基于Fluent的多晶硅还原炉关键结构优化设计.pdf

第 52 卷 第 11 期2023 年 11 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.11November,2023基于 Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计孙泽刚1,葛自豪1,石荣秋1,费天文2(1.四川轻化工大学机械工程学院,自贡 643000;2.四川省华夏阀门有限公司,自贡 643000)摘要:改良西门子法是多晶硅生产的主要方法,而多晶硅还原炉是多晶硅制备的主要设备。针对传统多晶硅还原炉的流场、温度场和辐射场不均匀导致生产的多晶硅尺寸不规则的问题,本文对还原炉的炉顶封头结构、出气口位置布局和硅棒底盘布局进行优化设计。利用 Fluent 软件 Do 辐射模块对多晶硅还原炉进行气-固辐射仿真分析,对比优化前后的流场、温度场和辐射场的云图、流线图等,结果表明:上出气口排气设计能够有效提高炉内气体流动速度,减少炉内气体回流,增加气体流动均匀性,有效解决炉内顶部产生的温度死区,平衡炉内上下温度差;椭圆形顶部封头优化了还原炉整体空间,降低设计成本,有效抑制圆形封头中气体旋涡的产生,增加炉内气体流动均匀性;采用平行圆周对称式硅棒增加整体辐射量,优化了传统还原炉中外圈硅棒与中心硅棒辐射不均匀现象,有效防止了不规则硅棒的产生,提高了多晶硅的产量,为多晶硅还原炉的结构设计提供一个新的方案。关键词:多晶硅还原炉;Do 辐射模块;结构设计;出气口布局;炉顶封头;硅棒底盘布局中图分类号:TK175;O78文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)11-1952-09Optimization Design of Key Structure of PolycrystallineSilicon Reduction Furnace Based on FluentSUN Zegang1,GE Zihao1,SHI Rongqiu1,FEI Tianwen2(1.College of Mechanical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Zigong 643000,China;2.Sichuan Huaxia Valve Co.,Ltd.,Zigong 643000,China)Abstract:The improved Siemens method is the main method for polycrystalline silicon production,and the polycrystallinesilicon reduction furnace is the main equipment for polycrystalline silicon preparation.Aiming at the problem of irregular sizeof polycrystalline silicon produced by the uneven flow field,temperature field,and radiation field of traditional polycrystallinesilicon reduction furnaces.This article optimizes the design of the furnace top sealing head structure,air outlet layout,andsilicon rod chassis layout of the reduction furnace.Using the Do radiation module of Fluent software,a gas-solid radiationsimulation analysis was conducted on a polycrystalline silicon reduction furnace.The cloud and streamline diagrams of the flowfield,temperature field,and radiation field before and after optimization were compared.The results show that the exhaustdesign of the up-outlet effectively improve the gas flow velocity in the furnace,reduce gas reflux,increase gas flow uniformity,effectively solve the temperature dead zone generated at the top of the furnace,and balance the temperature difference betweenthe upper and lower parts of the furnace;the elliptical top head optimizes the overall space of the reduction furnace,reducesdesign costs,effectively inhibits the generation of gas vortices in the circular head,and increases the uniformity of gas flow inthe furnace;at the same time,a parallel circular symmetric silicon rod is used to increase the overall radiation amount,optimizing the uneven radiation phenomenon between the outer ring silicon rod and the central silicon rod in traditionalreduction furnaces,effectively preventing the generation of irregular silicon rods,improving the production of polycrystallinesilicon,and providing a new solution for the design of polycrystalline silicon reduction furnaces.Key words:polycrystalline silicon reduction furnace;Do radiation module;structural design;air outlet layout;furnace topsealing head;silicon rod chassis layout 收稿日期:2023-05-28 基金项目:四川省科技计划(2022YFG0075);过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金(GK202104)作者简介:孙泽刚(1975),男,四川省人,博士,副教授。E-mail: 第 11 期孙泽刚等:基于 Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计19530 引 言当前,我国面临着化石能源枯竭危机,取代化石能源的太阳能光伏发电成为一种解决能源问题的新思路1。对于太阳能光伏发电产业来说,多晶硅生产是十分重要环节,其生产成本占整个产业链成本的 30%以上。多晶硅还原炉是改良西门子法工艺中生产多晶硅的核心设备,原料气体 SiHCl3与 H2在炽热硅芯表面发生化学气相沉积反应生成晶体硅2,产品硅最终以棒状的形态从还原炉取出。而在反应过程中还原炉内流体域合理的温度分布对于多晶硅生长速率至关重要。多晶硅还原炉内温度的变化主要是通过硅棒与还原炉内壁之间的辐射换热,因此还原炉结构的改变会直接影响内部温度场的变化,从而影响还原炉内部反应速率。近年来国内外很多学者采用数值模拟技术开展多晶硅还原炉性能优化研究。Del Coso 等3在假设还原炉内气体流动为层流的条件下,对多晶硅 CVD 反应器中高温硅棒的热辐射损失进行了细致的数值模拟研究,并提出减少单位产品能耗的方法,研究表明,增加炉内硅棒数目,增强内壁材料发射率可以明显降低还原能耗。Del Coso 等4提出可以采用高频电流源加热硅棒来改变多晶硅还原炉中硅棒表面温度均匀性,同时增加硅棒数目或者添加热屏蔽罩也可以明显地使得能耗降低,但是硅棒的分布、直径、高度会影响炉内混合气体流场及温度场分布的均匀性。An 等5通过建立一个 24 对硅棒的还原炉模型分析了不同物料进口速度下炉内的速度、温度、复杂浓度等,发现高入口速度更有利于获得均匀的速度、温度、复杂浓度和硅沉积速率分布,从而获得更好的硅 CVD 性能。张胜涛6借助于 PolySimTM软件对还原炉反应过程进行建模仿真,择优选择了两种不同的喷嘴直径间隔,改善了多晶硅沉积。王晓静等7对传统多晶硅还原炉进行改进:1)增设了外壁高度抛光的热管;2)在炉膛内部中央气口处增设了套筒;3)增加了 3 个内插进气口。徐志远等8采用 Fluent 软件对还原炉的硅棒生产过程进行模拟分析,发现多晶硅还原炉的能耗随着内衬热导率、内衬发射率的增大而增大,内衬热导率的增加可降低内衬表面温度。李有斌等9分析还原炉实际生产过程中硅棒在沉积前、中、后期倒棒的原因并提出了相应的改进措施。以上研究主要是针对多晶硅还原炉内单独的不同参数对反应过程的影响,通过模拟改变不同的进气口速度、气体流量、反应温度、硅棒对数等参数,观察改变后的内部流场、温度场和辐射场,以达到优化的效果。本文主要是通过改变传统的多晶硅还原炉的结构,对多晶硅还原炉的出气口位置、炉顶封头和硅棒底盘布局方式进行优化,提出了一种新型的多晶硅还原炉结构,通过数值模拟的方法探究优化前后的多晶硅还原炉的流场、温度场和辐射场,利用 Fluent 软件建立不同改良西门子多晶硅混合气体流道 CFD 有限元速度、温度及辐射计算模型,并设定监控点或面,测试该点/面的流速或流量10,并获得监测数据。根据云图和监测数据分析表明,新型多晶硅还原炉对于炉内反应过程中的速度、温度和辐射量都有明显提升和优化,降低了反应过程的能源消耗,提高利用率。1 数值模型1.1 数学模型气体在流动过程中遵循物理量守恒的规则,多晶硅还原炉内的物料气体也同样遵循守恒规则,其中最基本的守恒就是质量、能量与动量的守恒11。1.1.1 质量守恒方程质量守恒方程也可以称为连续性方程,简单表述就是单位时间内流体微元的质量变化率为零,其公式为t+(u)x+(v)y+(w)z=0(1)式中:为流体的密度,u、v、w 分别为流体在 x、y、z 方向上的速度,t 为单位时间。本文研究的气体为不可压缩介质,密度为常数,方程简化为ux+vy+wz=0(2)1.1.2 动量守恒方程动量守恒方程就是 N-S 方程12,方程本身满足牛顿第二定律,可表述为流体微元动量对时间的变化率1954研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷与受到外界作用力矢量和。uit+uiuj xj=-pxi+ij xj+Fi(3)式中:p 为流体微元受到的压力,ij为由于分子之间的黏性作用而在微元表面产生的黏性力的分量,xi、xj分别为 x 方向分量,ui、uj为 x 方向上的速度分量,Fi为作用在流体微元上的质量力,gi为重力加速度分量。1.1.3 能量守恒方程能量守恒方程13也叫作能量守恒定律,它可以由热力学第一定律按照一定的规则进行推导,其基本表达形式为t(E)+xj(ui(E+p)xjT xj-jhjJj+ujij+Sh(4)式中:为流体的密度,是传热系数,p 为流体微元受到的压力,Jij是组分 j 的扩散流量,Sh代表流体黏性热耗散项,T 为流体温度,xj分别为 x 方向分量,ui为 x 方向上的速度分量,E 是流体的内能、动能、势能之和。E 可以由以下公式进行计算。E=i+p+u2i2=h-p+u2i2(5)式中:i 为流体内能。1.2 几何模型本文主要探究的是多晶硅还原炉,而在实际设备当中存在许多附属组件,因此在 Fluent 模拟过程中将对模拟结果影响小或者没有影响的结构去掉,可以提高模拟效率,最后将不必要的部件简化。多晶硅还原炉整体主要由三部分组成:还原炉底盘、一定对数硅棒和还原炉外罩,示意图如图 1 所示。在反应过程中气体物料通过还原炉底盘的进气口以一定速度喷入炉内,之后通过气体与硅棒之间的化学反应,多晶硅析出附着在硅棒表面,反应中产生的废气则是通过出气口排出。图 1 多晶硅还原炉零件几何模型Fig.1 Geometric modeling of polysilicon reduction furnace parts采用三维建模软件 SolidWorks 对 12 对硅棒的多晶硅还原炉建立物理模型后导入 ANSYS 中的Designmodel 模块,其中多晶硅还原炉底盘半径 R1=800 mm,还原炉整体高度 H1=3 560 mm,硅棒高度 H2=2 492 mm,进气口直径 R2=40 mm,出气口直径 R3=120 mm。结构示意图及网格法划分如图 2 所示。本文在模拟过程中,为了消除网格数量对数值模拟运算结果的影响,对 12 对硅棒还原炉模型划分了 5种网格数来进行网格无关性验证,网格数分别是 181 万、202 万、210 万、255 万、289 万。观测的参数为炉内z=1.0 m 长度上 x 方向的温度值,发现网格数增加至255 万和289 万时,温度曲线几乎重合,变化很小,如图3 所示。1.3 边界条件与迭代计算由于 Fluent 材料库里不包括 SiHCl3的气体性质,并且 SiHCl3与 H2混合气体的摩尔比 110,对辐射能吸收小,因此采用纯氢气替代混合气体,气体为不可压缩气体14。将 Fluent 边界条件中的进口设置为速度进口(velocity-inlet),将 Fluent 边界条件中的出口设置为压力出口(pressure-outet),设置出口反应压力为0.55 MPa。设置重力加速度为-9.81 m/s2,方向垂直向下。计算边界条件见表 1。第 11 期孙泽刚等:基于 Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计1955图 2 多晶硅还原炉结构示意图Fig.2 Schematic diagram of polycrystallinesilicon reduction furnace structure图 3 网格无关性验证Fig.3 Grid independence verification表 1 计算边界条件Table 1 Calculation boundary conditionsParameterNumerical valueInlet-velocity/(ms-1)70Inlet-temperature/K413Surface temperature of silicon rod/K1 423Reduction furnace wall temperature/K573Surface emissivity of silicon rod0.7Reduction furnace wall emissivity0.5多晶硅还原炉材质为不锈钢316L,设置不锈钢316L 的密度为7 820 kg/m3,定压比热容为460 J/(kgK),热导率为 18 W/(mK)。硅棒材料为多晶硅,设置硅的密度为2 340 kg/m3,定压比热容为116 J/(kgK),热导率为80 W/(mK)。考虑计算精度要求及计算机运行能力选择 Realizable k-模型作为求解湍流模型。同时选择 DO 辐射模型作为 Fluent 模拟过程中的辐射换热模型15。2 优化设计过程更加均匀的速度、温度和辐射分布能够提供更佳的还原炉反应环境,从而有助于生成更好的多晶硅硅棒。本文主要通过还原炉结构的改进,包括出气口位置、出炉顶封头和硅棒底盘布局16,对仿真过程中还原炉内部的温度场、速度场和辐射场的大小及分布均匀性进行优化设计。利用 Fluent 中后处理来对不同结构(两种不同的出气口的位置、不同的炉顶封头设计和三种不同的硅棒底盘布局)下还原炉内部空间的仿真结果进行分析,从而设计出最佳的优化结果。2.1 出气口位置优化首先通过对传统多晶硅还原炉17进行模拟仿真发现,传统的多晶硅还原炉由于出气口位于底盘,当气体以较高的速度进入还原炉并到达还原炉上方时,炉内上方气体并不流通,易形成回流,从而导致气体无法进行更新,形成温度死区。因此本文通过将出气口设置到还原炉正中顶部来改进还原炉内部气体流动的不均匀性。如图4 所示为两种不同的出气口位置的还原炉结构图。上下出气口位于还原炉正中央,其尺寸 R3=40 mm。对两种不同结构的多晶硅还原炉进行仿真分析,如图 5 所示为两种不同出气方式的还原炉在垂直对称面(x=0 mm)的速度云图。比较两种不同出气口位置的多晶硅还原炉的速度流场云图可知,下出气口的多晶硅还原炉由于出气口位于正下方,当气体通过下方进气口进入还原炉后向炉内上方流通,并与硅棒进行化学反应时,因顶部气体不流通使得气体出现回流现象,并且此时化学反应产生的废气也随着新气体一起运动,废气无法及时排出还原炉,导致生产的多晶硅硅棒纯度降低。并且炉内顶部气体无法及时更新导致出现温度死区18(即气体无法进行更新,导致局部温度过高的现象)。同时在下出口的还原炉上方中气体流动速度较低,内部流动不均1956研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷匀,这会导致硅棒顶部接触到的气体较少,易导致生成的硅棒不规则。而在上出气口的还原炉中,由于出气口设置在炉内顶部的上方,气体通过进气口进入,与硅棒之间的反应生成的废气可以通过上出气口顺利排出,并且上出气口的内部气体流动明显更加均匀,炉内气体流动速度较高,减少了气体漩涡的出现,改善了温度死区出现的现象。并且硅棒与气体接触得更加充分,硅棒顶部也保证可以与充分的气体进行反应。如图 6 所示为两种不同出气口位置的多晶硅还原炉垂直方向内部气体速度对比图。图 4 2 种不同出气口还原炉结构示意图Fig.4 Schematic diagram of two different air outlet reduction furnace structures图 5 2 种不同出气方式的还原炉在垂直对称面x=0 处的速度云图Fig.5 Velocity cloud map of two different gas dischargemethods of reduction furnaces at the verticalsymmetrical plane x=0图 6 2 种不同出气口多晶硅还原炉垂直方向速度Fig.6 Vertical velocity of polycrystalline siliconreduction furnace with two different air outlets通过对比两种不同速度曲线图可以清楚地发现,随着炉内高度的上升,下出气口的多晶硅还原炉内气体流动速度明显下降,并且高度越高速度下降越快,而在上出气口的多晶硅还原炉中,随着高度上升,炉内气体流动速度趋于平稳,速度保持在 8 20 m/s。这充分说明在上出气口的多晶硅还原炉内气体流动速度更快,流动更均匀,更加适合均匀硅棒的产生。2.2 炉顶封头优化在传统的多晶硅还原炉中,圆形封顶会导致气体在炉内上方形成气体旋涡,这会导致气体大量汇集而形成温度死区,不利于多晶硅的生产环境。因此本文中对多晶硅还原炉炉顶封头进行结构优化,将传统的圆形封头改为椭圆形封顶,两种封顶结构示意图如图7 所示。圆形封头 R4=800 mm,椭圆形封头短轴长度 L=360 mm。对两种不同炉顶封头的多晶硅还原炉进行仿真分析,如图 8 所示为两种不同多晶硅还原炉炉内速度流线图。第 11 期孙泽刚等:基于 Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计1957图 7 2 种不同炉顶封头的多晶硅还原炉结构示意图Fig.7 Schematic diagram of the structure of polycrystallinesilicon reduction furnaces with two different top sealing heads图 8 2 种不同炉顶封头的多晶硅还原炉速度流线图Fig.8 Velocity streamline diagram of polycrystallinesilicon reduction furnaces with two different top sealing heads如图 8 所示,观察圆形炉顶封头的速度流线图发现,当气体流动至炉顶后,顶部圆形结构导致气体出现旋涡,而反应过程中生成的废气也随着气体旋涡到达炉顶上方无法顺利排出,大量废气会导致顶部气体无法有效更新,从而降低反应生成速率。同时由于炉顶采用圆形封头,整体还原炉造型较高,有效反应面积占比较低,资源消耗较高。而在椭圆形炉顶封头的多晶硅还原炉中,由于采用椭圆结构,当气体运动至炉顶时,气体随着顺时针向下继续流动,不会在顶部进行大量汇集而产生旋涡。气体反应产生的废气和未完全接受反应的气体能够通过流动进行二次反应或经底部出气口排出。同时硅棒上方的无效空间占比较低,节约炉顶材料使用。2.3 硅棒底盘布局优化多晶硅还原炉内硅棒的底盘布局方式对多晶硅的生产有较高的影响,根据吴建宏19的研究发现,更加均匀的喷嘴布局对于多晶硅的生产有利。因此本文主要分析了三种不同的硅棒布局方式下温度场和辐射场的变化,如图 9 所示为三种不同硅棒底盘布局。图 9 3 种不同的硅棒底盘布局方式Fig.9 Three different chassis layouts of silicon rods通过对三种不同硅棒布局方式的多晶硅进行模拟仿真,对三种不同情况下的温度场和辐射场进行分析,图 10所示为三种不同硅棒底盘布局在垂直对称面 x=0 处的温度场。比较 3 种不同的温度云图发现,当硅棒采用单圈圆周式的布局方式时,多晶硅还原炉内顶部温度明显高于其他部分,上下空间温度较大易导致不同部位的硅棒进行反应时接收的温度不同,从而使得生成多晶硅的速率相差较大。而当硅棒采用双圈对插圆周式时,炉内顶部温度有所改善,但中心区域温度过高,这是由于内圈硅棒与外圈硅棒之间的距离并不相同,距离较近的两对硅棒之间辐射传热量较高,热量传递更加便捷,从而使得中心区域的温度过高。同样,不均匀的温度分布会导致距离较近的硅棒之间的反应速度高于其他硅棒,生成的硅棒形状尺寸不规则。而当将对插式的硅棒变为圆周平行式时,炉内温度有明显改善,局部高温区域基本消失,圆周平行式的硅棒布局使得各对硅棒之间的距离相同,同样辐射传热的距离相同,从而生成的硅棒尺寸相比于前两种更加均匀。如图 11 所示为三种不同硅棒底盘布局的还原炉在 Y 方向 h=2.5 m 处的辐射云图。1958研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷图 10 3 种不同硅棒底盘布局方式的多晶硅还原炉在垂直对称面(x=0 mm)温度云图Fig.10 Temperature cloud diagram of polycrystalline silicon reduction furnaces with three different chassis layouts of siliconrods on the vertical symmetry plane(x=0 mm)图 11 三种不同硅棒底部布局的还原炉在 Y 方向 h=1.5 m 处的辐射云图Fig.11 Radiation nephogram of reduction furnaces with three different bottom layouts of silicon rods at h=1.5 m in the Y-direction 观察三种辐射云图也可以发现,单圈和双圈的辐射云图都有明显的辐射量不均匀部分,在单圈布局的辐射云图中,炉内中心区域距离硅棒较近导致辐射接收量较低,每对硅棒的内外单硅棒之间接收的辐射量也不相同,外硅棒明显低于内硅棒。而在双圈对插布局中由于内圈与外圈硅棒之间的距离相差较大,外部辐射传热的热量明显低于内部,不均匀的辐射接收量会导致生成不均匀的多晶硅硅棒。相较于前两种布局云图,圆周平行式的布局辐射云图均匀,内外圈硅棒的辐射传热量均匀,没有出现明显的辐射量区域,是一个非常适合均匀硅棒生产的硅棒布局方式。第 11 期孙泽刚等:基于 Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计1959如图 12 所示为 3 种不同硅棒布局在 Y 方向 h=1.5 m 的辐射量曲线图。比较 3 种曲线发现,双圈圆周平行式布局方式的辐射相比于其他两种明显更加均匀,辐射水平保持在700 000 800 000 Wm-2。而单圈圆周式由于硅棒分布在外侧,内部辐射量明显较低,并且不同位置的辐射量差别明显;双圈对插式布局由于中心区域的硅棒之间的距离较近,会形成内部辐射量较高,外部辐射量较小的现象,内外圈的辐射差别过大会导致不均匀的多晶硅材料的生成。图 12 3 种不同硅棒布局 Y 方向 h=1.5 m 的辐射量曲线图Fig.12 Radiation curve of Y direction h=1.5 m for three different silicon rod layouts3 结 论采用 SolidWorks 软件建立不同结构的 12 对硅棒多晶硅还原炉流体传热模型,通过 Fluent 软件模拟不同结构设计下多晶硅还原炉的速度场、温度场和辐射场。结论如下:1)上出口出气方式比下出口出气方式能够提供更加均匀的气体流动环境,增加气体流动速度,将化学反应生成的废气及时排出炉体。减少了气体漩涡的出现,避免或减少温度死区的出现,保证硅棒顶部空间可以与充分的气体进行反应。2)多晶硅椭圆形封头能够有效改善圆形封头带来的气体旋涡问题,增加炉内气体流动速度,硅棒顶部空间气体能够有效更新。3)圆周平行式的硅棒布局在反应过程中产生的辐射范围更加广泛,提供了一个充分均匀的辐射环境,保证每对硅棒之间能接触相同的辐射量,有利于形状规则多晶硅的生产。本文对多晶硅还原炉的外部结构进行优化设计,为改良西门子法工艺提出了新的炉内结构优化方向,为还原炉的发展提供了借鉴。参考文献1 宋张佐.多晶硅还原炉产能影响因素分析及提升措施J.山东化工,2019,48(9):143-144.SONG Z Z.Analysis of factors affecting productivity of polysilicon reduction furnace and improvement measures J.Shandong ChemicalIndustry,2019,48(9):143-144(in Chinese).2 石何武,汪绍芬,郑红梅,等.多晶硅还原炉装备发展展望J.有色设备,2020(1):1-3+29.SHI H W,WANG S F,ZHENG H M,et al.Development prospect of polysilicon reduction furnace equipmentJ.Nonferrous MetallurgicalEquipment,2020(1):1-3+29(in Chinese).3 DEL COSO G,DEL CAIZO C,LUQUE A.Radiative energy loss in a polysilicon CVD reactorJ.Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95(4):1042-1049.4 DEL COSO G,TOBAS I,CAIZO 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