本文針對(duì)目前主流的多晶硅鑄錠爐裝爐量與設(shè)備安全性進(jìn)行分析，通過強(qiáng)度變形量計(jì)算及熱力學(xué)分析與目前的各種安全措施進(jìn)行比較，從而提出比較理想的安全改進(jìn)措施。

　　光伏太陽能作為一種最具潛力的可再生能源利用方式，成為取代傳統(tǒng)的石化能源，支持人類可持續(xù)發(fā)展的主要技術(shù)，近幾年來獲得了飛速的發(fā)展。目前晶體硅太陽能電池占據(jù)著光伏產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位，多晶硅太陽能電池由于成本優(yōu)勢(shì)占據(jù)了晶體硅的大半市場(chǎng)。同時(shí)，工信部于2013 年出臺(tái)的《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》也對(duì)已建和在建項(xiàng)目的能耗指標(biāo)和電池轉(zhuǎn)化效率指標(biāo)提出更為具體的要求，但由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈性，從現(xiàn)在來看，有些重要指標(biāo)從規(guī)范出臺(tái)時(shí)已經(jīng)明顯落后于市場(chǎng)的平均水平。各大企業(yè)均在能耗上有明顯的提升，其中主要是得益于裝爐量的增加，從而降低了單位產(chǎn)品的耗電量。本文主要從市場(chǎng)主流的多晶硅鑄錠爐擴(kuò)容后的安全性進(jìn)行分析，針對(duì)由此帶來的安全性隱患進(jìn)行分析，并結(jié)合研究和生產(chǎn)實(shí)踐提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

　　從2005 年開始，多晶硅鑄錠開始在光伏行業(yè)得到發(fā)展和推廣，也就在此時(shí)，我國(guó)也開始批量引進(jìn)以GTSOLAR 為代表的鑄錠爐，2009 年以前我國(guó)進(jìn)口的多晶硅鑄錠爐80%是GTSOLAR 的產(chǎn)品，同時(shí)，國(guó)內(nèi)也開始有相關(guān)企業(yè)進(jìn)行該方面的研究和技術(shù)創(chuàng)新，例如：精功、漢虹、晶盛機(jī)電、京運(yùn)通、湖南紅太陽等企業(yè)也相繼推出了類似的產(chǎn)品，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各企業(yè)在成本控制上均開始進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，其主要方法就是在已有爐殼基礎(chǔ)上進(jìn)行熱場(chǎng)的改造，實(shí)現(xiàn)熱場(chǎng)內(nèi)有效空間的增加，從而增大投爐量，降低單品能耗成本。從最開始GTSOLAR 的240 型改造到450 型再到目前通用的660 型，還有個(gè)別廠家已經(jīng)進(jìn)行了800 型的改造。連續(xù)的三級(jí)跳，的確是實(shí)現(xiàn)了單位產(chǎn)品的能耗降低，但由此帶來的安全隱患并未引起各生產(chǎn)企業(yè)的足夠重視。2014 年國(guó)內(nèi)某企業(yè)多晶硅鑄錠爐的爆炸造成人員傷亡就充分說明個(gè)別企業(yè)在追求成本的同時(shí)忽略了安全性的問題。

　　本文就以GT 爐型進(jìn)行力學(xué)和熱工學(xué)的分析，對(duì)存在的安全隱患和目前市場(chǎng)主流應(yīng)對(duì)方法進(jìn)行分析，提出更理想的解決辦法。多晶硅鑄錠爐從問世到市場(chǎng)的推廣，其安全方面的結(jié)構(gòu)也從無到有進(jìn)行了多次更新，目前均有真空管路的緊急泄壓口(如圖1)、下爐腔溢流棉和熔斷絲軟件報(bào)警。以上措施在原來裝爐量240kg 的基礎(chǔ)上形成，其有效性、及時(shí)性、安全性均可以保障設(shè)備和人員的安全。

圖1 真空管路上的泄壓口

　　但隨著相關(guān)升級(jí)改造的進(jìn)行，其安全性問題突顯，但此問題又會(huì)被人們所忽視。

1、安全性分析

　　根據(jù)目前市場(chǎng)主要的改造方式，主要會(huì)帶來以下三點(diǎn)的問題：

　　第一：載重量變化帶來下封頭的應(yīng)力變形。主要是下爐腔存在由于載重量加大可能引起的爐殼強(qiáng)度和變形量的分析。

　　第二：一旦溢流發(fā)生，報(bào)警及時(shí)準(zhǔn)確，在極限狀態(tài)下高溫硅液的熱量散失帶來的危險(xiǎn)性分析。

　　第三：現(xiàn)有的緊急泄壓口在極限狀態(tài)下的泄壓能力分析。

　　通過以上分析，可以提出目前比較理想的解決方法，減少生產(chǎn)事故發(fā)生。

　　爐殼強(qiáng)度和變形量分析

　　下圖為目前多晶硅鑄錠爐下爐腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(圖2)。

　　由于所有重量均通過底部3 根焊接不銹鋼底座支撐，通過對(duì)爐封頭的三點(diǎn)受力分析可以得出改造后的變形量。由于爐殼均采用雙層夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)通3kg/cm2 的冷卻水，此時(shí)的內(nèi)封頭受力合力將小于無水壓狀態(tài)，為得出變形量的極限值，假設(shè)內(nèi)封頭所受水壓為一個(gè)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，則載重按照660kg 裝料的極限狀態(tài)計(jì)算，承重共計(jì)為：377.2(石墨+ 碳?xì)? 護(hù)板+ 坩堝)+660(硅料)=1037.2kg。

圖2 下爐腔結(jié)構(gòu)

2、結(jié)論

　　通過對(duì)目前鑄錠爐存在安全隱患分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，總結(jié)出比較理想的處理方法，既可以保證裝爐量的增加，又可避免由此帶來的安全隱患。

　　第一：各鑄錠廠家在進(jìn)行裝爐量的升級(jí)改造時(shí)，需注意到下爐腔的變形量的問題，根據(jù)目前的計(jì)算結(jié)果800kg 的裝爐量設(shè)備安全系數(shù)是可以保障的。但隨著技術(shù)的發(fā)展，如后續(xù)再有更大的裝爐量出現(xiàn)，設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計(jì)單位及改造使用單位要進(jìn)行此項(xiàng)的核算。防止變形過大產(chǎn)生安全隱患。

　　第二：在溢流發(fā)生后，由原來的采取隔離方式，改為隔離吸熱方式，采取同種物質(zhì)不同物理形態(tài)間轉(zhuǎn)化時(shí)的能量傳輸關(guān)系，以保證了液態(tài)硅的迅速凝固同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)材料的回收再利用，減少由于溢流造成的原材料的損失。

　　第三：溢流后的極限情況發(fā)生時(shí)，壓力的迅速釋放是避免重大事故發(fā)生的前提，必須保證足夠的釋放口徑才能保證安全，在目前設(shè)備的基礎(chǔ)上，建議采取保留已有的管路泄壓閥，再將頂蓋作為第二泄壓口，由于其豎直朝上，對(duì)生產(chǎn)人員的傷害會(huì)降到最低。

　　第四：針對(duì)水的冷卻特性，可考慮改用耐高溫的淬火油或氣體冷卻方式進(jìn)行冷卻，可降低熔穿后的爆炸危險(xiǎn)，此項(xiàng)可做進(jìn)一步的研究分析。