新型还原炉流场温度场的模拟研究

王晓静，张　灿，黄益平，陈　舟，陆晓咏，徐义明

目前煤炭、石油等化石能源的衰竭是人类自身发展所面临的一个严峻课题，太阳能发电成为一种代替化石能源的重要途径［1-2］。半导体行业与光伏产业的基础材料是多晶硅，随着半导体与太阳能产业的迅速发展，多晶硅材料的需求量呈逐年上升趋势，近年来以每年31.2%［3］的增长速度增长。

在整个光伏产业中，对多晶硅生产设备的投资占整个生产总成本的35%左右［4］，其所占的比例最大。因此对多晶硅生产设备进行改进，从而降低多晶硅生产过程能耗来降低生产成本是目前太阳能光伏产业的紧迫课题。凌猛［5］和姚心［6］等分别对传统西门子多晶硅还原炉内的流场与温度场的分布状况进行了模拟研究;段连［7］、黄哲庆［8］通过改进还原炉的进出气方式来提高还原炉内部流场及温度场的均匀性;王晓静等［9］对还原炉底盘的冷却方式做了改进，提高了底盘温度分布状态;王燕［10］、王惠存［11］对进出气导管长度进行了改进，以有利于炉内混合气体分布更加均匀。

混合气体在反应器内流动均匀性在很多领域中都是很重要的衡量指标，合理地改进还原炉结构，保证还原炉内反应区域的流场、温度场的均匀性，是有效提高多晶硅产品质量的重要环节。在常见的气相沉积反应中，还原炉内温度场及流场的均匀性对反应有着重要影响。

目前多晶硅的生产工艺主要有如下3种方法:改良西门子法、流化床法、硅烷法。本研究在传统西门子还原炉的基础提出了一种新型还原炉，并对其内部的流场与温度场进行了对比研究。

结合图1和图2可以看出新型还原炉比传统还原炉多出了3种结构:1)出气口套筒;2)热管;3)内插进气口。出气口套筒避免了传统还原炉中原料气并未参与反应就由底盘出气口排出造成原料气浪费的现象，并且对还原炉顶部废气起到导引作用，有助于其排出。热管的加入可以有效降低还原炉环境温度，进而减少粉末硅的产生，热管对硅棒的包围结构对反应气在还原炉中的流动也起到了限制的作用，使其流动得更加有序。内插进气口的加入促进了还原炉上部反应气的更新。这些都是新型还原炉的优点。

1　数学模型

1.1　物理模型

针对传统还原炉和新型还原炉结构，运用PRO/E三维建模软件建立了相应的物理模型具体的尺寸和结构参数见表1、图2和图3。图3中直观的给出了热管与硅棒之间的位置关系与热管的必要尺寸。由于新型还原炉结构的复杂性以及对称性，以3对硅棒还原炉的一半为例进行了分析。

图1　新型还原炉装配图Fig．1　The new reduction furnace drawing overview

图2　模型结构Fig．2　Structure of furnace

图3　热管与硅棒位置示意图Fig．3　Heat pipe and silicon rod position schematic

三维模型直接导入Ansys workbench 14.5中进行网格划分与模拟计算。网格总数2685537，网格质量满足计算的要求并且同时考虑计算能力和计算精度，经过一系列独立性分析之后得到结果。

表1　还原炉结构参数Table 1　Parameters of reduction furnaces

1.2　边界条件设置与迭代计算

1)进出口边界条件:由于进口速度较大，认为气体为可压缩状态，设置质量入口边界条件Q=0.0075 kg/s，气体的辐射吸收系数为 0.05［12］，出口为压力出口边界条件。

2)壁面边界条件:设置壁面、硅棒表面和底盘等的辐射参数见表2，热管壁面采用高度刨光工艺，设定其反射系数为0.8。

表2　壁面物性参数Table 2　Properties of the wall materials

2　结果与讨论

2.1　流场分析与比较

图4a)和图4b)分别给出了2种不同还原炉在垂直对称面(x=0平面)内的速度矢量图。

图4　2种还原炉在x=0处的速度矢量图Fig．4　Velocity vector along x=0 plane in two furnace

比较观察2种还原炉的流场模拟结果:新型还原炉内气体基本上是在热管与硅棒所围成的环隙空间中流动，这是因为硅棒的辐射和热管外壁的反射作用使环隙内温度较高，密度较低;并且热管的存在也对气体的流动起到了定向控制的作用。在气体流向还原炉上部后在套筒上部形成了汇聚，顺着套筒有序地从底部出口流出。而传统还原炉中，气体以较大速度从进气口进入后，在炉膛内部形成全混流，并且在还原炉顶部形成了漩涡，不利于还原炉顶部气体的更新，容易形成温度死区(即因为气体得不到及时更新而造成温度过高的区域);从图4a)还原炉底部也可以看出，由于没有出气口套筒的阻碍传统还原炉的原料气进入炉体内部后，容易未经反应直接从中央出气口排出，造成原料气的极大浪费，进而影响硅棒的生长速度。

2.2　温度场的分析与比较

图5a)和图5b)分别给出了2种不同还原炉在垂直对称面(x=0平面)的温度场分布云图。图6a)、6b)分别给出了2种还原炉在 y=0.1、0.3、0.5和0.7 m平面的温度场分布云图(图6中从下到上依次为y=0.1、0.3、0.5和0.7 m平面)。

从图5a)中可以看出传统多晶硅还原炉顶部有非常明显的温度死区，这是因为原料气以较大速度进入炉体内部后在顶部形成漩涡导致气体不易更新所致。新型多晶硅还原炉成功的避免了炉顶部的温度死区的形成，这是因为新型多晶硅还原炉中安置了内插进气管，促进了还原炉顶部气体的更新，并且内部套筒起到了对顶部气体的收集与导出作用，热管对气体流向的限制使原料气在炉内有序的进出。图6b)中显示在新型还原炉的右部区域出现了少许温度分布不均匀的现象，但是因为其靠近还原炉壁面并且比泡沫硅的生成温度(400℃)要低，所以并不会影响硅棒的生长。

图5　2种还原炉在x=0处的温度场分布云图Fig．5　Temperature contours along x=0 plane in two furnaces

图6　2种还原炉的温度场分布云图Fig．6　Temperature contours in two furnaces

分别求出图6所示各截面处平均温度后做出曲线如图7所示。

图7　2种还原炉不同截面平均温度图Fig．7　Average temperature in different sections

从图7中看出新型还原炉整体环境温度要比传统还原炉中的要低，并且新型还原炉的温度曲线要比传统还原炉的温度曲线变化平缓，更加有利于硅棒的生长。

2.3　辐射分析与比较

图8a)和图8b)分别给出了2种不同还原炉在竖直方向上(y方向)辐射能量的散点图。

图8　2种还原炉在y方向的辐射能量散点图Fig．8　The y direction of the radiation energy scatter plot in two furnaces

从图8中可以看出新型多晶硅还原炉中硅棒向外辐射的能量要明显低于传统还原炉，壁面辐射的能量中新型还原炉也低于传统还原炉，这是由于在新型多晶硅还原炉的内部安插的热管的原因，外壁高度抛光的热管将硅棒所辐射出的能量大部分反射回去，使得硅棒周围环境温度保持在一个较高的水平上，有助于反应的正向进行与多晶硅的沉积;进而也使壁面吸收的能量减少，壁面温度降低，多晶硅还原炉内环境温度降低，从而抑制了泡沫硅的产生。

3　结论

运用Pro/E软件建立了新型还原炉流体传热模型，通过运用fluent模拟比较了传统与新型还原炉的速度场、温度场和辐射能量。发现新型还原炉所设置的内插式进气管与套筒，起到了加快还原炉顶部气体更新和收集还原炉顶部废气并将其有序排出的作用，解决了传统还原炉顶部温度死区的缺陷;新型还原炉安插的外壁面高度刨光的热管，起到了降低总体环境温度的作用，可以有效抑制泡沫硅的产生;并且高度刨光的外表面可以有效反射硅棒辐射出的能量，在环境温度降低的同时，硅棒与热管之间的环境温度保持在一个较高的水平，保证反应的有效进行。并且热管技术应用到多晶硅还原炉中是还原炉发展的一次突破，对以后多晶硅还原炉的发展有很大的借鉴意义。

符号说明:

D—还原炉直径，mm;

d1—进气口直径，mm;

d2—出气口直径，mm;

H—炉体高度，mm;

h1—硅棒高度，mm;

h2—套筒高度，mm;

h3—内插进气管高度，mm;

h4—热管与顶盘连接小圆柱高度，mm;

h5—热管长度，mm;

Q—进气流量，kg·s－1;

T—热力学温度，K。

参考文献:

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