一种加热难熔氧化物材料的方法，所述方法包括应用高频电场来加热所述难熔氧化物材料以及应用磁场来加热所述难熔氧化物材料，所述高频电场将所述难熔氧化物材料基本加热至这样的温度范围，即在该温度范围内所述难熔氧化物材料经历从绝缘体到导体的电阻率变化，所述磁场在所述变化期间和／或之后感应地加热所述难熔氧化物材料。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及加热难熔(耐火)氧化物的方法和装置，较具体地，涉及加热难熔氧化物而不降低其纯度的方法和装置。
技术介绍
难熔氧化物在低温下是绝缘体，但是当其温度升高到一定温度之上时会成为导体。在被称为“渣壳”熔炼的方法中加热和熔炼难熔氧化物是已知的。在该方法中，固态形式的难熔即高熔点材料容纳在一水冷式似坩埚结构中，然后通过高频感应加热被直接加热。通过冷却材料团的外表面，形成该材料的烧结壳或“渣壳”以密闭内部的熔融物质。这样可用于铸造、再结晶或形成晶体生成的熔体不会被污染。而且，该方法可以密闭甚至极难熔材料构成的稳定、无污染熔体，其中目前还不存在用于这种极难熔材料的坩埚。因此减少了以前有关密闭和污染的严重-如果不是不能解决的-问题。合成高熔点半导体和使难熔氧化物如Y2O3(熔点2376℃)、ZrO2(熔点2690℃)、La2O3(熔点2300℃)和HfO2(熔点2790℃)以及混合氧化物如LaAlO3(熔点2100℃)、CaZrO3(熔点2345℃)等结晶的能力意味着可以提供如独特的激光晶体、难熔光学元件和熔-铸陶瓷制品的材料。美国专利No.4 049 384(Wenckus等人)公开了一种可用于这样一种目的的冷坩埚系统。渣壳熔炼技术还具有其它应用，例如核废料如钚和铀氧化物的安全密闭。例如，在一已知系统中，利用渣壳熔炼方法将钚废料和残渣转变为硼硅酸盐玻璃。利用射频(RF)感应加热的渣壳熔炼可用于熔炼极难熔的氧化物(如氧化钍、氧化锆)，因为频率低至足以在装载的材料熔化时在其内部产生循环涡电流。使用的频率通常在0.5-13MHz的范围内，优选地大于3.8MHz。涡电流抵抗材料的阻抗，并通过I2R焦耳加热产生热量。虽然温度上限仅由可利用的输入功率的量和坩埚的热力学特性决定，但是渣壳熔炼具有一固有的温度下限。不能在不使用引发剂的情况下在低于氧化物的从绝缘体向导体转化的温度时使用渣壳熔炼。引发剂通常为金属盘或存在于化合物成分中的金属或石墨的碎片。引发剂提高坩埚内装载物的局部温度。在一定温度下待熔化材料变得具有足够的传导性以便在材料中发生“涡电流”感应加热。这种渣壳熔炼存在两个主要的缺陷。首先，在使用引发剂处，杂质被引入待熔化的难熔氧化物。其次，如果熔体的温度下降到低于一定温度，装载物可能无法与RF配合并将迅速冷却。虽然提高温度较容易，但是熔体的控制冷却实际上很困难。在其它方法中，利用在极高频率如915MHz和2450MHz下的微波加热加热氧化物是已知的，其中2450MHz是工业和家用微波炉最常用的频率。某些氧化物需要利用感受器(反应剂)如碳化硅、石墨或氧化铝预热至300℃-500℃以开始微波加热。美国专利No.4 219 361(Sutton等人)公开了一种提高氧化物对微波加热的感受性的方法。微波加热某些氧化物的缺陷是，一旦这些氧化物开始直接吸收微波能量，它们的微波感受性将以指数形式增加。这会导致被称为“热失控”的不可控制的温度上升。这会导致破裂、不良的粒度、设备损坏以及不同程度的多孔性。另一个问题在于由于频率很高，微波的渗透限于几十微米数量级的厚度。用微波电加热较大的导体产生极薄的加热表层，而内部保持完全是冷的。最终，被反射的功率产生电弧并可能损坏设备。因此，关于微波加热氧化物的现有技术主要用于烧结而不是熔炼。本专利技术寻求通过至少基本克服上述方法中的缺陷而改善难熔氧化物的加热。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术包括一种加热难熔氧化物材料的方法，所述方法包括应用高频电场以加热所述难熔氧化物材料以及应用磁场以加热所述难熔氧化物材料，所述高频电场将所述难熔氧化物材料基本加热至这样的温度范围，即在该温度范围内所述难熔氧化物材料经历从绝缘体到导体的电阻率变化，所述磁场在所述变化期间和/或之后感应地加热所述难熔氧化物材料。优选地，将所述高频电场和所述磁场通过一谐振结构施加到所述难熔氧化物材料上。优选地，通过该谐振结构施加的频率在第一频率范围内实行，然后降低到第二频率范围，在第一频率范围内基本由电场进行加热，在第二频率范围内基本由磁场进行加热。优选地，所述第一频率范围为13MHz-42MHz的范围。优选地，所述第二频率范围为0.5MHz-13MHz的范围。优选地，在一实施例中，将所述难熔氧化物材料保持在一容器中，并且通过两个连接到电路上的间隔开的板将所述高频电场基本施加到所述难熔氧化物材料上，并通过环绕(围绕)所述容器的RF线圈施加所述磁场。优选地，在另一实施例中，将所述难熔氧化物材料保持在一非法拉第容器中，并且通过环绕所述非法拉第容器的RF线圈施加所述高频电场和所述磁场。在一实施例中，所述方法优选地用于制造人造(合成)宝石。在另一实施例中，所述方法优选地用于使危险的或其它废料玻璃化。根据第二方面，本专利技术包括一种用于加热难熔氧化物材料的坩埚装置，所述坩埚装置包括用于支承所述难熔氧化物材料的装置，用于将高频电场施加到所述难熔氧化物材料上的装置和用于将磁场施加到所述难熔氧化物材料上的装置。优选地，所述坩埚装置包括一谐振结构。在一实施例中，所述坩埚装置优选地包括一适于保持所述难熔氧化物材料的容器，并且所述用于将磁场施加到所述难熔氧化物材料上的装置为环绕所述容器的RF线圈。优选地，所述坩埚装置连接到一可变频率发生器上。优选地，所述可变频率发生器适于施加0.5MHz-42MHz范围内的频率。优选地，所述用于施加高频电场的装置包括两个连接到电路上的间隔开的板。优选地，所述两个间隔开的板之间的电容可以可变地调节。优选地，所述两个间隔开的金属板中的至少一个是水冷式的。优选地，所述坩埚装置包括用于感知(检测)所述难熔氧化物材料的温度的传感装置，所述传感装置可操作地连接到一控制装置上，该控制装置相应于感知到的温度改变由所述可变频率发生器施加的频率。优选地，所述用于将磁场施加到所述难熔氧化物材料上的装置适于以0.5MHz-13MHz范围内的频率加热所述难熔氧化物材料。优选地，所述用于将电场施加到所述难熔氧化物材料上的装置适于以13MHz-42MHz范围内的频率加热所述难熔氧化物材料。在一优选实施例中，所述坩埚优选地包括一适于保持所述难熔氧化物材料的非法拉第容器，并且所述用于将电场施加到所述难熔氧化物材料上的装置为环绕所述非法拉第容器的RF线圈，所述用于将磁场施加到所述难熔氧化物材料上的装置为所述RF线圈。附图说明现在将结合附图说明本专利技术，其中图1为根据本专利技术第一实施例的坩埚装置的示意性正视图。图2为图1所示坩埚装置的示意性电路图。具体实施例方式图1和2描述了用于难熔氧化物加热和熔炼的坩埚1。将坩埚1安装到由例如特氟纶(聚四氟乙烯)和高密度聚乙烯的材料制成的绝缘架(未示出)上，以使坩埚1与地面绝缘。坩埚1包括一容器3，该容器3坐靠在基板4上并由顶板5覆盖。一常规的水冷式RF线圈6环绕容器3并适于通过以通常在0.5MHz-13MHz的范围内的频率向放置在容器1内的氧化物施加磁场而感应地加热该氧化物。基板4和顶板5形成电路的一部分，在该电路中这些板作为电容器板以便向容器3及其容纳物施加电场。基板4呈中凹形(碟形)且为水冷式的。冷水能够经由入口9进入基板4并经由出口10流出。基扳4的中凹形构形允许容器3内的熔融样品冷却。顶板5也是水冷式的并且其中本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：M·G·塔尔纳夫斯基，
申请(专利权)人：液体制陶技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。