第３３卷第２期 低温与特气 Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．２ ２０１５年４月 Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｇａｓｅｓ Ａｐｒ．，２０１５ 改良西门子法生产多晶硅的物料平衡控制 何衍竹，毛云霞，黄晓东 （昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖６５５０１ １） 摘要：改良西门子法多晶硅生产中，物料平衡控制关键在于还原、氢化物料平衡、公辅系统平稳正常供应。物料平 衡有利于生产资源优化配置，提高产品质量，降低成本，提高企业市场竞争力。就日常生产调度工作中物料平衡控 制问题浅人讨论。 关键词：物料平衡；公辅系统；还原；氢化；需量电费 中图分类号：ＴＱ１１７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－７８０４（２０１５）０２—００３１—０３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－７８０４．２０１５．０２．００７ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｍｅｔｈｏｄ Ｉｎ Ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｂａｌａｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＨＥ Ｙａｎｚｈｕ，ＭＡＯ Ｙｕｎｘｉａ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏｄｏｎｇ （Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉｌａ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｕｊｉｎｇ ６５５０１ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｉｅｍｅｎｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｙｄｒｏ— ｇｅｎａｔｅｄ ｎｏｒｍａｌ ｓｕｐｐｌｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ，ａｎｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｓｍｏｏｔｈ．Ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｏｐｔｉｍａｌ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ，ｒｅｄｕｃｅ ｃｏｓｔｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｍａｒｋｅｔ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎ－ ｔｍｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｄａｉｌｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｔｅｒｉｌａ ｂａｌａｎｃｅ；ｐｕｂｌｉｃ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ；ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ １ 工艺概述 硅在１２５０ ｏＣ、０．５ ＭＰａ氢化炉内被高纯氢气还原 改良西门子法多晶硅包括ＨＣ１合成、三氯氢 生成三氯氢硅，其反应温度主要靠氢化炉中的石 硅合成、精馏、还原、氢化、尾气回收、硅芯后处理 墨电极来加热。并生成四氯化硅、三氯氢硅、氯化 工序。 氢、氢气等副产物进入尾气回收系统。 １．ＨＣ１合成。氯气和氢气在合成炉中燃烧生 ６．尾气回收。还原、氢化尾气中的氯硅烷、氢 成氯化氢，经过脱水干燥后经压缩机增压进三氯 气、氯化氢分别进入相应回收系统通过物理分离 氢硅（ＴＣＳ）合成炉。 后循环使用。 ２．三氯氢硅（ＴＣＳ）合成。氯化氢（ＨＣ１）和粗 ７．硅芯后处理。为还原提供硅芯，多晶硅产 硅粉在３００ ｏＣ、０．３５ ＭＰａ下反应生成三氯氢硅。 品破碎、分级、包装。 ３．精馏。生成的三氯氢硅经过精馏提纯，去 ２物料平衡控制 除硼、磷及金属杂质。 ４．还原。精制ＴＣＳ和高纯氢气在 １０５０～ ２．１物料平衡重要性 １１００℃、０．５ ＭＰａ还原炉内发生化学沉积反应生 ‘１．物料平衡控制关键在于还原氢化物料平衡、 成高纯的多晶硅产品，并生成四氯化硅、三氯氢 公辅系统平稳正常供应 。还原炉、氢化炉是改良 硅、氯化氢、氢气等副产物进入尾气回收系统。 西门子法生产多晶硅工艺中核心装置，是系统中物 ５．氢化。ＴＣＳ合成和还原副产生成的四氯化 料平衡控制的关键点。还原尾气分离的ＳＴＣ经氢 收稿日期：２０１５－０３—１３ ３２ 低温与特气 第３３卷 化全部转换成ＴＣＳ达到平衡。实际生产中氢化转 ３ 物料平衡控制要点及措施 ３．１ 严密计算还原炉开停炉时间。督促、提高还原 炉开炉效率 换能力是制约多晶硅产量的主要障碍，氢化能力不 足、转化率低致使系统ＳＴＣ胀库，从而不得不降还 原负荷。 ‘ 还原工序是多晶硅生产的关键工序，还原炉则 ．、 ＾ 、 一、－．／ ＼』 ＼凡 、 ＼ ．Ｉ【．：一 ｉ ； ． ， ． 是核心装置。企业装配１２对棒和２４对棒还原炉， 运行周期为９５—１２０ ｈ，正常情况下取棒装硅芯到击 穿进料需要１０—１２ ｈ。生产调度有计划的组织安排 准备开炉情况。周修敬＿２ 对多晶硅还原生产常见 ３ ５ ７ ９ １１ １３ １５ １７ １９ ２１ ２３ ２５ ２７ ２９ 某企业某月原料ＴＣＳ主要杂质分析结果 Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ａｎ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ＴＣＳ ２．保证各装置安全经济稳定连续运行，能够保 障精馏提纯ＴＣＳ原料质量稳定。图１为某企业某 月原料ＴＣＳ主要杂质检测数据，合格率达１００％。 ３．减少用电负荷波动，保证供电电网平稳安全 供电，有利于企业控制用电最大需量，降低需量电费 （需量电费＝最大需量×倍率×需量电价）。 ４．有利于生产资源优化配置，实现工作量均 衡。尤其在还原工段根据月度产量计划实现每班均 衡开停还原炉，便于硅芯清洗准备、石墨夹套烘干准 备、取棒破碎包装等工作开展及当班劳动强度均衡。 ２．２物料平衡计算 图２某企业月产２５０ ｔ多晶硅物料平衡图 Ｆｉｇ．２ Ａｎ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ２５０ ｔ／ｍｏｔｈ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ ｃｈａｒｔ 按月产多晶硅２５０ ｔ，理论计算还原消耗ＴＣＳ 量，氢化处理ＳＴＣ量，合成ＴＣＳ量（仅使用回收 ＨＣ１）。已知一次还原转换率１０％，氢化转化率 ｌ８％，见图２。 问题进行分析，提出了硅棒裂纹、倒棒、硅芯熔断等 非正常情况及控制对策，提高还原炉开炉成功率。 ３．２保证氢化炉稳定长周期运行 氢化工序是改良西门子法多晶硅的重要工序， 而氢化炉是热氢化工艺的重要设备，根据各多晶硅 企业经验，电极接地是造成氢化炉不能长周期稳定 运行的主要原因 Ｊ。氢化炉存在运行负荷低、发热 体烧断、保温罩脱落、绝缘低、转化率低等问题，成为 多晶硅增产降本的瓶颈。经过对加热材料、保温材 料及电极绝缘改造做到了氢化炉稳定长周期运行。 据统计，某企业氢化炉连续运行达２５００ ｈ以上。 ３．３加强公辅系统监控。保证公辅系统稳定，正确、 及时处理系统异常情况 公辅系统包括水、电、气、汽、冷油、热油系统，是 多晶硅生产正常运行的基本条件。公辅系统是否平 稳正常供应，直接关系到各工序能否稳定运行以及 最终能否产出合格产品。赵俊吉…提出多晶硅生 产中公用工程系统发生供应故障的处置方法。生产 调度应熟练掌握全厂各工段的工艺及各工段之间相 辅相承的关系，出现异常情况时能够正确、及时处 理。 ３．４最大需量控制 １．００ 一一．—．一－●０．１ Ｏ．８０ ・—・Ｉ，： 石一一…一一…‘ ０．６Ｏ 需量电费与电 量电费比值 Ｏ．４Ｏ ０．２０ 一．一平均负荷与最 一－一。●●日一ｉ Ｉｌ ０－‘‘呻ｃ ０．： 大需量比值 ０．００ １ ２ ３ ４ 图３某企业四季度用电数据统计 Ｆｉｇ．３ Ａ ｃｏｍｐａｎｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｕｎｈ ｑｕａｒｔｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｉｒｃｉｔｙ ｄａｔａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ 保证生产负荷平稳，使最大需量接*均电量， 即平均负荷与最大需量比值越大，电能利用率越高， 电费相对最优惠。生产中采取有计划的控制还原开 【下转第５４页】 ５４ 低温与特气 第３３卷 阀３的开关时间。图５中约４ ｍｉｎ处的基线下降即 阀３的开关导致，以防止过多的Ａｒ进人检测器。由 于Ａｒ与Ｏ 的保留时间非常接近，且Ａｒ的含量远远 高于Ｏ：，所以Ａｒ中的Ｏ 不可用该系统测定。图５ 中Ｎ：峰比较明显，不过由于Ａｒ没有被完全切掉，所 以Ｎ：出峰时的基线还处于信号下降的状态。样品 中Ｎ 含量约１．３（￣ｍｏｌ／ｍｏ１）。 焰离子化检测器（ＦＩＤ）在高纯气体分析中的性能比较 ［Ｊ］．低温与特气 ２０１１，２９（１）：３３－４２． ［２］蔡体杰，张扬，刘雅珍，等．氦离子化检测器气相色谱 法分析氦中微量氖［Ｊ］．低温与特气，２０１２，３０（４）： ３５＿４０． ［３］胡树国，金美兰，盖良京．利用脉冲放电氦电离色谱检测 高纯气体中微量无机杂质［Ｊ］．计量技术，２￣７（６）：３６．３８． ［４］ＮＯＶＥＬＬＩｉ Ｐ Ｃ．ＣＯ ｉｎ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈ— ｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｉｓｓｕｅｓ『Ｊ］．Ｃｈｅｍｏｓｐｈｅｒｅ．Ｇｌｏｂａｌ ３ 小 结 Ｃｈａｎｇｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，１（１－３）：１１５—１２６． 通过对Ｈｅ、Ｎ：、Ａｒ三种高纯气体的分析显示： ［５］ＫＡＭＩＮＳＫＩ Ｍ，ＫＡＲＴＡＮＯＷＩＣＺ Ｒ，ＪＡＳＴＲＺ ＢＳＫＩ Ｄ， １．本文描述的色谱系统具有较好的重复性，但 ＫＡＭＩ Ｎ ＳＫＩ Ｍ Ｍ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ， 对于峰面积很小的组分，重复性较差； ｍｅｔｈａｎｅ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｉｎ ｒｅｆｉｎｅｒｙ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｇａｓｅｓ ａｎｄ ２．ＰＤＨＩＤ对高纯气体中的无机杂质具有很好 ａｉｒ ｂｙ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ 的响应； Ａ，２００３，９８９（２）：２７７—２８３． ３．中心切割技术对气体的分析具有很好的效果， ［６］ＹＡＯ Ｗ．Ｔｒａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ｂｕｌｋ ｇａｓｅｓ ｂｙ ｇａｓ 尤其是对于色谱载气以外的气体可以显著减少底气信 ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－－ｐｕｌｓｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｈｅｌｉｕｍ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃ－・ 号对谱图的影响，提高分析速度及灵敏度。需要注意 ｔｉｏｎ ｗｉｔｈ“ｈｅａｒｔ．ｃｕｔｔｉｎｇ”ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｒｏ— 的是，在使用中心切割时，需要设置合适的阀开关时 ｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ａ，２００７，１１６７（２）：２２５・２３０． 间，确保待测物完全分离出来，通常在实际操作过程中 作者简介： 需设置多个时间组合，观察目标物峰面积的变化。 张体强（１９８２），男，中国计量科学研究院博士后，研究方向 参考文献： 为气体分析技术与计量，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｔｉｑｉａｎｇｌ００＠１６３．ｅｏｍ。 ［１］方华，周朋云，庄鸿涛．氦离子化检测器（ＰＤＨＩＤ）与火 【上接第３２页】炉炉次，倒换、测试大功率机组错开 而提高产品质量，降低成本，提高企业市场竞争力。 负荷高峰等措施，有效控制需量电费。图３为企业 参考文献： 四季度用电数据分析，需量电费与电量电费比值逐 ［１］周修敬．浅析多晶硅还原生产常见问题及控制对策 月下降，平均负荷与最大需量比值由９月份０．７上 ［Ｊ］．河南科技，２０１３（１２）：８３－０２． 升到１２月／９ｏ．８９。 ［２］黄琰，李国安．多晶硅氢化炉防接地改造［Ｊ］．江西化 ４ 总 结 工，２０１２（１）：１２０－１２１． ［３］赵俊吉．多晶硅生产中公用工程系统发生供应故障的原 生产中做好物料平衡控制，加强生产组织管理， 因分析及处置方法［Ｊ］．煤，２０１３，２２（５）：４４＿４６． 实现生产资源优化配置。建立以生产调度为指挥中 作者简介： 心的组织管理体系，强化系统平衡管理，督促生产问 何衍竹（１９８７），男，云南曲靖人。现在昆明冶研新材料 题得到快速处理，保障生产安全、连续、稳定运行。从 股份有限公司从事多晶硅生产工作，化工工艺助理工程师。 【上接第４５页】分析，为制定电子级六氟乙烷的标 ｓｕｈａｒｕ．Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｕｒｉｆｙｉｎｇ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｅｔｈａｎｅ：ＵＳ， 准提供了参考依据。 ６２７４７８２８１［Ｐ］．２００１－０８—１４． ３．浙江省化工研究院生产的六氟乙烷可以达到 ［４］ＳＥＭＩ Ｃ３．３７－９３．Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｅｔｈａｎｅ（Ｃ２Ｆ６）， 电子级的要求。 ９９．９７％ｑｕａｌｉｔｙ『Ｓ］． ［５］ＳＥＭＩ Ｃ３．４５—９２．Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｅｔｈａｎｅ（Ｃ２Ｆ６）， 参考文献： ９９．９６％ｑｕａｌｉｔｙ（ｐｒｏｖｉｓｉｏａａ１）［Ｓ］． ［１］杨健芳．六氟乙烷（ＦＣ一１１６）应用前景和市场分析［Ｊ］． ［６］杜进祥．分析化学中的检出限、测定限与检测限［Ｊ］．广 浙江化工，２００８，３９（１０）：ｌ４．１７． 西师范大学学报，２００３，２１（Ｚ６）：２４９．３５０． ［２］杜汉盛．六氟乙烷的制备及纯化方法概述［Ｊ］．低温与特 作者简介： 气，２０１３，３１（３）：ｌ４． 郁光，（１９８７），男，毕业于南京大学物理学，本科学 ［３］ＯＨＮＯ Ｈｉｒｏｍｏｔｏ，ＮＡＫＡＪＯ Ｔｅｔｓｎｏ，ＯＨＩ Ｔｏｓｈｉｏ，ＡＲＡＩ Ｔａｔ－ 历，现任上海华爱色谱分析技术有限公司研发部主管。