热场是多晶硅铸钻炉的心心脏,其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现,因此,多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。 1加热方式分析
为使硅料熔融,必须采用合适的加热方式。从加热的效果而言,感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。如果采用感应加热的方式,由于磁场是贯穿硅料进行加热,在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度,破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度,因此我们优先采用辐射加热的方式。 2 加热器的设计
多晶硅铸锭炉加热器的加热能力必须超过1650℃,同时材料不能和硅材料反应,不对硅料造成污染,能在真空及惰性气氛中长期使用。符合使用条件可供选择的加热器有金属钨、钼和非金属石墨等。由于钨、钼价格昂贵,加工困难,而石墨来源广泛,可加工成各种形状。另外,石墨具有热惯性小、可以快速加热,耐高温、耐热冲击性好,辐射面积大、加热效率高、且基本性能稳定等特点,因此我们采用高纯石墨作为加热材料。根据盛装硅料坩埚的特点,加热器设计为如图2形状。
1.石墨加热板;2.石墨加热板;3.角接器;4.石墨电极;5.支承环;6、7、8.碳、碳螺栓、螺母 图 2 石墨
加热器基本结构
2.1石墨加热器的设计计算 该炉基本参数: 额定功率:165 KVA: 最大线电流:3800A: 最大输出电压:25V。 加热器的接线方式(见图3)。
图3 加热器的接线方式
由I线=3800A,可得:I相=3800/ √3=2194A
则每个电阻的电流:IR =2194/2=1097 每个电阻的阻值:R=25/1097=0.0228欧
该加热器由4块加热板组成,则每块加热板电阻: R板=R*4/6=0.0228*4/6=0.0342欧 功率校核:P总=6V2/103R
代入得:P总=165KVA,符合额定功率指标。
2.2加热器表面负荷校核 由总功率可求出每块石墨加热板之功率为: P每块=165/4=41.25 KW 每块石墨加热板表面积: S=(21.2X47.0+5.8X4.8X2-9.6X36.4-0.5X3.14X4.8X4.8)X 3X2=3998.8cm2 石墨加热板实际表面负荷: W=41.25X1000/3998.8=10.32W/cm2 1600℃时,石墨加热器允许表面功率W=25W/cm 加热器设计符合要求。
2.3石墨加热器的应力校核
石墨在低温导热性良好,在高温时导热性下降,造成其表面与心部温度差使断面伸长不一致。产生热应力,从而导致石墨加热器损坏,故应计算其产生的热应力。
对于宽度比厚度大得多的板状电热元件:
式中:t中心为电热元件心部温度:t表面为电热元件表面温度,此处取t表面=1540℃ W为电热元件表面负荷,此处W=10.32W/cm2; b为板状电热元件厚度,此处b=0.02m;
为石墨导热系数,查石墨物理特性表,得376.8 KJ/(m·h·℃) 将各值代入,得: t中心=1540.285℃ 3 隔热材料的设计
对于铸锭工艺而言,为了提高生产效率,要求设备的升温速度尽可能快;由于采用真空工艺,要求炉内温度的放气量尽可能少,缩短真空排气的时间;同时硅料中温度梯度的形成还需要隔热层的精确提升实现,隔热层的质量要尽可能轻,以减少升降时的惯性而影响控制精度。综上所述对于隔热材料的选择要求是:耐高温、密度低、导热小、蓄热量少、隔热效果好、放气量少、质量轻、膨胀系数小,在众多的耐火保温材料中,以高纯碳毡最为理想,因此我们采用高纯固化碳毡作为隔热材料。 确定隔热层固化碳毡的厚度:
间歇生产的真空电炉,通常隔热层外壁面温度为200~300℃,水冷炉壳内温度为100-150℃,隔热层外表面的辐射换热系数可由下式计算: (1) (2) (3)
tw1为隔热层内壁画温度,此处取tw1=1600℃; tw2为隔热层外壁面温度,此处取tw2=250℃; Q为隔热层散失的总热量,此处已求得Q=3486.OW/m2。 将各值代入(5)式,得: 故该铸锭炉隔热层固化碳毡厚度取90mm。隔热层组件利用一个方形的小锈钢笼来支撑和固定。
多晶硅坩埚烧结炉主要用于光伏太阳能产业,用于多晶硅铸锭工艺中的坩埚氮化硅喷涂后的烘烤固化,也可用于其它行业各类制品的加热处理和烧结。它去除了国内传统烧结炉的台车轨道,改用聚氨酯活动轮,即节省了空间,更方便了台车的装卸料,用户也不必预作设备基础,放在平地上就能使用。传统烧结炉的台车是在固定的轨道上往返运动,不能离开轨道,只能一辆台车工作,而本烧结炉不但活动范围大(不需要轨道),而且可以两辆台车轮流使用,完全省去了因台车在装卸料过程中的等待时间,大大提高了生产效率。烧结炉采用复合型隔热层,
所用的耐火保温材料以及电加热元件采用进口产品,具有体积小、外形美观、温度控制精确等特点,操作非常简单、方便。 本烧结炉的加热系统,设计采用了先进的多区域控温以及独特的加热件排列方式,使得炉内温度非常均匀,炉身两侧增设了通风管道和鼓风机,炉顶设有电动的排气阀门和热能回收用的聚热罩,快速冷却系统能够使炉膛内温度快速下降,降温速度比普通电炉快一倍,所有升温、降温过程都可以自动控制。控温方式采用两种方式供用户选择,一种是采用PID智能温度控制仪表控制温度,功率可以从1%到100%自动调节,可以设置多段升温和降温曲线,仪表可以自动储存40个工作日内的工作曲线,可以用U盘拷贝出40个工作日内的工作曲线,在电脑保存,这种方式比较简单容易操作;另外一种是由PLC自动控制,操作界面使用进口触摸屏,用户只要在触摸屏上输入各个阶段的温度值、时间、升降温的速度等参数后,按下启动按钮或者输入启动日期和时间后按下定时启动按钮,整个升降温过程全部自动完成,并且电炉的各种工作状态在触摸屏上一目了然,用户可以在触摸屏上预设和保存十套程序,也就是十套温度曲线,这种方式对操作人员的文化素质要求较高。 烧结炉还设有多种安全保护装置,如炉内温度超过开门温度(此温度可由用户自行设定)时,炉门将自动锁住,即使停电也无法打开炉门,炉门限位开关和台车限位开关等安全装置,可以有效地避免人为的误操作,杜绝了安全隐患。另外还设有独立的温度超限保护,可以在系统发生故障,炉内温度超过极限温度时自动报警并切断所有加热元件的电源,保证了设备的安全。 技术参数。 型号 外形尺寸(L*H*W) 炉膛尺寸(L*H*W) 控制柜外形尺寸(H*W*D) 额定功率 最高额定温度 控温区域 炉膛外壁表面温升 空升温时间 温度均匀度 可烧结坩埚数量 炉体自重 电源要求
RTSJ-189-11 4000*1800*2300mm 3000*1100*1000mm 1800*1000*500mm 189KW 1100°C 五区控温 ≤20°C ≤2h ±2°C 6只 6200Kg AC380V±10% 50HZ
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