多晶硅還原爐用方、圓硅芯性價分析及展望

摘要:硅芯是西門子法多晶硅生產中的基材及耗品,是生產棒狀多晶硅的載體,其截面可方可圓,制造成本及使用特性存在差異而眾說紛紜,而國內外大部份多晶硅企業仍采用圓形硅芯。本文就其方形、圓形硅芯的制造成本、使用特點、可能的其它形態,及在多晶硅生產中的性價成本方面作了較為透徹的評析。 關鍵詞:方、圓硅芯,制造成本,使用性介,在多晶硅生產中的評析
摩爾光伏     2017-3-31 20:40:55
 

 

西門子法生產棒狀多晶硅,其原理是把經過高純處理的,具有一定溫度、壓力和配比的氫氣(H2)和三氯氫硅(STC)通入密閉的還原爐內,在被高壓擊穿并加熱的(1080℃左右)高熱載體-硅芯表面被連續還原而沉積制得(生長)多晶硅。隨著反應時間硅芯表面沉積量越來越多,使較細的硅芯逐漸直徑變粗成為硅棒。當硅棒生長一定的時間并到合適的直徑后停爐,拆爐收獲。

硅棒的沉積速度與載體的表面積相關。一爐硅棒生長期里,載體的表面積從初始的硅芯表面積開始,隨著反應時間,沉積出硅棒越來越粗,載體表面積越來越大,反應氣體對沉積面碰撞機會也越多,沉積速度也隨之越來越大,因而收率越來越高。

原始載體-硅芯的長度與還原爐的高度有關,爐子定了硅芯的長度也確定了,這時硅芯的截面形狀就與沉積表面積相關了,同樣長度的方形與圓形硅芯的表面積是不同的,引而出現了沉積表面積的差異,從而影響硅棒的沉積速率及每爐次硅棒的生長周期。但方形及圓形硅芯的生產方法不同,其生產裝備及其它的成本構成也不同,同時不同截面形狀的硅芯在使用中也存在其不同的特點。

受歐美“雙反”,硅價下探,利潤壓縮甚至虧損,硅芯在產品硅中的成本份額不可忽視。江蘇中能硅業科技發展有限公司是多晶硅生產的標桿企業,主產品是棒狀多晶硅,生產中需要大量的硅芯。本文就根據多晶硅生產的實際,就硅芯的制備方式、生產成本、使用特性、經濟性性價等方面作出評析。

1、 硅芯的生產方式:

  硅芯爐拉制圓形硅芯:

區熔基座法拉制硅芯,目前已發展到5頭爐或7頭爐。即同時拉制57根,一次裝母料可拉制3次的工業化操作模式,效率高,操作穩定,每個員工可同時操作23臺,每臺硅芯爐24小時可產出30根左右的合格硅芯。這種爐型由江蘇中能硅業與洛陽金諾和西安理工廠家合作開發成功后迅速被國內多晶硅企業應用,目前均處在正常生產狀態。

硅芯拉制對員工的綜合素質要求高,責任性強,操作強度較大。圓硅芯規格一般為Φ8mm,長度為24002800mm,拉制合格率為95%以上。

   線切割方硅芯:

線切割方硅芯的概念和裝備由國外引進,江蘇中能在2007年就引進了梅也博格的方硅芯專用切割機。方法是通過單晶爐先把原生多晶硅塊拉制成硅芯的原料棒,即致密的多晶硅圓棒,直徑在160200毫米左右,長度與所需成品硅芯匹配,后用線切的方法把硅芯原料棒剖切成方形硅芯。這種方法生產成品率高、效率高,勞動力要求低,缺點是割縫損耗高,耗品成本大,隨著多線切割及耗品國產化,綜合成本雖下降不少但與硅芯拉制相比還高許多,基于成本高,絕大多數多晶硅企業仍使用拉制的圓形硅芯。

線切方硅芯盡管成本高,但具有相對表面積大、規格統一、直線度好,使用中還存在一些潛在的優點。種種原因,國內使用方硅芯的現有江蘇中能、陜西天宏、LDK(部分使用)三個廠家,其余西門子工藝多晶硅生產廠包含韓國OCI均用圓形拉制硅芯。

2、 硅芯的生產成本:

  圓硅芯生產成本

眾所周知,為檢驗及監測多晶硅的質量,企業必須按生產線為單位專門生產檢驗料,這檢驗料與產品料的進料工藝不同,為便于產出能 “掏料”的致密硅棒,其成本要高于產品料。但可以做到把“檢驗料”與“硅芯母料”合為一體,即既能掏“檢驗棒”去作磷硼檢,又可以當“母料”去拉制硅芯。

這里有個因素要考慮:每條生產線即便不生產“硅芯母料”,也必須生產與“硅芯母料”同質的“檢驗料”(高電耗),為覆蓋多晶硅生產周期而生產的“檢驗料”所拉制的硅芯足夠提供本條線的硅芯使用。所以,專門生產高電耗、高成本的“硅芯母料”之說有待商榷。

如果一定需要單獨計算母料的成本,可以利用對比與多晶硅產品料成本增加值計算。母料成本對比多晶硅產品料成本增加的部分主要是還原電耗增量,如多晶硅生產成本(RMB90/kg14.52USD/kg)計算得:

多晶硅產品料

硅料母料

還原爐電耗

50kwh/kg

115kwh/kg

成本

14.52USD
14.52*6.2=90
/kg

90+115-50*0.7=135.5/kg

也即硅芯母料生產成本約為135.5/kg

經調查,某公司分廠4月份共生產硅芯母料187604kg,這些母料生產硅芯252634支,平均每支硅芯需要187604/252634=0.7426kg母料。一支硅芯的重量為0.3kg,拉完硅芯后剩余的尾料仍可作產品料出售。所以生產硅芯用母料的成本應該由兩部分構成:一是硅芯材料費(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/

若要與方硅芯進價對比,則需另加上銷售價與母料生產成本價的價差,根據20156月市場價為120/kg,即:0.3kg*120-90=9/支。故每支硅芯的母料全成本為:60.8/+9/=69.8/支。

硅芯成本測算列表如下:

(國內三家主流企業數據平均):                                  單位:1支硅芯

類 目

單位

耗用量

單價

成本構成

備注

母料全成本

0.3kg/

69.80

按上面計算

拉制用電

kwh

31

0.7/Kw

21.7

拉制綜合電耗31 Kwh,含空調

液氬

kg

1

900/t

0.9

消耗液氬約1kg/

脫鹽、高純水

0.035

17/t

0.60

脫鹽水冷卻設備,高純水清洗

硝酸、氫氟鹽

kg

0.15

7/kg

1.05

腐蝕用酸,實際耗用數據

拉制人工費

工日

0.056

245

/

9.8

月均5500元,22.5/月,一人看2.5臺,每天每人生產25

輔助人工弗

60%的比例

5.9

配置其它操作工及管理人員

輔助易耗品

3.0

線圈、酒精、石墨組件等

硅芯爐

設備折舊

12.20

10年日產26支計算:114/10a/360/26=12.2

輔助設備折舊

空調、動力、清洗供酸、泵送、管道、機加工等

6.35

按每臺硅芯爐配套設備6010年折舊計

房屋折舊

M2/

60

1.6

5000/M220年折舊

廢水處理及公用工程費

有氮氧化物洗滌裝置及管道,片堿消耗,廢水泵送、石灰等

1.5

公用工程的污水處理及間接人工等費用

合計

134.50

  方硅芯生產成本

國內方硅芯由浙江中硅企業專業供貨,經營模式有二種:一種是用戶自拉多晶硅棒后委托其切割,切費約6000/根(硅芯坯棒);另一種是中硅企業按客戶要求定制,自產后實現對外銷售。

江蘇中能硅業現使用方形硅芯,方式是配套企業用單晶爐自拉多晶硅棒后外委切制方硅芯,設備配置如下:

類目

內容

備注

方硅芯售價(元/支)

470

規格:囗15*15*2400,去稅價,含酸洗等

單晶爐(臺)

65

按多晶棒拉速0.85mm/min控制

年產方硅原料棒(根)

5967

臺單晶爐月輪8.5次,設備運轉率90

年產方硅芯(根)

636000

方硅原料棒直徑約Φ200,每根切107根硅芯

原生多晶硅原料

16560

20156月市價約120/Kg,約155Kg/

石英坩堝(元/只)

2500

24英寸,每根方硅棒耗用1

熱場(元/套)

250000

每個熱場可使用62爐次

外委切割費(元/根)

6000

不含物流費用

燃料動力(元/根)

3800

5500度,氬氣480Kg

折算每根方硅芯成本

470/

去稅價

3、抗倒伏能力分析:

眾所周知,圓硅芯直徑控制是靠拉速和溫度調節來達到的,尺寸公差也較大,裝硅芯時因粗細不勻在卡瓣中為點接觸不容易裝垂直,硅棒長粗后承重偏心而引起倒爐。另外圓硅芯搭橋橫梁是擱放在開槽中的,接觸面小,高壓擊穿和大氣流時容易跌落產生倒爐。而方硅芯截面積大強度高,承載能力大,同時尺寸標準,卡瓣裝夾垂直度容易保證,搭橋用圓錐榫連接可靠,使還原爐倒爐率大大下降。理論及實際上方硅芯的抗倒伏能力確實有優勢。但圓硅芯的不利可通過精準的安裝及啟爐工藝的優化是可以克服的,江蘇中能使用的圓硅芯已經創造了單月整條生產線無倒伏記錄,經分析某個別較多倒棒爐是因其電氣設備問題或流量計不準或調節閥不靈敏而導致的,況且運行20h以內的還原爐靠壁現象均有可能出現。

4、方、圓硅芯的使用效益測算:

   方、圓硅芯的幾何尺寸對比:

設:圓硅芯尺寸:φ8*2400;方硅芯尺寸:15*15*2400

則:方形硅芯的表面積是圓形硅芯的15*4/3.14*8=2.39倍。

若圓形硅芯要達到方形硅芯的表面積,圓形硅芯的直徑需要達到15*4/3.14=19.1mm

   方硅芯幾何尺寸帶來的優勢:

按照還原爐前期硅芯平均生長速度1.6mm/hr的直徑增量經驗數據可知,達到直徑19.1mm需要爐子運行不到7h時間。也即φ8硅芯生長7h以后,將達到與方形硅芯相同的表面積,隨后就會具有與方形硅芯相同的沉積速度,生長狀態完全相同。也就是說方形硅芯對比圓形硅芯少運行了圓硅芯前期的7h時間。由于正常情況下都是當硅棒生長到需要的直徑后才停爐,所以在方硅芯在爐單產方面沒有優勢。

   使用經濟性分析

方形硅芯對比圓形硅芯少運行了圓硅芯前期的7h時間,圓形硅芯前7h(Φ8長粗至Φ19.1)平均功率470kw/hr,總耗電量為3292kwh,每爐用硅芯26支(包括橫梁),根據直徑增量計算產量為34.2kg(Φ8長粗至Φ19.1)。這7小時的平均公斤電耗為96.3kwh/kg

通過電耗對比多晶硅產品成本(90/kg)計算得出前7h生產成本為:90/kg +(96.3 kwh/kg -50kwh/kg)*0.7/kwh=122.41/kg

每爐前7h生產成本122.41*34.2=4186.42元。

方硅芯價格為470/支,圓硅芯成本為134.5/支。

7小時后兩種硅芯達到相同表面積,但圓形硅芯較方形硅芯重量多了8.96kg{【(0.25×3.1415×0.019120.0152)*2.4*2.33t/m3*26/爐},按多晶硅成本(90/kg)扣除這8.96kg的成本,得出采用方硅芯后每爐成本增加:

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

假設方形硅芯生產一爐100h,產量為2300kg,沉積速度23kg/h;則圓形硅芯一爐用107h,產量為2308.9kg,沉積速度21.58kg/h。按此數據計算,月運行相同時間600h(設每爐運行100h,每月開6),方形硅芯多產600*23-21.58=852kg/.爐,但是成本增加6*5345/=32070/月,即由于使用了方硅芯導致成本增加了:32070/2300*6=2.32/kg

如從使用了方硅芯而多產了852kg的硅料,去除以新增的方硅芯成本的話(32070/852=37.64/kg),得出新增產量的成本增加了37.64/kg,故只有多晶硅的利潤等于或超過這一數值時,才能保本或盈利,或者說提高的產量才能彌補使用方硅芯帶來的成本提高。如產品利潤為37.64/kg時,采用方硅芯與采用圓硅芯生產的多晶硅利潤持平。

5、 管狀硅芯推薦:

硅在還原爐載體硅芯的表面不斷沉積,表面積逐漸增大,從最初的細硅芯棒直至長成粗硅棒。沉積表面積越大,則沉積速度及實收率也越高,其關系服從線性上升的直線。

為達到較大的沉積速度,繞開沉積速度很小的初始階段,其最簡單的方法就是增大“硅芯”的直徑,讓硅棒一開始就在表面積較大的“硅芯”表面生長。

空心管狀硅芯應是滿足上述要求的形態之一。國外某公司已完成實驗室研發,準備在2016年初推向市場。據該網站資料顯示,管狀硅芯外徑約Φ50,壁厚約2毫米,長度滿足現有還原爐的要求,生產方式類似于單晶爐,坩堝可重復使用30-40次,產量可提高30%以上,降低電耗15%以上,測試中已做到50小時沉積到125毫米的直徑。該公司已可控開發一次拉一根及正在研發一次拉5根的管狀硅芯爐,可提供拉制管狀硅芯的設備,包括操作培訓等,并申請專利。

空心管狀硅芯理論上可大幅度降本及增加產率,但取決于管狀硅芯的生產成本以進一步考核其性介比。另外更粗的硅棒成品直徑及爐底盤上硅棒位置的改變,可能要變更設計相應的還原爐及底盤。其相應的照片如下:

 

6、結束語:

出于篇幅限制,本文僅從方、圓硅芯的生產及使用的不同作了整理性評析,并指出了創新型硅芯形態的方式。具體還需從企業的實際出發,目前國內陜西天宏及中能硅業在使用方形硅芯。基本結論如下:

   15*15截面的方硅芯表面積相對于Φ8圓形硅芯要大,能節省還原爐前期運行約7個小時,使還原爐運行總周期縮短了,沉積速度也相對提高(每爐運行周期內),每月每爐可提高852kg產量(犧牲成本),但成本增加了。因此在市場好,產品利潤大于37.64/kg時,產能欠缺而需搶產量銷售時可實施。

   如企業對還原啟爐的技術控制尚未熟練,為保證硅芯安裝鉛垂面,降低倒爐風險時,使用方硅芯具有一定的優勢;

   市場疲軟,庫存量很大,產品利潤處在保本邊緣,生產瓶頸或主題不是還原爐數量緊缺下,使用方硅芯而增加的成本不可忽視;

   方形硅芯由于生產的特點,不能做到高阻,故不能應用于電子級高阻多晶硅的生產中;

   管狀硅芯屬創新,表面積大,可大幅提高還原沉積速度,但前提是生產成本及工業化生產的可能。

 

 

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