[实用新型]焰熔法结晶炉炉体结构

说明书

本实用新型公开一种用于合成宝石的焰熔法晶体生长炉炉体结构，炉体外壳内保温层为保温纤维棉，耐火层以石英观察窗为界分成上下两段组份不同的磷酸盐水泥，上半段充填材料为复合刚玉磷酸，下半段充填材料为复合氧化铝空心球。当刚玉结晶杆随着种晶接晶生长而下降时，炉膛内上下不同的保温性能形成适于晶体生长的温度梯度，保证了晶体内应力的减少，使得后续退火温度和时间缩短，节约了生产成本。增加石英观察窗可以减少炉膛内部热量散失，减少气流扰动，提高产品品质。

技术领域

本实用新型涉及一种焰熔法人工合成宝石装置，尤其是涉及其生长系统的结晶炉。

背景技术

随着社会的进步和科学技术的发展，人工合成宝石的方法和手段也在不断增多和更新,现今用的最为广泛的是焰熔法，焰熔法生长宝石装置由供料系统、气体燃烧系统、结晶炉体和下降系统组成。传统技术炉体为耐火砖围砌而成，耐火材料主要为刚玉砂。焰熔法除了原材料在火焰中熔化时不可能完全被熔化结晶成晶体，大约有30％的粉料损失外，缺点还有火焰气体的温度不可能控制得很稳定，由此造成的温度变化使晶体产生较大的内应力，导致晶体的位错密度较高。由于氢氧火焰温度梯度较大，造成晶体结晶层的纵向温度梯度和横向温度梯度均较大，故生长出来的宝石晶体质量欠佳，不能用于激光等要求质量很高的半导体发光器件方面。

实用新型内容

针对以上需求和对现有技术的不足之处进行改进，本实用新型提供的结晶炉炉体作用是创造一个温度保持稳定的条件，保持燃烧温度及晶体生长温度，炉膛要求流线型，便于气体流动和不积粉，使下降的梨形单晶体熔融层始终处于氢氧火焰最高温区域，也就是石英观察窗可目测区域。

为解决上述技术问题，本实用新型用于人工蓝宝石、红宝石合成的焰熔法结晶炉炉体结构，包括炉体的保温层和耐火层，还包括放置在刚玉结晶杆上的梨形单晶体以及石英观察窗。保温层为炉体外壳包覆的保温纤维棉，耐火层以石英观察窗为界分成上下两段组份不同的磷酸盐水泥，上半段充填材料为复合刚玉磷酸，下半段充填材料为复合氧化铝空心球。

通过炉体为多层圆筒壁的计算模型建立，忽略炉体外壳的热阻，将炉体当作保温层和耐火层来处理，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。耐火层上半段复合刚玉磷酸内壁模压成型为上小下大的锥孔，单边锥度4～7度,连接高度与石英观察窗目视孔径相同的扩锥孔，单边锥度16～22度；耐火层下半段复合氧化铝空心球内壁连接扩锥孔，单边脱模锥度不大于3度。

作为本实用新型的进一步改进，石英观察窗设置在炉体底部向上200～ 300mm处，便于人工目测三氧化二铝粉料撒下时的焰熔过程控制，微调氢、氧进气量之间的优化平衡。

本实用新型耐火层上下段采用不同的保温材料的结构形式，使得炉腔内上下不同的保温性能形成适于晶体生长的温度梯度，提高了单晶体成品率,保证了晶体内应力的减少，使得后续退火温度和时间缩短，节约了生产成本。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型焰熔法结晶炉炉体结构的剖面图。

具体实施方式

图1为本实用新型焰熔法结晶炉炉体结构的剖面图。法兰1是作为悬垂固定结晶炉炉体连接机架的刚性零件，粉料从上面给料系统均匀下落，经氢氧燃烧器时融化成微小液珠，温度为2500℃，高纯Al₂O₃粉末的熔点为2050℃，结晶炉的作用是保持炉腔的温度，使之缓慢下降，以便结晶生长。如果结晶炉将图1 倒置，该实施例有以下制作步骤：不锈钢圆形炉体外壳2作为模具的型腔，先将硅酸铝板材的保温纤维棉3卷入炉体外壳2，安放如图1三段锥度的金属型芯于中心且固定，侧边插入石英观察窗5直径10mm目测孔的圆抽芯；装入夯实刚玉砂+磷酸盐,高135mm+10mm，再装入夯实氧化铝空心球+氧化铝粉料,高235mm；将含高温粘接剂的保温材料烘烤定型后抽出型芯完成炉体。

生长系统由落下的粉料经过氢氧火焰熔融，并落在种晶上固结逐渐生长形成梨形单晶体6，种晶粘接在下降刚玉结晶杆8，保证起始位置能使生长晶体顶部温度高于晶体熔点而低于晶体沸点,并保证有2-3mm的熔融层。石英观察窗5 内石英片有透明度高、耐高温、便于更换的特点，可以减少炉腔内部热量散失，减少气流扰动，提高产品品质。