CN106927466A - 一种48对棒还原炉炉体结构 - Google Patents

一种48对棒还原炉炉体结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种48对棒还原炉炉体结构，炉体部分包括有外壁、夹层和内壁，内壁与夹层连接，夹层与外壁连接，夹层内设置有内件，内件包括X型加强筋及顶部物料进气管，内壁为三层复合结构，外层为壳体，中间层为纳米微孔隔热层，内层为纳米银涂层；在夹层内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的若干组X型加强筋，X型加强筋的两端分别与外壁及夹层连接固定；在炉体的夹层内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的炉体顶部物料进气管。本发明在内壁设置纳米微孔隔热材料和纳米银涂层能有效减少炉内热量散失，且X型加强筋能使炉体结构具有良好的机械强度及承压能力，确保炉内物料气体更流畅地循环，提高冷却散热效果，有利于多晶硅的快速、均匀成长。

Description

一种48对棒还原炉炉体结构
技术领域
本发明涉及多晶硅制备装置技术领域，具体涉及一种用于多晶硅还原炉的炉体结构。
背景技术
改良西门子法是国际上生产多晶硅的主流技术，其核心设备为还原炉，还原炉的工作原理是通过通电高温硅芯将三氯氢硅与氢气的混和气体反应生成多晶硅并沉积在硅芯上，最终产物是沉积在硅芯上的多晶硅，产品最终以多晶硅棒的形式从还原炉中采出。
全世界有超过85％的多晶硅是采用改良西门子法生产的。改良西门子法是一种化学方法，首先利用冶金硅(纯度要求在99.5％以上)与氯化氢(HCl)合成产生便于提纯的三氯氢硅气体(SiHCl3，下文简称TCS)，然后将TCS精馏提纯，最后通过还原反应和化学气相沉积(CVD)将高纯度的TCS转化为高纯度的多晶硅。
国内大多是厂家在多晶硅生产方面采用24/36对棒还原炉，电耗成本为生产多晶硅的主要成本之一，并且，小容量还原炉的电耗成本更高。高电耗在很大程度上制约着行业的发展，相比小型还原炉，大型还原炉有单炉产量高，产品单耗低、物料利用率高等优势。因此，无论从生产效率，还是节能降耗方面来讲，多晶硅还原工艺采用大型还原炉是必然趋势。
在多晶硅还原炉的容积增加到48对棒时，还原炉内的温场、流场复杂性增加，复杂的炉内温度场及流场环境以及多晶硅生产对低能耗的要求，都促使着更为实用、更为节能、更为先进的48对棒还原炉炉体结构的设计。还原炉容量的扩大，使得进料流速、物料流场、温场等影响多晶硅生长的关键参数变得更加复杂，需要开发一系列关键技术，以保障关键参数的稳定，进而实现大型还原炉的高效、稳定运行，还原炉的炉体是保障多晶硅生长和还原炉稳定运行的主要部件，是实现还原炉大型化和降低还原炉能耗的关键。
因此，如何针对还原炉设计结构更为合理的炉体结构，使其在气流流动、冷却散热、温度控制等方面具有更优良的性能即成为业界亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计更合理、具有更高的强度、炉内热量辐射损失更小、可提高硅棒的沉积生长效率以及保证硅棒的均匀生长的48对棒还原炉炉体结构，主要针对具有48对电极的炉体结构。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种48对棒还原炉炉体结构，炉体部分包括有外壁、夹层和内壁，内壁与夹层连接，夹层与外壁连接，夹层内部设置有内件，其特征在于：内件包括X型加强筋及顶部物料进气管；所述内壁为三层复合结构，外层为壳体，中间层为纳米微孔隔热层，内层为纳米银涂层，纳米微孔隔热层附着于外层的内表面，纳米银涂层则附着于纳米微孔隔热层的内表面，纳米微孔隔热层采用纳米微孔隔热材料制成；在夹层内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的若干组X型加强筋，X型加强筋的两端分别与外壁及内壁连接固定；在炉体的夹层内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的炉体顶部物料进气管，进气管自炉体的顶部伸入内壁中。
纳米微孔隔热材料具有巨大的比表面积，纳米颗粒之间的接触为极小的点接触，点接触的热阻非常大，使得材料的传导传热效应变得非常小，导致纳米级微孔隔热材料的传导传热系数非常小；纳米颗粒之间形成大量的纳米级气孔，其尺寸平均在20nm，而静止空气的分子常温下的平均热运动自由程为60nm，这样就把空气分子锁闭在粉料纳米气孔之内，使得静止空气分子之间的微小对流传热作用消失，因而纳米微孔隔热材料的常温导热系数比静止的空气还要低；在高温下，传热的主要作用是热辐射，纳米微孔隔热材料添加特殊的红外添加剂，在高温下阻止和反射红外射线，把辐射传热作用降低到最低点，使得材料高温下的辐射传热系数降低到最低值，从而有效降低炉内热量的流失。
进一步地，进气管的进气口设于外壁的底部，而进气管位于内壁中的末端连接有一半球型进气喷头，进气喷头的半球面上均匀分布有若干出气孔。该进气管可以将物料气通向炉体顶部，作为辅助进气通道与还原炉的底盘主进气喷嘴配合，为还原炉提供更为均匀的物料气分布，使得多晶硅能够更均匀的生长。
进一步地，所述夹层内部设置有内件，其内部形成夹层冷却水通道，在外壁的底部设有夹层冷却水通道的进水口，在外壁的顶部设有夹层冷却水通道的出水口。
进一步地，所述纳米银涂层为反射率95％以上的高反射率纳米银涂层，该纳米银涂层的厚度为0.5～2mm，纳米银涂层能够将炉内红外辐射有效的反射回炉内，从而减少炉内热量的辐射散失。并且纳米银涂层的化学性质稳定，熔点高达961℃，能够很好地适应炉内的高温和腐蚀性工作环境。涂层具有良好的导热性，其导热率(420W/m·K)接近铁导热率的七倍，良好的导热性使得炉内具有趋热性的氯化氢气体在涂层表面形成一层气体层，气体层能够有效防止炉内硅粉尘在内壁上的沉积。
进一步地，所述内壁的壳体采用碳钢或合金制成，而X型加强筋通过焊接、铸造或去材料加工方式连接于内壁的外部壳体上。
进一步地，所述X型加强筋的截面呈X形状，X型加强筋形成两个三角形对顶结构，两个三角形底部分别连接于内壁外侧与外壁内侧。三角形稳定的力学结构能够为炉体内外壁提供有效的结构支撑，从而加强炉体的结构强度。
进一步地，所述X型加强筋的交叉位置设置为圆角结构，通过圆角处理，可避免X型加强筋截面的几何形状突变，从而减缓X型加强筋内部的应力集中情况，提高其耐疲劳强度。
进一步地，所述X型加强筋为中空结构，其下部及上部与夹层形成的冷却水通道连通。夹层中的冷却水可以通过X型加强筋的中空部分沿其分布路径螺旋上升，直接到达夹层顶部，不用将冷却水充满整个夹层也能达到冷却作用，并且，加强筋的X型截面中空部通水后可起到“散热板”的作用，增大冷却水与金属壁的接触面积，从而提高冷却水的散热效率。
进一步地，所述进气管附着于所述X型加强筋上并沿X型加强筋延伸至外壁的顶部，如此可无需为该进气管重新设计进气通道，从而提高炉体的使用功能，降低炉体结构的复杂程度。同时，螺旋形通道也可起到均匀吸收夹层冷却水热量的作用。
进一步地，所述半球型进气喷头的喷头半球面部分竖直朝下设置，喷头半球面上的出气孔沿喷头半球面的半径方向设置。半球型腔可以对进气管中的物料气起到缓冲降压的作用，降低了物料气对炉内硅棒的气流冲击，为还原炉顶部提供了流动较为温和的进气。同时，气体物料从半球型进气喷头半球面的出气孔中喷出。从喷头中部出气孔中喷出的气体可以为炉内多晶硅棒顶部连接桥提供均匀的物料气，避免了多晶硅棒顶部连接桥爆米花状沉积的产生，更有力与提高对晶硅的成长质量，并且，从喷头中部出气孔中喷出的气体可以为炉内多晶硅棒顶部连接桥进行一定的降温。从喷头外径出气孔中喷出的气体可以为整个炉内物料气体的循环起到气体导流的作用，进一步的提升还原炉内物料气体的均匀分布，为多晶硅的均匀生长体用了更有利的生长环境。
本发明所需的炉体冷却水通过炉体外壁底部的冷却水进水口进入炉体夹层，当冷却水充满夹层后，由炉体外壁顶部的夹层冷却水出水口排除。其中，一部分冷却水通过由夹层底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的X型加强筋的中空处，沿着X型加强筋的螺旋上升轨迹直接到达夹层顶部空间，从而起到非常好的冷却效果。而物料气体从炉体外壁底部的进气口进入，然后由底向上通过围绕内壁外部呈螺旋上升的物料进气管到达炉体顶部，最后通过进气管末端的半球型进气喷头喷入还原炉内供料，为还原炉提供更为均匀的物料气分布，使得多晶硅能够更均匀地生长。在夹层内设置由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的X型炉体加强筋可提高整个炉体的强度。设置纳米银涂层使炉内热辐射经炉体内壁内部高反射率纳米银涂层反射后，有效反射回炉体内部，大幅降低热量损失。在炉体内壁中间设置纳米微孔隔热材料进一步隔绝了炉内热量向外散失。从而使本炉体结构具有良好的机械强度及承压能力，能够使炉内物料气体更流畅地循环，并有效地减少炉内热量的辐射损失，更有利于多晶硅的快速、均匀成长。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明X型加强筋分布结构示意图；
图3为本发明物料进气管分布结构示意图；
图4为炉体壁结构示意图；
图5为半球型进气喷头结构示意图。
1为外壁，2为夹层，21为X型加强筋，22为出水口，23为进水口，24为进气口，3为内壁，31为纳米银涂层，32为纳米微孔隔热层，33为壳体，4为进气喷头，41为喷头半球面，42为出气孔，5为进气管。
具体实施方式
本实施例中，参照图1-图5，所述48对棒还原炉炉体结构，炉体部分包括有外壁1、夹层2和内壁3，内壁3与夹层2连接，夹层2与外壁1连接，夹层2内部设置有内件；所述内壁3为三层复合结构，外层为壳体33，中间层为纳米微孔隔热层32，内层为纳米银涂层31，纳米微孔隔热层32附着于外层的内表面，纳米银涂层31则附着于纳米微孔隔热层32的内表面，纳米微孔隔热层32采用纳米微孔隔热材料制成；在夹层2内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的若干组X型加强筋21，X型加强筋21的两端分别与外壁1及内壁3连接固定；在炉体的夹层2内设有由底向上围绕内壁3外部呈螺旋上升的炉体顶部物料进气管5，进气管5自炉体的顶部伸入内壁3中。
进气管5的进气口24设于外壁1的底部，而进气管5位于内壁3中的末端连接有一半球型进气喷头4，进气喷头4的半球面上均匀分布有若干出气孔42。该进气管5可以将物料气通向炉体顶部，作为辅助进气通道与还原炉的底盘主进气喷嘴配合，为还原炉提供更为均匀的物料气分布，使得多晶硅能够更均匀的生长。
所述夹层2内部设置有内件，其内部形成夹层冷却水通道，在外壁1的底部设有夹层冷却水通道的进水口23，在外壁1的顶部设有夹层冷却水通道的出水口22。
所述纳米银涂层31为反射率95％以上的高反射率纳米银涂层，该纳米银涂层31的厚度为0.5～2mm，纳米银涂层能够将炉内红外辐射有效的反射回炉内，从而减少炉内热量的辐射散失。并且纳米银涂层的化学性质稳定，熔点高达961℃，能够很好地适应炉内的高温和腐蚀性工作环境。涂层具有良好的导热性，其导热率(420W/m·K)接近铁导热率的七倍，良好的导热性使得炉内具有趋热性的氯化氢气体在涂层表面形成一层气体层，气体层能够有效防止炉内硅粉尘在内壁上的沉积。
所述内壁3的壳体33采用碳钢或合金制成，而X型加强筋21通过焊接(铸造或去材料加工亦可)方式连接于内壁3的外部壳体上。
所述X型加强筋21的截面呈X形状，X型加强筋21形成两个三角形对顶结构，两个三角形底部分别连接于内壁3外侧与外壁1内侧。三角形稳定的力学结构能够为炉体内外壁提供有效的结构支撑，从而加强炉体的结构强度。
所述X型加强筋21的交叉位置设置为圆角结构，通过圆角处理，可避免X型加强筋21截面的几何形状突变，从而减缓X型加强筋21内部的应力集中情况，提高其耐疲劳程度。
所述X型加强筋21为中空结构，其下部及上部与夹层2形成的冷却水通道连通。夹层2中的冷却水可以通过X型加强筋21的中空部分沿其分布路径螺旋上升，直接到达夹层2顶部，不用将冷却水充满整个夹层2也能达到冷却作用，并且，加强筋的X型截面中空部通水后可起到“散热板”的作用，增大冷却水与金属壁的接触面积，从而提高冷却水的散热效率。
所述进气管5附着于所述X型加强筋21上并沿X型加强筋21延伸至外壁1的顶部，如此可无需为该进气管5重新设计进气通道，从而提高炉体的使用功能，降低炉体结构的复杂程度。同时，螺旋形通道也可起到均匀吸收夹层冷却水热量的作用。
所述半球型进气喷头4的喷头半球面41部分竖直朝下设置，喷头半球面41上的出气孔42沿喷头半球面的半径方向设置。半球型腔可以对进气管5中的物料气起到缓冲降压的作用，降低了物料气对炉内硅棒的气流冲击，为还原炉顶部提供了流动较为温和的进气。同时，气体物料从半球型进气喷头半球面的出气孔中喷出。从喷头中部出气孔中喷出的气体可以为炉内多晶硅棒顶部连接桥提供均匀的物料气，避免了多晶硅棒顶部连接桥爆米花状沉积的产生，更有力与提高对晶硅的成长质量，并且，从喷头中部出气孔中喷出的气体可以为炉内多晶硅棒顶部连接桥进行一定的降温。从喷头外径出气孔中喷出的气体可以为整个炉内物料气体的循环起到气体导流的作用，进一步的提升还原炉内物料气体的均匀分布，为多晶硅的均匀生长体用了更有利的生长环境。
还原炉内部的辐射热经炉体内壁33内部的高反射率纳米银涂层31后被有效的反射回炉体内部；内壁3内部的高反射率纳米银涂层31中传递的热量经炉体内壁3中部的纳米微孔隔热层32后，热量的向外传递被有效阻隔。部分传出的热量由炉体内壁3外部壳体33传递后，经夹层2中的冷却水带走；还有部分传出的热量经炉体内壁3外部壳体33后传递到X型加强筋21中，由夹层2中的冷却水带走，从而加大了冷却效率。
物料气体经进气口24进入顶部物料进气管5内，通过由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的顶部物料进气管后到达炉体顶部，再通过半球型进气喷头4中的出气孔42为炉体顶部供料。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种48对棒还原炉炉体结构，炉体部分包括有外壁、夹层和内壁，内壁与夹层连接，夹层与外壁连接，夹层内设置有内件，其特征在于：内件包括X型加强筋及顶部物料进气管；所述内壁为三层复合结构，外层为壳体，中间层为纳米微孔隔热层，内层为纳米银涂层，纳米微孔隔热层附着于外层的内表面，纳米银涂层则附着于纳米微孔隔热层的内表面，纳米微孔隔热层采用纳米微孔隔热材料制成；在夹层内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的若干组X型加强筋，X型加强筋的两端分别与外壁及内壁连接固定；在炉体的夹层内设有由底向上围绕内壁外部呈螺旋上升的炉体顶部物料进气管，进气管自炉体的顶部伸入内壁中。
2.根据权利要求1所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：进气管的进气口设于外壁的底部，而进气管位于内壁中的末端连接有一半球型进气喷头，进气喷头的半球面上均匀分布有若干出气孔。
3.根据权利要求1所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述夹层，其内部形成夹层冷却水通道，在外壁的底部设有夹层冷却水通道的进水口，在外壁的顶部设有夹层冷却水通道的出水口。
4.根据权利要求1所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述纳米银涂层为反射率95％以上的高反射率纳米银涂层，该纳米银涂层的厚度为0.5～2mm。
5.根据权利要求1所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述内壁的壳体采用碳钢或合金材料制成，而X型加强筋通过焊接、铸造或去材料加工方式连接于内壁的外部壳体上。
6.根据权利要求1所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述X型加强筋的截面呈X形状，X型加强筋形成两个三角形对顶结构，两个三角形底部分别连接于内壁外侧与外壁内侧。
7.根据权利要求6所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述X型加强筋的交叉位置设置为圆角结构。
8.根据权利要求7所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述X型加强筋，其下部及上部与夹层形成的冷却水通道连通。
9.根据权利要求1所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述进气管附着于所述X型加强筋上并沿X型加强筋延伸至外壁的顶部。
10.根据权利要求2所述的48对棒还原炉炉体结构，其特征在于：所述半球型进气喷头的喷头半球面部分竖直朝下设置，喷头半球面上的出气孔沿喷头半球面的半径方向设置。
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