还原炉研究——隔热屏罩

还原炉隔热屏（罩）
     如果还原炉像热氢化炉一样在硅棒和水冷壁之间加上隔热罩的话，将会出现什么情况？研究表明：
    一、可以节能：

    由上图可见，当隔热罩内表面的温度越高，能耗越低。如果隔热罩内表面的温度达到550度左右的时候，节能可达10%。
    研究表明：还原炉能耗主要损失在几个方面：1、尾气物料带走的热量，2、工艺物料在反应器腔室内的对流换热，3、与硅棒支撑部位的热传导，4、红热硅棒与还原炉水冷壁的辐射换热。其中第4项损耗比较大，要占到总能耗的75%-95%。怎样才能大幅度地减少这一能耗，人们进行了大量的探索和实践。
    Stefan-Boltzmann定律告诉我们，在硅棒和水冷壁之间装上隔热罩（屏），吸收硅棒加热时发射出来的辐射热，吸收后的温度可达400°C，然后再将所吸收的热量发射给硅棒和水冷壁，这样产生的能量损失要比硅棒直接发射给水冷壁的损失要少得多。如果采用多层、辐射系数和导热系数比较低的热稳定材料制作隔热屏的话，不仅能达到还原炉节能的目的，还可以保证硅棒的纯度，这些材料包括：石墨、涂覆碳化硅的石墨、碳碳复合材料、涂覆碳化硅的碳碳复合材料及硅材料等等。参见下图：

     由上图可见：采用发射率比较高的热场材料，可节能1%左右；采用导热系数比较高的热场材料，可节能16.5%左右；采用较厚的热场材料可节能1.9%左右；采用多层热场，可节能6.2%左右。

    二、可以提高产量：
    提高还原炉的单炉产量也是降低成本的一个有效途径，现在还原炉的主力炉型是24对棒，而36对、40对、48对棒的还原炉不断问世。但是，很多厂家还有9对棒、12对棒和18对棒的炉子，这些炉子当年也是花了上百万美金进口的，总不能没有几年就扔了吧？因此要提高这些炉子的单炉产量的途径之一就是尽量是硅棒长粗一点。
    那么硅棒长粗后有什么问题呢？大家都知道硅棒生长过程中，中心的温度最高，温度沿半径向硅棒表面降低，形成一个温度梯度。由于温度梯度的存在，硅棒就会产生内应力，这个内应力就是硅棒开裂的原因之一，也是倒棒的主要原因之一。
    下图是直径150mm硅棒的温度分布图和内应力分布图：

直径150mm硅棒温度分布图

直径150mm硅棒内应力分布图
    加了隔热罩以后，可以提高硅棒生长过程中的表面温度，从而使得硅棒温度分布比较均匀，温度梯度减小了，硅棒的内应力也减小了，硅棒开裂的可能性也就大大减小，倒棒的几率也会减小。最重要的是，可以放心地让硅棒长粗，以增加单炉产量。这样成本也就下来了！
    那么隔热屏（罩）如何设计才能起到较好的效果呢？请看下文《隔热屏（罩）设计方案》，介绍国内外几种隔热屏设置方案。