CN100385191C - 一种制备氧化镁晶体的控温电弧炉 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶体制备装置技术领域，涉及到一种制备氧化镁晶体的电熔装置，特别涉及到一种制备氧化镁晶体的控温电弧炉。本发明通过对保温材料，水冷设备，感温探头和计算机控制技术的综合运用来产生适宜晶体生长的温度场。依靠探头采集的数据和预先设定的温度场方程，计算机发出冷却机构和电弧功率和位置的控制信号并送到相应的执行机构，完成对炉内温度场的调节。本发明的效果和益处是依据本发明设计的电弧炉能够大幅度提高氧化镁晶体的产量和质量，同时提高了电能的利用率有效地降低了成本。另外，该技术也可用于生产其他高温晶体。
Description
技术领域
本发明属于晶体制备装置技术领域，涉及到一种制备氧化镁晶体的电熔装置，特别涉及到一种制备氧化镁晶体的控温电弧炉。
背景技术
氧化镁晶体现已应用到许多高科技领域，如高温超导器件的薄膜生长基片、半导体材料的衬底基片、等离子显示器保护膜、高温高精度光学材料和高温坩埚材料等。在高温超导领域，氧化镁晶体作为薄膜生长基片和半导体材料的衬底驻基片同其它材料相比(如砷化镓、金刚石、白蓝宝石等)具有明显的价格优势，且性能良好。我国虽然具有菱镁矿石储量大的资源优势，但国内氧化镁工业的现状还比较落后，主要是以生产低端初级产品为主，精加工的高端产品还主要依靠进口。氧化镁晶体属于氧化镁高端产品中的高级产品，科技含量高，附加值大。因此高质量氧化镁晶体产品的研制和生产，对开发我国特有的资源优势有着十分重要的意义。
目前生产氧化镁晶体的主流技术是电弧炉熔融法。主要通过高温电弧作热源在原料中心形成熔体，在加热过程停止后熔体经自然冷却得到晶体。传统的电弧炉的结构较为简单，炉壳是由耐火砖与钢壳构成，电极的功率和位置控制主要是靠经验手动操作。
根据《晶体生长科学与技术》(张可从，张乐潓，科学出版社，1997)中记载，理想的加热过程既要能在原料中形成稳定的熔池，又要能使熔池保持足够长的时间以利排渣和纯化过程的进行。另外，过冷度是晶体生长的原动力，好的冷却过程必须能够在熔体中产生合适的过冷度，以利于籽晶的析出和长大。总之，晶体制备过程中的核心问题是温度场的控制问题，也就是对装置加热过程和散热过程的控制问题。
现有的电弧炉技术的主要缺点如炉壳结构过于简单，电弧的控制过程粗糙，熔体的自然冷却过程可靠性差效率低等，都造成了装置内部温度场的可控性差，从而在很大程度上制约了晶体产量和质量的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效控制晶体生长所需温度场的电弧加热装置，以解决现有技术控温能力差的问题，并提高晶体的产量和质量。
本发明技术方案的核心思想是，为了适应电弧加热的技术特点，通过对保温材料、水冷设备、感温探头和计算机控制技术的综合运用在熔体中形成水平方向等温，垂直方向自上而下递减的温度场，提供一个有利于晶体生长的温度环境。
本发明技术方案的原理是，在起弧后随着电极的缓慢提升，电极下方的熔池将在垂直方向逐渐扩大。由于距离热源最远，熔池最下端的温度将会最先达到结晶点，籽晶也是最早从这里析出并长大，为了加快籽晶的析出需要提高这一区域的过冷度。另外，最早形成的晶体必须能够导走从高温熔体中传来的热量和晶体生长过程中释放的结晶潜热才能继续长大。所以有必要在炉底引入冷却机构，以提供足够的过冷度和必要的散热手段来满足晶体生长的需要。目前认识到只有通过高温电弧热源和冷却机构的合理配合才能为晶体生长提供足够的过冷度以及充足的排渣和纯化时间，而实现这一功能的前提是要布置合适的感温装置来完成对炉内温度的实时采集。另外，在水平方向的温度梯度要尽可能小才能使晶体直径的进一步扩大成为可能，因此有必要在水平方向采取有效的保温措施。
根据以上原理给出下面的技术方案。该技术方案中的圆柱形炉壳的侧壁为中间带有气隙的双层保温材料，在内层保温材料的外表面分布有感温探头；圆柱形炉壳的底板为金属材料制成，在炉底的外表面也分布有感温探头；炉底布置有水冷装置，该装置可通过一个计算机控制的水冷装置升降机构实现与炉底的接触和分离，另外，该装置的上表面也分布有感温探头；电极控制机构能够控制电弧的位置和功率；控制计算机将根据炉温的数学模型和从感温探头中采集到的数据来控制电弧以及水冷装置的工作状态。
本发明的有益效果如下，依据本发明技术方案所设计的电弧炉能够提供适宜的晶体生长环境，大幅度提高氧化镁晶体的产量和质量，提高了电能的利用率有效地降低了成本。另外，该技术的也可以用来生长其他高温晶体。
附图说明
图1是现有电弧炉的结构示意图。
图中：1电极，2熔池，3填料，4耐火砖，5钢壳。
图2是本发明的一个具体实施方式的结构示意图。
图中：6内保温层，7气隙，8外保温层，9金属底板，10水冷装置，11冷却水进口，12冷却水出口，13升降连杆，14水冷装置升降机构，15电极控制机构，16控制计算机，17感温探头，18传感器信号线，19控制信号线。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
圆柱形炉壳的侧壁由内保温层6由镁碳砖构成，外保温层8由玻璃钢构成，两层材料之间存在有气隙7，这样的结构可以有效地防止熔体水平方向热量的散失。炉底的金属底板9为不锈钢板，该底板起到导热和支撑的双重作用。为了完成对炉内温度场的实时测量，内保温层的外表面、金属底板的下表面以及水冷装置的上表面均匀分布有感温探头17(通常每平方米设置一个)，这些探头通过传感器信号线18将所测得的温度数据送入控制计算机16。为了在炉底提供可控的散热手段，炉底下方布置有可升降的水冷装置10，其带有冷却水进口11和冷却水出口12，水冷装置升降机构14通过升降连杆13使水冷装置完成与底板的接触与分离，从而达到控制熔体中热量散失速度的目的。另外，电极控制机构15可以完成对电弧功率和位置的控制。控制计算机根据从探头中得到的温度数据和预先设定的温度场方程计算得到控制参量，在将其转化成将控制信号后通过控制信号线19送入相应的执行机构以完成对炉内温度场的控制。通过这些措施的应用可以在熔体中形成水平方向等温，垂直方向自上而下递减的温度场，从而为晶体的生长创造出一个适宜的温度环境。
在相同的原料和电能消耗的情况下，本电弧炉的晶体产量和质量较普通电弧炉都有大幅度的提高，能够在短时间内收回投资并取得良好的经济效益。
Claims (1)
1.一种制备氧化镁晶体的控温电弧炉，由炉壳，电极(1)，电极控制机构(15)，水冷装置(10)，水冷装置升降机构(14)，感温探头(17)和控制计算机(16)组成，其特征是：
(a).炉壳侧壁由内保温层(6)，外保温层(8)和它们之间的气隙(7)构成，炉壳下壁是由金属底板(9)构成；
(b).内保温层的外表面，金属底板的下表面以及水冷装置的上表面均匀分布有感温探头(17)；
(c).根据控制计算机预先设定的炉温数学模型和从感温探头中采集到的数据计算得到控制参量，并将其转化为控制信号；
(d).根据控制计算机发出的控制信号，布置在炉底的水冷装置在水冷装置升降机构(14)的驱动下实现与金属底板的接触与分离，电极由电极控制机构(15)控制电弧功率和位置。
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