[实用新型]带有辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备

说明书

所属技术领域

本实用新型涉及一种冷坩埚真空感应熔炼设备，尤其是带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备。

技术背景

冷坩埚真空感应熔炼技术(以下简称为“感应冷坩埚技术”或“坩埚技术”)是当代最于先进的熔炼技术，它用金属(大多为紫铜)坩埚代替陶瓷材料坩埚，在熔炼过程中炉料呈悬浮或半悬浮状态，所以这种技术不仅排除了熔炼过程中气氛和加热源对炉料的污染，而且完全排除了坩埚材料的污染，可以熔炼对纯度要求特别高的产品，可以熔炼特别活泼材料。

为防止金属坩埚本身被熔化，坩埚必须用水或其它冷却剂冷却，冷却剂总是要带走大量的热量。所以，冷坩埚技术消耗的能量比普通感应熔炼技术要高得多，而且炉料的温度很难超过2000℃。难熔金属和合金的熔点一般都在2000～3400℃，用单纯的感应冷坩埚技术熔炼这些材料几乎是不可能的。

另一方面，虽然用电弧熔炼技术、等离子熔炼技术、电子束熔炼技术和激光束技术(以下统称“能量束技术”)可以熔炼难熔金属和合金，但是它们都要求使用水冷铜坩埚，因为在超过这些材料熔点的温度下无法使用耐火材料坩埚。无论是电弧、等离子束、电子束还是激光束(以下统称“能量束”)，它们的加热范围都非常局限，所以在能量束聚焦的位置炉料能够熔化，但是当能量束转移到其它位置，熔化其它位置的炉料时，在强烈水冷的条件下，刚刚熔化的炉料立即就凝固了。因此，用能量束技术熔炼难熔金属和合金时，难以得到成分准确、均匀，材质致密的产品。

除了温度问题之外，用感应冷坩埚技术熔炼半导体材料(例如Si)也存在困难，因为这种材料在室温不导电，感应电源无法将它们加热。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提供一种冷坩埚真空感应熔炼设备的辅助热源装置，解决感应冷坩埚技术难以熔炼难熔金属和合金，无法熔炼在室温不导电的半导体材料等问题，本实用新型为冷坩埚真空感应熔炼设备配备了以能量束作为辅助热源的装置，使感应冷坩埚技术的熔炼温度能够超过3000℃，使这种技术的熔炼对象扩大到难熔金属和合金以及半导体材料，而且熔炼效果优于其它熔炼技术的效果。本实用新型中提到的能量束熔炼技术是指非自耗电弧熔炼技术、等离子束熔炼技术、电子束熔炼技术和激光熔炼技术等。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：在普通冷坩埚真空感应熔炼设备的基础上装设能量束发射装置，形成辅助热源。

普通冷坩埚真空感应熔炼设备由冷坩埚(01)、感应圈(02)、真空室(03)、高频或中频感应电源(04)、真空-充氩系统(05)、控制柜(06)和冷却系统(07)等七部分组成(图1)。炉料置于冷坩埚中，由电源送达感应圈的高频或中频电流所产生的电磁场穿过坩埚壁加热炉料产生熔炼作用。坩埚用金属材料制备，一般都是用紫铜。电磁场能穿过金属坩埚壁的原因在于坩埚分瓣，它有若干平行于坩埚轴的缝隙。为了使坩埚在熔炼温度下不熔化，坩埚壁始终处于强烈水冷的条件之下。

冷坩埚技术的特点在于：在坩埚、感应圈和电源得到合理设计的条件下，炉料熔体能处于悬浮或半悬浮状态。如果在熔炼过程中熔体同坩埚保持密切接触，大量的热量被冷却液带走，熔炼过程将无法持续进行。悬浮技术使炉料免除了坩埚材料的污染，能够获得纯度极高的产品。

冷坩埚技术的另一个特点在于作为加热源的电磁场，其作用范围是整体的，而且能产生强烈的搅拌作用，所以炉料是整体熔化、整体悬浮、整体搅拌。这个条件是获得成分准确、均匀，材质致密的产品所必须的。

但是，在水冷的作用下实现整体高温所需要的功率供应必然非常大。所以，在一般的功率条件下，感应冷坩埚技术很难达到2000℃以上的温度。

能量束技术的特点是温度高，它们能够实现5000℃甚至数万度的温度，所以用这些技术可以熔炼各种难熔金属，包括熔点为3400℃的钨。在使用水冷铜坩埚这一点上，它们与感应冷坩埚技术相同。但是，他们的熔炼热源能量束是集中的，所以炉料的熔化范围是局部的。前面已经指出，当能量束转移到其它位置，熔化其它位置的炉料时，刚才熔化的炉料就立即凝固，无法实现整体熔化状态。因此，用能量束技术进行熔炼时，难以得到成分准确、均匀，材质致密的产品。