DSS铸锭炉铜电极螺纹拉弧分析与改进_李松林

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前言
随着煤炭、 石油、 天然气等不可再生能源的日
益减少， 太阳能的开发与利用越来越引起了世界 各国的 重 视。 EPIA （ 欧 洲 光 伏 产 业 协 会 ） 统 计 2012 年上半年全球光伏市场需求达到 13． 1 GW， 同比增长 46% 。 光伏发电的巨大市场前景是一 来自欧盟的预测， 到本世纪中叶太阳能 致看好的， 光伏发电在整个能源结构中的比例将达 25% ， 到
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改进创新
现场拆卸铜电极组件时， 发现铜电极上的铜 ） 与石墨电极常常 锁紧螺母（ 以下简称“铜锁母 ” 锁不紧， 接触不牢， 相互拧紧后也易整体转动。设 备厂家技术人员认为铜锁母作用仅为以下两点 ： （ 1） 用于铜电极与石墨电极之间防松； （ 2） 石墨电极 便于电极更换后在同一位置。 拆换时的安装定位， 研究发现， 铜锁母不仅仅有以上作用， 对其结 构进行改进设计， 可以使其具有重要的辅助导电 作用。参照图 5 ， 模拟通电时工作情况， 绝大部份 电流通过铜电极的外螺纹面与石墨电极的内螺纹 接触流通， 如果将石墨电极与铜锁母与石墨电极 顶端紧贴。就有相当一部份电流通过铜锁母流向 石墨电极。
DOI:10.13990/j.issn1001-3679.2012.05.018
第 30 卷 第 5 期 2012 年 10 月
江
西
JIANGXI
科
SCIENCE
学
Vol． 30 No． 5 Oct． 2012
文章编号： 1001 － 3679 （ 2012 ） 05 － 0686 － 04
DSS 铸锭炉铜电极螺纹拉弧分析与改进
［1 ］ 降低了电极拉弧烧坏铜电极螺纹 。 认识到铜 锁母过渡承载导电的特点， 对铜锁母进一步改进
定其损坏的根本原因应是铜电极外螺纹与石墨电 极内螺纹接触面积不够， 或在运行过程中产生松 动产生拉弧造成。
增加导电分流能力。 2 ． 1 将铜锁母的制作材料改用跟铜电极一样的 紫铜 当时厂家为降低成本考虑， 铜锁母原选用的 ［2 ］ 材料是普通黄铜， 现根据材料手册 查到相关材 铜电极、 石墨电极连接示意图 为了提高配合面的负载能力， 只有增大接触 面积。可以增大铜电极的直径尺寸或旋合长度， 但考虑到增大尺寸铜电极与石墨电极本身会增加 且相关连接部件需改造， 作为已经批量 制造成本， 量产的设备来说， 费用巨大， 难以实施。 此外， 过 大的径向尺寸， 会造成过多的热量损失。 因为石 墨是优良的热导体， 热场内部 （ 温度高 达 1 600 ℃ ） 的热量会更容易通过石墨电极导出， 从而影 响热场温度分布。增加旋合长度也会增加制造及 螺纹超过一定圈数后， 有效接触面积增 安装难度， 加不明显， 甚至降低。 图5 料的电阻率（ 表 1 ） 。 表 1 铜锁母制作材料的电阻率
材料 电阻率 / μΩ·m
－1
银 0． 0159
紫铜 0． 017
黄铜 0． 07
紫铜的导电率与导电性能最好的银非常接 近， 而黄铜的电阻率超过紫铜的 4 倍， 材料的变化 使铜锁母的分流导电作用得以加强 。 2 ． 2 改进铜锁母的结构设计 原来铜锁母为普通螺母， 石墨电极与铜锁母 相互拧紧， 两者也容易在铜电极整体转动。 在加 热过程中， 铜与石墨属不同材料， 铜膨胀系数为 －6 －6 17． 2 × 10 / K， 4． 5 × 10 / K［3］， 而石墨为 相差 较大， 热胀冷缩过程中， 铜电极与石墨电极的接触 点滑移， 大电流通电时就滑移点就容易拉弧。 将 铜锁母切开口， 钻孔攻丝， 加装内六角螺栓锁紧， 具体见图 6 。
1 2 3 3 李松林 ， 张国军 ， 王国文 ， 刘俊良
（ 1． 江西赛维 LDK 太阳能高科技有限公司， 江西 2． 新余学院， 江西
新余 338032 ； 新余 338001 ）
新余 338004 ； 3． 新余钢铁集团有限公司， 江西
摘要： 铸锭炉是光伏行业的关键设备， 其铜电极通过的最大电流有 1 500 A， 铜电极与石墨电极通过螺纹连接， 大电流在通过不同材料螺纹接口时， 容易产生拉弧损坏， 从而影响设备运行的稳定性， 从电极拉弧现象出发， 得出了一些创新性的改进并实施， 取得了突出的效果， 为电极的螺纹接口设计提供一个有益的参考 。 关键词： 铸锭炉； 铜电极； 螺纹拉弧； 锁紧螺母 中图分类号： TF806． 9 文献标识码： B
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2 触面积再次减半为 1 600 mm 左右。 使用过程 中， 铜电极与石墨电极损坏的仅仅是螺纹表面 ， 认
铜电极与石墨电极螺纹连接的理论接触面积 2 为 1 020 mm ， 而石墨电极与锁紧螺母圆环面接触 面积为： 31 × 31 × 3． 14 － 18 × 18 × 3． 14 = 2 000． 2 mm2 。根据欧姆定律， 经过铜锁母端面流向石墨 电极的电流要大于经过铜电极螺纹到石墨电极的 电流。并且石墨电极和锁螺母端面的机加工精度 容易得到保证， 所以平面与平面接触比螺纹面与 螺纹面配合更紧密。即铜锁母与石墨电极的接触 电阻要大大小于铜电极与石墨电极接触电阻 。这 样就减少内、 外螺纹接触面通过的电流， 从而大大
计算电极螺纹之间的接触面积， 铜电极与石 30 mm （ 墨电极的有效旋合长度为 图 5 ） 。30 mm 长的 M36 × 2 铜电极外螺纹理论表面积约为 4 × 15 × 34 × 3． 14 = 6 405． 6 mm2 。 由于内外螺纹一 般只有一个螺纹面接触， 所以实际螺纹接触面积 2 外螺纹配合设计为 减半约为 3 200 mm ； 电极内、 螺纹顶及根部接触不到位， 根据相应 大间隙配合， 配合公差尺寸计算， 常温下配合约有半个牙高， 接
堵死， 空腔之间的气体难以抽净， 之间残留的气体 在高温下会与铜发生反应， 影响铜电极的使用寿 命。 经过上述改进后， 铸锭炉运行 3 个月， 拆下的 铜电极丝毫无损， 设备现又运行近 2 年， 铜电极还 可见新的改进设计是卓有成效的 。 能正常使用，
李松林等： DSS 铸锭炉铜电极螺纹拉弧分析与改进 I = US / ρL
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结晶生长出高品质硅锭的设备， 设备运行额定功 率是 165 kW， 工作电压 25 V， 炉内加热器连接在 石墨电极下端， 石墨电极顶端通过螺纹连接与铜 电极相接， 铜电极再伸出炉腔与外部电源相通。 在本公司， 首批 60 多台铸锭炉设备在使用 3 个月 发现铜电极 （ 图 1 ） 与石墨 后的热场维护保养中， 电极（ 图 2 ） 螺纹都烧结在一起， 难以拆下。 强行 将石墨电极取下， 发现铜电极的螺纹损坏 （ 图 3 、 图 4） ， 每拆下一根， 铜电极与石墨电极就报废一 套。 因 为 铜 电 极 采 用 紫 铜 材 料， 长 度 约 1 000 mm， 内部盲孔用于通冷却水， 制作难度大， 精度 高， 当时每根铜电极采购成本 8 000 元以上。 每 首批 60 多台铸锭炉几乎 台铸锭炉为 6 根铜电极， 损失巨大。 所有的电极就仅因为螺纹损坏需更换 ，
2 铜， 通过电流约 2 A / mm ， 铜电极的截面承截足够； 同样计算石墨电极最小处导电截面积约为 2 000
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
mm2 ， 石墨电极采用高纯等静压石墨材料 ， 导电性
2 能良好， 石墨材料对 ＜ 1 A / mm 的电流导通是有 足够的安全富余， 电极尺寸大小设计本身无问题。
通过组织相关技术人员、 生产厂家及安装人 员一起开会讨论， 分析事故原因。首先， 从铜电极 电压计 设计尺寸考虑。 根据铸锭炉的额定功率、 算， 通过单根铜电极的最大电流有 1 500 A。铜电 极外径 36 mm， 内孔 20 mm， 铜电极最小截面积 为： 18 × 18 × 3． 14 － 10 × 10 × 3． 14 = 703． 4 mm2 。 根据欧姆定律： I = U / R ， 而 R = ρL / S， 可以推出：
图6
改进锁紧螺母
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李松林等： DSS 铸锭炉铜电极螺纹拉弧分析与改进
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待铜锁母与电极安装好后， 拧紧紧固螺钉， 这 样铜电极与铜锁母结合力加强， 铜电极与铜锁母 连接更牢固， 石墨电极也不易松动。 2 ． 3 对铜锁母的端面精加工 对铜锁母与石墨电极两结合面以较高平面 端面相对轴线垂直度和较低的表面粗糙度值 度、 要求加工， 从而增大两者接触面积， 减少接触电 阻。 2 ． 4 对石墨电极增加通气孔 在石墨电极与铜电极底部空腔孔壁处加工 2 mm 的通孔（ 图 7 ） 。因为铸锭需要在高真空的 环境下工作， 铸锭炉在运行前抽真空时， 石墨电极 与铜电极螺纹之前的缝隙可能被热场内石墨粉尘
Abstract： DSS （ Directional Solidification System） furnace is the key equipment of the photovoltaic industry． The maximum current through the copper electrode is 1 500 A． Copper electrode and graphite electrode connected by screw thread． Large currents that flow through screw thread interfaces of different material， is easy to produce arc damage， so as to influence the stability of equipment operation． This article draw some innovative improvement and implement from the electrode and arc phenomenon， obtained a prominent effect， provided a beneficial reference for the electrode thread interface design． Key words： DSS furnace， Copper electrode， Thread arc， Lock nut 而 本世纪末太阳能光伏发电比例将达 60% 以上， 如今光伏发电量仅占总发电量的 1% 左右， 光伏 发电的发展空间非常巨大。 目前太阳能光伏电池材料用量最大的是多晶 硅， 多晶硅制造的关键技术是硅锭的制造。 多晶 硅锭是用一个定向凝固生长 （ Directional solidification system 简称 DSS） 的铸锭炉生产。