專利名稱：均溫型多晶硅還原爐的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能硅棒生產設備，尤其是一種多晶硅還原爐，具體地說是一種直徑在3米以上的弧形均溫型多晶硅還原爐。
背景技術：
目前，在世界原油價格居高不下的嚴峻情況下，節約能源、提高能量利用效率引起世界各國高度重視。此外，由于人類所需能源目前主要依賴石油、煤炭等，熱電和工業生產排放大量CO2,全球氣候變暖明顯。能源危機與生態環境惡化成為人類文明發展的瓶頸。 我國快速發展的經濟和人民生活水平不斷提高，能源需求大幅度增加，碳排放量與日劇增。 太陽能、風能、水能、核能等新能源日益受到各國關注，發展迅速。多晶硅是利用太陽能發電的光伏電池的重要材料，市場需求量巨大。特別是中國最近五年多晶硅行業發展迅猛，太陽能級多晶硅產量在亞洲第一。但是單位能耗平均水平與國外先進水平仍有較大差距。降低能耗和成本是多晶硅生產商對關鍵設備多晶硅還原爐的迫切要求。太陽能級硅(SOG)和電子級硅(EOG)純度要求非常高，要應用化學方法把冶金級硅(工業硅)轉換成硅烷(主要是三氯硅烷(SiHC13)和單硅烷(SiH4))，通過精餾對硅烷提純，然后再把高純度的硅烷氣體通過化學氣相沉積(CVD)的方法轉化為超純多晶硅。目前世界上生產制造多晶硅的SiHC13的氫還原反應器大多是鐘罩型西門子反應器，也被稱作西門子還原爐。1955年，西門子公司成功開發了在鐘罩型反應器內利用氫氣還原三氯硅烷 (SiHC13)在細硅芯發熱體上氣相沉積硅的工藝技術，并于1957年開始了工業規模的生產， 這就是通常所說的西門子法。在西門子法工藝的基礎上，通過增加還原尾氣干法回收系統、 SiC14氫化工藝，把SiHC13還原反應副產物SiC14轉換成SiHC13循環使用，實現了閉路循環，于是形成了改良西門子法——閉環式SiHC13氫還原法。改良西門子法包括五個主要環節SiHC13合成、SiHC13精餾提純、SiHC13的氫還原、尾氣的回收和SiC14的氫化分離。該方法通過采用大型還原爐，降低了單位產品的能耗。通過采用SiC14氫化和尾氣干法回收工藝，明顯降低了原輔材料的消耗。多晶硅還原爐是多晶硅生產中的關鍵設備，還原爐的設計和操作直接影響著能耗和成本。多晶硅還原爐主要有石英鐘罩型和金屬鐘罩型兩種。石英鐘罩型反應器的內壁是石英鐘罩，在還原反應之前用紅外燈透過石英罩加熱細硅棒到硅棒導電加熱啟動溫度。由于石英耐壓能力差，一般在常壓下進行反應。金屬鐘罩型允許加壓操作，增加沉積速率。目前國內基本以金屬鐘罩型氣相沉積反應器為主。當導電硅芯預熱到約1100°C溫度后，高純度的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合后，在一定的溫度和壓力下通入多晶硅還原爐內，在直徑5 10mm、長約2 3米的導電硅芯上開始還原反應沉積生成多晶硅。原料氣在反應器內的停留時間一般為5-20s，三氯氫硅在575°C時開始分解，還原反應溫度控制在1100°C左右，100小時左右生成直徑120 180mm的棒狀多晶硅，同時生成四氯化硅、氯化氫等副產物。反應停止后，惰性氣體吹掃，冷
3卻后打開鐘罩，卸下硅棒。還原爐的輔助設施包括冷卻系統和硅棒拆卸系統。在1100°C時，硅棒表面主要反應為
SiHC13 個 + H2 個=Si + 3HC1 個(1)
由于還原爐內溫度不均勻，同時還存在其他反應，四氯化硅是主要副產物 SiHC13 丨 + HCl 丨=SiC14 + H2 丨(2)
同時可發生三氯氫硅的熱分解和四氯化硅的二次還原反應。三氯氫硅還原反應是吸熱反應，反應主要發生在高溫的硅棒表面，所以要維持硅棒表面1100°C，超過1200°C時鹽酸就會腐蝕硅，使產量減少。硅的熔點是1410°C，這是硅棒內部的極限溫度，否則硅棒會傾倒。還原爐的金屬壁面需適當冷卻，溫度要保持在500°C以內，防止硅在金屬壁面發生沉積。在金屬壁面發生沉積會減少產量，也會增加輻射熱吸收造成高能耗，而且硅會與金屬發生反應，從金屬表面掉下的碎屑會污染硅棒。由多晶硅在還原爐生長過程可知，能耗主要發生在高溫硅棒對低溫爐壁面和底盤的輻射損失。提高單爐的生產規模和減少輻射損失可以明顯降低單位能耗。對對棒還原爐比12對棒還原爐能耗可降低20%。最近美國的GT Solar, Inc.在還原爐中使用鍍涂層技術來提高壁面反射能力，減少硅棒輻射熱損失，使爐內溫度更均勻。若鍍層內壁發射率 0. 01 0. 03，硅棒溫度1100°C，比傳統的無涂層的不銹鋼內壁節能20-30%，每公斤多晶硅電耗低于50度。目前國內最先進單位能耗水平為60度電，平均單位能耗水平為90度電， 節能潛力很大。所以開發大型節能還原爐是多晶硅生產的趨勢。但是還原爐大型化后，還原爐體直徑(大于3米)也大大增大，帶來爐子管板厚度(大于50毫米)大大增厚，圖4的焊接形式造成焊接變形增大，管板及密封面翹曲，最終導致爐筒在升降溫過程中經常出現泄漏問題無法解決。本發明將毛細管原理用于厚管板與電極座的連接及冷卻，減少了焊接工作量，同時解決了厚管板的熱變形問題。
發明內容
本發明的目的是針對目前的多晶硅還原爐存在的單爐產量小、能耗高的問題，設計一種弧形均溫型多晶硅還原爐，將多孔毛細管原理用于厚管板與電極座的連接及冷卻， 避免了高溫電極被燒壞，減少了焊接工作量，同時解決了厚管板的熱變形問題。本發明的技術方案是
一種均溫型多晶硅還原爐，它包括支座1、水夾套管板10和爐體33，水夾套管板10安裝在支座1上，爐體33通過法蘭安裝在水夾套管板10，其特征是所述的爐體33由爐筒內壁 18和弧形爐外筒19及球形爐外筒20組成，所述的爐筒內壁18面對爐腔的一面內壁進行氮化增強磨損反射處理，增加內壁硬度和強度。內壁上還設有熱反射涂層；在爐筒內壁18與弧形爐外筒19之間、爐筒內壁18與球形爐外筒20之間均安裝有螺旋布置的支撐板M，弧形爐外筒19下部設有對筒體33進行冷卻的冷卻水進出口沈，冷卻水在爐筒內壁18與弧形爐外筒19及球形爐外筒20之間沿螺旋上升至爐體頂部設置的汽出口 23排出爐體33外； 所述的水夾套管板10中設有多圈電極套12，每個圈電極套12與水夾套管板10的連接設置絲網或半圓管毛細管冷卻元件36，絲網或半圓管毛細管冷卻元件的作用是當含有細微孔隙的物體與液體接觸時，使該液體因而沿孔隙上升，滲透或下降的現象。當液體和固體(管壁)之間的附著力大于液體本身內聚力時，就會產生毛細現象。由于水具有黏性一水分子互相黏著附在其他物體上的特性，通過絲網或半圓管毛細管將冷卻水源源不斷送入電極套管壁，產生的水汽從絲網或半圓管毛細管外空間排出，從而使電極座套管壁不會發生過熱，從水汽排氣管四引出爐外。電極座15穿裝在電極套12中，電極座15的上端伸入爐體中用于插裝硅芯棒17，電極座15的下端穿過電極套12與電極8相連，電極套12的內部安裝有冷卻水夾套，水夾套的進水口 6通過管道與冷卻水源相連，水夾套的出水口 9通過管道與排水口相連；所述的水夾套管板10的內腔通過進水管35送入冷卻水；在所述的水夾套管板10上安裝有多圈原料氣噴嘴32，原料氣噴嘴32與進氣分配管3的一端相連通，進氣分配管3的另一端與原料進氣環管2相連通；在水夾套管板10的外圈和中心分別連接有與爐體33的內腔相通的尾氣出氣管5，尾氣出氣管5與尾氣出氣環管4相連通；冷卻水出水管 30與冷卻水夾套環管28相連，冷卻水夾套環管28通過冷卻水夾套7與水夾套管板10內腔相通以便將其中的冷卻水排出。所述的爐體內腔直徑不小于3米，高度大于4米，所述的用于安裝硅棒17的電極座15的數量不少于96個。所述的水夾套管板10中設有多圈電極套12，每個圈電極套12與水夾套管板10的連接設置絲網或半圓管毛細管冷卻元件36，半圓管孔徑為l-5mm，絲網孔徑為l_5mm。所述的水夾套管板10管板與原料氣噴嘴32和尾氣出氣管5連接的爐體內腔出口處設置多孔或網格狀過濾罩子37。所述的水夾套管板10內腔與水汽排氣管四相連通。所述的尾氣出氣管5安裝在水夾套管板10的最外圈和中心。所述的連接爐體33與水夾套管板10的法蘭上設有水夾套31，水夾套31的進、出水口 27。所述的爐體33的上部安裝有上視鏡21，中部安裝有中視鏡16，下部安裝有下視鏡 14。所述的爐體33的中部還安裝有視鏡測溫口 25。本發明的有益效果
1、本發明采用多流道冷卻設計，更有效的冷卻系統，及時帶走輻射熱，維持壁面溫度， 防止硅在金屬表面沉積。2、本發明將多孔絲網或半圓管(利用毛細管原理)用于厚管板與電極座的連接及冷卻，通過絲網或半圓管毛細管將冷卻水源源不斷送入電極套管壁，產生的水汽從絲網或半圓管毛細管外空間排出，避免了高溫電極套被燒壞，并且減少了焊接工作量，同時解決了厚管板的熱變形問題。3、本發明的爐內壁進行氮化增強磨損反射處理，增加內壁硬度和強度，降低黑度系數，耐沖刷，使用壽命長。對還原爐內壁進行特殊處理，在不銹鋼表面形成高反射率涂層， 減少輻射熱量損失。4、本發明的進氣噴嘴分布和出氣口位置設置合理。進、出氣口為多個，分多圈布置的特殊結構形式對氣體在還原爐內的速度分布、濃度分布和停留時間影響較大，有利于提高氣相沉積速率。5、本發明的水夾套管板管板與原料氣噴嘴和尾氣出氣管連接的爐體內腔出口處設置多孔或網格狀過濾罩子，防止原料氣噴嘴和尾氣出口堵塞。
6、本發明的電極合理布置，均勻布置。即每一個電控制區的電極數相等，且可控調節。7、本發明的外筒上設置水冷雙層玻璃視鏡，且帶有波紋膨脹節，對外部視鏡，以及底盤的上管板、電極、進氣口進行冷卻，保證其在可靠的溫度下工作。底盤面積較大，設置多個進水口和多個出水口，防止熱應力變形。外筒上設置水冷雙層玻璃視鏡，通過視鏡可以觀察筒體內硅棒的生長情況，該視鏡由雙層玻璃構成，為避免起霧，內層玻璃用氫氣沖洗。視鏡起霧看不清爐內硅棒生長情況，影響還原爐操作控制。
8、本發明采用密封、快開連接組件，拆式方便高效，可阻止流體往殼體外泄露。9、本發明的的冷卻系統能及時帶走輻射熱，維持壁面溫度，防止硅在金屬表面沉積。底盤面積較大，設計合適的冷卻系統防止熱應力變形。對外部視鏡，以及底盤的上管板、 電極、進氣口進行冷卻，保證其在可靠的溫度下工作。防止進氣口溫度過高，原料氣在噴嘴處發生反應，堵塞噴嘴。外筒上設置水冷雙層玻璃視鏡，通過視鏡可以觀察筒體內硅棒的生長情況，該視鏡由雙層玻璃構成，為避免起霧，內層玻璃用氫氣沖洗。
圖1是本發明的結構示意圖。圖2是本發明的硅棒布置結構示意圖之一。圖3是本發明的硅棒布置結構示意圖之二。圖4是通用的電極套與管板焊透連接結構示意圖。圖5是本發明的電極套與管板連接設置絲網冷卻元件結構示意圖之一。圖6是本發明的電極套與管板連接設置半圓管冷卻元件結構示意圖之二。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1-6所示。一種鐘罩型大型多晶硅還原爐，它包括支座1、水夾套管板10和爐體33，水夾套管板10安裝在支座1上，爐體33通過法蘭安裝在水夾套管板10，連接爐體33與水夾套管板10的法蘭上設有水夾套31，水夾套31的進水口 27與冷卻水源相連，水夾套31的進水口 27的另一端相應設有水夾套31的出水口 27與冷卻水排水管相連；所述的爐體33由爐筒內壁18和弧形爐外筒19及球形爐外筒20組成，所述的爐筒內壁18經過氮化增強磨損反射處理，增加內壁硬度和強度。并對爐內壁進行特殊處理，表面形成高反射率涂層。如圖 1所示，所述的爐筒內壁18面對爐腔的一面內壁進行滲氮氮化處理，并設熱反射涂層；在爐筒內壁18與弧形爐外筒19之間、爐筒內壁18與球形爐外筒20之間均安裝有螺旋布置的支撐板對，弧形爐外筒19下部設有對筒體33進行冷卻的冷卻水進口 26，冷卻水在爐筒內壁18與弧形爐外筒19及球形爐外筒20之間沿螺旋上升至爐體頂部設置的汽出口 23排出爐體33外；爐體33的上部安裝有上視鏡21，中部安裝有中視鏡16和視鏡測溫口 25，下部安裝有下視鏡14。所述的水夾套管板10中設有多圈電極套12，(圖4)每個圈電極套12 與水夾套管板10的連接設置絲網或半圓管毛細管冷卻元件36 (如圖5、6所示)，半圓管孔徑為l_5mm，絲網孔徑為l_5mm，絲網(圖5)或半圓管毛細管(圖6)冷卻元件的作用是當含有細微孔隙的物體與液體接觸時，使該液體因而沿孔隙上升，滲透或下降的現象。當液體和固體(管壁)之間的附著力大于液體本身內聚力時，就會產生毛細現象。由于水具有黏性一水分子互相黏著附在其他物體上的特性，通過絲網或半圓管毛細管將冷卻水源源不斷送入電極套管壁，產生的水汽從絲網或半圓管毛細管外空間排出，從水汽排氣管四引出爐外。電極座15穿裝在電極套12中，電極座15的上端伸入爐體中用于插裝硅芯棒17，電極座15的下端穿過電極套12與電極8相連，電極套12的內部安裝有冷卻用水夾套，水夾套的進水口 6通過管道與冷卻水源相連，水夾套的出水口 9通過管道與排水口相連；所述的水夾套管板10的內腔通過進水管7與進水水環管觀相連通；在所述的水夾套管板10的上表面安裝有多圈原料氣噴嘴32，原料氣噴嘴出口處設置多孔或網格狀過濾罩子37，過濾罩子37的孔徑為5-10mm，網格間隔5_10mm以防止原料氣噴嘴出口堵塞。原料氣噴嘴32與進氣分配管3的一端相連通，進氣分配管3的另一端原料進氣環管2相連通；在水夾套管板 10外圈和中心分別連接有與爐體33的內腔相通的尾氣出氣管5，尾氣出氣口處設置多孔或網格狀過濾器37，防止尾氣出口堵塞。外圈尾氣出氣管5和中心尾氣出氣管5可單獨或聯合使用，如果單獨使用，另一出口可堵死，如圖2，3所示；冷卻水出水管30的進水與冷卻水環管觀相連，并與水夾套管板10內腔相通以便將其中的冷卻水排出。具體實施時根據安裝的硅棒17的數量的不同，爐體33內腔的直徑至少為3米以， 圖2所示的還原爐中安有96個硅棒17，圖3所示的還原爐中安裝的硅棒17的數量為144 個。為了防止水夾套管板10中冷卻水氣化產生過熱，具體實施時水夾套管板10內腔還可連接一個將水汽排出的水汽排氣管四。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種均溫型多晶硅還原爐，它包括支座(1)、水夾套管板(10)和爐體(33)，水夾套管板(10)安裝在支座(1)上，爐體(33)通過法蘭安裝在水夾套管板(10)，其特征是所述的爐體(33)由爐筒內壁(18)和弧形爐外筒(19)及球形爐外筒(20)組成，所述的爐筒內壁(18) 面對爐腔的一面內壁氮化并設有熱反射涂層；在爐筒內壁(18)與弧形爐外筒(19)之間、 爐筒內壁(18)與球形爐外筒(20)之間均安裝有螺旋布置的支撐板(24)，弧形爐外筒(19) 下部設有對筒體(33)進行冷卻的冷卻水進口(26)，冷卻水在爐筒內壁(18)與弧形爐外筒 (19)及球形爐外筒(20)之間沿螺旋上升至爐體頂部設置的汽出口(23)排出爐體(33)外； 所述的水夾套管板(10)中設有多圈電極套(12)，電極套(12)設有冷卻元件(36)，電極座 (15)穿裝在電極套(12)中，電極座(15)的上端伸入爐體中用于插裝硅芯棒(17)，電極座 (15)的下端穿過電極套(12)與電極(8)相連，電極套(12)的內部安裝有冷卻水夾套，水夾套的進水口(6)通過管道與冷卻水源相連，水夾套的出水口(9)通過管道與排水口相連；所述的水夾套管板(10)的內腔通過進水管(35)送入冷卻水；在所述的水夾套管板(10)上安裝有多圈原料氣噴嘴(32)，原料氣噴嘴(32)與進氣分配管(3)的一端相連通，進氣分配管 (3)的另一端與原料進氣環管(2)相連通；在水夾套管板(10)的外圈和中心分別連接有與爐體(33)的內腔相通的尾氣出氣管(5)，尾氣出氣管(5)與尾氣出氣環管(4)相連通；冷卻水出水管(30)與冷卻水夾套環管(28)相連，冷卻水夾套環管(28)通過冷卻水夾套(7)與水夾套管板(10)內腔相通以便將其中的冷卻水排出。
2.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的多圈電極套(12)與水夾套管板(10)的連接處設置有絲網或半圓管毛細管冷卻元件(36)，半圓管孔徑為l_5mm， 絲網孔徑為l_5mm。
3.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐內壁進行氮化增強反射處理，增加內壁硬度和強度，以減少磨損，并在爐內壁進表面形成高反射率涂層。
4.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的管板與原料氣噴嘴 (32)和尾氣出氣管(5)連接的爐體內腔出口處設置多孔或網格狀過濾罩子(37)，孔徑為 5-10mm,網格間隔 5_10mm。
5.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐體內腔直徑不小于 3米，所述的用于安裝硅棒(17)的電極座(15)的數量不少于96個。
6.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的水夾套管板(10)內腔頂部設有水汽排氣管(29)。
7.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的尾氣出氣管(5)同時安裝在水夾套管板(10)的最外圈和中心。
8.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的連接爐體(33)與水夾套管板(10)的法蘭上設有水夾套(31)，水夾套(31)的進水口(27)與冷卻水源相連，水夾套 (31)的進水口(27)的另一端相應設有水夾套(31)的出水口(27)與冷卻水排水管相連。
9.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐體(33)的上部安裝有上視鏡(21 )，中部安裝有中視鏡(16)，下部安裝有下視鏡(14)。
10.根據權利要求1所述的均溫型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐體(33)的中部還安裝有視鏡測溫口(25)。
全文摘要
一種均溫型多晶硅還原爐，它包括支座(1)、水夾套管板(10)和爐體(33)，水夾套管板(10)安裝在支座(1)上，爐體(33)通過法蘭安裝在水夾套管板(10)，其特征是所述的爐體(33)由爐筒內壁(18)和弧形爐外筒(19)及球形爐外筒(20)組成，所述的爐筒內壁(18)面對爐腔的一面上設有熱反射涂層；在爐筒內壁(18)與弧形爐外筒(19)之間、爐筒內壁(18)與球形爐外筒(20)之間均安裝有螺旋布置的支撐板(24)，弧形爐外筒(19)下部設有對筒體(33)進行冷卻的冷卻水進出口(26)，冷卻水在爐筒內壁(18)與弧形爐外筒(19)及球形爐外筒(20)之間沿螺旋上升至爐體頂部設置的汽出口(23)排出爐體(33)外，電極套(12)與水夾套管板(10)的連接設置絲網或半圓管毛細管冷卻元件(36)，原料氣噴嘴(32)和尾氣出氣管(5)的爐體內腔出口處設置多孔或網格狀過濾罩子(37)。本發明爐型大，厚管板冷卻效果好，爐內速度場、溫度場均勻，節能效果顯著。
文檔編號C01B33/035GK102424387SQ20111026229
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者何松, 劉世平, 劉豐, 田朝陽, 肖天菊, 郭宏新, 陳瑜, 馬明 申請人:江蘇中圣高科技產業有限公司