多晶硅還原爐電極防護裝置的研究

楊 凡，陳文凱，張江濤，馬維慶

（陜西有色天宏瑞科硅材料有限責任公司，陜西 榆林 719000）

隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，多晶硅生產(chǎn)企業(yè)面臨的競爭日益激烈，進行技術(shù)優(yōu)化、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)對于多晶硅生產(chǎn)企業(yè)來說已刻不容緩，而對于制造業(yè)來說，提高設(shè)備完好率、降低生產(chǎn)成本既是一種管理手段，也是一種控制方法。

在國家可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保能源的開發(fā)利用政策不斷加強的大背景下，近幾年光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，太陽能電池對多晶硅的需求量快速增加，導致國內(nèi)外太陽能級多晶硅的需求量缺口不斷增大。發(fā)展壯大中國多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場條件已經(jīng)具備，多晶硅產(chǎn)業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝的進一步完善、項目的建設(shè)等各方面的發(fā)展時機已經(jīng)成熟[1]。但是在使用還原爐生產(chǎn)多晶硅過程中，經(jīng)常會遇到硅棒倒爐，損壞還原爐底座上電極情況，這一現(xiàn)象的頻繁發(fā)生直接導致多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本增加，成品率下降，且會使生產(chǎn)出現(xiàn)一定的滯后性，影響總產(chǎn)量。

1 目前國內(nèi)多晶硅還原爐電極的現(xiàn)狀

還原爐是多晶硅生產(chǎn)的核心設(shè)備，其技術(shù)水平直接影響到企業(yè)生產(chǎn)效率和采用工藝的先進性。電極是還原爐的核心部件，每臺還原爐均裝有數(shù)十件電極，每件電極的工作狀態(tài)和可靠性都直接影響著整臺還原爐設(shè)備的安全性能以及多晶硅產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。而電極能否整體可靠運行則取決于收獲硅棒期間電極是否受到損傷，以及電極的工作可靠性。因此，提高電極的工作可靠性，保證電極不受到意外損壞，以此降低生產(chǎn)成本，這是本文研究和解決的關(guān)鍵之處。

目前生產(chǎn)多晶硅的生產(chǎn)工藝可分為流化床法、改良西門子法還有硅烷法等。流化床法生產(chǎn)多晶硅具有生產(chǎn)效率高、電耗較低、成本低的優(yōu)點，但其缺點是產(chǎn)品質(zhì)量受限，無法生產(chǎn)出高純電子級多晶硅；改良西門子法節(jié)能降耗顯著、成本低、質(zhì)量好，所采用的綜合利用技術(shù)對環(huán)境不產(chǎn)生污染，具有明顯的競爭優(yōu)勢；硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、耗能高、安全性低的缺點，但此方法可產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量純度為12 N 的電子級多晶硅。相較而言，改良西門子法是生產(chǎn)工藝最為成熟、投資風險最小、最容易擴建的工藝，綜合來看，目前國內(nèi)外大都采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅。

受到多晶硅還原爐生產(chǎn)工藝限制，在多晶硅生產(chǎn)過程中，多晶硅還原爐內(nèi)部的電極裝置需要承受整個硅棒的全部重量，根據(jù)各個還原爐生產(chǎn)工藝的不同，硅棒的重量也大不相同，較小的硅棒質(zhì)量有70～80 kg，較大的硅棒質(zhì)量可達到200 kg。在硅棒發(fā)生倒爐時，電極容易被大質(zhì)量的硅棒砸傷或者直接損壞而無法使用，同時單個電極采購成本較高，因此對多晶硅還原爐內(nèi)部的電極進行防護，可降低多晶硅生產(chǎn)成本和設(shè)備維修成本，推進多晶硅生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性是此次研究的主要目的。本文主要闡述一種能將多晶硅電極防護起來的裝置。

2 裸電極的不足之處

目前我國常用的還原爐電極均采用外部絕緣部件內(nèi)套金屬導體，外部絕緣部件為石英套筒，內(nèi)部金屬導體為電阻小、導電性好的導體，石英套筒外與還原爐底座采用法蘭連接或螺栓連接（見下頁圖1），內(nèi)部金屬導體與還原爐底部采用螺栓連接。這種結(jié)構(gòu)在實際生產(chǎn)中既能保證電極與底座間具有良好的絕緣性，又能保證電極本身在生產(chǎn)運行過程中具有良好的導電性，為生產(chǎn)多晶硅提供安全保障。但外部石英套筒和內(nèi)部導體部分均容易受損，導體部分損壞后修復(fù)起來費時費力，石英套管破裂后則無法修復(fù)，只能更換，這就延長了多晶硅的生產(chǎn)周期，也增加了生產(chǎn)成本。一般情況下，還原爐棒數(shù)規(guī)格越大、硅棒重量越重，電極受損就越嚴重，因而這種倒爐現(xiàn)象長期困擾著多晶硅生產(chǎn)行業(yè)。

圖1 石英套筒外與還原爐底座連接圖

此外，電極內(nèi)部導體部分修復(fù)后，與石墨卡件接觸面積變小、電阻增大，在生產(chǎn)運行過程中，隨著硅棒電流逐漸增大，電極導體部分與石墨卡件會產(chǎn)生局部高溫，熔融的雜質(zhì)容易沉積到硅棒表面，直接影響多晶硅棒質(zhì)量。在電極更換過程中，可能會引入新的雜質(zhì)，并對還原爐系統(tǒng)造成污染，繼而引發(fā)后續(xù)多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)波動，同時頻繁更換電極也增加了現(xiàn)場工作人員的工作量[2]。

經(jīng)過反復(fù)試驗和研究，多晶硅生產(chǎn)企業(yè)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉、防護性能高的多晶硅還原爐電極防護裝置，從而解決了現(xiàn)行還原爐中電極導體強度不足、石英套筒容易損壞、更換和維修耗費時間等問題，提高了多晶硅還原爐設(shè)備整體完好率。通過不斷試驗和改進，該防護裝置在結(jié)構(gòu)和加工工藝上得到日益完善，并有大量試驗結(jié)果證明該裝置使用的可靠性。

3 多晶硅還原爐電極防護裝置

對多晶硅還原爐電極防護裝置進行研究，主要是需克服現(xiàn)行電極本身抗撞擊效果差的缺點、降低生產(chǎn)成本，因此提供了一種設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉、防護性能高的多晶硅還原爐電極防護裝置（見圖2）。該裝置由外護筒、內(nèi)護筒、承接硅棒件、連接件等組成。外護筒直接放置在多晶硅還原爐底座上，內(nèi)護筒放置在圖1 中法蘭上，內(nèi)護筒高度將高于電極導體的最高處。電極防護裝置的材質(zhì)可根據(jù)生產(chǎn)的產(chǎn)品等級而選擇，通常采用和還原爐底座同等級的材質(zhì)制作而成，這樣可避免在使用過程中因引進新雜質(zhì)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時電極防護裝置在每次產(chǎn)品收割完成后，可集中清洗，并重復(fù)回收利用。

圖2 多晶硅還原爐電極防護裝置

電極防護裝置內(nèi)護筒將保護圖1 中絕緣部件石英套筒不受硅棒倒爐[3]時撞擊，外護筒起到穩(wěn)定支撐的作用，承接硅棒處是主要受力部分，承擔著倒爐后硅棒的全部重量。硅棒倒爐后直接掉落在硅棒承接處，防止在硅棒撞擊電極導體處形成不可修復(fù)的形變。硅棒承接處受到的力將通過外護筒、內(nèi)護筒間接傳遞到還原爐底座上，不會造成還原爐和電極防護裝置自身的損壞，此外電極防護裝置可以像底座一樣，清洗后重復(fù)使用，降低了生產(chǎn)成本的投入。

4 結(jié)論

在多晶硅生產(chǎn)工藝逐漸完善的情況下，如何降低生產(chǎn)成本，提高還原爐完好率，增加生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要。將電極防護裝置放置在多晶硅還原爐底座上，不占用底座的額外空間，也不影響電極本身的功能。硅棒收割前放置在底座內(nèi)，有效避免引入新雜質(zhì)，不阻礙正常的生產(chǎn)運行，降低了大質(zhì)量硅棒在收割過程中倒爐造成的電極損壞發(fā)生率。該電極防護裝置在現(xiàn)有還原爐的基礎(chǔ)上增加的施工量很小，且其制造成本低廉，易于推廣并大量使用。該電極防護裝置的使用，將多晶硅生產(chǎn)過程中電極的完好率提高了約15%。