還原爐電極外套強制冷卻裝置的研究

李翔邢桂萍 劉亞洲

（三門峽化工機械有限公司)

還原爐電極外套強制冷卻裝置的研究

李翔*邢桂萍 劉亞洲

（三門峽化工機械有限公司)

分析了常用的還原爐電極外套強制冷卻裝置在技術上的不足，提出了新的強制冷卻裝置的設計方案。新的冷卻裝置在實際應用中取得了很好的效果，從而保證了多晶硅的產量和質量。

冷卻裝置還原爐電極外套強制冷卻多晶硅

隨著國家可持續發展及加大綠色環保能源的開發利用政策的不斷加強，近幾年光伏產業迅猛發展，太陽能電池對多晶硅的需求量快速增加，導致國內外太陽能級多晶硅的需求量缺口不斷增大。發展壯大中國多晶硅產業的市場條件已經具備，多晶硅產業的技術創新與研發、工藝的進一步完善、項目的建設等各方面時機已經成熟。研發千、萬噸級以上經濟規模的多晶硅產業化關鍵技術，形成從材料生產工藝、裝備、自控、循環、回收循環利用的多晶硅產業化生產線，提高我國多晶硅在國際市場上的競爭力十分必要。

還原爐是多晶硅生產的核心設備，其技術水平直接影響到生產效率和工藝的先進性。電極是還原爐的核心部件，每臺還原爐均裝有數十件電極，每件電極的工作狀態和可靠性都直接影響整臺還原爐設備的安全運行以及多晶硅的產量和質量。而電極能否整體可靠運行取決于每件電極套能否得到可靠穩定的冷卻。因此解決每件電極套的可靠冷卻問題是本次研究和解決的關鍵問題。工藝要求，前期電極需要均勻加熱，工作過程中又要及時均勻冷卻，如不能充分均勻冷卻，將直接影響甚至損壞電極與電極座之間的絕緣體，進而使還原爐不能正常操作并影響多晶硅的產量和質量。

1 原冷卻裝置的不足

目前我國常用的還原爐電極套冷卻方式均采取同一進口和同一出口加導流板冷卻的結構。這種結構在實際生產中冷卻液易形成偏流、短路和冷卻死角等現象，從而造成各電極套冷卻不均。處于冷卻死角處的個別電極套由于無法受到冷卻而引起過燒，造成還原爐無法安全運行。這種現象還原爐規格越大、電極數量越多就越嚴重，因而長期困擾著多晶硅生產的發展。我們經過反復的試驗和研究，克服了現有技術的不足，提供一種設計合理、結構新穎、冷卻均勻可靠的還原爐電極外套強制冷卻裝置，從而解決了現行設備中電極套冷卻不均、局部過燒等問題，提高了多晶硅核心設備整體技術的先進性，其結構和加工工藝日臻完善，得到了行業的一致認可。

多晶硅還原爐主要由底盤、含夾套冷卻介質的鐘罩式雙層爐體、電極、視鏡孔、底盤冷卻水進水管、底盤冷卻水出水管、電極冷卻水進水管、電極冷卻水出水管及其他附屬部件組成。爐體主體采用不銹鋼材質制成，以減少設備材質對產品的污染。電極是多晶硅還原爐的核心部件，它在工作中利用電能使硅元素從混合介質中還原出來，因此，電極的工作狀態直接影響多晶硅的產量和質量。電極在工作中產生的熱量必須由電極內部和底盤夾腔中的冷卻介質（目前采用水）帶走。傳統的多晶硅還原爐底盤腔的冷卻均采用冷卻介質集中進出的方式。其缺點是，從冷卻介質進入腔體然后再分散至各電極座的過程中，冷卻介質首先被底盤加熱，再加上還易形成偏流和死角，從而影響了對電極座的冷卻效果。尤其是采用水作為冷卻介質時，頂部汽化使底盤夾腔中不能滿液，導致電極座的頂部不能充分冷卻，這就直接影響甚至可能損壞電極與電極座之間的絕緣體，進而使還原爐不能正常操作并影響多晶硅的產量和質量。

2 新的強制冷卻裝置及其使用效果

對還原爐電極外套強制冷卻裝置的研究，主要是克服現行冷卻裝置技術上的不足，提供一種設計新穎、結構合理、冷卻效果好且絕緣效果好的還原爐電極外套強制冷卻裝置（見圖1）。該裝置由底盤2、底盤夾腔3、電極座4、電極5、冷卻介質進入總管6和冷卻介質排出總管7等組成。底盤與爐體1連接，每一電極座的外壁均設置有一個夾套8，夾套下端與底盤夾腔的下部底板密封連接，其上端與底盤之間留有間隙，每一夾套的下部均分別通過冷卻介質分布管9與冷卻介質進入總管連通。底盤的底部設置有集氣腔10，該集氣腔通過氣體導管11向外界排放。

圖1 還原爐電極外套強制冷卻裝置

集氣腔為底盤的底部上設置的盲孔，其數量為兩個以上，沿圓周均布。氣體導管為L型，其一端位于集氣腔內，另一端貫穿底盤夾腔的側壁而出。

該強制冷卻裝置使冷卻介質通過分布管路直接進入各冷卻夾套內對電極座外部進行冷卻，而后從夾套頂部進入底盤夾腔對底盤進行冷卻，因而對電極座的冷卻效果好，消除了電極密封因過熱而失效的隱患。該強制冷卻裝置的使用可減少事故率50%以上，從而保證了多晶硅的產量和質量。

該新型底盤的底部設置有集氣腔，底盤夾腔內產生的氣（汽）體集中在集氣腔中，不占據底盤夾腔的空間，并通過導管排出爐外，這樣就能保證底盤夾腔為滿液，從而使電極座及底盤得到充分冷卻，保證電極及絕緣體的正常工作，提高使用的安全性。該新型底盤在現有還原爐的基礎上增加的施工量很小，其制造成本較低，易于推廣。該還原爐電極外套強制冷卻裝置的推廣應用具有良好的經濟效益。

經過設備的技術改進和規模的擴大，使多晶硅的生產效率提高了30%，整個工藝水平達到國際先進水平。隨著設備的大型化和技術的不斷更新，將促使整個多晶硅行業在技術上產生質的飛躍。

[1] 楊世銘，陶文栓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，1998.

[2] 童景山，李敬.流體熱物理性質的計算［M］.北京：清華大學出版社，1982.

[3] TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

Study on Forced Cooling Device of Electrode Sheath for Reduction Furnace

Li Xiang Xing Guiping Liu Yazhou

The technical shortcomings of electrode sheath forced cooling device of conventional reduction furnace were analyzed,and new design of forced cooling device was put forward.The new cooling device showed excellent effects in practical application,and guaranteed the yield and quality of polysilicon.

Cooling device;Reduction furnace;Electrode sheath;Forced cooling;Polysilicon

TQ 051.5

*李翔，男，1965年生，工程師。三門峽市，472000。

2011-10-24）