多晶硅还原炉产能影响因素分析

晋赵泽

重庆大全泰来电气有限公司  重庆万州区400000

摘要：三氯氢硅的还原工艺是改进西门子工艺多晶硅工艺的重要环节，其生产能力是否能够满足设计要求，这对生产达产、降低生产成本、稳定产品品质起着重要作用。本文对还原炉的影响因素进行了分析，并给出了相应的改进措施，希望能给有关人员带来帮助和参考。

关键词：多晶硅；还原炉；产能；措施

引言

随着我国光伏工业的迅速发展，对多晶硅材料的需求量不断增加，推动了我国多晶硅工业的发展。在多晶硅产业的发展过程中，如何进一步提升其产品的品质和效率一直是业界所关心的问题。同时，如果要扩大多晶硅产业的产能，单靠创新的生产技术是不够的，同时也应从目前存在的多晶硅还原生产中存在的问题入手，并提出相应的控制措施。改进生产技术，保证产品的质量和产量。
   1多晶硅的还原技术综述

改进的西门子工艺是西门子技术的一种。采用高纯度的氢气将高纯度的三氯化硅进行还原，在硅核之上完成了多晶硅的淀积。该改进的西门子技术是在西门子的基础上进行的，在多晶硅生产过程中，既有H2、 HCl、SiCl4等副产品，又有副产热能。采用改进的西门子工艺，多晶硅的成长过程大多在还原炉内进行。还原炉包括底盘和炉筒，在底盘上分布有分布的电极，通常由电极对数命名为几对普通的杆还原炉，例如，普通的有24对杆式还原炉，36对杆式还原炉。在多晶硅负载方面，还原炉底座是必不可少的，同时负责供应、物料进出等工作，通过使用底盘的绝缘材料、冷却介质的流通管道等，可以达到上述一系列的运行功能。还原炉的炉管也是多晶硅成长所必需的，降低炉的高度和空间，都会影响到实际的产能和能耗。采用加热炉管和冷却介质进路，可以实时监控多晶硅的生长和冷却。

2多晶还原炉的生产能力简述

在一家公司的初期，12个棒料还原炉的设计产能为2吨，实际生产中，平均每炉生产1.6吨，只有80%的设计产能。24对棒式还原炉的设计产量是4吨，而实际的单炉产率是3.4吨，是设计的85%。高炉平均单炉产量低，对还原工艺的生产能力有很大的影响；通过对问题的原因和采取的对策，使还原炉的平均产出率有了显著的改善。

3原因分析

3.1还原炉不正常的接地故障

如果接地故障，由于还原炉没有达到预定的操作时间，导致单炉产量大幅下降，从而影响了还原炉的生产能力。另外拉弧、熔丝熔断等电气因素也是造成还原炉异常停机的原因之一。若排除主要原因的接地故障，则可使正常停炉比例大为提高，提高产能利用率。

3.2还原一次转化率低

一次转化率是三氯氢硅在还原炉中进行转化的效率。还原转化%=硅条重量×135.5/28/操作循环循环次数。转化率较低，也就是在相同的生产原料循环中，硅条的产量较低。转化率较低，表明该体系生产的多晶硅数量较少，而副产物四氯化硅较多。因此，在同样的操作时间内，增加一次还原转化率可以得到更多的硅制品。在较高的转化率下，还原炉中的多晶硅沉积速率明显加快，化学气相沉积效率得到提高。减少循环循环中三氯氢硅的累积循环次数，使整个生产过程中的物料平衡得到了均衡。而且可以提高还原炉的操作次数，确保还原炉的使用效率。

3.2还原炉运行控制不当

在还原炉运行期间，如果生产曲线与装置不一致，硅棒在达到规定的工作时间后，会发生大量的爆米花、钢棒熔断、硅棒偏斜等。此外，由于炉膛内部热场和空气流场的不合理，导致了硅棒的局部温度过高。多晶硅的物理性能指标变化较大，还会造成大量的爆米花，极易造成硅棒开裂、保险丝失效、炉内拉弧等。

3.3倒杆导致零件使用寿命缩短

在还原炉倒棒后极易造成零件损坏，以及零件使用寿命缩短，从而使零件在使用中出现故障的可能性大大提高。如果在操作期间出现故障，必须马上停止操作，从而使还原炉的利用率下降。

4提升产能措施

4.1对还原过程曲线进行优化，减少非正常停炉次数，增加一次转化率

生产过程曲线对非正常停炉的影响主要表现为前期材料的数量和物料的比例，适当的材料比例和温度可以快速沉积出较快的硅芯，并能快速地包覆石墨夹头。可以通过调节0-30小时的温度，并且将物料的质量比率（氢气与三氯氢硅）在3-4之间，使得硅棒的早期沉积更快速和致密，为以后的硅棒的生长奠定了坚实的基础，在后期，可适当增加沉淀比例，使其比例达到3.5~4.5。实现了爆米花的均衡和炉中的雾化，并对硅棒的表面进行了修补，防止了后期和停炉过程中由于硅的熔融而造成的倒条。在一次转化中，最大进料和原料配比是影响一次转化效率的重要因素。H2与三氯氢硅的比例太大，可以改善镀层的质量，但是电耗很大，如果比例太小，则会导致材料的利用率降低、炉膛中的雾化、沉淀品质降低、后期易发生熔断。从总体上看，H2和 HCH的组分比例可以得到较好的控制，初期0~30小时的配比为3.5~4,30~90 h时为3.0~3.5,90~120 h时为3~3.5。

4.2还原炉喷嘴优化调整

炉膛的形状和尺寸对炉膛的气流场和温度场有较大的影响。另外，倒棒率、工艺曲线的固化也起着关键作用。提高还原炉外环所有喷头，可有效地控制爆米花的配比。同时，提升式喷口可以高效的将混合材料送入还原顶部，确保上部气流的更新、预热和滞留。

4.3硅芯尺寸调整

硅芯长度、硅芯直径等对还原反应的载体面积有很大的影响。与相同长度的硅芯相比，在单位时间内，随着硅芯直径的增大，其表面面积也随之增大。每一次沉积的硅的重量也会随之增大，在恢复的整个过程中，都是一个良性的循环。外环硅芯的长度可以从2400毫米逐渐提高到2800毫米。

4.4还原炉其他备件改造

可以逐步用氮化硅环取代石英环，以提高其强度，防止因应硅杆倒转而损伤电极，形成一个恶性循环，降低了绝缘更换的损耗，节省了配件的费用。采用聚合物绝缘密封剂，可持续增大绝缘距离。优化了石墨夹头的结构，提高了与电极之间的密封性和稳定性。

4.5选用先进的还原电源设备
设计技术方案时，设备选型需采用目前国内先进的还原电源供电设备，不仅具备硅棒破裂修复功能，还能实现救环功能。对于接地停车影响生产是主要因素，先进的电源设备增加了炉盘电极的保护，即开车初期的打压过程中，将接地电流作闭环，防止绝缘低导致电极击穿、烧坏，同时，通过软件算法能够实现接地情况区分，即能准确区分单相接地和相间接地及硅粉接地，并且，优化大型炉硅粉接地保护，即通过接地保护实现原理优化，能最大限度减少硅粉接地保护动作的情况发生，对于硅粉已接地情况进行控制避免损坏炉底盘，最后，接地保护采用动态保护，根据实时运行状态智能调节保护定值。

结束语

减少非正常停炉是提高还原炉生产能力的根本保证，通过对温度、温度、温度分布的优化，可以有效地提高单炉的生产效率。通过对优化后的还原炉进行了比较，发现12对棒料的还原效率达到了120%，而24对棒的还原炉则达到了125%。提高了还原炉的平均产量，降低了还原工艺的直接能耗，降低了系统的原材料循环，降低了生产成本。

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