還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置的研究

李翔邢桂萍 劉亞洲

（三門峽化工機(jī)械有限公司)

還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置的研究

李翔*邢桂萍 劉亞洲

（三門峽化工機(jī)械有限公司)

分析了常用的還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置在技術(shù)上的不足，提出了新的強(qiáng)制冷卻裝置的設(shè)計(jì)方案。新的冷卻裝置在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，從而保證了多晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。

冷卻裝置還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻多晶硅

隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展及加大綠色環(huán)保能源的開(kāi)發(fā)利用政策的不斷加強(qiáng)，近幾年光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能電池對(duì)多晶硅的需求量快速增加，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的需求量缺口不斷增大。發(fā)展壯大中國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)條件已經(jīng)具備，多晶硅產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)、工藝的進(jìn)一步完善、項(xiàng)目的建設(shè)等各方面時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。研發(fā)千、萬(wàn)噸級(jí)以上經(jīng)濟(jì)規(guī)模的多晶硅產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，形成從材料生產(chǎn)工藝、裝備、自控、循環(huán)、回收循環(huán)利用的多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，提高我國(guó)多晶硅在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力十分必要。

還原爐是多晶硅生產(chǎn)的核心設(shè)備，其技術(shù)水平直接影響到生產(chǎn)效率和工藝的先進(jìn)性。電極是還原爐的核心部件，每臺(tái)還原爐均裝有數(shù)十件電極，每件電極的工作狀態(tài)和可靠性都直接影響整臺(tái)還原爐設(shè)備的安全運(yùn)行以及多晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。而電極能否整體可靠運(yùn)行取決于每件電極套能否得到可靠穩(wěn)定的冷卻。因此解決每件電極套的可靠冷卻問(wèn)題是本次研究和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。工藝要求，前期電極需要均勻加熱，工作過(guò)程中又要及時(shí)均勻冷卻，如不能充分均勻冷卻，將直接影響甚至損壞電極與電極座之間的絕緣體，進(jìn)而使還原爐不能正常操作并影響多晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 原冷卻裝置的不足

目前我國(guó)常用的還原爐電極套冷卻方式均采取同一進(jìn)口和同一出口加導(dǎo)流板冷卻的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中冷卻液易形成偏流、短路和冷卻死角等現(xiàn)象，從而造成各電極套冷卻不均。處于冷卻死角處的個(gè)別電極套由于無(wú)法受到冷卻而引起過(guò)燒，造成還原爐無(wú)法安全運(yùn)行。這種現(xiàn)象還原爐規(guī)格越大、電極數(shù)量越多就越嚴(yán)重，因而長(zhǎng)期困擾著多晶硅生產(chǎn)的發(fā)展。我們經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和研究，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)新穎、冷卻均勻可靠的還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置，從而解決了現(xiàn)行設(shè)備中電極套冷卻不均、局部過(guò)燒等問(wèn)題，提高了多晶硅核心設(shè)備整體技術(shù)的先進(jìn)性，其結(jié)構(gòu)和加工工藝日臻完善，得到了行業(yè)的一致認(rèn)可。

多晶硅還原爐主要由底盤、含夾套冷卻介質(zhì)的鐘罩式雙層爐體、電極、視鏡孔、底盤冷卻水進(jìn)水管、底盤冷卻水出水管、電極冷卻水進(jìn)水管、電極冷卻水出水管及其他附屬部件組成。爐體主體采用不銹鋼材質(zhì)制成，以減少設(shè)備材質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的污染。電極是多晶硅還原爐的核心部件，它在工作中利用電能使硅元素從混合介質(zhì)中還原出來(lái)，因此，電極的工作狀態(tài)直接影響多晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。電極在工作中產(chǎn)生的熱量必須由電極內(nèi)部和底盤夾腔中的冷卻介質(zhì)（目前采用水）帶走。傳統(tǒng)的多晶硅還原爐底盤腔的冷卻均采用冷卻介質(zhì)集中進(jìn)出的方式。其缺點(diǎn)是，從冷卻介質(zhì)進(jìn)入腔體然后再分散至各電極座的過(guò)程中，冷卻介質(zhì)首先被底盤加熱，再加上還易形成偏流和死角，從而影響了對(duì)電極座的冷卻效果。尤其是采用水作為冷卻介質(zhì)時(shí)，頂部汽化使底盤夾腔中不能滿液，導(dǎo)致電極座的頂部不能充分冷卻，這就直接影響甚至可能損壞電極與電極座之間的絕緣體，進(jìn)而使還原爐不能正常操作并影響多晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2 新的強(qiáng)制冷卻裝置及其使用效果

對(duì)還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置的研究，主要是克服現(xiàn)行冷卻裝置技術(shù)上的不足，提供一種設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)合理、冷卻效果好且絕緣效果好的還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置（見(jiàn)圖1）。該裝置由底盤2、底盤夾腔3、電極座4、電極5、冷卻介質(zhì)進(jìn)入總管6和冷卻介質(zhì)排出總管7等組成。底盤與爐體1連接，每一電極座的外壁均設(shè)置有一個(gè)夾套8，夾套下端與底盤夾腔的下部底板密封連接，其上端與底盤之間留有間隙，每一夾套的下部均分別通過(guò)冷卻介質(zhì)分布管9與冷卻介質(zhì)進(jìn)入總管連通。底盤的底部設(shè)置有集氣腔10，該集氣腔通過(guò)氣體導(dǎo)管11向外界排放。

圖1 還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置

集氣腔為底盤的底部上設(shè)置的盲孔，其數(shù)量為兩個(gè)以上，沿圓周均布。氣體導(dǎo)管為L(zhǎng)型，其一端位于集氣腔內(nèi)，另一端貫穿底盤夾腔的側(cè)壁而出。

該強(qiáng)制冷卻裝置使冷卻介質(zhì)通過(guò)分布管路直接進(jìn)入各冷卻夾套內(nèi)對(duì)電極座外部進(jìn)行冷卻，而后從夾套頂部進(jìn)入底盤夾腔對(duì)底盤進(jìn)行冷卻，因而對(duì)電極座的冷卻效果好，消除了電極密封因過(guò)熱而失效的隱患。該強(qiáng)制冷卻裝置的使用可減少事故率50%以上，從而保證了多晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。

該新型底盤的底部設(shè)置有集氣腔，底盤夾腔內(nèi)產(chǎn)生的氣（汽）體集中在集氣腔中，不占據(jù)底盤夾腔的空間，并通過(guò)導(dǎo)管排出爐外，這樣就能保證底盤夾腔為滿液，從而使電極座及底盤得到充分冷卻，保證電極及絕緣體的正常工作，提高使用的安全性。該新型底盤在現(xiàn)有還原爐的基礎(chǔ)上增加的施工量很小，其制造成本較低，易于推廣。該還原爐電極外套強(qiáng)制冷卻裝置的推廣應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過(guò)設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)和規(guī)模的擴(kuò)大，使多晶硅的生產(chǎn)效率提高了30%，整個(gè)工藝水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨著設(shè)備的大型化和技術(shù)的不斷更新，將促使整個(gè)多晶硅行業(yè)在技術(shù)上產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

[1] 楊世銘，陶文栓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

[2] 童景山，李敬.流體熱物理性質(zhì)的計(jì)算［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1982.

[3] TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

Study on Forced Cooling Device of Electrode Sheath for Reduction Furnace

Li Xiang Xing Guiping Liu Yazhou

The technical shortcomings of electrode sheath forced cooling device of conventional reduction furnace were analyzed,and new design of forced cooling device was put forward.The new cooling device showed excellent effects in practical application,and guaranteed the yield and quality of polysilicon.

Cooling device;Reduction furnace;Electrode sheath;Forced cooling;Polysilicon

TQ 051.5

*李翔，男，1965年生，工程師。三門峽市，472000。

2011-10-24）