專利名稱：出自開底冷坩堝感應爐的提純定向凝固物質的遠程冷卻的制作方法
技術領域：
本發明涉及出自開底冷坩堝感應爐(open bottom cold crucible induction furnace)的提純物質多晶錠的定向凝固，其中遠離該爐實現熱固體錠的冷卻。
背景技術：
諸如硅等多晶物質的電磁鑄造，可以在開底電感應冷坩堝爐中實現。原料被連續地供應到坩堝的內部容積，而且在冷坩堝中熔化，而多晶物質的凝固熱塊(mass)從該坩堝的開底中離去。典型地，多晶物質的凝固熱塊在離開電感應冷坩堝后，作為鑄造工序的不可缺少步驟被冷卻，而并不立即離開鑄造工序線。本發明的一個目的是由原料物質產生提純多晶固體錠，其中原料在開底冷坩堝感應爐中被熔化和提純，而且熱多晶固體塊從該爐的底分離，用于置入從鑄造工序線中被移走的鑄模中，從而實現鑄模中該熱多晶固體塊的定向凝固以及遠程被動冷卻，而不用外部加熱或冷卻該鑄模的進一步應用。
發明內容
本發明的一方面，是一種通過定向凝固提純晶物質的裝置和方法。固態或半固態原料在開底冷坩堝電感應爐中被熔化。熱的已提純多晶凝固物質連續地離開該爐的開底， 而且在被布置到輸送鑄模之中以及移動到遠程保存區以用于該熱的已提純多晶凝固物質的被動冷卻和定向凝固之前，可選地穿過熱調節室。本發明的上述和其它方面，在說明書和附錄的權利要求書中得到闡述。
當結合附圖時，可以更好地理解上述簡要說明，以及后續對本發明的詳細描述。為了圖示本發明，在附圖中示出本發明當前優選示范形式；然而，本發明并不局限于在下面附圖中披露的特定布置和手段。圖1示出了本發明中使用的裝置的實例。圖2示出了本發明中使用的裝置的另外實例。圖3示出了本發明中使用的裝置的另外實例。圖4用圖表示出了固態硅相對于硅溫度的熱膨脹系數的變化。
具體實施例方式在圖1中示出本發明的裝置和方法的一個實例。原料90以合適的形式從合適源被提供到電感應冷坩堝12，該電感應冷坩堝12被一或多個連接到一或多個合適的交變電流源16的感應線圈14所環繞。除了沒有底結構以阻止提純多晶物質的連續熱凝固塊從該冷坩堝底離開之外，該開底電感應冷坩堝12在結構和操作上都類似于閉底電感應冷坩堝， 比如在美國專利申請公開號No. 2005/0175064A1中所描述。最開始地，原料90可以是半固態(特別當原料物質在固態時非電傳導，在液體時電傳導，比如硅原料)，以在正離開該冷坩堝底的已提純多晶熱固體塊90b(點陰影部分)之上，建立熔化的原料90a(水平線陰影部分)通常穩定狀態凝固前沿90’。多晶熱固體塊將重力自由落體到鑄模81中。該鑄模可以具有可移動內底81a以及控制該可移動內底下降速度的動力傳動裝置92，并由此控制鑄模中多晶固態塊的垂直形成速度。感應冷坩堝的底開口可以是任意形狀，舉例，以用于產生圓柱形或長方形固體塊。填充過程中的鑄模81、填充前的鑄模81”和填充后鑄模81’，分別可以由與包含在鑄模中的物質塊90b相一致的合適襯料81b形成。熱絕緣81c可以至少圍繞該鑄模的外壁。 在本發明的一些實例中，底81a可以由承受器(sus^ptor)形成。可選地，在填充入鑄模之前，該承受器可以被恰當地加熱，比如電阻地或電感地。當多晶固體塊在鑄模81中達到期望的垂直高度時，切鋸18被起動，以穿過多晶固態塊的水平面切割。多晶固態塊的向下運動能夠以相對切鋸的切割速度足夠慢的速度被控制，從而利用該切鋸實現了對多晶固態塊的實質上水平切割。當被熱多晶固體塊填充時，如圖1中的已填充鑄模81’所示，鑄模81從爐移開，而且被熱絕緣蓋81d覆蓋，從而鑄模81中的多晶固體塊冷卻和被動地定向凝固，而不需要控制區的外部加熱或冷卻應用。多晶金屬或類金屬，比如硅，將起初在高溫(名義上對于硅為 1380°C )凝固(非結晶到結晶階段轉變)，在冷卻和定向凝固之前，它是布置在鑄模中的熱多晶固體塊。在任意物質的定向凝固過程中，最重要的是通過控制從液態到熱固態的體積轉變速率，以及接著控制鑄模中熱物質塊的冷卻(定向凝固)速度，避免從液態向內轉變為固態時由物質體積收縮所造成的“縮陷(shrink defects)”。舉例，圖4的圖表示出了固態硅關于溫度范圍的膨脹和收縮特性。可以提供熱監測系統，以監測鑄模中熱物質塊的被動冷卻速度，舉例來說，從而離開坩堝開底的提純多晶物質的熱凝固塊的溫度可以被調整，以用于最佳被動冷卻速度。舉例，熱電偶或其它溫度傳感器83可以沿著鑄模的壁高被埋，以監測鑄模的冷卻速度。只要可獲取穩定的物質原料，整個過程可以被自動化，以最小化在過程操作中所需的人工。鑄模(比如填充前鑄模81”)可以被提供到爐，而且在合適的傳輸裝置上離開該爐。傳輸裝置可以將填充后的鑄模移動到遠處的冷卻存儲區域，冷卻存儲區域自動將包含已完成冷卻過程的物質的鑄模移動到過程完成區域，舉例，進一步用于為海運的錠修邊，以及將充分純度的錠修邊屑再作為原料90回收利用。整個過程可以被自動化，以最小化在過程操作中所需的人工。在本發明的一些實例中，填充后的鑄模可以被插入在遠處區域的熱控制室或隧道，以進一步調節自鑄模中多晶塊的熱傳速度。該室或隧道可以提供被動熱控制，舉例，通過為該室或隧道添加熱絕緣物質的襯料。通常而言，鑄模填充和遠程冷卻過程并不是非常快的過程。舉例，對于具有32平方公分橫截面，以及內部高度為1米的鑄模，用多晶固態硅填充鑄模的時間可以大約為6小時。該相同硅塊在鑄模中的被動受控冷卻完成時間可以大約為36小時。在本發明的一些實例中，需要離開該冷坩堝爐的多晶固體塊的熱調節。舉例，可以如圖2所示實現，其中提供有分等級的垂直熱區域控制裝置20。在這個實例中，該區域熱源是當多晶固態塊掉入裝置20時選擇性施加到承受器21的感應電磁場。可以經由穿過感應線圈2 , 22b和22c (被熱絕緣器23與承受器分開)的電流建立該電磁場，電流由交變電流源M提供且被開關設備^a，26b和26c控制。通常而言，施加到承受器的感應熱在從裝置20項部到底部的方向上被降低，以沿著該承受器壁的高度降低溫度梯度。承受器21執行第二功能，以當穿過20時保持該多晶物質凝固塊的外壁形狀。在定向凝固過程中，雜質通常遷移到熔化物的液體物質相的頂部。在圖3中示出了本發明移除這些雜質的一個方法。在這個實例中，至少感應冷坩堝12的開口頂部被包含在密封壓力室30中，從而正(大于大氣的)壓力可以施加到熔化物90a的表面，在該表面下雜質趨于遷移。舉例，可以使用閥32，以向壓力室提供惰性氣體，它使雜質已濃縮的熔化物90a向上經過管34并且出離壓力室。在圖3示出的特定布置中，管34作為虹吸管被布置。因此，一旦壓縮氣體注入虹吸管34，室30的內部可以經由連接開啟閥32通風到大氣中且為大氣壓，而且當熔化物90a在冷坩堝中的高度達到yi時雜質已濃縮的熔化物90a虹吸排出將停止，Y1為虹吸管34在包含雜質的熔化物中的最高垂直位置。管34可以由高溫度電感應物質至少部分沿著其長度形成。如果該管由電感應物質形成，通過將該管的外部端連接到電源供應36的第一端子(而該電源供應具有連接到系統地的第二端子)，可以對該管電加熱。如果冷坩堝感應爐被系統接地，舉例，由系統接地連 1 接到該坩堝壁，穿過爐凝殼(furnaceskull)(在冷坩堝操作過程中形成的固態物質)的電感應通道以及與熔化物中管端相接觸的坩堝中熔化物，將從電源供應36 (經由系統接地返回)經過電感應管建立焦耳加熱電流，使得雜質被濃縮的熔化物流過管而不凝固(冷凝)。必須確認系統接地被安全地安裝，而且在按照如恰當標準建立的任意特定安裝中正確操作。從坩堝中拉出的雜質被濃縮的熔化物可以被送到雜質分離器，從而足夠純的原料可以自雜質中分離，而且饋回到向冷坩堝的原料供應中。雖然本發明特別適用于定向凝固硅的冷卻過程，本發明還可以應用到能夠由需要受控冷卻過程的定向凝固所提純的其它類金屬或金屬及其合金。已經根據優選實例和實施方式描述了本發明。除了這些表達陳述之外的等同物， 可替換和修改，都是可能的而且在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種來自產生于開底感應冷坩堝的熔化物的多晶物質的凝固方法，該凝固方法包括步驟在該開底感應冷坩堝的頂部提供原料；當交流電流經過圍繞該開底感應冷坩堝外部的一或多個感應線圈時，通過與原料和熔化物的組合物相結合的磁通量在該開底感應冷坩堝中形成該熔化物；在該開底感應冷坩堝的開底處，從該熔化物中形成提純多晶物質熱凝固塊的連續供應；該提純多晶物質熱凝固塊重力送料進鑄模；在該開底感應冷坩堝的開底處，從提純多晶物質熱凝固塊的連續供應中切割提純多晶物質熱凝固塊；移動該鑄模以用于鑄模中該提純多晶物質熱凝固塊的遠程定向凝固，而不用外部加熱或冷卻源的應用。
2.根據權利要求1所述的凝固方法，其中該鑄模包括可移動內底，該可移動內底與動力傳動裝置聯系，因此該動力傳動裝置控制該多晶物質熱凝固塊重力送料進該鑄模的速率。
3.根據權利要求1所述的凝固方法，其中移動該鑄模以用于鑄模中該提純多晶物質熱凝固塊的遠程定向凝固而不用外部熱源的應用的步驟進一步包括插入該鑄模到被動熱控室，以調節自該鑄模中提純多晶物質熱凝固塊的熱傳速率。
4.根據權利要求1所述的凝固方法，進一步包括在該提純多晶物質熱凝固塊重力送料進鑄模的步驟之前，在該開底感應冷坩堝的開底處對該提純多晶物質熱凝固塊的連續供應進行熱調節。
5.根據權利要求1所述的凝固方法，進一步包括通過在該開底感應冷坩堝的頂部施加正氣壓到該熔化物的表面以建立自該熔化物的虹吸流，在該熔化物中虹吸雜質的步驟。
6.根據權利要求5所述的凝固方法，其中在該熔化物中虹吸雜質的步驟進一步包括 通過連接電源供應的電不接地電勢端接子到虹吸管第二端，以及該電源供應的電接地電勢端接子到系統電氣接地，該開底感應冷坩堝連接到該系統電氣接地，對該虹吸管進行電加熱，該虹吸管具有浸入該熔化物的第一端及相對于第一端布置在該開底感應冷坩堝內部容積的外部的第二端，從而通過該虹吸管第一端與該熔化物接觸，以及該熔化物與該感應冷坩堝加熱過程中所形成的爐凝殼接觸，沿著該虹吸管的長度建立電路。
7.一種用于產生凝固多晶物質錠的系統，該系統包括 開底感應冷坩堝爐；原料提供裝置，用于向該開底感應冷坩堝爐中的熔化物提供原料； 至少一個圍繞該開底感應冷坩堝爐外部高度的感應線圈，通過與原料和熔化物的組合物磁耦合由改變該至少一個感應線圈中電流而建立的流場，在該開底感應冷坩堝爐中形成該熔化物；切鋸，用于切割從該開底感應冷坩堝爐的開底處離開的提純多晶物質熱凝固塊；以及可移動鑄模，用于安置自該開底感應冷坩堝爐的開底處被切割的提純多晶物質熱凝固塊，以及將該被切割的提純多晶物質熱凝固塊輸送到遠離該開底感應冷坩堝爐的開底的位置，用于被切割的提純多晶物質熱凝固塊的被動定向凝固。
8.根據權利要求7所述的系統，其中該可移動鑄模進一步包括至少圍繞該鑄模外壁的熱絕緣。
9.根據權利要求7所述的系統，其中該可移動鑄模進一步包括可移動內底，該可移動內底連接到用于控制該提純多晶物質熱凝固塊插入鑄模速率的動力傳動裝置。
10.根據權利要求7所述的系統，進一步包括用于插入該鑄模的被動熱控室。
11.根據權利要求7所述的系統，進一步包括承受器熱調節容器，布置在開底感應冷坩堝爐的開底以及該可移動鑄模之間，用于該提純多晶物質熱凝固塊自該開底感應冷坩堝爐的開底的通道；一或多個圍繞該承受器熱調節容器外部的感應線圈，通過感應地耦合由改變流經該一或多個感應線圈的交流電流所產生的磁通量，沿著該容器的高度建立熱梯度，從而在布置到該可移動鑄模之前該提純多晶物質熱凝固塊被熱調節。
12.根據權利要求7所述的系統，進一步包括在該開底感應冷坩堝爐開口頂部上的密封附件；具有第一和第二相對端的虹吸管，該虹吸管的第一相對端布置在該開底感應冷坩堝爐內部體積中，高度適于從該熔化物中虹吸雜質；該虹吸管的第二相對端布置在該密封附件的外部；以及構件，用于將氣體引入該密封附件中，通過施加足以建立自該開底感應冷坩堝爐的熔化物虹吸流的正氣壓到該熔化物的表面，提升該開底感應冷坩堝爐中熔化物的等級，當該正氣壓被移走時虹吸流結束而且熔化物的高度降到該虹吸管第一相對端的高度。
13.根據權利要求12所述的系統，進一步包括具有不接地電輸出端子和電接地電輸出端子的電源供應；該不接地電輸出端子連接到該虹吸管的第二相對端；和該電接地電輸出端子連接到系統接地，該開底感應坩堝連接到該系統接地，從而在操作該開底感應冷坩堝爐的過程中，當該熔化物經由圍繞該開底感應冷坩堝爐外壁形成的爐凝殼接觸該虹吸管時，電流從該電源供應流經該虹吸管。
全文摘要
固態或半固態原料在開底電感應冷坩堝爐中被熔化。定向凝固的多晶固體提純物質連續地離開該爐的底，而且在重力送料入輸送鑄模之前，可選地穿過熱調節室。在輸送鑄模填滿多晶物質以及從物質的連續供應中被切割后，提純多晶固體物質錠被傳輸到遠程保存區。該錠的冷卻在遠離該冷坩堝爐的開底處完成。
文檔編號C30B28/06GK102392296SQ20111019364
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月6日 優先權日2009年7月3日
發明者奧列格·S·菲什曼 申請人:應達公司