Спосіб одержання сировини з глинозему для вирощування монокристалів лейкосапфіру

Спосіб одержання сировини з глинозему для вирощування монокристалів лейкосапфіру, який включає сплавку суміші глинозему з 0,4-0,6 мас. % вуглецю у вигляді дрібнодисперсного порошку графіту, одержання продукту плавки в гарнісажі і його наступне дроблення, який відрізняється тим, що роздроблений глиноземний матеріал попередньо перед вирощуванням засипають у тигель з встановленою у ньому затравкою, тигель поміщають у камеру печі з графітовою футерівкою і розташованими знизу нагрівальними елементами, атмосферу відкачують до тиску 0,10,2 мм рт. ст., нагрівають матеріал до передплавильної температури протягом 20-24 годин, потім напускають аргон до тиску 800-850 мм рт. ст., підвищують температур у нагрівання до 2100-2200°С впродовж 1-2 годин, витримують розплав протягом 2-3 годин і після охолодження виймають тигель із сировиною-злитком. UA (21) a200600050 (22) 03.01.2006 (24) 15.03.2007 (46) 15.03.2007, Бюл. № 3, 2007 р. (72) Данько Олександр Якович, Сідельнікова Наталія Степанівна, Стрілець Геннадій Васильович, Качала Володимир Юхимович, Мірошников Юрій Петрович, Адонкін Георгій Тимофійович, Пузіков В'ячеслав Михайлович (73) ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ ФІРМА "ОКСІДАЛ" (56) UA 61230 C2, 15.09.2005 SU 324781 A, 23.09.1985 JP 59174590 A, 03.10.1984 JP 61251592 A, 08.11.1986 JP 2005179109 A, 07.07.2005 C2 2 (19) 1 3 78462 4 автоклаві води й оксиду або гідрооксиду алюмінію кінцевого продукту - монокристалів. до температури синтезу 250-400°С при Найбільш дешевим вихідним продуктом для підвищеному тиску й витримку при цій одержання сировини для вирощування температурі. Оксид або гідроксид алюмінію й воду монокристалів лейкосапфіру є металургійний беруть у ваговому співвідношенні 1:0,7-1,2 глинозем - дрібнодисперсний порошок, який відповідно. Витримку проводять при тиску 300-600 використовується у виробництві алюмінію. атм. Після витримки при температурі синтезу Вартість 1 кГ глинозему не перевищує 0,5 дол. протягом не менш 20 годин проводять США. Однак через низьку хімічну чистоту й малу термообробку, або в процесі охолодження від насипну вагу його не можна використовувати для температури синтезу до температури вирощування монокристалів лейкосапфіру без навколишнього середовища протягом не менш 24 попереднього глибокого очищення й сплавки . годин без зниження тиску, або в процесі зниження Відомий спосіб [пат. України № 50000, 330 У тиску при температурі синтезу зі швидкістю 20-50 29/20] одержання сировини із глинозему, що атм/година до атмосферного тиску з наступним включає змішування порошку глинозему з 0,4-0,6 відключенням нагрівання в автоклаві. ваг.% вуглецю у ви гляді дрібнодисперсного У порівнянні з наведеними способами, даний порошку графіту, завантаження суміші в піч, що спосіб забезпечує зниження домішок у такий відкачують до тиску 0,2-0,4 мм рт. ст., нагрівання спосіб: окису калію з 500 до 70 ppm, окису заліза з суміші зверху до температури 1600-1900°С и 100 до 40 ppm. У цілому сумарний вміст домішок витримки протягом 5-6 годин у відновному зменшується з 1000 до 500 ppm. Однак, вміст середовищі на основі монооксиду вуглецю. Потім домішок на такому рівні не дозволяє напускають аргон до тиску 800-850 мм рт. ст. і використовува ти отриману сировину для продовжують нагрівання до появи розплаву на вирощування монокристалів лейкосапфіру класу поверхні порошкової маси (у гарнісажі). «High optic». Крім цього, як і попередні способи, При цьому відновне середовище на основі даний спосіб має високу собівартість. монооксиду вуглецю встановлюються в печі вже Монокристали, вирощені з такої сировини, при 1300 °С завдяки графітової футеровці самої використовуються для одержання виробів для печі й введеному порошку вуглецю. стандартної оптики, що не має підвищених вимог Потім піч прохолоджують природним шляхом. до прозорості й стійкості до УФ опромінення, до Отриманий корж виймають і дроблять до розміру однорідності цих параметрів (лінзи, оптичні стекла, часток 1-5 мм (насипна вага такої крихти досягає 3 оптичні вікна технологічного обладнання, сканерів грам/см-3). Отриману крихту засипають у тигель із банківських апаратів й ін.). запалом і тигель поміщають у ростову піч для Відомий спосіб [пат. РФ № 2118612, C01F вирощування монокристалів лейкосапфіру методом ГСК. 7/44] одержання порошку a-глинозему шляхом У порівнянні з наведеними аналогами, даний прожарювання, принаймні одного вихідного спосіб забезпечує більш рентабельне одержання матеріалу, обраного з модифікацій оксиду великогабаритних монокристалів лейкосапфіру з алюмінію й сполук алюмінію. Прожарювання проводять у галогенвмісній атмосфері, що нульовою орієнтацією. Спосіб є більш простим і менш енергоємним, а, головне, для його реалізації включає газоподібний галогенід водню, використовується глинозем, що доступний у газоподібний галоген або суміш газоподібного тоннажному виробництві, а тому дешевий. У галогену й пару. Наступне дегалогеніровання результаті вартість 1 кГ сировини не перевищує дозволяє одержати порошок альфа-оксиду алюмінію чистотою 99,9%. [див. також 5,0 дол. США. Однак, в отриманій сировині залишаються Е.Добровинская и др. Энциклопедия сапфира. домішки, такі як СаО, MgO, ТiO2 , SiO, у Харьков, НТК «Институт монокристаллов», 2004, концентраціях більш 10 ppm. Додаткове очищення с.214]. сировини при цьому відбувається на стадії З отриманої такими способами сировини вирощують монокристали лейкосапфіру класу попереднього проплавлення сировини (сплавки крихти при швидкості переміщення тигля 40-60 «High optic». мм/година) і в, більшому ступеню, у процесі Недоліком даних способів є висока безпосереднього вирощування монокристалів за собівартість сировини, що становить від 30 до 70 рахунок відтискування домішок границею дол. США за кГ. Наприклад, вартість одного кГ оксиду алюмінію фірми RSA (Франція), розподілу фаз і наступним їхнім випаром. Процес випару домішок при цьому лімітується одержаного по наведеному способу, становить дифузійними процесами. Це приводить до 55,00 дол. США. неоднорідного розподілу домішок по довжині й Слід також зазначити й той факт, що товщині, вирощеного монокристала (більш висока одержана всіма наведеними способами сировина, являє собою дрібнодисперсний порошок з концентрація домішок знаходиться наприкінці й на дні вирощеного монокристала). Варто звернути насипною вагою 1,7-1,9 грам/см -3. При увагу й на той факт, що в процесі дроблення не вирощуванні монокристалів лейкосапфіру насипна виключене додаткове забруднення отриманої щільність порошкоподібної сировини не повинна сировини. бути менш 3,0 грам/см-3. Тому перед вирощуванням монокристалів потрібне попереднє Тому, одержувана таким способом сировина не забезпечує вирощування монокристалів класу спікання або сплавка сировини й наступне її «High optic». Вирощені монокристали можуть бути дроблення до визначеного розміру зерна. Ця використані тільки в стандартній оптиці. попередня операція додатково збільшує вартість 5 78462 6 Як прототип нами обраний останній з аналогів. вузлів печі: вимірювальні скляні лампи, масляні В основу даного винаходу поставлене ущільнення й т.д. завдання створення економічного способу З економічних міркувань для реалізації одержання сировини із глинозему для заявленого способу обране газове середовище з вирощування монокристалів лейкосапфіру високої напуском аргону до 800-850 мм рт. ст. оптичної якості з однорідними оптичними Підйом температури до передплавильної характеристиками, зокрема, в УФ- діапазоні, тобто (1900-1950°С) швидше ніж за 20 годин, як класу «High optic». показали експерименти, приводить до утворення в Рішення поставленого завдання сировині молібденових плівок - результат забезпечується тим, що в способі одержання масоперенесення молібдену з поверхні тигля в сировини із глинозему для вирощування присутності десорбірованих кисню й парів води; монокристалів лейкосапфіру, що включає сплавку збільшення тривалості підйому понад 24 годин суміші глинозему з 0,4-0,6 ваг.% вуглецю у вигляді недоцільно з економічних міркувань. дрібнодисперсного порошку графіту, одержання Мінімальна температура витримки розплаву продукту плавки в гарнісажі і його наступне (2100°С) обґрунтована тим, що розплав при цій дроблення, відповідно до винаходу, роздроблену температурі стає досить рідким для виникнення глиноземну сировину попередньо перед інтенсивних конвекційних потоків; підвищення ж вирощуванням засипають у тигель із температури більше 2200°С технічно складно й установленому в ньому запалом, тигель недоцільно (зменшується термін служби тигля й поміщають у камеру печі що має графітову нагрівачів). футеровку з розташованими знизу нагрівальними Підвищення температури до 2100-2200°С елементами, піч відкачують до тиску 0,1-0,2 мм рт. швидше, ніж за одну годину, може привести до ст., нагрівають сировину до передплавильної газового кипіння розплаву; тривалий підйом температури протягом 20-24 годин, потім температури більше двох годин недоцільний через напускають аргон до тиску 800-850 мм рт. ст., збільшення тривалості процесу в цілому. підвищують температур у нагрівання до 2100Витримка розплаву при температурі 21002200°С впродовж 1-2 годин, витримують розплав 2200°С більше трьох годиннедоцільна, тому що протягом 2-3 годин і після охолодження виймають зниження концентрації домішок не тигель із сировиною-злитком. спостерігається, а при витримці менш двох годин Поміщення тигля із сировиною в камеру печі з очищення розплаву не досягає максимально розташованими знизу нагрівальними елементами можливого ступеню. що має графітову футеровку забезпечує Після охолодження тигель із отриманою нагрівання й плавлення сировини-крихти знизу сировиною-злитком виймають із печі й поміщають (тобто по всьому об'ємі) і в результаті тривалого у ростову піч. Злиток має низьку й однорідну по нагрівання й витримці при зазначених всьому об'єму концентрацію домішок і не вимагає температурах забезпечується інтенсивне додаткової підготовки (дроблення та перемішування розплаву за рахунок теплової перевантаження в інший тигель) перед конвекції, що візуально спостерігається наявністю кристалізацією. конвекційних хвиль на його поверхні. У процесі У таблиці наведена величина концентрації підйому температури після напуску аргону до домішок, що містяться в сировині, отриманій зазначеного тиску, у печі мимовільно формується пропонованим способом у порівнянні з іншими середовище, що містить 2-3 % відновних способами. компонентів CO і Н2 (результат взаємодії кисню й На фіг.1, 2 наведені спектри оптичного парів води із графітом при високих температурах). пропускання, відповідно на початку й в кінці Завдяки цьому досягається інтенсивна монокристалів, вирощених із сировини, отриманий взаємодія оксидів домішок на поверхні розплаву з пропонованим способом (суцільна лінія) і СО та Н2, їхнє відновлення та випаровування. сировини фірми RSA (пунктирна лінія) для верхніх Таким чином досягається глибоке очищення і придонних їхні х частин. розплаву по всій товщині. Пропонований спосіб реалізують у такий Як показали експерименти, вакуумування печі спосіб. в інтервалі тиску 0,1-0,2 мм рт. ст. і підйом Попередньо просушений порошок глинозему температури до передплавільної у цих умовах марки Г-00 (використовуваний в алюмінієвій протягом 20-24 годин забезпечує ефективну промисловості) змішують із 0,5 ваг.% вуглецю у дегазацію сировини й теплових екранів, крім того, вигляді дрібнодисперсного порошку графіту марки при цьому виключається протікання ГМЗ. С уміш завантажують у піч із вольфрамовим масоперенесення молібдену (матеріал тигля) і нагрівачем, виготовлену на базі промислової утворення плівок молібдену в сировині. ростової установки СЗВН. Камеру печі відкачують Тиск аргону в інтервалі 800-850 мм рт. ст., з до тиску 0,2 мм рт. ст. і починають нагрівання одного боку, виключає натікання атмосферного суміші зверху до температури 1900°С, витримують повітря в об'єм печі й небажану зміну її складу, а з при цій температурі протягом 6 годин у відновному іншого боку - саме при цьому тиску аргону в печі середовищі на основі монооксиду вуглецю. Це формується газове середовище, що містить 2-3% відновне середовище встановлюється в камері відновних компонентів (СО+H2), завдяки яким, завдяки графітової футеровці зводу камери, а насамперед, і відбувається очищення розплаву. також уведеному в глинозем графіту вже Тиск аргону більше 850 мм рт. ст. недоцільно починаючи з температури 1300°С. Потім через міркування можливого ушкодження окремих напускають аргон до тиску 800 мм рт. ст. і 7 78462 8 продовжують нагрівання до появи розплаву на Вихідна поверхні порошкової маси (у гарнісажі), та 50 25 4 1 5 5 20 50 50 глиноземна витримують розплав 2 години. Після остигання сировина печі на гарнісажі залишається продукт плавки у Сировина після вигляді коржа діаметром 500 мм, товщиною в проплавлення центрі близько 70 мм і масою порядку 30 кГ. 20 15 2 1 5 5 5 5