单晶炉下转动振动问题的预防

单晶炉拉晶过程中锅转系统及外界引起振动问题的探讨及预防

叶晋运用基础理论探讨出锅转系统引起振动的原因：锅转轴与珀埸中心轴不共线，不垂直于水平面及材质、兀何形状不对称造成的质量偏心。解决的方法安装调试时水平的误差应限定在一格之内，地基要坚固质量大以防使用过程中出现倾斜，锅转的转动部分形位公差一般控制在0.05mm以内，边安装边用千分表测同心度，确保偏心量在0.05mm之内，对外界0.3Hz1.9Hz的低频振动要严加防范。预防方法：用重机架，重基础，软连接来消弱振动，用防振沟阻断振源。关键词：单晶炉、锅转、垂直、水平面、振动单晶炉拉晶过程中按其振源可分为三类，一是晶转引起的二是锅转系统引起的,三是外部振动引起的，本文仅探讨第二第三类振动的解决方法，目地弄清各种振动的固有频率所在的大致范围，从中可知哪些外界振动对拉晶的影响最大、最应寻源预防。1.蜗转系统产生振动的理论分析1.1用埸转动系统的共振分析1.1.1址烟转动的径向振动分析珀垠转动系统可以简化成一个悬肩梁受垂直于梁的力的振动问题由文献［1］知八PI?Qa= 2EIy式中Qa-—A点的转角(孤度)P一一集中载荷所受内力，本文是址垠转动时产生的不平衡力(N)L一一臂长文中指用埸系统的质心到支承中心的距离(m)E—一材料的弹性模量本文是不锈钢转轴，石墨转轴的平均值(Pa)(2)式中LE石分别为钢轴、石墨轴的长度及弹性模量。Iy一一截面对Y轴的惯性矩(m')Iy=d4/64 (3)d一一转动轴的直径(m)图11可以简化成一个重物弹簧系统，根据文献［2］可知其振动周期：T=2，匹 (4)式中T一一珀垠转轴系统的振动周期(S)m一一给垠转轴系统的质量(kg)K一一址垠转轴系统的弹簧刚度(N/m)

上式中简化成： T二将上面的式(1)、(3)代入(4)中得：T上式中简化成： T二(5)L钢—351nun(2)式中的=2.06*1011Pa,E右=1.25*1010Pa,由图L钢—351nunTtjL石=837nuno将值代入(2)式得E=7*1010Pa (6)(5)式中140kg(装料后的坨烟转动质量),L=L石+L钢=1.194Md=0.Im,将值代入(5)式中得：T=0.013(S) (7)(8)1/\(8)f=〒=75(Hz)由上面计算可知埸转的共振频率比市用交流电还高冷而拉晶过程中的转数远远低于这个频率，不会出现与垠转共振的现象。1.2用垠内熔硅液面晃动的共振分析珀垠内熔硅的晃动的固有频率与址垠的儿何尺寸有关与液态硅的粘度有关，是很复杂的受约束流体的三维动荡问题。为了揭示出这样流体的运动规律，我们把它简化为理想流体的二维运动。其分析如图(2)所示液态硅某一瞬间在垠内振荡形状如图中的虚线所示，右边一块被压下排挤出去的体积块A正好等于左边那块被挤上来的体积块BeA、B大小形状均一样且中心对称于摆动中心的0点，0点尤如单摆中悬线的固定端，如果摆动十分稳定乂无粘性、无阻尼那么0点是不动的且与两端距离相等。其摆长是0点到A(或B)液体质心的距离,这样我们就把熔硅的液面波动问题简化成单摆运动。其振动周期T=2^-一一(9)式中：L一一摆长(m),g一一重力加速度(m/s2),不过应说明这个单摆运动与前文是有区别的。前者摆长不变，而后者摆长在变化(随着摆幅的加大而摆长L在增大)不过当摆辐较小时，可近似取其最小摆长一即质心与容器轴的垂直距离计算。此时摆长为定值，这时计算出的值总是偏小的，但精度也较高。如图(2)所示为边长是a的正方形，那么由文献［3］可知：L方二:a (10)O如果图(12)所示为一个半径为R的圆柱形，那么由文献［3］可知：4珞=#R ⑴)571为了验证公式的正确性，我们做了如下二个实验：错误！未找到引用源。在长880mm,宽度300mm，高900mm的水槽中沿880mm方向振动。错误！未找到引用源。在4)405mm，高500mm的圆柱形水桶沿任意直径方向振动。其实测与计算的振动周期分别为：T洒测=1.15(S) T880«=1.086(S) (12)Tg)5测=°7(S) 丁网5理=059(S) (13)通过对上述两组数据的比较可知(12)式中的误差比(13)式中小，其原因是在一个长的水槽中观测水面波幅为50mm时液体的升角要远小于在圆桶中的升角，因而前者更接近于小摆幅，而后者就不属于小摆幅。因而造成前者精度高，而后者低。在实验中我们发现同对100次振动计时大波幅的时间略长于小摆幅的，这说明前文的理论分析是正确的。在实验中我们发现在液位的高度不影响液面波形的前提下液面的高度及比重不影响波动周期这说明容器内的液体动荡振动在物理属性上更接近于单摆振动。不过还应说明一点，我们的理论计算是建立在无阻尼的理想流体囹，而实际上是有粘性的真实流体，因而波动的幅值一直在衰减变小。其摆长也在变小，因而其振动周期T也不会是一个常数，不过在我们的工程范围内看成常数是不影响问题的本质。我公司使用的20寸石英珀垠内径为500mm从(9)与(11)式可求出：T=0.53(S) (14)其共振频率为：=^33=187(Hz) (15)比较(8)与(15)式中，可知用烟转动的共振与珀垠内液体动荡的固有频率相差甚远，二者之间是不能同时发生共振的。由(14)可知本设备液态硅的共振频率为每分钟113转/分，这与晶转与埸转的代数和相差其远，所以目前的埸转与晶转的扰动无法使硅液发生共振。

4 ・・・■‘1 II1_F诜Nl包景更改Kit弓 itf1 111：51：5：0102一-图(13)Sil?llt(4 >Xt中岐射料titSrooi|i｝不庞穴“电锭顷1.2坦烟系统转动时出现的不平衡力从图（3）可以看出堪转的各零件都是对称的圆形物体，正常情况只要材质均匀,满足图纸上的形位公差的要求，其不平衡的质量是非常小的，转数乂很慢。所以转动时产生的不平衡力是可以略长不计。一般很难出现像单晶转那样儿何中心与转动中心不共线，因而预防的难度大为减小。1.2.1给烟轴与转动轴共线但倾斜当垠转轴与水平面不垂直，就会出现如图（4）所示，这时液态硅的重心就会偏离转轴。此时，可把倾斜转动分解

成两种转动一一绕y轴及x轴的两种转动，绕y方向的转动与我们生产相符不会有危害产生，而绕X轴的转动可分两种情况研究：①转动速度较大出现R（o2x>g,这时转动的液体会随着X轴一起转动形成一个封闭的环鬼这在单晶炉中不会发生。错误！未找到引用源。转动速度较小时出现Ro）2x<g,这时液态硅不能随轴作完整的圆周运动。只能转到一定的位置，就滚落下来见图（5）这时液硅从底层源源不断地被带到左侧的较高壁面上，而后乂从液硅的上表面回流到右侧较低的液面上，形成了一个闭循环。使坦烟像个水泥搅拌机，好处使液硅的成份更加均匀一致，缺点是把址烟壁上脱落的杂质充分地带到熔体中也增加了对珀埸壁的腐蚀作用。在实际生产中由于址烟的转轴的倾斜造成的搅拌会使悬在其液面上的单晶棒受到一个偏心的推力，造成被拉的晶棒向一边偏斜（量是非常小），但力的方向不变，因而不会造成晶棒振动O1.2.2堪转转轴与用堤中心轴不共线1.22.1珀埸转轴与址烟中心轴平行但不共线此况发生在两段螺纹连接的间隙过大（钢轴与石墨轴、石墨托柄与石墨轴）托盘与三瓣垠，三瓣崩与石英用垠之间的公差过宽时出现。根据文献［5］可知：F=Ra）2m（16）式中：F 不平衡力（N）,m 偏心质量（kg）,3 转动角速度（l/s）,R一一偏心距（m）计算出它的不平衡力。这时m取盛料后的珀崩内外的全部质量，其值很大必然造成堪崩晃动液面不稳，这时悬垂在其上的晶棒起到了一个对液体晃动的稳定作用，同时自身也受到了由于液体的粘滞阻力而带来的冲刷作用。其力虽然不大，但对悬垂的晶棒稳定性的作用十分强烈，可使其发生的振动必须消除否则无法生产。1.2.2.2烟转的轴与址烟中心轴成一个角度此况发生在石墨轴、珀垠钢轴、石墨轴上端的托柄，三件的螺纹与端面不垂直。安装旋转拧紧时出现这种现象。它对系统稳定性的危害是前两种（1.21节与1.2.21节）的综合。但它与1.2.1节的区别是前者址烟轴是旋转中心轴而本节址烟中心轴要围绕垠转的轴做轨迹为锥面的旋转运动，因而更复杂所以更应避免这种现象的发生。1.2.3崩转与川烟轴共线且垂直于水平面但存在偏心质量。产生这一现象大多是石墨材质的一致性不好加之三瓣崩、石英址烟不对称。添装的硅料偏重一侧造成的这一现象，随着徒的全部熔化而使装料偏重消失缓解了质量的偏心。可是由于烟转的速度一惯很慢，因而使危害的影响得以变小，但也应当尽量消除之。1.3垠转转轴与晶转转轴的异常错位对拉晶稳定性的影响1.3.1崩转轴与晶转轴共线但与水平面不垂直，此况见图6初6肄但砖W捋宜初6肄但砖W捋宜斜角。不变时，随着晶棒的增长其不平衡力也在增加。当这一

不平衡力的转动频次与晶转频次的和与共振频率接近时晶棒将产生幅度越来越大的摆动，随着拉晶的进行晶棒的共振频率在升高使之远离共振区，这时晶棒的摆动将慢慢减弱下来。应当说明的是当晶转与堪转都存在不平衡力的周期作用时，这时垂在液面上的晶棒所受的不平衡力的作用频次将是两者的代数和。当然这两个周期的作用的力共同作用在晶棒上产生的合成振动是很复杂的，会出现很多高次谐波啊并且也不会是简单圆锥摆的振动。在实践中我们在一台对中水平都调好单晶炉上拉晶，由于地基没有打而是在一薄层水泥地面上按放主机引晶测得主机的水平仪偏离约16个格（即0.32mm/1000mm）晶转为12转/分，而垠转为6.5转/分，在共振区间为15-21转/分的炉中拉晶，当晶棒长到300左右亳米时就出现共振的大幅摆动，随着晶棒的增长很快振动减弱下来。这就是实践上的证明。由此可知当晶转与崩转同时存在不平衡力时将使晶棒受到的作用力的频次跃升到二者之和很易进入晶转的共振区。因而应消除这种情况，因为它对拉晶稳定性影响非常大。1.3.2崩转轴与晶转轴动平衡良好平行且垂直于水平面但不共线囹7平行不夫扬示恚囹这种情况是晶转与垠转的对中不好但水平调得很好。如图（7）所示由于两轴平行且垂直于水平面因而各自的转动都没有造成交变的不平衡力。只是晶棒的下端与熔体之间的粘性磨擦力不对称出现晶棒外沿A相对的速度增大，而内沿B侧则减少进而出现外沿A粘性磨擦力增大而内侧B的则减小。迫使晶棒出现一个稳定不变的微小转角，按伯努力方程原理会出现B点的压强大于A囹7平行不夫扬示恚囹1.3.3晶转轴与烟转轴不共轴也不垂直于水平面。这种情况是崩转与晶转的对中不好水平也没调好造成的，这种情况就是文中的前二种情况的综合，危害大要认真排除。垠转系统振动的预防错误！未找到引用源。针对1.2.1节应使垠转的磁流体密封的转轴与下端面的垂直度公差的变的更小。一般应小于0.05mm以内，并在其所固定的端面上较水平确保水平度在半格左右。这样可以确保用垠转轴的垂直度。错误！未找到引用源。针对1221节把原工艺的螺纹连接变成锥形定位定心连接可有效解决转轴之间连接的不同心问题。错误！未找到引用源。针对122.2节在安装时要一段一段地用千分表测偏心量，这就可以有效地解决二轴之间不同心的问题。错误！未找到引用源。针对123选用各向同性的均质石墨加工转动零件。三瓣烟及石英用垠应严格的对称，这就可以保证堪转的旋转部分有很少的偏心质量。错误！未找到引用源。崩转与晶转是否对中不十分重要。因为偏心拉晶己经成为一种工艺，最重要的是一定把崩转及晶转的水平调好，这对设备的正常使用是极为重要的。要想调好后一劳永逸必须把安装主机的地基打牢固。错误！未找到引用源。崩转装配完的校验：把一个内壁印有一圈圈同心圆刻度线的圆形容器放进托盘（或三瓣崩）的正中间，其内放入彩色水把堪转打到最高转速，旋起来的水上沿和同心圆平行并且稳定则说明垠转良好，否则就是存在偏心或不平衡力过大。3.外界振动对拉晶稳定的影响及预防3.1外界振动对拉晶的影响由上面的分析可知晶转最怕的是每分钟15-21次的超低频振动。因为会引起晶转系统的共振。而崩转的共振频率约75Hz,远之高于晶转和垠转的转动频率而崩转系统的刚度远大于晶转悬垂下来的生长着的晶棒，因而一般振动对埸转本身的影响甚微。用崩中液硅对20寸的说来其共振频率为1.87Hz,近似于跑步的频率。这一频率也是人类在生产活动及生活中最易创造出的频率，因而熔硅受外界的扰动可能最多、最频.必须认真寻源严格防范之。3.2对外界振动的预防，错误！未找到引用源。质量越小的物体受外界振动的干扰就越大电因而主机安装的地基座有较大的质量和刚度。后者是为了防止地基下沉倾斜影响己调好的主机的水平度，用以保证己调好的主机的水平度永远不变化。我公司生产的95kg炉下支架尺寸为2000*1400,而地基都是2600*2000*1800其目的就是消弱振动永保水平不变。错