氫化爐加熱碳棒的改進

吳一兵

摘要：氫化爐的長期穩(wěn)定運行是采用熱氫化技術(shù)進行多晶硅生產(chǎn)的重要保障。氫化爐加熱碳棒作為通電加熱體，對四氯化硅轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供反應(yīng)溫度。文章通過對其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進行探討并加以改進，發(fā)現(xiàn)可以達到以下效果：（1）提高加熱碳棒的使用壽命；（2）改善接觸質(zhì)量，減少缺相接地故障次數(shù)。

關(guān)鍵詞：接觸電阻；氫化爐；加熱碳棒

熱氫化工藝目的是把還原工序的產(chǎn)物四氯化硅在氫化爐中轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)原料三氯氫硅；是實現(xiàn)閉環(huán)法生產(chǎn)多晶硅的必要手段。氫化爐的加熱碳棒作為加熱導(dǎo)體，通電后產(chǎn)生熱量對轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供必需的溫度（1250℃）。

原廠家提供的碳棒采用螺紋旋進的連接方式，使用一周左右會出現(xiàn)加熱碳棒斷裂引起氫化爐電流缺相，且此期間碳棒表層開裂脫落到氫化爐底盤上產(chǎn)生接地故障，從而造成停爐檢修影響正常生產(chǎn)。通過對現(xiàn)有加熱碳棒的材料成份、電阻值、導(dǎo)熱率等指標(biāo)檢測并結(jié)合碳棒斷裂的位置（均出現(xiàn)在上棒與下棒連接處和下棒與石墨夾頭連接處）綜合分析，我們初步認(rèn)為在實際工作環(huán)境下螺紋連接處局部發(fā)熱大，而造成碳棒熔斷或表層開裂；有必要對其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行探討并加以改進；以提高使用壽命，減少斷相及接地故障次數(shù)。

1加熱碳棒結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有加熱碳棒是由上棒、下棒、橫梁、螺紋環(huán)、墊圈通過螺絲連接而成，通過頂部橫梁搭橋形成電流回路，結(jié)構(gòu)詳情如圖1所示。

導(dǎo)體通過電流產(chǎn)生電阻損耗從而產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，整體的導(dǎo)體可以用電阻或?qū)щ娐蕘矸从硨?dǎo)電性能，但不連續(xù)性的接觸導(dǎo)體會產(chǎn)生一個附加的電阻即接觸電阻；由于連接表面的不平整性，實際接觸只是一定數(shù)量的點且比宏觀上看到的接觸表面要小。不連續(xù)性的接觸導(dǎo)體會產(chǎn)生附加的接觸電阻（R_j），R_j比導(dǎo)體自身的電阻（在沒有接觸面存在時）要大，R_j與連接的質(zhì)量有關(guān)：R_j越高，釋放的熱量越多；如果溫度上升到一定的極限，接觸面就會損壞。

導(dǎo)體電阻關(guān)系如下：

靜態(tài)電阻檢驗合格不等于接觸可靠，實際使用往往都是在動態(tài)環(huán)境，實驗證明往往靜態(tài)電阻合格在受到振動、沖擊、離心時會現(xiàn)瞬間斷電現(xiàn)象。由于現(xiàn)有的加碳棒是采用分體式的螺紋連接方式，在實際工作環(huán)境下可能因連接處接觸不良引起電阻升高最終造成碳棒熔斷。

通過以上分析，我們計劃對加熱碳棒進行以下改進：（1）選擇更有效的連接方式以增大接觸面積；（2）提高連接表面的配合尺寸、形位公差等級和表面粗糙度；（3）減少中間連接環(huán)節(jié)，做成整體式的。預(yù)計實施方案如下：

方案一：將連接方式變成直插臺階軸配合式，增加中間連接筒并在上面加工排氣孔；此種連接方式加工安裝方便，依靠加熱碳棒自重對連接處實現(xiàn)壓緊，排氣孔可以排出連接筒與上下棒連接處的密封氣體，避免在高溫工作環(huán)境下密封氣體膨脹把上下棒頂開。

方案二：采用內(nèi)外錐度配合；安裝方便，通過配合加工可使有效接觸面積與實際接觸面積之比達到0.6～0.7，可以通過自重和自鎖性實現(xiàn)配合面的壓緊。

通過在6臺氫化爐上安裝直插式加熱碳棒分兩個批次在正常的工藝環(huán)境下運行，使用壽命及斷相接地故障如表1所示。

隨后我們又試驗了錐度配合的加熱碳棒，其使用壽命及斷相接地故障與直插式數(shù)據(jù)相近。

通過以上試驗，改變連接方式后使用壽命有所提高，但斷相接地故障仍然頻繁，達不到改良的效果。

2加熱碳棒材質(zhì)分析

現(xiàn)有加熱碳棒材質(zhì)為等靜壓石墨，其性能指標(biāo)如下：電阻率1.14μΩ.c，抗折強度58MB抗壓強度127MPa，比重1.82g/cm³，熱傳導(dǎo)112 W/m。等靜壓石墨存在強度低、電阻率低、易破損、無法制作異型件、發(fā)熱表面積較小等缺點；經(jīng)過對比試驗我們選擇用碳/碳復(fù)合材料，其性能如下：低密度（<2.0 g/cm³）、高強度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高，適合做成整體式的加熱件。

3工藝改進措施

通過對氫化爐電極與加熱棒連接件的重新設(shè)計，我們在氫化爐上試驗U型碳/碳復(fù)合材料的加熱件（見圖2），其試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

采用整體式U型加熱件后使用壽命增加約750%；同時整體式U型加熱件使用前后電阻率變化不大，不易產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，出現(xiàn)斷相接地故障概率大大降低。

4結(jié)語

碳棒不管采用何種連接方式最終要接受工藝環(huán)境的考驗，從實際情況來看，熱氫化復(fù)雜惡劣的工藝環(huán)境對碳棒的性能影響較大；并且對工藝環(huán)境的量化很困難，所以我們選擇從整體式結(jié)構(gòu)方向進行改進。采用材質(zhì)改良的整體U型加熱件加工周期短、使用壽命長、裝配方便、材料性能有了提升，更適合復(fù)雜惡劣的工藝環(huán)境。通過研究找到延長碳棒使用壽命的方法對降低成本、提高S_iHCl₃產(chǎn)能、保證采用熱氫化技術(shù)進行多晶硅正常生產(chǎn)有巨大的現(xiàn)實意義。