多晶硅还原炉用方、圆硅芯性价分析及展望

摘要:硅芯是西门子法多晶硅生产中的基材及耗品,是生产棒状多晶硅的载体,其截面可方可圆,制造成本及使用特性存在差异而众说纷纭,而国内外大部份多晶硅企业仍采用圆形硅芯。本文就其方形、圆形硅芯的制造成本、使用特点、可能的其它形态,及在多晶硅生产中的性价成本方面作了较为透彻的评析。 关键词:方、圆硅芯,制造成本,使用性介,在多晶硅生产中的评析
摩尔光伏     2017-3-31 20:40:55
 

 

西门子法生产棒状多晶硅,其原理是把经过高纯处理的,具有一定温度、压力和配比的氢气(H2)和三氯氢硅(STC)通入密闭的还原炉内,在被高压击穿并加热的(1080℃左右)高热载体-硅芯表面被连续还原而沉积制得(生长)多晶硅。随着反应时间硅芯表面沉积量越来越多,使较细的硅芯逐渐直径变粗成为硅棒。当硅棒生长一定的时间并到合适的直径后停炉,拆炉收获。

硅棒的沉积速度与载体的表面积相关。一炉硅棒生长期里,载体的表面积从初始的硅芯表面积开始,随着反应时间,沉积出硅棒越来越粗,载体表面积越来越大,反应气体对沉积面碰撞机会也越多,沉积速度也随之越来越大,因而收率越来越高。

原始载体-硅芯的长度与还原炉的高度有关,炉子定了硅芯的长度也确定了,这时硅芯的截面形状就与沉积表面积相关了,同样长度的方形与圆形硅芯的表面积是不同的,引而出现了沉积表面积的差异,从而影响硅棒的沉积速率及每炉次硅棒的生长周期。但方形及圆形硅芯的生产方法不同,其生产装备及其它的成本构成也不同,同时不同截面形状的硅芯在使用中也存在其不同的特点。

受欧美“双反”,硅价下探,利润压缩甚至亏损,硅芯在产品硅中的成本份额不可忽视。江苏中能硅业科技发展有限公司是多晶硅生产的标杆企业,主产品是棒状多晶硅,生产中需要大量的硅芯。本文就根据多晶硅生产的实际,就硅芯的制备方式、生产成本、使用特性、经济性性价等方面作出评析。

1、 硅芯的生产方式:

  硅芯炉拉制圆形硅芯:

区熔基座法拉制硅芯,目前已发展到5头炉或7头炉。即同时拉制57根,一次装母料可拉制3次的工业化操作模式,效率高,操作稳定,每个员工可同时操作23台,每台硅芯炉24小时可产出30根左右的合格硅芯。这种炉型由江苏中能硅业与洛阳金诺和西安理工厂家合作开发成功后迅速被国内多晶硅企业应用,目前均处在正常生产状态。

硅芯拉制对员工的综合素质要求高,责任性强,操作强度较大。圆硅芯规格一般为Φ8mm,长度为24002800mm,拉制合格率为95%以上。

   线切割方硅芯:

线切割方硅芯的概念和装备由国外引进,江苏中能在2007年就引进了梅也博格的方硅芯专用切割机。方法是通过单晶炉先把原生多晶硅块拉制成硅芯的原料棒,即致密的多晶硅圆棒,直径在160200毫米左右,长度与所需成品硅芯匹配,后用线切的方法把硅芯原料棒剖切成方形硅芯。这种方法生产成品率高、效率高,劳动力要求低,缺点是割缝损耗高,耗品成本大,随着多线切割及耗品国产化,综合成本虽下降不少但与硅芯拉制相比还高许多,基于成本高,绝大多数多晶硅企业仍使用拉制的圆形硅芯。

线切方硅芯尽管成本高,但具有相对表面积大、规格统一、直线度好,使用中还存在一些潜在的优点。种种原因,国内使用方硅芯的现有江苏中能、陕西天宏、LDK(部分使用)三个厂家,其余西门子工艺多晶硅生产厂包含韩国OCI均用圆形拉制硅芯。

2、 硅芯的生产成本:

  圆硅芯生产成本

众所周知,为检验及监测多晶硅的质量,企业必须按生产线为单位专门生产检验料,这检验料与产品料的进料工艺不同,为便于产出能 “掏料”的致密硅棒,其成本要高于产品料。但可以做到把“检验料”与“硅芯母料”合为一体,即既能掏“检验棒”去作磷硼检,又可以当“母料”去拉制硅芯。

这里有个因素要考虑:每条生产线即便不生产“硅芯母料”,也必须生产与“硅芯母料”同质的“检验料”(高电耗),为覆盖多晶硅生产周期而生产的“检验料”所拉制的硅芯足够提供本条线的硅芯使用。所以,专门生产高电耗、高成本的“硅芯母料”之说有待商榷。

如果一定需要单独计算母料的成本,可以利用对比与多晶硅产品料成本增加值计算。母料成本对比多晶硅产品料成本增加的部分主要是还原电耗增量,如多晶硅生产成本(RMB90/kg14.52USD/kg)计算得:

多晶硅产品料

硅料母料

还原炉电耗

50kwh/kg

115kwh/kg

成本

14.52USD
14.52*6.2=90
/kg

90+115-50*0.7=135.5/kg

也即硅芯母料生产成本约为135.5/kg

经调查,某公司分厂4月份共生产硅芯母料187604kg,这些母料生产硅芯252634支,平均每支硅芯需要187604/252634=0.7426kg母料。一支硅芯的重量为0.3kg,拉完硅芯后剩余的尾料仍可作产品料出售。所以生产硅芯用母料的成本应该由两部分构成:一是硅芯材料费(消耗的0.3kg母料),二是剩余的尾料(0.7426-0.3)高于多晶硅成本的部分,于是硅芯的母料成本如下:

0.3*135.5+0.7426-0.3*135.5-90=60.8/

若要与方硅芯进价对比,则需另加上销售价与母料生产成本价的价差,根据20156月市场价为120/kg,即:0.3kg*120-90=9/支。故每支硅芯的母料全成本为:60.8/+9/=69.8/支。

硅芯成本测算列表如下:

(国内三家主流企业数据平均):                                  单位:1支硅芯

类 目

单位

耗用量

单价

成本构成

备注

母料全成本

0.3kg/

69.80

按上面计算

拉制用电

kwh

31

0.7/Kw

21.7

拉制综合电耗31 Kwh,含空调

液氩

kg

1

900/t

0.9

消耗液氩约1kg/

脱盐、高纯水

0.035

17/t

0.60

脱盐水冷却设备,高纯水清洗

硝酸、氢氟盐

kg

0.15

7/kg

1.05

腐蚀用酸,实际耗用数据

拉制人工费

工日

0.056

245

/

9.8

月均5500元,22.5/月,一人看2.5台,每天每人生产25

辅助人工弗

60%的比例

5.9

配置其它操作工及管理人员

辅助易耗品

3.0

线圈、酒精、石墨组件等

硅芯炉

设备折旧

12.20

10年日产26支计算:114/10a/360/26=12.2

辅助设备折旧

空调、动力、清洗供酸、泵送、管道、机加工等

6.35

按每台硅芯炉配套设备6010年折旧计

房屋折旧

M2/

60

1.6

5000/M220年折旧

废水处理及公用工程费

有氮氧化物洗涤装置及管道,片碱消耗,废水泵送、石灰等

1.5

公用工程的污水处理及间接人工等费用

合计

134.50

  方硅芯生产成本

国内方硅芯由浙江中硅企业专业供货,经营模式有二种:一种是用户自拉多晶硅棒后委托其切割,切费约6000/根(硅芯坯棒);另一种是中硅企业按客户要求定制,自产后实现对外销售。

江苏中能硅业现使用方形硅芯,方式是配套企业用单晶炉自拉多晶硅棒后外委切制方硅芯,设备配置如下:

类目

内容

备注

方硅芯售价(元/支)

470

规格:囗15*15*2400,去税价,含酸洗等

单晶炉(台)

65

按多晶棒拉速0.85mm/min控制

年产方硅原料棒(根)

5967

台单晶炉月轮8.5次,设备运转率90

年产方硅芯(根)

636000

方硅原料棒直径约Φ200,每根切107根硅芯

原生多晶硅原料

16560

20156月市价约120/Kg,约155Kg/

石英坩埚(元/只)

2500

24英寸,每根方硅棒耗用1

热场(元/套)

250000

每个热场可使用62炉次

外委切割费(元/根)

6000

不含物流费用

燃料动力(元/根)

3800

5500度,氩气480Kg

折算每根方硅芯成本

470/

去税价

3、抗倒伏能力分析:

众所周知,圆硅芯直径控制是靠拉速和温度调节来达到的,尺寸公差也较大,装硅芯时因粗细不匀在卡瓣中为点接触不容易装垂直,硅棒长粗后承重偏心而引起倒炉。另外圆硅芯搭桥横梁是搁放在开槽中的,接触面小,高压击穿和大气流时容易跌落产生倒炉。而方硅芯截面积大强度高,承载能力大,同时尺寸标准,卡瓣装夹垂直度容易保证,搭桥用圆锥榫连接可靠,使还原炉倒炉率大大下降。理论及实际上方硅芯的抗倒伏能力确实有优势。但圆硅芯的不利可通过精准的安装及启炉工艺的优化是可以克服的,江苏中能使用的圆硅芯已经创造了单月整条生产线无倒伏记录,经分析某个别较多倒棒炉是因其电气设备问题或流量计不准或调节阀不灵敏而导致的,况且运行20h以内的还原炉靠壁现象均有可能出现。

4、方、圆硅芯的使用效益测算:

   方、圆硅芯的几何尺寸对比:

设:圆硅芯尺寸:φ8*2400;方硅芯尺寸:15*15*2400

则:方形硅芯的表面积是圆形硅芯的15*4/3.14*8=2.39倍。

若圆形硅芯要达到方形硅芯的表面积,圆形硅芯的直径需要达到15*4/3.14=19.1mm

   方硅芯几何尺寸带来的优势:

按照还原炉前期硅芯平均生长速度1.6mm/hr的直径增量经验数据可知,达到直径19.1mm需要炉子运行不到7h时间。也即φ8硅芯生长7h以后,将达到与方形硅芯相同的表面积,随后就会具有与方形硅芯相同的沉积速度,生长状态完全相同。也就是说方形硅芯对比圆形硅芯少运行了圆硅芯前期的7h时间。由于正常情况下都是当硅棒生长到需要的直径后才停炉,所以在方硅芯在炉单产方面没有优势。

   使用经济性分析

方形硅芯对比圆形硅芯少运行了圆硅芯前期的7h时间,圆形硅芯前7h(Φ8长粗至Φ19.1)平均功率470kw/hr,总耗电量为3292kwh,每炉用硅芯26支(包括横梁),根据直径增量计算产量为34.2kg(Φ8长粗至Φ19.1)。这7小时的平均公斤电耗为96.3kwh/kg

通过电耗对比多晶硅产品成本(90/kg)计算得出前7h生产成本为:90/kg +(96.3 kwh/kg -50kwh/kg)*0.7/kwh=122.41/kg

每炉前7h生产成本122.41*34.2=4186.42元。

方硅芯价格为470/支,圆硅芯成本为134.5/支。

7小时后两种硅芯达到相同表面积,但圆形硅芯较方形硅芯重量多了8.96kg{【(0.25×3.1415×0.019120.0152)*2.4*2.33t/m3*26/炉},按多晶硅成本(90/kg)扣除这8.96kg的成本,得出采用方硅芯后每炉成本增加:

470*26-4186.42+134.5*26-8.96*90=5343/炉。

假设方形硅芯生产一炉100h,产量为2300kg,沉积速度23kg/h;则圆形硅芯一炉用107h,产量为2308.9kg,沉积速度21.58kg/h。按此数据计算,月运行相同时间600h(设每炉运行100h,每月开6),方形硅芯多产600*23-21.58=852kg/.炉,但是成本增加6*5345/=32070/月,即由于使用了方硅芯导致成本增加了:32070/2300*6=2.32/kg

如从使用了方硅芯而多产了852kg的硅料,去除以新增的方硅芯成本的话(32070/852=37.64/kg),得出新增产量的成本增加了37.64/kg,故只有多晶硅的利润等于或超过这一数值时,才能保本或盈利,或者说提高的产量才能弥补使用方硅芯带来的成本提高。如产品利润为37.64/kg时,采用方硅芯与采用圆硅芯生产的多晶硅利润持平。

5、 管状硅芯推荐:

硅在还原炉载体硅芯的表面不断沉积,表面积逐渐增大,从最初的细硅芯棒直至长成粗硅棒。沉积表面积越大,则沉积速度及实收率也越高,其关系服从线性上升的直线。

为达到较大的沉积速度,绕开沉积速度很小的初始阶段,其最简单的方法就是增大“硅芯”的直径,让硅棒一开始就在表面积较大的“硅芯”表面生长。

空心管状硅芯应是满足上述要求的形态之一。国外某公司已完成实验室研发,准备在2016年初推向市场。据该网站资料显示,管状硅芯外径约Φ50,壁厚约2毫米,长度满足现有还原炉的要求,生产方式类似于单晶炉,坩埚可重复使用30-40次,产量可提高30%以上,降低电耗15%以上,测试中已做到50小时沉积到125毫米的直径。该公司已可控开发一次拉一根及正在研发一次拉5根的管状硅芯炉,可提供拉制管状硅芯的设备,包括操作培训等,并申请专利。

空心管状硅芯理论上可大幅度降本及增加产率,但取决于管状硅芯的生产成本以进一步考核其性介比。另外更粗的硅棒成品直径及炉底盘上硅棒位置的改变,可能要变更设计相应的还原炉及底盘。其相应的照片如下:

 

6、结束语:

出于篇幅限制,本文仅从方、圆硅芯的生产及使用的不同作了整理性评析,并指出了创新型硅芯形态的方式。具体还需从企业的实际出发,目前国内陕西天宏及中能硅业在使用方形硅芯。基本结论如下:

   15*15截面的方硅芯表面积相对于Φ8圆形硅芯要大,能节省还原炉前期运行约7个小时,使还原炉运行总周期缩短了,沉积速度也相对提高(每炉运行周期内),每月每炉可提高852kg产量(牺牲成本),但成本增加了。因此在市场好,产品利润大于37.64/kg时,产能欠缺而需抢产量销售时可实施。

   如企业对还原启炉的技术控制尚未熟练,为保证硅芯安装铅垂面,降低倒炉风险时,使用方硅芯具有一定的优势;

   市场疲软,库存量很大,产品利润处在保本边缘,生产瓶颈或主题不是还原炉数量紧缺下,使用方硅芯而增加的成本不可忽视;

   方形硅芯由于生产的特点,不能做到高阻,故不能应用于电子级高阻多晶硅的生产中;

   管状硅芯属创新,表面积大,可大幅提高还原沉积速度,但前提是生产成本及工业化生产的可能。

 

 

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