前言

多晶硅铸锭技术是从2004年前后发展起来的。当人们发现多晶硅铸锭后一样可以进行切片并制作太阳能电池的时候，就开始了多晶硅铸锭炉的制作。与单晶硅相比，多晶硅铸锭炉具有成本低、产量大、容易处理的特点。从2007年开始，全球多晶硅光伏电池片的产量就超过了单晶硅，到了2010年，多晶硅的比例更加上升到了70%以上。

多晶硅铸锭炉是采用电阻或感应加热，将配比好的多晶硅熔化后，采用从底部开始冷却，逐渐向上长晶的定向凝固的方式，得到多晶硅锭的。从2004年以来，多晶硅铸锭炉的单炉产量从120公斤开始，到170公斤、250公斤、450公斤到660公斤。目前，市面上能够见到的铸锭炉最大的产能是660公斤，采用的是单个硅锭的方式。有公司进行了800公斤甚至1100公斤的铸锭炉尝试，但因为各种原因搁浅。

上海普罗新能源有限公司从2007年开始进行多晶硅定向凝固提纯炉的研制，先后研制出了RDS1.0到RDS4.0的提纯炉。2010年所开发的 RDS4.6铸锭炉是从普罗公司的RDS4.0 系列提纯铸锭炉改进而来。

RDS4.6系列多晶硅铸锭炉，单炉产量标称1800公斤，最大可达2000公斤，每炉可同时对四个坩埚进行铸锭，可采用目前光伏产业传统的450公斤标准坩埚，也可采用加高的500公斤坩埚。RDS4.6系列铸锭炉应用了上海普罗的十多项专利技术，是上海普罗在多晶硅铸锭方面的独特工艺的完美体现，是目前世界多晶硅铸锭领域登峰造极的产品。

该炉型不仅具有能耗低、产量大、易操作和维护量少等优点，经过无数炉的实际测试，其合格硅锭可切片合格率>67%，硅片的转换效率可达16.8%以上，铸锭质量也超出国际同类最高水平。

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图:上海普罗的RDS4.6多晶硅铸锭炉(单炉产量1800公斤)

一、技术规格

RDS4.6系列多晶硅铸锭炉的技术规格如表1。

 

表1：RDS4.6系列多晶硅铸锭炉技术规格表

 

二、设备功能

RDS4.6多晶硅铸锭炉采用的是上下双温区电阻加热熔化硅料，采用的热场方式是坩埚和保温体均相对固定，底部降温方式来完成晶体的定向凝固的DSS方式。

2.1 炉体与热场

炉体外壳采用不锈钢水冷炉壳，炉体分为炉顶、炉身和炉底三部分。炉顶安装顶部加热体和测温装置，炉身连接真空系统并固定碳纤维绝热体。炉底放置坩埚平台和底部测温装置以及底部降温用的热开关。

炉顶起着固定顶部加热体、连接加热水电缆、安装顶部测温装置、连接通气管路的作用。

顶部加热体由两个加热回路组成，两个回路既可以同时工作，也可以互为热备份，在一个加热回路故障不能正常工作时，另外一个加热回路能够保证硅料熔化和长晶的完成。由于铸锭时顶部加热是不能中断的，这一设计大大提高了设备工作的可靠性，减少了事故发生率，两套石墨加热体均通过内外水电缆与外部的变压器连接。这样的设计，可以保证在硅料熔化时能够以最快的速度熔化硅料，保证最大的节能和最高的产率。

RDS4.6炉型的顶部加热体的独特设计，不仅能够向硅料提供热量，进行熔硅和在定向凝固时保持顶部温度，而且，还可以在进行定向凝固时对坩埚侧面保持一个上高下低的温度梯度，使得坩埚内的固液界面保持水平，保证长晶的质量。该设计不仅能够提高晶体生长质量，而且还大大节约了能源。

炉顶还安装有四个红外测温装置，同时监控四个坩埚的温度。每个坩埚的温度均可作为顶部两套加热体中任一个加热体的主控温度。这样的设计，也保证了在炉内各种原因造成某一路或两路、三路的红外测温出现故障时，能够依然正常控制结晶。顶部还设有四个观察窗，供操作人员及时观察炉内每个坩埚的实际液面状况。

顶部与气体管道进行连接，氩气通过该管道通入炉内，氩气的压力和流量均可测量与控制。

炉身固定侧面绝热体，同时也连接真空管路。炉体设计两路真空管路，但实际运用时可以只用一路，至于用哪一路，用户可以根据现场设备的分布情况进行选择。此外，炉身通过四个支架支撑在地面上，炉顶直接放置在炉身上，并通过法兰密封；炉底则是通过液压系统悬挂在炉身上，在液压控制炉底提升封炉时，也通过法兰进行真空密封。

隔热屏分为上下两段，两段间留有可调节的间隙，以利于杂质气氛的排除。同时这一设计允许客户根据原料来源的不同，结合能耗等经济指标在使用中自行调整间隙。

炉底与炉身采用液压悬挂机构，液压机构可以控制炉底停止在行程内的任意高度。炉底设有多个测温点，可以对每个坩埚的多个高度和不同的位置进行测温，使得炉内的底部温区状况能够清晰的在显示器上显示出来，并提供给控制系统。

炉底内部主要安装坩埚平台，平台的材质为高纯石墨板，通过十二个石墨柱支撑。石墨平台下面有底部加热体，底部加热体下面是热开关。

底部加热体在熔硅时与顶部加热体同时工作，可以保证以最高的效率进行熔硅，不仅节约能源，还可以缩短工作时间。在开始定向凝固时，底部加热体功率可以按照程序逐渐降低，当功率降为零时，底部热开关开始工作，可打开散热，散热的速度可控，保证硅锭底部的温度按照设定的曲线下降，促使硅锭按照设定的速率进行晶体的生长。

2.2 坩埚平台

RDS4.6型炉型每炉可以铸四个锭，装料时，将四个坩埚放置在石墨平台上，坩埚的尺寸为840x840x480mm³。坩埚尺寸有一定的余量，可以略大或略小。四个坩埚呈田字形摆放，由于4锭摆放的几何结构，其隔热笼面积和额定产量之比或者说硅料所耗用绝热体的比表面积显著低于单锭的炉型。因而RDS4.0型炉具有显著的节能效果，单位能耗相对单锭炉型降低约20%。同时相对于单锭炉型，氩气消耗降低了约60%。

单炉的产量与坩埚的大小有关。如果采用光伏行业内标准的450公斤坩埚，坩埚尺寸为870x870x420mm，则单炉可装入1800公斤硅料；如果采用高度为480mm的坩埚，边长不变，则可以单炉装入2000公斤硅料。

RDS4.6系列之所以采用一炉多锭的方式提高单炉的铸锭产量，而不是采用一味单纯地加大锭的尺寸的方法，带来了许多好处。

首先，如果单锭的尺寸过大过高，不仅每个坩埚内部的水平温场难以保持，垂直方向的温差也会很大，导致晶体生长质量变差。实验表明，当硅锭尺寸超过300mm时，硅锭从底部到顶部很难长成完好的柱状晶，而柱状晶是多晶硅电池硅片所必须的。

此外，硅锭尺寸的加大，需要坩埚同步加大，同时，单个坩埚的装入和硅锭的取出和运送都会增加很大的难度。此外，大尺寸的硅锭的开方和截断也会提出对相应设备的特殊需求。这会造成设备和坩埚采购的难度加大，成本增高。

因此，上海普罗的一炉四锭的方式完全避免了上述问题。使用普罗的RDS4.6型铸锭炉，后续的硅锭处理设备，从运送到开方和截断，设备可以完全通用，大大减少了用户的设备投入，提高现有设备的使用率。

坩埚平台下面是底部加热体，加热体下面有热开关。在熔硅阶段，热开关关闭。在定向凝固阶段，底部加热体功率逐渐下降到零，热开关打开，使规定底部温度不断下降，达到晶体生长的目的。

炉底的热交换台的结构经过特别设计，通过伺服电机，运动控制结构可精确控制下部热开关的升降和旋转，来完成和炉壁环境的热交换，以便保持在整个结晶过程中，单个坩埚内的固液界面接近理想的微凸型长晶。四个坩埚由于平面加大，控制温度的平面均匀性是一个难题，普罗采取了横向的均热技术，通过控制水平温场的绝对温差，使得单个坩埚内的温差减小了一半。

2.3 辅助系统

真空系统

RDS4.6炉型的真空系统采用专门针对铸锭的机械真空泵系统，在工作的大部分时间，采用维持泵进行维持，在需要抽真空的时候，又可以快速地完成真空功能。既保证工艺的真空度需要，又能够最大限度地节约能源。

各级真空带有自锁保护装置，前级泵不启动，后级泵是无法启动的，而且各级均带有过温报警。

水冷系统

RDS4.6炉型的冷却水采用水电缆、炉壁分别冷却的，冷却水可以采用风冷，不需要冷冻水，可以降低用户的成本，减少用户的投资。

各路水冷系统均带有流量和压力实时监控功能，放置出现漏水和断压功能。水路应带有备用泵和备用水箱，以防停电停水时，炉内的冷却水能够保持供应。

上下料系统

RDS4.6型炉，采用炉底下降的方式来进出料，炉底的升降由液压系统控制，通过同步液压马达实现四个油缸的升降同步。在装料室完成硅料装埚后，通过进出料机构，将装好料的坩埚送入装料车的工作台上。炉内清理完毕后，料车直接将坩埚送入炉内，在确认坩埚位置无误后，炉底上升，合炉，开始抽真空及升温。

这种设计可以节省两炉之间的上下料时间，提高单炉产量。

2.4 电控系统

RDS4.6的电控系统是普罗公司铸锭炉制造技术的智慧结晶。从炉体烘炉开始，炉子的所有的机构，从炉底的升降开始，到真空泵、冷却水、加热体的加热、炉内各处的温度，均在电控系统的监控之下。所有的数据均以数字和曲线的方式实时显示，值班工人从电控系统的操作界面上可以看到炉内外所有的信息和状态，并对炉子实行操作。所有的数据均设有报警限，一旦超限将自动报警。通常上限和下限可各设两级报警限。

系统的数据采集的传感器均采用高可靠性的仪表和传感器。如红外测温用的传感器、真空传感器、流量传感器，均采用高精度和可靠的仪表，保障数据来源的可靠性。

系统的控制软件的设置，使得炉体可以用灵活的控制方式来实现工艺的控制。可以按照事先输入的温度设定值曲线进行控制，也可以按照功率设定值曲线进行控制，并且还可以按照一定的算法来对某一参数或几个参数同时进行复杂的控制。这些灵活多变的控制方式能够使用户更加方便地实现自己的工艺。

RDS4.0型炉的测温系统由顶部和底部的多支红外测温仪组成，多点温度控制可以使该炉对每个坩埚的长晶情况进行独立控制，保证所有的坩埚长晶正常。同时侧壁的设置有高温热电偶，以便校对核准温度。由于本炉型温场高度的均衡性，铸锭时用户可任意选择其中一只顶部红外和一只底部红外来进行温度控制。RDS4.6系列的三个温区的控制，采用解耦算法，有效地防止了各温区之间的温度耦合，消除了控制干扰，防止了温度曲线振荡。 同时控制软件允许授权的用户根据实际情况实时调整主控温度计的选择。

 

RDS4.0的控制系统以PLC为核心控制器，温度场的控制和各类数据的显示，工艺的录入，各电气设备的启停等均是通过触摸屏这一人机交互式界面来完成。软件多达100段的工艺步骤设置界面，使得用户能更加精细的调整优化工艺。

所有的数据每隔一定的时间，在存储器中保存，供事后进行工艺分析用，可以随时调用任何一个时段的数据曲线。利用普罗自主研发的设备状态远程监控软件，技术人员能通过远程监控和控制随时随地监控设备的运行。用户能够通过互联网对炉体的数据进行实时数据访问，察看曲线和图形。也可以通过手机，笔记本等各种日常终端设备，实时的访问每台设备的工作数据，即时做出决策。RDS4.0炉体的电控系统采用上下冗余结构，底层的数据采集和控制采用PLC进行，上部的操作界面采用人机界面软件，通讯的开放并不会影响系统控制的可靠性。

 

RDS4.6型可以采用中、英文两种操作界面。如果用户提出要求，还可以为用户设计其自己的语言的操作界面，包括但不限于日语、韩语、俄语、德语、法语、西班牙语、阿拉伯语等。

三  性能与安全

RDS4.6系列铸锭炉中采用了上海普罗的数十项专利技术，每一项新技术的背后都经历了普罗全体员工数百次的实践检验，并已形成了完善的控制工艺。

该炉型产量虽大，但因为采用标准尺寸和重量的硅锭，使得用户能够充分沿用原有的450型硅锭的破锭开方和切片的全部设备，为客户节约大量的设备投资。硅锭的处理和搬运都可以采用现有的设备，不必重新订购。

RDS4.6的热场通过加热、保温和温度调节共同实现。在铸锭时能够保证晶体从成核到长大再到长成直至退火的各个阶段中，能够形成最有利于晶体生长的温度场。由于一次性能够进行普通炉型四倍的产量，单位能耗也大大降低。

RDS4.0型炉通过多项安全措施来保证铸锭炉的稳定可靠运行控制软件中基于普罗上百次实验经验而成的连锁报警设置，极大的降低了用户误操作的可能性，确保了系统的稳定可靠运行。

RDS在安全方面进行了充分的设计考虑。无论是坩埚原因、停电还是停水，以及高温下硅液或硅蒸汽与炉内其它元部件的反应，以及漏水、漏气等以外，在RDS4.6 炉型的设计上都进行了考虑，保证即便在最难以预料的情形下，只要配以妥当的应急操作，就不会发生恶性的事故。

炉内发生漏硅时，工作台上的导流槽将会将硅液导向炉底的集硅池，以防止硅液影响邻近的坩埚或侵蚀底部保温毡及炉壁集硅池可根据客户的要求采用石墨槽或硅酸铝纤维制作。

顶部设置的两组加热器既可以同时工作，也可以互为备份，防止其中一套故障时。每组顶加热器均能单独和底部加热器配合完成一个完整的铸锭周期。

为防止极端情况下炉内异常的压力升高，系统同时采用了了软硬件保护方式，软件设计上，当炉内过压时，系统会自动报警并采取相关动作。

硬件设计上，本炉采用了自动顶部安全卸荷方式。顶部的人孔盖同时也是卸荷口。另外炉体采用上中下三段分离式结构，一方面方便前期的安装工作，另一方面这种三段结构也有利于在炉内过压时的可以迅速卸荷。

炉体操作时，每个操作都需要输入操作密码。这样，可以防止不在岗位的人进行未经授权的操作，同时，也便于对于操作记录进行跟踪。

设备具有断电或报警触发时的安全停机功能，确保运行参数的安全存储；以保证工艺的稳定和事故时的安全停机。

四 、售后服务

上海普罗为客户提供现场安装指导和培训。培训可以从订货后立即开始，并且可以在普罗为客户提供实际操作训练。普罗为客户准备了详尽的操作手册，供用户操作时参考使用。

鉴于合理的安装对于设备的正常运行非常重要，因此，普罗会现场指导设备的安装，并监督现场各种管线的材质，以及管道走向的设计，以确保不会因选材不当发生锈蚀、变形等异常。现场水电气等设备均应设立安全标识，并注明各介质名称和流向，各电源接线、控制接线必须与上海普罗所提供图纸一致，接线应符合相关技术规范。

如果设备升级，上海普罗可以为用户进行软件和硬件升级。

客户应当留意炉体的使用环境要求。 对于用户所处的地域含有特殊气象环境时，比如极度低温和极度高温的气象条件，客户在订货时应当提出来，以便对于某些材质进行特殊的设计。

上海普罗为客户提供必要的备品备件清单，用户应当对有关的备品备件进行采购以备用，同时，用户也应当按照普罗公司的推荐，根据设备采购台数配备相匹配的装、卸工具。

只要严格按照操作规程，正常的备件更换和操作维护，受过培训的客户均可独立完成。如果发生客户认为自己处理不了的故障，可以与上海普罗的24小时服务热线联系。上海普罗的技术服务人员能够进行远程的客户服务，如果问题依然无法解决，上海普罗将派人员在24小时内赶到现场进行故障处理和服务。

五、单锭炉将逐渐淘汰

RDS4.6多晶硅铸锭炉是上海普罗完全自主研发的设备，不仅是中国第一台单炉产量超过一吨的铸锭炉，也是国际上第一台进入光伏市场销售的一炉多锭设备。该炉不仅产量为世界最大，而且多晶硅热场设计和生产工艺也达到国际先进水平，铸锭质量超过目前的单锭炉体水平。

RDS4.6炉型目前如果采用480毫米高的坩埚，单炉产量可达2000公斤。目前铸锭炉坩埚有向660公斤发展的趋势，但坩埚尚未形成大批量生产。如果坩埚技术以及开方设备能够配套，该炉型只要变动热场，即可直接采用660公斤/锭的坩埚，这样单产即可达到2600公斤。

此外，该炉型的设计十分适合铸造单晶的生产，目前，上海普罗已经开始进行准单晶铸造试验，并取得了良好的进展。预计上海普罗在年内即可推出一炉四锭的准单晶铸锭炉。

目前，上海普罗生产的一炉四锭的多晶硅铸锭炉已经开始进入市场销售，并获得良好的反应。由于采用该炉型后，不仅占铸锭厂最大份额的铸锭炉的成本大大降低，而且电耗、水耗、气耗也大幅度降低，人员和场地也减少50%以上，所以，该炉型对于铸锭厂商来说，是一个很大福音。相信，随着这个型号的炉型应用越来越广，单锭炉将逐步在铸锭市场中被淘汰。

多年来，从多晶硅到组件的产业制造环节，欧美已经很难与中国的企业竞争，但目前还能够通过装备制造环节，一次性将中国光伏企业若干年的利润一次性拿走。而中国装备制造的仿制厂对欧美厂商的威胁并不大，因为，抄袭的设备永远是落后的，在中国的厂商抄袭出来以前，欧美厂商已经通过几年的销售赚足了利润。

但上海普罗的这台设备将使这种格局发生重大变化。据德国光伏行业资深专家评价，该炉型是目前中国光伏产业第一台水平超越了欧洲的装备，这台设备的诞生，使中国光伏业摆脱了以往依赖进口设备，或抄袭仿制进口设备的状况，欧美想从中国光伏业发展进程中，赚取设备的利润，也将越来越困难。如果这种情况扩散到其它的装备，就很有可能使得中国光伏业今后有可能甩开欧美而独自发展。