倒棒分析与预防措施

倒棒分析及预防措施

倒棒，工业生产中称为还原炉的倒炉，是指在还原炉内硅芯表面进行气相沉积反应的生产过程至预期直径的产品硅棒出炉的这个操作过程中，硅芯缓慢的发生倾斜并在炉内最终倒塌这一生产现象。还原炉发生倒棒现象是多晶硅生产中所不愿看见的，特别是大型还原炉，还原炉的倒棒将会造成一系列的危害。

若还原炉倒棒发生在硅棒生长前期和中期，这将导致生产过程中降低有效的生产时间，使得实际产量降低，造成现场操作工人繁重的劳动和很大的经济损失。

若倒棒发生在后期即停炉阶段，炉内的倒棒可能导致较为严重的后果，此时硅棒直径较大，在炉内的倒塌使得炽热的硅棒在侧倒过程中砸向还原炉内壁，使得炉子的内壁遭到严重破坏，同时还可能使得炉子的电极受到外力的破坏，更换电极工作量非常大，需要耗费大量的人力物力，而且会耽误大量的工作时间，进而导致巨大的经济损失，甚至有可能造成意外的事故及人身伤害。

1.多晶硅倒棒原因分析

通过对实际生产中发生的还原炉的倒棒现象进行总结分析，认为造成还原炉倒棒的主要原因有如下几个方面。

1.1设备本身问题

1.1.1汽化器问题

配比不好调，汽化器压力低。需要内操细心调节，出现气量，尾溫波动及时与现场联系进行调节。

1.1.2还原炉测温装置

在还原炉正常生产过程中，硅芯表面的温度控制1080~1100℃，若硅芯温度过高，则会使得硅芯迅速熔断，进而发生倾斜，直至倒炉。生产过程中由于还原炉的测温装置存在较大的测量误差，特别是硅棒外圈温度，使得炉内的实际温度远超出了正常操作的温度，甚至接近硅芯的熔化温度，实际中许多还原炉的倒棒均是由于这方面的原因导致的。

1.2硅芯质量，装炉过程

硅芯在很大程度上也可能导致还原炉的倒棒现象发生。

炉内安装的硅芯越长，硅芯的重心越高。若炉内产生的压力波动，硅芯的重心越高,硅芯晃动的幅度也越剧烈，严重者即导致硅芯严重倾斜直至倒炉。

同时硅芯影响倒棒的另外一个因素就是硅芯的拉制质量。拉制合格的硅芯应该整体粗细均匀，掺杂比例合适均匀。目前生产中采用石墨夹头和硅芯直接搭接，由于硅芯在拉制和打磨过程中，无法达到所要求的精度，造成硅芯和石墨夹头接触不良，硅芯启动后会出现很多“亮点”。亮点温度控制不好，硅芯就会熔断，进而造成倒棒；同时硅芯的重心一定要在几何中心上，否则在生产过程中由于硅芯棒本身的重心偏移，使得在接下来生产过程中随着硅棒的增长容易发生倒棒。

硅棒的安装是否横平竖直也是导致硅棒发生倒棒的一个重要原因，如果有一定较小的偏移就可能在加压的过程中产生较大的偏移，从而当反应开始时随着重硅棒的增长而倾斜甚至直接倒棒。导致硅芯安装不横平竖直也有以下几个方面的原因。

在硅芯的安装过程中，均是将硅芯以各种形式安装在石墨卡瓣上。同时，多晶硅还原炉电极顶部大都光滑平整并带有一定的锥度，在与石墨夹头连接时，仅仅靠石墨夹头和硅芯棒的重力将两者连接在一起，如果石墨夹头加工精度达不到要求的话，二者的锥度不吻合，将可能无法保证硅芯垂直安装，继而出现倒棒现象。同时安装过程中由于工人的熟练程度和细心程度也可能出现电极头和石墨夹头之间并非锥面接触，而只是线接触，甚至有些地方点接触，在较大电流流过该处时，由于接触面积较小，电阻过大，在此部位产生大量的热量，使

得此处温度急剧升高，极易烧坏电极和硅芯，被迫停炉进行维修更换。

其次，在安装过程中，操作工人为了达到石墨卡瓣与硅芯良好的接触，往往采用拧紧螺母的方法，这样就造成硅芯下端受压力过大。在还原炉启动过程中，还原电气控制系统不能及时依据硅芯电阻的变化而变化，使得硅芯出现较大的电流变化和各个硅棒之间产生一个磁感应力，由于在此阶段，硅芯顶部横梁为悬空状态，下部被卡瓣固定锁死，硅棒所受到的磁力就被转移硅芯根部连接卡瓣处，由于此处受力较为集中，使得硅芯在受到磁感应力以及外加的进料波动压力的情况下，硅芯发生断裂从而导致硅棒的倒棒。

再次，还原炉内硅芯横梁搭接的方式不合适的话，也会在后续生产过程中导致硅芯的熔断和倒棒的发生。若横梁搭接处接触不好，出现点接触时，由于接触面积较小，电阻过大，在此部位产生大量的热量，使得此处温度急剧升高，极易熔断横梁硅芯；同时也可能使得在进料后硅芯之间产生应力导致来回晃动，产生转动扭矩，进而发生倒棒。

1.3控制过程

1.3.1前期的控制

俗话说“从小看大”，前期控制不好直接影响后面的生长，由于汽化器压力较低，气量难提，所以要多注意炉内温度，不宜控制过高，棒花的厉害，还有亮点控制。

1.3.2中期控制

当棒径过40mm的时候，多注意尾温和炉温，看棒涨的快不快，电压下降如何，判断硅棒的生长情况，适当增加电流与混合气。这段时间沉积速率也相对较快。

1.3.3后期与停炉控制

后期调整电流与气量，保证炉温尽量控制在1000℃左右。

对于横梁温差较大的还原炉，停炉过程不宜降电流过快，冷热不均，里热外冷。横梁是连接两个硅棒的，温度高时，处于平衡状态，当降温时，两个硅棒都略微收缩，由于内应力作用，两硅棒从横梁处断开，要防止倒棒，最根本的措施就是严格控制温度。

1.4电气故障

生产中多次出现OR1和OR2熔丝故障，自动降电流（150-250A），这样外圈温度迅速骤降，导致棒涨的慢，横梁温差加大。严重影响生产。（图1）

1.5其它方面

炉筒水的回水温度应当控制在149-150℃，保证外圈炉温散热不宜过快，向内生长过很，重心偏移。

2.倒棒的预防措施

通过对上述倒棒原因的分析，可以采取以下措施对还原炉的倒棒现象加以预防和有效地控制。

2.1优化系统设备

采用合格优质的硅芯可以有效地从根源上避免由于硅芯本身质量问题对后续生产产生的不利影响；选用更为精确的测控设备，能够避免因为系统测控误差对实际生产产生的不利影响。

2.2提高安装操作水平

电极和硅芯的安装对后续正常生产也是一个必备的条件。因此在安装过程中，力争使得硅芯在炉内横平竖直的安装，尽可能降低其安装的不平度；在硅芯和石墨卡瓣的搭接处以及横梁和硅芯搭接处，尽可能保证其接触方式为面接触，尽量避免线接触甚至点接触的出现，从而降低硅芯在通电过程中由于电阻过大而造成局部高温熔断的现象发生。

2.3提高工艺控制操作水平

对于前期气量难加的，可以采取将汽化器温度提高，然后将空烧氢调至30m3/h，将气量往横梁上吹，保证横梁有料，这样电流与气量能平稳的增加，不会因为缺料导致前期棒花，电流就会加的很少。

前期要多次加量，电流及时跟上，保证温度。中后期气量与电流稳中加大。

对合成与回收料控制，能适当增加还原炉运行台数，延长运行时间。

2.4停炉过程

对于横梁温差较大的棒体，停炉之前30分钟左右将电流降至需停炉时的电流，将回收氢开至60m3/h左右，混合气按30分钟降完，电流降至1000A的时候放慢降电流，如停炉出现电压电流曲线波动较大，炉内出现裂棒停止降电流稳定会，待热量散失会在继续降，尽量将电流降的低点，断电前稳15分钟，待电压，尾溫基本持平时断电，会减少断电后倒棒几率。

2.5控制电气故障的产生几率

2.5.1对于熔丝故障来说，基本上产生波动在65-75h之间，由于外圈的电压都相对较高450V左右，达不到U-I曲线标准，所以在这10个小时之间，可以采取电流少加，混合气适当增加来解决，稳过此阶段后，棒体基本较好，而且电耗也比之前要低。

2.5.2对于“串联模式下低电流”跳闸这样故障，停后一定检查AEG柜，看控制盘熔丝是否需换。

3.结论

多晶硅生产中的还原炉操作是一个非稳态过程，还原炉倒棒是由还原炉系统设备、硅芯安装及生产操作控制等多种原因共同导致的一种不利于正常生产的结果。倒棒会大大缩短设备使用年限，有的会使生产过程中有效的生产时间降低，使得实际产量降低，增加现场操作工人的劳动强度和企业经济损失。因此生产中要对整个还原炉系统从设备系统到工人操作调节均加以重视，尽量避免还原炉的倒棒，使得还原系统能够安、稳、长、满、优下进行操作，实现企业的经济效益。

804-1甲班