TGS450 多晶硅鑄錠爐的設計

李永哲

（河北晶龍陽光設備有限公司，河北 邢臺 055550）

多晶硅錠爐是專為太陽能工業(yè)晶硅電池生產(chǎn)而設計的，用于生產(chǎn)高品質多晶硅鑄錠的設備。 采用石墨電阻加熱技術，全程計算機控制技術，實現(xiàn)穩(wěn)步定向凝固結晶，生產(chǎn)出高品質、大規(guī)格的多晶硅鑄錠。

鑄錠爐主要采用熱交換法與布里曼法結合的方法來實現(xiàn)多晶硅料的熔化與晶體生長。 生產(chǎn)流程為：裝料、加熱、熔化、晶體生長、退火、冷卻。 在整個生產(chǎn)流程中通過工控機設置完各種工藝參數(shù)和預設定參數(shù)后，送達PLC 智能控制器，對整個生長過程進行全程自動控制。

1 主要技術指標

電源電壓：三相50HZ 380VAC；電源功率：200kW；標準熔料量：450kg； 最高加熱溫度：1560℃； 正常工作加溫溫度：1540℃；爐體極限真空度：≤0.5Pa。

2 主要結構

設備分為機械部分和電器部分。 機械部分包括平臺、爐體、傳動系統(tǒng)、熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)。 電器部分包括加熱電源、電源控制柜、控制柜、工控系統(tǒng)。

圖1 多晶硅鑄錠爐整體結構圖

2.1 爐體

爐體是鑄錠爐的核心部件，內部安裝熱系統(tǒng)、陶瓷坩堝、多晶硅料等。爐體由上爐室和下爐室兩部分組成。上、下爐室采用雙層帶夾層的不銹鋼筒體結構，夾層通有冷卻循環(huán)水，能有效帶走凝固長晶散發(fā)的熱量，同時也保證爐體安全運行。 上爐室固定在機架上，下爐室由三套滾珠絲桿副驅動上下升降以方便裝卸料。 上爐室頂部加裝有不銹鋼法蘭蓋，蓋上設計有可觀察爐內晶體生長情況圓形觀察口。

2.2 熱系統(tǒng)

熱系統(tǒng)分為保溫組件，加熱組件，熱交換臺三部分。

保溫系統(tǒng)包括隔熱籠，保溫板。 隔熱籠在上爐體內，由不銹鋼框架組成。 保溫板分為頂部保溫板、四周保溫板、底部保溫板。 它們均由高性能碳纖維隔熱材料構成。 底部保溫板由三根石墨柱支撐，安裝在下爐體中。 當熱籠下降到預定位置時，四邊保溫板和底部保溫板組成一個密閉保溫腔體。 鑄錠爐通過提升隔熱籠來打開保溫裝置，從而使熱交換臺的熱量可以向下爐室內壁輻射，這樣熱區(qū)內就形成一個垂直的溫度梯度，使液硅從坩堝底部開始結晶并向上生長。

加熱組件由頂部加熱器、四邊加熱器以及絕緣陶瓷件、銅電極、石墨電極柱等附屬件組成。

熱交換臺在下爐體內，用三根石墨柱支撐，用于放置坩堝及均勻坩堝底部溫度，以實現(xiàn)定向凝固長晶。

2.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)分為熱籠升降系統(tǒng)和下爐室體升降系統(tǒng)。 熱籠提升機構安裝在爐室上部主要由電機、減速機、聯(lián)軸器、軟軸、直線運動單元、換向器，提拉桿等構件組成。 下爐室升降系統(tǒng)主要由電機、帶輪、聯(lián)軸器、制動器、軟軸、升降機、安全制動器等構件組成

2.4 真空與供氣系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是由羅茨泵、機械泵、安全閥及其它抽氣管路等附件組成。 羅茨泵和機械泵同時工作可以使爐內壓力迅速降至0.008mbar。 當需要將工作壓力維持在400～600mbar 時，可由機械泵單獨工作。 抽氣管道包括大口徑抽氣和小口徑抽氣管道，其中大口徑抽氣通過插板閥控制，小口徑抽氣的速率是通過比例閥來調節(jié)控制的。

供氣部分由質量流量計和電磁比例調節(jié)閥等管路器件組成，可方便地控制氬氣流量，可滿足爐體不同狀態(tài)下的真空度要求；真空系統(tǒng)與爐體間由擋板閥隔離。

2.5 水冷卻系統(tǒng)

冷卻循環(huán)水通過各管路分別流經(jīng)爐體、銅電極和真空泵，能有效地將多晶硅長晶凝固過程中散發(fā)的熱量帶走，并保證爐體安全有效運行；冷卻水歧管配有傳感器，能實時反應水冷系統(tǒng)是否正常運行，便于控制。

2.6 控制系統(tǒng)與電源供應

控制系統(tǒng)由上位機和下位機構成。 上位機以工控機為主體構成，完成控制工藝的設置；控制過程的監(jiān)控；各種反饋信息（如：溫度，水流量等）顯示；出現(xiàn)異常情況報警顯示；統(tǒng)計和記錄整個硅結晶過程的各種參量的變化情況并生成圖表，能有效地反應爐體運行狀態(tài)。 下位機以智能控制系統(tǒng)為主體構成，完成對溫度的控制；真空度及充入氬氣的壓力控制；運動系統(tǒng)的運動控制；多晶硅結晶的速度及冷卻水流量等的檢測。

電源系統(tǒng)包括大容量的降壓變壓器及可控硅控制單元。提供給石墨加熱部件所需要的低壓大電流的電源。

3 結束語

TGS450 多晶硅鑄錠爐經(jīng)過工藝試驗取得了良好的控制效果，整機性能優(yōu)良。 生產(chǎn)的硅錠能滿足太陽能多晶硅切片的需要。

[1]達道安.真空設計手冊-3 版【M】,北京：國防工業(yè)出版社，2006.5

[2]王秉銓.工業(yè)爐設計手冊-23 版【M】,北京：機械工業(yè)出版社，1996.8

[3]張金鳳，趙雪峰，程建平.多晶硅鑄錠爐升降機構設計，太原科技，2008.9;73-75