李耀宙

(太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008)

多晶硅還原爐夾套式封頭熱-機(jī)械耦合場(chǎng)有限元分析

李耀宙

(太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008)

多晶硅還原爐是西門子法生產(chǎn)多晶硅的主要設(shè)備，由于進(jìn)氣管、出氣管和電極座等部件都布置在封頭處，導(dǎo)致封頭溫度分布不均勻，引起很大的溫差應(yīng)力，因此還原爐封頭處存在很大的結(jié)構(gòu)安全隱患。本文利用ANSYS，采用APDL語(yǔ)言，建立了某大型多晶硅還原爐夾套式封頭1/4有限元模型?？紤]到材料的非線性特性，對(duì)夾套式封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，給出了整體結(jié)構(gòu)、上下花板和電極座溫度分布云圖，進(jìn)而得出其應(yīng)力分布變化規(guī)律，為多晶硅還原爐設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

多晶硅還原爐 夾套式封頭 有限元 應(yīng)力分布

多晶硅還原爐是多晶硅生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，還原爐中流體域合理的溫度分布、進(jìn)氣的方式及流量大小對(duì)于多晶硅的生長(zhǎng)至關(guān)重要，因此研究多晶硅還原爐爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳熱及流動(dòng)性能十分必要[1-4]。因此許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量研究，例如姚心等[5]利用Fluent對(duì)多晶硅還原爐的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，對(duì)還原爐結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣方式進(jìn)行改進(jìn)。徐君臣等[6]利用ANSYS建立有限元模型對(duì)還原爐夾套封頭花板進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳花板厚度。寇小強(qiáng)等[7]基于FLUENT軟件對(duì)不同直徑硅棒傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)尾氣溫度一致，驗(yàn)證模擬結(jié)果可靠性。王曉靜等[8]利用FLUENT對(duì)還原爐夾套封頭流體進(jìn)行模擬，得到夾套結(jié)構(gòu)溫度分布圖，并引入平均算數(shù)溫度和均勻系數(shù)的概念分析夾套結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的均勻性。孫鵬[9]利用FLUENT模擬出不同流速、不同噴口條件和不同硅棒直徑對(duì)還原爐溫度場(chǎng)的影響。以上文獻(xiàn)對(duì)于多晶硅還原爐的研究都是關(guān)于還原爐內(nèi)部流場(chǎng)和溫度分布的，而有關(guān)由于溫度分布不均勻及機(jī)械載荷導(dǎo)致的應(yīng)力問(wèn)題的研究卻比較少，因此本文利用ANSYS軟件建立1/4夾套式封頭有限元模型，考慮到材料的彈塑性影響，得到模型溫度場(chǎng)和熱-機(jī)械耦合應(yīng)力場(chǎng)，為多晶硅還原爐設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

1.上花板 2.法蘭 3.下花板 4.出氣管 5.加強(qiáng)板 6.進(jìn)氣管 7.中心出氣管 8.電極座圖1 夾套式封頭結(jié)構(gòu)

夾套式封頭整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，封頭處分布有電極座孔和進(jìn)出氣管孔，中間為腔體結(jié)構(gòu)，考慮夾套式封頭整體幾何結(jié)構(gòu)與邊界條件的對(duì)稱性，采用ANSYS軟件建立1/4幾何模型，如圖2所示，上下花板厚度分別為35mm和30mm，外徑為1630mm。

圖2 1/4結(jié)構(gòu)幾何模型

1.2 材料參數(shù)

(1)封頭上花板和封頭出氣管材質(zhì)為316L不銹鋼

圖3 1/4結(jié)構(gòu)有限元模型

彈性模量GPa許用應(yīng)力MPa熱傳導(dǎo)系數(shù)W/(m·K)對(duì)流傳熱系數(shù)W/(m2·K)×10620℃20112014.715.5100℃19512016.116.0200℃18910817.517.0300℃1829518.817.5

(2)法蘭和封頭下花板材質(zhì)為304不銹鋼

表2 304不銹鋼[10]

2 有限元模型及邊界條件

2.1 有限元模型

本文分別采用8節(jié)點(diǎn)SOLID278熱單元和SOLID185結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，1/4結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

2.2 邊界條件

2.2.1 載荷條件

夾套上腔氣體溫度為600℃，壓力為1.0MPa；夾套腔體內(nèi)冷卻水溫度為150℃，壓力為1MPa；進(jìn)氣管氣體溫度為150℃，出氣管氣體溫度為650℃；電極座電極溫度為200℃；法蘭內(nèi)冷卻水溫度為40℃，環(huán)境溫度為25℃。

2.2.2 約束條件

施加對(duì)稱邊界條件于X和Z對(duì)稱坐標(biāo)軸上，施加如圖4中圓環(huán)面軸向(Y)位移約束，即約束法蘭局部下環(huán)面，模擬加強(qiáng)板與還原爐支座焊接部位。

圖4 約束條件示意圖

圖5 夾套結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布云圖

3 結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)分析

圖5顯示夾套整體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布，最高溫度為295℃，處于上花板上表面，夾套最低溫度為50℃，處于法蘭冷卻水環(huán)管附近。

3.1.1 上、下花板溫度分布

夾套上下花板的溫度云圖如圖6所示，其變化范圍：136℃～290℃和145℃～157℃。圖6表明在進(jìn)出氣管和電極座附近存在較大溫度差，因此需進(jìn)一步計(jì)算熱應(yīng)力。

圖6 夾套上、下花板的溫度分布云圖(上圖為上板，下圖為下板)

3.1.2 電極座溫度分布

圖7為單個(gè)電極座溫度分布云圖，最高溫度為245℃，最低溫度為150℃。從電極座底部向上得到沿該路徑的溫度分布如圖8所示。

圖7 單個(gè)電極座溫度場(chǎng)分布云圖

圖8 沿豎直方向電極座溫度變化

3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖9為在溫度和壓力載荷下夾套式封頭結(jié)構(gòu)軸向(Y向)位移云圖，其結(jié)構(gòu)軸向最大位移為5.4mm。圖10為在溫度和壓力載荷作用下夾套式封頭結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為195MPa。

圖9 整體結(jié)構(gòu)軸向(Y)位移云圖

圖10 整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

3.2.1 上、下花板及加強(qiáng)板應(yīng)力分析

圖11和圖12顯示了夾套上花板最大軸向位移向下4.3mm和最大等效應(yīng)力167MPa。

圖11 夾套上花板軸向(Y)位移云圖

圖12 夾套上花板等效應(yīng)力云圖

圖13和圖14顯示了夾套下花板最大軸向位移為向下5mm，最大等效應(yīng)力為189MPa。

圖13 夾套下花板軸向位移云圖

圖14 夾套下花板等效應(yīng)力云圖

3.2.2 電極座應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖

圖15顯示了電極座軸向位移云圖，最大位移為向下4.9mm，發(fā)生在中心處。圖16顯示了電極座等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為137MPa，電極座上、下端及中間截面突變處應(yīng)力較大，這主要是因?yàn)樯?、下端部與夾套上、下花板相連，當(dāng)電極座受熱膨脹時(shí)，由于上、下花板的約束，則引起應(yīng)力集中，同時(shí)電極座中間截面由于壁厚突變引起了應(yīng)力集中。

圖15 電極座軸向位移云圖

圖16 電極座等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件，考慮材料的非線性，建立某多晶硅還原爐夾套式封頭有限元模型，得到夾套式封頭結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和熱-機(jī)械耦合場(chǎng)應(yīng)力云圖，其整體結(jié)構(gòu)軸向位移為5.4mm，符合工程要求，最大等效應(yīng)力為195MPa，超過(guò)許用應(yīng)力值，整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，等效應(yīng)變?yōu)?.0078，大于工程塑性應(yīng)變0.002，因此表明夾套式封頭結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微塑性變形，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考，也體現(xiàn)出有限元方法對(duì)還原爐設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

[1] 黃哲慶,劉春江,袁希鋼. 一種新型多晶硅還原爐流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào),2013,02:484-489.

[2] 段連,周陽(yáng),劉春江. 多晶硅還原爐內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2014,06:69-74.

[3] Cheng T S, Hsiao M C. Numerical investigations of geometric effects on flow and thermal fields in a horizontal CVD reactor[J]. Journal of Crystal Growth, 2008, 310(12):3097-3106.

[4] Coso G D, Ca izo C D, Luque A. Radiative energy loss in a polysilicon CVD reactor[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2011, 95(4):1042-1049.

[5] 姚心,汪紹芬,嚴(yán)大洲. 基于Fluent對(duì)多晶硅還原爐的三維數(shù)值模擬及其優(yōu)化[J]. 有色冶金節(jié)能,2011,04:48-52+56.

[6] 徐君臣,王澤武,銀建中. 帶夾套平板封頭彈塑性有限元分析及優(yōu)化[J]. 壓力容器,2013,01:31-34.

[7] 寇小強(qiáng),李慶生. 24對(duì)棒多晶硅還原爐的輻射傳熱數(shù)值模擬[J]. 工業(yè)加熱,2014,05:53-56.

[8] 王曉靜,王磊. 基于Fluent的還原爐底盤溫度場(chǎng)均勻化分析[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,06:903-908.

[9] 孫鵬. 多晶硅還原爐流場(chǎng)、溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及能耗分析[D].華中科技大學(xué),2012.

[10] 潘家禎.壓力容器材料實(shí)用手冊(cè) 碳鋼及合金鋼[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.

Finite Element Analysis of Jacketed Head of Polysilicon Reduction Furnace under Thermal-Mechanical Coupling Field

LiYaozhou

(TaiyuanInstituteofTechnology,Taiyuan030008,Shanxi,China)

Polysilicon reduction furnace is the main equipment for the production of polycrystalline silicon by SIEMENS process. The air inlet pipes, outlet pipes, the electrode holders and the other components are arranged in the jacketed head. Thus, the temperature distribution of the jacketed head is uneven and cause great temperature stress, leading to the great structural safety problems in jacked head. In this paper, APDL language is applied to build a 1/4 jacket head of polysilicon reduction furnace. Considering the nonlinear features of the materials, Temperature distribution cloud image of the overall structure, the flower board and an electrode seat temperature distribution are obtained and the stress distribution variation regularity is acquired through the simulation of the jacket head structure, providing reference for the design of polysilicon reduction furnace.

polysilicon reduction furnace; jacketed head; FEM; stress distribution