一种坩埚模具的防护装置及坩埚模具的制作方法

1.本实用新型涉及光伏技术领域，尤其涉及一种坩埚模具的防护装置及坩埚模具。


背景技术：

2.在直拉法制作单晶硅棒的过程中需要用到的石英坩埚一般通过电弧法进行生产。生产石英坩埚的模具主要为球墨铸铁材质的模具。
3.目前，熔制石英坩埚需要在高温条件下进行，此时球墨铸铁模具的上平面会迅速氧化，形成一层疏松的氧化层。球墨铸铁模具通常配合水冷套使用，在冷热交替的过程中，氧化层容易崩落，崩落的氧化层迸入熔制中的石英坩埚后会在坩埚内壁形成黑点，造成坩埚不良。在现有技术中，为了避免该问题，对球墨铸铁模具的上沿口进行频繁打磨来去除氧化层，占用了大量时间，降低了熔制炉产能。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种坩埚模具的防护装置及坩埚模具，用于防止坩埚模具的上沿口氧化，减少坩埚模具上沿口的打磨频次，减少由上沿口老化导致的坩埚品质不良。
5.第一方面，本实用新型提供一种坩埚模具的防护装置，该防护装置用于覆盖于坩埚模具开口侧的上沿口，防护装置包括多个防护块，防护块首尾依次排布围成环状结构，环状结构与坩埚模具同轴设置。
6.采用上述技术方案的情况下，在坩埚模具最容易被氧化的上沿口处覆盖一层防护装置，该防护装置包括多个首尾相连依次排布成环状结构的防护块。在冷热交替的过程中，由于防护装置的阻挡作用，氧化层也不会直接迸入熔制中的石英坩埚，减少了由于上沿口老化造成的坩埚的品质不良。同时，在熔制石英坩埚时，防护装置处于离高温弧光最近的位置，使得上沿口处的温度有所降低，基于此，防护装置的设置阻止了上沿口处在高温下的迅速氧化，减少了对模具上沿口的频繁打磨。防护装置为多段式，包括多个首尾相连的防护块，可以避免热膨胀在整个防护装置上累积，避免了防护装置在热应力的作用下整体发生形变，提高了防护装置的使用寿命。
7.在一种可能的实现方式中，坩埚模具还具有凸出上沿口远离坩埚模具内表面一侧的凸台。在坩埚模具的轴向上，防护装置的顶面高于凸台的顶面。
8.采用上述技术方案的情况下，在坩埚模具的轴向方向上，防护装置的顶面高于凸台的顶面，即防护装置的高度大于凸台的高度。基于此，在凸台处被氧化生成疏松的氧化层后，高度大于凸台高度的防护装置可以阻止凸台处的氧化物掉入模具内，进而阻止了由于凸台氧化造成的坩埚的不良。此外，防护装置还可以阻挡凸台处的氧化物掉至上沿口处，避免了对上沿口处的频繁打磨。
9.在一种可能的实现方式中，凸台靠近坩埚模具内表面的一侧与上沿口构成第一凹槽。防护装置位于第一凹槽内。每个防护块的底面完全覆盖第一凹槽的底面。基于此，每个
防护块的底面完全覆盖住上沿口，使得上沿口处与空气中的氧气隔离开，阻止了上沿口被氧化生成氧化层，减少了上沿口的打磨频次，同时避免了上沿口的金属氧化物崩落掉入熔制中的石英坩埚内造成坩埚品质不良。
10.在一种可能的实现方式中，每相邻两个防护块之间具有间距d1。0.5mm≤d1≤2mm。
11.采用上述技术方案的情况下，将整体的防护装置解构成多个防护块，每相邻的两个防护块之间具有间距d1，给高温下防护块的形变留下空间，使得防护装置整体不因为形变发生挤压翘曲，每个防护块的底面仍与上沿口处紧密贴合，将上沿口与氧气隔离。
12.在一种可能的实现方式中，每个防护块的首尾端面上具有贯穿防护块顶部和底部的贯穿凹槽。首尾相对的每两个贯穿凹槽围成一个第一通孔。每个第一通孔内安装有可拆卸的阻挡件。
13.采用上述技术方案的情况下，每相邻两个防护块之间具有一个第一通孔，第一通孔内安装有可拆卸的阻挡件。在熔制石英坩埚的过程中，当相邻两个防护块之间的间距d1过大时，石英砂可能会从间隙中溢出，导致剩下的石英砂无法完全覆盖模具内壁，增加了模具内侧暴露在高温弧光下的面积，加速其氧化，缩短了坩埚模具的使用寿命。故在相邻两个防护块之间设置第一通孔，第一通孔内装有阻挡件，阻挡石英砂从两防护块之间的间隙处溢出，保证了坩埚模具的使用寿命。
14.在一种可能的实现方式中，每个防护块的首尾端面具有贯穿防护块顶部和底部的第二凹槽和与第二凹槽嵌装配合的突出部。每个第二凹槽与相应突出部之间具有装配间隙。装配间隙内安装有可拆卸的阻挡件。
15.在一种可能的实现方式中，防护块为弧形结构，弧形的防护块的内弧面与外弧面之间的距离为d2。外弧面具有第一弧长l1。内弧面具有第二弧长l2。每个防护块的高度为d3。d2：d3＝1:1。2:1≤l1：d2≤4:1。2:1≤l2：d2≤4:1。弧形的防护块的内弧面与外弧面之间的距离d2即防护块的宽度，防护块的宽度既可以与上沿口的宽度相同，也可以小于上沿口的宽度；防护块的高度d3要高于凸台的高度，以防止凸台处的氧化物掉落进坩埚模具内造成坩埚不良；防护块的第一弧长l1和第二弧长l2过大则防护块过长，在高温下容易使形变累积，最终导致防护块的防护作用失效，第一弧长l1和第二弧长l2过小，则整个防护装置被分为较多份，每个防护块的首尾端都需要加工贯穿凹槽或第二凹槽和与之相配合的突出部等容纳溢出的石英砂的结构，造成加工强度变大。
16.在一种可能的实现方式中，环状结构远离上沿口一侧的内径大于上沿口的内径。环状结构内径均匀的情况下，环状结构各个位置上的内径均大于上沿口的内径；环状结构内径变化的情况下，可以使环状结构各个位置上的内径均大于上沿口的内径，也可以使环状结构远离所述上沿口一侧的内径大于上沿口的内径。基于此，在石英坩埚的熔制结束后，残留的石英砂浮砂更加容易从坩埚模具上口流出，便于后续的脱模处理。
17.在一种可能的实现方式中，防护块为锥环形结构，沿远离坩埚模具的方向防护块的外径逐渐减小。
18.在一种可能的实现方式中，防护块为耐高温金属防护块或耐高温非金属防护块。与球墨铸铁相比，耐高温金属材质的防护块或耐高温非金属材质的防护块更耐高温，且不容易发生锈蚀，有效保护了坩埚模具的上沿口免于高温氧化。
19.在一种可能的实现方式中，每个防护块均固定于坩埚模具。
20.第二方面，本实用新型还提供一种坩埚模具，该坩埚模具用于制作坩埚。该坩埚模具包括模具本体和坩埚模具的防护装置，该坩埚模具的防护装置为第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的坩埚模具的防护装置。
21.与现有技术相比，本实用新型提供的坩埚模具的有益效果与上述技术方案所述坩埚模具的防护装置的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
23.图1为本实用新型实施例提供的坩埚模具的主视图；
24.图2为本实用新型实施例提供的坩埚模具的侧视图；
25.图3为本实用新型实施例提供的坩埚模具的俯视图；
26.图4为图3的局部放大图；
27.图5为本实用新型实施例提供的防护块的主视图；
28.图6为本实用新型实施例提供的防护块的侧视图；
29.图7为本实用新型实施例提供的防护块的俯视图；
30.图8为本实用新型实施例提供的另一种防护块的俯视图。
31.附图标记：
32.10-防护装置，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1-坩埚模具，
33.11-模具本体，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
110-上沿口，
34.111-凸台，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100-防护块，
35.1000-贯穿凹槽，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1001-第一通孔，
36.1002-第二凹槽，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1003-突出部。
具体实施方式
37.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
38.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
40.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型
和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
41.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.直拉法制作单晶硅用的石英坩埚一般通过电弧法进行生产，该方法所使用的坩埚模具主要为球墨铸铁材质的坩埚模具，该种模具较石墨材质的坩埚模具有着寿命长、成本低的优点，但也存在着诸多问题。
43.在熔制石英坩埚时，电弧核心温度超过5000℃，熔融后的石英玻璃约1700℃，此时球墨铸铁模具既受到来自内壁石英坩埚的热传导，又受到来自电弧的直接辐射，温度最高可以达到1000℃以上。由于球墨铸铁上沿口没有石英砂覆盖，直接暴露在空气中，高温情况下球墨铸铁上沿口迅速氧化，形成一层疏松的氧化铁层。球墨铸铁模具通常配合水冷套使用，模具法兰面直接与水冷套接触，冷却较好；而模具上沿口在生产过程中离高温弧光最近，升温最快、温度高，这两个因素叠加导致了坩埚模具上沿口热应力最大，最容易出现热疲劳导致模具在上口处开裂，导致模具无法继续使用；且在冷热交替过程中氧化铁层易崩落，迸入熔制中的石英坩埚时将在坩埚内壁形成黑点，造成坩埚不良。为了避免该问题，需要对球墨铸铁模具上沿口进行频繁地打磨去除氧化层，这占用了大量时间，降低了熔制炉产能。
44.针对上述问题，如图1～图3所示，本实用新型提供一种坩埚模具1的防护装置10，用于覆盖于坩埚模具1开口侧的上沿口110，防护装置10包括多个防护块100，防护块100首尾依次排布围成环状结构，环状结构与坩埚模具1同轴设置。
45.具体实施时，防护装置10覆盖在坩埚模具1的上沿口110处，将上沿口110与空气隔绝；在熔制石英坩埚时，弧光的高温先传导至防护装置10，再传递给坩埚模具1的上沿口110，使得上沿口110处的温度有所降低。
46.通过上述坩埚模具1的防护装置10的组成结构和具体实施过程可知，在坩埚模具1最容易被氧化的上沿口110处覆盖一层防护装置10，该防护装置10包括多个首尾相连依次排布成环状结构的防护块100。在冷热交替的过程中，由于防护装置10的阻挡作用，氧化层也不会直接迸入熔制中的石英坩埚，减少了由于上沿口110老化造成的坩埚的品质不良。同时，在熔制石英坩埚时，防护装置10的设置可以使得高温弧光的热辐射先传导至防护装置10上，防护装置10再通过热传导将热量传递到坩埚模具1上。与原先的坩埚模具1上沿口110直接承受热辐射相比，在本实用新型实施例中，防护装置10处于离高温弧光最近的位置，可以起到较好的热防护作用，使得上沿口110处的温度有所降低，基于此，防护装置10的设置阻止了上沿口110处在高温下的迅速氧化，减少了对模具上沿口110的频繁打磨；减小了坩埚模具1上沿口110处的热应力，改善了坩埚模具1上沿口110的热疲劳，减少了坩埚模具1上沿口110开裂的发生，延长了坩埚模具1的使用寿命。防护装置10为多段式，包括多个首尾相连的防护块100，可以避免热膨胀在整个防护装置10上累积，避免了防护装置10在热应力的作用下整体发生形变，提高了防护装置10的使用寿命。
47.作为一种可能的实现方式，防护块100为耐高温金属防护块100或耐高温非金属防护块100。与球墨铸铁相比，耐高温金属材质的防护块100或耐高温非金属材质的防护块100更耐高温，且不容易发生锈蚀，有效保护了坩埚模具1的上沿口110免于高温氧化。
48.在一些示例中，当防护块100为耐高温金属防护块100时，防护块100的材料可以为包括但不限于耐氧化的不锈钢以及其他耐高温性能优于球墨铸铁的金属；当防护块100为耐高温非金属防护块100时，防护块100的材料可以为包括但不限于无机陶瓷(例如氮化硅)、金属氧化物陶瓷(例如氧化铝)、玻璃(例如二氧化硅玻璃)等耐高温(超过800℃)的非金属。
49.优选的，防护块100的材料可以为310s、316l、304等不锈钢。
50.在现有技术中也提出了一种不锈钢的坩埚模具1压环，但该压环是与石墨坩埚模具1相配合使用的快拆式模具紧固结构，不能解决坩埚模具1上沿口110的氧化问题。
51.在一些示例中，防护装置10包括10个～20个防护块100。
52.作为一种可能的实现方式，如图2所示，坩埚模具1还具有凸出上沿口110远离坩埚模具1内表面一侧的凸台111。在坩埚模具1的轴向上，防护装置10的顶面高于凸台111的顶面。
53.此时，在坩埚模具1的轴向方向上，防护装置10的顶面高于凸台111的顶面，即防护装置10的高度大于凸台111的高度。基于此，在凸台111处被氧化生成疏松的氧化层后，高度大于凸台111高度的防护装置10可以阻止凸台111处的氧化物掉入模具内，进而阻止了由于凸台111氧化造成的坩埚的不良。此外，防护装置10还可以阻挡凸台111处的氧化物掉至上沿口110处，避免了对上沿口110处的频繁打磨。凸台111与防护装置10抵接，可以和防护装置10的外侧紧密贴合，使得防护装置10更好地固定在坩埚模具1上。
54.作为一种可能的实现方式，如图2所示，凸台111靠近坩埚模具1内表面的一侧与上沿口110构成第一凹槽。防护装置10位于第一凹槽内。每个防护块100的底面完全覆盖第一凹槽的底面。基于此，每个防护块100的底面完全覆盖住上沿口110，使得上沿口110处与空气中的氧气隔离开，阻止了上沿口110被氧化生成氧化层，减少了上沿口110的打磨频次，同时避免了上沿口110的金属氧化物崩落掉入熔制中的石英坩埚内造成坩埚品质不良。
55.在现有技术中提供有整体的防护装置10，当防护装置10的材料选择为与坩埚模具1材料不同的金属时，由于两种材料不同的金属在匹配时的主要问题是热膨胀系数不同，在高温弧光和水冷套的冷热交替下，整体的防护装置10容易发生形变翘曲，无法正常使用，导致防护装置10与上沿口110处不完全贴合，使得上沿口110处部分暴露在空气中，进而在高温下被氧化。
56.基于此，作为一种可能的实现方式，如图3和图4所示，每相邻两个防护块100之间具有间距d1。0.5mm≤d1≤2mm。基于此，将整体的防护装置10解构成多个防护块100，每相邻的两个防护块100之间具有间距d1，给高温下防护块100的形变留下空间，使得防护装置10整体不因为形变发生挤压翘曲，每个防护块100的底面仍与上沿口110处紧密贴合，将上沿口110与氧气隔离。
57.示例性的，每相邻两个防护块100之间的间距d1可以为0.5mm，也可以为1mm或2mm。
58.在一些示例中，当每相邻两个防护块100之间的间距d1过小时，在熔制石英坩埚的高温条件下，防护块100会产生形变挤压相邻的防护块100，使得应力作用在整个防护装置
10上，导致整个防护装置10发生形变翘曲，无法完整覆盖在坩埚模具1的上沿口110上。
59.在一些示例中，当每相邻两个防护块100之间的间距d1过大时，在熔制石英坩埚的过程中，石英砂可能会从间隙中溢出，导致剩下的石英砂无法完全覆盖模具内壁，增加了模具内侧暴露在高温弧光下的面积，加速其氧化，缩短了坩埚模具1的使用寿命。
60.为了解决当每相邻两个防护块100之间的间距d1过大时石英砂可能会从间隙中溢出的问题，在相邻两个防护块100之间设置可以阻挡石英砂外溢的结构。
61.鉴于此，作为一种可能的实现方式，如图4～图7所示，每个防护块100的首尾端面上具有贯穿防护块100顶部和底部的贯穿凹槽1000。首尾相对的每两个贯穿凹槽1000围成一个第一通孔1001。每个第一通孔1001内安装有可拆卸的阻挡件。基于此，每相邻两个防护块100之间具有一个第一通孔1001，第一通孔1001内安装有可拆卸的阻挡件。在熔制石英坩埚的过程中，当相邻两个防护块100之间的间距d1过大时，石英砂可能会从间隙中溢出，导致剩下的石英砂无法完全覆盖模具内壁，增加了模具内侧暴露在高温弧光下的面积，加速其氧化，缩短了坩埚模具1的使用寿命。故在相邻两个防护块100之间设置第一通孔1001，第一通孔1001内装有阻挡件，阻挡石英砂从两防护块100之间的间隙处溢出，保证了坩埚模具1的使用寿命。
62.如图8所示，阻挡石英砂外溢的结构也可以是其他形式，例如首尾嵌入式。在一些示例中，每个防护块100的首尾端面具有贯穿防护块100顶部和底部的第二凹槽1002和与第二凹槽1002嵌装配合的突出部1003。每个第二凹槽1002与相应突出部1003之间具有装配间隙。装配间隙内安装有可拆卸的阻挡件。
63.示例性的，阻挡件可以为包括但不限于石英棉、石棉、陶瓷纤维等融化温度大于800℃的耐高温纤维。
64.作为一种可能的实现方式，如图5～图7所示，防护块100可以为弧形结构，弧形的防护块100的内弧面与外弧面之间的距离为d2。外弧面具有第一弧长l1。内弧面具有第二弧长l2。每个防护块100的高度为d3。d2：d3＝1:1。2:1≤l1：d2≤4:1。2:1≤l2：d2≤4:1。弧形的防护块100的内弧面与外弧面之间的距离d2即防护块100的宽度，防护块100的宽度既可以与上沿口110的宽度相同，也可以小于上沿口110的宽度；防护块100的高度d3要高于凸台111的高度，以防止凸台111处的氧化物掉落进坩埚模具1内造成坩埚不良；防护块100的第一弧长l1和第二弧长l2过大则防护块100过长，在高温下容易使形变累积，最终导致防护块100的防护作用失效，第一弧长l1和第二弧长l2过小，则整个防护装置10被分为较多份，每个防护块100的首尾端都需要加工贯穿凹槽1000或第二凹槽1002和与之相配合的突出部1003等容纳溢出的石英砂的结构，造成加工强度变大。
65.示例性的，如图5～图7所示，当防护块100为弧形结构时，弧形的防护块100的内弧面与外弧面之间的距离d2与防护块100的高度d3的比值可以为1:1，第一弧长l1和第二弧长l2分别与防护块100的高度d3的比值可以为2:1，也可以为3:1，还可以为4:1。
66.在一些示例中，环状结构远离上沿口110一侧的内径可以大于上沿口110的内径。环状结构内径均匀的情况下，环状结构各个位置上的内径均大于上沿口110的内径；环状结构内径变化的情况下，可以使环状结构各个位置上的内径均大于上沿口110的内径，也可以使环状结构远离所述上沿口110一侧的内径大于上沿口110的内径。基于此，在石英坩埚的熔制结束后，残留的石英砂浮砂更加容易从坩埚模具1上口流出，便于后续的脱模处理。
67.在一些示例中，防护块100靠近坩埚模具1一侧的内径可以与上沿口110的内径相同，此时防护块100的底面与上沿口110完全贴合，可以隔绝上沿口110与氧气之间的接触，减少上沿口110被氧化腐蚀的可能性。
68.在一些示例中，防护块100还可以为锥环形结构，沿远离坩埚模具1的方向防护块100的外径逐渐减小。此时的防护块100外侧虽未与凸台111紧密贴合，但仍比凸台111的高度高，也可以防止凸台111处被氧化后的氧化物掉落进坩埚模具1内。
69.在一些示例中，当坩埚模具1的上口不是圆周而是三角形、矩形等多边形时，防护装置10的整体形状也可以为多边形，此时的单个防护块100不具有弧面，为仅具有平面的立体结构。
70.作为一种可能的实现方式，如图1～图3所示，每个防护块100均固定于坩埚模具1。每个防护块100的固定方式可以为可拆卸式固定，也可以为焊接固定等。示例性的，当每个防护块100的固定方式为可拆卸式时，可以将防护块100固定在坩埚模具1的上沿口110处，也可以将防护块100与凸台111相固定。当每个防护块100的固定方式为焊接固定时，可以将防护块100焊接在凸台111处。焊接方式可以选择整体焊接、多点焊接、单点焊接等，也可以选择在防护块100与凸台111接触的面上车加工螺纹孔，在螺纹孔内安装金属螺丝再通过金属螺丝将防护块100与凸台111焊接。优选地，防护块100采用单点焊接的方式固定在凸台111上，可以避免整体焊接和多点焊接在冷热交替下容易开裂的问题，确保了防护装置10和坩埚模具1的长期使用，延长了防护装置10和坩埚模具1的使用寿命。
71.如图1～图3所示，本实用新型实施例还提供一种坩埚模具1，该坩埚模具1用于制作坩埚。该坩埚模具1包括模具本体11和坩埚模具1的防护装置10，该坩埚模具1的防护装置10为上述实施例描述的坩埚模具1的防护装置10。
72.与现有技术相比，本实用新型实施例提供的坩埚模具1的有益效果与上述坩埚模具1的防护装置10的有益效果相同，在此不做赘述。
73.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
74.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。