Desarrollo y nuevas aplicaciones de la tecnología de envoltura de fusión
Acerca del primer autor: es el tercer consultor principal del Comité Profesional de Artefactos de la Sociedad de Seguros de China e investigador asociado en el Instituto de Cerámica de Shanghai. Academia China de Ciencias.
1. Introducción
El método de fundición de concha originalmente se llamaba método de crisol en frío. El cristal fue inventado por el científico francés Y. Roulin en 1969. Fue desarrollado mediante calentamiento por inducción de alta frecuencia y utilizando como recipiente la cáscara cerámica sin fundir de la carga en la pared interior del crisol enfriado por agua. En aquella época sólo se obtenían pequeños cristales de circonio cúbico. En 1972, un equipo de investigación dirigido por V.V Osiko del Instituto P.N Lebedev de Física del Estado Sólido de la Academia de Ciencias Soviética mejoró la tecnología de crecimiento y el equipo de cristales de circonio cúbico sintético, cultivó cristales de circonio cúbico sintéticos más grandes y utilizó el frío. El método del crisol se denomina tecnología de fusión de conchas.
Las características de la tecnología de carcasa fundida son: ① Utilizando potencia de inducción de alta frecuencia como fuente de calentamiento, la temperatura no está limitada y puede alcanzar más de 3000 °C (2) Utilizando un sistema refrigerado por agua; el crisol como capa exterior y el uso de carga no fundida como capa interior. El crisol de carcasa puede resolver el problema de los contenedores resistentes a la corrosión a altas temperaturas y proteger la masa fundida de la contaminación del material del crisol; ③ puede funcionar en vacío o en diversas condiciones atmosféricas; ④ Este método se puede utilizar para preparar materiales no metálicos que conducen electricidad en estado fundido; ⑤ El crisol frío se puede reutilizar muchas veces.
2. Método de descascarado de equipos de calentamiento de alta frecuencia
El equipo de descascarado de calentamiento de alta frecuencia consta de un sistema de equipo de calentamiento por inducción de alta frecuencia, un sistema de crisol frío y un sistema de mecanismo de elevación. como se muestra en la Figura 1.
1. Innovación y desarrollo de sistemas de equipos de calentamiento por inducción de alta frecuencia
La fábrica de equipos de alta frecuencia Liaoning Tieling desarrolló con éxito equipos domésticos de carcasa de calentamiento de alta frecuencia a gran escala, y luego, la fábrica de equipos de alta frecuencia Liaoning Tieling y Tieling Julong High-frequency Equipment Co., Ltd. organizan la producción y las ventas. En la actualidad, la potencia de los equipos domésticos de calentamiento por inducción de alta frecuencia es de 400 kW y el más grande es de 600 kW. Se ha aumentado considerablemente el diámetro del crisol frío del equipo de 600 kW producido por la fábrica de equipos de alta frecuencia Liaoning Tieling. La frecuencia de funcionamiento del generador de inducción de alta frecuencia es de 800 kHz ~ 1 MHz. El uso de la frecuencia de funcionamiento de kHz puede reducir el consumo de energía del cristal fundido.
Figura 1 Equipo de carcasa calefactora de alta frecuencia
Los fabricantes de cristales de circonio cúbico sintéticos son grandes consumidores. El consumo de energía por tonelada de cristales es de 50.000 a 60.000 kW·h, y cada horno. La producción demora aproximadamente 50 horas. Durante el proceso de producción, se necesita energía estable para garantizar el crecimiento normal del cristal, por lo que se requiere suficiente energía y un suministro de energía estable.
Para reducir costes, primero debemos reducir el consumo energético y transformar los equipos de calentamiento por inducción de alta frecuencia. Por lo tanto, se estudia el generador de transistores de alta frecuencia para reemplazar el generador de alta frecuencia del oscilador de tubo como fuente de alimentación para reducir el consumo de energía.
2. Sistema de crisol en frío
El crisol en frío tiene un proceso de fabricación sencillo y de fácil mantenimiento. Es muy utilizado en equipos de síntesis de cristales de circonia cúbica de gran capacidad. En la actualidad, el diámetro de los crisoles fríos a gran escala de mi país es de más de 800 mm y el diámetro máximo es de 1 m. Pueden contener entre 400 y 800 kg y más de 1000 kg respectivamente, y la tasa de rendimiento es de aproximadamente el 45%. La Figura 2 es un crisol frío sin relleno, la Figura 3 es un crisol frío en funcionamiento a alta temperatura y la Figura 4 es un lingote de circonio cúbico sintético fundido en un crisol frío de gran diámetro. La Figura 5 muestra un lingote de circonio cúbico sintético de color azul púrpura fundido en un crisol frío de gran diámetro. Desde los espacios abiertos se pueden ver cristales ordenados de color azul púrpura.
Figura 2 Crisol frío sin carga
Figura 3 Crisol frío en funcionamiento a alta temperatura
Figura 4 Lingote de circonio cúbico sintético de gran diámetro
El El agua de refrigeración para el crisol frío es proporcionada por un conjunto de unidades de circulación de agua de refrigeración de alta eficiencia. Es necesario garantizar un enfriamiento eficiente del crisol frío durante todo el proceso de producción.
3. Sistema del mecanismo de elevación
Los requisitos para el sistema del mecanismo de elevación son: el marco debe ser estable, la velocidad vertical puede ser rápida o lenta y el control de elevación debe ser uniforme. . En particular, no debe haber vibraciones periódicas durante la etapa de crecimiento del cristal, de lo contrario el cristal producirá defectos como bandas de color, rayas de crecimiento, policristales y fallas, y será imposible obtener un cristal completo y fácil de ver. monocristal.
Figura 5 Lingote de circonio cúbico sintético azul púrpura de gran diámetro
En tercer lugar, el crecimiento de variedades especiales de cristales de circonio
Zirconio cúbico sintético azul y esmeralda Los cristales son muy populares en el mercado, pero es difícil obtener ZrO2-Y2O3 con una fórmula general de relación en peso 80:20. Se debe aumentar el contenido de Y2O3. A medida que aumenta el contenido de Y2O3, el tamaño del cristal se vuelve más pequeño, lo cual es una contradicción. Se debe estudiar en profundidad cómo formular una fórmula razonable que tenga lo mejor de ambos mundos, que no solo pueda obtener un color satisfactorio, sino también obtener cristales más grandes, aumentar la producción y reducir los costos.
El "circonio lechoso" coloreado (cristales de circonio cúbico sintéticos de colores opacos) es una nueva variedad que ha aparecido en el mercado recientemente. Puede imitar el jade natural y realizar diversas artesanías. En la producción convencional de circonio cúbico sintético, es necesario evitar la turbidez y opacidad de los cristales de circonio, y el "circonio lechoso" requiere precisamente la opacidad de los cristales. Para hacer opaco el cristal de circonio cúbico sintético coloreado, se puede lograr reduciendo la cantidad de Y2O3. En experimentos de investigación, se trataron cristales de circonio cúbico sintético transparentes con una fracción molar de Y2O3 inferior a 0,12 a 900 °C durante mucho tiempo, y los cristales de circonio cúbico sintético eran opacos y turbios. La respuesta se puede encontrar en el diagrama de fases de ZrO2-Y2O3. La figura 6 es el diagrama de fases de ZrO2-Y2O3.
Cuando el contenido de Y2O3 es del 12 % al 4 % (fracción molar), la circona tetragonal y la circona cúbica * * * existen en el rango de 900 °C a temperatura ambiente.
Figura 6 Diagrama de equilibrio de fases Zr-O2-Y2O3
(Srivastava et al., 1974)
IV. >ZrO2 tiene tres formas cristalinas, a saber, la forma cristalina cúbica (Fm3m) a 2300 ~ 2750°C, la forma cristalina tetragonal (P42/nmc) a 2300 ~ 1100°C y la forma cristalina monoclínica (P2100°C). Los cristales de circonio cúbico cultivados a altas temperaturas se enfrían a temperatura ambiente y sufren dos transiciones de fase, lo que provoca cambios de volumen y tensiones que provocan que el cristal se agriete. Los resultados muestran que utilizando Y2O3 como estabilizador, se pueden obtener fácilmente monocristales grandes de circonio cúbico (YZrO2) con forma completa y fácil exfoliación (He et al., 1984; Zhang et al., 1986). A medida que aumenta el contenido de Y2O3, el color de los cristales se intensifica, variando desde incoloro hasta ligeramente amarillo y marrón claro. Según el diagrama de equilibrio de fases de ZrO_2-Y2O3 (Figura 6), se debe seleccionar una relación razonable de ZrO_2 e Y2O3.
Al sintetizar cristales de circonio cúbico blancos, el contenido de Y2O3 debe ser del 10 % al 12 % (fracción molar). Al sintetizar cristales de circonio cúbico de colores, el contenido de Y2O3 puede ser mayor, especialmente al sintetizar verde oscuro y esmeralda. Los cristales de circonio cúbico de color verde o azul oscuro requieren más Y2O3.
Cuando se utiliza el método de fundición en cáscara para producir cristales de circonio cúbico sintético, el rendimiento de cada carga del horno es solo del 40 % al 55 % y aproximadamente el 50 % de la carga y los lingotes de cristal se reciclan. el uso de carga reciclada es una de las cuestiones clave en el proceso de fundición por lotes. Durante el proceso de crecimiento en estado fundido de la circona cúbica sintética, existe el problema de la volatilización del estabilizador Y2O3. El contenido de Y2O3 en los cristales de circonio cúbico sintético cultivados es menor que el de los materiales del lote original, y el contenido de Y2O3 en la capa de escoria y los materiales reciclados es aún menor. Por lo tanto, cuando se utiliza carga de retorno, se debe reponer la falta de estabilizador.
En el proceso de producción de cristales de circonio cúbico sintéticos coloreados, el coeficiente de distribución de algunos colorantes durante el proceso de crecimiento del cristal es inferior a 1, y el colorante que puede entrar en el cristal es menor que el colorante que permanece en el derretimiento. Al reutilizar materiales reciclados, se debe prestar atención al enriquecimiento de colorantes en los materiales reciclados y la cantidad de colorantes se debe ajustar de manera oportuna.
También se debe prestar atención al enriquecimiento de impurezas nocivas en los materiales devueltos, especialmente algunos colorantes de bajo punto de fusión y las impurezas nocivas durante el proceso de crecimiento de cristales, se agregan en escoria de bajo punto de fusión y ocupan. el núcleo de la masa fundida, lo que hace que el cristal no pueda seguir creciendo, lo que afecta el rendimiento y la calidad. Este bloqueo de carga de reflujo debe eliminarse lo antes posible.
Nuevas aplicaciones del verbo (abreviatura de verbo)
Debido a que la circona cúbica sintética tiene alta dureza (dureza de Mohs 8), alto índice de refracción (2,16) y alta dispersión (0,06), por lo que tiene colores intensos, buena estabilidad química, fácil producción industrial en masa, bajo precio y buena calidad. Es un material cristalino incomparable para productos artificiales y puede reemplazar a los diamantes y diversas piedras preciosas. También tiene amplias perspectivas para aplicaciones en la industria y componentes ópticos. Como piedra preciosa decorativa de alta gama, hasta ahora, o incluso durante mucho tiempo, es difícil encontrar un sustituto superior para el cristal de circonio cúbico sintético. Aunque en los últimos años se han comercializado piedras preciosas de moissanita sintéticas (monocristal de carburo de silicio sintético, moissanita y moissanita) y sus indicadores gemológicos son muy buenos, son difíciles de producir en masa, costosas y difíciles de promover. Por lo tanto, en términos de rentabilidad, la industria de la circona cúbica sintética seguirá prosperando.
Debido al amplio rango de temperaturas de aplicación de la tecnología de capa de fusión, que puede ser tan baja como unos pocos cientos de grados Celsius, hasta 3000 grados Celsius o incluso más, no requiere contenedores especiales, puede mantener la La pureza del material y se puede fundir al vacío y en diversas atmósferas, por lo que recibió una amplia atención. Hay muchos materiales sobre nuevas aplicaciones del método de fusión de carcasas: algunos se utilizan para fundir materiales de vidrio, otros para fundir materiales compuestos de titanio y otros para el crecimiento de otros materiales cristalinos. Esto demuestra que este equipo de fusión de carcasa de crisol en frío con calentamiento por inducción de alta frecuencia es un muy buen horno de fusión y tiene mucho espacio para la innovación.
En la actualidad, el sistema de crisol frío solo se utiliza para la operación de producción de inclinar el lingote fuera del crisol después de que la masa fundida se enfríe y solidifique. Si se puede agregar un mecanismo para inclinar el cuerpo del horno, se puede moldear la masa fundida y se puede ejercer la función multifuncional del equipo.
Algunos cristales de titanato y circonato son materiales de alto índice de refracción y tienen buenas perspectivas de aplicación. También se pueden preparar mediante el método de fusión de cáscaras.
El silicio policristalino es la materia prima de las células solares y actualmente escasea en el mercado. Se puede discutir la posibilidad de purificar y producir silicio policristalino y silicio monocristalino utilizando el método de capa de fusión al vacío o en condiciones de atmósfera controlada.
El método de la cáscara de fusión puede operarse en un ambiente cerrado y puede usarse para el tratamiento de desechos nucleares.
Adjunto: Cristales de circonita cúbica sintética de colores cultivados mediante el método de fusión de conchas en mi país.
Figura 7 Cristales de circonita cúbica de colores producidos por Tianfu Gemstone Company.
Cristales de circonita cúbica azul y verde producidos por Lam Tin Gem Factory.
Referencia
Él, Tang Yuanfen, Tan Yueyi, etc. Estudio sobre el crecimiento de cristales de circonita cúbica para decoración. Nuevos materiales inorgánicos, 12 (3 ~ 4): 7 ~ 12.
Alejandro V, Osiko V, Prokhorov AM, Tatar Lintsev. vm 1978.
En: Kaldis E (Ed), Temas actuales en ciencia de materiales, 1:421~480 (North Amsterdam, Países Bajos) Srivastava K K, Patil R N, Choudhary C B. Gokhale K V G K, Subbarao, E C. 1974. Trans.J.Br, Ceram, Soc. ,73(3):85.
Zhang Dabin, He Xiaoming, Chen Jianping, et al. Estudio del crecimiento y defectos de los cristales de circonio cúbico. Journal of Crystal Growth, 79:336~340 (Holanda Septentrional.
Ámsterdam)