淺談六面頂液壓機電液[yè[控制模式

　　伴隨著[zhù[大噸位六面[miàn[頂液壓機在[zài[行業(yè)內(nèi)成為主流設(shè)備，38、40等不同規(guī)格[ɡé[大腔體合成[chénɡ[工藝已進入[rù[推廣應(yīng)用[yònɡ[階段

　　伴隨著[zhù[大噸位六面[miàn[頂液壓機在[zài[行業(yè)內(nèi)成為主流設(shè)備，38、40等[děnɡ[不同規(guī)格大[dà[腔體合成工[ɡōnɡ[藝已進入推[tuī[廣應(yīng)用階段，與28、30等[děnɡ[小腔體工藝不同，腔體的增大改變了合成腔內(nèi)壓力、溫度場的狀態[tài[(tài)，怎樣優(yōu)化[huà[壓力和溫度[dù[控制模式，充分發[fā[(fā)揮[huī[大腔體的優[yōu[(yōu)勢，已成為各金剛石廠[chǎnɡ[的首要課題;而作為設(shè)備制造商，在提供大[dà[噸位主機的[de[同時，如何[hé[提供配套合[hé[理的電液控[kònɡ[制系統(tǒng)，也[yě[是面臨的重[zhònɡ[要任務(wù)。

　　本文試就合成腔的[de[壓力、溫度場進行分析，結(jié)合當前通[tōnɡ[用的幾種控[kònɡ[制模式進行[xínɡ[對比，提出符合大[dà[腔體合成工[ɡōnɡ[藝要求的六[liù[面頂液壓機[jī[整體解決方[fānɡ[案。

　　1.壓力控制

　　合成腔[qiānɡ[體的擴大，必[bì[然使因傳壓損失而形成[chénɡ[的合成棒外[wài[殼與芯部的[de[壓力差加大[dà[，即壓力場的壓力梯度[dù[加大;同時[shí[，金剛石的生[shēnɡ[長過程也導致壓力場的[de[變化：眾所[suǒ[周知，高溫高壓下以葉臘石為傳壓介質(zhì)的石墨[mò[轉(zhuǎn)化為金剛石過程[chénɡ[中包含一系[xì[列的相變過程：葉臘石[shí[礦物相變產[chǎn[(chǎn)生藍晶石[shí[和柯石英、石墨[mò[相變產(chǎn)生[shēnɡ[金剛石，由于這些相變的產[chǎn[(chǎn)物比重大[dà[，產(chǎn)生相[xiānɡ[變前后的體積收縮，造成合成[chénɡ[腔內(nèi)部壓力[lì[下降;而且[qiě[，由[yóu[于葉臘石在[zài[相變后因摩[mó[擦系數(shù)和強[qiánɡ[度均增大而[ér[呈剛性，影[yǐnɡ[響了傳壓和[hé[補壓的效果[ɡuǒ[，這些都造成腔[qiānɡ[體內(nèi)更大的[de[壓力梯度，而優[yōu[(yōu)質(zhì)金剛石單晶的生長需[xū[要相對穩(wěn)定[dìnɡ[的壓力條件[jiàn[，因此，如何[hé[更好的降低[dī[壓力梯度，是大腔體工[ɡōnɡ[藝面臨的挑[tiāo[戰(zhàn)。

　　公知的[de[理想壓力控[kònɡ[制模式可按[àn[下圖1所示[shì[：

　　

 

　　1)升[shēnɡ[壓曲線可控[kònɡ[，這樣可以[yǐ[配合加熱曲[qǔ[線有效控制[zhì[壓力梯度

　　2)保[bǎo[壓階段壓力[lì[曲線遞增，減小[xiǎo[因合成相變造成的傳壓梯度增大

　　3)卸[xiè[壓速度可控[kònɡ[，兼顧高低[dī[壓時卸壓速[sù[度的不同要[yào[求

　　目前，有以下幾種壓力控制模[mó[式在應(yīng)用[yònɡ[：

　　1.1傳統(tǒng)的壓力控制模式[shì[

　　此模式[shì[下壓力波動較大，完全[quán[是一種粗放[fànɡ[型的控制模[mó[式，不適于大腔[qiānɡ[體合成工藝。如圖2所[suǒ[示。

　　

 

　　.2 變頻保壓控[kònɡ[制模式

　　此模式[shì[保持了保壓階段壓力的[de[恒定，但忽視了對合成相變導致的壓力梯[tī[度進行補償[chánɡ[。如圖[tú[3所示。

　　

 

　　1.3 被動的遞增補壓模式[shì[

　　如圖4所示。此為原始的遞增[zēnɡ[補壓模式，通過設(shè)定保壓壓力降至設(shè)定[dìnɡ[值，按[àn[設(shè)定增量補壓，為被動式。實際上在保[bǎo[壓階段，壓機補壓次數(shù)是有[yǒu[限的，且與壓機高壓密[mì[封的失效相[xiānɡ[關(guān)，因此[cǐ[并沒有真正[zhènɡ[實現(xiàn)通過遞增補壓來彌補壓力梯[tī[度的目的。

　　

 

　　1.4 主動的遞增保壓模式[shì[

　　如圖5所示。通過設(shè)定[dìnɡ[壓力增量和[hé[時間間隔(補壓次數(shù))，來實現(xiàn)遞增補壓，因此為主動的遞增[zēnɡ[補壓模式。采用變頻保[bǎo[壓的形式可[kě[以控制每個[ɡè[設(shè)定時間間隔內(nèi)的壓力[lì[降為最小。不過，由[yóu[于壓機保壓性能一般均[jūn[較好，因此[cǐ[在設(shè)定時間間隔內(nèi)的壓力降可以忽[hū[略不計。

　　

 

　　1.5 采用比例[lì[閥的壓力控[kònɡ[制模式

　　比例閥的原理是通[tōnɡ[過按設(shè)定曲[qǔ[線控制電流[liú[或電壓，從而按比例[lì[連續(xù)的控制比[bǐ[例電磁鐵的[de[推力和位移[yí[量，達到控[kònɡ[制系統(tǒng)的[de[壓力和流量[liànɡ[的目的。在[zài[系統(tǒng)中采[cǎi[用比例壓力[lì[閥或比例泵[bènɡ[，不僅能在[zài[保壓階段實[shí[現(xiàn)系統(tǒng)壓力連續(xù)遞增[zēnɡ[，并且也能[nénɡ[實現(xiàn)在升[shēnɡ[壓階段的升[shēnɡ[壓速度連續(xù)可[kě[控，即實現[xiàn[(xiàn)了壓力的[de[全程曲線控[kònɡ[制？梢[shāo[哉f，這是最可能接近理想的控[kònɡ[制模式，如[rú[圖6所示。

　　

 

　　2.溫度控制

　　合成腔[qiānɡ[內(nèi)溫度場的[de[建立是通過直流電加熱實現(xiàn)的，無論是控制[zhì[電流還是電壓，最終還是以加熱功率的變化[huà[來實現(xiàn)溫升。由于熱量是靠合成[chénɡ[料棒電阻自[zì[發(fā)熱產(chǎn)生，即便是[shì[石墨襯管等[děnɡ[的輔助措施[shī[也僅起到了[le[保溫的作用[yònɡ[，因此，其溫度梯度[dù[因散熱而生[shēnɡ[，溫度應(yīng)為自棒芯向[xiànɡ[外遞減，并且[qiě[這種溫差在[zài[加熱與散熱條件不變的[de[情況下，應(yīng)與合成棒[bànɡ[直徑大小無[wú[關(guān)；谶@種推[tuī[理，合成腔[qiānɡ[體的擴大，提[tí[供了一個可[kě[以形成更均[jūn[衡與穩(wěn)定的[de[溫度場的客[kè[觀條件，或[huò[者說，在大腔體中[zhōnɡ[符合優(yōu)質(zhì)金[jīn[剛石生長所[suǒ[需溫度條件[jiàn[的空間比例[lì[將更大。

　　合成腔[qiānɡ[溫度的變化[huà[受兩種因素[sù[影響：其一[yī[是加熱，其[qí[二是散熱。

　　目前，以加熱功率[lǜ[控制為基礎(chǔ)的控制模式[shì[有兩種：

　　

 

　　

 

　　其一為恒功率模式[shì[，加熱功[ɡōnɡ[率處于一種恒定狀態(tài)，如圖7所示[shì[，相應(yīng)的加熱量曲[qǔ[線如圖8：隨著時間的[de[延長，加熱量正比例增[zēnɡ[加;

　　

 

　　

 

　　其二為變功率模式[shì[，加熱功率[lǜ[可根據(jù)設(shè)定曲[qǔ[線變化，如圖9所示[shì[，相應(yīng)的[de[加熱曲線如[rú[圖10：隨著時間的延[yán[長，加熱量[liànɡ[非正比例增[zēnɡ[加。

　　隨著加[jiā[熱曲線的變化，存在著[zhù[散熱曲線，在自由加熱和散熱地情況下，兩條曲[qǔ[線必然相交[jiāo[，即存在加[jiā[熱與散熱的[de[平衡點：此[cǐ[點以后的時[shí[間內(nèi)，熱量不[bù[在增加，也[yě[不減少，處于一種保溫狀態(tài)。如圖11所示。

　　

 

　　在合成[chénɡ[實際生產(chǎn)中，常出現[xiàn[(xiàn)合成棒芯[xīn[部與外部溫差大影響金[jīn[剛石生長的[de[現(xiàn)象，這種保溫狀態[tài[(tài)的出現(xiàn)將消除這種溫差。

　　通過適時、適量的[de[調(diào)整加熱功率，可能使在[zài[合成周期內(nèi)出現(xiàn)或接近這一平衡[hénɡ[點，而[ér[只有具備變加熱量輸出[chū[功能的電控[kònɡ[系統(tǒng)才提[tí[供了這種條[tiáo[件。

　　3.結(jié)束語

　　綜合上[shànɡ[述分析與對比，提供[ɡònɡ[符合大腔體中優(yōu)質(zhì)金剛[ɡānɡ[石單晶生長的溫度、壓力[lì[條件的六面[miàn[頂液壓機，至少應(yīng)具[jù[備如下功能[nénɡ[：

　　1)具[jù[備主動的遞增保壓功能[nénɡ[，以有效降低[dī[壓力梯度，其中采用比[bǐ[例閥控制的[de[控壓模式是[shì[較為理想的[de[液壓控制系[xì[統(tǒng)。

　　2)電加熱系統(tǒng)具有寬幅的[de[變加熱量輸出功能，為調(diào)整保[bǎo[溫狀態(tài)的出[chū[現(xiàn)提供條[tiáo[件。

　　3)具[jù[有至少1800T的合[hé[成噸位，以滿足40腔體合成[chénɡ[工藝的壓力[lì[條件，畢竟大腔體天生的溫度[dù[場優(yōu)勢是小[xiǎo[腔體所無法[fǎ[比擬的。