CN102701210A - 一种多晶硅还原炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅还原炉，属于多晶硅生产技术领域。所述多晶硅还原炉的炉盘上，设置有导流隔热罩为进入还原炉的物料提供导流的空间，使物料能够强制上升到炉筒内的顶部。本发明的一种多晶硅还原炉，能够在反应中为多晶硅棒上下部都提供充足的物料进行反应并维持合适的温度，避免产生玉米花状多晶硅和熔断现象，同时还能够达到还原炉的节能降耗目的。

Description

一种多晶硅还原炉

技术领域

本发明涉及一种多晶硅还原炉，属于多晶硅生产技术领域。 

背景技术

在“改良西门子法”多晶硅生产技术中，气态氯硅烷在多晶还原炉中和氢气还原为多晶硅，氯硅烷和氢气按照一定的配比，从还原炉底部的炉盘上的进气喷嘴进入炉筒内，混合气体在装夹在电极对上的硅芯上高温进行还原后，未反应的尾气又从炉盘中央的尾气出口排出，进入下一工序。

还原反应是吸热反应，需要大量的热量来维持，但是由于还原炉的炉筒内壁温度超过200℃后，就会沉积硅油，严重影响炉壁对热量的反射，而且还原炉筒材质是不耐高温的不锈钢，为了保护炉筒不被损坏，也为了避免产生硅油，一般采用在炉筒壁的夹套中通入大量的水来冷却炉筒，一方面不停的加载电流来维持硅芯上反应所需温度，一方面又不断通入冷却水带走热量，这不可避免的导致还原电耗增高。

在还原炉中，气态氯硅烷和氢气是靠物料自身的压力喷入还原炉内，到炉顶后再折返，现有依靠喷嘴使物料气流喷高的方法，经过模拟计算及生产实际的验证，实际只能将气流喷到1米的高度，而硅棒高度一般在2.2米至2.8米之间，同时由于进气喷嘴和尾气出口都位于还原炉炉盘上，使得部分气流直接从压力低的尾气口流出而未喷到炉顶处，这导致炉筒内越往上物料越不足，物料越少则温度越高，温度越高则玉米花状多晶硅越严重，严重影响了多晶硅质量，硅棒顶部横梁处位置也经常由于没有足够的物料用于反应及对横梁进行冷却而导致横梁部位发生熔断现象，造成提前停炉和产量的损失。 

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种多晶硅还原炉，在还原炉的炉筒内，设计有为进入还原炉的物料提供的导流空间，能够使物料强制上升到炉筒内的顶部，使硅棒上下都能有充足的物料进行反应，并能维持合适的温度，避免产生玉米花状多晶硅和熔断现象，同时本发明还能实现充分利用硅棒自身热量，达到降低还原电耗的目的。

本发明的一种多晶硅还原炉，采用的技术方案如下：

一种多晶硅还原炉，包括有炉盘，炉筒，设置于炉盘上的电极对、进气喷嘴和尾气出口，所述炉盘的中部，设置有圆筒结构的导流隔热罩Ⅰ；所述电极对和进气喷嘴均设置在导流隔热罩Ⅰ外侧的炉盘上；所述尾气出口设置在导流隔热罩Ⅰ内侧的炉盘上。

由于采用了上述技术方案，圆筒结构的导流隔热罩Ⅰ是一种结构简单、效率高、价格合理、组装和操作方便的能够实现导流的装置，能够有效地起到对进还原炉物料导流作用；导流隔热罩Ⅰ设置在炉盘的中部，导流隔热罩Ⅰ与炉筒之间形成的导流空间，为进入还原炉内的原料提供了流动的通道，成为原料气体至下而上的唯一流动方向而上升到还原炉内的顶部，再通过导流隔热罩Ⅰ内部的空间由顶部至上而下地从尾气出口排出；有效地克服了传统的还原炉设计中气流从炉盘进入，无法通过进气喷嘴喷到顶部，部分气流直接走捷径从压力低的尾气出口流出炉盘，导致炉体内越往上物料越不足的缺点；采用了导流隔热罩Ⅰ之后，还原炉内电极对上安装的硅芯的顶部能够获得足够的原料，并能够充分利用硅芯所产生的热量进行反应，不至于在顶部聚集大量的热量使得玉米花状多晶硅情况严重，甚至使硅棒熔断，或者这些热量被炉外的冷却水带走而增加能耗。

所述导流隔热罩Ⅰ外侧的炉盘上，还设置有导流隔热罩Ⅱ，所述导流隔热罩Ⅱ是与导流隔热罩Ⅰ同心的圆筒结构，所述电极对和进气喷嘴均设置在所述导流隔热罩Ⅰ和导流隔热罩Ⅱ之间的炉盘上。

由于采用了上述技术方案，炉体内部的空间和炉筒之间由于导流隔热罩Ⅱ的存在，使得热量能够由导流隔热罩Ⅱ进行反射和隔离，进一步降低了由炉筒的冷却水带走的热量，提高了热量利用率；导流隔热罩Ⅰ和导流隔热罩Ⅱ之的空间，有利于提高对进入还原炉物料向上的导流作用。 

所述电极对在导流隔热罩Ⅰ外侧排列形成两层以上的同心圆环，所述同心圆环与导流隔热罩Ⅰ同心，相邻的电极对排列而成的同心圆环之间，还设置有导流隔热罩Ⅲ，所述导流隔热罩Ⅲ是与导流隔热罩Ⅰ同心的圆筒结构。

由于采用了上述技术方案，在炉盘上同心圆环排列方式的电极对方便了导流隔热罩Ⅲ的设置；所述导流隔热罩Ⅲ能够进一步将的将每层同心圆环上的电极对分隔开来，在每一层电极对圆环的两导流隔热罩空间内，都分布有进气喷嘴，这样就能够在反应中进行多层的、独立的导流、反应、和保温，这种多层的、独立的结构设计，能够有效的提高热量利用率，降低整个炉筒内的热量损失。在实际生产中，可以根据还原炉的规格，灵活的设置所述导流隔热罩Ⅲ的层数，如：还原炉的电极对为12对时，可以将电极对的同心圆环设计成两圈，两个电极对同心圆环之间，设置导流隔热罩Ⅲ；还原炉的电极对为18对时，则至少需要设计成三圈电极对同心圆环的结构，这时就需要在三圈电极对同心圆环上设置两个大小不同的，用于将相邻电极对圆环分隔开来的导流隔热罩Ⅲ；依次类推，当电极对为18对以上时，根据工艺需求，设置成更多圈数的电极对同心圆环，并在相邻的电极对同心圆环间，设置多个导流隔热罩Ⅲ将它们相互分隔开来。

所述导流隔热罩Ⅰ、导流隔热罩Ⅱ和导流隔热罩Ⅲ的高度，均低于电极对上所装夹硅芯的高度。

由于采用了上述技术方案，导流隔热罩Ⅰ、导流隔热罩Ⅱ和导流隔热罩Ⅲ低于所硅芯的高度，既能保证硅芯横梁处有稳定和足够的物料气流，满足反应需求，又不妨碍从炉筒顶部的观察装置观察硅棒生长情况。

所述导流隔热罩Ⅰ、导流隔热罩Ⅱ和导流隔热罩Ⅲ，上部均设置有吊装孔，中部均设置有与炉筒上的观察装置齐平且位于同一直线上的观察孔。 

由于采用了上述技术方案，由于顶部和中部的物料气流处于层流状态，在设置吊装孔和观察孔后，导流隔热罩开孔处于气流侧面，不足以影响气流的主体流动方向；吊装孔在进行装炉和停炉中能够方便的进行导流隔热罩的吊装；位于同一直线上且与所述炉筒上的观察装置齐平的观察孔，能够在生产中对炉内的多晶硅生长情况进行观察，为工艺操作提供依据。

所述导流隔热罩Ⅰ、导流隔热罩Ⅱ和导流隔热罩Ⅲ，均主要由隔热导流片组成，所述隔热导流片两侧设置有螺孔，各隔热导流片之间通过连接板连接，并使用螺栓固定。

由于采用了上述技术方案，导流隔热罩采用片状结构的隔热导流片拼装而成，这种灵活而合理的结构，方便安装及损坏后的隔热导流片的维修和更换，。

所述导流隔热罩Ⅰ、导流隔热罩Ⅱ和导流隔热罩Ⅲ，均采用石英或者陶瓷材料制成，所述螺栓，采用金属钼材料制成。

由于采用了上述技术方案，导流隔热的石英或者陶瓷材料能够经受多晶生产过程中还原炉内的高温，并且能够有效的进行热量的反射，有利于其保温功能的加强，同样的，为了螺栓能够适用于还原炉内的高温条件，采用金属钼材料制成。

每个所述电极对所在位置的炉盘上，均设置有进气喷嘴。

由于采用了上述技术方案，将喷嘴的位置设置在每对电极对的位置上，可以使每一对硅棒都能有单独的气流保证有充分的物料进行反应，提高反应效率，同时可以有效的降低每对硅棒的温度，改善由于热量聚集而导致的产品多晶硅棒玉米花状的质量缺陷。

所述进气喷嘴上，均连接有能够将物料分配并引流至每个电极对所在位置的引流喷管。

由于采用了上述技术方案，在实施导流隔热罩的过程中，还原炉炉盘本身的物料进气喷嘴设计的位置有可能不足以保证每对电极位置上的硅棒拥有一个进气喷嘴，也可能进气喷嘴所在位置不是在每对硅棒的位置处，这样的情况下，可以用细小的引流喷管将进气喷嘴所在的位置引至每对硅棒的位置上，或者采用引流喷管对气体进行气流进行分流，保证每对硅棒都能对应进气喷嘴，虽然还原炉内温度很高，但进入炉内的物料温度很低，所以喷管采用平常的耐腐蚀不锈钢即可，物料的流动可以冷却喷管，使喷管不会被高温损坏，这种技术方案，特别适合于在旧还原炉改造成本发明的还原炉中采用。

所述引流喷管主要由喷嘴、弯头、管道和三通或四通顺次相连组成。

由于采用了上述技术方案，引流喷管是替代原有进气喷嘴与底盘连接的组件，在原有进气喷嘴与底盘之间用喷嘴、弯头和管道这些管件顺次连接，并采用三通或四通管件对气流进行再次分配，保证每对硅棒都能对应一股气流，具有制作简单，连接方式灵活的优点。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明一种多晶硅还原炉的有益效果是：

在还原炉的炉筒内，导流隔热罩能够改变传统还原炉内的流场，为进入还原炉的物料提供导流空间，能够使物料强制上升到炉筒内的顶部，使硅棒上下都能有充足的物料进行反应，同时导流隔热罩的应用还改变了传统还原炉内的热场，使硅棒维持合适的温度，避免产生玉米花状多晶硅和熔断现象，同时还能实现充分利用硅棒的热量，达到降低还原电耗的目的；多层结构的导流隔热罩不仅能起到为每层电极对上硅棒的气流提供独立的流通渠道，其选用耐热保温材料其本身还能防止热量散失，起到保温的作用，使多晶硅棒可以少加载电流而起到节能的作用；进气喷嘴的设计，可以使每一对硅棒都能有单独的气流保证有充分的物料进行反应，提高生产效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的还原炉炉盘结构示意图；

图2是本发明的还原炉炉筒内部示意图；

图3是本发明的还原炉炉盘与引流喷管连接示意图；

图4是本发明的导流隔热片示意图；

图5是本发明的带观察孔的导流隔热片示意图；

图6是本发明的带吊装孔的导流隔热片示意图；

图7是本发明的连接板示意图。

图中标记：1-炉盘、2-导流隔热罩Ⅰ、3-电极对、4-炉筒、5-进气喷嘴、6-尾气出口、7-导流隔热罩Ⅱ、8-导流隔热罩Ⅲ、9-观察孔、10-吊装孔、11-隔热导流片、12-螺孔、13-连接板、14-引流喷管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1，本发明的一种多晶硅还原炉，如图1所示，在炉盘1中部，设置导流隔热罩Ⅰ2，导流隔热罩Ⅰ2可以是整块或者是用导流隔热片11组装成的圆筒结构，导流隔热罩Ⅰ2的高度，应低于电极对3上所装夹的硅芯高度，电极对3设置在导流隔热罩Ⅰ2外侧的炉盘1上；还原炉的进气喷嘴5，也设置在导流隔热罩Ⅰ2外侧的炉盘1上，还原炉的尾气出口6，位于导流隔热罩2内侧的炉盘1上，还原炉的炉盘1上设置大小相匹配的炉筒4，炉筒4上还有冷却水管夹套和观察装置等其他附件，一起构成还原炉整体。

实施例2，本发明的一种多晶硅还原炉，以12对棒还原炉规格为例，如图1所示，炉盘1中部，设置导流隔热罩Ⅰ2；12组电极对3设置在导流隔热罩Ⅰ2外侧的炉盘1上，以导流隔热罩Ⅰ2的圆心为圆心，以2层同心圆排列的方式进行排列，内圆环为4组电极对3，外圆环为8组电极对3；在第二层电极对3圆环外侧的炉盘1上，设置导流隔热罩Ⅱ7，将最外环电极对3与炉筒4隔离开；同时，在第一层圆环和第二层圆环之间，设置导流隔热罩Ⅲ8，将第一层圆环和第二层圆环分隔开来，如图2所示；所述导流隔热罩Ⅰ2、导流隔热罩Ⅱ7和导流隔热罩Ⅲ8，采用如图4所示的两侧带螺孔的导流隔热片11，通过如图7所示的连接板13使用螺栓连接而成的，其高度应低于电极对3上所装夹的硅芯高度，所述导流隔热片11采用石英或者陶瓷材料制成，所述螺栓采用金属钼材料制成；所述导流隔热罩Ⅰ2、导流隔热罩Ⅱ7和导流隔热罩Ⅲ8的部分导流隔热片11上部的设置有吊装孔10，中部设置有与所述炉筒4上的观察装置齐平的且位于同一直线上观察孔9，如图5和图6所示；还原炉的炉盘1上共设置有12个进气喷嘴5，分别位于每一组电极对3所在的位置上，保证每一对电极对的位置处有一个进气喷嘴5；还原炉的尾气出口6，位于导流隔热罩Ⅰ2内侧的炉盘1上，所述尾气出口6，可以为1个出口，也可以根据工艺设计多个出口分布于导流隔热罩Ⅰ2内侧的炉盘1上；还原炉的炉盘1上设置大小和高度相匹配的炉筒4，炉筒4上还有冷却水管夹套和观察装置等其他附件，一起构成还原炉整体。

实施例3，本发明的一种多晶硅还原炉，以18对棒或更大的还原炉规格为例，如图1所示，炉盘1中部，设置导流隔热罩Ⅰ2；18组或者更多的电极对3设置在导流隔热罩Ⅰ2外侧的炉盘1上，排列成3层及或更多层的以导流隔热罩Ⅰ2圆心为圆心的同心圆环；在最外层电极对3圆环外侧的炉盘1上，设置导流隔热罩Ⅱ7，将最外层电极对3与炉筒4隔离开；同时，每一层电极对3圆环之间，设置导流隔热罩Ⅲ8，将相邻的电极对3圆环分隔开来；所述导流隔热罩Ⅰ2、导流隔热罩Ⅱ7和导流隔热罩Ⅲ8是采用如图4所示的两侧带螺孔的导流隔热片11，通过如图7所示的连接板13使用螺栓连接而成的，其高度应低于电极对3上所装夹的硅芯高度，所述导流隔热片11采用石英或者陶瓷材料制成，所述螺栓采用金属钼材料制成；所述导流隔热罩Ⅰ2、导流隔热罩Ⅱ7和导流隔热罩Ⅲ8的部分导流隔热片11上部的设置有吊装孔10，中部设置有与所述炉筒4上的观察装置齐平的且位于同一直线上观察孔9，如图5和图6所示；还原炉的炉盘1上共设置有与电极对个数一致的18个或者更多的进气喷嘴5，分别位于每一对电极对3所在的位置上，保证每一对电极对的位置处有一个进气喷嘴5；还原炉的尾气出口6，位于导流隔热罩Ⅰ2内侧的炉盘1上，所述尾气出口6，可以为1个出口，也可以根据工艺设计多个出口分布于导流隔热罩Ⅰ2内侧的炉盘1上；还原炉的炉盘1上设置大小和高度相匹配的炉筒4，炉筒4上还有冷却水管夹套和观察装置等其他附件，一起构成还原炉整体。

实施例4，本发明的一种多晶硅还原炉，实施例4与实施例1、实施例2和实施例3基本相同，不同之处在于所述进气喷嘴5的位置与实施例2和实施例3的有所不同，本实施例适用于所述进气喷嘴5没有对应位于每组电极对3所在位置，或者进气喷嘴5的数量不足以和每对电极对3进行配合，特别适用于还原炉改造项目中。如图3所示，当进气喷嘴5的数量足够，但所处位置没在电极对3所在位置的情况下，将还原炉的进气喷嘴5采用引流喷管14将进入还原炉的物料引至每对所述电极对3的位置上；当进气喷嘴5的数量不足以覆盖所有电极对3的情况了下，可以采用在进气喷嘴5处采用三通或者四通进行管道分流的方式，再通过引流喷管14，引流至每对所述电极对3的位置上，所述引流喷管14，主要由喷嘴、弯头、管道和三通或四通顺次相连组成。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (10)

1.一种多晶硅还原炉，包括有炉盘（1），炉筒（4），设置于炉盘上的电极对（3）、进气喷嘴（5）和尾气出口（6），其特征在于：所述炉盘（1）的中部，设置有圆筒结构的导流隔热罩Ⅰ（2）；所述电极对（3）和进气喷嘴（5）均设置在导流隔热罩Ⅰ（2）外侧的炉盘（1）上；所述尾气出口（6）设置在导流隔热罩Ⅰ（2）内侧的炉盘（1）上。

2.如权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述导流隔热罩Ⅰ（2）外侧的炉盘（1）上，还设置有导流隔热罩Ⅱ（7），所述导流隔热罩Ⅱ（7）是与导流隔热罩Ⅰ（2）同心的圆筒结构，所述电极对（3）和进气喷嘴（5）均设置在所述导流隔热罩Ⅰ（2）和导流隔热罩Ⅱ（7）之间的炉盘（1）上。

3.如权利要求1或2所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述电极对（3）在导流隔热罩Ⅰ（2）外侧排列形成两层以上的同心圆环，所述同心圆环与导流隔热罩Ⅰ（2）同心，相邻的电极对（3）排列而成的同心圆环之间，还设置有导流隔热罩Ⅲ（8），所述导流隔热罩Ⅲ（8）是与导流隔热罩Ⅰ（2）同心的圆筒结构。

4.如权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述导流隔热罩Ⅰ（2）、导流隔热罩Ⅱ（7）和导流隔热罩Ⅲ（8）的高度，均低于电极对（3）上所装夹硅芯的高度。

5.如权利要求4所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述导流隔热罩Ⅰ（2）、导流隔热罩Ⅱ（7）和导流隔热罩Ⅲ（8），上部均设置有吊装孔（10），中部均设置有与炉筒（4）上的观察装置齐平且位于同一直线上的观察孔（9）。

6.如权利要求1或2或4或5所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述导流隔热罩Ⅰ（2）、导流隔热罩Ⅱ（7）和导流隔热罩Ⅲ（8），均主要由隔热导流片（11）组成，所述隔热导流片（11）两侧设置有螺孔（12），各隔热导流片之间通过连接板（13）连接，并使用螺栓固定。

7.如权利要求6所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述导流隔热罩Ⅰ（2）、导流隔热罩Ⅱ（7）和导流隔热罩Ⅲ（8），均采用石英或者陶瓷材料制成，所述螺栓，采用金属钼材料制成。

8.如权利要求1或2或4或5或7所述的多晶硅还原炉，其特征在于：每个所述电极对（3）所在位置的炉盘（1）上，均设置有进气喷嘴（5）。

9.如权利要求1或2或4或5或7所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述进气喷嘴（5）上，均连接有能够将物料分配并引流至每个电极对所在位置的引流喷管（14）。

10.如权利要求9所述的多晶硅还原炉，其特征在于：所述引流喷管（14）主要由喷嘴、弯头、管道和三通或四通顺次相连组成。

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