夏 杰 張傳杰 安 震 張 娟 吳衛(wèi)偉

(南京天華化學(xué)工程有限公司)

多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

夏 杰*張傳杰 安 震 張 娟 吳衛(wèi)偉

(南京天華化學(xué)工程有限公司)

介紹了一種密封效果好、壽命長、檢修方便、可用于強(qiáng)磨蝕性物料和微正壓操作條件下的多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封裝置。

漿料干燥機(jī) 軸端密封 多晶硅 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

多晶硅作為單質(zhì)硅的一種形態(tài)，是大規(guī)模集成電路、太陽能電池和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要原料。目前世界上絕大部分廠家均采用改良西門子法生產(chǎn)多晶，但是這個(gè)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣、廢液和廢氣，必須對污染物進(jìn)行處理、回收和重新利用，以減少排放實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。四氯化硅是多晶硅生產(chǎn)過程中最主要的副產(chǎn)物，連同二氯硅烷、三氯硅烷等其他形式的氯硅烷，以及硅、氯化鋁、二氯化鐵、氯化鈣等共同組成多晶硅漿料[1]。在目前的多晶硅行業(yè)中，一些企業(yè)仍采用“水解中和法”處理固渣漿料，該方法存在許多局限性：如耗費(fèi)大量的水和氫氧化鈉、原材料成本非常高且水解中和過濾等環(huán)節(jié)增加了工藝流程和設(shè)備，增加了運(yùn)行成本[2]。為解決上述傳統(tǒng)工藝中的難題，通過干燥的手段將固渣漿料中三氯氫硅、四氯化硅提取出來，二氧化硅固渣可直接進(jìn)入旋葉過濾膜裝置進(jìn)一步水解，得到環(huán)保的二氧化硅。直接提取出來的三氯氫硅、四氯化硅可以循環(huán)到加氫工段加氫生產(chǎn)三氯氫硅，并用于三氯氫硅的精餾提純，從而形成了固渣漿料的內(nèi)部封閉循環(huán)回收處理工藝，實(shí)現(xiàn)了無污染、低成本、低能耗的目標(biāo)。漿料干燥機(jī)是多晶硅副產(chǎn)物回收單元的核心設(shè)備，其作用是通過夾套內(nèi)的蒸汽或?qū)嵊蛯{料進(jìn)行加熱，使氯硅烷漿料蒸發(fā)，進(jìn)而回收和重復(fù)利用[3]。

1 多晶硅漿料干燥機(jī)密封要求

漿料干燥機(jī)采用正壓操作，工作介質(zhì)中即含有磨蝕性極強(qiáng)的硅粉，又含有易燃易爆的氯硅烷，加熱后液態(tài)的氯硅烷將變?yōu)闅鈶B(tài)，因此密封結(jié)構(gòu)需要對固、液、氣3種狀態(tài)介質(zhì)都能起到良好的密封作用。由于氯硅烷在遇到空氣或水后會(huì)迅速反應(yīng)生成氯化氫，因此要求正常工作時(shí)，泄漏量必須十分微小。即便是在故障時(shí)，也不能產(chǎn)生突然的、較大的泄漏。復(fù)雜的工作介質(zhì)、苛刻的密封要求，使得傳統(tǒng)的多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封結(jié)構(gòu)一直不能很好地滿足工程要求。

2 軸封原理與分類

傳統(tǒng)的干燥機(jī)軸端密封多采用填料密封、機(jī)械密封和螺旋密封的形式。

填料密封通過填料和軸表面接觸，從而阻止介質(zhì)通過實(shí)現(xiàn)密封。當(dāng)擰緊壓蓋螺栓時(shí)，柔性軟填料受到軸向壓緊力的作用產(chǎn)生彈塑性變形，并沿徑向擴(kuò)張而貼緊軸。由于軸表面存在不平度等原因，柔性軟填料并不能和軸在整個(gè)表面全部、充分地接觸。當(dāng)軸與填料存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸起的接觸部位與下凹的非接觸部位之間將形成微小的、不規(guī)則的迷宮，造成流體截留減壓，即所謂柔性軟填料的“迷宮效應(yīng)”，進(jìn)而使流體沿軸向的流動(dòng)受阻[4]。雖然填料密封具有結(jié)構(gòu)簡單、更換方便以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但在多晶硅漿料這樣的苛刻工況下，并不能很好地滿足工程要求，尤其是漿料中含有的磨蝕性極強(qiáng)的硅粉，將導(dǎo)致填料短期內(nèi)快速磨損[5]，造成漿料的泄漏，甚至多晶硅漿料干燥機(jī)停機(jī)。

機(jī)械密封是借助流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力(或磁力)作用，依靠一對或數(shù)對垂直于軸，并作相對滑動(dòng)的端面，保持貼合并配合以輔助密封，從而達(dá)到阻漏的軸封裝置[6]。機(jī)械密封具有密封效果好、功率損耗小、無需經(jīng)常調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)密封物料硬度較高時(shí)，機(jī)械密封摩擦副磨損加快，所積累的雜質(zhì)也會(huì)影響到彈簧元件在密封中的補(bǔ)償作用，導(dǎo)致密封失效、物料泄漏和污染環(huán)境[7]，并且機(jī)械密封存在安裝精度要求高、拆卸不便及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，也限制了它在多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封的應(yīng)用[8]。

螺旋密封是一種非接觸型流體動(dòng)力密封，其基本結(jié)構(gòu)是在旋轉(zhuǎn)軸或靜止的殼體內(nèi)表面切削出螺紋槽。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋軸對液體施加一個(gè)推動(dòng)力，并進(jìn)行能量交換。軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為粘性流體的壓力能，從而形成密封壓力。密封壓力與被密封壓力平衡，從而阻止泄漏。螺旋密封具有功率損耗小、加工簡單、安裝方便及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。由于停車狀態(tài)下軸不再旋轉(zhuǎn)，密封壓力消失，螺旋密封失效，因此無法單獨(dú)使用。

填料密封、機(jī)械密封和螺旋密封都無法滿足多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封的嚴(yán)苛要求。因此，設(shè)計(jì)一種集多種密封形式于一體的組合式密封，以滿足多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封要求就顯得十分必要。

3 軸端密封組合結(jié)構(gòu)

多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封組合結(jié)構(gòu)

多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封組合結(jié)構(gòu)分為3道，詳述如下：

a. 第一道為部分深入至筒體內(nèi)的螺旋密封套。攪拌軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，端座和螺旋密封套之間的渣漿將被從筒體外側(cè)推向筒體內(nèi)側(cè)，并且隨著容積被不斷壓縮，其壓力不斷升高，所建立起來的密封壓力與被密封流體壓力平衡，從而阻止渣漿、粉塵等的泄漏，很好地提高了密封性能。端座和螺旋密封套之間增設(shè)軸套Ⅱ，安裝于筒體外側(cè)，當(dāng)它被渣漿、粉塵等磨損嚴(yán)重時(shí)，可以在不拆卸軸和端座的情況下進(jìn)行更換，拆卸方便、檢修容易。螺旋密封套、軸套Ⅰ、Ⅱ內(nèi)壁采用特殊工藝，提高硬度，增強(qiáng)耐磨性。

b. 第二道密封由擋渣器、油封和沖洗液接管構(gòu)成。設(shè)置于填料函中的擋渣器起到特殊密封作用，其一端為向里開口的開槽結(jié)構(gòu)，筒體內(nèi)側(cè)正壓操作使得工作時(shí)擋渣器開槽處于張口狀態(tài)，可以有效阻擋泄漏的渣漿、粉塵等進(jìn)入填料腔內(nèi)，從而使填料發(fā)揮更好的密封作用;在填料函上增設(shè)的沖洗液接管一端與密封腔連通，沖洗液可以將部分泄漏的渣漿、粉塵等重新沖洗回筒體內(nèi)，從而減少渣漿和粉塵等對填料和油封的磨蝕，降低密封組合結(jié)構(gòu)的溫度，延長密封元件壽命，保證密封性能。

c. 第三道密封由氮?dú)夥创祾吆头叫翁盍辖M成。氮?dú)夥创祾呖梢栽诒匾獣r(shí)將可能出現(xiàn)的、穿過前兩道密封的渣漿、粉塵等重新吹掃回筒體內(nèi)，從根本上杜絕渣漿和粉塵的泄漏。

4 結(jié)束語

改進(jìn)的多晶硅漿料干燥機(jī)軸端密封結(jié)構(gòu)采用螺旋密封套、擋渣器、油封、沖洗液接管、填料、氮?dú)夥创祾摺⒎叫吞盍系纫来稳烂芊饨Y(jié)構(gòu)，共同組成密封組合結(jié)構(gòu)。整個(gè)組合密封性能可靠、密封元件壽命長、拆卸方便、檢修容易。目前，該密封組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用于某光伏企業(yè)多晶硅生產(chǎn)裝置的漿料干燥機(jī)上，完全滿足密封要求。該密封組合結(jié)構(gòu)對于類似渣漿、粉塵等物料的密封均具有參考和借鑒作用。

[1] 王志民.臥式螺帶干燥機(jī)用于多晶硅渣漿的干燥過程研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[2] 黃國強(qiáng)，楊勁，王紅星.四氯化硅殘液處理方法的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2012,31(8)：1818～1833.

[3] Breneman W C.Process for the Treatment of Waste Metal Chlorides[P]. USA：0193958，2006-08-17.

[4] 陳匡民，董宗玉，陳文梅.流體動(dòng)密封[M].成都：成都科技大學(xué)出版社,1990：235～236.

[5] 張際強(qiáng)，汪任初.旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)喂料螺旋軸端密封結(jié)構(gòu)的改造[J].化工機(jī)械,2006,33(3)：183～184.

[6] 張永平，邵芝梅，張寶忠.雜質(zhì)泵的密封與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2005,(10)：142～143.

[7] 惠懷明，孫鐵.軟化水泵機(jī)械密封故障分析與改造[J].化工機(jī)械,2008,35(2)：104～106.

[8] 李建偉，白穎.高溫高雜質(zhì)化工泵密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J].化工設(shè)備與管道,2007,44(6)：45～46.

*夏 杰，女，1984年1月生，工程師。江蘇省南京市，211000。

TQ051.8

B

0254-6094(2016)03-0404-03

2015-10-29，

2015-12-11)