Спосіб одержання шихти для вирощування монокристалів корунду із розплаву

Спосіб одержання шихти для вирощування монокристалів корунду із розплаву, який включає завантаження порошку глинозему у камеру печі, його нагрів зверху і плавлення в гарнісажі, роздрібнення продукту плавки, який відрізняється тим, що в порошок глинозему додають 0,4 0,6 ваг % вуглецю у вигляді дрібнодисперсного порошку графіту, порошок глинозему перед сплавленням прожарюють у газовому середовищі на основі монооксиду вуглецю при тиску 0,2 0,4 мм рт ст і температурі 1600 1900° С протягом 5 6 годин, а потім порошок сплавляють в середовищі аргону при тиску 800 850 мм рт ст піддають сухому помолу в вібромлииі на протязі 0 5 години Готують масу із 100% глинозему, використовуючи як зв'язуюче комбінірований розчин сульфітноспиртової барди та метілцелюлози у співвідношенні 1 1 Одержану масу протирають крізь сито У спеціальних формах на фракційному пресі формують вироби у вигляді пластин Вироби обпалюють у періодичних печах при температурі 1650 1750°С з витримкою б годин Недоліком даного способу, як і усіх способів, заснованих на спіканні, є порівняно висока - на рівні 10 2 % та вище (див, табл) забрудненість шихти, отриманої при його використанні, такими несприятливими для монокристалів корунду домішками, як CaO, MgO, T1O2 , S1O2 До того ж спечена на повітрі кераміка має дуже не бажану для вирощування монокристалів властивість - закриту пористість Викликане нею кипіння розплаву [там же, С 65J робить виробництво оптичних монокристалів корунду неефективним Найбільш близьким до запропонованого рішення і вибраним як прототип є спосіб отримання шихти у вигляді білого електрокорунду (БЕК) [Карлин В В Развитие производства электрокорунда в Советском Союзе -Журн Всес Хим общ им Д И Менделєєва, 1979, т 24, N5, с 609 і далі] Він включає початкове завантаження порошку глинозему у робочий простір печі, викладання на повер О о о о о ю 50000 хні порошку шматків графіту, підведення до шматків графіту графітових електродів, розпалювання електричної ЛУГИ між електродами та шматками графіту, нагрівання плавлення порошку у гарнісажі за рахунок току електричної дуги, досипку порошку у розплав та розплавлення свіжовведеного порошку В міру нагромадження розплаву його частково зливають у форму, нахиляючи піч Після остригання злитку його звільняють від форми та роздрібнюють Недоліком даного способу, як і попереднього, є забрудненість отриманої при його використанні шихти (БЕК) на неприпустимому для виробництва оптичних монокристалів корунду рівні (див табл ) Застосовуючи більш коштовне пічне обладнання та приймаючи ВІДПОВІДНІ заходи обережності можна, мабуть, звести до мінімуму привнесення домішок в оксид алюмінію на різних стадіях виробництва БЕК Та суттєво те, ще в дуговій печі, незважаючи на великий перегрів розплаву, очистка глинозему від домішок, якими він був первісно забруднений, іде не ефективно Навіть від таких летючих, як ЫагО [там же, табл,4, с 612] До недоліків даного способу слід віднести також порівняно складну його реалізацію Оскільки глинозем являє собою діелектрик, то і розпалювання дуги, і її піддержування вимагають від оператора значного вміння в керуванні електродами та напругою на них Піддержування дуги здійснюють, головним чином, змінюючи положення електродів у робочому просторі печі При піднятих над розплавом електродах напруга , на них підростає, відбувається перехід у режим відкритої дуги, підростає тепловиділення, небезпечне для становища зводу печі, а також можливі обриви дуги при досипці порошку При опусканні електродів у розплав дуга горить у газовій порожнині всередині розплавленого матеріалу, напруга па електродах падає, сила току росте, на поверхні розплаву може утворитися товста скорина, яка заважатиме переміщенню електродів та викличе зупинку печі В основу винаходу поставлено задачу спрощення та здешевлення отримання шихти високої чистоти для вирощування монокристалів корунду із розплаву Рішення поставленої задачі досягається тим, що у способі отримання шихти для вирощування монокристалів корунду із розплаву, який включає завантаження порошку глинозему у камеру печі, його нагрівання зверху і плавлення в гарнісажі, роздріблення продукту плавки, згідно винаходу в порошок глинозему додають 0 4 0 6ваг% вуглецю у вигляді дрібно дисперсного порошку графіту, перед сплавленням порошок глинозему прожарюють у газовому середовищі на основі монооксиду «зтлецю при тиску 0 2 0 4мм рт ст і температурі 1600 1900°С протягом 5 6 годин, потім у піч напускають аргон до тиску 800 850мм рт ст і сплавляють порошок, підтримуючи на його поверхні шар розплаву товщиною 3 5мм При прожарюванні глинозему, який містить 0 4 0 6ваг% вуглецю, у газовому середовищі на основі монооксиду вуглецю при тиску 0 2 0 4мм рт ст і температурі 1600 1900°С іде інтенсивна очистка глинозему від домішок Термохімічні розрахунки пока чують, що очистка, глинозему від примісних оксидів (CaO, MgO та інш) може йти за рахунок їх відновлення як монооксидом вуглецю, так і продуктами відновлення оксиду алюмінію Вирішальну роль при цьому відіграють процеси масопереносу у газовій фазі Введення графіту в глинозем ПРИЗВОДИТЬ до утворення МОНООКСИду вуглецю у самій масі глинозему (у наслідку реакції відновлення оксиду алюмінію), що полегшує протікання процесів масопереносу і сприяє більш ефективній очистці глинозему 3 ростом добавки вуглецю від нуля приблизно до 0 5ваг% ступінь очистки глинозему від примісних оксидів збільшується, а потім практично не змінюється Перевищення ж концентрації 0 6ваг% вуглецю в вихідному глиноземі призводить до появи у корундовій шихті включень кароіду та оксикарбідів алюмінію, які знижують якість монокристалів корунду Для ефективного відведення продуктів реакції відновлення потрібне розрідження, не гірше за 0 4мм рт ст яке легко забезпечується низьковакуумним механічним насосом Прожарювання глинозему у вакуумі, кращому, ніж 0 2мм рт ст , вимагатиме застосування більш коштовних систем відкачки, що невиправдано підвищить собівартість шихти Для відновлення примісних оксидів потрібні температури, які перевищують 1600°С Однак при температурах, вищих за 1900°С, очистка глинозему стає, неефективною, що легко пояснюється спіканням порошку, яке починається при цих температурах, та зв'язаним з ним сповільненням процесів масопереносу Ступінь очистки глинозему практично не змінюється після 5 6 годин його прожарювання, що може свідчити про досягнуту в даних умовах рівновагу у системі глинозем домішки Нагрів порошку глинозему у даному способі закінчується його сплавленням, яке у цілях збільшення строку служби печі природно проводити в середовищі аргону Тиск аргону в печі при сплавленні порошку досить підтримувати на рівні, який трохи перевищує атмосферний (800 850мм рт ст) При цьому зменшується ймовірність проникнення у піч атмосферних газів Сплавлення глинозему в запропонованому способі являє собою не шо інше, як процес утворення корундового гарнісажу, який виявився чудовим матеріалом при використанні його як шихти для вирощування монокристалів корунду із розплаву Пористість його становить 25 30%, що з одного боку, цілком припустимо для шихти, яку використовують, наприклад, в методі ГНК, з другого - спрощує його роздріблення перед завантаженням у контейнери для вирощування монокристалів Пористість відкрита, тому шихта при розплавленій не кипить Суть сплавлення порошку у запропонованому способі полягає в створенні умов для отримання максимальної КІЛЬКОСТІ гарнісажу при мінімальні КІЛЬКОСТІ розплаву Тривалою підтримкою тонкого шару розплаву на поверхні гарнісажної скорини й досягаються умови, коли остання протягом часу збільшується у розмірах як ушир, так і по товщині поки не зрівняються потоки тепла, що надходить до порошкової маси та відводиться від її меж Заявлений спосіб включає такі операції 50000 1 Попередня просушка глинозему при температурі 200 250°С на, протязі часу, який визначається передісторією глинозему, 2 Змішування глинозему з порошком графіту у концентрації 0 4 0 6ваг% 3 Завантаження суміші у камеру печі 4 Відкачка камери печі до тиску 0 2 0 4мм рт ст 5 Нагрівання глинозему до температури 1600 1900°С 6 Витримка при цій температурі 5 6 годин, 7 Напуск аргону у камеру печі до тиску 800 850мм ртст 8 Нагрівання глинозему до появи розплаву на його поверхні 9 Витримка протягом часу, який залежить від конструкції печі 10 Остигання печі 11 Витягання корундового коржа з печі 12 Роздріблення корундового коржа Запропонований спосіб отримання шихти для вирощування монокристалів корунду із розплаву надзвичайно простий у реалізації, що видно з приведеного нижче прикладу, Приклад реалізації заявленого способу Просушений у сушильнім шафі на протязі двох діб при температурі 200 250°С порошок глинозему марки Г-00 змішували з ощурками графіту марки ГМЗ у КІЛЬКОСТІ 0, 5ваг% завантажували у піч з вольфрамовим нагрівачем опору, яку виготовлено на базі промислової растової установки СЗВН Камеру печі відкачували до тиску 0,2мм рт ст і вмикали нагрів Потрібне відновлюючи середовище на основі моно оксиду вуглецю встановлювалась у печі при температурах вище 1200°С дякую чи графітовій футеровці заводу печі, а також введеному в глинозем графіту При досягнені температури 1900°С робили витримку 6 годин Потім у камеру напускали аргон до тиску 800мм рт ст і піднімали потужність печі до появи розплаву на поверхні порошкової маси Витримували 2 години Після вимикання і остигання печі витягали корундовий корж, який мав діаметр біля 500мм, товщину у центрі біля 70мм та масу приблизно 30кг Після роздріблення коржа отримували шихту готову для завантаження контейнерів для вирощування монокристалів корунду методом ГНК У таблиці приведені результати ХІМІЧНОГО аналізу вихідного глинозему та отриманої з нього по заявленому способу шихти В порівнянні з прототипом, запропонований спосіб отримання шихти для вирощування монокристалів з роплаву дозволив підвищити вихід монокристалів корунду оптичної якості на 20 % Вміст ДОМІШОК найбільш несприятливих для вирощування оптичних монокристалів корунду із розплаву, у спеченій кераміці (СК), бокситогорському БЕК, глиноземі марки Г-00 та у виготовленій з нього по заявленому способу шихти Таблиця Мате ріал СК БЕК Г-00 шихта СаО 0,02 0,05 0,01 210' Домішки МдО 0,14 0,02 0,01 4104 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 (ваг%) ТЮ 0,01 0,01 0,04 810' SiO 0,03 0,08 0,02 2,510'