專利名稱：鍺區(qū)熔提純設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種金屬材料加工裝置，尤其是一種用于金屬提純的鍺區(qū)熔提純設(shè)備。
背景技術(shù)：
鍺具有半導(dǎo)體性質(zhì)，高純度的鍺最常用在半導(dǎo)體之中，用來制造晶體管，對固體物理和固體電子學(xué)的發(fā)展有重要作用。區(qū)熔法是現(xiàn)在比較常用的金屬提純法。目前較常使用的鍺區(qū)熔提純設(shè)備是GP30-CW7型高頻感應(yīng)加熱爐，功率為30kw， 能同時滿足5個工作工位的負(fù)載要求，其工作原理是利用電磁感應(yīng)加熱原理對鍺錠進(jìn)行局部感應(yīng)加熱，通過變化的電場產(chǎn)生磁場，磁場通過石墨容器后產(chǎn)生電流，由于石墨的電阻較大，電流通過石墨時產(chǎn)生大量熱量，熱量對容器中的鍺金屬加熱，當(dāng)溫度到達(dá)937°C時，鍺金屬被熔化，通過控制加熱線圈的移動方向與速度，由于鍺金屬中的微量雜質(zhì)在液態(tài)鍺中的分配系數(shù)不同，在區(qū)域熔煉過程中，分配系數(shù)大的會富集在鍺錠的頭部；分配系數(shù)小的會富集在鍺錠的尾部，經(jīng)過多次的定向區(qū)域熔煉后，實現(xiàn)了鍺的提純，經(jīng)過對區(qū)熔完成后的鍺產(chǎn)品檢驗電阻率合格后，可得到合格的區(qū)熔鍺錠，不合格部分可返回繼續(xù)區(qū)熔?，F(xiàn)有的高頻區(qū)熔提純設(shè)備是為達(dá)到以上目的而設(shè)計的，但由于此設(shè)備采用的是 60^70年代的技術(shù)，關(guān)鍵部分技術(shù)落后，存在以下缺陷(1)設(shè)備運行中效率低，有效功率僅有50%左右，損耗大，輸入的視載功率 53 60KVA，功率因數(shù)低，COS Φ =0.67 0.77。輸出功率18-20KW，高次諧波量相對較大，高次諧波量大，對供電系統(tǒng)造成污染，升壓整流變壓器運行溫度過高，易損壞；(2)高頻電子管壽命短，隨著運行時間增加電子管發(fā)射功率隨之下降從而使高頻感應(yīng)加熱設(shè)備輸出功率不足，每批產(chǎn)品的生產(chǎn)時間延長，產(chǎn)品的單位耗電量增加；高頻電子管壽命縮短，更換快，平均使用壽命為1500小時，維護(hù)成本大；(3)高頻電子管壽命短，隨著運行時間增加電子管發(fā)射功率隨之下降從而使高頻感應(yīng)加熱設(shè)備輸出功率不足，每批產(chǎn)品的生產(chǎn)時間延長，產(chǎn)品的單位耗電量增加。高頻電子管壽命縮短，更換快，平均使用壽命為1500小時，維護(hù)成本大(電子管單價3200元)；(4)高次諧波量大，5次諧波占基波的20%左右，功率因數(shù)低約為0. 7左右；隨著連續(xù)還原爐取代原有還原爐，全廠功率因數(shù)高的用電設(shè)備負(fù)荷減少，總的功率因數(shù)將會下降， 而達(dá)不到電力部門要求功率因數(shù)COSO彡0.9水平。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的就是現(xiàn)在使用的鍺區(qū)熔提純設(shè)備的缺陷，提供一種效率高、壽命長的鍺區(qū)熔提純設(shè)備。本實用新型的鍺區(qū)熔提純設(shè)備，包括相互連接的固態(tài)高頻設(shè)備和加熱提純設(shè)備， 以及用于控制的PLC控制器，其特征在于所述的加熱提純設(shè)備由進(jìn)氣裝置、數(shù)個工作工位以及高頻區(qū)柵欄組成，工作工位與進(jìn)氣裝置連接后放置在高頻區(qū)柵欄上；工作工位包括石英管、加熱線圈、石墨舟與傳動裝置，石英管兩端固定在高頻區(qū)柵欄的工作臺上；加熱線圈與固態(tài)高頻設(shè)備連接，套在石英管上；石墨舟嵌在石英管內(nèi)；傳動裝置與加熱線圈連接，帶動加熱線圈沿石英管移動。所述的工作工位為十三個，分成上、下兩排放置，石英管管口用膠塞封閉。所述的進(jìn)氣裝置包括氣體分配器、氣體流量計以及進(jìn)氣管，進(jìn)氣管穿過膠塞固定在石英管管口 ；氣體流量計安裝在進(jìn)氣管上，統(tǒng)計進(jìn)入石英管的氣體量；氣體分配器與進(jìn)氣管連接，把成分為氫氣75%、氮氣25%的保護(hù)氣體充入石英管。本設(shè)備采用PLC精確控制，設(shè)備啟動后，通過固態(tài)高頻設(shè)備將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為300-400kHZ高頻電流，高頻電流通過加熱線圈，令加熱線圈產(chǎn)生高強度磁場， 使石墨舟產(chǎn)生大量熱量將鍺金屬加熱，當(dāng)其溫度達(dá)到937°C后，鍺金屬熔化，控制加熱線圈移動速度與方向，鍺錠中含有的雜質(zhì)與液態(tài)鍺的分配系數(shù)不同，雜質(zhì)富集在鍺錠頭部，從而達(dá)到區(qū)熔提純鍺金屬；進(jìn)氣裝置將保護(hù)氣體充入石英管中，提高區(qū)熔過程中的安全性。反復(fù)熔拉7-10次，關(guān)閉電源，通入氫氣15-60min，即可出料，送質(zhì)量檢驗。本實用新型的鍺區(qū)熔提純設(shè)備具有以下優(yōu)點(1)、與原有鍺區(qū)熔提純設(shè)備相比，采用新的提純設(shè)備，負(fù)載功率因數(shù)可接近于1， 可減少輸入功率22%—30%，減少配電容量方面投資；(2)、半導(dǎo)體器件使用壽命長，一般可達(dá)10年以上，正常維護(hù)費用低；(3)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，提純效果及表面質(zhì)量較好，因直流電壓供電平穩(wěn)、輸出功率穩(wěn)定，能穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量；(4)、采用恒功率控制，控制精確靈活，效率高；( 5 )、采用PLC控制，控制精確靈活，效率高；(6)、設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，可達(dá)0. 92以上，諧波含量小，減少了對電網(wǎng)的影響；(7)、使用安全，設(shè)計有完善的保護(hù)功能，具有高/低失鎖保護(hù)、頻率上/下限保護(hù)、 逆變過流保護(hù)、槽路過壓保護(hù)等先進(jìn)的功能，對感應(yīng)器開路、短路、打火等故障的保護(hù)更加有效，能保證設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行。本設(shè)備還具有良好的經(jīng)濟效益，按年產(chǎn)量15t計算，可節(jié)約直接成本費用234862 元/年，具體效益如下1、可減少150kVA設(shè)備容量，金屬加工車間減少負(fù)荷有功功率lOOkw，年可節(jié)約基本電費44400元；2、每臺高頻設(shè)備節(jié)電按30%計算，金屬加工車間耗電量節(jié)電30%計算 1003080kwhX 30%=300924kwh,電費按 0. 5 元 /kwh 計算，300924kwhX0. 5 元 /kwh=150462 元；3、每年可節(jié)省維護(hù)修理費約40000元左右；4、該設(shè)備共13個工作工位，每臺可替代原用設(shè)備2. 5臺。其使用4臺就能完全替代現(xiàn)有的10臺GP3(TCW7型30kw鍺區(qū)熔高頻提純設(shè)備，年度產(chǎn)量可以達(dá)到20 25t ；并且改善廠房的空間操作環(huán)境；該設(shè)備采用高電流低電壓，所以安全隱患大大降低；采用PLC中央控制，其自動化程度大幅度提高，人力資源投入減少一半以上。
圖1是本實用新型加熱提純設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實用新型加熱提純設(shè)備側(cè)面示意圖其中，高頻區(qū)柵欄1，傳動裝置2，工作臺3，石英管托環(huán)4，膠塞5，氣體流量計6，氣體分配器7，加熱線圈8，石英管9，石墨舟10，鍺金屬11。
具體實施方式
實施例1 鍺區(qū)熔提純設(shè)備，包括固態(tài)高頻設(shè)備、加熱提純設(shè)備以及PLC控制器，固態(tài)高頻設(shè)備與加熱提純設(shè)備連接，用PLC控制器控制兩個設(shè)備工作，加熱提純設(shè)備放置在高頻區(qū)柵欄1表面的工作臺3上，工作臺3長2200mm，寬1450mm，加熱提純設(shè)備由進(jìn)氣裝置以及十三個與進(jìn)氣裝置連接的工作工位組成，每個工作工位均由石英管9、石英管托環(huán)4、 加熱線圈8、石墨舟10和傳動裝置2構(gòu)成，石英管9長1500mm，兩端通過石英管托環(huán)4水平固定在工作臺3上，石英管9管口用膠塞5封閉；加熱線圈8與固態(tài)高頻設(shè)備連接后套在石英管9上，鍺金屬11放置在石墨舟10上，然后把石墨舟10嵌入石英管9內(nèi)；傳動裝置2與加熱線圈8連接，帶動加熱線圈8沿石英管9管壁移動；十三個工作工位分為上下兩排放置。進(jìn)氣裝置由氣體分配器7、氣體流量計以及進(jìn)氣管組成，進(jìn)氣管穿過膠塞5把成分為氫氣75%、氮氣25%的保護(hù)氣體充入石英管9中；氣體流量計安裝在進(jìn)氣管上，統(tǒng)計進(jìn)入每個石英管9的氣體流量；石英管9管口的進(jìn)氣管與氣體分配器7連接，由氣體分配器7統(tǒng)一分配進(jìn)入每個石英管9的保護(hù)氣體的含量。設(shè)備啟動后，用PLC控制器控制，通過固態(tài)高頻設(shè)備將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為300-400kHZ高頻電流，高頻電流通過加熱線圈8，在加熱線圈8內(nèi)產(chǎn)生高強度磁場， 使石墨舟10產(chǎn)生1000-1100°C的高溫，用傳動裝置2帶動加熱線圈8前后移動反復(fù)溶拉， 第一次溶拉推進(jìn)速度為20mm/min，融化區(qū)域為70mm，以后每次推進(jìn)速度為5 mm/min,融化區(qū)域為40-50mm，傳動裝置2帶動加熱線圈8反復(fù)溶拉7_10次后，關(guān)閉電源，再通入氫氣 15-60min,即可出料。
權(quán)利要求1.鍺區(qū)熔提純設(shè)備，包括相互連接的固態(tài)高頻設(shè)備和加熱提純設(shè)備，以及用于控制的 PLC控制器，其特征在于所述的加熱提純設(shè)備由進(jìn)氣裝置、數(shù)個工作工位以及高頻區(qū)柵欄 (1)組成，工作工位與進(jìn)氣裝置連接后放置在高頻區(qū)柵欄(1)上；工作工位包括石英管(9)、 加熱線圈(8)、石墨舟(10)與傳動裝置(2)，石英管(9)兩端固定在高頻區(qū)柵欄(1)的工作臺(3)上；加熱線圈(8)與固態(tài)高頻設(shè)備連接，套在石英管(9)上；石墨舟(10)嵌在石英管 (9)內(nèi)；傳動裝置(2)與加熱線圈(8)連接，帶動加熱線圈(8)沿石英管(9)移動。
2.如權(quán)利要求1所述的鍺區(qū)熔提純設(shè)備，其特征在于所述的工作工位為十三個，分成上、下兩排放置，石英管(9)管口用膠塞(5)封閉。
3.如權(quán)利要求1所述的鍺區(qū)熔提純設(shè)備，其特征在于所述的進(jìn)氣裝置包括氣體分配器 (7)、氣體流量計(6)以及進(jìn)氣管，進(jìn)氣管穿過膠塞(5)固定在石英管(9)管口 ；氣體流量計 (6)安裝在進(jìn)氣管上；氣體分配器(7)與進(jìn)氣管連接。
專利摘要鍺區(qū)熔提純設(shè)備，涉及一種金屬材料加工裝置，尤其是一種用于金屬提純的鍺區(qū)熔提純設(shè)備。本實用新型的鍺區(qū)熔提純設(shè)備，包括相互連接的固態(tài)高頻設(shè)備和加熱提純設(shè)備，以及用于控制的PLC控制器，其特征在于所述的加熱提純設(shè)備由進(jìn)氣裝置、數(shù)個工作工位以及高頻區(qū)柵欄組成，工作工位與進(jìn)氣裝置連接后放置在高頻區(qū)柵欄上；工作工位包括石英管、加熱線圈、石墨舟與傳動裝置，石英管兩端固定在高頻區(qū)柵欄的工作臺上；加熱線圈與固態(tài)高頻設(shè)備連接，套在石英管上；石墨舟嵌在石英管內(nèi)；傳動裝置與加熱線圈連接，帶動加熱線圈沿石英管移動。本實用新型的鍺區(qū)熔提純設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，提純效果及表面質(zhì)量較好，使用安全，還具有良好的經(jīng)濟效益。
文檔編號C22B9/02GK201942732SQ201020619238
公開日2011年8月24日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者普世坤, 朱俊, 朱知國, 蘇炳貴 申請人:云南臨滄鑫圓鍺業(yè)股份有限公司