多晶硅钟罩旋转清洗装置研究和设计

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摘 要 采用改良西门子法生产多晶硅，其中还原炉和氢化炉是改良西门子法生产多晶硅的核心设备，钟罩的洁净直接影响生产能耗及成本，通过研究设计旋转清洗装置有效解决生产实际问题，为生产提供强有力的保障，为公司节能降耗提供措施。该研究已获得成功并已经申报专利，发明专利号为201310209212.6。

关键词 多晶硅 还原炉 氢化炉 清洗装置

中图分类号：TQ127 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0012-01

目前多晶硅生产多数采用改良西门子法，其一直是多晶硅生产最主要的工艺方法，用来生产半导体行业电子级多晶硅；改良西门子法是一种化学方法，主要由三氯氢硅与氢气在1050℃～1150℃，一定压力下进行还原气象沉积反应，生产高纯多晶硅。

还原炉和氢化炉是改良西门子法生产多晶硅的核心设备，其运行好坏直接影响多晶硅质量及生产成本。还原炉和氢化炉为电耗较高的设备，一般为降低电耗及成本，采取调整工艺参数、提供进料温度、提高冷却水温、清洗钟等方法，然而钟罩清洗多多晶硅生产非常重要，钟罩清洗不干净、光洁度不够，常常导致硅芯击不穿或产品质量污染，因此设计并制作钟罩清洗装置，应用于生产中的必要性较高。

1 钟罩旋转清洗装置的设计原理

国内多晶硅钟罩清洗多种多样，有高压清洗、化学溶剂低压清洗、机械抛光等。我公司多晶硅生产原有清洗装置（上海力仕）采用为碱液中压清洗，在使用过程中发现不能将钟罩清洗干净，不能满足生产需求。经过多次人工刷洗摸索和实践，设计了并制作转动机械清洗装置。

2 钟罩旋转清洗装置结构设计

2.1 旋转结构设计

根据钟罩结构分为筒体和封头，筒体部分为圆形直筒结构且内壁光滑；封头采用半椭圆形标准封头结构，整体内部无插入管等内部零件影响，因此确定清洗装置可采用旋转结构。并考虑旋转要求平稳、摆动小、均匀对称，因此同一高度刷子对称布置，不同高度刷子螺旋上升，有效克服钟罩内壁椭圆度问题，达到旋转摆动小，平稳的特点。

确定采用旋转结构，动力装置自然采用电机带动，经过计算校核，电机选择型号为Y160M-4，11KW三相异步电动机。考虑到清洗装置旋转清洗可能出现刮擦钟罩内壁，阻力增大导致损伤设备，采用皮带传输结构，有效解决联轴器硬性连接的弊端。转子部分采用DN80不锈钢管制作，长度为3.2 m，要求钢管直线度小于10 mm/m，总长直线度小于20 mm。

轴承选择，考虑转轴重力支撑和径向摆动受力，因此选择向心推力轴承，其特点主要用于同时具有径向、轴向负荷传动轴的安装、固定之中。安装方式采用背面对背面成对安装，即背靠背安装。

2.2 刷子结构设计

结合钟罩内壁清洗光洁度要求，清洗过程中刷子不能损伤钟罩内壁，结合不锈钢金属的硬度及特性，采用尼龙材料作为刷子原材料，尼龙具有使用温度范围大、热膨胀系数小、机械强度高、耐磨损强及耐疲劳性好、无毒、质轻等优良特性。通过计算、摩擦力选择等进行选择，直径为Ф0.5 mm，具有一定的韧性和硬性。尼龙的硬度远低于金属，尼龙韧性表现在与钟罩内壁擦洗时不会损伤钟罩内壁，并具有较强耐磨性。经过实测钟罩内壁直径尺寸，对尼龙柔性分析，刷子尼龙长度为80 mm，刷子根部距离钟罩内壁约60 mm，通过尼龙的硬性满足刷子要求。刷子根部采用木板通过螺栓连接转轴支杆上，支杆与转轴上通过直径DN40/50的插套连接，通过开孔增加滑槽调整刷杆长度，增大刷子适用性。

2.3 清洗液循环利用设计

清洗溶液采用10%碱液或5%氟化氢铵溶液，考虑清洗液的酸碱性，输送采用衬四氟离心泵，溶液槽采用碳钢制作，内贴玻璃钢，有效防止腐蚀。经过查询和了解IHF型氟塑料合金化工离心泵是结合非金属泵的加工工艺设计生产，泵体采用金属外壳内衬聚全氟乙丙烯（F46），泵盖、叶轮和轴套均用金属嵌件外包氟塑料整体烧结压制成型，轴封采用四氟填充材料，进出口均采用铸钢体加固，这种密封有效避免泄露。并且IHF型氟塑料合金化工离心泵具有耐腐蚀、耐磨损、不易老化、运转平稳、结构先进合理、密封性能严格可靠、拆卸检修方便、使用寿命长等优点，在-85℃～200℃温度条件下长期输送任意浓度的酸性碱性介质（如硫酸、盐酸、氢氟酸、硝酸、王水、强碱、强氧化剂、有机溶剂、还原剂等）均不被腐蚀。根据清洗液的性质及现场使用要求，通过计算输送泵选择 型号IHF40-25-125，流量6.3 m3/h，扬程20 m，进口为40 mm，出口为25 mm，电机功率1.5 kW。

2.4 实际使用情况

通过研究设计并实际制作多晶硅钟罩旋转清洗装置，成功有效解决生产中实际问题，为公司节能降耗提供有利条件，并获公司“五小”创新发明奖励，同时申请适用新型和发明专利。

参考文献

[1]GB150-2011压力容器.

[2]机械设计手册（新编版2008）.

[3]HG/T2387 工业设备化学清洗质量标准.

[4]HGJ202 脱脂工程施工及验收规范.

[5]GB50231-2009 机械设备安装工程施工及验收通用规范.

作者简介

顾国宝（1978-），男，机械工程师，工程硕士，2003年毕业于昆明理工大学过程装备与控制工程专业，2013年7月毕业于昆明理工大学化工学院工程硕士化学工程专业，现供职于昆明冶研新材料股份有限公司。