CN102491336A - 装有多晶硅插片隔热层的多晶硅还原炉节能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于装有多晶硅插片隔热层的多晶硅还原炉节能装置及方法。不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层与炉体的内壁的间距为25～250mm；隔热层与炉体内壁连接，炉体通过法兰固定在底座上；底座上装有底盘进气口，氢气或者四氯氢硅气体由底盘进气口进入环形进气管，环形进气管上开有方口，氢气或者四氯氢硅气体由环形进气管进入炉体与隔热层之间的空隙，并充满空隙；采用不锈钢管柱体框架和多晶硅插片组成的隔热层减少炉内硅棒向炉体壁面的辐射传热损失，同时隔热层上的多晶硅插片沉积高纯的多晶硅产品；采用框架冷却系统保证隔热层多晶硅插片上生长多晶硅时不被金属污染；采用壁面保护系统保证炉体内壁的镜面不被污染。
Description
技术领域
本发明属于多晶硅生产技术领域，特别是西门子法生产多晶硅的多晶硅还原炉节能方法及装置，包括装有多晶硅插片隔热层的多晶硅还原炉节能装置及方法。
背景技术
多晶硅在电子领域及太阳能领域有着广发的应用，目前国内外多晶硅生产企业主要采用“改良西门子法”。该方法的生产流程是利用氯气和氢气合成氯化氢(或外购氯化氢)，氯化氢和硅粉在一定温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行精馏分离提纯，提纯后的高纯三氯氢硅与氢气按比例混合后，在一定的温度和压力下通入多晶硅还原炉内，在通电高温硅芯上进行沉积反应生成多晶硅，反应温度控制在1080℃～1150℃，最终生成棒状多晶硅产品，同时生成四氯化硅、二氯二氢硅、氯化氢等副产物。
其中多晶硅还原炉内三氯氢硅和氢气需要在1080℃～1150℃的高温下进行反应，高温硅芯棒通过辐射向还原炉内壁传热，使得内壁温度升高，当内壁温度高于575℃时，炉壁上开始沉积无定型硅，为此需要引入冷却介质对壁面进行冷却。由于冷却介质带走的大量热量来自通电的硅棒，从而造成了还原炉的能量损失，因此很多厂家采用内壁抛光来降低辐射传热，希望减少炉体内部的能量损失以实现节能的目的。由于还原炉内的化学反应会产生氯化氢及高氯硅烷产物，同时在炉体内壁面上会沉积无定形硅，将会降低炉体内壁抛光面的镜面效果，降低了内壁面对硅棒辐射的反射能力，导致还原炉能耗增加，因此需要定期对炉体内壁面进行抛光和维护，但直接对炉体内壁面抛光的操作困难，抛光的镜面效果差，造成炉体厚度减薄且不利于安全生产，为此我们提出一种装有多晶硅插片隔层的多晶硅还原炉节能方法及实施装置，防止无定型硅在炉体内壁面上沉积以及避免了高氯硅烷和氯化氢气体与炉体内壁面的接触，从而进一步减少还原炉的能量损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供装有多晶硅插片隔层的多晶硅还原炉节能方法及装置，采用柱体框架和多晶硅插片组成的隔热层，减少炉内硅棒向炉体壁面的辐射传热损失，同时隔热层上的多晶硅插片生长高纯的多晶硅；采用框架冷却系统保证隔热层多晶硅插片上生长多晶硅时不被金属污染；采用壁面保护系统保证炉体内壁的镜面保持良好的反射效果。
本发明提供了装有多晶硅插片隔热层多晶硅还原炉的节能方法，具体技术如下：
一种装有多晶硅插片隔热层多晶硅还原炉，包括含夹套冷却水装置的双层炉体1、不锈钢管2、开有凹槽的不锈钢板3、还原炉底盘4、环形进气管5、底盘进气口6、多晶硅插片7、螺栓8；不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层与炉体的内壁的间距为25～250mm；隔热层与炉体内壁连接，炉体通过法兰固定在底座上；底座上装有底盘进气口，氢气或者四氯氢硅气体由底盘进气口进入环形进气管，环形进气管上开有方口，氢气或者四氯氢硅气体由环形进气管进入炉体与隔热层之间的空隙，并充满空隙；炉体装有夹套冷却水装置。
所述的不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层为柱体，每根不锈钢管构成柱体的一条棱边，且相邻两根不锈钢管间的距离相等，柱体的底面为正多边形，多边形的顶点位于底盘的一个圆周上，每根不锈钢管位于多边形的一个顶点处，底边正多边形的边长为100mm～1000mm，底边正多边形的外接圆直径与还原炉内径相匹配可以加工为1.5m～3m，比还原炉内径小50～500mm。
不锈钢管为方管或者圆管，方管的边长或者圆管的直径为10mm～40mm，柱体框架的高度与还原炉体的高度相匹配加工为1.5m～3m；开有凹槽的不锈钢板与不锈钢钢管焊接在一起，不锈钢板的高度与不锈钢管相同为1.5m～3m，宽为30～60mm，厚度为1～10mm，不锈钢板上凹槽的间隔为100～300mm，深度为50-200mm，凹槽的宽度为0.25～1mm，凹槽与竖直方向的夹角为1°～20°，将多晶硅插片安放在相邻两根不锈钢管对应的凹槽内，每个凹槽内插放一块多晶硅插片，多晶硅插片的高度为100～300mm，长度为100～300mm，厚度为0.2～1mm，多晶硅插片的安装必须满足将柱体框架的不锈钢管及金属挡板完全遮挡。
本发明的装有多晶硅插片隔热层多晶硅还原炉隔热方法，隔热层与还原炉内壁之间装有输送氢气或者四氯氢硅气体的环形管路系统；冷却系统为不锈钢管中根据还原炉体内温度情况来决定是否通入冷却水；采用不锈钢管柱体框架和多晶硅插片组成的隔热层减少炉内硅棒向炉体壁面的辐射传热损失，同时隔热层上的多晶硅插片沉积高纯的多晶硅产品；采用框架冷却系统保证隔热层多晶硅插片上生长多晶硅时不被金属污染；采用壁面保护系统保证炉体内壁的镜面不被污染。
具体解释如下：
不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层与炉体的内壁的间距为25～250mm。隔热层与炉体内壁连接，炉体通过法兰固定在底座上。底座上装有底盘进气口，氢气或者四氯氢硅气体由底盘进气口进入环形进气管，环形进气管上开有方口，氢气或者四氯氢硅气体由环形进气管进入炉体与隔热层之间的空隙，并充满空隙。
炉体装有夹套冷却水装置。所述的不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层为柱体，每根不锈钢管构成柱体的一条棱边，且相邻两根不锈钢管间的距离相等，柱体的底面为正多边形，多边形的顶点位于底盘的一个圆周上，每根不锈钢管位于多边形的一个顶点处，底边正多边形的边长为100mm～1000mm，底边正多边形的外接圆直径与还原炉内径相匹配可以加工为1.5m～3m，较还原炉内径小50～500mm。由于不锈钢管耐高温耐腐蚀，在多晶硅还原反应温度下不会扩散出金属气体对多晶硅产品造成污染，所以我们选择不锈钢管作为隔热装置框架主体的支撑材料，不锈钢管可以为方管或者圆管，方管的边长或者圆管的直径为10mm～40mm，柱体框架的高度与还原炉体的高度相匹配可以加工为1.5m～3m。开有凹槽的不锈钢板与不锈钢钢管焊接在一起，不锈钢板的高度与不锈钢管相同为1.5m～3m，宽为30～60mm，厚度为1～10mm，不锈钢板上凹槽的间隔为100～300mm，深度为50-200mm，凹槽的宽度为0.25～1mm，凹槽与竖直方向的夹角为1°～20°，将多晶硅插片安放在相邻两根不锈钢管对应的凹槽内，每个凹槽内插放一块多晶硅插片，多晶硅插片的高度为100～300mm，长度为100～300mm，厚度为0.2～1mm，多晶硅插片的安装必须满足将柱体框架的不锈钢管及金属挡板完全遮挡。氢气或者四氯化硅由环形进气管进入还原炉，并充满炉体内壁和隔热层之间的空隙。
本发明具有的优点是：
首先，装有多晶硅插片的柱体框架与还原炉炉体之间充满了氢气或者四氯氢硅气体，使得反应气无法接触还原炉内壁，防止无定型硅在炉体内壁面上沉积，从而达到保护还原炉内壁面的效果；隔热层与还原炉炉体之间的空隙内的氢气或者四氯氢硅，由于其热导性差，从而可以起到很好的隔热作用，减少了高温硅棒到内壁面的辐射热量，降低了还原炉内的能耗损失。
其次，炉内原料气可以在多晶硅插片上生成高纯多晶硅产品，从而提高了原料的利用率。多晶硅插片插放在相邻两个不锈钢管对应的凹槽内，方便拆卸更换。
最后，由于不锈钢管内可以通入冷却水，所以可以根据炉体内的温度来决定是否通入冷却水，从而达到对炉体温度调节的效果。
附图说明
图1为本发明装有多晶硅插片隔热层的多晶硅还原炉的主视图；
图2为本发明专利装有多晶硅插片隔热层的多晶硅还原炉的柱体框架及多晶硅插片分布示意图；
图3为本发明装有多晶硅插片隔热层的多晶硅还原炉的环形进气管上开口示意图；
图4为本发明装有多晶硅插片隔热层的装置中多晶硅插片插放结构示意图；
图5；为本发明装有多晶硅插片隔热层的装置中多晶硅插片插放结构轴测图；
图中：1-含夹套冷却水装置的双层炉体，2-不锈钢管，3-开有凹槽的不锈钢板，4-还原炉底盘，5-环形进气管，6-底盘进气口，7-多晶硅插片、8-螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细说明：
实施方式1：如图1、2所示，多晶硅还原炉包括：1-含夹套冷却水装置的双层炉体，2-不锈钢管，3-开有凹槽的不锈钢板，4-还原炉底盘，5-环形进气管，6-底盘进气口，7-多晶硅插片，8-螺栓。其中，含夹套冷却水装置的双层炉体(1)固定于还原炉底盘(4)上，不锈钢管(2)与炉体(1)通过螺栓(8)连接，如图3、4所示，柱体框架使用不锈钢材料。不锈钢管为方管，边长为30mm，不锈钢板的宽为40mm，不锈钢管(2)与开有凹槽的不锈钢板(3)通过焊接连接，不锈钢板上凹槽的间隔为100mm，深度为50mm，凹槽的宽为0.25mm，凹槽与竖直方向的夹角为1°，多晶硅硅片的边长为100*100mm，厚度为0.2mm。不锈钢管(2)与多晶硅插片(7)组成的隔热层和含夹套冷却水装置的双层炉体(1)之间有一定的空隙。还原炉底盘(4)上装有底盘进气口(6)，氢气或者四氯化硅气体由底盘进气口(6)进入环形进气管(5)，氢气或者四氯化硅气体由环形进气管(5)进入到隔热层与炉体之间的空隙内并充满空隙。
与传统的还原炉相比，实施方式1具有以下的优点：
第一，还原炉炉体和插有多晶硅插片的柱体框架隔热层之间形成了充满氢气的导流通道，导流通道内的氢气由于其热导性差，可以起到很好的隔热作用，减少了高温硅棒到还原炉内壁面的辐射热量，降低了还原炉内的能耗损失。
第二，反应产物在多晶硅插片上生成高纯多晶硅产品，对原料的利用率得到提高。并且多晶硅插片插放在相邻两根不锈钢管对应的凹槽内，方便拆卸更换。
实施方式2：如图1、2所示，多晶硅还原炉包括：1-含夹套冷却水装置的双层炉体，2-不锈钢管，3-开有凹槽的不锈钢板，4-还原炉底盘，5-环形进气管，6-底盘进气口，7-多晶硅插片，8-螺栓。其中，含夹套冷却水装置的双层炉体(1)固定于还原炉底盘(4)上，不锈钢管(2)与炉体(1)通过螺栓(8)连接，不锈钢管(2)和多晶硅插片(7)组成的隔热层，如图3、4所示，框架使用不锈钢材料。不锈钢管为方管，边长为30mm，不锈钢板的宽为40mm，不锈钢管(2)与开有凹槽的不锈钢板(3)通过焊接连接，不锈钢板上凹槽的间隔为100mm，深度为100mm，凹槽的宽度为0.25mm，凹槽与竖直方向的夹角为3°，多晶硅硅片的边长为200*200mm，宽为0.25mm。不锈钢管(2)与多晶硅插片(7)组成的隔热层和含夹套冷却水装置的双层炉体(1)之间有一定的空隙。还原炉底盘(4)上装有底盘进气口(6)，氢气或者四氯化硅气体由底盘进气口(6)进入环形进气管(5)，氢气或者四氯化硅气体由环形进气管(5)进入到隔热层与炉体之间的空隙内并充满空隙。当还原炉内温度较高时可以在不锈钢管(2)内通入冷却水。
与传统的还原炉相比，实施方式2具有以下的优点：
第一，还原炉炉体和插有多晶硅插片的柱体框架隔热层之间形成了充满氢气的导流通道，导流通道内的氢气由于其热导性差，可以起到很好的隔热作用，减少了高温硅棒到内壁面的辐射热量，降低了还原炉内的能耗损失。同时由于还原炉内壁与隔热层的空隙中充满了氢气，炉内的氯化氢气体，三氯氢硅气体及四氯化硅气体无法与炉体内壁接触，所以在还原炉内壁不会沉积无定形硅，壁面也不会受到氯化氢及高氯硅烷的腐蚀，有利于壁面的保护。
第二，原料气在多晶硅插片上沉积为高纯多晶硅产品，可以提高还原炉内反应气的利用率，并且多晶硅插片插放在相邻两根不锈钢管对应的凹槽内，方便拆卸更换。
第三，当炉内温度较高时，由于在柱体框架的不锈钢管内通入了冷却水，一定程度上有助于降低炉内温度，避免了由于温度过高造成硅棒过热对沉积速率的影响。
实施方式3：如图1、2所示，多晶硅还原炉包括：1-含夹套冷却水装置的双层炉体，2-不锈钢管，3-开有凹槽的不锈钢板，4-还原炉底盘，5-环形进气管，6-底盘进气口，7-多晶硅插片，8-螺栓。其中，含夹套冷却水装置的双层炉体(1)固定于还原炉底盘(4)上，柱体框架(2)与炉体(1)通过螺栓(8)连接，不锈钢管(2)和多晶硅插片(7)组成的隔热层，如图3、4所示，框架使用不锈钢材料。不锈钢管为方管，边长为40mm，不锈钢板的宽为60mm，不锈钢管(2)与开有凹槽的不锈钢板(3)通过焊接连接，不锈钢板上凹槽的间隔为200mm，深度为200mm，凹槽的宽度为0.25mm，凹槽与竖直方向的夹角为5°，多晶硅硅片的边长为300*300mm，厚度为0.2mm。不锈钢管(2)与多晶硅插片(7)组成的隔热层和含夹套冷却水装置的双层炉体(1)之间有一定的空隙。还原炉底盘(4)上装有底盘进气口(6)，氢气或者四氯化硅气体由底盘进气口(6)进入环形进气管(5)，氢气或者四氯化硅气体由环形进气管(5)进入到隔热层与炉体之间的空隙内并充满空隙。当还原炉内温度较高时可以在不锈钢管(2)内通入冷却水。
与传统的还原炉相比，实施方式3具有以下的优点：
第一，还原炉炉体和插有多晶硅插片的柱体框架隔热层之间形成了充满氢气的导流通道，导流通道内的氢气由于其热导性差，可以起到很好的隔热作用，减少了高温硅棒到内壁面的辐射热量，降低了还原炉内的能耗损失。同时由于还原炉内壁与隔热层的空隙中充满了氢气，炉内的氯化氢气体，三氯氢硅气体及四氯化硅气体无法与炉体内壁接触，所以在还原炉内壁不会沉积无定形硅，壁面也不会受到氯化氢及高氯硅烷的腐蚀，有利于壁面的保护。
第二，原料气在多晶硅插片上沉积为高纯多晶硅产品，可以提高还原炉内反应气的利用率，并且多晶硅插片插放在相邻两根不锈钢管对应的凹槽内，方便拆卸更换。
第三，当炉内温度较高时，由于在柱体框架的不锈钢管内通入了冷却水，一定程度上有助于降低炉内温度，避免了由于温度过高造成硅棒过热对沉积速率的影响。
以上所述实例仅是充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权力要求书为准。
Claims (4)
1.一种装有多晶硅插片隔热层多晶硅还原炉，包括含夹套冷却水装置的双层炉体(1)、不锈钢管(2)、开有凹槽的不锈钢板(3)、还原炉底盘(4)、环形进气管(5)、底盘进气口(6)、多晶硅插片(7)、螺栓(8)；其特征是不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层与炉体的内壁的间距为25～250mm；隔热层与炉体内壁连接，炉体通过法兰固定在底座上；底座上装有底盘进气口，氢气或者四氯氢硅气体由底盘进气口进入环形进气管，环形进气管上开有方口，氢气或者四氯氢硅气体由环形进气管进入炉体与隔热层之间的空隙，并充满空隙；炉体装有夹套冷却水装置。
2.如权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征是所述的不锈钢管和多晶硅插片组成的隔热层为柱体，每根不锈钢管构成柱体的一条棱边，且相邻两根不锈钢管间的距离相等，柱体的底面为正多边形，多边形的顶点位于底盘的一个圆周上，每根不锈钢管位于多边形的一个顶点处，底边正多边形的边长为100mm～1000mm，底边正多边形的外接圆直径与还原炉内径相匹配可以加工为1.5m～3m，比还原炉内径小50～500mm。
3.如权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征是不锈钢管为方管或者圆管，方管的边长或者圆管的直径为10mm～40mm，柱体框架的高度与还原炉体的高度相匹配加工为1.5m～3m；开有凹槽的不锈钢板与不锈钢钢管焊接在一起，不锈钢板的高度与不锈钢管相同为1.5m～3m，宽为30～60mm，厚度为1～10mm，不锈钢板上凹槽的间隔为100～300mm，深度为50-200mm，凹槽的宽度为0.25～1mm，凹槽与竖直方向的夹角为1°～20°，将多晶硅插片安放在相邻两根不锈钢管对应的凹槽内，每个凹槽内插放一块多晶硅插片，多晶硅插片的高度为100～300mm，长度为100～300mm，厚度为0.2～1mm，多晶硅插片的安装必须满足将柱体框架的不锈钢管及金属挡板完全遮挡。
4.装有多晶硅插片隔热层多晶硅还原炉隔热方法，其特征是隔热层与还原炉内壁之间装有输送氢气或者四氯氢硅气体的环形管路系统；冷却系统为不锈钢管中根据还原炉体内温度情况来决定是否通入冷却水；采用不锈钢管柱体框架和多晶硅插片组成的隔热层减少炉内硅棒向炉体壁面的辐射传热损失，同时隔热层上的多晶硅插片沉积高纯的多晶硅产品；采用框架冷却系统保证隔热层多晶硅插片上生长多晶硅时不被金属污染；采用壁面保护系统保证炉体内壁的镜面不被污染。
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Granted publication date: 20140212 Termination date: 20201129 |