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          其他行業

          硅粉氣力輸送

           

          硅粉物料特性

          硅粉(Microsilica 或 Silica Fume),也叫微硅粉,學名“硅灰”。
          一﹑微硅粉的物理化學性能:
          1、硅灰:外觀為灰色或灰白色粉末﹑耐火度>1600℃。容重:200~250千克/立方米?!?br /> 2、硅灰的細度:硅灰中細度小于1um的占80%以上,平均粒徑在0.1~0.3um,比表面積為:20~28m2/g。其細度和比表面積約為水泥的80~100倍,粉煤灰的50~70倍。   
          3、顆粒形態與礦相結構:硅灰在形成過程中,因相變的過程中受表面張力的作用,形成了非結晶相無定形圓球狀顆粒,且表面較為光滑,有些則是多個圓球顆粒粘在一起的團聚體。它是一種比表面積很大,活性很高的火山灰物質。摻有硅灰的物料,微小的球狀體可以起到潤滑的作用。

          硅粉氣力輸送概述

          該工藝是將氯化氫和工業硅粉(粗硅)在高溫下合成三氯氫硅,然后對三氯氫硅進行化學精制提純,提純后的三氯氫硅在還原爐內進行化學氣相沉積反應生成高純度多晶硅。在三氯氫硅合成階段,原料硅粉經吊運被卸入硅粉接收料斗。

          1、這種人工操作生產方式效率低,勞動強度大,同時操作中產生的粉塵危害人體健康,污染現場環境。硅粉采用密相氣力輸送加料可以從根本上消除人工吊運的諸多弊端。

          2 、輸送方式選擇粉體氣力輸送可以采用稀相或密相輸送,需要根據粉體物料的特性、輸送管道系統的特征(包括管道長度、提升高度、傾斜角度、彎管角度和數量等)和輸送壓力來選擇。稀相輸送是最傳統的氣力輸送方式,料氣比低,輸送速度較大,系統磨損大,輸送效率低,能耗大。密相輸送料氣比高,流速較低,可使物料對管道的磨損減低,因此能耗低,經濟性好 。

          某多晶硅廠生產使用的硅粉物性見表1。

          表1 硅粉物性表

          名稱

          數值

          粒徑/“m

          50~150

          堆積密度/(t·m)

          1.3

          安息角/。

          35

          含水~-/%o

          ≤0.5

          從表1看,硅粉的安息角約35。,散料安息角在30。一38。時,能自由流動 J。同時硅的莫氏硬度為7,對于非常硬的物料,莫氏硬度大于6,趨向易于流動,但對管道的磨蝕性很強。根據硅粉的物性和類似物料的氣力輸送經驗,硅粉適合低速密相正壓氣力輸送。

          密相正壓氣力輸送可分為”靜壓”和”紊流”2種輸送方式。紊流輸送是目前正壓密相氣力輸送的主流方式,其工作原理是先將物料在倉泵內與輸送氣體充分混合,再通過壓力將混合物利用管道進行輸送,只要保證一定的流速,物料在管道中不大量沉積造成堵管,系統便可連續運行,因此輸送效率高,應用廣泛 。

          硅的氧化性較強,處于粉態時,在空氣中易爆 】。為了保證氣力輸送的安全和避免硅粉表面被氧化,保持其良好的活性,硅粉輸送的氣源采用氮氣,可以利用廠內的制氮站提供。

          硅粉氣力輸送工藝流程

          硅粉氣力輸送工藝流程中,硅粉由氣力輸送罐車裝運硅粉至廠內硅粉貯倉,罐車接通廠供氮氣氣源后,將硅粉壓送到硅粉貯倉內。貯倉下部設置兩套氣力輸送系統,貯倉內的硅粉通過氣力輸送裝置送至廠內各處收料斗。正常工作時,兩套氣力輸送系統單獨向兩個不同處的收料斗供粉,但是兩套系統之間又通過閥門互連,互為備用,在一套系統出現故障或檢修時,另外一套系統可以向兩個不同的收料斗處供粉。整個氣力輸送工藝流程由稱重計量系統、物料輸送系統和控制系統組成,見圖1。

          硅粉密相氣力輸送技術在多晶硅生產中的應用
           

          圖1 硅粉氣力輸送工藝流程圖

          3.1 稱重計量系統

          貯倉內的硅粉通過手動插板閥、氣動刀型閥和旋轉給料機,落料至稱重料斗,每個料斗設三個支耳,支耳下面安裝壓力傳感器,對進入料斗內的硅粉進行稱重計量。計量時,先大給量進料,當料斗內的硅粉重量接近預設值時,通過螺旋給料機調節,小給量進料,在達到每次設定的稱量重量后,關閉進料閥門。

          3.2 物料輸送系統

          稱重料斗內的硅粉經計量后,落料至倉泵。通人倉泵的輸送氣體——氮氣將硅粉流化后,靠倉泵內的壓力將硅粉通過輸粉管道送到各收料斗。當用一根母管輸送硅粉到不同的收料斗時,需要設置閥門使物料換向。硅粉采用低速密相輸送,輸送時需要較大的壓力,同時可能會產生粉料堵塞現象。因此,根據各輸送裝置的管道布置情況,在輸粉管道上設置助吹管、排堵管及閥門。沿輸粉管道設置吹堵母管,吹堵母管外徑宜 0一~lOOmm,支管直徑宜為 0一@65ram,吹堵支管接人輸粉管的水平夾角不應大于30。。并應在緊靠輸粉管處的吹堵支管上裝設止回閥、旋塞閥或球閥。

          3.3 控制系統

          稱重計量系統和物料輸送系統采用PLC可編程序控制器進行控制,通過開發操作方便的應用軟件,在上位機上進行各參數設定,對現場執行機構進行操作,監控各個設備的工作狀態。在控制系統中,通過對氮氣的壓力、流量、閥體開閉、輸送管道壓力等的實時監控,管道在達到設定的壓力與時間許可值時可以自動排堵也可以在上位機控制開啟排堵,及時方便地處理管道堵塞問題。

          主要設備和管道、閥門選型及設計

          4.1 倉泵

          硅粉采用氮氣進行氣力輸送,氮氣的耗量是氣力輸送系統的一個重要經濟指標。倉泵的容積大小根據每次的設計輸送量和壓送次數計算。設計輸送量在有備用輸送系統時,取每次要求輸送量的1.2倍。倉泵密相輸送時,對于一定的輸送量,倉泵的容積與壓送次數成反比,壓送次數越多,倉泵容積越小,選用容積小的倉泵可以降低其制造費用,但是由于進料和換罐的次數增多,輸送循環中穩定輸送時間所占的比例減少,進出料閥的耗損增加,這樣相對降低了輸送效率 。倉泵密相輸送物料,每罐物料發送完畢后,需要對管道進行吹掃,壓送次數增加之后,吹掃的耗氣量相應會增大。倉泵的壓送次數需要全面考慮,以提高輸送效率,降低氮氣的耗氣量。

          4.2 稱重裝置

          收料斗每次加入硅粉的重量為一定值,因此硅粉在通過倉泵輸送前必須經過計量。在有倉泵的氣力輸送裝置中,物料的重量可以采用倉泵自身做為料斗,在倉泵支架上設置壓力傳感器進行計量,也可以單獨制作一料斗進行計量。采用倉泵計量可以節省料斗的制作費用,降低硅粉貯倉的高度,但是與倉泵本體連接的管道較多,即使采用補償器連接,實踐中還是很難保證達到較高的稱量精度,采用單獨的料斗計量裝置,可以確保每次加入收料斗中的硅粉重量在允許的誤差范圍之內。

          4.3 直管段

          物料與輸送管道管壁的摩擦和碰撞所引起的磨損破壞是輸送管道磨損的主要原因。在直管段內,物料所受的外力是氣流推力和物料自身的重力,以及物料與管壁的撞擊和物料間的相互碰撞作用力。密相氣力輸送管道內料氣}昆合物的流速較低,輸粉直管段可以采用無縫厚壁碳鋼管。

          管道設計時,當直管段大于或等于50m時,需設置伸縮節,管道采用法蘭連接,管道法蘭間跨距以10 20m為宜 。

          4.4 彎頭

          物料經過彎頭時,除了受到在直管段內的幾種作用力外,還受到離心力的作用。離心力導致了物料運動方向的改變,部分物料通過反復撞擊彎頭外側內壁前移通過彎頭,因此輸送管道中彎頭是最容易磨損的部位。研究發現,彎頭部位的磨損率可比直管部分高50倍L8j。在氣力輸送系統設計中,一般要求管道布置盡量減少彎頭的個數。對于密相氣力輸送的彎頭曲率半徑不宜小于管徑的1O倍,且不小于lm。避免彎頭磨損或延長其磨損時間主要通過選材和改變彎頭結構來實現。從選材上看,是把彎頭部分采用耐磨材料或內襯耐磨材料,如鑄石彎頭、耐磨陶瓷彎頭。從改變彎頭的結構看,一種方式是將磨損特別顯著的彎頭外側附加易更換的襯板或填充耐磨材料;另一種方式是讓物料在彎管處停滯,讓粉粒體間互相沖撞,防止壁面磨損 j,如”背包”彎頭,在彎頭的彎曲段外側加焊一個全封閉的格柵”背包”,當彎頭外壁管被磨穿后,物料逐漸進入并填滿”背包”,”背包”內的物料成為”料墊”,產生”料磨料”的情況,避免了物料在彎頭內對管壁的直接沖擊磨損 。

          4.5 閥門

          閥門用于硅粉在管道輸送中的啟停和換向,它的性能好壞直接影響輸送系統的可靠性。由于硅粉具有很強的磨蝕性,閥門的結構和材質必須考慮硅粉流動時對它的沖擊磨損??梢杂糜诠璺圯斔偷拈y門有耐磨球閥、刀型閥、盤閥等多種形式。閥門的結構和材質不同,其價格差別很大。目前國內生產適合硅粉輸送的閥門廠家較少,國外進口的硅粉輸送閥門又極其昂貴。因此閥門選擇時必須權衡性價比,對不同閥門的使用壽命和價格進行分析比較,選擇性價比高的閥門。

          5 結束語

          本套硅粉氣力輸送裝置在某多晶硅廠技改項目中安裝實施后,實現了硅粉自動化加料,運行安全可靠。整個輸送過程封閉、物料不泄露、污染小,提高了工廠的生產效率和管理水平,改善了車間生產環境。

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