多晶硅氢化反应器的设计(附件)
多晶硅是集成电路、太阳能电池和半导体产业重要原材料之一，文章从多方面介绍了多晶硅。多晶硅氢化反应器是生产多晶硅系统中的一个重要部分，它是压力容器的一种。本文简述了压力容器的分类，通过叙述压力容器的核心装置筒体、封头、电加热器、喷嘴等部件来综述多晶硅氢化反应器的主要结构。 对于压力容器的装配工作，主要以焊接为主，因而我也简单介绍了焊接，焊接可分为熔化焊，压力焊，钎焊。对于压力容器的检测，压力试验是至关重要的，本文也从正面描述了检测方法和要求。关键词 多晶硅，压力容器，焊接，试验 目 录
1 引言 1
1.1 多晶硅概述 1
1.2 多晶硅的生产工艺 2
1.3 生产多晶硅的已有机械设备 5
1.4 社会意义 7
2 多晶硅氢化反应器的方案设计 8
2.1 多晶硅氢化反应器的介绍 8
2.2 多晶硅氢化反应器的核心装置 9
2.3 多晶硅氢化反应器的装配工艺 12
2.4 多晶硅氢化反应器的焊接与热处理 14
3 多晶硅氢化反应器的设计与计算 15
3.1 筒体的设计与计算 15
3.2 法兰和密封面的选择21
3.3 胀节的设计与选择 23
3.4 耳式支座的选择 24
4 制造工艺和检测方法 25
4.1 焊接工艺 25
4.2 板料成形 27
4.3 检测方法 29
结论 31
致谢 32
参考文献33
1 引言
多晶硅是单质硅的一种形态，它是大规模集成电路、太阳能电池和半导体产业的重要原材料之一，是硅产品产业链中极为重要的中间产品。也由于硅材料的独特性质，多晶硅材料已经成为现代电子工业和信息社会的基础，它的发展和应用直接促进了全球高新科技和工业的高速发展。目前我国多晶硅供需稍失衡，所以必须加快多晶硅的建设步伐，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，否则将危及我国集成电路、半导体器件和光伏产业的发展[1]。
多晶硅的传统生产 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
模集成电路、太阳能电池和半导体产业的重要原材料之一，是硅产品产业链中极为重要的中间产品。也由于硅材料的独特性质，多晶硅材料已经成为现代电子工业和信息社会的基础，它的发展和应用直接促进了全球高新科技和工业的高速发展。目前我国多晶硅供需稍失衡，所以必须加快多晶硅的建设步伐，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，否则将危及我国集成电路、半导体器件和光伏产业的发展[1]。
多晶硅的传统生产工艺主要有三种：改良西门子法、硅烷法以及冶金法。通常生产多晶硅的方法是把一些不纯净的硅粉进行提炼得到高纯度的多晶硅。本设计即多晶硅氢化反应器的设计，年产量达到3000吨，一定程度上满足了我国对多晶硅的能源结构迫切需求，缓解了我国多晶硅高新产业怠慢的局面。
1．1 多晶硅概述
1.1.1 多晶硅的概念
多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷的条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
图 1-1为多晶硅示意图。多晶硅按照其纯度可以分为三大类，分别称为冶金级硅、太阳级硅和电子级硅，冶金级硅又称金属硅，含硅 95%左右，太阳级硅含硅在 99.99%-99.9999%，电子级硅含硅大于 99.9999%以上，超高纯度可达 7～9个9。
1.1.2 多晶硅的性质
多晶硅一般呈现出深银灰色，如图1-1所示。
图 1-1 多晶硅示意图
多晶硅不透明，具有金属光泽，常温下不活泼，高温下可与氧、氮、硫等反应，并且在高温熔融状态下，具有较大的化学活泼型，几乎能与任何材料作用。
密度为2.32～2.34，熔点为1410度，沸点为2355度，可溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸以及盐酸。硬度介于锗和石英之间，多晶硅室温下质地较脆，切割时较易碎裂。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。它具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。多晶硅加热至 800℃以上时既有延展性，加热至 1300℃时便会有明显变形[2]。
1.1.3 多晶硅的应用
高纯度的多晶硅是重要的电子信息基础材料，作为重要的半导体材料，多晶硅业被喻为是微电子产业以及光伏产业的“基石”。太阳能级多晶硅是生产太阳能光伏电池的主要原料，电子级多晶硅主要用于半导体工业及电子信息产业，是制造单体硅的主要原料，可做多种晶体管、整流二级管、可控硅、集成电路、电子计算机芯片以及红外探测器等。由于多晶硅材料的工艺的成熟、质量好、原料丰富、价格相对较低，因而在未来的50年里,还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子信息和光伏产业主要原材料。
多晶硅的发展与应用已经成为衡量一个国家现代化水平、国防实力以及综合国力的重要标志。
1.2 多晶硅生产工艺
多晶硅生产工艺流程如图1-2，最主要包括三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的方面，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等。多晶硅氢化反应器的设计主要是利用四氯化硅的冷氢化反应。
图1-2 多晶硅生产工艺流程示意图[3]
1.2.1 多晶硅氢化技术
多晶硅生产工艺流程最主要包括三氯氢硅合成、四氯化硅的氢化反应，精馏，还原，尾气回收，还有一些小的方面，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等3。
主要反应包括以下反应：
Si+HCl—→SiHCl3+H2 （三氯氢硅合成）
SiCl4+H2—→SiHCl3+HCl （氢化反应）
SiHCl3+H2—→SiCl4+HCl+Si （还原反应）
多晶硅氢化技术是将多晶硅生产过程中产生的副产物四氯化硅同步转化为生产多晶硅所需要的中间原料三氯氢硅，实现了物料的闭路循环，不仅彻底解决了多晶硅生产尾气环境污染的问题，而且还实现了四氯化硅等副产物的全面回收利用，大幅度的降低了生产成本。
1.2.2 国内外多晶硅氢化技术的比较
表1 中国、俄罗斯及美国的工艺技术比较表[4]
中国
俄罗斯
美国
1
生产方法
采用改良西门子法
采用改良西门
1 引言 1
1.1 多晶硅概述 1
1.2 多晶硅的生产工艺 2
1.3 生产多晶硅的已有机械设备 5
1.4 社会意义 7
2 多晶硅氢化反应器的方案设计 8
2.1 多晶硅氢化反应器的介绍 8
2.2 多晶硅氢化反应器的核心装置 9
2.3 多晶硅氢化反应器的装配工艺 12
2.4 多晶硅氢化反应器的焊接与热处理 14
3 多晶硅氢化反应器的设计与计算 15
3.1 筒体的设计与计算 15
3.2 法兰和密封面的选择21
3.3 胀节的设计与选择 23
3.4 耳式支座的选择 24
4 制造工艺和检测方法 25
4.1 焊接工艺 25
4.2 板料成形 27
4.3 检测方法 29
结论 31
致谢 32
参考文献33
1 引言
多晶硅是单质硅的一种形态，它是大规模集成电路、太阳能电池和半导体产业的重要原材料之一，是硅产品产业链中极为重要的中间产品。也由于硅材料的独特性质，多晶硅材料已经成为现代电子工业和信息社会的基础，它的发展和应用直接促进了全球高新科技和工业的高速发展。目前我国多晶硅供需稍失衡，所以必须加快多晶硅的建设步伐，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，否则将危及我国集成电路、半导体器件和光伏产业的发展[1]。
多晶硅的传统生产 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
模集成电路、太阳能电池和半导体产业的重要原材料之一，是硅产品产业链中极为重要的中间产品。也由于硅材料的独特性质，多晶硅材料已经成为现代电子工业和信息社会的基础，它的发展和应用直接促进了全球高新科技和工业的高速发展。目前我国多晶硅供需稍失衡，所以必须加快多晶硅的建设步伐，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，否则将危及我国集成电路、半导体器件和光伏产业的发展[1]。
多晶硅的传统生产工艺主要有三种：改良西门子法、硅烷法以及冶金法。通常生产多晶硅的方法是把一些不纯净的硅粉进行提炼得到高纯度的多晶硅。本设计即多晶硅氢化反应器的设计，年产量达到3000吨，一定程度上满足了我国对多晶硅的能源结构迫切需求，缓解了我国多晶硅高新产业怠慢的局面。
1．1 多晶硅概述
1.1.1 多晶硅的概念
多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷的条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
图 1-1为多晶硅示意图。多晶硅按照其纯度可以分为三大类，分别称为冶金级硅、太阳级硅和电子级硅，冶金级硅又称金属硅，含硅 95%左右，太阳级硅含硅在 99.99%-99.9999%，电子级硅含硅大于 99.9999%以上，超高纯度可达 7～9个9。
1.1.2 多晶硅的性质
多晶硅一般呈现出深银灰色，如图1-1所示。
图 1-1 多晶硅示意图
多晶硅不透明，具有金属光泽，常温下不活泼，高温下可与氧、氮、硫等反应，并且在高温熔融状态下，具有较大的化学活泼型，几乎能与任何材料作用。
密度为2.32～2.34，熔点为1410度，沸点为2355度，可溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸以及盐酸。硬度介于锗和石英之间，多晶硅室温下质地较脆，切割时较易碎裂。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。它具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。多晶硅加热至 800℃以上时既有延展性，加热至 1300℃时便会有明显变形[2]。
1.1.3 多晶硅的应用
高纯度的多晶硅是重要的电子信息基础材料，作为重要的半导体材料，多晶硅业被喻为是微电子产业以及光伏产业的“基石”。太阳能级多晶硅是生产太阳能光伏电池的主要原料，电子级多晶硅主要用于半导体工业及电子信息产业，是制造单体硅的主要原料，可做多种晶体管、整流二级管、可控硅、集成电路、电子计算机芯片以及红外探测器等。由于多晶硅材料的工艺的成熟、质量好、原料丰富、价格相对较低，因而在未来的50年里,还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子信息和光伏产业主要原材料。
多晶硅的发展与应用已经成为衡量一个国家现代化水平、国防实力以及综合国力的重要标志。
1.2 多晶硅生产工艺
多晶硅生产工艺流程如图1-2，最主要包括三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的方面，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等。多晶硅氢化反应器的设计主要是利用四氯化硅的冷氢化反应。
图1-2 多晶硅生产工艺流程示意图[3]
1.2.1 多晶硅氢化技术
多晶硅生产工艺流程最主要包括三氯氢硅合成、四氯化硅的氢化反应，精馏，还原，尾气回收，还有一些小的方面，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等3。
主要反应包括以下反应：
Si+HCl—→SiHCl3+H2 （三氯氢硅合成）
SiCl4+H2—→SiHCl3+HCl （氢化反应）
SiHCl3+H2—→SiCl4+HCl+Si （还原反应）
多晶硅氢化技术是将多晶硅生产过程中产生的副产物四氯化硅同步转化为生产多晶硅所需要的中间原料三氯氢硅，实现了物料的闭路循环，不仅彻底解决了多晶硅生产尾气环境污染的问题，而且还实现了四氯化硅等副产物的全面回收利用，大幅度的降低了生产成本。
1.2.2 国内外多晶硅氢化技术的比较
表1 中国、俄罗斯及美国的工艺技术比较表[4]
中国
俄罗斯
美国
1
生产方法
采用改良西门子法
采用改良西门
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