李永哲

（河北晶龍陽光設(shè)備有限公司，河北 邢臺(tái) 055550）

多晶硅錠爐是專為太陽能工業(yè)晶硅電池生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，用于生產(chǎn)高品質(zhì)多晶硅鑄錠的設(shè)備。 采用石墨電阻加熱技術(shù)，全程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步定向凝固結(jié)晶，生產(chǎn)出高品質(zhì)、大規(guī)格的多晶硅鑄錠。

鑄錠爐主要采用熱交換法與布里曼法結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)多晶硅料的熔化與晶體生長。 生產(chǎn)流程為：裝料、加熱、熔化、晶體生長、退火、冷卻。 在整個(gè)生產(chǎn)流程中通過工控機(jī)設(shè)置完各種工藝參數(shù)和預(yù)設(shè)定參數(shù)后，送達(dá)PLC 智能控制器，對(duì)整個(gè)生長過程進(jìn)行全程自動(dòng)控制。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

電源電壓：三相50HZ 380VAC；電源功率：200kW；標(biāo)準(zhǔn)熔料量：450kg； 最高加熱溫度：1560℃； 正常工作加溫溫度：1540℃；爐體極限真空度：≤0.5Pa。

2 主要結(jié)構(gòu)

設(shè)備分為機(jī)械部分和電器部分。 機(jī)械部分包括平臺(tái)、爐體、傳動(dòng)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)。 電器部分包括加熱電源、電源控制柜、控制柜、工控系統(tǒng)。

圖1 多晶硅鑄錠爐整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 爐體

爐體是鑄錠爐的核心部件，內(nèi)部安裝熱系統(tǒng)、陶瓷坩堝、多晶硅料等。爐體由上爐室和下爐室兩部分組成。上、下爐室采用雙層帶夾層的不銹鋼筒體結(jié)構(gòu)，夾層通有冷卻循環(huán)水，能有效帶走凝固長晶散發(fā)的熱量，同時(shí)也保證爐體安全運(yùn)行。 上爐室固定在機(jī)架上，下爐室由三套滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)上下升降以方便裝卸料。 上爐室頂部加裝有不銹鋼法蘭蓋，蓋上設(shè)計(jì)有可觀察爐內(nèi)晶體生長情況圓形觀察口。

2.2 熱系統(tǒng)

熱系統(tǒng)分為保溫組件，加熱組件，熱交換臺(tái)三部分。

保溫系統(tǒng)包括隔熱籠，保溫板。 隔熱籠在上爐體內(nèi)，由不銹鋼框架組成。 保溫板分為頂部保溫板、四周保溫板、底部保溫板。 它們均由高性能碳纖維隔熱材料構(gòu)成。 底部保溫板由三根石墨柱支撐，安裝在下爐體中。 當(dāng)熱籠下降到預(yù)定位置時(shí)，四邊保溫板和底部保溫板組成一個(gè)密閉保溫腔體。 鑄錠爐通過提升隔熱籠來打開保溫裝置，從而使熱交換臺(tái)的熱量可以向下爐室內(nèi)壁輻射，這樣熱區(qū)內(nèi)就形成一個(gè)垂直的溫度梯度，使液硅從坩堝底部開始結(jié)晶并向上生長。

加熱組件由頂部加熱器、四邊加熱器以及絕緣陶瓷件、銅電極、石墨電極柱等附屬件組成。

熱交換臺(tái)在下爐體內(nèi)，用三根石墨柱支撐，用于放置坩堝及均勻坩堝底部溫度，以實(shí)現(xiàn)定向凝固長晶。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)分為熱籠升降系統(tǒng)和下爐室體升降系統(tǒng)。 熱籠提升機(jī)構(gòu)安裝在爐室上部主要由電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、軟軸、直線運(yùn)動(dòng)單元、換向器，提拉桿等構(gòu)件組成。 下爐室升降系統(tǒng)主要由電機(jī)、帶輪、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、軟軸、升降機(jī)、安全制動(dòng)器等構(gòu)件組成

2.4 真空與供氣系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是由羅茨泵、機(jī)械泵、安全閥及其它抽氣管路等附件組成。 羅茨泵和機(jī)械泵同時(shí)工作可以使?fàn)t內(nèi)壓力迅速降至0.008mbar。 當(dāng)需要將工作壓力維持在400～600mbar 時(shí)，可由機(jī)械泵單獨(dú)工作。 抽氣管道包括大口徑抽氣和小口徑抽氣管道，其中大口徑抽氣通過插板閥控制，小口徑抽氣的速率是通過比例閥來調(diào)節(jié)控制的。

供氣部分由質(zhì)量流量計(jì)和電磁比例調(diào)節(jié)閥等管路器件組成，可方便地控制氬氣流量，可滿足爐體不同狀態(tài)下的真空度要求；真空系統(tǒng)與爐體間由擋板閥隔離。

2.5 水冷卻系統(tǒng)

冷卻循環(huán)水通過各管路分別流經(jīng)爐體、銅電極和真空泵，能有效地將多晶硅長晶凝固過程中散發(fā)的熱量帶走，并保證爐體安全有效運(yùn)行；冷卻水歧管配有傳感器，能實(shí)時(shí)反應(yīng)水冷系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，便于控制。

2.6 控制系統(tǒng)與電源供應(yīng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。 上位機(jī)以工控機(jī)為主體構(gòu)成，完成控制工藝的設(shè)置；控制過程的監(jiān)控；各種反饋信息（如：溫度，水流量等）顯示；出現(xiàn)異常情況報(bào)警顯示；統(tǒng)計(jì)和記錄整個(gè)硅結(jié)晶過程的各種參量的變化情況并生成圖表，能有效地反應(yīng)爐體運(yùn)行狀態(tài)。 下位機(jī)以智能控制系統(tǒng)為主體構(gòu)成，完成對(duì)溫度的控制；真空度及充入氬氣的壓力控制；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制；多晶硅結(jié)晶的速度及冷卻水流量等的檢測。

電源系統(tǒng)包括大容量的降壓變壓器及可控硅控制單元。提供給石墨加熱部件所需要的低壓大電流的電源。

3 結(jié)束語

TGS450 多晶硅鑄錠爐經(jīng)過工藝試驗(yàn)取得了良好的控制效果，整機(jī)性能優(yōu)良。 生產(chǎn)的硅錠能滿足太陽能多晶硅切片的需要。

[1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊-3 版【M】,北京：國防工業(yè)出版社，2006.5

[2]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊-23 版【M】,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.8

[3]張金鳳，趙雪峰，程建平.多晶硅鑄錠爐升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，太原科技，2008.9;73-75