还原炉电极外套强制冷却装置的研究

李翔邢桂萍 刘亚洲

（三门峡化工机械有限公司)

还原炉电极外套强制冷却装置的研究

李翔*邢桂萍 刘亚洲

（三门峡化工机械有限公司)

分析了常用的还原炉电极外套强制冷却装置在技术上的不足，提出了新的强制冷却装置的设计方案。新的冷却装置在实际应用中取得了很好的效果，从而保证了多晶硅的产量和质量。

冷却装置还原炉电极外套强制冷却多晶硅

随着国家可持续发展及加大绿色环保能源的开发利用政策的不断加强，近几年光伏产业迅猛发展，太阳能电池对多晶硅的需求量快速增加，导致国内外太阳能级多晶硅的需求量缺口不断增大。发展壮大中国多晶硅产业的市场条件已经具备，多晶硅产业的技术创新与研发、工艺的进一步完善、项目的建设等各方面时机已经成熟。研发千、万吨级以上经济规模的多晶硅产业化关键技术，形成从材料生产工艺、装备、自控、循环、回收循环利用的多晶硅产业化生产线，提高我国多晶硅在国际市场上的竞争力十分必要。

还原炉是多晶硅生产的核心设备，其技术水平直接影响到生产效率和工艺的先进性。电极是还原炉的核心部件，每台还原炉均装有数十件电极，每件电极的工作状态和可靠性都直接影响整台还原炉设备的安全运行以及多晶硅的产量和质量。而电极能否整体可靠运行取决于每件电极套能否得到可靠稳定的冷却。因此解决每件电极套的可靠冷却问题是本次研究和解决的关键问题。工艺要求，前期电极需要均匀加热，工作过程中又要及时均匀冷却，如不能充分均匀冷却，将直接影响甚至损坏电极与电极座之间的绝缘体，进而使还原炉不能正常操作并影响多晶硅的产量和质量。

1 原冷却装置的不足

目前我国常用的还原炉电极套冷却方式均采取同一进口和同一出口加导流板冷却的结构。这种结构在实际生产中冷却液易形成偏流、短路和冷却死角等现象，从而造成各电极套冷却不均。处于冷却死角处的个别电极套由于无法受到冷却而引起过烧，造成还原炉无法安全运行。这种现象还原炉规格越大、电极数量越多就越严重，因而长期困扰着多晶硅生产的发展。我们经过反复的试验和研究，克服了现有技术的不足，提供一种设计合理、结构新颖、冷却均匀可靠的还原炉电极外套强制冷却装置，从而解决了现行设备中电极套冷却不均、局部过烧等问题，提高了多晶硅核心设备整体技术的先进性，其结构和加工工艺日臻完善，得到了行业的一致认可。

多晶硅还原炉主要由底盘、含夹套冷却介质的钟罩式双层炉体、电极、视镜孔、底盘冷却水进水管、底盘冷却水出水管、电极冷却水进水管、电极冷却水出水管及其他附属部件组成。炉体主体采用不锈钢材质制成，以减少设备材质对产品的污染。电极是多晶硅还原炉的核心部件，它在工作中利用电能使硅元素从混合介质中还原出来，因此，电极的工作状态直接影响多晶硅的产量和质量。电极在工作中产生的热量必须由电极内部和底盘夹腔中的冷却介质（目前采用水）带走。传统的多晶硅还原炉底盘腔的冷却均采用冷却介质集中进出的方式。其缺点是，从冷却介质进入腔体然后再分散至各电极座的过程中，冷却介质首先被底盘加热，再加上还易形成偏流和死角，从而影响了对电极座的冷却效果。尤其是采用水作为冷却介质时，顶部汽化使底盘夹腔中不能满液，导致电极座的顶部不能充分冷却，这就直接影响甚至可能损坏电极与电极座之间的绝缘体，进而使还原炉不能正常操作并影响多晶硅的产量和质量。

2 新的强制冷却装置及其使用效果

对还原炉电极外套强制冷却装置的研究，主要是克服现行冷却装置技术上的不足，提供一种设计新颖、结构合理、冷却效果好且绝缘效果好的还原炉电极外套强制冷却装置（见图1）。该装置由底盘2、底盘夹腔3、电极座4、电极5、冷却介质进入总管6和冷却介质排出总管7等组成。底盘与炉体1连接，每一电极座的外壁均设置有一个夹套8，夹套下端与底盘夹腔的下部底板密封连接，其上端与底盘之间留有间隙，每一夹套的下部均分别通过冷却介质分布管9与冷却介质进入总管连通。底盘的底部设置有集气腔10，该集气腔通过气体导管11向外界排放。

图1 还原炉电极外套强制冷却装置

集气腔为底盘的底部上设置的盲孔，其数量为两个以上，沿圆周均布。气体导管为L型，其一端位于集气腔内，另一端贯穿底盘夹腔的侧壁而出。

该强制冷却装置使冷却介质通过分布管路直接进入各冷却夹套内对电极座外部进行冷却，而后从夹套顶部进入底盘夹腔对底盘进行冷却，因而对电极座的冷却效果好，消除了电极密封因过热而失效的隐患。该强制冷却装置的使用可减少事故率50%以上，从而保证了多晶硅的产量和质量。

该新型底盘的底部设置有集气腔，底盘夹腔内产生的气（汽）体集中在集气腔中，不占据底盘夹腔的空间，并通过导管排出炉外，这样就能保证底盘夹腔为满液，从而使电极座及底盘得到充分冷却，保证电极及绝缘体的正常工作，提高使用的安全性。该新型底盘在现有还原炉的基础上增加的施工量很小，其制造成本较低，易于推广。该还原炉电极外套强制冷却装置的推广应用具有良好的经济效益。

经过设备的技术改进和规模的扩大，使多晶硅的生产效率提高了30%，整个工艺水平达到国际先进水平。随着设备的大型化和技术的不断更新，将促使整个多晶硅行业在技术上产生质的飞跃。

[1] 杨世铭，陶文栓.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

[2] 童景山，李敬.流体热物理性质的计算［M］.北京：清华大学出版社，1982.

[3] TSG R0004—2009.固定式压力容器安全技术监察规程[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，工程师。三门峡市，472000。

2011-10-24）