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）

隨著全球光伏產業的快速發展，多晶硅生產企業面臨的競爭日益激烈，進行技術優化、降低生產成本、提高產品品質對于多晶硅生產企業來說已刻不容緩，而對于制造業來說，提高設備完好率、降低生產成本既是一種管理手段，也是一種控制方法。

在國家可持續發展和綠色環保能源的開發利用政策不斷加強的大背景下，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，多晶硅產業在技術創新、生產工藝的進一步完善、項目的建設等各方面的發展時機已經成熟[1]。但是在使用還原爐生產多晶硅過程中，經常會遇到硅棒倒爐，損壞還原爐底座上電極情況，這一現象的頻繁發生直接導致多晶硅生產企業的生產成本增加，成品率下降，且會使生產出現一定的滯后性，影響總產量。

1 目前國內多晶硅還原爐電極的現狀

還原爐是多晶硅生產的核心設備，其技術水平直接影響到企業生產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十件電極，每件電極的工作狀態和可靠性都直接影響著整臺還原爐設備的安全性能以及多晶硅產品的產量和質量。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，以此降低生產成本，這是本文研究和解決的關鍵之處。

目前生產多晶硅的生產工藝可分為流化床法、改良西門子法還有硅烷法等。流化床法生產多晶硅具有生產效率高、電耗較低、成本低的優點，但其缺點是產品質量受限，無法生產出高純電子級多晶硅；改良西門子法節能降耗顯著、成本低、質量好，所采用的綜合利用技術對環境不產生污染，具有明顯的競爭優勢；硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、耗能高、安全性低的缺點，但此方法可產出產品質量純度為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，目前國內外大都采用改良西門子法生產多晶硅。

受到多晶硅還原爐生產工藝限制，在多晶硅生產過程中，多晶硅還原爐內部的電極裝置需要承受整個硅棒的全部重量，根據各個還原爐生產工藝的不同，硅棒的重量也大不相同，較小的硅棒質量有70～80 kg，較大的硅棒質量可達到200 kg。在硅棒發生倒爐時，電極容易被大質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部的電極進行防護，可降低多晶硅生產成本和設備維修成本，推進多晶硅生產運行的穩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套金屬導體，外部絕緣部件為石英套筒，內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），內部金屬導體與還原爐底部采用螺栓連接。這種結構在實際生產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運行過程中具有良好的導電性，為生產多晶硅提供安全保障。但外部石英套筒和內部導體部分均容易受損，導體部分損壞后修復起來費時費力，石英套管破裂后則無法修復，只能更換，這就延長了多晶硅的生產周期，也增加了生產成本。一般情況下，還原爐棒數規格越大、硅棒重量越重，電極受損就越嚴重，因而這種倒爐現象長期困擾著多晶硅生產行業。

圖1 石英套筒外與還原爐底座連接圖

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

經過反復試驗和研究，多晶硅生產企業克服了現有技術的不足，提出一種設計合理、結構簡單、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備整體完好率。通過不斷試驗和改進，該防護裝置在結構和加工工藝上得到日益完善，并有大量試驗結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，主要是需克服現行電極本身抗撞擊效果差的缺點、降低生產成本，因此提供了一種設計合理、結構簡單、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，內護筒放置在圖1 中法蘭上，內護筒高度將高于電極導體的最高處。電極防護裝置的材質可根據生產的產品等級而選擇，通常采用和還原爐底座同等級的材質制作而成，這樣可避免在使用過程中因引進新雜質而影響產品質量，同時電極防護裝置在每次產品收割完成后，可集中清洗，并重復回收利用。

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的形變。硅棒承接處受到的力將通過外護筒、內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，清洗后重復使用，降低了生產成本的投入。

4 結論

在多晶硅生產工藝逐漸完善的情況下，如何降低生產成本，提高還原爐完好率，增加生產效率、提高產品質量顯得尤為重要。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，有效避免引入新雜質，不阻礙正常的生產運行，降低了大質量硅棒在收割過程中倒爐造成的電極損壞發生率。該電極防護裝置在現有還原爐的基礎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，將多晶硅生產過程中電極的完好率提高了約15%。