36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
多晶硅还原炉气相平衡计算与分析
多晶硅还原炉气相平衡计算与分析多晶硅还原炉是制备多晶硅材料的关键设备，其性能和效率直接影响到多晶硅材料的质量和生产成本。
而气相平衡计算与分析是研究多晶硅还原炉的重要方法之一，可以帮助我们理解炉内反应的机理并有效地改进炉内过程。
在本文中，我们将对多晶硅还原炉气相平衡计算与分析进行详细阐述。
在多晶硅还原炉中，主要的反应过程是硅石和焦炭在高温下发生反应生成硅气和CO气。
硅气是制备多晶硅的原料，而CO气是副产物。
因此，炉内硅气浓度的均匀分布和高浓度的维持是提高多晶硅材料产率和质量的关键。
为了进行气相平衡计算与分析，我们需要建立适当的反应模型和热力学平衡条件。
反应模型是描述硅石与焦炭反应的动力学和热力学过程的数学表达式。
热力学平衡条件是指在反应过程中，各组分气体的浓度满足热力学平衡条件，即各组分气体的化学势相等。
通过求解反应模型和热力学平衡条件，可以得到在给定反应条件下炉内各组分气体的浓度分布和反应温度的影响。
在进行气相平衡计算与分析时，我们需要考虑多种因素，如炉内温度分布、反应速率常数、反应物质的染料和传质过程等。
需要利用热力学数据库中的反应热力学数据、传递速率的基本原理以及传质模型来进行分析。
在多晶硅还原炉中，硅气浓度的分布对多晶硅文斯坦的产率和质量有着重要影响。
通过气相平衡计算与分析，可以确定最佳的反应温度和反应物料比，以获得高浓度和高产率的硅气。
此外，在多晶硅还原炉气相平衡计算与分析中，还需要考虑其他因素，如反应器的设计和操作参数的优化。
反应器的设计包括炉内反应区的尺寸和形状以及各种反应区域的温度控制方法。
操作参数的优化包括反应温度、反应压力和反应物流速的控制。
总的来说，多晶硅还原炉气相平衡计算与分析是研究多晶硅材料制备过程中的重要方法之一、通过这种方法，可以优化炉内反应条件，提高多晶硅材料的产量和质量。
在未来的研究中，还可以进一步研究多晶硅还原炉的数值模拟和实验验证，以改进炉内过程的操作和设计。
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍在多晶硅生产过程中，电极还原炉是一个至关重要的设备，用于将气相中的氯化硅还原成多晶硅。
在电极还原炉内，通过电弧加热的方式使氯化硅还原成多晶硅，并最终沉积在电极上。
为了更好地了解电极还原炉内的流场和温度场分布情况，可以进行数值模拟计算。
数值模拟计算是通过建立数学模型，利用计算机进行计算，模拟实际物理过程。
在电极还原炉流场及温度场数值模拟计算中，可以采用计算流体力学（CFD）方法，结合传热传质理论，对电极还原炉内气体流动和传热过程进行模拟。
通过数值模拟计算，可以获得电极还原炉内的温度分布、气体流动速度和压力分布等关键参数，为优化电极还原炉设计和操作提供重要参考。
在进行电极还原炉流场及温度场数值模拟计算时，首先需要建立电极还原炉的几何模型。
通常可以采用计算机辅助设计（CAD）软件对电极还原炉进行三维建模，包括炉体、电极、电弧等关键部件。
建立几何模型后，需要进行网格划分，将计算区域离散化为小的网格单元，以便进行数值计算。
接下来，需要建立物理模型和数学模型。
在电极还原炉内气体流动和传热过程中，需要考虑流体的动量守恒、能量守恒和质量守恒方程，以及气体的热传导、辐射传热和对流传热等物理过程。
通过建立这些方程组，可以描述电极还原炉内的流场和温度场分布情况。
通过电极还原炉流场及温度场数值模拟计算，可以获得电极还原炉内关键参数的变化规律，为优化设备设计和操作参数提供指导。
同时，数值模拟计算还可以节约成本、降低风险，提高生产效率和产品质量。
因此，电极还原炉流场及温度场数值模拟计算在多晶硅生产中具有重要的应用价值。
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍多晶硅是半导体产业中常用的材料之一，用于制造太阳能电池和集成电路等器件。
实现高质量的多晶硅生产需要一个优化的电极多晶硅还原炉的设计。
为了准确地理解和改进电极多晶硅还原炉的工作原理，数值模拟计算是一种有效的手段。
电极多晶硅还原炉流场和温度场数值模拟计算是通过计算流体力学（CFD）方法来模拟还原炉内部的气体和固体颗粒的流动以及温度分布情况。
这种模拟计算可以提供关键参数的准确预测，从而优化还原炉的设计。
首先，进行电极多晶硅还原炉流场数值模拟计算，需要建立还原炉的几何模型。
通常，还原炉由炉体、电极、吹气系统和加热系统等组成。
通过CAD软件或者其他几何建模软件，将还原炉的几何形状转化为数值计算所需的网格模型。
网格的精细程度对数值计算的精度有影响，因此需要根据具体情况进行网格划分。
接着，通过CFD软件对还原炉的流场进行模拟计算。
在模拟计算中，需要考虑气体的流动和固体颗粒的运动。
对于气体流动，需要考虑雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流模型以及边界条件等。
对于固体颗粒的运动，需要考虑颗粒的运动方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。
在模拟计算中还需要考虑到电极多晶硅还原炉的加热系统对温度的影响。
加热系统通常由电炉、加热元件以及其他辅助设备组成。
这些部件的有效设计对于保持还原炉内部温度的均匀性非常重要。
模拟计算的结果可以提供有关还原炉内部流场和温度场的详细信息。
这些信息可以用来检测和解决流动不均匀性和温度梯度不均匀性等问题。
此外，还可以针对不同操作条件进行数值模拟计算并比较结果，以优化还原炉的设计。
在进行数值模拟计算时，需要注意的是模拟的准确性和计算的效率。
准确性取决于模型的设定和参数选择，而计算效率则取决于计算资源的使用和模拟算法的选择。
总之，电极多晶硅还原炉的流场和温度场数值模拟计算是优化还原炉设计的重要手段。
通过建立几何模型、选择适当的数值计算方法以及精心选择参数，可以得到准确的模拟结果，为优化多晶硅生产提供理论指导。
多晶硅气相沉积反应的流动状态模拟及热力学分析6.2
1. 反应体系特点
钟罩式多晶硅还原炉内的气象沉积反应及其复杂，可以包括如下各种反应： (1) SiHCl3(g)+H2(g)=Si(s)+3HCl(g) (1) ————————(主反应,1353K) (2) 2SiHCl3(g)=Si(s)+2HCl(g)+SiCl4(g) ――――――――（热分解） (3) SiHCl3(g)+H2(g)=SiH2Cl2(g)+HCl(g) (4) SiHCl3(g)+2H2(g)=SiH3Cl(g)+2HCl(g) (5) SiHCl3(g)=SiCl2(g)+HCl(g) (6) 2SiHCl3(g)=SiCl4(g)+SiH2Cl2(g) (7) 4SiHCl3(g)=Si(s)+3SiCl4(g)+2H2(g) (8) SiCl4(g)+2H2(g)=Si(s)+4HCl(g) (9) SiCl4(g)+H2(g)=SiCl2(g)+2HCl(g) (10) SiCl4(g)+H2(g)=SiHCl3(g)+HCl(g) (11) 2SiCl2(g)=Si(s)+SiCl4(g) (12) SiCl2(g)+H2(g)=Si(s)+2HCl(g) (13) SiH2Cl2(g)=Si(s)+2HCl(g) (14) SiH2Cl2(g)+H2(g)=SiH3Cl(g)+HCl(g) (15) SiH3Cl(g)=HCl(g)+Si(s)+H2(g) (16) Si(s)＋2HCl(g)≒SiH2Cl2(g) (＞1200℃或低温腐蚀) (17 Si(s)＋4HCl(g)＝2H2(g)＋SiCl4(g)（腐蚀） 原料混合气是SiHCl3＋H2，产物是Si、HCl、SiCl4以及多余的H2，当然，由 于是可逆反应，还会有剩余的SiHCl3，但是总的来说，原料气的利用率并不高， 只有30％左右，在压力和原料配比变化不大的时候，温度很关键。同样，在一定 的控制温度下，压力与原料的配比对反应平衡的影响也很重要。根据上述化学反 应平衡模型， 分别就反应温度、 压力和进料组成对平衡时体系的主要组分SiHCl3、 H2、 SiCl4、 HCl 、SiH2Cl2等气相物质与晶体硅的平衡，讨论最佳的反应温度、 压力及进料气体等工艺条件。
一种新型多晶硅还原炉流动与传热的数值模拟
一种新型多晶硅还原炉流动与传热的数值模拟黄哲庆;刘春江;袁希钢【摘要】在传统多晶硅还原炉结构基础上,提出了一种内部流场为平推式流动的新型多晶硅还原炉,并采用计算流体力学方法研究了该还原炉内的速度场和温度场.流场模拟结果表明,新型多晶硅还原炉内混合气的流动基本上实现了平推式流动；温度场模拟结果发现,通过改变操作参数,采用平推式流动可实现炉内温度场的控制,解决了传统还原炉局部温度过高的问题,可避免硅粉的产生,长期保持还原炉内壁面的抛光效果,降低还原炉辐射电耗；计算结果表明,在相同的条件下,采用新型多晶硅还原炉的还原电耗较传统还原炉可降低8.5％.%Based on the traditional polysilicon reduction furnace, a novel polysilicon reduction furnace is presented. The velocity and temperature fields are simulated by using computational fluid dynamic. The simulation result of the flow field shows that the flow pattern of the gas mixture in the novel furnace is plug flow, which is fundamentally different from that in traditional furnace. The simulation shows that the temperature field in the novel furnace can be controlled by changing the operating parameters, which solves the problem of high local temperature in traditional furnace, avoids the generation of the silicon powder and reduces the radiation power consumption. The energy consumption in the novel furnace is 8. 5% lower than that in the traditional furnace.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2013(064)002【总页数】6页(P484-489)【关键词】多晶硅;还原炉;数值模拟【作者】黄哲庆;刘春江;袁希钢【作者单位】天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN3引言随着石化资源的枯竭，新能源的开发具有十分重要的意义，其中太阳能发电以其具有清洁性和储量丰富得到迅速发展[1－3]。
多晶硅氢化炉多场耦合的数值模拟
与氢气 一起 按一 定 摩 尔 比进 入 氢 化 炉 ， 氢化 炉 内 装 有高 纯石 墨 ， 通 电 加热 到约 １ ２ ５ ０℃ ， Ｓ ｉ Ｃ １ 、 Ｈ 在 多 晶硅氢 化 炉 内发 生 化 学反 应 生成 Ｓ ｉ ＨＣ １ 。 气
体（ 简 称为 ＴＣ Ｓ ） 。从 多 晶硅 氢 化 炉 内出 来 的 主 要气 体 有 Ｓ ｉ Ｃ １ 、 Ｈ。 、 ＨＣ １ 、 Ｓ ｉ ＨＣ １ 。等 。此 气 体 快 速冷却 后降 至约 １ ５ ０ ～２ ０ ０℃ ， 经 过 Ｈ。加热器 热
第 １ ２卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ６月
热 科 学 与 技 术
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ Ｉ ． １ ２ ＮＯ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
题［ ４ ］ 。为 了有效 提 高 氢化 炉 转 化 效 率 ， 需要先 了 解 多 晶 硅 氢 化 炉 内部 的 流 体 场 、 温 度 分 布 规律 。
国内外对 多 晶硅 氢 化炉 的实 验 和数 值 研 究 很少 ， 对还 原 炉 研 究 较 多 ［ ５ ］ 。同时， 由 于 工 作 环 境 恶 劣， 多 晶硅氢 化炉 内部结构 设计 复杂 ， 给 现场 测定 氢化 炉 的流 场 和 温 度 场 带 来 了 很 大 的 困 难 。为
分 析 。通 过 与 实 际 生产 情 况 进 行 比较 ， 表 明流 场 、 温度场数值模拟的可靠性和准确性。
关 键词 ：多晶硅 ； 氢 化炉 ； 流场； 温度 场 中图分 类号 ： ＴＫ１ ７ ５ 文献标 识 码 ：Ａ
Ｏ 引 言
大型多晶硅还原炉的温度场模拟
与变形等进行多工况的分析计算，提高其自主设计的多晶硅还原
以某公司 500t 多晶硅还原炉为原型，建立实时特性仿真平
炉的结构可靠性及运行过程中的最佳冷却水量控制，为该产品进 台。通过对多晶还原炉的全三维温度场模拟分析，深入了解其复
行国产化过程中的创新设计奠定基础。
杂的内部温度分布，预测性能，指导辐射域和冷却系统的优化设
（2）
R
R
qv（r軆）～qv（r軆 +dr軆）
（3）
对方程（1）从边界面出发，沿辐射行程积分。若沿着射线行
程，那么，对于 Iv，有：
I（v r軆，s軆）=Ivoexp（-（Kav+Ks）v s）+Ib（v 1-exp（-Kas））+KsvIv
（4）
式中：Ivo—射线行程起始点的辐射强度，它由相应的边界条件确
多晶硅还原炉的温度温度场分布是指导其优化设计的重要 计，避免繁琐的模型试验，降低设计研发成本。同时也为下一步的
参考之一。然而工作环境的高温高压，所以对其结构的合理设计、 “热－结构”应力与变形等进行多工况的分析计算提供相关依据和
材料的选择以及能源经济性都要有相应的考虑。同时其结构的复 参考。
＊来稿日期：2008-06-16 ＊基金项目：四川省教育厅自然科学基金重点项目（07ZA116），四川省科技支撑计划重点攻关项目（2008GZ0072）
散，针对控制方程的特点，连续性方程，动量方程，能量方程，湍动
能方程和湍动能耗散方程均采用 High resolution 格式离散计算，
求解器使用全隐式多网格耦合求解，同时求解方程组，加上多网
格技术，提高了 CFX 的计算速度和稳定性。
硅棒辐射参数为：发射率 0.4。反射率 0.6。考虑反应中的对壁 面辐射率的影响，内夹层壁面的辐射率设置为：发射率 0.7，发射 率 0.3。专家系数选择 topology estimate factor，设置为 1.2。
热处理过程中温度场的数值模拟及分析
热处理过程中温度场的数值模拟及分析热处理是一种常用的金属加工工艺，通过控制金属材料的加热与冷却过程，可以改变金属材料的组织结构和性能。
温度场是热处理过程中重要的参数之一，直接影响着金属材料的组织和性能的形成与变化。
因此，准确地模拟和分析热处理过程中的温度场对于优化工艺、改善产品质量具有重要意义。
数值模拟是研究温度场的有效方法之一。
它基于数学模型和计算方法，通过计算机的数值计算来获得温度场的分布情况。
在热处理过程中，温度场的分布受到多个因素的影响，如加热功率、材料热导率、热辐射、对流散热等。
数值模拟通过建立数学模型，考虑这些因素，并进行相应的计算，可以得到较为准确的温度场分布。
首先，进行数值模拟需要选择适当的数学模型。
在热处理过程中，常用的模型有热传导方程、能量方程等。
热传导方程是研究物体内部温度分布的基本方程，它考虑了热传导过程中的温度梯度对热流的影响。
能量方程则是考虑了热源与物体之间的热交换过程，可以更全面地描述温度场的变化。
其次，进行数值模拟需要确定边界条件。
边界条件是指在模拟过程中与外界接触的部分，它对于温度场的分布起着重要的影响。
常见的边界条件有热流、热辐射和对流散热等。
热流边界条件是指物体表面受到的外部热量输入或输出，热辐射边界条件是指物体表面受到的辐射热量，而对流散热边界条件则是指物体与周围介质间的热交换。
然后，进行数值模拟需要进行网格剖分。
网格剖分是将模拟区域分成小的单元，用于离散方程和计算。
在温度场的数值模拟中，常用的网格剖分方法有结构化网格和非结构化网格。
结构化网格是指将模拟区域划分为规则的矩形或立方体单元，易于计算和分析。
非结构化网格则是将模拟区域划分为任意形状的单元，适用于复杂几何形状和不均匀材料性质的模拟。
最后，进行数值模拟需要选择合适的求解方法。
在热处理过程中，常用的求解方法有有限差分法、有限元法和边界元法等。
有限差分法是基于差分逼近的一种方法，将参与方程离散化成代数方程，并通过迭代计算得到数值解。
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36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
1、概述
还原炉流场及温度场数值模拟计算主要是描述还原炉内气体流动的流体力学和表面反应动力学模型，应用于多晶硅生产过程模拟，利用流体力学的偏微分方程组，得到还原炉内气体的流场和浓度场及温度场的模拟计算结果，分析底盘进气喷嘴与硅棒相对位置对气体的影响。
1.1 还原炉内多晶硅形成过程
SiHCl3与氢的还原在大型钟罩式还原炉内进行。
SiHCl3与H2混合气体经过一套组合喷嘴进入炉体内。
混合气体上升过程中形成稳定的气体射流，受硅芯表面阻力作用形成一定厚度的速度边界层，满足热力学条件时反应气体通过边界层向硅芯表面扩散发生多晶沉积，径向生长。
其描述如下：反应气体转移到基体（硅芯）上；反应气体被基体表面吸附；基体表面化学反应；表面成核与扩散；副产物从基体表面解析；副产物从基体上方移走，重新回到主气流。
2、数值计算方法与模型
多晶硅制备采用化学沉降法，具有纯度高、致密度高等有点，但反应在气相中发生，带来了在沉积过程中气体流型稳定性、反应温度分布均匀性、产物浓度平衡性等问题。
将流体力学和表面反应动力学模型应用于多晶硅生长过程模拟，计算还原炉速度流动场、温度场、表面反应及扩散过程，建立生长初始条件和反应过程各组分的理论关系。
各种气体在还原炉内运动规律的数学模型有：流体流动的连续性方程、动量方程、能量方程、辐射传热方程、组分传递与扩散方程及表面反应动力学方程。
3、计算结果分析
采用CFD软件对上述模型进行求解运算，得到气体沉降法制备多晶硅的还原炉内气体的流动（流场）、气体浓度、温度（温度场）及沉积速度的分布。
3.1 气体的流动分布（流场）
36对电极还原炉的进气喷嘴布置的六方体中心，在相同的气体流量下，喷嘴与硅棒、电极的方位影响还原炉内的气体分布及硅棒表面的气体的速度边界
层。
模拟计算机图中可知：混合气流从喷嘴射出，在空间上升经由壁面回流至还原炉底部并流出，整体气体分布较均匀：气体沿着硅芯平滑分布，表面形成均匀分布的气体膜，便于反应沉积的进行。
喷嘴应尽可能与硅棒形成均布且其喷嘴顶部要有一定的流速，满足每组硅棒表面的流通面积，从而使硅棒均匀生长。
3.2 温度的分布（温度场）
还原炉中一定温度的原料气体进入后被加热到反应温度在1080℃左右的硅芯表面进行硅的沉积。
加热系统包括高温硅棒的辐射，炉内气体的对流以及底盘和夹套水的冷却。
温度的均匀分布是硅棒均匀生长的重要因素之一。
还原炉由于出口气体的影响，下端温度稍低，硅棒的温度分布基本均匀，满足多晶硅生长的需要。
3.3 炉内工艺的该进
由气体流动、组分运输与反应的数值模拟可知，在硅棒的生长过程中适当控制气体的流量与流速可以使得还原炉内气体分布均匀。
在此基础上，对多晶硅还原炉的工艺参数可进行摸索改进，优化工艺条件，加快沉积速度，缩短单炉操作周期，提高原料的转化率，降低副产物产率，并提高产品质量，降低单炉还原炉能耗。
4、模拟计算结论
4.1通过CFD气体流动分析可得出：一定流速比例下喷嘴方位的布置是影响还原炉气体分布的主要原因之一。
合适的喷嘴位置和气体流动速度使气流从喷嘴喷出后，很快在硅棒表面形成稳定的速度边界层，炉内气体循环均匀，多晶硅生长均匀良好。
4.2温度均匀性是硅生长的关键因素之一，充分考虑夹套及底盘的冷却作用及外层硅棒与炉壁的距离使得还原炉内形成稳定的温度梯度，但进口气体的温度效应对还原炉底部的温度梯度有一定的影响。
4.3在气体流动分析的基础上结合多晶硅生长过程，对气体流量摩尔组分进行控制，使得每个生长阶段气体流动均匀，优化还原炉操作工艺，加快沉积速率，提高产量，降低能耗。