CN102703976B

CN102703976B - 一种多晶硅炉

Info

Publication number: CN102703976B
Application number: CN201210169843.5A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋志强; 冯锡兰; 刘建伟; 魏永强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: CN102703976A

Abstract

一种多晶硅炉，属于加多晶硅炉技术领域，包括耐热钢、六钛酸钾晶须隔热砖、加热装置、Al₂O₃耐火砖、坩埚和钢板组成，多晶硅炉的炉身的外壳为钢板，在钢板内层贴有六钛酸钾晶须隔热砖层，在隔热砖层内层还有Al₂O₃耐火砖层，并将坩埚置于多晶硅炉Al₂O₃耐火砖层构成的空腔内，在坩埚和Al₂O₃耐火砖层之间的空间内放置加热装置，在多晶硅炉的上方还设置了一个取料盖，取料盖是将六钛酸钾晶须隔热砖镶嵌在耐热钢中，直接盖在节能多晶硅炉的炉身上。采用本发明多晶硅炉制备多晶硅，具有良好的节能效果。

Description

一种多晶硅炉

技术领域

本发明为一种用于生产多晶硅的多晶硅铸锭炉，特别涉及一种节能多晶硅炉，属于加多晶硅炉技术领域。

背景技术

太阳能是一种重要的、有效的、可再生清洁能源，其储量巨大、取之不尽、用之不竭、没有环境污染，充满了诱人的前景。而太阳能光伏发电以其技术成熟、应用方便、绝对安全、长寿命以及免维护等优势，成为利用太阳能最主要的方式，也是21世纪最有希望大规模应用的清洁能源之一。多晶硅作为一种能利用太阳能发电的材料，在再生能源紧缺的时代越来越被广泛应用。多晶硅的制备工艺过程是硅原料的提纯过程，是将2N(一个N即表示一个9，2N即表示99%)的工业硅提纯到7~11N的高纯硅工艺过程。这是一个能耗较高的产业，平均每吨多晶硅的电耗在20万千瓦时以上。在多晶硅制造的技术方面，多种生产工艺路线并存。主要有改良西门子法、硅烷法和冶金法。为了提高多晶硅质量，降低多晶硅生产能耗，中国发明专利CN101158548公开了一种多晶硅铸锭炉的炉体保护装置，主要由带中间夹层(11)的炉体(9)，置于炉体(9)底部的凸台套管(10)和岩棉(5)，置于岩棉(5)上部固定于凸台套管(10)上带端盖(7)的套管(8)，置于端盖(7)中部的护套管(6)等构成。通过由岩棉、凸台套管、带端盖的套管等构成的炉体保护装置的作用，能有效防止承装硅液的坩埚在发生破裂或其它原因导致硅液溢出时，流向炉体底部的硅液在炉体底部堆积，高温硅液热能烧穿炉体钢板，使冷却水暴露在高温低压的炉内，从而引发灾难性事故的现象发生，避免了硅液对炉体的损伤。中国发明专利CN1884068还公开了一种生产多晶硅的还原炉，特别是一种可以生产大直径多晶硅的还原炉，以此来提高多晶硅的产量和质量，降低多晶硅的电耗和生产成本。为达到上述目的，该发明采用了双层壳体，而且内壳是由石英玻璃制成的；内外壳体之间另设有加热器；内壳体的顶部和加热器的外部都设有隔热板；炉里的发热体是用石磨制成的，并被密封在一根石英管内。中国发明专利CN1887803还公开了一种单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用炭/炭隔热屏的制备方法，该方法采用针刺炭布和无纬布相结合全炭纤维三向结构隔热屏预制体；通过中温沥青或糠酮树脂浸渍炭化工艺致密隔热屏预制体，反复致密处理数次，到密度≥1.30g/cm³时致密工艺结束，在通入氯气和氟利昂的条件下对隔热屏制品进行高温纯化处理，机械加工后即可制得单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用热场炭/炭隔热屏。该发明可有效降低单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用热场炭/炭隔热屏的导热系数，工艺一致性好，可实施性强，成本低，可延长单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用炭/炭隔热屏的使用寿命，降低单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用炭/炭隔热屏的更换率。中国发明专利CN102127809A还公开了一种多晶硅铸锭炉，包括炉体、支架，所述炉体固定在支架上，所述炉体内设置有支撑板，所述支撑板上设置有坩埚，所述坩埚外设置有发热器，所述发热器外扣罩有反射屏，所述炉体与反射屏之间填有绝热保温材料，所述炉体包括上炉体、下炉体，所述上炉体、下炉体之间连接有升降装置，所述上炉体一端设置有真空接口。该发明通过升降装置控制下炉体上升或下降，能方便地放入或取出装有多晶硅锭的坩埚，有效地保护操作人员的安全，同时，采用自上向下厚度渐增的石墨电阻发热器，提高生产多晶硅铸锭的速度和质量，简化炉体结构，延长设备的使用寿命。中国发明专利CN102134074A还公开了一种多晶硅还原炉及其操作方法，在还原炉的顶部和底座均设置有物料的进口和出口，进口和出口为均布的25～32管口式结构，在这种结构中多晶硅还原炉上的各个进、出口管与对应的进、出料子流股是通过相通的环管连接起来的。对于进口，原料首先经过进料子流股管道进入到各个联通的环管中，然后通过各个进气管，进入多晶硅还原炉发生反应；对于出口，尾气通过各个出气管收集到对应的联通的环管内，最后汇集经出料子流股管道流出该还原工段。这种新型的多晶硅还原炉以及周期性切换多晶硅还原炉进出口的操作工艺，可以有效的减小现存技术制造的多晶硅还原炉内存在的明显的温度梯度；避免了“倒棒”现象的发生，并有利于产品的后处理。中国发明专利CN102351192A还公开了一种多晶硅还原炉，包括：底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且在所述炉体与所述底盘之间限定出反应腔室；四十八对电极，所述四十八对电极设在所述底盘上且分别分布在第一、第二、第三和第四圆周，所述第一、第二、第三和第四圆周为以所述底盘中心为圆心且半径依次增大的同心圆周；进气系统，所述进气系统包括设在所述底盘中部的多个喷嘴；和排气系统，所述排气系统包括多个排气口，所述排气口设在所述底盘上且位于所述第四圆周与所述炉体之间。根据该发明实施例的多晶硅还原炉，可以合理利用热能，同时也可以避免炉体内侧壁带走过多热量，可以降低热量损耗。中国发明专利CN102400232A还公开了一种单晶硅生长炉用石墨/炭毡复合电极，包括电极、加热器、螺栓、电极外的石墨护套，所述的电极与石墨护套之间增设了一层电极保温层，由于电极与石墨护套之间固定设有电极保温层，增加了晶体炉内与电极之间的热阻，从而降低了功耗，其节能效果可达10kW以上，解决了晶体炉中加热器电极损耗能量过大的问题，且该设计思想可以用于多晶硅及蓝宝石等多种晶体生长的电极上。中国发明专利CN101311343还公开了一种适于制造大尺寸高纯度多晶硅铸锭的真空炉，保温罩设置为可升降式，由伺服直线运动机构和一端固定设置在保温罩顶部上的连动杆组成的升降机构主体安装设置在炉盖上，供电部件中的电极设置为水冷式，位于炉内的输电电缆设置为柔性水冷式。由于料台和坩埚设置为可免受升降机构的工作干扰、有利于确保结晶质量的固定式，坩埚内部容积的大小只与料台的承载能力有关，便于设置大容量的坩埚，且采用了具有确保可靠工作寿命的水冷式上下电极和水冷式柔性电缆，便于保温罩的自由升降，结构科学且合理，工作可靠且寿命长，产品质量稳定且纯度高，适于生产大尺寸、高纯度的多晶硅铸锭，具有很强的实用性。中国发明专利CN102205967A还公开了一种节能多晶硅还原炉及多晶硅的制造方法，该多晶硅还原炉，包括钟罩型炉壁，设置在炉壁下方的底盘，设置在底盘上的电极和安装在电极上的硅芯棒，底盘上还设置有原料气体进入口和尾气排气口，其特征是：上述底盘上设置有一个与炉壁同心且将硅芯棒罩住的钟罩式隔热屏，该隔热屏是由圆筒部和与所述圆筒部相接的有通孔的顶部组成；所述的原料气体进入口至少部分地设置在隔热屏的圆筒部与炉壁之间的底盘上，尾气排气口设在底盘中心。该发明利用隔热屏罩住多晶硅，从而大幅度减少热量损失，并使原料气体得到预热，并能够提高三氯氢硅的转化率。中国发明专利CN102225650A还公开了一种用于多晶硅铸锭炉的耐腐蚀涂层，其特征在于，包括：覆于碳纤维隔热层表面的合金防腐层和覆于所述合金防腐层表面的隔热防腐层；所述合金防腐层包括：20wt％～38wt％的铝粉、30wt％～45wt％的锌粉和30wt％～45wt％的镍粉；所述隔热防腐层包括：55wt％～72wt％的石墨烯粉、25wt％～40wt％的LaTaO4粉、1wt％～5wt％的成膜剂和1wt％～5wt％的固化剂和分散剂的混合物。该发明还提供一种用于多晶硅铸锭炉的耐高温保护层及其制备方法。该发明提供的涂层具有较高的硬度和耐腐蚀性，从而延长碳纤维隔热层的使用寿命。中国发明专利CN102134744A还公开了一种多晶硅铸锭炉隔热装置，在坩埚和加热器的外部设置有隔热笼，隔热笼由钢架及为钢架所固定的隔热板所构成，四周的隔热笼内侧板外设置有隔热笼外侧板，隔热笼内、外侧板均分为上下两部分，在上隔热笼内侧板的内侧设置有1－4块C/C复合板，C/C复合板通过固定螺丝与上隔热笼内侧板和上隔热笼外侧板固定起来。所述的C/C复合板为炭材料复合板。该发明的有益效果是：减少原隔热板长时间高温烘烤导致的掉粉现象，提升隔热笼内部的保温性能，有效提高硅锭质量，减少硅锭碳含量和阴影；可使隔热板内侧保温板的使用寿命延长至2年左右。节能降耗、降低生产成本。但是，上述发明的多晶硅炉普遍存在制备多晶硅能耗高的不足。本发明选用具有负温度系数的六钛酸钾用于多晶硅炉的保温和隔热，明显实现了制备多晶硅节能、降耗的目标。

发明内容

本发明目的是提供一种节能多晶硅炉，主要是采用具有负温度系数的六钛酸钾晶须用于多晶硅炉的保温和隔热，确保多晶硅冶炼炉在长时间保持高温的情况下，只需供应少量能量，从而可达到多晶硅生产的节能要求。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

一种多晶硅炉，其特征在于，包括耐热钢、六钛酸钾晶须隔热砖、加热装置、Al₂O₃耐火砖、坩埚和钢板组成，多晶硅炉的炉身的外壳为钢板9，在钢板9内层贴有六钛酸钾晶须隔热砖层2，在隔热砖层2内层还有Al₂O₃耐火砖层4，并将坩埚8置于多晶硅炉Al₂O₃耐火砖层构成的空腔内，在坩埚8和Al₂O₃耐火砖层之间的空间内放置加热装置3，在多晶硅炉的上方还设置了一个取料盖，取料盖是将六钛酸钾晶须隔热砖2镶嵌在耐热钢1中，直接盖在节能多晶硅炉的炉身上。

六钛酸钾晶须隔热砖2的厚度为100～120mm，在隔热砖2内部加入Al₂O₃耐火砖4的厚度为35～50mm。

外壳钢板9，优选低碳钢，其厚度是12～15mm。

六钛酸钾晶须隔热砖2由质量比90～92％的六钛酸钾晶须和质量比8～10％的硅溶胶混合制成隔热砖，并经750～800℃焙烧2～3h而成。

耐热钢1由质量比0.05-0.12%C、0.4-1.2%Si、0.3-0.8%Mn、19.0-23.0%Cr、0.4-0.6%Mo、30.0-34.0%Ni、1.9-2.2%Nb、0.8-1.2%Al、0.05-0.12%Ce、0.06-0.10%Mg、0.008-0.012%B、S<0.03%、P<0.04%和余量Fe组成的合金钢通过熔炼和铸造而成。

加热装置3至少包括3个独立的加热器，分别位于坩埚8外上、中、下，自坩埚8的底部与坩埚8同高将坩埚围住，每个独立的加热器均有独立的电源开关控制；独立加热器的个数越多，温度梯度控制越精确，优选6-9个。

本发明采用熔融定向凝固法制备多晶硅，熔融定向凝固法亦称定向凝固法，它是在坩埚底部直接将多晶硅熔化，然后通过坩埚底部的热交换方式，即将包裹坩埚的热场逐渐上升，以造成一定的温度梯度，固液界面则从坩埚底部向上移动形成晶锭，这种方法亦称热交换法。在本发明的多晶硅炉中，通过控制加热装置3中不同加热器的功率输出，可以使包裹坩埚的热场逐渐上升，以造成一定的温度梯度，固液界面则从坩埚底部向上移动形成晶锭。图1是采用本发明节能多晶硅炉制备多晶硅的示意图。硅原料首先在坩埚中熔化，坩埚周围的加热装置3保持坩埚上部温度的同时，通过降低坩埚8下部外放置的加热装置3的功率输出，而坩埚8中、上部外放置的加热装置3的功率输出保持不变，坩埚的底部会开始逐渐降温，从而使坩埚底部的熔体首先结晶。通过保持固液界面在同一水平面上并逐渐上升，使得整个熔体结晶为多晶硅锭，其转变过程可见图1中的硅原料5、硅熔化区6和多晶硅锭7。

本发明的最大特点是采用了六钛酸钾晶须隔热砖。六钛酸钾的晶体结构属三斜晶系，空间群为C2/m，晶胞参数为β=100.1°，单位格子中的分子数为2。在六钛酸钾的晶体结构中，Ti的配位数为6，以TiO₆八面体通过共面和共棱连结而成连锁的隧道状结构，K+离子居于隧道的中间，隧道轴与晶体轴平行。从六钛酸钾的晶体结构中可以看出，K+离子被隧道状结构包裹住，而与环境隔开，使K+离子无法突破这些隧道状包裹层而具备化学惰性。也正因为K+离子结构上的化学惰性，从而使六钛酸钾晶须具备有许多独特的性能：（1）优良的化学稳定性，表现在不吸潮，一般情况下不与酸、碱和盐起化学反应，不溶于有机溶剂等。（2）优异的隔热性能，六钛酸钾晶须的导热系数较小，室温下为0.089W/M.K，800℃时则只有0.017W/M.K，即具有负的温度系数。与传统石棉隔热材料相比，六钛酸钾晶须则具有下列显著特点：无毒无害，性能稳定；使用温度高，可达1000℃；使用寿命长；无“灰化”现象产生，不产生环境污染等。在采用六钛酸钾晶须制造隔热砖时，由90～92％的六钛酸钾晶须和8～10％的硅溶胶混合制成隔热砖，并经750～800℃焙烧2～3h，可以使隔热砖具有高的高温强度，防止安装和使用中出现碎裂。另外，在六钛酸钾晶须隔热砖内部，再加上一层Al₂O₃耐火砖，可以提高多晶硅炉的耐高温效果，有利于延长多晶硅炉的使用寿命。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1）本发明节能多晶硅炉具有良好的节能效果，与传统石棉隔热材料多晶硅炉相比，可节能50～55％。

2）本发明节能多晶硅炉与传统石棉隔热材料多晶硅炉相比，因六钛酸钾晶须无毒无害，性能稳定，使用温度高，使用寿命长，无“灰化”现象产生，不产生环境污染等。

附图说明

图1为节能型多晶硅炉示意图；

1－耐热钢，2－六钛酸钾晶须隔热砖，3－加热装置，4－Al₂O₃耐火砖，5－硅原料，6－硅熔化区，7－多晶硅锭，8－坩埚，9－钢板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述。

实施例1：

一种节能多晶硅炉，见图1，由耐热钢1、六钛酸钾晶须隔热砖2、加热装置3、Al₂O₃耐火砖4、坩埚8和低碳钢板9等组成。多晶硅炉的外壳是厚度12mm的Q235低碳钢板9，在外壳内加入六钛酸钾晶须隔热砖2，隔热砖2的厚度为120mm，由90％的六钛酸钾晶须和10％的硅溶胶（硅溶胶牌号GRJ-26,见航天部标准HB5346-1986）混合制成隔热砖，并经750℃焙烧3h而成。在隔热砖2内部加入厚度35mm的Al₂O₃耐火砖4，并将坩埚8置于多晶硅炉内，在坩埚8外放置加热装置3（由7个独立的加热器组成），在多晶硅炉的上方还设置了一个取料盖，取料盖是将六钛酸钾晶须隔热砖2镶嵌在耐热钢1中，耐热钢1由质量比0.06%C、0.94%Si、0.37%Mn、19.30%Cr、0.55%Mo、33.87%Ni、1.91%Nb、1.18%Al、0.06%Ce、0.09%Mg、0.008%B、0.017%S、0.025%P和余量Fe组成的合金钢通过熔炼和铸造而成。

实施例2：

一种节能多晶硅炉，将图1，由耐热钢、六钛酸钾晶须隔热砖、加热器、Al₂O₃耐火砖、坩埚和低碳钢板等组成。多晶硅炉的外壳是厚度15mm的Q235低碳钢板9，在外壳内加入六钛酸钾晶须隔热砖2，隔热砖2的厚度为100mm，由92％的六钛酸钾晶须和8％的硅溶胶（硅溶胶牌号GRJ-30,见航天部标准HB5346-1986）混合制成隔热砖，并经800℃焙烧2h而成。在隔热砖2内部加入厚度50mm的Al₂O₃耐火砖4，并将坩埚8置于多晶硅炉内，在坩埚8外放置加热装置3（由8个独立的加热器组成），在多晶硅炉的上方还设置了一个取料盖，取料盖是将六钛酸钾晶须隔热砖2镶嵌在耐热钢1中，耐热钢1由质量比0.11%C、0.44%Si、0.77%Mn、22.58%Cr、0.41%Mo、30.92%Ni、1.99%Nb、0.84%Al、0.11%Ce、0.07%Mg、0.009%B、0.021%S、0.027%P和余量Fe组成的合金钢通过熔炼和铸造而成。

实施例3：

一种节能多晶硅炉，将图1由耐热钢、六钛酸钾晶须隔热砖、加热器、Al₂O₃耐火砖、坩埚和低碳钢板等组成。多晶硅炉的外壳是厚度14mm的Q235低碳钢板9，在外壳内加入六钛酸钾晶须隔热砖2，隔热砖2的厚度为110mm，由90％的六钛酸钾晶须和10％的硅溶胶（硅溶胶牌号GRJ-26,见航天部标准HB5346-1986）混合制成隔热砖，并经750℃焙烧3h而成。在隔热砖2内部加入厚度40mm的Al₂O₃耐火砖4，并将坩埚8置于多晶硅炉内，在坩埚8外放置加热装置3（由6个独立的加热器组成），在多晶硅炉的上方还设置了一个取料盖，取料盖是将六钛酸钾晶须隔热砖2镶嵌在耐热钢1中，耐热钢1由质量比0.07%C、0.71%Si、0.50%Mn、21.05%Cr、0.58%Mo、32.11%Ni、2.08%Nb、0.97%Al、0.08%Ce、0.08%Mg、0.012%B、0.009%S、0.032%P和余量Fe组成的合金钢通过熔炼和铸造而成。

Claims

1.一种多晶硅炉，包括耐热钢、六钛酸钾晶须隔热砖、加热装置、Al₂O₃耐火砖、坩埚和钢板组成，多晶硅炉的炉身的外壳为钢板，在钢板内层贴有六钛酸钾晶须隔热砖层，在隔热砖层内层还有Al₂O₃耐火砖层，并将坩埚置于多晶硅炉Al₂O₃耐火砖层构成的空腔内，在坩埚和Al₂O₃耐火砖层之间的空间内放置加热装置，在多晶硅炉的上方还设置了一个取料盖，取料盖是将六钛酸钾晶须隔热砖镶嵌在耐热钢中，直接盖在节能多晶硅炉的炉身上；六钛酸钾晶须隔热砖由质量比90～92％的六钛酸钾晶须和质量比8～10％的硅溶胶混合制成隔热砖，并经750～800℃焙烧2～3h而成。

2.按照权利要求1的一种多晶硅炉，其特征在于，六钛酸钾晶须隔热砖的厚度为100～120mm，在隔热砖内部加入Al₂O₃耐火砖的厚度为35～50mm。

3.按照权利要求1的一种多晶硅炉，其特征在于，外壳钢板为低碳钢，其厚度是12～15mm。

4.按照权利要求1的一种多晶硅炉，其特征在于，耐热钢由质量比0.05-0.12％C、0.4-1.2％Si、0.3-0.8％Mn、19.0-23.0％Cr、0.4-0.6％Mo、30.0-34.0％Ni、1.9-2.2％Nb、0.8-1.2％Al、0.05-0.12％Ce、0.06-0.10％Mg、0.008-0.012％B、S<0.03％、P<0.04％和余量Fe组成的合金钢通过熔炼和铸造而成。

5.按照权利要求1的一种多晶硅炉，其特征在于，加热装置至少包括3个独立的加热器，分别位于坩埚外上、中、下，自坩埚的底部与坩埚同高将坩埚围住，每个独立的加热器均有独立的电源开关控制。

6.按照权利要求5的一种多晶硅炉，其特征在于，加热装置包括6-9个独立的加热器。