熔點(diǎn)對應(yīng)的組成且冷卻速度不是足夠的快時(shí)(如熔體的體積足夠大)，熔體會(huì)先按照平衡或近平衡析晶的方式析晶，濃度高于低共熔點(diǎn)對應(yīng)濃度的組分先析晶，當(dāng)熔體濃度達(dá)到低共熔組成時(shí)，兩種組分同時(shí)析出。當(dāng)熔體的組成不是低共熔點(diǎn)對應(yīng)的組成且體積足夠大時(shí)，整個(gè)熔體同時(shí)冷卻不可能形成均勻的合金結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)離低共熔點(diǎn)組成的體積足夠大的熔體要能形成整體均勻的整塊合金，用整個(gè)熔體同時(shí)冷卻的方法是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楹茈y使整個(gè)大熔體的各個(gè)部分同時(shí)快速冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種經(jīng)過改進(jìn)用于制造二元或多元合金的單晶提拉爐。本發(fā)明的目的之二在于提供一種利用改進(jìn)的單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法。本發(fā)明目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種單晶提拉爐，包括下部的爐室和上部的副爐室，所述副爐室上方設(shè)置有提拉頭，該提拉頭通過鋼絲繩連接有夾頭，所述爐室內(nèi)設(shè)置有石墨加熱器、保溫筒、坩堝和上保溫筒， 所述石墨加熱器位于保溫筒內(nèi)，該石墨加熱器內(nèi)設(shè)置有坩堝，所述保溫筒上方設(shè)置有上保溫筒，該上保溫筒，所述上保溫筒內(nèi)設(shè)置有隔熱罩，該隔熱罩內(nèi)設(shè)置有冷卻氣噴嘴系統(tǒng)，所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)由進(jìn)氣管、環(huán)形管和噴嘴組成，所述環(huán)形管位于隔熱罩底部，該環(huán)形管由進(jìn)氣管聯(lián)通，所述環(huán)形管上分布有噴嘴，該噴嘴傾斜向上設(shè)置朝向爐室的中心線；所述副爐室下端連接有水冷套。隔熱罩、水冷套、冷卻氣噴嘴系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)了沾取后的快速冷卻，沾取一冷卻的不斷循環(huán)使大體積的二元或多元金屬及非金屬熔體冷卻為整體結(jié)構(gòu)均勻的二元或多元合金錠。上述水冷套側(cè)壁為中空結(jié)構(gòu)，整個(gè)側(cè)壁形成環(huán)形的空腔，水冷套設(shè)置有與側(cè)壁內(nèi)環(huán)形的空腔相通的進(jìn)水口和出水口，所述水冷套為耐高溫不銹鋼材料制成。水冷套在使用時(shí)，通入冷卻水進(jìn)行循環(huán)。上述水冷套內(nèi)壁對稱布置有4塊止晃片，該止晃片傾斜向上設(shè)置。止晃片能起到防止合金錠大幅度晃動(dòng)的作用。上述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)內(nèi)環(huán)形管對稱連接有兩根進(jìn)氣管，該環(huán)形管上均勻分布有4 個(gè)噴嘴，所述兩兩噴嘴對稱設(shè)置于兩根進(jìn)氣管兩側(cè)；所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)由耐高溫雙面拋光不銹鋼管焊接而成。整個(gè)冷卻氣噴嘴系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局合理，冷卻均勻。上述所述上保溫筒上端面設(shè)置有上蓋板，所述隔熱罩為上端直徑大，下端直徑小的漏斗形，該隔熱罩上端固定在上蓋板上，所述隔熱罩采用整體成型的膨化石墨或碳纖維材料制成。隔離開，合金錠部分的熱量。
本發(fā)明目的之二是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種利用單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法，其關(guān)鍵在于所述夾頭上固定的晶種通過放肩到達(dá)合金錠目標(biāo)直徑后，快速浸入下方坩堝的合金熔體中并快速提至噴嘴上方，通過置于熔體上方的水冷套、冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)的噴嘴噴出的冷卻氣及隔熱罩使沾取在合金錠下方的薄層熔體快速冷卻至低共熔溫度以下的溫度而迅速固化，已沾取的薄層合金熔體完全固化并達(dá)到比低共熔溫度低300-400°C的溫度范圍時(shí)，開始下一個(gè)沾取合金熔體并快速冷卻的過程；通過沾取一冷卻的不斷循環(huán)積累得到大體積的二元或多元合金錠。 由于每次只沾取薄薄的一層合金熔體，薄且量也少，通過冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)、隔熱罩、水冷套共同作用，快速(20秒以內(nèi))冷卻到達(dá)低共熔溫度以下，使得熔體各組分來不及單獨(dú)析出晶體，就快速凝固了，這樣就得到了在每一個(gè)細(xì)小的區(qū)域都非常均勻的合金，如鋁一硅合金、銅一鎢合金、鋁一鐵一鎳合金、鋁一硅一碳合金等。有益效果本發(fā)明在常規(guī)單晶提拉爐的基礎(chǔ)上，增設(shè)了水冷套、隔熱罩、冷卻氣噴嘴系統(tǒng)，再運(yùn)用到生產(chǎn)合金的領(lǐng)域，生產(chǎn)中利用沾取薄薄的一層合金熔體，再快速冷卻的不斷沾取-冷卻循環(huán)的方法，得到整體結(jié)構(gòu)均勻，在每一個(gè)細(xì)小的區(qū)域都非常均勻的合金，并且能夠積累得到大體積二元或多元合金錠。


圖1為本發(fā)明中單晶提拉爐的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為鋁-硅二元相圖3為本發(fā)明中隔熱罩的示意圖； 圖4為本發(fā)明中水冷套的示意圖； 圖5為圖4的A-A剖視圖6為本發(fā)明在已凝固的合金錠下端每次沾取的薄層熔體示意圖； 圖7為已凝固的合金錠沾取熔體時(shí)下浸位置示意圖； 圖8實(shí)施例得到的鋁-硅二元合金(80%Si、20%Al)顯微結(jié)構(gòu)照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，一種單晶提拉爐，由下部的爐室和上部的副爐室 2構(gòu)成，所述副爐室2上方設(shè)置有提拉頭1，提拉頭1下部設(shè)置有冷卻氣進(jìn)氣口。該提拉頭1 通過鋼絲繩18連接有夾頭3，爐室下部開有抽氣口，爐室旁邊設(shè)置有輻射高溫計(jì)10。所述爐室內(nèi)設(shè)置有石墨加熱器11、保溫筒9、坩堝13和上保溫筒8，所述石墨加熱器11位于保溫筒 9內(nèi)，該石墨加熱器11內(nèi)設(shè)置有坩堝13，坩堝13可為石英坩堝、碳化硅坩堝、氧化鋁坩堝， 坩堝13由下軸12支撐。所述保溫筒9上端設(shè)置有蓋板14，保溫筒9上方設(shè)置的上保溫筒 8固定在蓋板14上，所述上保溫筒8內(nèi)設(shè)置有隔熱罩7，該隔熱罩7內(nèi)設(shè)置有冷卻氣噴嘴系統(tǒng)，所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)由進(jìn)氣管6、環(huán)形管22和噴嘴19組成，所述環(huán)形管22位于隔熱罩 7底部，該環(huán)形管22由進(jìn)氣管6聯(lián)通，所述環(huán)形管22上分布有噴嘴19，該噴嘴19傾斜向上設(shè)置朝向爐室的中心線；所述副爐室2下端連接有水冷套5。
進(jìn)一步由圖4、圖5可知，水冷套5側(cè)壁為中空結(jié)構(gòu)，整個(gè)側(cè)壁形成環(huán)形的空腔，水冷套5設(shè)置有與側(cè)壁內(nèi)環(huán)形的空腔相通的進(jìn)水口如和出水口 5b，所述水冷套5為耐高溫不銹鋼材料制成。所述水冷套5內(nèi)壁對稱布置有4塊止晃片20，該止晃片20傾斜向上設(shè)置。止晃片20的間距比合金錠目標(biāo)直徑大10 — 20mm，止晃片20的傾斜角度為15 — 45度， 長度50— 200mm，寬度30— 50mm，厚度0. 5—Imm ；水冷套5的內(nèi)徑比合金錠的目標(biāo)直徑大 50-100mm,其它尺寸按不妨礙安裝和操作過程中對爐內(nèi)觀察的原則確定。冷卻氣噴嘴系統(tǒng)內(nèi)環(huán)形管22對稱連接有兩根進(jìn)氣管6，該環(huán)形管22上均勻分布有 4個(gè)噴嘴19，所述兩兩噴嘴19對稱設(shè)置于兩根進(jìn)氣管6兩側(cè)；所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)由耐高溫雙面拋光不銹鋼管焊接而成。相對噴嘴(19)之間距離比合金錠目標(biāo)直徑大40— 50mm， 噴嘴(19)的傾斜角度為45度；冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)使用外徑8 — 15mm內(nèi)徑6 — 13mm的耐高溫雙面拋光不銹鋼管焊接而成；冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)懸掛在單晶爐的爐蓋上，氣管穿過爐蓋與外部供氣系統(tǒng)相連接，通氬氣或氮?dú)庾骼鋮s氣。上保溫筒8上端面設(shè)置有上蓋板15，進(jìn)一步由圖3可看出，所述隔熱罩7為上端直徑大，下端直徑小的漏斗形，該隔熱罩7上端固定在上蓋板15上，所述隔熱罩7采用整體成型的膨化石墨或碳纖維材料制成。隔熱罩7下部開口直徑比合金錠目標(biāo)直徑大20—30mm， 壁厚約為40-80mm，其余尺寸以不妨礙操作過程中對合金錠的觀察為宜。隔熱罩7、冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)的環(huán)形管22、水冷套5均為同心設(shè)置。如圖6、圖7、圖8所示，一種利用單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法，
按配比準(zhǔn)備好金屬或非金屬，先將料裝入坩堝13內(nèi)，蓋上隔熱罩7和已安裝好冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)及水冷套5的爐蓋，在夾頭下端裝入晶種17，蓋上副爐室2，然后開始抽真空、化料、穩(wěn)定溫度等步驟。當(dāng)溫度穩(wěn)定到比合金熔體13的平衡析晶溫度高20— 30度時(shí)，下降晶種與熔體接觸并使提拉頭1以10—15rpm的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)加熱器設(shè)定溫度使熔體溫度降低并穩(wěn)定到比合金熔體13的平衡析晶溫度低10 — 20度的范圍內(nèi)熔體開始在晶種下端結(jié)晶，調(diào)節(jié)加熱器設(shè)定溫度使熔體在晶種下端的結(jié)晶以適當(dāng)?shù)乃俣乳L大，當(dāng)結(jié)晶直徑接近合金錠目標(biāo)直徑時(shí)打開晶升開關(guān)提拉結(jié)晶區(qū)域，通過控制提拉速度和溫度設(shè)定將晶體直徑穩(wěn)定到合金錠的目標(biāo)直徑。當(dāng)從熔體中拉出的晶錠長度達(dá)到5—IOmm且直徑穩(wěn)定到合金錠目標(biāo)直徑時(shí)將晶錠迅速提拉出熔體并提升到噴嘴19上方40—50mm的位置，晶錠被噴嘴19中噴出的冷卻氣迅速冷卻到比合金熔體的低共熔溫度低300-400°C的溫度范圍內(nèi)。將前述操作得到的晶錠迅速下降并浸入熔體，下浸到晶錠直徑等于目標(biāo)直徑的最低位置與熔體表面接觸如圖7所示時(shí)停止下浸并迅速將晶錠提起到下端在噴嘴19上方 40—50mm的位置，晶錠下端沾取的合金熔體如圖6所示被噴嘴19中噴出的冷卻氣體迅速耗時(shí)約20秒冷卻到比合金熔體的低共熔溫度低300-400° C的溫度范圍內(nèi)，進(jìn)入下一個(gè)沾取一冷卻循環(huán)。沾取一冷卻循環(huán)可以手動(dòng)方式完成也可以自動(dòng)控制方式完成。圖8是使用本發(fā)明的方法制造的鋁一娃合金80%Si、20%Al顯微結(jié)構(gòu)照片，圖中灰色部分為硅相。
權(quán)利要求
1.一種單晶提拉爐，包括下部的爐室和上部的副爐室(2)，所述副爐室(2)上方設(shè)置有提拉頭(1 )，該提拉頭(1)通過鋼絲繩(18)連接有夾頭(3)，所述爐室內(nèi)設(shè)置有石墨加熱器 (11)、保溫筒(9)、坩堝(13)和上保溫筒(8)，所述石墨加熱器(11)位于保溫筒(9)內(nèi)，該石墨加熱器(11)內(nèi)設(shè)置有坩堝(13)，所述保溫筒(9)上方設(shè)置有上保溫筒(8)，其特征在于 所述上保溫筒(8)內(nèi)設(shè)置有隔熱罩(7)，該隔熱罩(7)內(nèi)設(shè)置有冷卻氣噴嘴系統(tǒng)，所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)由進(jìn)氣管(6)、環(huán)形管(22)和噴嘴(19)組成，所述環(huán)形管(22)位于隔熱罩(7) 底部，該環(huán)形管(22)由進(jìn)氣管(6)聯(lián)通，所述環(huán)形管(22)上分布有噴嘴(19)，該噴嘴(19) 傾斜向上設(shè)置朝向爐室的中心線；所述副爐室(2)下端連接有水冷套(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單晶提拉爐，其特征在于所述水冷套(5)側(cè)壁為中空結(jié)構(gòu)，整個(gè)側(cè)壁內(nèi)形成環(huán)形的空腔，水冷套(5)設(shè)置有與側(cè)壁內(nèi)環(huán)形的空腔相通的進(jìn)水口 (5a)和出水口(5b)，所述水冷套(5)為耐高溫不銹鋼材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種單晶提拉爐，其特征在于所述水冷套(5)內(nèi)壁對稱布置有 4塊止晃片(20 )，該止晃片(20 )傾斜向上設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單晶提拉爐，其特征在于所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)內(nèi)環(huán)形管 (22)對稱連接有兩根進(jìn)氣管(6)，該環(huán)形管(22)上均勻分布有4個(gè)噴嘴(19)，所述兩兩噴嘴(19)對稱設(shè)置于兩根進(jìn)氣管(6)兩側(cè)；所述冷卻氣噴嘴系統(tǒng)由耐高溫雙面拋光不銹鋼管焊接而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單晶提拉爐，其特征在于所述所述上保溫筒(8)上端面設(shè)置有上蓋板(15)，所述隔熱罩(7)為上端直徑大，下端直徑小的漏斗形，該隔熱罩(7)上端固定在上蓋板(15)上，所述隔熱罩(7)采用整體成型的膨化石墨或碳纖維材料制成。
6.一種利用權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法，其特征在于所述夾頭(3)上固定的晶種(17)通過放肩到達(dá)合金錠目標(biāo)直徑后，快速浸入下方坩堝(13)的合金熔體中并快速提至噴嘴(19)上方，通過置于熔體上方的水冷套(5)、冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)的噴嘴(19)噴出的冷卻氣及隔熱罩(7)使沾取在合金錠下方的薄層熔體快速冷卻至低共熔溫度以下的溫度而迅速固化，已沾取的薄層合金熔體完全固化并達(dá)到比低共熔溫度低300-400°C的溫度范圍時(shí)，開始下一個(gè)沾取合金熔體并快速冷卻的過程；通過沾取一冷卻的不斷循環(huán)積累得到大體積的二元或多元合金錠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單晶提拉爐，上保溫筒內(nèi)設(shè)置有隔熱罩，隔熱罩內(nèi)設(shè)置有冷卻氣噴嘴系統(tǒng)，所述副爐室下端連接有水冷套。同時(shí)公開了利用單晶提拉爐制造二元或多元合金的方法，晶體通過置于熔體上方的水冷套、冷卻氣體噴嘴系統(tǒng)及由隔熱保溫材料制成的隔熱罩使沾取在合金錠下方的薄層熔體快速冷卻至低共熔溫度以下的溫度區(qū)而固化。已沾取的薄層熔體完全固化并達(dá)到比低共熔溫度低300-400oC的溫度范圍時(shí)，開始下一個(gè)沾取熔體并快速冷卻的過程。通過沾取—冷卻的不斷循環(huán)得到二元或多元合金。本發(fā)明在常規(guī)單晶提拉爐的基礎(chǔ)上，增設(shè)了水冷套、隔熱罩、冷卻氣噴嘴系統(tǒng)，制造的合金錠在每一個(gè)細(xì)小的區(qū)域都非常均勻的合金，并且能夠積累得到大體積二元或多元合金錠。
文檔編號C30B29/52GK102206854SQ20111013498
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者程川 申請人:程川