TGS450 多晶硅鑄錠爐的設計

李永哲

（河北晶龍陽光設備有限公司，河北 邢臺 055550）

多晶硅錠爐是專為太陽能工業晶硅電池生產而設計的，用于生產高品質多晶硅鑄錠的設備。 采用石墨電阻加熱技術，全程計算機控制技術，實現穩步定向凝固結晶，生產出高品質、大規格的多晶硅鑄錠。

鑄錠爐主要采用熱交換法與布里曼法結合的方法來實現多晶硅料的熔化與晶體生長。 生產流程為：裝料、加熱、熔化、晶體生長、退火、冷卻。 在整個生產流程中通過工控機設置完各種工藝參數和預設定參數后，送達PLC 智能控制器，對整個生長過程進行全程自動控制。

1 主要技術指標

電源電壓：三相50HZ 380VAC；電源功率：200kW；標準熔料量：450kg； 最高加熱溫度：1560℃； 正常工作加溫溫度：1540℃；爐體極限真空度：≤0.5Pa。

2 主要結構

設備分為機械部分和電器部分。 機械部分包括平臺、爐體、傳動系統、熱系統、真空系統、水循環系統。 電器部分包括加熱電源、電源控制柜、控制柜、工控系統。

圖1 多晶硅鑄錠爐整體結構圖

2.1 爐體

爐體是鑄錠爐的核心部件，內部安裝熱系統、陶瓷坩堝、多晶硅料等。爐體由上爐室和下爐室兩部分組成。上、下爐室采用雙層帶夾層的不銹鋼筒體結構，夾層通有冷卻循環水，能有效帶走凝固長晶散發的熱量，同時也保證爐體安全運行。 上爐室固定在機架上，下爐室由三套滾珠絲桿副驅動上下升降以方便裝卸料。 上爐室頂部加裝有不銹鋼法蘭蓋，蓋上設計有可觀察爐內晶體生長情況圓形觀察口。

2.2 熱系統

熱系統分為保溫組件，加熱組件，熱交換臺三部分。

保溫系統包括隔熱籠，保溫板。 隔熱籠在上爐體內，由不銹鋼框架組成。 保溫板分為頂部保溫板、四周保溫板、底部保溫板。 它們均由高性能碳纖維隔熱材料構成。 底部保溫板由三根石墨柱支撐，安裝在下爐體中。 當熱籠下降到預定位置時，四邊保溫板和底部保溫板組成一個密閉保溫腔體。 鑄錠爐通過提升隔熱籠來打開保溫裝置，從而使熱交換臺的熱量可以向下爐室內壁輻射，這樣熱區內就形成一個垂直的溫度梯度，使液硅從坩堝底部開始結晶并向上生長。

加熱組件由頂部加熱器、四邊加熱器以及絕緣陶瓷件、銅電極、石墨電極柱等附屬件組成。

熱交換臺在下爐體內，用三根石墨柱支撐，用于放置坩堝及均勻坩堝底部溫度，以實現定向凝固長晶。

2.3 傳動系統

傳動系統分為熱籠升降系統和下爐室體升降系統。 熱籠提升機構安裝在爐室上部主要由電機、減速機、聯軸器、軟軸、直線運動單元、換向器，提拉桿等構件組成。 下爐室升降系統主要由電機、帶輪、聯軸器、制動器、軟軸、升降機、安全制動器等構件組成

2.4 真空與供氣系統

真空系統是由羅茨泵、機械泵、安全閥及其它抽氣管路等附件組成。 羅茨泵和機械泵同時工作可以使爐內壓力迅速降至0.008mbar。 當需要將工作壓力維持在400～600mbar 時，可由機械泵單獨工作。 抽氣管道包括大口徑抽氣和小口徑抽氣管道，其中大口徑抽氣通過插板閥控制，小口徑抽氣的速率是通過比例閥來調節控制的。

供氣部分由質量流量計和電磁比例調節閥等管路器件組成，可方便地控制氬氣流量，可滿足爐體不同狀態下的真空度要求；真空系統與爐體間由擋板閥隔離。

2.5 水冷卻系統

冷卻循環水通過各管路分別流經爐體、銅電極和真空泵，能有效地將多晶硅長晶凝固過程中散發的熱量帶走，并保證爐體安全有效運行；冷卻水歧管配有傳感器，能實時反應水冷系統是否正常運行，便于控制。

2.6 控制系統與電源供應

控制系統由上位機和下位機構成。 上位機以工控機為主體構成，完成控制工藝的設置；控制過程的監控；各種反饋信息（如：溫度，水流量等）顯示；出現異常情況報警顯示；統計和記錄整個硅結晶過程的各種參量的變化情況并生成圖表，能有效地反應爐體運行狀態。 下位機以智能控制系統為主體構成，完成對溫度的控制；真空度及充入氬氣的壓力控制；運動系統的運動控制；多晶硅結晶的速度及冷卻水流量等的檢測。

電源系統包括大容量的降壓變壓器及可控硅控制單元。提供給石墨加熱部件所需要的低壓大電流的電源。

3 結束語

TGS450 多晶硅鑄錠爐經過工藝試驗取得了良好的控制效果，整機性能優良。 生產的硅錠能滿足太陽能多晶硅切片的需要。

[1]達道安.真空設計手冊-3 版【M】,北京：國防工業出版社，2006.5

[2]王秉銓.工業爐設計手冊-23 版【M】,北京：機械工業出版社，1996.8

[3]張金鳳，趙雪峰，程建平.多晶硅鑄錠爐升降機構設計，太原科技，2008.9;73-75