随着多晶硅价格的竞争，降低西门子还原炉能耗成为多晶硅生存的基本法则。而增大硅碳棒数量和降低反应器壁辐射率是降低能耗的主要方法。对硅碳棒还原炉也逐渐成为国内多晶硅厂采用的主要工艺，其硅碳棒分布在3个同心环上。这对硅碳棒的电加热过程提出更大挑战，需要系统研究不同环上多晶硅增长过程中的硅碳棒内部的热电行为。然而国内外较少对此进行系统研究。因此，本文针对目前国内采用较多的24对棒还原炉，建立硅碳棒的直流电焦耳加热模型。系统研究不同分布环上硅碳棒增长半径、反应器壁辐射率对硅碳棒内部径向温度分布的影响规律。以期通过研究对西门子还原炉电加热过程的优化、节能以及扩大企业生产规模等方面提供理论基础和技术支撑。

       针对24对硅碳棒还原炉结构，建立3D西门子还原炉模型，见图la。由于西门子还原炉结构的对称性，同心圆上每根硅碳棒的热电行为类似，用硅碳棒1,硅碳棒9和硅碳棒25分别代表内、中和外环硅碳棒。图1b为硅碳棒的几何模型，其中硅碳棒的半径为R，长度为L。计算中的相关参数见表。在稳态条件下，用圆柱坐标，可得西门子还原炉中硅碳棒内部的热传递方程式中，—硅碳棒内部径向位置，m;T—硅碳棒内部温度，K;k硅热导率，K.与温度T关系如式(2)";y单位体积生成热，当硅碳棒用直流电加热时，9由电流产生的焦耳热提供，即硅碳棒内部电流密度.A/m-;硅碳棒内部电场强度，V/m;(劝—硅的电导率，是关于温度的函数，可表示为对于直流电加热，电场强度叮表o:为因此，硅碳棒内部单位体积生成热叮表示为:9=(clY%cL)-(T)式中，dV/c1G—硅碳棒轴向单位长度电压梯度、将式(7)式代人式(1)中可得:式于Ilg.—对流、辐射以及化学反应引起的硅碳棒表面热损失对流热损失为h—对流系数，其值20--30X/(nuK);双—硅碳棒表面温度，K;T—硅碳棒表面[x=域流体平均温度，为1047K辐射热损失为式中若—硅碳棒表而与反应`,壁之间辐射系数句—硅的发射率和反应器壁发射率二的函数;T,—反应器壁温度，K;—斯蒂芬一波尔兹曼常数，其值为5.67x10-"wm-wK;R硅碳棒半径，m;R—反应器壁半径m化学反应热为9.=2600VG/m-(14)。http://www.zbqunqiang.cn/