多晶硅铸锭炉扩容后的安全性分析及安全措施研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第二研究所 作者:周社柱

  本文针对目前主流的多晶硅铸锭炉装炉量与设备安全性进行分析,通过强度变形量计算及热力学分析与目前的各种安全措施进行比较,从而提出比较理想的安全改进措施。

  光伏太阳能作为一种最具潜力的可再生能源利用方式,成为取代传统的石化能源,支持人类可持续发展的主要技术,近几年来获得了飞速的发展。目前晶体硅太阳能电池占据着光伏产业的主导地位,多晶硅太阳能电池由于成本优势占据了晶体硅的大半市场。同时,工信部于2013 年出台的《光伏制造行业规范条件》也对已建和在建项目的能耗指标和电池转化效率指标提出更为具体的要求,但由于市场竞争的激烈性,从现在来看,有些重要指标从规范出台时已经明显落后于市场的平均水平。各大企业均在能耗上有明显的提升,其中主要是得益于装炉量的增加,从而降低了单位产品的耗电量。本文主要从市场主流的多晶硅铸锭炉扩容后的安全性进行分析,针对由此带来的安全性隐患进行分析,并结合研究和生产实践提出相应的应对措施。

  从2005 年开始,多晶硅铸锭开始在光伏行业得到发展和推广,也就在此时,我国也开始批量引进以GTSOLAR 为代表的铸锭炉,2009 年以前我国进口的多晶硅铸锭炉80%是GTSOLAR 的产品,同时,国内也开始有相关企业进行该方面的研究和技术创新,例如:精功、汉虹、晶盛机电、京运通、湖南红太阳等企业也相继推出了类似的产品,随着市场竞争的加剧,各企业在成本控制上均开始进行技术创新,其主要方法就是在已有炉壳基础上进行热场的改造,实现热场内有效空间的增加,从而增大投炉量,降低单品能耗成本。从最开始GTSOLAR 的240 型改造到450 型再到目前通用的660 型,还有个别厂家已经进行了800 型的改造。连续的三级跳,的确是实现了单位产品的能耗降低,但由此带来的安全隐患并未引起各生产企业的足够重视。2014 年国内某企业多晶硅铸锭炉的爆炸造成人员伤亡就充分说明个别企业在追求成本的同时忽略了安全性的问题。

  本文就以GT 炉型进行力学和热工学的分析,对存在的安全隐患和目前市场主流应对方法进行分析,提出更理想的解决办法。多晶硅铸锭炉从问世到市场的推广,其安全方面的结构也从无到有进行了多次更新,目前均有真空管路的紧急泄压口(如图1)、下炉腔溢流棉和熔断丝软件报警。以上措施在原来装炉量240kg 的基础上形成,其有效性、及时性、安全性均可以保障设备和人员的安全。

多晶硅铸锭炉扩容后的安全性分析及安全措施研究

图1 真空管路上的泄压口

  但随着相关升级改造的进行,其安全性问题突显,但此问题又会被人们所忽视。

1、安全性分析

  根据目前市场主要的改造方式,主要会带来以下三点的问题:

  第一:载重量变化带来下封头的应力变形。主要是下炉腔存在由于载重量加大可能引起的炉壳强度和变形量的分析。

  第二:一旦溢流发生,报警及时准确,在极限状态下高温硅液的热量散失带来的危险性分析。

  第三:现有的紧急泄压口在极限状态下的泄压能力分析。

  通过以上分析,可以提出目前比较理想的解决方法,减少生产事故发生。

  炉壳强度和变形量分析

  下图为目前多晶硅铸锭炉下炉腔结构简图(图2)。

  由于所有重量均通过底部3 根焊接不锈钢底座支撑,通过对炉封头的三点受力分析可以得出改造后的变形量。由于炉壳均采用双层夹层结构,内通3kg/cm2 的冷却水,此时的内封头受力合力将小于无水压状态,为得出变形量的极限值,假设内封头所受水压为一个大气压的标准状态,则载重按照660kg 装料的极限状态计算,承重共计为:377.2(石墨+ 碳毡+ 护板+ 坩埚)+660(硅料)=1037.2kg。

多晶硅铸锭炉扩容后的安全性分析及安全措施研究

图2 下炉腔结构

2、结论

  通过对目前铸锭炉存在安全隐患分析,结合生产实际情况,总结出比较理想的处理方法,既可以保证装炉量的增加,又可避免由此带来的安全隐患。

  第一:各铸锭厂家在进行装炉量的升级改造时,需注意到下炉腔的变形量的问题,根据目前的计算结果800kg 的装炉量设备安全系数是可以保障的。但随着技术的发展,如后续再有更大的装炉量出现,设备的生产设计单位及改造使用单位要进行此项的核算。防止变形过大产生安全隐患。

  第二:在溢流发生后,由原来的采取隔离方式,改为隔离吸热方式,采取同种物质不同物理形态间转化时的能量传输关系,以保证了液态硅的迅速凝固同时可以实现材料的回收再利用,减少由于溢流造成的原材料的损失。

  第三:溢流后的极限情况发生时,压力的迅速释放是避免重大事故发生的前提,必须保证足够的释放口径才能保证安全,在目前设备的基础上,建议采取保留已有的管路泄压阀,再将顶盖作为第二泄压口,由于其竖直朝上,对生产人员的伤害会降到最低。

  第四:针对水的冷却特性,可考虑改用耐高温的淬火油或气体冷却方式进行冷却,可降低熔穿后的爆炸危险,此项可做进一步的研究分析。

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