способ плавления высокочистых материалов в двухслойном контейнере

Формула изобретения

1. Способ плавления высокочистых материалов в двухслойном контейнере, включающий загрузку в контейнер материала в виде твердой заготовки, повторяющей форму внутренней полости контейнера, при этом используют контейнер с расположенными с зазором для подачи газа наружной газонепроницаемой стенкой и внутренней пористой металлической стенкой, в зазор и через пористую стенку подают под давлением, превышающим давление внутри контейнера, газ, не взаимодействующий с пористой поверхностью и расплавом и создающий газовую прослойку между ними, и проводят плавление заготовки в присутствии газовой прослойки, при этом используют контейнер, форма которого обеспечивает подъем газа вверх по стенке без проникновения в расплав, а его пористая металлическая стенка имеет по толщине уменьшающийся размер пор к поверхности, контактирующей с расплавом, и с уменьшающимся по высоте контейнера размером пор, компенсирующим соответствующее уменьшение гидростатического давления расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористая металлическая стенка выполнена в виде металлической мембраны, обращенной рабочим слоем к расплавляемой заготовке.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что через поры внутренней стенки подают газ с комнатной температурой, охлаждающий контактирующий с ним расплав и понижающий его агрессивность.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют контейнер с формой конуса.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют контейнер, имеющий снизу форму конуса, переходящую в верхней части в цилиндр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу плавления высокочистых материалов (стекол, металлов, неметаллов) в двухслойном металлическом контейнере, предохраняющему расплав от загрязнения при взаимодействии с материалом тигля.

Проблема коррозионной стойкости материалов, особенно работающих при повышенных температурах, часто очень сложна в своем решении. Особенно сложной она является при плавлении высокочистых материалов, необходимом при получении особо чистых металлов, оптических стекол, выращивании монокристаллов.

Известны подшипники на газовой смазке [А.с. СССР № 312950, F02С 7/06. Брагин А.Н., Гаврилов С.Г. Подшипник на газовой смазке. 1971], когда контакт между трущимися деталями исключают путем создания газовой прослойки. Известен способ получения стекла методом плавающей ленты и установка для его осуществления, в которой лента стекла поддерживается воздушной подушкой [Пат.США № 3615315, С03В 18/00 кл. США 65/25 A. Michalik E.R., Misson G.W. Method and apparatus having sealing means and gaseous takeoff for float glass. 1971]. Однако этот подход применили только для снижения трения между твердыми деталями в подшипнике, а также между лентой стекла и поверхностью печи, на которую она опирается, а не для решения задачи защиты материала от взаимодействия с жидкой или газообразной агрессивной средой.

Наиболее близким по сути можно считать способ защиты внутренних поверхностей стенок емкости от отложений [А.с. СССР № 262092. С23F 14/00. Бубнов Г.А., Чепчуров Я.И., Шедько А.В. и др. Способ защиты внутренних поверхностей стенок емкости от отложений. 1970]. Чтобы не допустить осаждения твердого или вязкого продукта на стенки реактора, например, при полимеризации изопрена в каучук, внутрь емкости, изготовленной из пористого материала, подают через ее стенки не образующую отложений жидкость под давлением, превосходящим давление внутри емкости. Этот способ предусмотрен для защиты стенок от отложений, а не для защиты высокочистых расплавов от их загрязнения при взаимодействии с материалом стенок контейнера. Он не может быть использован при высоких температурах, поскольку очень сложно подобрать необходимую инертную жидкость.

Технической задачей изобретения является разработка способа плавления высокочистого материала в металлическом контейнере, обеспечивающем возможность защиты расплава от загрязнения материалом стенки контейнера.

Поставленная задача решена способом плавления высокочистых материалов в двухслойном контейнере, включающим загрузку в контейнер материала в виде твердой заготовки, повторяющей форму внутренней полости контейнера, при этом используют контейнер с расположенными с зазором для подачи газа наружной газонепроницаемой стенкой и внутренней пористой металлической стенкой, в зазор и через пористую стенку подают под давлением, превышающим давление внутри контейнера, газ, не взаимодействующий с пористой поверхностью и расплавом и создающий газовую прослойку между ними, и проводят плавление заготовки в присутствии газовой прослойки, при этом используют контейнер, форма которого обеспечивает подъем газа вверх по стенке без проникновения в расплав, а его пористая металлическая стенка имеет по толщине уменьшающийся размер пор к поверхности, контактирующей с расплавом, и с уменьшающимся по высоте контейнера размером пор, компенсирующим соответствующее уменьшение гидростатического давления расплава.

Двухслойный контейнер состоит внутренней проницаемой и наружной не проницаемой для газа стенкой, между которыми имеется зазор для подачи газа. В контейнер помещают твердую заготовку из высокочистого материала, которая повторяет форму внутренней полости контейнера. Через пористую стенку контейнера подают газ, не взаимодействующий с пористой поверхностью и расплавом и создающий газовую прослойку между ними под давлением, превышающим давление внутри контейнера. Плавление заготовки проводят в присутствии газовой прослойки, при этом используют контейнер, форма которого обеспечивает подъем газа вверх по стенке без проникновения в расплав (например, конуса или конуса, переходящего в верхней части в цилиндр). Пористая металлическая стенка имеет по толщине уменьшающийся размер пор к поверхности, контактирующей с расплавом, и с уменьшающимся по высоте контейнера размером пор, компенсирующим соответствующее уменьшение гидростатического давления расплава.

Уменьшение размера пор по толщине стенки к поверхности позволяет снизать гидравлическое сопротивление стенки. Уменьшение размера пор по высоте контейнера позволяет обеспечить более равномерное проникновение газа через стенки по высоте тигля. При одинаковом размере пор по высоте контейнера уменьшение гидростатического давления агрессивной среды к поверхности жидкости приводит к тому, что газ преимущественно проходит по порам, находящимся ближе к поверхности агрессивной среды.

Проницаемая металлическая стенка может быть выполнена в виде металлической мембраны, изготовленной методом порошковой металлургии и обращенной рабочим слоем к расплаву высокочистого материала. Металлическая мембрана обычно содержит три проницаемых слоя: носитель с достаточно крупными порами, составляющий основную часть толщины мембраны, промежуточный тонкий слой с более мелкими порами и наиболее тонкий рабочий слой с наименьшими порами.

Через каналы проницаемой стенки можно подавать газ комнатной температуры, охлаждающий контактирующую с ним агрессивную среду и этим понижающий ее агрессивность.

Для предотвращения проникновения пузырьков газа в агрессивную по отношению к металлической стенке жидкую среду контейнер имеет форму конуса или снизу форму конуса, переходящего в верхней части в цилиндр. Тогда пузырьки газа будут подниматься вдоль поверхности контейнера, а не через жидкую среду.

В потоках жидких агрессивных сред могут возникать области нестабильности, разрушающие защитный газовый слой и приводящие к непосредственному контакту агрессивная среда-стенка. Для уменьшения вероятности разрушения защитного газового слоя эффективным оказывается уменьшение размера каналов в приповерхностном слое, контактирующем с расплавом. При этом возрастает гидравлическое сопротивление каналов, но зато защитный слой становится более устойчивым к флуктуациям потока газа или жидкости.

Пример 1. Внутренний проницаемый слой двухслойного контейнера имеет внутри снизу форму конуса с радиусом основания 25 мм и высотой 100 мм, переходящего в верхней части в цилиндр высотой 100 мм. Между слоями двухслойного контейнера имеется зазор, через который подается газ. Наружная стенка выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через проницаемую внутреннюю стенку контейнера, обращенную к расплавляемому образцу. Внутренняя стенка изготовлена методом порошковой металлургии в виде пористой проницаемой металлической мембраны из жаропрочного сплава ХН60ВТ. Рабочий слой металлической мембраны обращен к внутренней стороне контейнера. Размер пор мембраны равномерно уменьшается от 3 мкм у дна контейнера до 1 мкм у поверхности расплава. В контейнер была помещена выточенная из цинка заготовка массой 1750 г, повторяющая внутреннюю полость контейнера, причем для образования и сохранения зазора с цилиндром при расширении заготовки радиус цилиндрической части составлял 24 мм. Через поры контейнера подавали под давлением очищенный азот комнатной температуры. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 4-6 см³/с. При этом между заготовкой из цинка и металлической стенкой образовывалась сплошная газовая прослойка, препятствующая их непосредственному контакту. Плавление заготовки из цинка проводили в высокочастотной печи. Температура расплава составляла 430°С. Газовая прослойка сохранялась при плавлении цинка, а поток газа проходил не через расплав цинка, а поднимался по поверхности конуса и цилиндрической части полости контейнера. При плавлении и последующем охлаждении расплава давление газа регулировали, сохраняя сплошной разделительный газовый слой между стенкой контейнера и расплавом цинка и не допуская контакта расплава со стенками контейнера.

Без подачи воздуха после испытаний на поверхности пористого контейнера из сплава ХН60ВТ заметны следы пропитки расплавом цинком. На контейнерах с защитной прослойкой воздуха после испытаний следы взаимодействия с цинком отсутствовали.

Пример 2. Внутренний проницаемый слой двухслойного контейнера имеет внутри форму конуса с радиусом основания 20 мм и высотой 85 мм. Между слоями двухслойного контейнера имеется зазор, через который подается газ.

Наружная стенка выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю стенку контейнера, обращенную к расплавляемому образцу. Проницаемая стенка контейнера выполнена по методу порошковой металлургии из сплава алюмель. В ее стенках сделаны сквозные каналы в виде отверстий диаметром от 500 мкм у дна до 300 мкм у поверхности расплава. В контейнер была помещена отформованная из порошка ZnCl₂ заготовка с относительной плотностью 50% и массой 125 г, повторяющая внутреннюю полость контейнера.

Через каналы контейнера подавали под давлением воздух комнатной температуры. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 7-15 см³/с. При этом между конусом заготовки и металлической стенкой образовалась газовая прослойка, препятствующая их непосредственному контакту. Плавление заготовки проводили в высокочастотной печи при 325°С. Газовая прослойка сохранялась при плавлении стекла, а поток газа проходил не через расплав цинка, а скользил по конической стенке контейнера. При плавлении и последующем охлаждении расплава давление газа регулировали, не допуская контакта цинка со стенками контейнера.

Без подачи воздуха после испытаний на поверхности пористого контейнера из сплава алюмель заметны следы пропитки расплавом ZnCl₂ . На контейнерах с защитной прослойкой воздуха после испытаний следы взаимодействия с цинком отсутствовали.

Пример 3. Внутренний проницаемый слой двухслойного контейнера имеет внутри снизу форму конуса с радиусом основания 13 мм и высотой 55 мм, переходящего в верхней части в цилиндр высотой 150 мм. Контейнер изготовлен в соответствии с примером 1 из жаропрочного сплава ВЖЛ-12У. Размер пор мембраны равномерно уменьшается от 4 мкм у дна контейнера до 2 мкм у поверхности расплава. В контейнер была помещена предварительно отформованная из порошка 4РbО·В ₂O₃ и спеченная до относительной плотности 79% заготовка массой 303 г, повторяющая внутреннюю полость контейнера, причем для образования и сохранения зазора с цилиндром при расширении заготовки радиус цилиндрической части составлял 11,5 мм. Через поры контейнера подавали под давлением воздух. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 2-4 см³/с. При этом между заготовкой из феррита цинка и металлической стенкой образовывалась сплошная газовая прослойка, препятствующая их непосредственному контакту. Плавление проводили в высокочастотной печи при температуре 580°С. Газовая прослойка сохранялась при плавлении 4РbО·В ₂O₃, а поток газа проходил не через расплав, а поднимался по поверхности конусной и цилиндрической частей полости контейнера. При плавлении и последующем охлаждении расплава давление газа регулировали, сохраняя сплошной разделительный газовый слой между стенкой контейнера и расплавом 4РbО·В ₂O₃ и не допуская контакта расплава со стенками контейнера.

Без подачи воздуха после испытаний на поверхности пористого контейнера из сплава ВЖЛ12У заметны следы пропитки расплавом 4РbО·В₂O₃ . На контейнерах с защитной прослойкой воздуха после испытаний следы взаимодействия с расплавом 4РbО·В₂O ₃ отсутствовали.

Пример 4. Внутренний проницаемый слой двухслойного контейнера имеет внутри форму конуса с радиусом основания 70 мм и высотой 270 мм. Контейнер изготовлен в соответствии с примером 2 из порошка жаропрочного сплава ХН73МБТЮ. Размер пор контейнера равномерно уменьшается от 10 мкм у дна контейнера до 5 мкм у поверхности расплава. В контейнер была помещена отформованная из порошка эмали для эмалирования магния и его сплавов (мас.%: SiO₂ - 24%, Al₂O₃ - 1%, В ₂О₃ - 8%, Na₂O - 24%, BaO - 13%, PbO - 30%) заготовка с относительной плотностью 60% и массой 2600 г, повторяющая внутреннюю полость контейнера.

Через каналы контейнера подавали под давлением воздух комнатной температуры. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 3-8 см³/с. При этом между конусом из порошка эмали и металлической стенкой образовывалась газовая прослойка, препятствующая их непосредственному контакту. Плавление заготовки проводили в высокочастотной печи при температуре 450°С. Газовая прослойка сохранялась при плавлении эмали, а поток газа проходил не через расплав, а скользил по конической стенке контейнера. При плавлении и последующем охлаждении расплава давление газа регулировали, не допуская контакта расплава эмали со стенками контейнера.

Без подачи воздуха после испытаний на поверхности пористого контейнера из жаропрочного сплава ХН73МБТЮ заметны следы пропитки расплавом эмали.

На контейнерах с защитной прослойкой воздуха после испытаний следы взаимодействия с расплавом эмали отсутствовали.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для плавления особо чистых металлов, стекол, при выращивании монокристаллов. Оно может быть использовано и в других производствах, где увеличение стоимости из-за применения такого способа плавления будет перекрываться выгодой от уменьшения загрязнения продукта материалом стенки контейнера.