新型還原爐流場(chǎng)溫度場(chǎng)的模擬研究

王曉靜，張　燦，黃益平，陳　舟，陸曉詠，徐義明

目前煤炭、石油等化石能源的衰竭是人類自身發(fā)展所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻課題，太陽能發(fā)電成為一種代替化石能源的重要途徑［1-2］。半導(dǎo)體行業(yè)與光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料是多晶硅，隨著半導(dǎo)體與太陽能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，多晶硅材料的需求量呈逐年上升趨勢(shì)，近年來以每年31.2%［3］的增長(zhǎng)速度增長(zhǎng)。

在整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)中，對(duì)多晶硅生產(chǎn)設(shè)備的投資占整個(gè)生產(chǎn)總成本的35%左右［4］，其所占的比例最大。因此對(duì)多晶硅生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，從而降低多晶硅生產(chǎn)過程能耗來降低生產(chǎn)成本是目前太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的緊迫課題。凌猛［5］和姚心［6］等分別對(duì)傳統(tǒng)西門子多晶硅還原爐內(nèi)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布狀況進(jìn)行了模擬研究;段連［7］、黃哲慶［8］通過改進(jìn)還原爐的進(jìn)出氣方式來提高還原爐內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的均勻性;王曉靜等［9］對(duì)還原爐底盤的冷卻方式做了改進(jìn)，提高了底盤溫度分布狀態(tài);王燕［10］、王惠存［11］對(duì)進(jìn)出氣導(dǎo)管長(zhǎng)度進(jìn)行了改進(jìn)，以有利于爐內(nèi)混合氣體分布更加均勻。

混合氣體在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)均勻性在很多領(lǐng)域中都是很重要的衡量指標(biāo)，合理地改進(jìn)還原爐結(jié)構(gòu)，保證還原爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)域的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的均勻性，是有效提高多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。在常見的氣相沉積反應(yīng)中，還原爐內(nèi)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的均勻性對(duì)反應(yīng)有著重要影響。

目前多晶硅的生產(chǎn)工藝主要有如下3種方法:改良西門子法、流化床法、硅烷法。本研究在傳統(tǒng)西門子還原爐的基礎(chǔ)提出了一種新型還原爐，并對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比研究。

結(jié)合圖1和圖2可以看出新型還原爐比傳統(tǒng)還原爐多出了3種結(jié)構(gòu):1)出氣口套筒;2)熱管;3)內(nèi)插進(jìn)氣口。出氣口套筒避免了傳統(tǒng)還原爐中原料氣并未參與反應(yīng)就由底盤出氣口排出造成原料氣浪費(fèi)的現(xiàn)象，并且對(duì)還原爐頂部廢氣起到導(dǎo)引作用，有助于其排出。熱管的加入可以有效降低還原爐環(huán)境溫度，進(jìn)而減少粉末硅的產(chǎn)生，熱管對(duì)硅棒的包圍結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)氣在還原爐中的流動(dòng)也起到了限制的作用，使其流動(dòng)得更加有序。內(nèi)插進(jìn)氣口的加入促進(jìn)了還原爐上部反應(yīng)氣的更新。這些都是新型還原爐的優(yōu)點(diǎn)。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1　物理模型

針對(duì)傳統(tǒng)還原爐和新型還原爐結(jié)構(gòu)，運(yùn)用PRO/E三維建模軟件建立了相應(yīng)的物理模型具體的尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、圖2和圖3。圖3中直觀的給出了熱管與硅棒之間的位置關(guān)系與熱管的必要尺寸。由于新型還原爐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及對(duì)稱性，以3對(duì)硅棒還原爐的一半為例進(jìn)行了分析。

圖1　新型還原爐裝配圖Fig．1　The new reduction furnace drawing overview

圖2　模型結(jié)構(gòu)Fig．2　Structure of furnace

圖3　熱管與硅棒位置示意圖Fig．3　Heat pipe and silicon rod position schematic

三維模型直接導(dǎo)入Ansys workbench 14.5中進(jìn)行網(wǎng)格劃分與模擬計(jì)算。網(wǎng)格總數(shù)2685537，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算的要求并且同時(shí)考慮計(jì)算能力和計(jì)算精度，經(jīng)過一系列獨(dú)立性分析之后得到結(jié)果。

表1　還原爐結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1　Parameters of reduction furnaces

1.2　邊界條件設(shè)置與迭代計(jì)算

1)進(jìn)出口邊界條件:由于進(jìn)口速度較大，認(rèn)為氣體為可壓縮狀態(tài)，設(shè)置質(zhì)量入口邊界條件Q=0.0075 kg/s，氣體的輻射吸收系數(shù)為 0.05［12］，出口為壓力出口邊界條件。

2)壁面邊界條件:設(shè)置壁面、硅棒表面和底盤等的輻射參數(shù)見表2，熱管壁面采用高度刨光工藝，設(shè)定其反射系數(shù)為0.8。

表2　壁面物性參數(shù)Table 2　Properties of the wall materials

2　結(jié)果與討論

2.1　流場(chǎng)分析與比較

圖4a)和圖4b)分別給出了2種不同還原爐在垂直對(duì)稱面(x=0平面)內(nèi)的速度矢量圖。

圖4　2種還原爐在x=0處的速度矢量圖Fig．4　Velocity vector along x=0 plane in two furnace

比較觀察2種還原爐的流場(chǎng)模擬結(jié)果:新型還原爐內(nèi)氣體基本上是在熱管與硅棒所圍成的環(huán)隙空間中流動(dòng)，這是因?yàn)楣璋舻妮椛浜蜔峁芡獗诘姆瓷渥饔檬弓h(huán)隙內(nèi)溫度較高，密度較低;并且熱管的存在也對(duì)氣體的流動(dòng)起到了定向控制的作用。在氣體流向還原爐上部后在套筒上部形成了匯聚，順著套筒有序地從底部出口流出。而傳統(tǒng)還原爐中，氣體以較大速度從進(jìn)氣口進(jìn)入后，在爐膛內(nèi)部形成全混流，并且在還原爐頂部形成了漩渦，不利于還原爐頂部氣體的更新，容易形成溫度死區(qū)(即因?yàn)闅怏w得不到及時(shí)更新而造成溫度過高的區(qū)域);從圖4a)還原爐底部也可以看出，由于沒有出氣口套筒的阻礙傳統(tǒng)還原爐的原料氣進(jìn)入爐體內(nèi)部后，容易未經(jīng)反應(yīng)直接從中央出氣口排出，造成原料氣的極大浪費(fèi)，進(jìn)而影響硅棒的生長(zhǎng)速度。

2.2　溫度場(chǎng)的分析與比較

圖5a)和圖5b)分別給出了2種不同還原爐在垂直對(duì)稱面(x=0平面)的溫度場(chǎng)分布云圖。圖6a)、6b)分別給出了2種還原爐在 y=0.1、0.3、0.5和0.7 m平面的溫度場(chǎng)分布云圖(圖6中從下到上依次為y=0.1、0.3、0.5和0.7 m平面)。

從圖5a)中可以看出傳統(tǒng)多晶硅還原爐頂部有非常明顯的溫度死區(qū)，這是因?yàn)樵蠚庖暂^大速度進(jìn)入爐體內(nèi)部后在頂部形成漩渦導(dǎo)致氣體不易更新所致。新型多晶硅還原爐成功的避免了爐頂部的溫度死區(qū)的形成，這是因?yàn)樾滦投嗑Ч柽€原爐中安置了內(nèi)插進(jìn)氣管，促進(jìn)了還原爐頂部氣體的更新，并且內(nèi)部套筒起到了對(duì)頂部氣體的收集與導(dǎo)出作用，熱管對(duì)氣體流向的限制使原料氣在爐內(nèi)有序的進(jìn)出。圖6b)中顯示在新型還原爐的右部區(qū)域出現(xiàn)了少許溫度分布不均勻的現(xiàn)象，但是因?yàn)槠淇拷€原爐壁面并且比泡沫硅的生成溫度(400℃)要低，所以并不會(huì)影響硅棒的生長(zhǎng)。

圖5　2種還原爐在x=0處的溫度場(chǎng)分布云圖Fig．5　Temperature contours along x=0 plane in two furnaces

圖6　2種還原爐的溫度場(chǎng)分布云圖Fig．6　Temperature contours in two furnaces

分別求出圖6所示各截面處平均溫度后做出曲線如圖7所示。

圖7　2種還原爐不同截面平均溫度圖Fig．7　Average temperature in different sections

從圖7中看出新型還原爐整體環(huán)境溫度要比傳統(tǒng)還原爐中的要低，并且新型還原爐的溫度曲線要比傳統(tǒng)還原爐的溫度曲線變化平緩，更加有利于硅棒的生長(zhǎng)。

2.3　輻射分析與比較

圖8a)和圖8b)分別給出了2種不同還原爐在豎直方向上(y方向)輻射能量的散點(diǎn)圖。

圖8　2種還原爐在y方向的輻射能量散點(diǎn)圖Fig．8　The y direction of the radiation energy scatter plot in two furnaces

從圖8中可以看出新型多晶硅還原爐中硅棒向外輻射的能量要明顯低于傳統(tǒng)還原爐，壁面輻射的能量中新型還原爐也低于傳統(tǒng)還原爐，這是由于在新型多晶硅還原爐的內(nèi)部安插的熱管的原因，外壁高度拋光的熱管將硅棒所輻射出的能量大部分反射回去，使得硅棒周圍環(huán)境溫度保持在一個(gè)較高的水平上，有助于反應(yīng)的正向進(jìn)行與多晶硅的沉積;進(jìn)而也使壁面吸收的能量減少，壁面溫度降低，多晶硅還原爐內(nèi)環(huán)境溫度降低，從而抑制了泡沫硅的產(chǎn)生。

3　結(jié)論

運(yùn)用Pro/E軟件建立了新型還原爐流體傳熱模型，通過運(yùn)用fluent模擬比較了傳統(tǒng)與新型還原爐的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和輻射能量。發(fā)現(xiàn)新型還原爐所設(shè)置的內(nèi)插式進(jìn)氣管與套筒，起到了加快還原爐頂部氣體更新和收集還原爐頂部廢氣并將其有序排出的作用，解決了傳統(tǒng)還原爐頂部溫度死區(qū)的缺陷;新型還原爐安插的外壁面高度刨光的熱管，起到了降低總體環(huán)境溫度的作用，可以有效抑制泡沫硅的產(chǎn)生;并且高度刨光的外表面可以有效反射硅棒輻射出的能量，在環(huán)境溫度降低的同時(shí)，硅棒與熱管之間的環(huán)境溫度保持在一個(gè)較高的水平，保證反應(yīng)的有效進(jìn)行。并且熱管技術(shù)應(yīng)用到多晶硅還原爐中是還原爐發(fā)展的一次突破，對(duì)以后多晶硅還原爐的發(fā)展有很大的借鑒意義。

符號(hào)說明:

D—還原爐直徑，mm;

d1—進(jìn)氣口直徑，mm;

d2—出氣口直徑，mm;

H—爐體高度，mm;

h1—硅棒高度，mm;

h2—套筒高度，mm;

h3—內(nèi)插進(jìn)氣管高度，mm;

h4—熱管與頂盤連接小圓柱高度，mm;

h5—熱管長(zhǎng)度，mm;

Q—進(jìn)氣流量，kg·s－1;

T—熱力學(xué)溫度，K。

參考文獻(xiàn):

［1］Maycock P D．PV markets update［J］．Renewable Energy World，2003，6(4):84－101

［2］Canizo CD，Coso G D，Sinke W C．Crystalline silicon solar module technology:Towards the 1 per Watt-peak goal［J］．Research and Applications，2009，17(3):199－209

［3］鄧峰，唐正林．多晶硅生產(chǎn)技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009

Deng Feng，Tang Zhenglin，Polysilicon production technology［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2009(in Chinese)

［4］北京萬勝博訊高科技發(fā)展有限公司．2009版中國多晶硅產(chǎn)業(yè)深度分析報(bào)告［M］．中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)管理部，2009

Maxell tech Development Co．，Ltd．Beijing Boxun．The depth of China's polysilicon industry analysis report of 2009［M］．China Electronic Materials Industry Association Economic Management Department，2009(in Chinese)

［5］凌猛，賴喜德，劉東旗．多晶硅還原爐爐膛內(nèi)的輻射傳熱模型研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，(4):125－127

Ling Meng，Lai Xide，Liu Dongqi．The research of the radiative heat transfer model for the hearth inside polycrystalline siliconreductionfurnace［J］．Machinery Design ＆ Manufacture，2009，(4):125－127(in Chinese)

［6］姚心，汪紹芬，嚴(yán)大洲．基于Fluent對(duì)多晶硅還原爐的三位數(shù)值模擬及其優(yōu)化［J］．有色冶金節(jié)能，2011，(4):48－56

Yao Xin，Wang Shaofen，Yan Dazhou．Three-Dimensional numerical simulation and optimization of polysilicon reductionfurnacebasedonfluent［J］．Nonferrous Metallurgy Saving，2011，(4):48－56(in Chinese)

［7］段連，周陽，劉春江．多晶硅還原爐內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的研究［J］．化學(xué)工業(yè)與工程，2014，31(6):69－74

Duan Lian，Zhouyang，Liu Chunjiang．Research of flow field and temperature field in the CVD reactor［J］．Chemical Industry and Engineering，2014，31(6):69－74(in Chinese)

［8］黃哲慶，劉春江，袁希鋼．一種新型多晶硅還原爐流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬［J］．化工學(xué)報(bào)，2013，64(2):484－489

Huang Zheqing，Liu Chunjiang，Yuan Xigang．Numerical simulation of flow and heat transfer in a nover polysilicon reduction furnace［J］．CIESC Journal，2013，64(2):484－489(in Chinese)

［9］王曉靜，張芳，張燦．基于溫度場(chǎng)均勻化分析的還原爐底盤結(jié)構(gòu)研究［J］．化學(xué)工業(yè)與工程，2014，31(6):59－64

WangXiaojing，Zhangfang，Zhangcan．Analysisof reduction furnace chassis structure based on the homogenization of temperature field［J］．Chemical Industry and Engineering，2014，31(6):59－64(in Chinese)

［10］王燕．一種多晶硅還原爐:中國，101759183 A［P］．2010－06－30

Wangyan．One kind of polysilicon reduction furnace:CN，101759183 A［P］．2010－06－30(in Chinese)

［11］王惠存，朱青松．改進(jìn)型多晶硅還原爐:中國，201105995Y［P］．2008－08－27

Wang Huicun，Zhu Qingsong．Improved polysilicon reduction furnace:CN，201105995Y［P］．2008－08－27(in Chinese)

［12］ 錢家麟，于遵宏，王蘭田．管式加熱爐［M］．北京:烴加工出版社，1987

Qian Jialin，Yu Zunhong，Wang Lantian．Tube furnace［M］．Beijing:Hydrocarbon Processing Press，1987(in Chinese)

［13］Bauer W，Oertel H，Rink M．Spectral emissivities of bright and oxidized metals at high temperature//The Fifteenth Symposium on Thermophysical Properties［C］．Boulder，2003

［14］Sato T．Spectral emissivity of silicon［J］．Japanese Journal of Applied Physis，1967，6(3):339－347