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。多晶硅加氢反应器是多晶硅生产系统的重要组成部分，它是一种压力容器。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。对于压力容器检测，压力测试是非常重要的，本文还介绍了检测方法和要求。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
多晶硅是大规模集成电路、太阳能电池和半导体原材料之一。因为硅材料的特殊性能，由于其独特的性质，成为现代电子工业和信息社会的基础，直接促进了世界高技术和工业的快速发展和应用。当前我国多晶硅供需失衡，是以务必加速多晶硅的建设步调，转变我国的多晶硅工业受制于国际市场的景况，不然将危及中国的集成电路、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
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料之一。因为硅材料的特殊性能，由于其独特的性质，成为现代电子工业和信息社会的基础，直接促进了世界高技术和工业的快速发展和应用。当前我国多晶硅供需失衡，是以务必加速多晶硅的建设步调，转变我国的多晶硅工业受制于国际市场的景况，不然将危及中国的集成电路、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
多晶硅是一种元素硅的形式，在冷态凝固过程中，硅原子在凝固过程中，硅原子在金刚石点阵形式排列的多晶核，如这些核生长成不同晶粒的晶体取向，那么这些晶粒联系到一起，最后就变成了多晶硅。
图 1-1为多晶硅示意图。根据多晶硅的纯度可以分为三类，分为冶金级硅、太阳能级硅和电子级硅，冶金级硅也被称为硅金属，硅含量在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，拥有金属的常见色泽，常温下并不活泼，在高温状态下可以和氧、氮、硫等元素发生化学作用，并且在高温熔融状况下，具有较大的化学活泼型，几近可以和所以材料发生化学反应。
密度为2.32～2.34，熔点为1410度，沸点为2355度，可以溶解在氢氟酸以及硝酸的混和酸中，不能和硝酸，水还有盐酸溶解在一起。硬度和锗还有石英差不多，在他们之间.多晶硅在室温下的时候非常脆，切割的时候很有可能碎掉或者裂开。高温熔融状况下，拥有很大的化学活泼性，几近可以和所以材料发生化学反应。它的性质和半导体差不多，是非常重要的杰出半导体原料，但是哪怕一点点杂质都会对它的导电性造成很大的影响2]。
1.1.3 多晶硅的应用
高纯度多晶硅是重要的电子信息基础材料，作为一种重要的半导体材料，已被誉为“多晶硅产业”的微电子产业以及光伏产业的基石。太阳能级多晶硅是出产太阳能光伏电池的重要原料，电子级多晶硅在半导体产业和电子信息产业用的较多，是生产单体硅的重要基本材料，可以做各种各样的晶体管、整流器、硅控制、集成电路、电子计算机芯片和红外探测器等。因为多晶硅材料它的工艺很成熟、质量好、原料丰富、成本和别的材料比起来较低，所以在最近的几十年里,任何其他的材料都不可能取代他作为电子信息和光伏产业的重要原材料。
多晶硅产业的进步和利用已然变成权衡某个国家现代化水准、国防能力还有综合国力的重要因素.
1.2 多晶硅生产工艺
多晶硅生产过程如图1-2所示，主要包括三氯氢硅、四氯化硅氢化热合成（有些用氯化氢）、精馏、还原、尾气回收，和一些小的方面，氢气生产，氯化氢合成，废气废液处理，硅棒整理等。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。
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 +盐酸+ Si （还原反应）
多晶硅生产会产生一个副产物，多晶硅氢化技术就是用来将同步四氯化硅转化为中间原料三氯氢硅，形成了一个废物利用的循环，这项技术非但降低了环境污染，并且将生产过程中产生的副产物废物利用，使多晶硅的生产成本大大降低。。
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]
1.2.3 热氢化和冷氢化的工艺比较
（1）高温常压下的热氢化反应
将H2/SiCl的混合气体通到1100—1400℃的高温炉内发生氢化反应，反应生成的混合气体中有SiHCl3，H2和未反应的H2及SiCl4，再将该混合气体送到第二反应器中，混台气中的HCI与该反应
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
多晶硅是大规模集成电路、太阳能电池和半导体原材料之一。因为硅材料的特殊性能，由于其独特的性质，成为现代电子工业和信息社会的基础，直接促进了世界高技术和工业的快速发展和应用。当前我国多晶硅供需失衡，是以务必加速多晶硅的建设步调，转变我国的多晶硅工业受制于国际市场的景况，不然将危及中国的集成电路、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
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
料之一。因为硅材料的特殊性能，由于其独特的性质，成为现代电子工业和信息社会的基础，直接促进了世界高技术和工业的快速发展和应用。当前我国多晶硅供需失衡，是以务必加速多晶硅的建设步调，转变我国的多晶硅工业受制于国际市场的景况，不然将危及中国的集成电路、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
多晶硅是一种元素硅的形式，在冷态凝固过程中，硅原子在凝固过程中，硅原子在金刚石点阵形式排列的多晶核，如这些核生长成不同晶粒的晶体取向，那么这些晶粒联系到一起，最后就变成了多晶硅。
图 1-1为多晶硅示意图。根据多晶硅的纯度可以分为三类，分为冶金级硅、太阳能级硅和电子级硅，冶金级硅也被称为硅金属，硅含量在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，拥有金属的常见色泽，常温下并不活泼，在高温状态下可以和氧、氮、硫等元素发生化学作用，并且在高温熔融状况下，具有较大的化学活泼型，几近可以和所以材料发生化学反应。
密度为2.32～2.34，熔点为1410度，沸点为2355度，可以溶解在氢氟酸以及硝酸的混和酸中，不能和硝酸，水还有盐酸溶解在一起。硬度和锗还有石英差不多，在他们之间.多晶硅在室温下的时候非常脆，切割的时候很有可能碎掉或者裂开。高温熔融状况下，拥有很大的化学活泼性，几近可以和所以材料发生化学反应。它的性质和半导体差不多，是非常重要的杰出半导体原料，但是哪怕一点点杂质都会对它的导电性造成很大的影响2]。
1.1.3 多晶硅的应用
高纯度多晶硅是重要的电子信息基础材料，作为一种重要的半导体材料，已被誉为“多晶硅产业”的微电子产业以及光伏产业的基石。太阳能级多晶硅是出产太阳能光伏电池的重要原料，电子级多晶硅在半导体产业和电子信息产业用的较多，是生产单体硅的重要基本材料，可以做各种各样的晶体管、整流器、硅控制、集成电路、电子计算机芯片和红外探测器等。因为多晶硅材料它的工艺很成熟、质量好、原料丰富、成本和别的材料比起来较低，所以在最近的几十年里,任何其他的材料都不可能取代他作为电子信息和光伏产业的重要原材料。
多晶硅产业的进步和利用已然变成权衡某个国家现代化水准、国防能力还有综合国力的重要因素.
1.2 多晶硅生产工艺
多晶硅生产过程如图1-2所示，主要包括三氯氢硅、四氯化硅氢化热合成（有些用氯化氢）、精馏、还原、尾气回收，和一些小的方面，氢气生产，氯化氢合成，废气废液处理，硅棒整理等。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。
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 +盐酸+ Si （还原反应）
多晶硅生产会产生一个副产物，多晶硅氢化技术就是用来将同步四氯化硅转化为中间原料三氯氢硅，形成了一个废物利用的循环，这项技术非但降低了环境污染，并且将生产过程中产生的副产物废物利用，使多晶硅的生产成本大大降低。。
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]
1.2.3 热氢化和冷氢化的工艺比较
（1）高温常压下的热氢化反应
将H2/SiCl的混合气体通到1100—1400℃的高温炉内发生氢化反应，反应生成的混合气体中有SiHCl3，H2和未反应的H2及SiCl4，再将该混合气体送到第二反应器中，混台气中的HCI与该反应
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