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【摘 要】本文对多晶硅铸锭炉的设备进行了研究，主要是对钢结构平台及炉体、加热隔热系统、真空与供气系统、水冷却系统、电源供应与控制系统、电控系统及上下料机构方面进行了详细的分析。
【关键词】多晶硅铸锭炉；加热器；结构
多晶硅铸锭炉是针对太阳能多晶硅铸锭需要而开发的，该炉型采用电阻式四周加热，结合了最新的铸锭工艺技术，融入了优化的热场与控制系统， 长晶时通过对炉顶保温体的控制形成铸锭所需的垂直温度梯度，使坩埚内的硅料从炉体底部向上长晶，当长晶完成后，在程序的控制下，硅锭经过退火、逐步降温等步骤后完成铸锭。多晶硅铸锭炉为太阳能电池片生产提供着大量稳定和廉价的多晶硅硅锭。由于生产成本的激烈竞争，对硅锭的尺寸、质量及生产效率方面提出了更高的要求[1]。本文主要针对铸锭炉设备的结构进行了分析，逐步研制开发更大尺寸的多晶硅铸锭炉，对光伏产业的发展有重要的促进作用。
1.多晶硅铸锭炉结构分析
1.1钢结构平台及炉体
多晶硅铸锭炉由不锈钢材质制成，由炉顶、炉身和炉底三部分组成。钢结构部份分上下两层，中部三支腿支撑炉体以及驱动装置，外部四个立柱支撑整个钢楼面，侧面装有楼梯，楼层上部围有护栏，楼层下有承载电缆和冷却水管等的桥架系统。整个炉体的中部为圆柱形，上下端呈球形，分内外两层，中间通有冷却水。从中部法兰面分上下两部分，上炉体由三个支腿支撑固定，下炉体则是由三个升降器控制，通过升降器使下炉体上下移动。当上下炉体闭合时，法兰面上的密封圈被紧压，同时合上锁紧装置，保证炉体的气密性。
炉顶起着固定顶部加热体、连接加热水电缆、安装顶部测温装置、连接通气管路的作用。上炉顶盖板采用了防爆设计，以便减少了事故发生率。炉身通过三个支架支撑在地面上，炉顶直接放置在炉身上，并通过法兰密封；炉底通过液压系统悬挂在炉身上，在液压控制炉底提升封炉时，通过法兰密封条进行真空密封。炉底与炉身采用液压悬挂机构，液压机构可以控制炉底停止在行程内的任意平衡高度。炉底设有多个测温点，可以对炉内坩埚的多个高度和不同的位置进行测温，使得炉内的底部温区状况能够清晰的在显示屏上显示出来。 坩埚平台的材质为高纯石墨材料，通过多根石墨柱支撑。
1.2加热隔热系统
多晶硅铸锭炉采用的是双温区电阻加热熔硅，采用的热场方式是通过提升保温体，底部降温方式来完成晶体硅的定向凝固方式。在不锈钢笼里有两层隔热介质，由3个隔热层提升杆支撑不锈钢笼。隔热层由碳纤维制成的，故能降低成本且便于更换。隔热元件相互交叠以免防止热量损失。这样热区内就形成了一个竖直的温度梯度使硅锭从熔体底部向顶部开始长晶。隔热笼在上炉体内，由上下两层不锈钢框架组成，框架内衬有碳纤维隔热材料，该材料为平板状，便于安装与更换，整个框架可以上下移动。铜电极从炉体上方穿入，连接至加热部件，加热部件位于隔热笼内，由四组加热器组成，呈四方型。在下炉体内，用支撑杆支撑着双层隔热材料组成的隔热平台和特殊材料制作的热交换台，坩锅放置在热交换台上。
1.3真空与供气系统
真空系统是由真空机组、安全阀及其他管路等附件组成，可以使炉内的压力迅速降至0.005mbar。由比例调节阀等控制氩气进出量。炉体的真空系统采用专门针对铸锭的机械真空泵系统，在工作的大部分时间，采用维持泵进行维持，在需要抽真空的时候，又可以快速地完成真空功能。既保证工艺的真空度需要，又能够最大限度地节约能源。
1.4水冷却系统
冷却循环水分八路，通过管路分别流经炉体的上中下部、电极和真空泵，冷却水支管装在钢结构部件的后方支脚上，并配有传感器，便于控制。升温后的水通过冷却塔进行热交换，并用水泵送回。冷却水采用水电缆、炉壁分别冷却的，冷却水塔可以采用风冷，不需要冷冻水，可以降低用户的成本，减少用户的投资。各路水冷系统均带有流量和压力实时监控功能。水路应带有备用泵和备用水箱，以防停电停水时，炉内的冷却水能够保持供应。
1.5电源供应与控制系统
控制系统分为上位机和下位机，上位机以工业控制计算机为主体构成完成监控和输入参数等功能，下位机以智能控制系统为主体构成。大致可以分为以下几大部分：上位机完成控制工艺的设置，控制过程的监控，各种反馈信息（如：温度，水流量，隔热区位置，控制阶段等）显示，出现异常情况报警显示，统计和记录整个硅结晶过程的各种参量的变化情况并生成图表。智能处理器作为控制系统的下位机单元，完成对温度的控制，真空度及充入氩气的压力控制，隔离笼的提升控制，多晶硅结晶的速度及冷却水流量等的检测。加热器电源系统包括大容量的变压器及控制单元。提供给加热体所需要的大电流电源。真空系统控制单元包括对真空机组、气体流量的控制及真空度检测。运动控制单元控制下炉体的升降运动及隔热区的提升等动作。系统电源单元包括总电源开关，控制柜内配电保护等。
1.6电控系统
炉子的所有的机构和电气部分，从炉底的升降开始，到真空泵、冷却水、加热体的加热、炉内各处的温度，均在电控系统的监控之下。所有的数据均以数字和曲线的方式实时显示，值班工人从电控系统的操作界面上可以看到炉内外所有的信息和状态，并对炉子实行操作。所有的数据均设有报警限，一旦超限将自动报警。通常上限和下限可各设两级报警限。系统的控制软件的设置，使得用户可以用灵活的控制方式来实现工艺的控制。可以按照事先输入的温度设定值曲线进行控制，也可以按照功率设定值曲线进行控制，并且还可以按照一定的算法来对某一参数或几个参数同时进行复杂的控制，这些灵活多变的控制方式能够使用户更加方便地实现自己的工艺。
1.7上下料机构
采用炉底下降的方式来进出料，炉底的升降由液压系统控制。
2.结束语
多晶硅铸锭主要用于太阳能级多晶硅锭的生产，经过工艺试验取得了良好的控制效果，性能优良，运行稳定可靠，就能有效地降低了生产成本，提高了生产效率，为光伏产业的发展提供了必要的设备。
参考文献：
[1]赵雪峰，DDL-500型多晶硅铸锭炉的开发与设计[J].材料制备工艺与设备， 2013.220（6）：17-20.
作者简介：
张东（1981-），男，四川彭山人，讲师，从事电子材料与元器件的研究。
基金项目：
本文为乐山职业技术学院科研课题“铸锭硅热场性能的优化研究”，项目编号： KY2014004。
【关键词】多晶硅铸锭炉；加热器；结构
多晶硅铸锭炉是针对太阳能多晶硅铸锭需要而开发的，该炉型采用电阻式四周加热，结合了最新的铸锭工艺技术，融入了优化的热场与控制系统， 长晶时通过对炉顶保温体的控制形成铸锭所需的垂直温度梯度，使坩埚内的硅料从炉体底部向上长晶，当长晶完成后，在程序的控制下，硅锭经过退火、逐步降温等步骤后完成铸锭。多晶硅铸锭炉为太阳能电池片生产提供着大量稳定和廉价的多晶硅硅锭。由于生产成本的激烈竞争，对硅锭的尺寸、质量及生产效率方面提出了更高的要求[1]。本文主要针对铸锭炉设备的结构进行了分析，逐步研制开发更大尺寸的多晶硅铸锭炉，对光伏产业的发展有重要的促进作用。
1.多晶硅铸锭炉结构分析
1.1钢结构平台及炉体
多晶硅铸锭炉由不锈钢材质制成，由炉顶、炉身和炉底三部分组成。钢结构部份分上下两层，中部三支腿支撑炉体以及驱动装置，外部四个立柱支撑整个钢楼面，侧面装有楼梯，楼层上部围有护栏，楼层下有承载电缆和冷却水管等的桥架系统。整个炉体的中部为圆柱形，上下端呈球形，分内外两层，中间通有冷却水。从中部法兰面分上下两部分，上炉体由三个支腿支撑固定，下炉体则是由三个升降器控制，通过升降器使下炉体上下移动。当上下炉体闭合时，法兰面上的密封圈被紧压，同时合上锁紧装置，保证炉体的气密性。
炉顶起着固定顶部加热体、连接加热水电缆、安装顶部测温装置、连接通气管路的作用。上炉顶盖板采用了防爆设计，以便减少了事故发生率。炉身通过三个支架支撑在地面上，炉顶直接放置在炉身上，并通过法兰密封；炉底通过液压系统悬挂在炉身上，在液压控制炉底提升封炉时，通过法兰密封条进行真空密封。炉底与炉身采用液压悬挂机构，液压机构可以控制炉底停止在行程内的任意平衡高度。炉底设有多个测温点，可以对炉内坩埚的多个高度和不同的位置进行测温，使得炉内的底部温区状况能够清晰的在显示屏上显示出来。 坩埚平台的材质为高纯石墨材料，通过多根石墨柱支撑。
1.2加热隔热系统
多晶硅铸锭炉采用的是双温区电阻加热熔硅，采用的热场方式是通过提升保温体，底部降温方式来完成晶体硅的定向凝固方式。在不锈钢笼里有两层隔热介质，由3个隔热层提升杆支撑不锈钢笼。隔热层由碳纤维制成的，故能降低成本且便于更换。隔热元件相互交叠以免防止热量损失。这样热区内就形成了一个竖直的温度梯度使硅锭从熔体底部向顶部开始长晶。隔热笼在上炉体内，由上下两层不锈钢框架组成，框架内衬有碳纤维隔热材料，该材料为平板状，便于安装与更换，整个框架可以上下移动。铜电极从炉体上方穿入，连接至加热部件，加热部件位于隔热笼内，由四组加热器组成，呈四方型。在下炉体内，用支撑杆支撑着双层隔热材料组成的隔热平台和特殊材料制作的热交换台，坩锅放置在热交换台上。
1.3真空与供气系统
真空系统是由真空机组、安全阀及其他管路等附件组成，可以使炉内的压力迅速降至0.005mbar。由比例调节阀等控制氩气进出量。炉体的真空系统采用专门针对铸锭的机械真空泵系统，在工作的大部分时间，采用维持泵进行维持，在需要抽真空的时候，又可以快速地完成真空功能。既保证工艺的真空度需要，又能够最大限度地节约能源。
1.4水冷却系统
冷却循环水分八路，通过管路分别流经炉体的上中下部、电极和真空泵，冷却水支管装在钢结构部件的后方支脚上，并配有传感器，便于控制。升温后的水通过冷却塔进行热交换，并用水泵送回。冷却水采用水电缆、炉壁分别冷却的，冷却水塔可以采用风冷，不需要冷冻水，可以降低用户的成本，减少用户的投资。各路水冷系统均带有流量和压力实时监控功能。水路应带有备用泵和备用水箱，以防停电停水时，炉内的冷却水能够保持供应。
1.5电源供应与控制系统
控制系统分为上位机和下位机，上位机以工业控制计算机为主体构成完成监控和输入参数等功能，下位机以智能控制系统为主体构成。大致可以分为以下几大部分：上位机完成控制工艺的设置，控制过程的监控，各种反馈信息（如：温度，水流量，隔热区位置，控制阶段等）显示，出现异常情况报警显示，统计和记录整个硅结晶过程的各种参量的变化情况并生成图表。智能处理器作为控制系统的下位机单元，完成对温度的控制，真空度及充入氩气的压力控制，隔离笼的提升控制，多晶硅结晶的速度及冷却水流量等的检测。加热器电源系统包括大容量的变压器及控制单元。提供给加热体所需要的大电流电源。真空系统控制单元包括对真空机组、气体流量的控制及真空度检测。运动控制单元控制下炉体的升降运动及隔热区的提升等动作。系统电源单元包括总电源开关，控制柜内配电保护等。
1.6电控系统
炉子的所有的机构和电气部分，从炉底的升降开始，到真空泵、冷却水、加热体的加热、炉内各处的温度，均在电控系统的监控之下。所有的数据均以数字和曲线的方式实时显示，值班工人从电控系统的操作界面上可以看到炉内外所有的信息和状态，并对炉子实行操作。所有的数据均设有报警限，一旦超限将自动报警。通常上限和下限可各设两级报警限。系统的控制软件的设置，使得用户可以用灵活的控制方式来实现工艺的控制。可以按照事先输入的温度设定值曲线进行控制，也可以按照功率设定值曲线进行控制，并且还可以按照一定的算法来对某一参数或几个参数同时进行复杂的控制，这些灵活多变的控制方式能够使用户更加方便地实现自己的工艺。
1.7上下料机构
采用炉底下降的方式来进出料，炉底的升降由液压系统控制。
2.结束语
多晶硅铸锭主要用于太阳能级多晶硅锭的生产，经过工艺试验取得了良好的控制效果，性能优良，运行稳定可靠，就能有效地降低了生产成本，提高了生产效率，为光伏产业的发展提供了必要的设备。
参考文献：
[1]赵雪峰，DDL-500型多晶硅铸锭炉的开发与设计[J].材料制备工艺与设备， 2013.220（6）：17-20.
作者简介：
张东（1981-），男，四川彭山人，讲师，从事电子材料与元器件的研究。
基金项目：
本文为乐山职业技术学院科研课题“铸锭硅热场性能的优化研究”，项目编号： KY2014004。