还原炉气柜设计

摘要 多晶硅工厂是一个跨化工、冶金、机械、 电子信息等多学科技术的新型产业，需要将这些学科技术集成于一体。多晶硅工厂所需要的设备多为专用的特殊设备，设计既精细又复杂，如：还原炉、氢化炉、气柜、调功柜，这些设备的设计往往需要涉及到温度、压力、响应时速、自动控制、使用寿命等等。本文着重讨论还原炉气柜设计的注意事项。

关键词 还原炉气柜；多晶硅；特殊设备；高温高压

中图分类号TQ54 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）89-0185-02

多晶硅工厂是一个跨化工、冶金、机械、 电子信息等多学科技术的新型产业，需要将这些学科技术集成于一体。多晶硅工厂所需要的设备多为专用的特殊设备，设计既精细又复杂，如：还原炉、氢化炉、气柜、调功柜，这些设备的设计往往需要涉及到温度、压力、响应时速、自动控制、使用寿命等等。下面主要介绍还原炉气柜设计的注意事项。

1 还原炉气柜工作原理概述

1.1 还原炉气柜的重要作用

还原炉气柜是气态SiHCl3进入还原炉之前最重要的一个设备。来自氯硅烷贮存工序V1400罐区的精制液态SiHCl3，通过输送泵送入三氯氢硅汽化器，被汽化器夹套中蒸汽加热气化，气态三氯氢硅与来自尾气回收工序和氢气制备与净化工序的氢气经气柜混合后，进入还原炉内。在还原炉内通电炽热的硅芯/硅棒表面，三氯氢硅发生氢还原反应，生成多晶硅并沉积在硅棒表面，使硅芯/硅棒的直径逐渐变大，直至硅棒直径达到规定的尺寸150mm左右，停止进料供电，准备停炉。三氯氢硅氢还原反应的同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气，与未反应的三氯氢硅和氢气一起被送出还原炉，至尾气回收工序。

从还原炉气柜的流程图，我们可以得知气柜处理的主要介质为：氢气、氮气（用于置换）、气态三氯氢硅、少量氯硅烷（汽化器次要产物）。

1）氢气：温度范围为0℃～350℃，9.5bar，气态；

2）氮气：温度范围为0℃～150℃，10bar，气态；

3）气态三氯氢硅、少量氯硅烷：温度范围为0℃～350℃，9bar气态；

综上所述，还原炉气柜处理的介质为有毒有害、易燃易爆、高温高压的气体。

1.2 还原炉气柜处理介质的主要特性

1）氢气

该系统中的氢气为无色无味的气体，在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体。如果气柜阀门有H2泄露时，遇到明火会发生爆炸。

2H2+O2=2H2O；

2）SiHCl3

三氯氢硅在常温常压下为具有刺激性恶臭易流动易挥发的无色透明液体。遇潮气时发烟，与水激烈反应：

2SiHCl3+3H2O― （HSiO）2O+6HCl；

在空气中极易燃烧，在-18℃以下也有着火的危险，遇明火则强烈燃烧，燃烧时发出红色火焰和白色烟，生成SiO2、HCl和Cl2：

SiHCl3+O2SiO2+HCl+Cl2；

综上，SiHCl3、氯硅烷可以和空气中的氧气、水分发生反应，所以阀门选型必须考虑氯硅烷泄漏问题。

3）氮气

常况下是一种无色无味无嗅的气体，且通常无毒。其特性稳定，本文不再赘述。

2 还原炉气柜设计的主要注意事项

1）还原炉气柜最好选择不锈钢材质

还原炉气柜所处理的介质为有毒有害、易燃易爆、高温高压的气体。

气柜处于正常工作状态时，氢气为的压力为9.5bar、温度约为350℃，如果气柜中有H2泄露时，遇到明火会发生爆炸；SiHCl3压力为9bar、温度为350℃，如果气柜中有SiHCl3泄漏时，会和空气中的氧气、水分发生反应，产生严重腐蚀和爆炸情况；还原炉气柜应选择不锈钢材质的机柜，这样泄漏的SiHCl3不会对机柜产生腐蚀，同时也可以利用机柜隔绝SiHCl3与空气中的氧气和水之间的反应。

2）还原炉气柜的阀门宜采用气动控制方式

由于还原炉气柜中气体多为有毒有害、易燃易爆、高温高压的气体，所以不建议设计者采用电动控制方式，而采用气动控制方式。

气动控制阀门的优点有：（1）对气体介质和小口径液体介质效果好，这点适合本文的还原炉气柜的设计；（2）成本低，维护方便；（3）可用于危险区域，并可实现故障安全，即一但气源出现故障，可通过弹簧复位，使阀门处于安全位置。所以气动阀可用于本文的还原炉气柜的设计系统，作为紧急切断用；（4）速度快，如应用于紧急切断时，气动阀的关断速度很快；（5）调节精度高。

电动控制方式由于在失电后不能故障关（电动阀没有复位功能，只能保位），因此会影响工艺正常停车，从而会对设备有重大破坏或现场操作人员造成巨大的人身伤害，对企业造成不可估量的损失。

综上所述，出于安全和经济的角度，还原炉气柜的阀门宜采用气动控制方式。

3）还原炉气柜的工艺管线应采取一定的保温措施

还原炉气柜采取的保温措施有：（1）采用厚度不小于50mm 的隔热材料；（2）在工艺管线和隔热材料之间还应加入保温伴热带，对工艺管线进行保温。

还原炉气柜加入了保温伴热环节，可以减少SiHCl3和氢气的初始热量损失，同时减少了物料在工艺管线内凝集管壁的现象。这样介质不会在有死角的地方聚集，减少了工艺阀门和仪表的堵塞现象。

4）还原炉气柜应设计有专用的仪表电缆桥架

还原炉气柜应设计有专用的仪表电缆桥架，这样仪表信号电缆就可以与工艺管线保持一定的距离，一定程度上保护了仪表电缆不会被烫坏，而且机柜内布置会有艺术美感。

5）在放置还原炉气柜的过道一定要安装有毒和可燃气体报警仪表

还原炉气柜系统中的氢气为无色无味的气体，在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体。如果气柜工艺管线或阀门有H2泄露时，操作人员根本没法感觉到。如果安装了MSA的可燃气体报警仪表，那么PPM级别的氢气都可以探测到，这样可以减少操作人员的巡检工作，减少纷繁复杂的无用功，提高了人员和设备的安全。

6）还原炉气柜阀门选型注意事项

还原炉气柜系统中所采用的阀门必须保证在低温低压时不漏，高温、高压（350℃，10bar）压力的情况下不堵，密封形式宜采用波纹管密封形式，其独特的内部结构杜绝了阀杆处外漏。

软密封球阀因结构简单且泄露等级高也被大量使用，在火灾危险场所必须具有防火设计和阀杆防喷出设计，保证在火灾发生时安全可靠运行。

7）还原炉气柜工艺管线最好采用不锈钢

（1）不锈钢具有良好的机械性能。其抗压、抗冲击性强，抗拉强度大，伸长率高，弹性模量值高，热膨胀系数小；（2）防锈耐腐蚀性好。不锈钢材质由于具有防锈和耐氧化、耐酸碱、耐晶间腐蚀性良好等化学性能，其防锈和防蚀比其它材质优越；（3）耐热耐寒，冷热两用，内壁光滑、不结垢、阻力小、流水量大。

参考文献

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