CN107904658A - 一种还原炉内壁复合涂层制备方法 - Google Patents

一种还原炉内壁复合涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种还原炉内壁复合涂层制备方法，往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层。本发明通过采用上述工艺方法，使还原炉内壁银/碳化银复合涂层具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，解决了传统还原炉内壁涂层存在的缺陷，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。且该制备方法具有容易操作、工艺简单、成本低廉等优势，可以实现大规模应用。

Description

一种还原炉内壁复合涂层制备方法
技术领域
本发明涉及多晶硅生产设备技术领域，具体涉及一种制备还原炉内壁涂层的方法。
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含硅气体(常用的含硅气体为三氯氢硅和硅烷)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。
在多晶硅生产过程中，需要电能加热将硅棒的温度保持在1000℃-1200℃，还原炉内的热量通过两种方式传递到炉内壁上，一种是高温硅棒通过辐射传热将其热量传递到还原炉内壁上，一种是被加热的反应气体通过对流传热将热量传递到内壁上。多晶硅还原炉主要是由奥氏体不锈钢制作，如果多晶硅还原炉内壁温度过高，一方面会导致奥氏体不锈钢耐压性能下降而产生形变问题；另一方面会导致奥氏体不锈钢中的合金元素逸出，进而会污染产品和破坏不锈钢结构。因此通常利用设置在还原炉夹套内的承压冷却水带走经热辐射和对流传热传递到还原炉内壁表面的热量，使还原炉内壁温度保持在500℃以下，据统计，承压冷却水带走的热量约占还原炉电耗的80％。
当下，多通过还原炉内壁喷涂银涂层，利用银涂层优良的反射红外辐射性能，以提高还原炉内壁对红外辐射的反射率，降低还原炉内的辐射传热，达到减少还原炉内部的能量损失，最终实现多晶硅生产过程中还原工序的节能。目前，还原炉内壁喷涂技术主要热喷涂技术和冷喷涂技术，热喷涂技术是利用特定得热源将喷涂材料加热到熔融或者半熔融状态，然后借助焰流或者工作气体将熔融或半熔融的粒子加速到一定速度后喷涂到待喷涂基体表面，通过粒子连续堆积效应而形成涂层的一种技术。冷喷涂是以拉法尔喷嘴加速经加热的压缩气体作为工作气体，高速的载气加速原材料粉末从喷枪喷出，以低温、高速和完全固态下碰撞还原炉内壁，原材料颗粒与还原炉内壁同时发生剧烈的塑性变形后沉积在内壁表面，进而通过颗粒的堆积效应形成涂层的技术。在还原炉工作过程中，炉内的高温、腐蚀气氛、气体冲刷以及还原炉清洗操作均会破坏银膜层，导致银膜层的快速耗散或者脱落，单纯银膜层存在的缺陷局限了还原炉节能技术的发展，因此，开发一种结构稳定、具有高热反射性能的还原炉内壁涂层，实现多晶硅还原炉连续稳定节能和高纯多晶硅的稳定生产，是当前急需解决的课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺点，提供一种结构稳定、具有热反射性能，可以解决还原炉内壁单纯银膜层存在的缺陷，实现多晶硅还原炉连续稳定节能和高纯多晶硅稳定生产的还原炉内壁复合涂层制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，碳化银是一种不定型结构的白色化合物，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。
还原炉内壁银涂层通过冷喷涂工艺制备形成厚度为0.1mm-10mm的还原炉内壁银涂层。
优选地，所述含碳气体为CxH2x+2，其中x≤4，含碳气体具体可为甲烷。
优选地，含碳气体在热氢气中的摩尔含量为0.5％-5％，更佳地，含碳气体在热氢气中的摩尔含量为0.5％-1.2％。
优选地，含有含碳气体的热氢气的工作温度为100℃-1000℃，更佳地，含有含碳气体的热氢气的工作温度为300℃-900℃。
优选地，含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.3MPa-0.8MPa，更佳地，含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.3MPa-0.6MPa，最佳地，含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.5MPa-0.6MPa。
优选地，通过调控含有含碳气体的热氢气的工作温度和含碳气体浓度控制碳化银层的厚度，使碳化银层的厚度为0.05mm-0.1mm。
本发明通过采用上述工艺方法，使还原炉内壁银/碳化银复合涂层具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，解决了传统还原炉内壁涂层存在的缺陷，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。且该制备方法具有容易操作、工艺简单、成本低廉等优势，可以实现大规模应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式做进一步说明：
实施例1
往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，碳化银是一种不定型结构的白色化合物，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。
还原炉内壁银涂层通过冷喷涂工艺制备，使还原炉内壁银涂层厚度为0.1mm。
所述含碳气体为甲烷。
所述含碳气体在热氢气中的摩尔含量为0.5％。
所述含有含碳气体的热氢气的工作温度为600℃。
所述含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.5MPa。
碳化银层的厚度为0.05mm。
实施例2
往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，碳化银是一种不定型结构的白色化合物，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。
还原炉内壁银涂层通过冷喷涂工艺制备，使还原炉内壁银涂层厚度为1mm。
所述含碳气体为甲烷。
所述含碳气体在热氢气中的摩尔含量为5％。
所述含有含碳气体的热氢气的工作温度为800℃。
所述含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.8MPa。
所述碳化银层的厚度为0.08mm。
实施例3
往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，碳化银是一种不定型结构的白色化合物，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。
还原炉内壁银涂层通过冷喷涂工艺制备，使还原炉内壁银涂层厚度为0.5mm。
所述含碳气体为甲烷。
所述含碳气体在热氢气中的摩尔含量为1％。
所述含有含碳气体的热氢气的工作温度为900℃。
所述含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.3MPa。
所述碳化银层的厚度为0.1mm。
实施例4
往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，碳化银是一种不定型结构的白色化合物，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。
还原炉内壁银涂层通过冷喷涂工艺制备，使还原炉内壁银涂层厚度为10mm。
所述含碳气体为甲烷。
所述含碳气体在热氢气中的摩尔含量为3％。
所述含有含碳气体的热氢气的工作温度为100℃。
所述含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.4MPa。
所述碳化银层的厚度为0.07mm。
实施例5
往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，碳化银是一种不定型结构的白色化合物，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能、高耐冲刷性能等优点，可以实现还原炉连续稳定节能和保障高纯多晶硅的稳定生产。
还原炉内壁银涂层通过冷喷涂工艺制备，使还原炉内壁银涂层厚度为8mm。
所述含碳气体为甲烷。
所述含碳气体在热氢气中的摩尔含量为1.2％。
所述含有含碳气体的热氢气的工作温度为1000℃。
所述含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.8MPa。
所述碳化银层的厚度为0.1mm。
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，当不能限定本发明的实施范围，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 (8)

1.一种还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：往内壁具有银涂层的还原炉内通入含有含碳气体的热氢气，热氢气中的含碳气体首先吸附在银涂层的表面，进而含碳气体在银涂层表面的气固相界面发生分解反应并生成单质碳，单质碳进一步与银膜层中的银发生反应生成碳化银，进而在银层表面形成致密的碳化银层，具有高热反射率、高热稳定性、高耐腐蚀性能和高耐冲刷性能的碳化银层形成还原炉内壁复合涂层。
2.根据权利要求1所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：还原炉内壁的银涂层为通过冷喷涂工艺制备形成厚度为0.1mm-10mm的还原炉内壁银涂层。
3.根据权利要求2所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：所述所述含碳气体为CxH2x+2，其中x≤4。
4.根据权利要求3所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：所述含碳气体为甲烷。
5.根据权利要求1所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：所述含碳气体在所述热氢气中的摩尔含量为0.5％-5％。
6.根据权利要求1所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：所述含有含碳气体的热氢气的工作温度为100℃-1000℃。
7.根据权利要求1所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：所述含有含碳气体的热氢气的工作压力为0.3MPa-0.8MPa。
8.根据权利要求1所述的还原炉内壁复合涂层制备方法，其特征在于：通过调控含有含碳气体的热氢气的工作温度和含碳气体浓度控制碳化银层的厚度，使碳化银层的厚度为0.05mm-0.1mm。
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