石何武， 汪紹芬， 鄭紅梅， 嚴(yán)大洲

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅作為光伏行業(yè)以及半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)原材料，目前主要通過(guò)改良西門(mén)子工藝技術(shù)方法獲得，其他硅烷法、冶金法也有生產(chǎn)，但是因?yàn)槌墒於?、穩(wěn)定性等原因并沒(méi)有得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[1]；在改良西門(mén)子工藝生產(chǎn)過(guò)程中，還原爐作為還原工序的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備在近年來(lái)也得到迅速發(fā)展，十年前還原爐爐型基本停留在12對(duì)棒、18對(duì)棒以及24對(duì)棒等中小爐型，那時(shí)候的單線生產(chǎn)規(guī)模并不大，基本維持在1 000～2 500 t/a，還原爐的爐型基本能夠匹配當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)；但是隨著光伏發(fā)電的迅速增長(zhǎng)，光伏多晶硅需求激增，導(dǎo)致多晶硅的生產(chǎn)向大型化發(fā)展，規(guī)?；?yīng)在多晶硅企業(yè)更為凸顯，單線產(chǎn)能基本都是萬(wàn)噸級(jí)以上，如果仍然采用這些中小爐型，則需要還原爐的數(shù)量多，占地面積大，操作維護(hù)保養(yǎng)等都需要較大的人力物力，因此中小型還原爐在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中性價(jià)比不高，需要不斷開(kāi)發(fā)大型還原爐來(lái)滿足市場(chǎng)需求，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗。

1 還原爐的結(jié)構(gòu)形式

還原爐作為改良西門(mén)子工藝方法生產(chǎn)多晶硅的關(guān)鍵設(shè)備，主要由還原爐鐘罩、還原爐底盤(pán)以及配套的附屬件構(gòu)成，其中兩大主體部分還原爐鐘罩與還原爐底盤(pán)均采用夾腔式結(jié)構(gòu)，夾腔內(nèi)介質(zhì)為冷卻水，鐘罩內(nèi)壁和底盤(pán)上表面所構(gòu)成的密閉空間形成了多晶硅的沉積空間，即多晶硅氣相沉積的環(huán)境空間；還原爐鐘罩由筒體和凸形封頭構(gòu)成，其中凸形封頭根據(jù)還原爐的設(shè)計(jì)尺寸有多種類型可供選擇：橢圓形封頭、蝶形封頭、半球形封頭等。底盤(pán)上則布置有電極孔、供氣噴嘴入口、還原尾氣出氣口等。在多晶硅還原爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，最關(guān)鍵的就是將電極孔、供氣口和出氣口合理的布置在底盤(pán)上，以保證在此密閉空間中形成有利于硅棒生長(zhǎng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，這樣能夠滿足硅棒的穩(wěn)定生長(zhǎng)，同時(shí)原料利用率高，能耗比較低。

2 還原爐相關(guān)材質(zhì)選擇

還原爐作為多晶硅生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其對(duì)材質(zhì)的要求相當(dāng)高，不僅需要耐高溫，還需要純度高并不對(duì)硅棒產(chǎn)生污染，尤其是還原爐鐘罩內(nèi)壁和底盤(pán)上表面材質(zhì)的選擇將直接影響到多晶硅產(chǎn)品的純度。在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)根據(jù)不同要求選用相應(yīng)材質(zhì)，鑒于多晶硅還原爐的鐘罩以及底盤(pán)均為腔室式結(jié)構(gòu)，因此夾腔外壁和內(nèi)壁可以選擇不同的材料，夾腔外壁分別與空氣和冷卻水接觸可以選擇機(jī)械性能好，性價(jià)比更加合理的低合金鋼(Q345R)材質(zhì)，而夾腔內(nèi)壁分別與冷卻水和物料接觸，且提供多晶硅沉積生長(zhǎng)的空間環(huán)境，因此材質(zhì)一般采用潔凈度更高、耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼(S31603)材質(zhì)，為了進(jìn)一步提高還原爐的運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)能耗，在內(nèi)壁噴涂銀或者爆炸復(fù)合金屬銀來(lái)增加鏡面輻射效果，提高爐內(nèi)熱量的利用率，降低還原反應(yīng)的直接電耗。

隨著還原爐的大型化，以及對(duì)產(chǎn)品純度和電耗的更高要求，還原爐鐘罩內(nèi)壁和底盤(pán)上表面材質(zhì)的選擇和表面處理需要滿足新的要求，近年來(lái)不銹鋼- 鋼復(fù)合板、不銹鋼- 鈦復(fù)合板做為還原爐鐘罩內(nèi)壁和底盤(pán)上表面材質(zhì)已經(jīng)越來(lái)越普遍，新的材料也在應(yīng)運(yùn)而生。目前部分多晶硅生產(chǎn)企業(yè)啟用了相關(guān)替換材質(zhì)的還原爐，優(yōu)勢(shì)并不明顯，有待進(jìn)一步生產(chǎn)驗(yàn)證。目前大部分還原爐設(shè)計(jì)中還原爐鐘罩內(nèi)壁和底盤(pán)上表面材質(zhì)的選擇采用的是復(fù)合板(S31603+Q345R)，其他零部件與工藝物料接觸部分采用S31603，與水接觸部分采用Q345R。

在還原爐的輔助配件中，電極采用無(wú)氧銅作為主體材質(zhì)，頭部一般采用銅鍍銀的方式來(lái)提高性能；電極冷卻水系統(tǒng)采用的是不銹鋼(S30408)，而且采用脫鹽水進(jìn)行冷卻，電極流道小，對(duì)水質(zhì)和管材要求高，以防冷卻過(guò)程中水結(jié)垢導(dǎo)致電極被燒壞的現(xiàn)象；在安裝硅芯的配件中主要有絕緣陶瓷環(huán)以及石墨座，這些材質(zhì)一是耐高溫，不會(huì)給多晶硅沉積增加雜質(zhì)含量；二是這些都為絕緣體材料，能夠?qū)?lái)自供電系統(tǒng)的電流與還原爐本體分開(kāi)，直接加載在半導(dǎo)體沉積載體硅芯上，為多晶硅氣相沉積提供生長(zhǎng)需求。

3 還原爐尺寸選擇

根據(jù)生產(chǎn)需求的不同，還原爐在爐型尺寸選擇上有著一定的原則可供遵循。一般小爐型，棒數(shù)少，爐內(nèi)溫度場(chǎng)流場(chǎng)穩(wěn)定，相互影響有限，所以可以生產(chǎn)出高品質(zhì)多晶硅；而多對(duì)棒爐型硅棒對(duì)數(shù)多，相互之間影響大，供料量大，爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)控制難度較大，需要通過(guò)優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)形式和位置來(lái)調(diào)整優(yōu)化爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，但是該爐型產(chǎn)能比較大，能耗相對(duì)會(huì)低一些，適合于大規(guī)模生產(chǎn)配置[2]。

早在20世紀(jì)80、90年代，多晶硅技術(shù)在國(guó)內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)基本掌握在歐洲美國(guó)日本，而且對(duì)中國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖，所以中國(guó)多晶硅的發(fā)展從20世紀(jì)90年代末才算起步，剛開(kāi)始都是三對(duì)棒、九對(duì)棒的爐型，爐型小，操作控制容易；后來(lái)隨著2003年第1套百噸級(jí)多晶硅生產(chǎn)線在洛陽(yáng)中硅落成，國(guó)產(chǎn)技術(shù)突破了多晶硅生產(chǎn)全流程難題，國(guó)外技術(shù)也就開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，那時(shí)候基本都是以12對(duì)棒還原爐為主力裝備，硅芯高度也就2.4 m左右，產(chǎn)品品質(zhì)比較好，外觀致密，金屬色澤好，但是能耗也相當(dāng)高；后來(lái)隨著太陽(yáng)能光伏多晶硅需求的激增，對(duì)多晶硅的需求市場(chǎng)異?；鸨?，各生產(chǎn)企業(yè)和還原爐制造商不斷的開(kāi)發(fā)多對(duì)棒還原爐，并優(yōu)化多晶硅還原爐生產(chǎn)工藝技術(shù)，使得多晶硅的單爐產(chǎn)能增加，生產(chǎn)能耗降低，多晶硅的生產(chǎn)成本也逐步下降，隨后就是以24對(duì)棒還原爐為主力爐型的時(shí)代；再后來(lái)隨著多晶硅生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)入單線年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)別，還原爐爐型進(jìn)入到36對(duì)棒和48對(duì)棒時(shí)代，單爐年產(chǎn)能就達(dá)到500 t以上的產(chǎn)能，還原生產(chǎn)電耗也降低到50 kW·h/kg-Si以內(nèi)，致使多晶硅的生產(chǎn)成本降低至一個(gè)歷史拐點(diǎn)；近年來(lái)，有更多對(duì)棒還原爐爐型被開(kāi)發(fā)，例如72對(duì)棒，但是因?yàn)樯a(chǎn)成本再難以大幅下降，而且出現(xiàn)異常情況時(shí)備品備件消耗極大，所以基本維持在以48對(duì)棒左右的還原爐為多晶硅生產(chǎn)的穩(wěn)定時(shí)期，通過(guò)優(yōu)化工藝，多晶硅生產(chǎn)電耗基本穩(wěn)定在45 kW·h/kg-Si，這相對(duì)于十幾年前的300 kW·h/kg-Si左右的多晶硅電耗而言下降幅度高達(dá)85%，所以這也為光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在還原爐的發(fā)展過(guò)程中，除了在徑向發(fā)展不斷提升的基礎(chǔ)上，軸向也在不斷的提高，最初硅棒高度在2.0 m左右，目前硅棒高度已提升到3.2 m，這樣可以進(jìn)一步增加單位面積貢獻(xiàn)的多晶硅產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)還原爐電器提出更高的要求，在還原爐啟爐初期，運(yùn)行過(guò)程中各檔電流電壓的切換等，隨著技術(shù)的發(fā)展延伸，這些問(wèn)題均在實(shí)際生產(chǎn)中得到良好的解決。

4 還原爐布置

多晶硅還原爐布置一般指的是底盤(pán)上電極孔的布置，包括配合生產(chǎn)的進(jìn)出氣口分布情況；常規(guī)的小尺寸還原爐一般采用同心圓的電極孔布置結(jié)構(gòu)，隨著還原的大型化，電極孔的布置也呈現(xiàn)多樣化，除了有同心圓布置結(jié)構(gòu)，還有正六邊形，正五邊形等蜂窩狀結(jié)構(gòu)，基于對(duì)還原爐內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，在大底盤(pán)上采用不同的分布方式，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬選擇出最佳的進(jìn)出氣口位置[3]。底盤(pán)的典型布置情況如圖1所示。

圖1 典型的還原爐底盤(pán)布置方式

通過(guò)近年來(lái)的實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，還原爐的底盤(pán)布置結(jié)構(gòu)采用同心圓結(jié)構(gòu)在相同對(duì)棒數(shù)的前提下，底盤(pán)直徑略??；如果采用蜂窩狀的布置結(jié)構(gòu)，進(jìn)出氣口位置分布更好設(shè)置，可以生產(chǎn)出更大直徑的多晶硅棒，也就是單爐產(chǎn)能可以做到更大一些，還原直接電耗基本相當(dāng)。

5 還原爐配套系統(tǒng)設(shè)置

多晶硅還原爐配套系統(tǒng)的設(shè)置合理與否是多晶硅能夠穩(wěn)定生產(chǎn)的必要條件，只有配套系統(tǒng)設(shè)置合理，才能保證多晶硅還原爐長(zhǎng)周期的穩(wěn)定運(yùn)行，從而穩(wěn)定的產(chǎn)出多晶硅產(chǎn)品，而且能耗和產(chǎn)品品質(zhì)也是最優(yōu)的。

與還原爐裝備配套的系統(tǒng)主要有電器供電系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)等，供電系統(tǒng)主要是為多晶硅沉積載體硅芯供電，保持硅芯表面溫度達(dá)到多晶硅氣相沉積的溫度1 080 ℃左右，隨著多晶硅的直徑逐漸增大，總體電阻會(huì)呈下降趨勢(shì)，因此電流會(huì)逐漸上升，總體發(fā)熱量會(huì)維持硅棒表面溫度的需求滿足氣相沉積的要求；還原電器會(huì)根據(jù)多晶硅的生長(zhǎng)不同階段，分段設(shè)置電流電壓值，保證多晶硅的生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。隨著多晶硅還原爐的大型化發(fā)展，還原配套的變壓器也從油浸變壓器發(fā)展到干式變壓器，對(duì)生產(chǎn)維護(hù)難度降低了，而且隨著沉積載體硅芯的增長(zhǎng)，導(dǎo)致啟爐困難，隨即開(kāi)發(fā)了大截面積的硅芯來(lái)降低初期硅芯電阻值，因此配套電器的優(yōu)化發(fā)展很好的解決了還原爐大型化帶來(lái)的各種難題。冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要包括鐘罩水、底盤(pán)水和電極水的循環(huán)冷卻，因?yàn)檫€原生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)鐘罩和底盤(pán)帶走的熱量大概占到總熱流量的80%左右，其他的20%左右以還原尾氣攜帶的方式帶出還原爐系統(tǒng)，因此如何有效的回收鐘罩和底盤(pán)水帶走的熱量以及還原尾氣帶走的熱量是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多晶硅節(jié)能降耗的關(guān)鍵問(wèn)題；多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，還原工序是副產(chǎn)熱量的，而精餾提純和冷氫化等原料工序都是需要熱量的，如果能夠?qū)⑦€原工序副產(chǎn)的熱量用到原料工序就可以進(jìn)一步降低外補(bǔ)熱量需求，多晶硅的整體能耗就會(huì)下降，實(shí)現(xiàn)多晶硅的低成本生產(chǎn)。

6 展望

通過(guò)對(duì)多晶硅還原爐裝備的全面分析，我們能夠清晰的看到國(guó)內(nèi)多晶硅近十來(lái)年的發(fā)展歷程，還原爐硅棒對(duì)數(shù)也從初期的3對(duì)棒發(fā)展到72對(duì)棒，生產(chǎn)多晶硅的還原電耗從300 kW·h/kg-Si以上降至45 kW·h/kg-Si左右，這些顯著的變化為光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；多晶硅除了用在光伏發(fā)電上，還有半導(dǎo)體器件以及軍工行業(yè)等更加高端的領(lǐng)域，這要求多晶硅在品質(zhì)上也要更上一層樓，所以對(duì)未來(lái)多晶硅還原裝備的發(fā)展有如下幾點(diǎn)建議：

(1)以生產(chǎn)高品質(zhì)的電子級(jí)多晶硅或者區(qū)熔級(jí)多晶硅為目標(biāo)的生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)該選用24對(duì)棒以下的小爐型，這種爐型操作控制方便，調(diào)整簡(jiǎn)單易行，爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)更加均勻，適合生長(zhǎng)更加致密的高品質(zhì)多晶硅；

(2)以生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅為主要目標(biāo)的生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)該選擇48對(duì)棒左右的還原爐爐型，這種爐型產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)明顯，能耗水平低，大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)可以減少車間配置面積和操作人員等，但是如果再增加硅棒對(duì)數(shù)，能耗基本無(wú)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)能增加也未能按比例增長(zhǎng)，而且關(guān)鍵是如果還原爐出現(xiàn)生產(chǎn)異常，備品備件消耗大，不利于節(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)；

(3)在還原爐的材質(zhì)選擇上也可以根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品選擇性價(jià)比高的材質(zhì)，例如目前復(fù)合板(316L+Q345R)就能夠較好的滿足光伏太陽(yáng)能多晶硅生產(chǎn)要求，與工藝物料接觸面用316L，其他與水以及外殼采用Q345R材質(zhì)，這樣造價(jià)低，性能有保障；如果是生產(chǎn)高品質(zhì)多晶硅，需要增加爐內(nèi)鏡面輻射效果，提高熱回收利用率，避免因?yàn)楣に囌{(diào)整而過(guò)高的增加多晶硅的生產(chǎn)電耗，可以考慮爐筒內(nèi)部噴涂銀或其他高反射率的材質(zhì)。