多晶硅还原炉夹套式封头热-机械耦合场有限元分析

李耀宙

(太原工业学院，山西太原，030008)

多晶硅还原炉夹套式封头热-机械耦合场有限元分析

李耀宙

(太原工业学院，山西太原，030008)

多晶硅还原炉是西门子法生产多晶硅的主要设备，由于进气管、出气管和电极座等部件都布置在封头处，导致封头温度分布不均匀，引起很大的温差应力，因此还原炉封头处存在很大的结构安全隐患。本文利用ANSYS，采用APDL语言，建立了某大型多晶硅还原炉夹套式封头1/4有限元模型。考虑到材料的非线性特性，对夹套式封头结构进行了仿真计算，给出了整体结构、上下花板和电极座温度分布云图，进而得出其应力分布变化规律，为多晶硅还原炉设计提供参考依据。

多晶硅还原炉 夹套式封头 有限元 应力分布

多晶硅还原炉是多晶硅生产工艺中的关键设备，还原炉中流体域合理的温度分布、进气的方式及流量大小对于多晶硅的生长至关重要，因此研究多晶硅还原炉炉内部结构传热及流动性能十分必要[1-4]。因此许多学者在这方面进行了大量研究，例如姚心等[5]利用Fluent对多晶硅还原炉的流场和温度场进行模拟，对还原炉结构和进气方式进行改进。徐君臣等[6]利用ANSYS建立有限元模型对还原炉夹套封头花板进行优化，得到最佳花板厚度。寇小强等[7]基于FLUENT软件对不同直径硅棒传热进行数值模拟，结果与实际生产尾气温度一致，验证模拟结果可靠性。王晓静等[8]利用FLUENT对还原炉夹套封头流体进行模拟，得到夹套结构温度分布图，并引入平均算数温度和均匀系数的概念分析夹套结构温度场的均匀性。孙鹏[9]利用FLUENT模拟出不同流速、不同喷口条件和不同硅棒直径对还原炉温度场的影响。以上文献对于多晶硅还原炉的研究都是关于还原炉内部流场和温度分布的，而有关由于温度分布不均匀及机械载荷导致的应力问题的研究却比较少，因此本文利用ANSYS软件建立1/4夹套式封头有限元模型，考虑到材料的弹塑性影响，得到模型温度场和热-机械耦合应力场，为多晶硅还原炉设计提供参考依据。

1 几何结构和材料参数

1.1 几何结构

1.上花板 2.法兰 3.下花板 4.出气管 5.加强板 6.进气管 7.中心出气管 8.电极座图1 夹套式封头结构

夹套式封头整体结构如图1所示，封头处分布有电极座孔和进出气管孔，中间为腔体结构，考虑夹套式封头整体几何结构与边界条件的对称性，采用ANSYS软件建立1/4几何模型，如图2所示，上下花板厚度分别为35mm和30mm，外径为1630mm。

图2 1/4结构几何模型

1.2 材料参数

(1)封头上花板和封头出气管材质为316L不锈钢

图3 1/4结构有限元模型

弹性模量GPa许用应力MPa热传导系数W/(m·K)对流传热系数W/(m2·K)×10620℃20112014.715.5100℃19512016.116.0200℃18910817.517.0300℃1829518.817.5

(2)法兰和封头下花板材质为304不锈钢

表2 304不锈钢[10]

2 有限元模型及边界条件

2.1 有限元模型

本文分别采用8节点SOLID278热单元和SOLID185结构单元划分网格，1/4结构有限元模型如图3所示。

2.2 边界条件

2.2.1 载荷条件

夹套上腔气体温度为600℃，压力为1.0MPa；夹套腔体内冷却水温度为150℃，压力为1MPa；进气管气体温度为150℃，出气管气体温度为650℃；电极座电极温度为200℃；法兰内冷却水温度为40℃，环境温度为25℃。

2.2.2 约束条件

施加对称边界条件于X和Z对称坐标轴上，施加如图4中圆环面轴向(Y)位移约束，即约束法兰局部下环面，模拟加强板与还原炉支座焊接部位。

图4 约束条件示意图

图5 夹套结构温度场分布云图

3 结果分析

3.1 温度场分析

图5显示夹套整体结构温度场分布，最高温度为295℃，处于上花板上表面，夹套最低温度为50℃，处于法兰冷却水环管附近。

3.1.1 上、下花板温度分布

夹套上下花板的温度云图如图6所示，其变化范围：136℃～290℃和145℃～157℃。图6表明在进出气管和电极座附近存在较大温度差，因此需进一步计算热应力。

图6 夹套上、下花板的温度分布云图(上图为上板，下图为下板)

3.1.2 电极座温度分布

图7为单个电极座温度分布云图，最高温度为245℃，最低温度为150℃。从电极座底部向上得到沿该路径的温度分布如图8所示。

图7 单个电极座温度场分布云图

图8 沿竖直方向电极座温度变化

3.2 应力场分析

图9为在温度和压力载荷下夹套式封头结构轴向(Y向)位移云图，其结构轴向最大位移为5.4mm。图10为在温度和压力载荷作用下夹套式封头结构等效应力云图，最大等效应力为195MPa。

图9 整体结构轴向(Y)位移云图

图10 整体结构等效应力云图

3.2.1 上、下花板及加强板应力分析

图11和图12显示了夹套上花板最大轴向位移向下4.3mm和最大等效应力167MPa。

图11 夹套上花板轴向(Y)位移云图

图12 夹套上花板等效应力云图

图13和图14显示了夹套下花板最大轴向位移为向下5mm，最大等效应力为189MPa。

图13 夹套下花板轴向位移云图

图14 夹套下花板等效应力云图

3.2.2 电极座应力、应变分布云图

图15显示了电极座轴向位移云图，最大位移为向下4.9mm，发生在中心处。图16显示了电极座等效应力云图，最大等效应力为137MPa，电极座上、下端及中间截面突变处应力较大，这主要是因为上、下端部与夹套上、下花板相连，当电极座受热膨胀时，由于上、下花板的约束，则引起应力集中，同时电极座中间截面由于壁厚突变引起了应力集中。

图15 电极座轴向位移云图

图16 电极座等效应力云图

4 结论

本文采用ANSYS软件，考虑材料的非线性，建立某多晶硅还原炉夹套式封头有限元模型，得到夹套式封头结构温度场和热-机械耦合场应力云图，其整体结构轴向位移为5.4mm，符合工程要求，最大等效应力为195MPa，超过许用应力值，整体结构产生塑性变形，等效应变为0.0078，大于工程塑性应变0.002，因此表明夹套式封头结构发生轻微塑性变形，为其结构设计提供数据参考，也体现出有限元方法对还原炉设计的经济性和实用性。

[1] 黄哲庆,刘春江,袁希钢. 一种新型多晶硅还原炉流动与传热的数值模拟[J].化工学报,2013,02:484-489.

[2] 段连,周阳,刘春江. 多晶硅还原炉内流场及温度场的研究[J].化学工业与工程,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,汪绍芬,严大洲. 基于Fluent对多晶硅还原炉的三维数值模拟及其优化[J]. 有色冶金节能,2011,04:48-52+56.

[6] 徐君臣,王泽武,银建中. 带夹套平板封头弹塑性有限元分析及优化[J]. 压力容器,2013,01:31-34.

[7] 寇小强,李庆生. 24对棒多晶硅还原炉的辐射传热数值模拟[J]. 工业加热,2014,05:53-56.

[8] 王晓静,王磊. 基于Fluent的还原炉底盘温度场均匀化分析[J]. 西北大学学报(自然科学版),2013,06:903-908.

[9] 孙鹏. 多晶硅还原炉流场、温度场数值模拟及能耗分析[D].华中科技大学,2012.

[10] 潘家祯.压力容器材料实用手册 碳钢及合金钢[M]. 北京:化学工业出版社, 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