一爐四錠的多晶硅提純鑄錠爐

2011年3月，上海普羅新能源有限公司在SNEC展會上推出了RDS4.6一爐四錠型多晶硅鑄錠爐，被SNEC授予“2011年度全球光伏行業(yè)十大亮點”太瓦級鉆石獎。目前，DSC4.6型鑄錠爐為世界上單臺產(chǎn)能最大、單位能耗最少、同比產(chǎn)能下投資最省的多晶硅鑄錠爐。該爐型也自2011年起，連續(xù)三年獲得SNEC的太瓦級鉆石獎。 　　但是，由于金融危機和歐美雙反的影響，上海普羅的一爐四錠爐的銷售并不順利。到目前為止，僅在江蘇中強光伏科技有限公司銷售了五臺。而中強公司在2011~2012年間進行了大約一年的生產(chǎn)后，因為光伏產(chǎn)業(yè)寒冬的到來，停止了生產(chǎn)。后來又因為資金的問題，直到2013年9月，才有開始生產(chǎn)。 　　因此，在這期間，上海普羅的一爐四錠的爐子，似乎成為了多晶硅江湖上的一個傳說。凡是沒有親眼見過這臺爐子的人，尤其是業(yè)內(nèi)人士，都不能相信也不敢相信；甚至有的看到了爐子，但因為沒有親眼見過其生產(chǎn)狀況，也不相信，認為只是一個軀殼，不可能進行鑄錠生產(chǎn)。這臺爐子之所以令人難以置信的主要原因，就是這種一爐四錠的爐子，歐洲、美國、日本都沒有，因此，國人很難相信一個名不見經(jīng)傳的中國公司能夠做出世界上第一臺這樣的爐子。 　　現(xiàn)在，光伏市場開始從寒冬向早春過渡，而且國內(nèi)的產(chǎn)能過剩緩解，鑄錠環(huán)節(jié)甚至出現(xiàn)了產(chǎn)能不足，因此，有必要在這個時間向大家對這個一爐“四胞胎”的爐型進行一個介紹，已饗同行。 　　一、一爐四錠爐的演變 　　上海普羅是從2009年開始一爐四錠的鑄錠爐研發(fā)的。研究一爐四錠的出發(fā)點是，在提高單爐產(chǎn)量的同時，盡量利用現(xiàn)有型號的坩堝和開方設(shè)備，畢竟，能裝2噸硅料的坩堝至今也沒有誕生，可能今后也不會有，而開方機，如果從現(xiàn)有的G6擴大到G7、G8也不是簡單的事情。 　　普羅是以冶金法多晶硅聞名于同業(yè)的。冶金法多晶硅的最后一道工序必然是定向凝固。因此，普羅很早就以提純鑄錠爐的工藝作為提純的最后一道工序。早在2008年四月，上海普羅就成功使用自行研制的RDS3.0系列鑄出了多晶硅錠。 　　普羅將一爐四錠的提純鑄錠爐的型號定為RDS4系列。第一代的單爐額定產(chǎn)量為1800~2000公斤，型號為RDS4.5系列；在G6坩堝和開方設(shè)備成熟后，普羅于2012年推出了RDS4.6系列，采用G6坩堝，單爐產(chǎn)量額定為2640公斤，最高可達3200公斤。 　　除了針對冶金法生產(chǎn)的太陽能級硅料進行提純鑄錠外，在2011年到2013年的光伏寒冬季節(jié)，上海普羅為了幫助使用原生料多晶硅鑄錠的客戶降低成本，主要針對多晶硅鑄錠的邊皮、頂皮料，單晶硅的鍋底料的提純鑄錠開發(fā)了特殊的工藝。在一爐四錠這種方式的本身已經(jīng)降低電耗和氣耗的成本的基礎(chǔ)上，再通過回收料的提純和再生，進一步降低鑄錠廠家的成本，從而降低光伏片和組件成本。 　　下面，介紹一下這個“四胞胎”鑄錠爐的一些性能和特點，和大家做一個分項，看看能否回答大家的一些疑問。 　　二、 RDS4系列多晶硅提純鑄錠爐的性能 　　RDS4.5爐型是世界上第一臺投入商業(yè)化使用的一爐四錠的多晶硅提純鑄錠爐，由于采用四個坩堝，單爐產(chǎn)量和年產(chǎn)能均相當(dāng)于普通使用G5坩堝的單錠爐型的四倍。 　　RDS4.5采用上海普羅真空提純工藝，可以在鑄錠的同時對硅料進行提純。這種技術(shù)可使得用戶在鑄錠的時候，回收鑄錠的頂皮、邊皮料混摻使用，也可混摻純度較低多晶硅料，并達到與使用100%原生硅料完全一致的晶體質(zhì)量。因此，該爐型能夠大大降低用戶的生產(chǎn)成本，為用戶提供增值的附加效益。 　　采用上海普羅專利開發(fā)的熱場與溫度控制工藝，RDS4.5提純鑄錠綜合能耗降低到每公斤6千瓦時以下。同時，所鑄硅錠長晶質(zhì)量高，晶柱完整，晶粒平均橫向尺寸大于10mm；電阻率均勻且一致，少數(shù)載流子壽命可高至10微秒以上，平均可切片率可達72%以上。而獨特的熱場設(shè)計使用戶在用相同坩堝時的漏硅率大大降低，減少了生產(chǎn)事故發(fā)生率，提高了用戶的設(shè)備利用時間，降低了生產(chǎn)成本。由于單爐產(chǎn)量大，采用RDS4.5爐型，用戶所需的生產(chǎn)車間面積和生產(chǎn)工人人數(shù)均比采用同等規(guī)格的普通鑄錠爐減少一半以上。 　　RDS4.6四錠鑄錠爐是上海普羅在RDS4.5爐型基礎(chǔ)上，針對G6坩堝開發(fā)的新爐型。該爐型目前是世界上具有最大的單爐鑄錠產(chǎn)量的爐型。RDS4.6使用G6坩堝，一次裝料量可達到2600-3600公斤。單爐產(chǎn)量和年產(chǎn)能均相當(dāng)于普通使用G6坩堝的單錠爐型的四倍。 　　但是，從RDS4.5 到RDS4.6的變化決不僅僅在坩堝的容量上。后者對爐底的冷卻方式進行了進一步改進，采用二級冷卻，大大提高了四個坩堝底部的溫度均勻性和降溫的可控性。熱場的進一步改變，使得鑄錠綜合能耗降低到每公斤5千瓦時以下；氬氣消耗則可下降了80%，只相當(dāng)于普通單錠鑄錠爐的單耗的20%。 　　三、 一爐四錠多晶硅提純鑄錠爐的優(yōu)勢 　　爐子越大，單位能耗越低，這是大家都知道的。這也是為什么RDS4系列鑄錠成本低的主要原因，但是，RDS4系列的成本低，還有許多其它的原因，可能很多人都不知道；除了鑄錠成本低外，RDS4 系列鑄錠爐也還有許多其它的優(yōu)勢，這里也與同行們分享一下。 　　3.1 成本低 　　RDS的鑄錠成本低，是從兩個方面體現(xiàn)的。 　　一個是，單位產(chǎn)能爐子本身的造價低。這不僅僅是因為一臺四錠爐的產(chǎn)能是單錠爐的四倍，但一臺四錠爐的價格絕對不到四臺單錠爐的價格；還因為，同樣產(chǎn)能的場地占用面積小，將減少廠房和設(shè)備基礎(chǔ)的造價；配電容量的降低，將降低高低壓配電系統(tǒng)的成本；還有氬氣消耗的降低，會降低氬氣制備或供應(yīng)系統(tǒng)的造價；冷卻水流量的降低，將降低冷卻水循環(huán)和純水制備系統(tǒng)的固定投入。這些各項因素加起來，將能夠大大減少用戶對一個工廠的投資。初步測算，對于一個年鑄錠產(chǎn)能為4000噸的多晶硅鑄錠車間來說，所有這些造價將能夠使用戶的投資減少4000萬元左右。 　　第二，是在鑄錠生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)成本低。而生產(chǎn)成本也絕不僅僅體現(xiàn)在電耗和氬氣消耗的大幅降低上，而是因為，同樣產(chǎn)能的爐子的數(shù)量少了，操作工人的數(shù)量也就減少了，維護的成本也減少了。在目前市面上鑄錠成本26000元/噸的平均水平下，考慮到所有的生產(chǎn)成本和折舊，采用RDS4.6多晶硅提純鑄錠爐，多晶硅的鑄錠成本僅有單錠鑄錠爐的60%，平均每噸產(chǎn)量可降低成本1萬元左右，也就是說，對一個年產(chǎn)5000噸的鑄錠工廠來說，每年可以增加5000萬元的利潤。這個利潤，在現(xiàn)在的市場價格下，將決定著一個鑄錠企業(yè)的生死。 　　3.2 漏硅率降低 　　RDS4系列的多晶硅提純鑄錠爐，采用的上下兩面加熱，與常規(guī)的四面加熱輔以頂部加熱的結(jié)構(gòu)不同。這樣的設(shè)計，使得在熔料時，熱量可以從頂部不需要經(jīng)過坩堝而直接傳導(dǎo)到硅料。而在坩堝的質(zhì)量沒有問題的情況下，漏硅的主要原因是硅料熔化后，石英與硅的反應(yīng)造成的。而石英與坩堝的反應(yīng)速率，是和溫度成指數(shù)關(guān)系的。在1500度附近的溫度下，坩堝溫度每提高100度，反應(yīng)速率將上升10倍之多。 　　例如，在普通單錠爐的四面加熱的方式下，如果硅料熔化后，硅液頂部的中心溫度要達到1490度的話，坩堝側(cè)面在加熱過程中的溫度將達到近1600度。這樣，坩堝與硅液的反應(yīng)速率大大增加，很容易導(dǎo)致漏硅。 　　在單錠爐使用G5坩堝的情況下，工藝設(shè)計基本上通過限制升溫速度，防止功率過大導(dǎo)致坩堝側(cè)面溫度過高。但在G6坩堝出現(xiàn)后，許多廠家在進行改造的時候，沿用了G5的爐體，這樣，由于爐體的尺寸限制，坩堝加大導(dǎo)致加熱體與坩堝的距離大大縮短，這導(dǎo)致坩堝受熱強度增加，溫度要大大上升。這就是，為什么許多G6坩堝的爐子漏硅率大大上升的原因。 　　RDS4.6控制軟件操作主界面 　　而上海普羅的RDS4系列的鑄錠爐，熔化硅料主要是通過頂部的加熱體進行的，熱量是通過頂部直接輻射到硅料上，不需要經(jīng)過坩堝。因此，坩堝側(cè)壁的溫度大大降低。而坩堝底部的加熱體，僅將溫度保持在1450度左右，這是絕對不可能導(dǎo)致漏硅的坩堝溫度。 　　這就是，為什么RDS4 系列爐型漏硅率低的原因。 　　有人會提出疑問，由于采用四個坩堝，如果任何一個坩堝發(fā)生漏硅，將影響另外三個鍋的生產(chǎn)。這個疑問很自然，也是普羅從四錠爐的設(shè)計伊始就最為關(guān)心的問題。普羅在這方面，在進行RDS4.6爐型設(shè)計時，上海普羅通過對坩堝支撐平臺進行改進，采用四個獨立平臺，任何一個坩堝漏硅都不會影響另外三個的漏硅，此外，普羅還對包括預(yù)警、報警、漏硅防護等多種措施，最大限度的較少了漏硅的影響。后者，也是RDS4.6與RDS4.5爐型相比的主要改進之一。 　　3.3 鑄錠質(zhì)量的提高 　　目前多晶硅鑄錠向大晶粒方向發(fā)展，以提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。形成大晶粒的關(guān)鍵因素，是在底部開始結(jié)晶成核的過程中，保持晶核形成初期的橫向增長。這需要在形成過冷結(jié)晶的條件下，控制垂直溫度梯度。由于RDS4系列采用底部加熱，而不是從四周加熱向中間傳導(dǎo)，因此，底面溫度的溫差非常小，理論上可以達到完全等溫。而降溫時，通過底部熱開關(guān)和底部加熱體的雙重控制，可以保證底部溫度按照工藝的要求嚴格同步下降，這就是為什么RDS4系列鑄錠爐的晶體很大，基本上保證在20毫米以上，而且還常常出現(xiàn)100毫米以上的晶粒。 　　3.4 回收料的提純 　　每個鑄錠廠家都不可避免地產(chǎn)生大量的邊皮料、頂皮料和底皮料等，統(tǒng)稱為回收料。按照鑄錠切片率為70%的情況下，一個5000噸產(chǎn)能的工廠，一年會產(chǎn)生1500噸。 　　在光伏不斷要求降低成本的市場壓力下，回收料的使用越來越得到大家的重視。一般的做法是，將底皮打磨后，可以直接投料。邊皮則根據(jù)情況去除外表層，也有大部分可以直接投料。比較難以回收的是頂皮料。通常，通過電阻率測試，劃線，在線以下的，用來直接投料，而線上的，就不能再循環(huán)使用了。在經(jīng)過上述的循環(huán)使用后，不能循環(huán)的硅料仍達到10%左右。 　　上海普羅是以冶金法多晶硅著稱于世的公司。而多晶硅的提純正是上海普羅的強項。針對回收料的雜質(zhì)情況，上海普羅設(shè)定了特殊的工藝，專門處理頂皮料和邊皮的差料，這樣可以變廢為寶，為用戶帶來巨大的效益。仍以一個五千噸產(chǎn)能的鑄錠廠來說，一年內(nèi)產(chǎn)生的無法循環(huán)的回收料大約500噸，如果做為廢料銷售，價格大約在2~4萬元/噸，而如果使用普羅的爐子加工后，能夠繼續(xù)循環(huán)，按照提純成本3萬元/噸計算，這批硅料提純后再循環(huán)使用的價格達到每噸16萬元，也就是每噸增加了9~10萬元的收益。這樣，一年僅回收料的提純，就可以增加5000萬元的效益。 　　由上可見，采用普羅的DSC系列爐子，不僅固定資產(chǎn)投資可以大大減少，而且在后期的生產(chǎn)運營中也可以使得廠家具備成本上的明顯優(yōu)勢。更重要的是，能夠提高晶體質(zhì)量，進而提高效益。通過漏硅率的降低，減少用戶的事故風(fēng)險。而對回收料的提純，能夠變廢為寶，進一步增加用戶的效益。 　　直到現(xiàn)在，仍舊有許多業(yè)內(nèi)人士不相信多晶硅鑄錠能夠一爐鑄出四個錠。上海普羅非常歡迎他們到上海普羅或者江蘇中強來參觀一下，看看爐子，看看生產(chǎn)狀況。相信大家看到以后，會改變很多以前的慣性思維的。 　　在目前光伏市場低迷的情況下，一次性投資將會縮短設(shè)備的投資回報期限，增強用戶承受市場風(fēng)險的能力；生產(chǎn)成本和事故風(fēng)險的降低將會為多晶硅鑄錠用戶減少或然損失，降低成本，使得鑄錠廠家能夠在以同行難以贏利甚至虧損的生產(chǎn)價格下進行鑄錠加工生產(chǎn)，保持良好的贏利狀態(tài)。這就是對用戶市場競爭力的提高，也是一個鑄錠企業(yè)在光伏瞬息萬變的市場狀況下能夠生存并贏利的重要保障。