一种降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法和应用
阅读说明：本技术 一种降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法和应用 (Method for reducing radiation heat loss of polycrystalline silicon reduction furnace and application ) 是由 聂陟枫 王亚君 王晨 郭崎均 谢刚 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法和应用,属于多晶硅生产技术领域,本发明在多晶硅还原炉的炉体内壁涂镀石英陶瓷内衬材料,所述石英陶瓷内衬材料以非晶石英或结晶石英或二者的混合物为原料,经研磨、制浆、成坯、烧成、冷加工等一系列工序制备而成,在多晶硅还原炉的炉体内壁涂镀一层以上的由不同原料构成的石英陶瓷内衬材料；本发明采用的石英陶瓷材料具有导热性低、膨胀系数小、耐高温、热稳定性好、且成本较低的优点,可替代现有的金、银等贵金属镀层材料,有利于降低多晶硅还原炉辐射热损失,节约电耗,从而降低生产成本,提高生产效率。(The invention discloses a method for reducing the radiant heat loss of a polycrystalline silicon reduction furnace and application, belonging to the technical field of polycrystalline silicon production, wherein a quartz ceramic lining material is coated on the inner wall of the furnace body of the polycrystalline silicon reduction furnace, the quartz ceramic lining material is prepared by taking amorphous quartz or crystalline quartz or a mixture of the amorphous quartz and the crystalline quartz as a raw material through a series of processes of grinding, pulping, blank forming, sintering, cold processing and the like, and more than one layer of quartz ceramic lining material consisting of different raw materials is coated on the inner wall of the furnace body of the polycrystalline silicon reduction furnace; the quartz ceramic material adopted by the invention has the advantages of low thermal conductivity, small expansion coefficient, high temperature resistance, good thermal stability and lower cost, can replace the existing precious metal plating materials such as gold, silver and the like, is beneficial to reducing the radiation heat loss of the polysilicon reduction furnace, saves the power consumption, thereby reducing the production cost and improving the production efficiency.)
技术领域
本发明属于多晶硅生产技术领域，具体涉及一种降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法和应用。
背景技术
目前，世界上生产多晶硅的主要工艺是改良西门子法，产量占当今世界总产量的70%。多晶硅还原炉是改良西门子法生产多晶硅的核心设备之一，其电耗高是阻碍其发展的主要技术难题之一。因此，研发高效节能的多晶硅还原炉是提升改良西门子法多晶硅生产竞争力的关键。
多晶硅还原炉内硅棒温度是多晶硅生产的重要工艺参数之一，工艺要求硅棒表面温度控制在1100 ℃左右，以保证三氯氢硅在氢气的作用下还原并沉积在硅棒表面。对于多晶硅还原炉，其能耗主要源于硅棒与水冷器壁之间的辐射热损失，占总能量损失的70%左右，所以，降低多晶硅还原炉辐射热损失是实现改良西门子法“节能降耗”的重要途径之一。
改良西门子法多晶硅还原炉内壁运行环境十分恶劣，硅棒在运行过程中表面温度高达1100 ℃，并不断向各个方向进行热辐射，导致炉体升温。还原炉壁冷却水套里的高压冷却水被水泵强制循环而不断带走炉体内部传递的热量，钟罩型还原炉炉壁温度维持在100~200 ℃范围内，以减少硅粉在还原炉内壁表面沉积。炉内气体三氯氢硅和氯化氢都是强腐蚀性气体。这两个极端条件，高温和强腐蚀气体，对炉壁材料提出了严苛的要求。目前，通过在不锈钢上镀纯银甚至纯金来达到高温防腐和反射红外辐射的目的。金的化学稳定性好，又是非常好的红外反射材料，可以反射红外辐射而减少还原炉内辐射热损失。银的化学稳定性较好，但红外波段反射能力并不高。金和银的硬度都很低，当还原炉在运行过程中发生倒棒情形时，如果擦碰炉壁，金银层都很容易被刮削而损失掉。加之金、银都是贵金属，重新涂镀材料费用高，这无疑增加了生产成本。
采用现有镀膜技术，将金、银等高反射率金属材料镀层在还原炉内壁，提升内壁红外反射能力，其可在一定程度上有效降低多晶硅还原炉内辐射热损失，但存在一下几点问题：（1）金、银等贵金属成本高，且现有金、银或金银复合涂层加工技术难度大；（2）采用金、银涂层来节能，主要是利用金、银等贵金属的高红外反射能力，将发热体多晶硅棒发射出的红外热辐射反射回去。金银涂层厚度一般控制在10 nm~50 nm，而还原炉壁外有冷却水夹套，夹套内循环水控制在100~200 ℃，因此涂层温度低于200 ℃，这种节能机制可称为“冷反射”效应。随着多晶硅还原炉运行中后期，硅粉形成并附着在涂层表面，会大大降低银或银复合涂层材料反射能力，从而达不到节能效果；（3）金、银等贵金属材料硬度低，当硅棒在还原炉运行中意外翻倒时，银或银复合涂层容易被刮削而损失掉，无疑增加了生产成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法，本发明采用石英陶瓷内衬以替代现有的金、银等贵金属镀层材料，石英陶瓷内衬成本低，耐高温腐蚀能力强，红外反射率高，有利于降低多晶硅还原炉辐射热损失，节约还原电耗，从而降低生产成本，本发明不但为企业带来可观的经济效益，也将产生重大的社会效益。
本发明的技术方案如下：一种降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法，在多晶硅还原炉的炉体内壁涂镀石英陶瓷内衬材料，所述石英陶瓷内衬材料以非晶石英或结晶石英或二者的混合物为原料，经研磨、制浆、成坯、烧成、冷加工等一系列工序制备而成。在多晶硅还原炉的炉体内壁涂镀一层以上的由不同原料构成的石英陶瓷内衬材料。如可涂镀一层由非晶石英构成的石英陶瓷材料，然后在此基础上再涂镀一层由结晶石英构成的石英陶瓷材料或非晶石英、结晶石英混合构成的石英陶瓷材料。
石英陶瓷内衬材料的颗粒粒径范围为50 nm~300 μm，孔隙率为1%~90%，二氧化硅纯度在99.99%以上，石英陶瓷内衬材料的熔点为1723 ℃，密度为2.2 g/cm3，热膨胀系数为12.3×10-6 K-1，热导率为0.2~1.6 W/m∙K。
所述石英陶瓷内衬材料使用胶体处理方法得到，具体步骤如下：
①将未加工的非晶或结晶石英研磨至颗粒粒径为50 nm~300 μm，然后再将研磨后的石英颗粒分散到胶体溶液中；
②再将分散到胶体溶液后的石英颗粒模制成型材或面板，然后经干燥、烧结和退火处理；
③将制备好的型材或面板进行机械加工（如抛光）或结构修改，以引入锁紧元件或其他特征，以便将其安装到多晶硅还原炉中。从而得到石英陶瓷内衬材料。
所述多晶硅还原炉为改良西门子法多晶硅还原炉。
本发明的降低多晶硅还原炉辐射热损失的方法在改良西门子法化学气相沉积中的应用。
本发明的特点是：本发明采用石英陶瓷材料作为多晶硅还原炉内衬材料，由于其优良的耐高温腐蚀性能，在600 ℃以上的高温环境下，石英陶瓷内衬不与SiHCl3、HCl及SiCl4等炉内强腐蚀性气体发生化学反应，不会引入金属杂质。石英陶瓷材料可将部分来自硅棒的红外辐射反射回去，同时石英陶瓷内衬吸收来自发热体多晶硅棒的红外辐射，其表面温度升高，利用其“热发射”效应，使其高温的表面面向受热的多晶硅棒发射热辐射，从而减少多晶硅还原炉辐射热损失。石英陶瓷具有所谓红硬性，即在600℃以下温度，硬度基本不发生变化。石英陶瓷的摩擦系数低至0.4。这两点对于多晶硅还原炉内衬材料非常重要。当硅棒因意外翻倒而刮擦炉壁时，石英陶瓷的高硬度使得还原炉内衬可以承受高的冲击力。同时，低摩擦系数可以减少因撞击而产生的作用于内衬界面的剪切力，加之石英陶瓷内衬与不锈钢炉壁材料有很强的结合力，可以避免像金、银镀层材料那样被轻易刮擦掉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的石英陶瓷材料具有导热性低、膨胀系数小、耐高温、热稳定性好、且成本较低的优点，可替代现有的金、银等贵金属镀层材料，有利于降低多晶硅还原炉辐射热损失，节约电耗，从而降低生产成本，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明多晶硅还原炉的内衬多层基本结构示意图；
图2为本发明降低多晶硅还原炉内辐射热损失图；
图3为本发明降低每公斤多晶硅产品能耗图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：多晶硅还原炉内壁经过机械抛光、有机溶剂和纯水清洗、干燥后待镀。系统抽真空，达到预定真空度后（10-4 Pa左右），使用红外发热体加热炉壁至300 ℃进行烘烤去气。去气完毕后通氩气对还原炉内壁进行离子辉光放电清洗。石英陶瓷内衬制造程序可使用胶体处理，具体步骤如下：将未加工的非晶石英（SiO2纯度99.99%）研磨至直径为50 nm~300 μm，孔隙率在1%~90%，熔点为1723 ℃，密度为2.2 g/cm3，热膨胀系数为12.3×10-6 K-1，热导率为0.2~1.6 W/m∙K，并形成研磨石英颗粒分散到胶体溶液中。磨碎的石英颗粒模制成面板，然后进行干燥、烧结和退火，制备好的面板进行机械加工抛光，以引入锁紧元件或其他特征，以便于将其安装到多晶硅还原炉中，石英陶瓷内衬制备完毕。
将本实施例制备的石英陶瓷内衬用于多晶硅还原炉三氯氢硅氢还原过程，还原炉直径1600 mm，硅棒数目12对，硅棒高度2400 mm，硅棒温度1100 ℃，进料温度120 ℃，还原炉夹套循环水温度100 ℃，运行压力0.5 MPa，SiHCl3进料气体流量1015 kg/h，H2/SiHCl3=3:1（体积比），进行三氯氢硅氢还原反应。
对比多晶硅还原炉内辐射热损失情况，安装一层20 mm的以非晶石英为原料制备而成的石英陶瓷内衬，如附图2所示。当硅棒半径生长至7 cm，还原炉内辐射热损失从1232kW减少至1043 kW，辐射热损失降低15%。
当多晶硅还原炉内壁涂镀一层石英陶瓷内衬时，石英陶瓷材料具有导热性低、膨胀系数小、耐高温、热稳定性好、且成本较低等优点，与绝热材料性能相似，限制了通过陶瓷内衬的热量传递，减少了由还原炉壁冷却水夹套带走的热损失。同时，石英陶瓷内衬吸收来自发热体多晶硅棒的红外辐射，其表面温度升高，利用其“热发射”效应，使高温的石英陶瓷内衬表面面向受热的多晶硅棒发射热辐射，从而有助于降低多晶硅还原炉辐射热损失。相比于现有金、银等贵金属镀膜技术，其节能机制主要基于金、银等贵金属材料的高红外反射能力，这种节能机制可称为“冷反射”效应。利用石英陶瓷内衬，基于其“热发射”效应，能够降低其制造成本的同时，稳定提升多晶硅还原炉的能源效率。
实施例2
多晶硅还原炉内壁经过机械抛光、有机溶剂和纯水清洗、干燥后待镀。系统抽真空，达到预定真空度后（10-4 Pa左右），使用红外发热体加热炉壁至300 ℃进行烘烤去气。去气完毕后通氩气对还原炉内壁进行离子辉光放电清洗。石英陶瓷内衬制造程序可使用胶体处理，包括：将未加工的结晶石英（SiO2纯度99.99%）研磨至直径为50 nm~300 μm，孔隙率在1%~90%，熔点为1723 ℃，密度为2.2 g/cm3，热膨胀系数为12.3×10-6 K-1，热导率为0.2~1.6W/m∙K，并形成研磨石英颗粒分散到胶体溶液中。磨碎的石英颗粒可以模制成面板，然后进行干燥、烧结和退火。制备好的面板进行机械加工抛光，以引入锁紧元件或其他特征，以便于将其安装到多晶硅还原炉中，石英陶瓷内衬制备完毕。
将本实施例制备的石英陶瓷内衬用于多晶硅还原炉三氯氢硅氢还原过程，还原炉直径1600 mm，硅棒数目12对，硅棒高度2400 mm，硅棒温度1100 ℃，进料温度120 ℃，还原炉夹套循环水温度100 ℃，运行压力0.5 MPa，SiHCl3进料气体流量1015 kg/h，H2/SiHCl3=3:1（体积比），进行三氯氢硅氢还原反应。
对比多晶硅还原炉内辐射热损失情况，安装一层30 mm的以结晶石英为原料制备而成的石英陶瓷内衬，附图2所示。当硅棒半径生长至7 cm，还原炉内辐射热损失从1232 kW降至859 kW，辐射热损失降低30%。本实施例条件下，每公斤多晶硅产品能耗从55 kWh/kg-Si降至36 kWh/kg-Si，如附图3所示。
实施例3
多晶硅还原炉内壁经过机械抛光、有机溶剂和纯水清洗、干燥后待镀。系统抽真空，达到预定真空度后（10-4 Pa左右），使用红外发热体加热炉壁至300-600 ℃进行烘烤去气。去气完毕后通氩气对还原炉内壁进行离子辉光放电清洗。石英陶瓷内衬制造程序可使用胶体处理，包括：将未加工的非晶和结晶石英混合物（SiO2纯度99.99%）研磨至直径为50nm~300 μm，孔隙率在1%~90%，熔点为1723 ℃，密度为2.2 g/cm3，热膨胀系数为12.3×10-6K-1，热导率为0.2~1.6 W/m∙K，并形成研磨石英颗粒分散到胶体溶液中。磨碎的石英颗粒可以模制成面板，然后进行干燥、烧结和退火。制备好的面板进行机械加工抛光，以引入锁紧元件或其他特征，以便于将其安装到多晶硅还原炉中，石英陶瓷内衬制备完毕。
将本实施例制备的石英陶瓷内衬用于多晶硅还原炉三氯氢硅氢还原过程，还原炉直径1600 mm，硅棒数目12对，硅棒高度2400 mm，硅棒温度1100 ℃，进料温度120 ℃，还原炉夹套循环水温度100 ℃，运行压力0.5 MPa，SiHCl3进料气体流量1015 kg/h，H2/SiHCl3=3:1（体积比），进行三氯氢硅氢还原反应。
对比多晶硅还原炉内辐射热损失情况，如附图1所示，安装一层30 mm的以结晶石英为原料制备而成的石英陶瓷层，在此基础上，安装一层20 mm的以非晶和结晶石英混合物为原料制备而成的石英陶瓷层，形成厚度为50 mm的混合双层陶瓷内衬，附图2所示。当硅棒半径生长至7 cm，还原炉内辐射热损失从1232 kW降至629 kW，辐射热损失降低49%。
按照以上实施例的方法均能制造出还原炉内衬涂层，经性能测试也均符合相关的技术指标，也具备了上述所述的优越性和较之现有技术的显著技术、经济效果。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以再不脱离本发明精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
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