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硅粉气力输送

 

硅粉物料特性

硅粉(Microsilica 或 Silica Fume),也叫微硅粉,学名“硅灰”。
一﹑微硅粉的物理化学性能:
1、硅灰:外观为灰色或灰白色粉末﹑耐火度>1600℃。容重:200~250千克/立方米。 
2、硅灰的细度:硅灰中细度小于1um的占80%以上,平均粒径在0.1~0.3um,比表面积为:20~28m2/g。其细度和比表面积约为水泥的80~100倍,粉煤灰的50~70倍。   
3、颗粒形态与矿相结构:硅灰在形成过程中,因相变的过程中受表面张力的作用,形成了非结晶相无定形圆球状颗粒,且表面较为光滑,有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。它是一种比表面积很大,活性很高的火山灰物质。掺有硅灰的物料,微小的球状体可以起到润滑的作用。

硅粉气力输送概述

该工艺是将氯化氢和工业硅粉(粗硅)在高温下合成三氯氢硅,然后对三氯氢硅进行化学精制提纯,提纯后的三氯氢硅在还原炉内进行化学气相沉积反应生成高纯度多晶硅。在三氯氢硅合成阶段,原料硅粉经吊运被卸入硅粉接收料斗。

1、这种人工操作生产方式效率低,劳动强度大,同时操作中产生的粉尘危害人体健康,污染现场环境。硅粉采用密相气力输送加料可以从根本上消除人工吊运的诸多弊端。

2 、输送方式选择粉体气力输送可以采用稀相或密相输送,需要根据粉体物料的特性、输送管道系统的特征(包括管道长度、提升高度、倾斜角度、弯管角度和数量等)和输送压力来选择。稀相输送是最传统的气力输送方式,料气比低,输送速度较大,系统磨损大,输送效率低,能耗大。密相输送料气比高,流速较低,可使物料对管道的磨损减低,因此能耗低,经济性好 。

某多晶硅厂生产使用的硅粉物性见表1。

表1 硅粉物性表

名称

数值

粒径/“m

50~150

堆积密度/(t·m)

1.3

安息角/。

35

含水~-/%o

≤0.5

从表1看,硅粉的安息角约35。,散料安息角在30。一38。时,能自由流动 J。同时硅的莫氏硬度为7,对于非常硬的物料,莫氏硬度大于6,趋向易于流动,但对管道的磨蚀性很强。根据硅粉的物性和类似物料的气力输送经验,硅粉适合低速密相正压气力输送。

密相正压气力输送可分为”静压”和”紊流”2种输送方式。紊流输送是目前正压密相气力输送的主流方式,其工作原理是先将物料在仓泵内与输送气体充分混合,再通过压力将混合物利用管道进行输送,只要保证一定的流速,物料在管道中不大量沉积造成堵管,系统便可连续运行,因此输送效率高,应用广泛 。

硅的氧化性较强,处于粉态时,在空气中易爆 】。为了保证气力输送的安全和避免硅粉表面被氧化,保持其良好的活性,硅粉输送的气源采用氮气,可以利用厂内的制氮站提供。

硅粉气力输送工艺流程

硅粉气力输送工艺流程中,硅粉由气力输送罐车装运硅粉至厂内硅粉贮仓,罐车接通厂供氮气气源后,将硅粉压送到硅粉贮仓内。贮仓下部设置两套气力输送系统,贮仓内的硅粉通过气力输送装置送至厂内各处收料斗。正常工作时,两套气力输送系统单独向两个不同处的收料斗供粉,但是两套系统之间又通过阀门互连,互为备用,在一套系统出现故障或检修时,另外一套系统可以向两个不同的收料斗处供粉。整个气力输送工艺流程由称重计量系统、物料输送系统和控制系统组成,见图1。

硅粉密相气力输送技术在多晶硅生产中的应用
 

图1 硅粉气力输送工艺流程图

3.1 称重计量系统

贮仓内的硅粉通过手动插板阀、气动刀型阀和旋转给料机,落料至称重料斗,每个料斗设三个支耳,支耳下面安装压力传感器,对进入料斗内的硅粉进行称重计量。计量时,先大给量进料,当料斗内的硅粉重量接近预设值时,通过螺旋给料机调节,小给量进料,在达到每次设定的称量重量后,关闭进料阀门。

3.2 物料输送系统

称重料斗内的硅粉经计量后,落料至仓泵。通人仓泵的输送气体——氮气将硅粉流化后,靠仓泵内的压力将硅粉通过输粉管道送到各收料斗。当用一根母管输送硅粉到不同的收料斗时,需要设置阀门使物料换向。硅粉采用低速密相输送,输送时需要较大的压力,同时可能会产生粉料堵塞现象。因此,根据各输送装置的管道布置情况,在输粉管道上设置助吹管、排堵管及阀门。沿输粉管道设置吹堵母管,吹堵母管外径宜 0一~lOOmm,支管直径宜为 0一@65ram,吹堵支管接人输粉管的水平夹角不应大于30。。并应在紧靠输粉管处的吹堵支管上装设止回阀、旋塞阀或球阀。

3.3 控制系统

称重计量系统和物料输送系统采用PLC可编程序控制器进行控制,通过开发操作方便的应用软件,在上位机上进行各参数设定,对现场执行机构进行操作,监控各个设备的工作状态。在控制系统中,通过对氮气的压力、流量、阀体开闭、输送管道压力等的实时监控,管道在达到设定的压力与时间许可值时可以自动排堵也可以在上位机控制开启排堵,及时方便地处理管道堵塞问题。

主要设备和管道、阀门选型及设计

4.1 仓泵

硅粉采用氮气进行气力输送,氮气的耗量是气力输送系统的一个重要经济指标。仓泵的容积大小根据每次的设计输送量和压送次数计算。设计输送量在有备用输送系统时,取每次要求输送量的1.2倍。仓泵密相输送时,对于一定的输送量,仓泵的容积与压送次数成反比,压送次数越多,仓泵容积越小,选用容积小的仓泵可以降低其制造费用,但是由于进料和换罐的次数增多,输送循环中稳定输送时间所占的比例减少,进出料阀的耗损增加,这样相对降低了输送效率 。仓泵密相输送物料,每罐物料发送完毕后,需要对管道进行吹扫,压送次数增加之后,吹扫的耗气量相应会增大。仓泵的压送次数需要全面考虑,以提高输送效率,降低氮气的耗气量。

4.2 称重装置

收料斗每次加入硅粉的重量为一定值,因此硅粉在通过仓泵输送前必须经过计量。在有仓泵的气力输送装置中,物料的重量可以采用仓泵自身做为料斗,在仓泵支架上设置压力传感器进行计量,也可以单独制作一料斗进行计量。采用仓泵计量可以节省料斗的制作费用,降低硅粉贮仓的高度,但是与仓泵本体连接的管道较多,即使采用补偿器连接,实践中还是很难保证达到较高的称量精度,采用单独的料斗计量装置,可以确保每次加入收料斗中的硅粉重量在允许的误差范围之内。

4.3 直管段

物料与输送管道管壁的摩擦和碰撞所引起的磨损破坏是输送管道磨损的主要原因。在直管段内,物料所受的外力是气流推力和物料自身的重力,以及物料与管壁的撞击和物料间的相互碰撞作用力。密相气力输送管道内料气}昆合物的流速较低,输粉直管段可以采用无缝厚壁碳钢管。

管道设计时,当直管段大于或等于50m时,需设置伸缩节,管道采用法兰连接,管道法兰间跨距以10 20m为宜 。

4.4 弯头

物料经过弯头时,除了受到在直管段内的几种作用力外,还受到离心力的作用。离心力导致了物料运动方向的改变,部分物料通过反复撞击弯头外侧内壁前移通过弯头,因此输送管道中弯头是最容易磨损的部位。研究发现,弯头部位的磨损率可比直管部分高50倍L8j。在气力输送系统设计中,一般要求管道布置尽量减少弯头的个数。对于密相气力输送的弯头曲率半径不宜小于管径的1O倍,且不小于lm。避免弯头磨损或延长其磨损时间主要通过选材和改变弯头结构来实现。从选材上看,是把弯头部分采用耐磨材料或内衬耐磨材料,如铸石弯头、耐磨陶瓷弯头。从改变弯头的结构看,一种方式是将磨损特别显著的弯头外侧附加易更换的衬板或填充耐磨材料;另一种方式是让物料在弯管处停滞,让粉粒体间互相冲撞,防止壁面磨损 j,如”背包”弯头,在弯头的弯曲段外侧加焊一个全封闭的格栅”背包”,当弯头外壁管被磨穿后,物料逐渐进入并填满”背包”,”背包”内的物料成为”料垫”,产生”料磨料”的情况,避免了物料在弯头内对管壁的直接冲击磨损 。

4.5 阀门

阀门用于硅粉在管道输送中的启停和换向,它的性能好坏直接影响输送系统的可靠性。由于硅粉具有很强的磨蚀性,阀门的结构和材质必须考虑硅粉流动时对它的冲击磨损。可以用于硅粉输送的阀门有耐磨球阀、刀型阀、盘阀等多种形式。阀门的结构和材质不同,其价格差别很大。目前国内生产适合硅粉输送的阀门厂家较少,国外进口的硅粉输送阀门又极其昂贵。因此阀门选择时必须权衡性价比,对不同阀门的使用寿命和价格进行分析比较,选择性价比高的阀门。

5 结束语

本套硅粉气力输送装置在某多晶硅厂技改项目中安装实施后,实现了硅粉自动化加料,运行安全可靠。整个输送过程封闭、物料不泄露、污染小,提高了工厂的生产效率和管理水平,改善了车间生产环境。

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