[發明專利]一種降低多晶硅還原爐輻射熱損失的方法和應用

在審

• 申請號: 202110941151.7
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113526510A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 聶陟楓;王亞君;王晨;郭崎均;謝剛
• 申請（專利權）人: 昆明學院
• 主分類號: C01B33/03
• 分類號: C01B33/03;C03C10/14;C03B19/06;C03B25/00
• 代理公司: 昆明同聚專利代理有限公司 53214
• 代理人: 謝丹丹

本發明公開了一種降低多晶硅還原爐輻射熱損失的方法和應用，屬于多晶硅生產技術領域，本發明在多晶硅還原爐的爐體內壁涂鍍石英陶瓷內襯材料，所述石英陶瓷內襯材料以非晶石英或結晶石英或二者的混合物為原料，經研磨、制漿、成坯、燒成、冷加工等一系列工序制備而成，在多晶硅還原爐的爐體內壁涂鍍一層以上的由不同原料構成的石英陶瓷內襯材料；本發明采用的石英陶瓷材料具有導熱性低、膨脹系數小、耐高溫、熱穩定性好、且成本較低的優點，可替代現有的金、銀等貴金屬鍍層材料，有利于降低多晶硅還原爐輻射熱損失，節約電耗，從而降低生產成本，提高生產效率。

技術領域

本發明屬于多晶硅生產技術領域，具體涉及一種降低多晶硅還原爐輻射熱損失的方法和應用。

背景技術

目前，世界上生產多晶硅的主要工藝是改良西門子法，產量占當今世界總產量的70%。多晶硅還原爐是改良西門子法生產多晶硅的核心設備之一，其電耗高是阻礙其發展的主要技術難題之一。因此，研發高效節能的多晶硅還原爐是提升改良西門子法多晶硅生產競爭力的關鍵。

多晶硅還原爐內硅棒溫度是多晶硅生產的重要工藝參數之一，工藝要求硅棒表面溫度控制在1100 ℃左右，以保證三氯氫硅在氫氣的作用下還原并沉積在硅棒表面。對于多晶硅還原爐，其能耗主要源于硅棒與水冷器壁之間的輻射熱損失，占總能量損失的70%左右，所以，降低多晶硅還原爐輻射熱損失是實現改良西門子法“節能降耗”的重要途徑之一。

改良西門子法多晶硅還原爐內壁運行環境十分惡劣，硅棒在運行過程中表面溫度高達1100 ℃，并不斷向各個方向進行熱輻射，導致爐體升溫。還原爐壁冷卻水套里的高壓冷卻水被水泵強制循環而不斷帶走爐體內部傳遞的熱量，鐘罩型還原爐爐壁溫度維持在100~200 ℃范圍內，以減少硅粉在還原爐內壁表面沉積。爐內氣體三氯氫硅和氯化氫都是強腐蝕性氣體。這兩個極端條件，高溫和強腐蝕氣體，對爐壁材料提出了嚴苛的要求。目前，通過在不銹鋼上鍍純銀甚至純金來達到高溫防腐和反射紅外輻射的目的。金的化學穩定性好，又是非常好的紅外反射材料，可以反射紅外輻射而減少還原爐內輻射熱損失。銀的化學穩定性較好，但紅外波段反射能力并不高。金和銀的硬度都很低，當還原爐在運行過程中發生倒棒情形時，如果擦碰爐壁，金銀層都很容易被刮削而損失掉。加之金、銀都是貴金屬，重新涂鍍材料費用高，這無疑增加了生產成本。

采用現有鍍膜技術，將金、銀等高反射率金屬材料鍍層在還原爐內壁，提升內壁紅外反射能力，其可在一定程度上有效降低多晶硅還原爐內輻射熱損失，但存在一下幾點問題：（1）金、銀等貴金屬成本高，且現有金、銀或金銀復合涂層加工技術難度大；（2）采用金、銀涂層來節能，主要是利用金、銀等貴金屬的高紅外反射能力，將發熱體多晶硅棒發射出的紅外熱輻射反射回去。金銀涂層厚度一般控制在10 nm~50 nm，而還原爐壁外有冷卻水夾套，夾套內循環水控制在100~200 ℃，因此涂層溫度低于200 ℃，這種節能機制可稱為“冷反射”效應。隨著多晶硅還原爐運行中后期，硅粉形成并附著在涂層表面，會大大降低銀或銀復合涂層材料反射能力，從而達不到節能效果；（3）金、銀等貴金屬材料硬度低，當硅棒在還原爐運行中意外翻倒時，銀或銀復合涂層容易被刮削而損失掉，無疑增加了生產成本。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種降低多晶硅還原爐輻射熱損失的方法，本發明采用石英陶瓷內襯以替代現有的金、銀等貴金屬鍍層材料，石英陶瓷內襯成本低，耐高溫腐蝕能力強，紅外反射率高，有利于降低多晶硅還原爐輻射熱損失，節約還原電耗，從而降低生產成本，本發明不但為企業帶來可觀的經濟效益，也將產生重大的社會效益。

本發明的技術方案如下：一種降低多晶硅還原爐輻射熱損失的方法，在多晶硅還原爐的爐體內壁涂鍍石英陶瓷內襯材料，所述石英陶瓷內襯材料以非晶石英或結晶石英或二者的混合物為原料，經研磨、制漿、成坯、燒成、冷加工等一系列工序制備而成。在多晶硅還原爐的爐體內壁涂鍍一層以上的由不同原料構成的石英陶瓷內襯材料。如可涂鍍一層由非晶石英構成的石英陶瓷材料，然后在此基礎上再涂鍍一層由結晶石英構成的石英陶瓷材料或非晶石英、結晶石英混合構成的石英陶瓷材料。