Download to read offline
More Related Content
29288ip
- 1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН (19) KZ(13) A4 (11) 29288 (51) C30B 13/16 (2006.01) C22B 15/14 (2006.01) МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ (21) 2014/0142.1 (22) 10.02.2014 (45) 15.12.2014, бюл. №12 (76) Досмухамедов Нурлан Калиевич (KZ); Каплан Валерий (IL); Меркулова Валентина Петровна (KZ) (56) RU 2244048 C2, 10.01.2005 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ ЗОННОЙ ПЛАВКОЙ (57) Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для металлов, применяемых в области высоких технологий: микроэлектронике, нанотехнологиях, изготовлении многофункциональных сплавов с определёнными свойствами. Задачей предлагаемого изобретения является получение сверхчистых металлов зонной плавкой, отвечающих условиям их применения в области высоких технологий. Для решения поставленной задачи нагрев материала загрузки до температуры ведения процесса осуществляется токами, индуктированными в ограниченном объёме, с помощью концентрированного переменного магнитного поля, создаваемого индукционным нагревателем с магнитными кольцами. Нагрев материала ведут до температуры, превышающей на 100-150°С температуру плавления металла и выдерживают в течение 10-20 минут. Затем нагреватель двигают со скоростью 200-300 мм/час с охлаждением зоны металлического образца до температуры на 30-50°С выше температуры плавления металла и нагревом следующей зоны образца до температуры на 100- 150°С, превышающей температуру плавления металла, с повторением предыдущих операций до конца образца. (19)KZ(13)A4(11)29288
- 2. 29288 2 Развитие методов полученияи контроля металлов высокой степени чистоты (сверхчистых металлов) для естественных наук имеет первостепенное значение. При этом эксперименты должны проводиться на объектах с контролируемым составом примесей, иногда с очень малым содержанием. Не соблюдение этих условий обычно приводит к ложным выводам. По мере углубления очистки металла количественные изменения свойств переходят в качественные, причём эти границы индивидуальны для разных металлов (веществ), различных примесей и форм их присутствия. Металлы высокой степени чистоты (сверхчистые металлы) применяются в атомной, электронной, радиотехнической, полупроводниковой, радарной и др. отраслях промышленности. Одним из используемых методов получения сверхчистых металлов является зонная плавка. Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для металлов, применяемых в области высоких технологий: микроэлектронике, нанотехнологиях, изготовлении многофункциональных сплавов с определёнными свойствами. Известен способ зонной плавки и устройство для его осуществления (Патент РФ №2124078, С30В 13/18, Н05В 6/30 от 27.12.1998г.). Способ включает нагрев материала загрузки выше температуры плавления, его перемешивание, перемещение зоны расплава осуществляют электромагнитным полем, возникающими в результате его действия вихревыми токами и механическими силами и конвекцией, имеющими оптимальную направленность и исходящими от источника энергии, находящегося внутри загрузки сплошного сечения. В качестве источника электромагнитного поля, вихревых токов и механических сил используют устройства для зонной плавки, имеющие индукторы, которые при зонной плавке работают внутри участка плавки в среде расплавленного материала загрузки и являются погруженными нагревателями прямого действия. Известен способ зонной плавки и устройство для его осуществления (Патент РФ №2244048, С30В от 23.06.2000 г. - прототип). Нагрев материала загрузки до температуры ведения процесса осуществляют вихревыми токами, индуктированными в ограниченном объеме с помощью концентрированного переменного магнитного поля /потока/, направленного таким образом, чтобы создавались зоны /участки/ плавки. В качестве источника электромагнитного поля /потока/ для создания каждой зоны плавки применяют нагреватели, имеющие в своем составе одну или несколько электрических обмоток /катушек/ и магнитопровод с разрывом магнитной цепи, в котором при плавке находится контейнер с загрузкой. Задачами этого изобретения было: расширение технологических возможностей зонной плавки, повышение ее производительности и повышение кпд использования электрической энергии. Способ осуществлялся на примере образца из свинцового штабика прямоугольного сечения (0,11 × 0,10 м). Недостатком этого способа является отсутствие данных о степени очистки металла (свинца) и примесях, от которых очищался металл. Известен способ получения высококачественной меди вакуумной дуговой плавкой (Патент РФ №2156822, С22В 15/14, от 16.08.1999). Недостатком данного способа является то, что получаемая степень очистки меди даже для указанных примесей не соответствует требованиям высоких технологий (для сравнения результаты этого изобретения приведены в таблице 1). Задачей предлагаемого изобретения является получение сверхчистых металлов зонной плавкой, отвечающих условиям их применения в области высоких технологий (микроэлектроника, нанотехнологии, атомная, ракетная, радарная техника). Таким условиям отвечают металлы, имеющие чистоту 3-5 девяток после запятой. Для решения поставленной задачи нагрев материала загрузки до температуры ведения процесса осуществляется токами, индуктированными в ограниченном объёме, с помощью концентрированного переменного магнитного поля, создаваемого индукционным нагревателем с магнитными кольцами. Нагрев материала ведут до температуры, превышающей на 100-150°С температуру плавления металла и выдерживают в течение 10-20 минут. Затем нагреватель двигают со скоростью 200-300 мм/час с охлаждением зоны металлического образца до температуры на 30-50°С выше температуры плавления металла и нагревом следующей зоны образца до температуры на 100-150°С, превышающей температуру плавления металла, с повторением предыдущих операций до конца образца и быстрым возвращением индукционного нагревателя к исходному положению. Количество необходимых прогонов образца определяется природой металла, наличием примесей и требуемой чистоты. Процесс повторяют несколько раз до получения максимальной очистки исходного образца от примесей. Сконцентрированные примеси на концах образца обрезают и получают металл требуемой чистоты. Этим способом можно очистить и получить сверх чистую медь, цинк, алюминий, золото, серебро, висмут, магний, кремний, свинец, теллур, сурьму, кадмий, кальций и др. Предлагаемый способ получения сверхчистых металлов зонной плавкой осуществляется на установке с использованием кольцевого индукционного нагревателя с медной катушкой индуктивности из лучистого провода, имеющего водяное охлаждение. Установка изготавливается с возможностью прямого и обратного перемещения в горизонтальной плоскости нагревателя и источником питания, создающим магнитное поле, способствующее интенсивному перемешиванию расплавленной зоны металла и снятию характерных для зонной плавки диффузионных сопротивлений, что существенно повышает скорость и
- 3. 29288 3 эффективность процесса. Установкадля зонной плавки снабжена оптическим пирометром, установленным вертикально над кольцевым индукционным нагревателем для бесконтактного измерения температуры в линейной области испытуемого образца между соседними зонами. Установка для зонной плавки (фиг.1) включает кварцевый реактор (1), кварцевую лодочку (2), пруток меди (3), оптический пирометр (4), окно в печи для ввода оптического пирометра (5), магнитные кольца (6), трубчатая печь (7), индуктор (8), окно в индукторе для измерения температуры расплава (9), окно в печи для ввода оптического пирометра (10), ввод аргона, выход аргона (12). Примеры. Способ получения сверхчистых металлов зонной плавкой осуществляется следующим образом. В качестве исходного материала использовались прутки рафинированной меди чистотой 99,96%, длиной 800 мм, диаметром 35 мм. Исходный пруток меди весом 5-7 кг помещался в кварцевую лодочку, которая размещалась в кварцевом реакторе. В реактор постоянно подавался аргон. Скорость движения нагревателя вдоль прутка металла составляла 200-300 мм/час. Температура металла в расплавленной зоне контролировалась оптическим пирометром и поддерживалась в пределах 1180- 1230°с (что соответствует температуре превышения плавления меди на 100-150°С). После достижения указанной температуры образец выдерживался в течение 10-20 минут, затем нагреватель перемещался вдоль прутка с охлаждением его до температуры на 30-50°с выше температуры плавления металла. При этом примеси концентрировались в перегретой зоне металла (образца) и передвигались с расплавом вдоль прутка. Конечную часть прутка обрезали и получали сверхчистый металл. Количество прогонов повторялось 5 раз и получали медь чистотой три девятки после запятой - 99,999%. Эффективность предлагаемого способа подтверждается полученными результатами, представленными в таблице 1. Анализ данных таблицы 1 показывает возможность получения меди с содержанием примесей, соответствующих трём девяткам после запятой, т.е. получению сверхчистой меди. Наилучшие результаты достигаются проведением процесса при температуре выше температуры плавления меди на 150°с, выдержки зоны в течение 15 минут с последующим снижением температуры образца до 30-50°с, превышающей температуру плавления меди. Дальнейшее снижение температуры приведёт к кристаллизации металла и разрыву жидкой зоны. Таблица 1 Результаты опытов Содержание примесей, ppmУсловия опытов Bi Sb As Fe Ni Pb Cr Mn Sn Zn P Ag В Со Сумма примесей, ppm Исходная медь (Сu) 10 20 20 50 30 50 30 30 20 40 20 30 10 20 380 t> tпл. Си на 100°C, вр.10 мин 6 8 10 10 10 20 6 17 10 15 8 13 8 8 149 t > tпл. Сu на 100°C, вр. 15 мин 5 6 8 8 6 10 6 11 8 9 8 12 7 9 113 t> tпл.меди на 100°C, вр. 20 мин 5 6 6 7 6 8 5 9 7 8 7 12 6 10 102 t> tпл.меди на 150°C, вр. 10 мин nd 0,5 3,0 0,5 1,0 1,0 0,5 3,2 0,7 0,3 0,2 0,5 4,0 1,0 15,5 t> tпл.меди на 1Б0°C, вр. 15 мин nd*) nd 2,8 nd nd nd 0,1 2,9 nd nd nd nd 3,8 0,2 9,8 t> tпл.меди на 150°C, вр.20 мин nd nd 2,9 nd 0,3^ 0,1 0,2 3,0 0,1 0,1 0,15 0,2 4,0 0,3 11,45 t> tпл.меди на 200°C, вр. 10 мин 0,1 0,2 3,1 nd 0,2 0,2 0,3 3,0 0,1 0,15 0,1 0,2 4,1 0,25 12,05 t> tпл.меди на 200°C, вр.15 мин од 0,2 3,3 0,1 0,2- 0,2 0,4 3,0 0,15 0,15 0,1 0,3 4,2 0,3 13,0 t> tпл.меди на 200°с, вр. 20 0,2 0,2 ЗД 0,2 0,2 0,3 0,1 3,2 0,2 0,15 0,2 0,3 4,2 0,3 12,85
- 4. 29288 4 Содержание примесей, ppmУсловия опытовBi Sb As Fe Ni Pb Cr Mn Sn Zn P Ag В Со Сумма примесей, ppm мин По патенту №2156822 4.0 НД 7.0 нд HA 4.0 НД НД НД НД 2.0 НД НД НД 17.0 Примечание: nd*) - не обнаружено, нд - нет данных ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения сверхчистых металлов зонной плавкой, с нагревом участков материала загрузки выше температуры плавления токами, индуктированными в ограниченном объёме, с помощью концентрированного переменного магнитного поля, отличающийся тем, что начальную линейную зону металлического образца нагревают в потоке инертного газа (аргона) до температуры выше температуры плавления металла на 100-150°С, выдерживают в течение 10-20 минут, и далее индукционный нагреватель перемещают по всей длине образца с охлаждением последующей зоны до температуры, превышающей температуру плавления металла в интервале 30-50°С, и дальнейшим повторением операций до получения металла требуемой чистоты. Верстка Ж. Жомартбек Корректор К. Нгметжанова