KR20070095130A - A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield - Google Patents
A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield Download PDFInfo
- Publication number
- KR20070095130A KR20070095130A KR1020060025431A KR20060025431A KR20070095130A KR 20070095130 A KR20070095130 A KR 20070095130A KR 1020060025431 A KR1020060025431 A KR 1020060025431A KR 20060025431 A KR20060025431 A KR 20060025431A KR 20070095130 A KR20070095130 A KR 20070095130A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- crucible
- continuous casting
- cold
- casting machine
- electromagnetic continuous
- Prior art date
Links
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000002844 melting Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000008018 melting Effects 0.000 title claims abstract description 25
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 5
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 29
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 28
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 26
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 22
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 17
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 4
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 3
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 101700004678 SLIT3 Proteins 0.000 description 1
- 102100027339 Slit homolog 3 protein Human genes 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
- B22D41/005—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like with heating or cooling means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
- B22D11/041—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for vertical casting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/10—Supplying or treating molten metal
- B22D11/11—Treating the molten metal
- B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
- B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
- Continuous Casting (AREA)
Abstract
Description
도 1은 종래의 전형적인 전자기 연속주조기용 도가니의 전체 구성도.1 is an overall configuration diagram of a crucible for a typical typical electromagnetic continuous casting machine.
도 2는 종래기술의 비교예에 사용된 냉도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view for explaining the structure of the cold crucible used in the comparative example of the prior art.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.3 is a cross-sectional view for explaining the structure of the crucible for the electromagnetic continuous casting machine according to the first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.Figure 4 is a cross-sectional view for explaining the structure of the crucible for an electromagnetic continuous casting machine according to a second embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 설명하기 위한 단면도.5 is a cross-sectional view for explaining the structure of the crucible for the electromagnetic continuous casting machine according to the third embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예와 제 3 실시예에따라 제조된 실리콘 주괴의 CT 단층 촬영사진.6 is a CT tomography photograph of the silicon ingot prepared according to the second and third embodiments of the present invention.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예와 제 3 실시예에 따라 제조된 실리콘 주괴를 절단한 단면사진.Figure 7 is a cross-sectional photograph of the silicon ingot prepared according to the second and third embodiments of the present invention.
〈도면의 주요부분에 대한 설명〉<Description of Main Parts of Drawing>
1: 유도코일 2: 냉 도가니1: induction coil 2: cold crucible
3: 슬릿 4: 세그먼트3: slit 4: segment
5: 용탕 6: 장입 원료5: molten metal 6: charging raw materials
7: 더미바(dummy bar) 8: 주괴(ingot)7: dummy bar 8: ingot
9: 플라즈마 아크 가열 원 10: 어닐링 로9: plasma arc heating source 10: annealing furnace
11: 열 도가니 12: 단열재(자기장 투과)11: thermal crucible 12: insulation (magnetic field permeation)
13: 단열인서트 부재 20: 분획 판13: insulation insert member 20: partition plate
21: 유입구 22: 배출구21: inlet 22: outlet
본 발명은 태양전지의 기판용으로 사용되는 실리콘 주괴의 제조와 같이 높은 융점과 낮은 전기전도성을 가지는 반도체나 금속 재료를 고 순도의 주괴로 전자기 연속주조하기 위한 도가니에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a crucible for electromagnetic continuous casting of semiconductors or metal materials having high melting points and low electrical conductivity into high purity ingots, such as the production of silicon ingots used for substrates of solar cells.
이 타입의 주괴는 예를 들면 태양전지와 같은 광기전성 요소들(photovoltaic elements), 예를 들면 실리콘 웨이퍼의 제조를 위한 출발재로서 사용된다. Ingots of this type are used as starting materials for the production of photovoltaic elements, for example silicon wafers, for example solar cells.
지금까지는 다 결정 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해서는 흑연도가니 안이나 또는 흑연도가니 내부에 위치시킨 석영도가니 안에서 실리콘을 용해한 후 수냉되는 주형(또는 도가니 주형 일체형) 바닥으로부터 서서히 방향성 응고시켜 주괴를 제조한 후, 주괴를 500㎛ 미만의 두께를 갖는 아주 얇은 웨이퍼로 슬라이스 하는 제조 방법이 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나 이 방식은 흑연도가니와 석영도가니로부터 유입되는 흑연 및 산소에 의해 실리콘 주괴가 오염되는 문제점과 실리콘이 응고하며 팽창하는 과정에서 석영도가니가 파괴되어 매 작업시마다 새로운 석영도가니를 사용해야 하므로 제조비가 증가하는 문제점이 있다.Until now, in order to manufacture silicon wafers for polycrystalline solar cells, ingots are prepared by dissolving silicon in a quartz crucible or in a quartz crucible placed inside the graphite crucible and then slowly directional solidifying from a water-cooled mold (or crucible mold-integrated) bottom. The manufacturing method of slicing ingots into very thin wafers having a thickness of less than 500 mu m has been most widely used. However, this method has a problem that silicon ingot is contaminated by graphite and oxygen flowing from graphite crucible and quartz crucible and quartz crucible is destroyed during the solidification and expansion of silicon. There is a problem.
한편, 실리콘 웨이퍼의 품질 및 비용은 주괴의 품질 및 비용에 의해 결정되기 때문에, 최근 들어 불순물의 혼입을 억제함으로써 실리콘 웨이퍼의 품질을 올리고 도가니 및 주형의 손실을 없애고 생산성을 향상시킴으로써 제조비용을 낮추기 위한 방법으로서 전자기 연속주조법이 사용되기 시작하였다.On the other hand, since the quality and cost of the silicon wafer is determined by the quality and cost of the ingot, recently, the quality of the silicon wafer is improved by suppressing the incorporation of impurities, eliminating the loss of the crucible and the mold, and improving the productivity to lower the manufacturing cost. As a method, electromagnetic continuous casting has begun to be used.
종래의 전자기 연속주조법으로는 도 1에 나타낸 바와 같이, 유도코일(1)과 유도코일(1)의 내측에 배치된 도전성 소재(통상적으로 무산소동을 사용함)로 제작된 하부 개방형의 연속주조형 냉 도가니(2)(cold crucible)가 사용된다.As a conventional electromagnetic continuous casting method, as shown in FIG. 1, a continuous open-type cold casting of a lower open type made of an induction coil 1 and a conductive material (typically using oxygen-free copper) disposed inside the induction coil 1 Crucible 2 (cold crucible) is used.
이 냉 도가니(2)는 둘레방향을 따라서 적어도 일부분이, 특히 유도코일(1) 내측에 위치하는 부분은 종 방향의 슬릿(3)들에 의해 여러 개의 세그먼트(4)들로 분할된 구조이며, 용탕(5)의 응고와 냉 도가니(2)의 보호를 목적으로 내부로 냉각수가 통과하는 수냉구조로 이루어져 있다.This
이와 같이 종 방향으로 형성된 슬릿(4)은 유도코일(1)에 흐르는 고주파의 전 류에 의해 발생하는 자기장을 냉 도가니(2) 내부까지 투과시켜 용해 원료에 유도 전류를 발생시키게 되는 데, 그에 따른 주울 가열(Joule heating) 효과로 연속적으로 공급되는 장입 원료(6)를 가열 용해시킬 뿐만 아니라, 냉 도가니(2)의 내부 쪽으로 전자기력이 발생하여 용해 원료와 벽면과의 접촉을 경감시키게 된다. Thus, the
전자기 연속주조법은 이러한 도가니와의 접촉 경감 효과에 의하여 원료의 오염이 억제되고 주괴 제품의 품질이 향상되며 동시에 주형이 소모 교체되지 않아 설비 비용이 줄어들고 생산성이 향상되는 이점이 있다. 또한, 연속적인 주조 작업이 가능하고 생산속도가 매우 높은 장점이 있어 경제적인 주괴의 제조가 가능하다. Electromagnetic continuous casting method has the advantage that the contamination of the raw material is suppressed by the contact reduction effect with the crucible, the quality of the ingot product is improved and at the same time the mold is not consumed and replaced, thereby reducing the equipment cost and improving productivity. In addition, the continuous casting operation is possible and the production rate is very high, it is possible to manufacture economic ingots.
그렇지만, 이와 같은 전자기 연속주조법은 냉 도가니가 수냉 구조로 되어 있기 때문에 융점이 높고 전기전도도가 낮은 재료를 고 순도의 주괴로 제조하는 데 문제점이 발생하게 된다. 즉, 고 순도를 요하지 않는 철강이나 알루미늄의 전자기 연속주조 공정에서는 원료를 미리 용해하는 용해공정이 별도로 존재하고 상기 냉 도가니에서는 단지 주조공정만이 이루어지는 반면, 고순도를 요하는 재료의 주괴를 제조하기 위해서는 냉 도가니 내에서 용해공정과 주조공정이 함께 연속적으로 이루어지기 때문에 원료의 용해를 위해서 많은 전력을 요하게 된다. However, such an electromagnetic continuous casting method causes a problem in manufacturing a high purity ingot of a material having high melting point and low electrical conductivity because the cold crucible has a water-cooled structure. In other words, in the electromagnetic continuous casting process of steel or aluminum, which does not require high purity, there is a separate melting process for dissolving raw materials in advance, and only the casting process takes place in the cold crucible, whereas in order to manufacture an ingot of high purity material. Since the melting process and the casting process are continuously performed together in the cold crucible, much power is required for melting the raw materials.
특히, 실리콘은 융점이 매우 높고 전기전도도가 낮은 반도체재료로서 복사열 방출로 인한 냉각효과는 컸지만 유도 발열로 인한 가열효과는 작아 소재를 효율적으로 연속 용해하는 데에 어려움이 있다. 이는 아주 낮은 열전도도와 약 700oC 미만의 온도에서의 전기적으로 비전도성의 실리콘과 유도가열원 사이의 결합(coupling) 의 부족에 기인한 것이다. In particular, silicon is a semiconductor material having a very high melting point and low electrical conductivity, which has a large cooling effect due to radiant heat emission, but a small heating effect due to induction heating, which makes it difficult to continuously dissolve the material efficiently. This is due to the very low thermal conductivity and lack of coupling between the electrically nonconductive silicon and the induction heating source at temperatures below about 700 ° C.
때문에 현재는 수백 kW에 이르는 대용량의 전원장치를 사용하거나, 일본 특허출원공개번호 특개 2001-19594에서와 같이, 도가니 둘레에 배치된 유도코일에 의한 전자 유도 가열과 플라즈마 아크 가열 원의 병용에 의해 하부 개방형 도가니 내에 실리콘 용액을 형성하는 방법에 개시되어 있으나, 이것들은 과도한 설비비 및 제조비가 든다는 단점이 있다.As a result, it is possible to use a large-capacity power supply unit of several hundred kW or to use the induction coil and plasma arc heating source by induction coils arranged around the crucible as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-19594. Although a method of forming a silicone solution in an open crucible is disclosed, these have the disadvantage of excessive equipment and manufacturing costs.
따라서 본 발명자들은 낮은 전기전도성 재료를 전자기 연속주조하는데 있어 용탕의 전 구간에 걸쳐 용탕에 작용하는 전자기압을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하면서도, 원료의 가열 및 용해효율을 현격히 향상시키기 위하여, 수직축을 가지며, 상부의 열 도가니와 하부의 냉 도가니로 이루어지며, 유도코일에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는「고 용해효율 전자기 연속주조장치」를 대한민국 특허출원번호 10-2004-0065177에서 제시하였다.Accordingly, the present inventors maintain the electromagnetic pressure acting on the molten metal throughout the entire section of the molten metal in the continuous casting of low electroconductive material, while improving the heating and dissolving efficiency of the raw material significantly, while maintaining the vertical pressure. A high melting efficiency electromagnetic continuous casting device, which is composed of a thermal crucible at the top and a cold crucible at the bottom, and is surrounded by an induction coil, has been proposed in Korean Patent Application No. 10-2004-0065177.
한편, 본 발명자들에 의한 계속된 연구에 의하면 고 융점이고 전기전도도가 낮으면서도 취성이 큰 반도체나 금속 재료를 전자기 연속주조하는데 있어서 도가니의 구조는 작업의 용이성, 원료의 용해효율, 주괴의 품질 및 회수율 등에 큰 영향을 미친다.On the other hand, according to the continuous research by the inventors, the structure of the crucible in the continuous continuous electromagnetic casting of high melting point, low electrical conductivity and high brittle semiconductor or metal material is easy to work, dissolution efficiency of raw material, ingot quality and It has a big influence on the recovery rate.
종래의 전자기 연속주조법에 사용되는 냉 도가니를 살펴보면, 독립적인 여러 개의 세그먼트들이 주괴의 단면형상에 맞게 조립되어 사용되는 조립형과 냉 도가니의 종 방향 중 일부분만 종 방향 슬릿에 의해 세그먼트로 분할되고 나머지 부분은 둘레방향으로 일체화되어 있는 일체형이 사용되고 있는데, 우선 조립형 냉 도가니 의 경우에는 주괴의 단면 형상 및 크기가 결정되기 전인 연구개발 단계에 있어서는 편리하나 생산단계에 있어서는 독립적인 세그먼트를 해체하거나 조립하는 과정으로 인해 작업의 용이성이 떨어지는 단점이 있다.Referring to the cold crucible used in the conventional electromagnetic continuous casting method, only a part of the longitudinal direction of the assembled type and the cold crucible used in which several independent segments are assembled to match the cross-sectional shape of the ingot is divided into segments by the longitudinal slits. In the case of an assembled cold crucible, it is convenient in the research and development stage before the cross-sectional shape and size of the ingot is determined, but in the production stage, the independent segment is dismantled or assembled. Due to the process, there is a disadvantage that the ease of operation.
일체형 냉 도가니의 경우에는 세그먼트들의 변형 방지 및 형상 유지에는 유리하나, 현행처럼 도 2와 같이 슬릿이 없어 냉 도가니 내부로의 자기장 투과를 차폐하는 무 슬릿부가 냉 도가니의 상부에 위치하여 사용되게 되면 원료의 용해효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 차가운 고체의 원료가 공급되며, 정수압이 작아 용탕이 도가니 벽으로부터 멀리 떨어지게 되고 그에 따라 자기장의 집중효과가 작게 되는 용탕 상부에서의 자기장 값을 더욱 낮추게 되어 유도발열량이 크게 줄어들게 되며, 또한, 대한민국 특허출원번호 10-2004-0065177에서와 같은 용해효율 향상을 위한 열 도가니를 설치하기에도 곤란하며 설치하더라도 큰 효과를 기대할 수 없다.In the case of the integrated cold crucible, it is advantageous to prevent deformation of the segments and maintain the shape. However, as shown in Fig. 2, there is no slit, so that the slit portion that shields the magnetic field penetration into the cold crucible is used at the top of the cold crucible. There is a problem that the melting efficiency of the fall. That is, the raw material of the cool solid is supplied, and the hydrostatic pressure is small, so that the molten metal is far from the crucible wall, thereby lowering the magnetic field value at the upper part of the molten metal, which reduces the concentration effect of the magnetic field. It is difficult to install a thermal crucible for improving the melting efficiency as in Patent Application No. 10-2004-0065177, and even if it is installed, a large effect cannot be expected.
이때 일본 특허출원공개번호 특개 2001-19594에 의하면 부족한 가열효과를 보충하기 위하여 플라즈마 아크 가열 원을 병용하게 되는 경우에는 냉 도가니 내 벽면으로의 사이드 아크가 발생하는 문제가 일어나 이를 방지하기 위하여 석영관 등을 추가적으로 설치 절연을 해 주어야 한다.At this time, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-19594, when the plasma arc heating source is used together to compensate for the insufficient heating effect, there is a problem that a side arc occurs to the wall surface of the cold crucible, and thus, a quartz tube or the like is used. Additional insulation must be provided.
반대로 일체형 도가니의 무 슬릿부를 냉 도가니의 하부에 오도록 위치시켜 사용하게 되면, 용탕 상부에서의 자기장 감쇄 효과를 줄일 수 있고 열 도가니를 설치하기에도 적합하여 원료의 가열효과 관점에서는 유리하나, 이번에는 주괴의 품질 및 회수율에는 나쁜 영향을 미치게 된다. 즉, 냉각부인 응고 층이 형성되는 유도코 일 하단으로부터 냉 도가니를 빠져나오기까지의 거리가 길어짐에 따라 주괴의 온도 하락이 급격히 이루어지게 되므로, 큰 열응력장이 형성되어 전위 같은 결정결함이 생성되기 쉽고, 특히 취성이 큰 재료의 경우에는 균열이 발생하여 회수율을 떨어뜨리게 된다.On the contrary, if the slit portion of the integrated crucible is placed under the cold crucible, it can reduce the magnetic field attenuation effect at the top of the molten crucible and is suitable for installing the thermal crucible, which is advantageous from the viewpoint of the heating effect of the raw material, but this time ingot Will adversely affect the quality and recovery rate. In other words, as the distance from the bottom of the induction coil where the solidification layer, which is the cooling unit, is formed, to exit the cold crucible is increased, the temperature of the ingot is rapidly decreased, so that a large thermal stress field is formed, and thus crystal defects such as dislocations are easily generated. In particular, in the case of highly brittle materials, cracks occur and the recovery rate is reduced.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고 융점이고 전기전도도가 낮은 원료의 가열 및 용해 효율을 현저히 향상시키면서, 용탕의 전 구간에 걸쳐 전자기력을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지할 수 있는, 이 원료를 고 순도의 다결정 주괴로 연속주조할 수 있는 간단한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems, while significantly improving the heating and dissolution efficiency of the high melting point and low electrical conductivity raw materials, it is possible to maintain the electromagnetic force greater than the hydrostatic pressure of the melt over the entire section of the melt It is an object of the present invention to provide a crucible for a simple electromagnetic continuous casting machine capable of continuously casting this raw material into a high-purity polycrystalline ingot.
또한, 본 발명의 목적은 취성이 큰 반도체 또는 금속재료를 고 순도의 다 결정 주괴로 결정 결함 및 균열의 생성이 없이 높은 회수율로 전자기 연속 주조할 수 있는 전자기 연속주조기용 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a crucible for an electromagnetic continuous casting machine capable of continuously casting electromagnetically or highly brittle semiconductor or metal material with high purity in a high recovery rate without generating crystal defects and cracks. do.
실험 및 수치해석에 의한 연구결과에 따르면 냉 도가니만을 사용하는 전형적인 전자기 연속주조법에서는 통상적으로 70~80%의 유도발열량이 냉 도가니에서 발생하게 되어 원료의 가열 및 용해에 기여하지 못하고 냉각수에 의해 손실되게 된다.Experimental and numerical results show that in typical electromagnetic continuous casting method using only cold crucible, 70 ~ 80% of induction calorific value is generated in cold crucible, so that it does not contribute to heating and melting of raw materials but is lost by cooling water. do.
특히 고체의 원료가 공급되는 용탕의 상부는 용탕 높이에 비례하는 정수압이 작아, 용탕이 도가니 벽으로부터 멀리 떨어지게 되고 그에 따라 전자장의 집중효과가 작아 낮은 전자장 값을 보이며 유도발열량이 줄어들게 된다.In particular, the upper part of the molten metal to which the raw material is supplied has a small hydrostatic pressure proportional to the height of the molten metal, so that the molten metal is far from the crucible wall, and thus the concentration effect of the electromagnetic field is small, resulting in a low electromagnetic field value and a reduction in induced calorific value.
이때 원료가 고 융점이면서도 낮은 전기전도성의 재료인 경우에는 고주파전원장치의 용량이 작아 유도코일에 인가되는 전류가 작으면 유도 발열에 의한 가열효과가 복사열 방출에 의한 냉각효과보다 작아 용탕이 쉽게 냉각 응고되어 연속적이 용해 주조 공정이 어렵게 된다.In this case, when the raw material is a material with high melting point and low conductivity, the capacity of the high frequency power supply is small and the current applied to the induction coil is small, so that the heating effect due to induction heating is smaller than the cooling effect due to the emission of radiant heat. This makes the continuous melt casting process difficult.
한편, 용탕의 하부는 용탕의 높이가 증가함에 따라 정수압이 커지기 때문에 도가니와의 무접촉을 유지하기 위해서는 가열효과보다는 전자기압의 효과가 상대적으로 더 중요하게 되는 영역이다.On the other hand, since the hydrostatic pressure increases as the height of the melt increases, the lower portion of the melt is an area in which the effect of electromagnetic pressure becomes more important than the heating effect in order to maintain contact with the crucible.
또한, 고 융점이면서 전기전도도가 낮고 취성이 큰 재료인 경우에는 결정결함 및 균열의 발생을 막기 위하여 유도코일 하단을 벗어나 응고 층이 형성되게 되면 급격한 온도 하락을 피하는 것이 바람직하다. 특히, 실리콘과 같은 반도체 재료는 일단 응고가 일어나게 되면 전기전도도가 현격히 떨어지고 그에 따라 유도발열량이 급격히 줄어들게 되므로 주괴의 온도는 더욱 쉽게 하락하게 된다.In addition, in the case of a high melting point, low electrical conductivity, and brittle material, it is preferable to avoid a sudden temperature drop when a solidification layer is formed outside the bottom of the induction coil to prevent crystal defects and cracks. In particular, the semiconductor material such as silicon, once solidified, the electrical conductivity is drastically reduced, and thus the amount of induction heating is drastically reduced, so the temperature of the ingot is more easily dropped.
따라서 본 발명에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 수직축을 갖고 바닥 면이 없이 개방되어 있는 전자기 연속주조기용 도가니를 다음과 같이 구성하였다.Therefore, in order to solve these problems, in the present invention, a crucible for an electromagnetic continuous casting machine having a vertical axis and having no bottom surface is configured as follows.
상기 전자기 연속주조장치에 사용되는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니로서, 상기 도가니는 수직축을 가지며, 상부의 열도가니와 하 부의 냉도가니로 이루어지고, 유도코일에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 열도가니는 냉각이 되지 아니하며, 전기전도성의 비금속 재료로 이루어지고, 상기 냉도가니는 수냉구조를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어지며, 상기 냉 도가니 상부 외 측의 적어도 일부와 상기 열도가니 외 측의 적어도 일부는 유도코일에 내측에 위치하여 원료의 용해 효율을 현격히 향상시키면서도 용탕의 전 구간에 걸쳐 전자기력이 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하며, 상기 냉도가니의 내 벽면 중 종 방향으로 유도코일보다 아래 지점에 위치하는 적어도 일부는 홈을 파내고 비금속 재료로 된 단열인서트 부재를 삽입하여 복사열 방출량을 줄이도록 하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.A crucible for an electromagnetic continuous casting machine having excellent dissolution efficiency and recovery rate used in the electromagnetic continuous casting device, wherein the crucible has a vertical axis, and consists of a hot crucible at the top and a cold crucible at the bottom, and is surrounded by an induction coil. The crucible is not cooled, it is made of an electrically conductive non-metallic material, and the cold crucible has a water-cooled structure, is made of a thermally conductive and electrically conductive metal material, and at least a portion of the upper side of the cold crucible and the heat At least a part of the outer side of the crucible is located inside the induction coil, while greatly improving the dissolution efficiency of the raw materials, while maintaining the electromagnetic force greater than the hydrostatic pressure of the molten metal throughout the entire section of the molten metal, and in the longitudinal direction of the inner wall of the crucible. At least a portion below the induction coil is dug out and the base metal It provides a dissolution efficiency and electromagnetic continuous casting crucible appointed recovery is excellent so that by inserting the insulated insert element of charge reduces the radiant heat emission.
바람직하게는, 상기 열도가니는 상단부가 둘레방향으로 일체화되어 있고, 하단부는 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루며, 상기 냉도가니는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트로 분할되는 구조를 이루는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.Preferably, the thermal crucible has an upper end integrated in the circumferential direction, and the lower end has a structure in which at least a portion of the circumferential direction is divided into segments by longitudinal slits, and the cold crucible has at least a portion in the circumferential direction. The present invention provides a crucible for an electromagnetic continuous casting machine with excellent dissolution efficiency and recovery rate, which forms a structure divided into segments from an upper end portion to a lower end portion by longitudinal slits.
또한 바람직하게는, 상기 열 도가니와 상기 단열인서트 부재는 상기 냉 도가니와의 사이에 저 전기전도성 및 저 열전도성의 시트를 삽입하거나 공극을 둠으로써 열적 및 전기적으로 분리되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 냉 도가니와 전기적으로 분리된 열 도가니는 플라즈마 및 전자빔과 같은 가열 원을 병용하는 경우 사이드 아크 발생의 방지에 유리하고, 열적으로 분리되어 있어야 발생된 열을 냉도가니쪽으로 손실되는 양을 줄이고 용탕으로 전달되는 양을 늘려 유리하다. 또 한 단열인서트 부재는 열적으로 냉도가니와 분리되어 있어야 단열인서트 부재 표면온도가 주괴의 온도에 더 가까워져 복사열 방출에 의한 주괴의 급속한 냉각을 억제하는데 유리하게 되고, 전기적으로 분리되어 있어야 사이드 아크 발생 방지에 유리하게 된다. Also preferably, the thermal crucible and the heat insulation insert member may be thermally and electrically separated from each other by inserting or voiding a sheet of low electrical conductivity and low thermal conductivity between the cold crucible. In particular, the thermal crucible electrically separated from the cold crucible is advantageous in preventing side arc generation when a heating source such as a plasma and an electron beam is used in combination, and the amount of heat generated by thermal separation should be reduced to the cold crucible. It is advantageous to increase the amount delivered to the molten metal. In addition, the insulating insert member must be separated from the cold crucible thermally so that the surface temperature of the insulating insert member is closer to the temperature of the ingot, which is advantageous to suppress the rapid cooling of the ingot by radiant heat release. To be advantageous.
또한 바람직하게는, 상기 냉도가니의 수냉구조는 유입구와 배출구가 상기 냉도가니의 하부의 하단부에 형성되어 있는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다. 유입구와 배출구의 위치를 냉도가니의 하단부에 형성하는 이유는, 일체형 냉도가니의 경우 무 슬릿부를 냉도가니의 하부에 오도록 위치시켜 사용함으로써 차가운 고체의 원료가 공급되며 정수압이 작아 용탕이 도가니 벽으로부터 멀리 떨어지게 됨에 따라 자기장의 집중효과가 작게 되는 용탕 상부에서의 무 슬릿부에 의한 자기장 감쇄 효과를 줄일 수 있고, 열 도가니를 설치하기에도 적합하여 원료의 가열효과 관점에서 유리하기 때문이다.Also preferably, the water cooling structure of the cold crucible provides a crucible for an electromagnetic continuous casting machine having excellent dissolution efficiency and recovery rate in which inlets and outlets are formed at the lower end of the lower portion of the cold crucible. The inlet and outlet locations are formed at the lower end of the cold crucible because the integrated cold crucible is used by placing the slit in the lower part of the cold crucible to supply raw materials of cold solids and to keep the molten metal away from the crucible wall. This is because the magnetic field attenuation effect by the slit portion in the upper part of the molten metal becomes smaller as the concentration effect of the magnetic field decreases, and it is also suitable for installing a thermal crucible, which is advantageous in terms of the heating effect of the raw material.
또한 바람직하게는, 상기 전기전도성의 비금속재료는 흑연인 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.Also preferably, the electrically conductive nonmetallic material provides a crucible for an electromagnetic continuous casting machine with excellent melting efficiency and recovery rate of graphite.
또한 바람직하게는, 상기 도가니의 외부를 둘러싸는 단열재의 자기장 투과덮개를 추가로 포함하는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다. Also preferably, the present invention provides a crucible for an electromagnetic continuous casting machine having excellent dissolution efficiency and recovery rate, further comprising a magnetic field transparent cover of a heat insulating material surrounding the outside of the crucible.
또한 바람직하게는, 상기 종방향의 슬릿들중 적어도 일부가 상기 열도가니와 상기 냉도가니에 걸쳐서 직선적으로 이어지는 용해효율 및 회수율이 우수한 전자기 연속주조기용 도가니를 제공한다.Also preferably, at least some of the longitudinal slits provide a crucible for an electromagnetic continuous casting machine with excellent dissolution efficiency and recovery rate that extends linearly across the thermal crucible and the cold crucible.
(( 실시예Example ))
이하, 본 발명을 비교예와 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Comparative Examples and Examples.
도 2 ~ 도 4와 같이 전자기 연속주조기용 도가니의 구조를 변경하면서 자기장을 측정 비교하고, 실리콘의 용해 및 주조실험을 수행하였으며, 제조한 주괴는 CT단층촬영법 및 단면절단에 의한 직접검사법을 병행 균열 발생 여부를 확인하였다.2 to 4, the magnetic field was measured and compared while changing the structure of the crucible for the electromagnetic continuous casting machine, and silicon melting and casting experiments were performed. The prepared ingots were subjected to CT tomography and direct inspection by cross section cutting. It was confirmed whether or not it occurred.
도가니의 외부에는 선경 10mm의 수냉 동관을 내경 125mm, 외경 145mm의 5~8턴의 솔레노이드 형태로 감은 유도코일(1)을 위치시키되 유도코일(1)의 상단이 도가니 상단으로부터 5mm 아래에 위치하도록 설치하였으며, 주파수 20 kHz의 교류전류를 최대 1,230 A까지 인가하였다.On the outside of the crucible is placed an induction coil (1) wound by a 5-10 turn solenoid with a water cooled copper tube with a diameter of 125 mm and an outer diameter of 125 mm and an outer diameter of 145 mm, with the top of the induction coil 1 positioned 5 mm below the top of the crucible. An AC current of 20 kHz was applied up to 1,230 A.
연속주조를 위해서는 우선 더미바(7)로 도가니의 아래를 막은 상태에서 도가니 안에 원료(6)를 장입하고, 초기 용탕(5)을 용탕 돔(dome)이 도가니 상단 5mm 아래에 이르기까지 형성시킨 후, 원료(6)를 계속적으로 보급하면서 더미바(7)를 일정 속도로 하강시키며 연속적으로 주괴(8)를 제조한다.For continuous casting, first, the raw material (6) is charged into the crucible while the bottom of the crucible is blocked with the dummy bar (7), and the initial molten metal (5) is formed until the top of the crucible is 5 mm below the top of the crucible. , While continuously supplying the raw material 6, the dummy bar 7 is lowered at a constant speed to continuously manufacture the ingot 8.
(( 비교예Comparative example ))
도 2에 보여진 바와 같이, 종래의 도가니는 유도코일(1) 내측에 배치된 도전 성 재료의 하부개방형의 냉 도가니(2)로 이루어지는데, 상기 냉 도가니(2)의 상부는 둘레방향으로 일체화된 무 슬릿부이며, 하부는 둘레방향을 따라서 종 방향의 슬릿(3)들에 의해 여러 개의 세그먼트(4)로 분할된 일체형의 구조이다. 또한, 용탕(5)의 응고와 도가니의 보호를 목적으로 도가니의 내부는 냉각수를 통과시켜 수냉시키는 구조로 하였다. 주괴의 직경을 결정하는 냉 도가니의 내경은 50mm였으며, 12개의 슬릿(3)에 의해 같은 간격의 세그먼트로 분할하였다.As shown in FIG. 2, the conventional crucible consists of a
비교예에서는 실시예 1 ~ 실시예 3에 비교하여 동일 인가전류 하에서 가장 낮은 자기장 값을 보였으며, 그 결과 초기 용탕(5)을 형성시킨 후의 연속적인 용해 주조 공정이 매우 어려웠다. 이는 실리콘이 전기전도도가 작고 융점이 높은 재료로서 유도 발열에 의한 가열효과는 작은 반면 복사열 방출에 의한 냉각효과는 커 용탕(5)이 쉽게 냉각되기 때문이다.In the comparative example, the lowest magnetic field value was shown under the same applied current as compared with Examples 1 to 3, and as a result, the continuous melt casting process after forming the initial molten metal 5 was very difficult. This is because silicon is a material with low electrical conductivity and high melting point, and the heating effect due to induction heating is small while the cooling effect due to radiant heat emission is large, so that the molten metal 5 is easily cooled.
제 1 실시예First embodiment
도 3에 보여진 바와 같이, 제 1 실시예의 도가니(2)는 바닥면이 없이 개방되어 있는 원통형 부재로 이루어진다. 하부개방형 냉 도가니(2)에서 상부는 둘레방향으로 다수의 부분(세그먼트)(3)으로 나누어지고, 그의 하부는 둘레방향으로 무 슬릿부로 이루어진 일체형의 구조를 이루고 있다. 냉 도가니의 상부에 다수의 슬릿이 형성됨으로써, 자기장이 내부까지 투과시키며, 냉 도가니의 하부는 일체화되어 상부부분의 세그먼트(4)들을 지지 유지한다. 주괴의 직경을 결정하는 냉 도가니의 내경은 50mm였으며, 12개의 슬릿(3)에 의해 등간격의 세그먼트로 분할하였다. As shown in FIG. 3, the
또한, 냉 도가니(2)의 내부는 용탕(5)의 응고와 도가니의 보호를 목적으로 도가니의 내부는 냉각액을 통과시켜 수냉하는 구조로 되어 있다. 구체적으로 설명하면, 분획 판(20)에 의해 분획 되어 내부와 외부를 형성함으로써, 냉 도가니(2)의 하단부에 형성된 유입구(21)을 통해 도입된 냉각액이 내부를 따라서 상승하면서 내벽 표면을 냉각시킨 후에, 외부부분을 따라서 하강하여 냉 도가니(2)의 하단부에 형성된 배출구(22)에 모여진 후, 냉 도가니(2)밖으로 배출된다. In addition, the inside of the
유도코일(1)은 개방형 도가니(2)의 상부 외 측에 동심원을 이루면서 제공되며, 동축케이블(도시되지 않음)에 의해 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 유도코일(1)과 동축케이블(도시되지 않음)은 동일한 냉각수단에 의해 냉각되어 진다. The induction coil 1 is provided concentrically on the upper outer side of the
하부개방형 냉 도가니(2)는 둘레방향으로 형성된 세그먼트들(4)사이의 폭이 약 13mm 이다. 하부개방형 도가니(2)의 재료는 동 이외에 전도성 재료가 사용될 수 있다.The bottom open
제 1 실시예에서는 비교예를 포함한 모든 실시예 중에서 가장 높은 자기장 값을 보였으나, 여전히 초기 용탕(5)을 형성시킨 후의 연속적인 용해 주조 공정은 어려웠다. 이는 전자기장 해석 전용 상용프로그램인 OPERA-3D의 계산결과에 의하면 제 1 실시예와 같은 전자기 연속주조공정에서 발생하는 총 유도발열량의 약 70%가 냉 도가니(2)에서 발생하여, 원료의 가열 및 용해에 기여하지 못하고 냉각공정으로 손실되기 때문이다.Although the first embodiment showed the highest magnetic field value among all the examples including the comparative example, the continuous melt casting process after forming the initial melt 5 was still difficult. According to the calculation result of OPERA-3D, a commercial program dedicated to electromagnetic field analysis, about 70% of the total induction calorific value generated in the electromagnetic continuous casting process as in the first embodiment is generated in the cold crucible (2), thereby heating and dissolving raw materials. This is because the cooling process does not contribute to the loss.
제 2 실시예Second embodiment
제 2 실시예에서는, 도 4에서 보는 바와 같이, 하부개방형 냉 도가니(2)는 하부를 제외하고, 상부에 둘레방향으로 12개의 종 방향 슬릿(3)들에 의해 등 간격의 세그먼트(4)로 나누어지는 구조를 갖는 동으로 이루어진 내경 50mm의 중공 원통형 부재로 이루어진다. 종 방향 슬릿들에 의해 세그먼트들로 분할되어 있어, 자기장을 냉 도가니의 내부로 투과시킨다. In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the lower open
하부 개방형 냉 도가니(2)의 하부는 둘레방향으로 일체화되어 상부의 세그먼트(4)들을 지지 유지한다. The lower part of the lower open
냉 도가니(2)의 내부는 분획 판(20)에 의해 분획 되어 내부와 외부를 형성함으로써, 냉 도가니(2)의 하단부에 형성된 유입구(21)를 통해 도입된 냉각액이 내부를 따라서 상승하면서 내벽 표면을 냉각시키고, 외부부분을 따라서 하강하여 냉도가니(2)의 하단부에 형성된 배출구(22)에 모여진 후, 냉 도가니(2)밖으로 배출된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 유입구(21)와 배출구(22)가 냉 도가니의 하부의 하단부에 형성되는 구조를 이루고 있다.The interior of the
하부개방형 도가니(2)는 둘레방향으로 형성된 세그먼트들(4)사이의 폭이 약 13mm 이다. 하부개방형 도가니(2)의 재료는 동 이외에 전도성 재료가 사용될 수 있다.The lower
열 도가니(11)는 동심원을 이루며 연통가능하게 하부개방형 냉 도가니(2)위에 제공된다. 냉 도가니(2)위에 배열된 열 도가니(11)는 냉각구조를 가지지 않고 냉각이 되지 아니하며, 내경 50mm, 외경 80mm, 높이 30mm인 흑연 소재로 제작되며, 상부는 둘레방향으로 일체화되어 있는 구조로 하고, 하부는 길이 20mm인 슬릿(3)에 의해 12개의 등간격 세그먼트(4)로 분할된 구조로 되어 있다. The
유도코일(1)은 냉 도가니(2)의 상부의 외측둘레의 적어도 일부와 열 도가니(10)의 외측둘레의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열되어 있으며, 냉 도가니(2)의 상부에 형성된 종 방향의 슬릿(3)들과 열 도가니(10)의 하부에 형성된 슬릿(3)들은 두 도가니의 경계 부근에서도 전자기력이 도절 및 상쇄되지 않도록 서로 연속되게 하였다.The induction coil 1 is arranged to surround at least a portion of the outer circumference of the upper portion of the
제 2 실시예에서는 제 1 실시예보다는 다소 낮은 자기장 값을 보였으나 비교예 보다는 월등히 높은 자기장 값을 보였으며, 용해 주조 실험 결과 고체 원료(6)를 170g/min 이상의 속도로 투입하며 용탕(5)과 도가니와의 접촉도 억제하면서 연속 적으로 용해 주조할 수 있었다.In the second embodiment, the magnetic field value was slightly lower than that of the first embodiment, but the magnetic field value was much higher than the comparative example. As a result of the melt casting test, the solid raw material 6 was added at a rate of 170 g / min or more, and the molten metal 5 was used. Melt casting was also possible while suppressing contact with the crucible.
하지만, 도 6과 도 7에서와 같은 균열이 주괴 내부에 형성되는 문제점이 발생하였다. 이는 냉각부의 길이, 즉 응고 층이 형성되는 유도코일(1) 하단으로부터 냉 도가니(2)를 빠져나오기까지의 거리가 길어짐에 따라 주괴(8)의 온도 하락이 급격히 이루어지게 되어 큰 열응력장이 형성되었기 때문에 취성이 큰 실리콘 주괴에 균열이 발생한 것이다.However, there occurs a problem that cracks are formed in the ingot as shown in FIGS. 6 and 7. This is because the length of the cooling section, that is, the distance from the lower end of the induction coil (1) where the solidification layer is formed to exit the cold crucible (2) becomes long, and the temperature of the ingot (8) rapidly decreases to form a large thermal stress field. As a result, cracking occurred in the brittle silicon ingot.
제 3 실시예(최적 양호한 실시예)Third embodiment (optimum preferred embodiment)
제 3 실시예는 도 5에서 보는 바와 같이, 냉 도가니(2)의 내 벽면 중 종 방향으로 유도코일(1)의 아래에 위치하는 내벽의 일부를 홈을 파내고 비금속 재료로 된 단열인서트 부재(13)를 삽입한 구조를 갖는다. 그 외의 나머지 조건은 제 2 실시예와 동일하다.In the third embodiment, as shown in FIG. 5, a part of the inner wall located below the induction coil 1 in the longitudinal direction of the inner wall of the
제 3 실시예에서는 실리콘의 용해 주조 실험 결과 용탕(5)을 도가니와의 무접촉 조건에서 고체 원료(6)를 170g/min 이상의 속도로 투입하며 연속적으로 용해 주조할 수 있었다. 또한, CT 단층촬영법 및 단면절단에 의한 직접검사 결과 균열 발생이 없었음을 확인할 수 있었다.In the third embodiment, as a result of the melt casting experiment of silicon, the molten metal 5 was continuously melt cast while the solid raw material 6 was charged at a rate of 170 g / min or more under a non-contact condition with the crucible. In addition, the results of the direct examination by CT tomography and cross-sectional cutting showed no cracks.
각 실시예에 따른 자기장의 변화, 특히 복사열 방출은 가장 크고 자기장 집중효과는 가장 작을 것으로 판단되는, 용탕(5)의 상부에 대응하는 곳에서의 자기장 값을 평가하기 위하여, 유도코일(1)의 상단부 중심에서의 자기장 값을 측정표 1에 정리하였다. 제 1 실시예 ~ 제 2 실시예에서와 같이 냉 도가니(2)는 세그먼트(4)로 분할된 부분을 위쪽에 배치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.In order to evaluate the magnetic field value at the position corresponding to the upper part of the molten metal 5 in which the change of the magnetic field according to each embodiment, in particular the radiant heat emission is the largest and the magnetic field concentration effect is determined to be the smallest, Magnetic field values at the center of the top are summarized in Measurement Table 1. As in the first to second embodiments, it can be seen that the
(표 1) 비교예 및 실시예에서 유도코일 상단부 중심에서의 자기장 값Table 1 Magnetic field values at the center of the upper end of the induction coil in Comparative Examples and Examples
도 6과 도 7에는 각각 제 2 실시예와 제 3 실시예에서 제조한 주괴(8)를 CT단층촬영법 및 단면절단에 의한 직접검사법에 의한 균열 발생 여부를 조사한 사진 을 도시하였다. 냉 도가니(2)의 내벽면 중 유도코일(1) 아래에 위치하는 일부를 홈을 파내고 단열인서트 부재(13)를 삽입하는 간단한 방법으로 주괴(8)의 균열 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다. 이는 냉각부에 있어서 단열인서트 부재(13)의 뜨거운 표면이 냉 도가니(2)의 차가운 표면을 대체하게 됨에 따라, 마주하는 두 물체의 표면온도에 의해 결정되는, 좀더 자세히는 두 물체의 표면온도의 네 제곱 값의 차이에 의해 결정되는 복사열 방출량이 많이 줄어들었기 때문이다.FIG. 6 and FIG. 7 show photographs of the ingot 8 manufactured in the second and third embodiments, respectively, in which cracks were generated by CT scan and direct inspection by cross section cutting. Cracking of the ingot 8 can be effectively suppressed by a simple method of digging a portion of the inner wall of the
이상과 같은 본 발명은 용탕의 전 구간에 걸쳐 용탕에 작용하는 전자기압을 용탕의 정수압보다 큰 상태로 유지하면서도 원료의 가열 및 용해 효율을 현격히 향상시킬 수 있고, 특히 전자기장의 집중효과가 작아 유도발열량이 작은 반면, 복사열 방출이 큰 용탕 상부의 가열효과를 향상시키는데 효과적이며, 용탕의 전 구간에 걸쳐 무접촉 또는 열 접촉 상태를 유지하여 원료의 용해효율을 현격히 향상시킬 수 있으며, 유도가열 이외의 2차 가열 원의 병용이 용이하다.The present invention as described above can significantly improve the heating and dissolving efficiency of the raw material while maintaining the electromagnetic pressure acting on the molten metal over the entire section of the molten metal than the hydrostatic pressure of the molten metal, in particular, the heating effect of the electromagnetic field is small, the induction calorific value On the other hand, it is effective in improving the heating effect of the upper part of the molten metal, which is large in radiant heat emission, and can maintain the contactless or thermal contact state over the entire section of the molten metal to significantly improve the dissolution efficiency of raw materials. The combination of the primary heating source is easy.
또한, 본 발명에 따르면, 냉각부의 복사열 방출을 줄여서 결정결함 및 균열의 생성을 효과적으로 억제할 수 있어 회수율을 향상시킬 수 있으며, 도가니의 유지 관리가 쉽다. 따라서, 고 융점이면서도 전기전도가 낮고 취성이 큰 반도체 또는 금속재료를 간단한 도가니를 사용하여 전자기 연속주조를 가능케 하는 이점이 있다.Further, according to the present invention, it is possible to effectively suppress the formation of crystal defects and cracks by reducing the radiant heat emission of the cooling unit, thereby improving the recovery rate, and easy to maintain the crucible. Therefore, there is an advantage that the continuous melting of the semiconductor or metal material having a high melting point, low electrical conductivity and high brittleness by using a simple crucible.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020060025431A KR100778019B1 (en) | 2006-03-20 | 2006-03-20 | A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020060025431A KR100778019B1 (en) | 2006-03-20 | 2006-03-20 | A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070095130A true KR20070095130A (en) | 2007-09-28 |
KR100778019B1 KR100778019B1 (en) | 2007-11-21 |
Family
ID=38688551
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020060025431A KR100778019B1 (en) | 2006-03-20 | 2006-03-20 | A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100778019B1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012157862A2 (en) * | 2011-05-18 | 2012-11-22 | 주식회사 케이씨씨 | Electromagnetic continuous casting apparatus including an assembly assembly-type (split split-type) cold crucible |
CN106077598A (en) * | 2016-04-26 | 2016-11-09 | 重庆大学 | A kind of bath temperature adjusting means of aluminium alloy melt insulated pouring room |
KR20190011990A (en) * | 2017-07-26 | 2019-02-08 | 한국생산기술연구원 | The Cold Crucible Structure |
KR20190011996A (en) * | 2017-07-26 | 2019-02-08 | 한국생산기술연구원 | The Cold Crucible Structure |
CN109530669A (en) * | 2019-01-11 | 2019-03-29 | 钢铁研究总院 | A method of regulation cold-crucible casting TiAl alloy melts the degree of superheat |
CN112695207A (en) * | 2020-12-11 | 2021-04-23 | 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 | Water-cooled crucible for smelting hollow titanium ingot by electron beam cold bed and application thereof |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100995927B1 (en) | 2008-10-16 | 2010-11-22 | 한국에너지기술연구원 | A graphite crucible for electromagnetic induction melting silicon and apparatus for silicon melting and refining using the graphite crucible |
US20140326427A1 (en) * | 2013-05-02 | 2014-11-06 | Rti International Metals, Inc. | Method and apparatus for reducing bubbles or gas pockets in a metal ingot using a continuous casting mold |
IT202100024227A1 (en) * | 2021-09-21 | 2023-03-21 | Antonio Alessandro Rossi | High-efficiency cold crucible and method of making it |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3728872B2 (en) | 1997-06-11 | 2005-12-21 | 住友金属工業株式会社 | Metal continuous melting casting apparatus and method |
JP2002327219A (en) | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Daido Steel Co Ltd | Method for melting metal, and metal melting device therefor |
JP2004099959A (en) | 2002-09-06 | 2004-04-02 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Method and device for cleaning material containing impurity |
-
2006
- 2006-03-20 KR KR1020060025431A patent/KR100778019B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012157862A2 (en) * | 2011-05-18 | 2012-11-22 | 주식회사 케이씨씨 | Electromagnetic continuous casting apparatus including an assembly assembly-type (split split-type) cold crucible |
WO2012157862A3 (en) * | 2011-05-18 | 2013-01-10 | 주식회사 케이씨씨 | Electromagnetic continuous casting apparatus including an assembly assembly-type (split split-type) cold crucible |
CN106077598A (en) * | 2016-04-26 | 2016-11-09 | 重庆大学 | A kind of bath temperature adjusting means of aluminium alloy melt insulated pouring room |
KR20190011990A (en) * | 2017-07-26 | 2019-02-08 | 한국생산기술연구원 | The Cold Crucible Structure |
KR20190011996A (en) * | 2017-07-26 | 2019-02-08 | 한국생산기술연구원 | The Cold Crucible Structure |
CN109530669A (en) * | 2019-01-11 | 2019-03-29 | 钢铁研究总院 | A method of regulation cold-crucible casting TiAl alloy melts the degree of superheat |
CN109530669B (en) * | 2019-01-11 | 2020-01-07 | 钢铁研究总院 | Method for regulating and controlling melting superheat degree of TiAl alloy poured in water-cooled crucible |
CN112695207A (en) * | 2020-12-11 | 2021-04-23 | 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 | Water-cooled crucible for smelting hollow titanium ingot by electron beam cold bed and application thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR100778019B1 (en) | 2007-11-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100778019B1 (en) | A crucible for an electromagnetic continuous casting apparatus with high melting efficiency and product yield | |
KR100564770B1 (en) | apparatus for continuously casting an low electroconductive material by induction | |
US7682472B2 (en) | Method for casting polycrystalline silicon | |
KR101063250B1 (en) | Graphite Crucible for Silicon Electromagnetic Induction Melting | |
JP5040521B2 (en) | Silicon casting equipment | |
EP0349904B1 (en) | Apparatus for casting silicon | |
US9982361B2 (en) | Liquid-cooled heat exchanger | |
JP3646570B2 (en) | Silicon continuous casting method | |
JP4664967B2 (en) | Silicon casting apparatus and silicon substrate manufacturing method | |
JP2657240B2 (en) | Silicon casting equipment | |
US10766777B2 (en) | Method for electromagnetic casting of silicon in a conductive crucible using a highest- and lowest-disposed induction coil | |
CN1243854C (en) | Magnetic field furnace and a method of using the same to manufacture semiconductor substrates | |
JP2012101963A (en) | Electromagnetic casting apparatus and method for silicon ingot | |
JP2012056826A (en) | Electromagnetic casting method of silicon ingot | |
AU2013204598B2 (en) | Electromagnetic casting apparatus for silicon | |
JP2006273628A (en) | Method for manufacturing polycrystalline silicon ingot | |
WO2012011159A1 (en) | Process for continuously casting silicon ingots | |
EP0511663A1 (en) | Method of producing silicon single crystal | |
WO2011104795A1 (en) | 多結晶シリコンウェーハpolycrystalline silicon wafer | |
KR20120021136A (en) | Electromagnetic casting apparatus for silicon ingot | |
KR20120126913A (en) | Electromagnetic continuous casting machine for producing silicon ingot | |
JP2013112539A (en) | Continuous casting method of silicon ingot | |
JP2012101966A (en) | Electromagnetic casting apparatus and method for polycrystalline silicon | |
JP2013056812A (en) | Method for producing polycrystalline silicon ingot |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
G170 | Publication of correction | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20111117 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20131114 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20141114 Year of fee payment: 8 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |