Способ плавления оксидов и тигель для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК C30B15/10 C30B29/16 

Изобретение относится к области технологии нео(ганических материалов и может быть использовано для получения особо чистых тугоплав1 х кристаллов и стекол.

При проведении плавки тугоплавких оксидов происходит загрязнение расплава веществами, из которых изготовлен тигель. Одновременно происходит эрозия тигля и выход его из строя. Другая проблема состоит в потере кислорода расплавленными металлооксидами, что приводит к резкому ухудшению качества полученных из него изделий. Плавку оксидое для приготовления монокристаллов обычно проводят в платиновых тиглях, Тигли из платины обладают наибольшей стойкостью к эрозии в среде расплавленных окислов.

Недостатком плавки в платиновых тиглях является их высокая стоимость, кроме того, они неустойчивы к ряду металооксидов В120з. РЮ, NbaOs и т.д. Проблема потери кислорода расплавом в данном способе не решается.

.Известен способ.плавления оксидов, называемый метод холодного тигля, состоящий в том, что расплав помещен в контейнер из охлаждаемых водой трубок, который помещается в высокочастотный индуктор. Температура расплава поддерживается проходящими через расплав индукционными токами. Застывший вокруг охлаждаемых трубок расплав образует стенки, удерживающие жидкую фазу. Данный метод исключает попадание посторонних

примесей в расплав, а также позволяет хранить химически активные расплавы.;

Недостатком способа является болыи)эя неоднородность температурного поля, приводящая к перераспределению основных компонентов по тиглю. Применение способа ограничено веществами, имеющими высокую электропроводность в виде расплава и низкую в твердом состоянии. Проблема потери кислорода расплавом при использовании этого способа также не решается.

Наиболее близким к заявленному решению является способ плавленая металлооксидов, включающий пропускание электрического тока через стенку тигля, а также тигель для осуществления плавки, содержащий корпус из твердого электролита и наружного электрода. Тигель в известном способе осуществляет функцию сосуда для расплава и одновременно осуществляет насыщение расплава кислородом за счет электролитического его переноса из атмосферы через стенки тигля в расплав. Расплав при этом выполняет функцию второго электрода (катода), В известных способе и устройстве решается проблема потери кислорода расплавом за счет накачки его через стенки тигля. Существенным признаком способа является пропускание электрического тока через стенку тигля, существенным признаком устройства - корпус из твердого электролита и наружный электрод.

Недостатком способа и устройства является загрязнение расплава компонентами тигля.

Цель изобретения - уменьшение загрязнения расплава материалом тигля за счет изоляции расплава от стенок тигля газовой прослойкой.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем пропускание электрического тока через стенку тигля, величину электрического тока повышают до разрыва электрической цепи между внутренней стенкой тигля и расплавом, а также тем, что тигель, включающий корпус из твердого электролита с наружным покрытием из электродного материала, выполнен с дополнительным покрытием из электродного материала.

Сопоставленный анализ заявляемого способа с известным показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ток через стенку тигля увеличивают до возникновения прослойки газа между расплавом и стенками тигля за счет электрохимического переноса.

Сравнение заявляемого решения с решениями в смежных областя) техники показывает, что газовую прослойку используют

для предотвращения взаимодействия твердой поверхности с агрессивными средами. Газовую прослойку получают в этом случае прокачкой газа через пористые перегородки. Например, таким образом изолируют передние кромки самолетов от динамической ударной волны при сверхзвуковых полетах. Однако данный способ не пригоден для удержания жидкости на газовой прослойке,

поскольку при описанном способе ее создания не возникает отрицательных обратных связей: случайное перекрытие участка пористой поверхности жидкостью не вызывает нарастания под ней давления, а приводит

лишь к перераспределению потока газа а соседние участки поверхности.

Заявляемое техническое решение основывается на явлении устойчивости жидкости над газовой прослойкой, образованной

электрохимическим переносом газа.

Отличие заявляемого тигля от известного состоит в том, что заявляемый тигель.выполнен с дополнительным внутренним покрытием из электродного материала.

В известном тигле расплав выполняет одновременно роль внутреннего электрода, поэтому контакт между расплавом и стенками тигля необходим, т.е. образование сплошной газовой прослойки между ними

невозможно. Реализовать сплошную газовую прослойку можно, только дополнив внутреннюю поверхность тигля слоем электродного материала.

На чертеже изображен схематически

заявляемый тигель.

Тигель включает в себя корпус 1, выполненный из твердого электролита по кислороду, например из керамики состава 0,9ZrO20,1 SczQs, наружный элеетрод 2 и внугренний электрод 3, выполненные из сереора или пористой платины, токоподводы 4, присоединенные к источнику 5 тока, расплав б и омметр 7, включенный между расплавом и внутренней поверхностью тигля

(электродом 3). В тигЛе находится расплав, отделенный от стенок газовой прослойкой.

Тигель разогревают внешним источником тепла до температуры, при которой ионная проводимость материала становится достаточно высокой 10 -1 Ом-см и превышающей температуру плавления расплава 6. Затем включают внешний источник 5 тока, причем положительная полярность прикладывается к внутреннему электроду, и увеличивают ток до момента разрыва цепи по показанию омметра. При этом происходит электрохимический перенос кислорода из атмосферы во внутреннюю полость тигля

через слои электродов и твердого электролита. Электроперенос кислорода включает следующие стадии:

Газ02 - 4е(внешний электрод),

Перенос ионов 0 в слое твердого электролита),

Ае 02 (внутренний электрод).

Поток кислорода через стенку рассчитывается по следующей формуле

и RT- f/P4F. где и - поток кислорода,

I - плотность тока через электрод,

R - газовая постоянная 8,3 Дж/моль- К;

Т-абсолютная температура. К;

F - число Фарадея 9,6-10 Кл/моль:

Р - давление газа Н/м.

Поток кислорода через стенку тигля создает для расплава газовую подушку, которая препятствует контакту расплава со стенками. Загрязнение расплава материалом тигля при этом существенно уменьшается. Этот же ток газа служит для постоянного насыщения расплава кислородом. Следует отметить, что кислород из электрода выделяется не в молекулярном, а аток арном виде, поэтому его окислительная способность существенно выше, чем молекулярного кислорода. Таким образом, предлагаемый тигель препятствует потере кислорода расплавом композиции.

Пример. Для испытания заявляемого изобретения был изготовлен тигель полусферической формы диаметром 3 см и толщиной стенок 2 мм из стабилизированного диоксида циркония. На наружную и внутреннюю поверхность тигля наносились слоисеребра толщиной 1-1,5 мкм, служащие электродами. В тигель помещалась шихта (5 г буры NaB40ff Электроды подключались к стабилизированному источнику питания Б5-46 ( на наружном электроде). Для индикации электрического контакта между расплавом и внутренним электродом в тигель вводился платиновый электрод и фиксировался на расстоянии 2 мм от дна тигля, Наличие контакта контролировалось приЬором Щ 300. Тигель с шихтой нагревался в муфельной печи до 750° С, При этом шихта плавилась и прибор Щ 300 фиксировал появление контакта между расплавом и стенкой тигля. Сразу же после фиксации контакта включался источник тока и монотонно увеличивался ток со скоростью 0,5

А/с. При значении тока 3 А прибор Щ 300 фиксировал разрыв цепи, что свидетельствовало о возникновении между стенками тигля и расплавом газового зазора за счет электрохимического переноса газа. Расплав поддерживался в этих условиях в течение 30 мин, затем тигель охлаждали до 600° С (ниже температуры кристаллизации буры) и отключали источник,

Содержание серебра в буре после плавления заявляемым способом по данным . спектрофотометрии не превышало 10 %, в то время как содержание серебра а буре при ее плавлении в таком же тигле, но без пропускания тока составило 0,1 %. Таким образом, использование предлагаемого изобретения существенно уменьшает загрязнение расплава материалом тигля, что подтверждает преимущество заявляемого

способа и устройства.

Испрльзование заявляемых способа и устройства (тигля) для его осуществления позволяет существенно снизить загрязнение расплава материалом тигля, уменьшить

стоимость получения сверхчистых оксидных материалов за счет экономии платины и других драгоценных металлов, повысить качество оксидных композиций за счет уменьшения потерь кислорода при их плавлении.

Формул а изобретения

1.Способ плавления оксидов, включающий нагрев исходного материала в тигле из

твердого электролита при пропускании постоянного электрического тока через его стенку, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения загрязнения расплава материалом Тигля путем создания прослойки газа

между расплавом и Стенками тигля, величину электрического тока увеличивают до разрыва цепи между внутренней стенкой тигля и расплавом.

2.Тигель для плавления оксидов, включающий корпус из твердого электролита с

наружным покрытием из электродного материала, отличающийся тем, что, с целью уменьшения загрязнения расплава материалом тигля путем создания прослойки газа междурасплавом и стенками тигля, он выполнен с дополнительным внутренним покрытием из электродного материала.

Изобретение касается технологии неорганических материалов и может быть ис- пользрвано для получения особочистых тугоплавких кристаллов оксидов и стекол. Цель - обеспечить уменьшение загрязнения расплава материалом тигля за счет создания прослойки газа между расплавом и стенками тигля. Способ включает нагрев исходного материала в тигле из твердого электролита при пропускании постоянного электрического тока, величину которого увеличивают до разрыва цепи между внутренней стенхой тигля и расплавом. Наружная и внутреняя стенки тигля выполнены с покрытием из электродного материала. После плавления буры и кристаллизации расплава содержание примеси серебра из покрытия тигля не превышает 10"'* мас.%. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.соС