高溫電爐生產多晶硅的核心設備,其采用鐘罩式反應器高溫電爐,將混合后的SiHCl3和H2從反應器底部的眾多噴口噴入,SiHCl3和H2反應,非均向成核生成多晶硅沉積在硅芯表面,逐漸長大成硅棒,生長過程中硅棒表面溫度1050~1100C。在非均向成核進行的同時,SiHCl3和H2也發生均向成核反應生成無定型硅粉,反應的程度主要取決于溫度、配比等方面的因素。為避免均向成核產生大量的硅粉,流體采用混流,即噴嘴引入冷物流持續噴向高溫的硅棒表面,避免局部溫度過高引發爆米花和大量硅粉的產生,這種模式也決定了還原爐噴口直噴、氣流底進底出的現有模式。也正因為此,高溫進料(進料溫度高會引起大量硅粉)及平推式反應模型(比如噴口完全側噴、氣流底進頂出)都是會失敗的。
高溫電爐流體力學模擬是個復雜的計算過程,小編為了簡化說明問題,把復雜的計算和抽象的模擬舍棄,僅以幾個氣體射流基本公式來推理噴口流速的合理取值。
氣體射流是流體力學基本的模型,當氣體從孔口或管嘴以一定的流速噴出后,由于射流為紊流流態,紊流的橫向脈動造成射流與周圍氣體發生動量交換,從而把相鄰的靜止流體卷吸到射流中來,兩者一起向前運動,于是射流的過流斷面沿程不斷擴大,流量不斷增加。
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