沖旋技術(shù)煥發(fā)硅的天然優(yōu)質(zhì)特性——評(píng)述高活性低能耗沖旋硅粉及其技術(shù)

浙江省冶金研究院 ■ 常森

一 引言

用于有機(jī)硅和多晶硅生產(chǎn)的硅粉，必須具備相應(yīng)的技術(shù)性能，其中包括化學(xué)成份、粒度、形貌、比表面積、理化性能。這五項(xiàng)基本性能集中體現(xiàn)在硅粉的化學(xué)反應(yīng)活性上，它是制取高質(zhì)量有機(jī)硅、多晶硅的一個(gè)重要依據(jù)。它的作用效果已日益為業(yè)內(nèi)外所認(rèn)可。但是活性僅取決于化學(xué)成份和硅冶煉方法的觀點(diǎn)值得商榷，硅粉用戶對(duì)其原理尚了解不夠，有必要分項(xiàng)予以闡明?，F(xiàn)以CXFL型沖旋式粉碎機(jī)組(浙江諸 產(chǎn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)用已有50多套)生產(chǎn)高活性低能耗硅粉為例做一些闡述。

使用CXFL型沖旋式粉碎機(jī)組生產(chǎn)的硅粉，俗稱沖旋粉，是利用該機(jī)組沖旋粉碎、準(zhǔn)概率篩分等技術(shù)生產(chǎn)的硅粉。

二 沖旋粉的形貌

外觀呈金屬光澤，顆粒表面粗糙，似蜂窩狀（見圖1），表面坑洼易于吸附更多的流態(tài)物質(zhì)，極利于氣固、液固兩相反應(yīng)（如有機(jī)硅單體制成反應(yīng)等），使硅得到充分完善的利用，為獲得產(chǎn)品高成品率提供有利條件，而其他方法生產(chǎn)的粉，表面光滑，少有起伏，如圖2所示。

圖1 硅粉表面形貌（沖旋粉）

圖2 輪碾硅粉表面形貌（外表面上附著許多細(xì)顆粒硅粉）

三 沖旋粉的粒度

粒度組成品種很多。圖3是生產(chǎn)過程中粉碎機(jī)提供的包括粗細(xì)粉的原料粉曲線。圖4示出用于多晶硅的成品硅粉(40～180目)粒度特性曲線。運(yùn)用準(zhǔn)概率篩在C-C割去+40目粗粒(回料)，返回粉碎機(jī)再粉碎。同時(shí)，在180目處(d-d)篩去細(xì)粉。留下40～180目成品粉。

圖3 原料粒度特性曲線

圖4 成品粒度特性曲線

原料粉特征曲線顯示出下列特點(diǎn)：

(1)原料粉特性曲線(圖3a)呈現(xiàn)三峰狀態(tài)，都各自成鐘形。

(2)原料粉特性曲線第1個(gè)低谷用c-c切割，正好黃金分割點(diǎn)(0.618近旁)就在40目處。+40目系返回粉碎機(jī)的回料占總體的40%，-40目進(jìn)入成品粉，占60%(黃金分割點(diǎn)0.618)，符合物料組成的自然規(guī)律。

(3)原料粉體中徑(d50）兩邊20%的粉進(jìn)入成品。中徑粉具有代表性，其前后10%更是整體粉料的最佳部分。不讓其反回再粉碎，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的效果，已在實(shí)際生產(chǎn)中顯示。

(4)原料粉特性曲線第3個(gè)低谷，用d-d切去細(xì)粉。第3個(gè)峰體現(xiàn)約束細(xì)粉量的能力，防止過粉碎。

(5)成品粉中徑在60～80目間，粒度分布集中。

四 沖旋粉的比表面積

沖旋粉的比表面積經(jīng)多次測(cè)定，約為0.66m2/g(見表1)，比其他方法生產(chǎn)的粉(如對(duì)輥、懸輥、立磨等)要大出30%～50%。比表面積對(duì)硅同流態(tài)物的兩相反應(yīng)，作用明顯，是形貌的度量指標(biāo)之一。

表1 沖旋粉比表面積檢測(cè)結(jié)果

五 沖旋粉的理化性能

根據(jù)沖旋制粉原理和檢測(cè)，沖旋粉獲得與眾不同的兩項(xiàng)理化性能。

(1)成品粉不同粒度顆粒具有相近的比表面積。粗粒內(nèi)部裂紋發(fā)育很好，細(xì)粒內(nèi)裂紋很少，可外部比表面積大。

(2)成品粉化學(xué)成份得到提高，比如，化工用硅粉B組，牌號(hào)5-5-3，經(jīng)制粉后，由于選擇性粉碎，可提高到4-4-1，即機(jī)械法提純。經(jīng)過研究，也能降低其他雜質(zhì)的含量。所以，沖旋粉體現(xiàn)出理化性能的提高。此兩項(xiàng)性能的改善，同硅的顯微組織關(guān)系很大。

六 沖旋粉高活性的基礎(chǔ)

沖旋硅粉的特點(diǎn)，可概括為：

(1)硅的晶體組織結(jié)構(gòu)中裂紋增多，天然反應(yīng)活性得到進(jìn)一步提高。

(2)化學(xué)成分沒有變劣，反而改善了。

(3)形貌似峰巒起伏，似蜂窩狀，表面粗糙、裂紋交錯(cuò)。極利于氣-固、液-固兩相反應(yīng)，見圖1。

(4)粒度按要求配置，調(diào)節(jié)參數(shù)，使特性曲線前后兩低谷正是篩去粗、細(xì)粒的切割點(diǎn)，符合散料自然組合的分界處。使硅理化性能得到最佳的傳承和提高。

(5)比表面積0.66m2/g比常規(guī)硅粉大30%～50%，有利于參與化學(xué)反應(yīng)。

緣于上述五特點(diǎn)，使沖旋粉的天然活性擁有與眾不同的基礎(chǔ)。援引實(shí)例1，1993年某廠用沖旋粉生產(chǎn)有機(jī)硅單體，1t硅粉可生產(chǎn)4t單體。而原來球磨粉，只能生產(chǎn)3t。實(shí)例2，2009年某廠以沖旋粉制單體(甲基氯硅烷)的主要成分二甲基二氯硅烷達(dá)到90%(先進(jìn)指標(biāo)88%)。究其根本，正在于沖旋制粉(粉碎、篩分等)的工藝設(shè)備技術(shù)，都是順應(yīng)硅及其粉體的天然結(jié)構(gòu)和稟性而設(shè)計(jì)的。

七 工藝設(shè)備保證高活性

保證硅高活性的條件是多方面的，所采用的工藝設(shè)備則是其中最重要的。因此，有必要對(duì)其工藝和設(shè)備技術(shù)進(jìn)行一番考究。

1 力能沖旋粉碎技術(shù)

基于對(duì)硅塊結(jié)構(gòu)和性能的研究，利用粉碎機(jī)內(nèi)建立的不同能量區(qū)，使硅塊得到不同程度的沖擊力能，獲得粗細(xì)搭配的粉末，符合用戶對(duì)粒度和化學(xué)成份的要求。能量區(qū)的配置和調(diào)節(jié)，通過粉碎機(jī)相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)沖擊，硅吸收力能后，沿著體內(nèi)密布的微細(xì)紋脹裂，呈多棱的顆粒狀，表面粗糙，如圖1所示。由于沒有受到強(qiáng)制的外力擠實(shí)作用，組織結(jié)構(gòu)變疏松，構(gòu)筑好高活性的基礎(chǔ)，保證沖旋粉5項(xiàng)特點(diǎn)的形成，使化學(xué)反應(yīng)活性隨之提高。并且保持生產(chǎn)成品率＞85%。粉碎過程都是順應(yīng)著硅本身的天然狀態(tài)完成的。結(jié)果是：顆粒形貌、粒度組成、比表面積以及綜合各項(xiàng)指標(biāo)的化學(xué)反應(yīng)活性，都保持著和超過原有的天然水平。

2 黃金概率篩分技術(shù)

沖旋粉碎技術(shù)給出三峰原料粉特性曲線圖3a。在線的準(zhǔn)概率篩正好在40目低谷處篩去粗粒(回料)，返回粉碎。40目處是曲線上粉體質(zhì)量的黃金分割點(diǎn)如圖3a。由于該篩的特點(diǎn)，能將40目粉作篩上和篩下按比例分開。保證打得出來，分得開，使粗?；亓稀?0%。使平均粒度(d50)前后10%(總共20%)的粉進(jìn)入成品。這20%的粉是整批料中最具代表性的部分，其粒度和化學(xué)成份適中，既有粗粒又有細(xì)料的特性；化學(xué)成分中雜質(zhì)(Fe、Al、Ca)最低。所以，從化學(xué)和物理上考慮可以認(rèn)為是粉體的精華。相反，如該部分落入粗?；亓现?，返回再粉碎，就可惜地?fù)p失了，又變細(xì)了。

200目左右的粉，用戶有較嚴(yán)的控制可用新型篩分法將其篩去。圖3a中160～180目處有一小高峰，抑止了細(xì)粉量，減少篩除量，增加了成品粉率。

3 氣流振篩除細(xì)技術(shù)

沖旋制粉的選擇性粉碎技術(shù)，使雜質(zhì)大量轉(zhuǎn)移至細(xì)粉(-160目)中，運(yùn)用氣流在揚(yáng)灰部位，將細(xì)粉吸走，其量約為5%。同時(shí)在概率篩后再用專用振篩將-160目粉篩去。于是，成品粉中細(xì)粉就得到控制，外觀上呈現(xiàn)出錚亮的金屬光澤。

八 沖旋粉低能耗的基礎(chǔ)

力能沖旋技術(shù)運(yùn)用沖擊和旋流方法，使硅塊吸收力能，隨之脹裂成粉。與其他用壓裂擠碎的方法(如輥磨等)不同，沖旋法是利用輸入力能，拉(脹)裂硅塊。硅的測(cè)試值中抗壓性能比抗拉性能高出10倍，因此，拉裂能耗比壓裂的要低得多。沖旋粉的生產(chǎn)能耗就明顯低于輥磨、對(duì)輥，只有其30%～50%(實(shí)測(cè)值)。按電容量計(jì)算，與此相近約20kWh/t。

九 安全和防爆措施

硅粉生產(chǎn)必須有相應(yīng)的安全措施，防止硅粉爆炸。在CXFL型機(jī)組上采用氣流除鐵防爆技術(shù)。氣流使機(jī)組各處的粉塵濃度大幅度低于爆炸下限和熱量的聚集，除鐵設(shè)施能及時(shí)吸除機(jī)組內(nèi)的金屬塊，避免火花的引發(fā)。由此擺脫形成爆炸三條件，保證生產(chǎn)安全。

機(jī)組采用開/閉環(huán)自動(dòng)和聯(lián)鎖控制，氣流系統(tǒng)設(shè)備負(fù)壓和警報(bào)、自動(dòng)停機(jī)控制。保證設(shè)備正常穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

十 技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算

基于沖旋粉的生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)，成品率達(dá)到85%～93%。再加能耗低于20kWh/t，活性高，使沖旋粉的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。詳見表2。其中，各制粉法使用設(shè)備是：4R型雷蒙機(jī)(37kW/170kW)，ˉ500對(duì)輥機(jī)(22kW/60kW)，ˉ1250盤磨機(jī)(亦稱立式磨等）(110kW/270kW)，ZYF430型沖旋式粉碎機(jī)(45kW/70kW)。括弧內(nèi)數(shù)值：分子指粉碎機(jī)主機(jī)功率，分母指整個(gè)制粉工藝作業(yè)線的功率。單位能耗亦以同樣方式于表中；顆粒形貌根據(jù)電子掃描顯微照片判斷；能耗和加工成本等屬一個(gè)確定的制粉機(jī)組，從原料塊至排出產(chǎn)品粉料。不包括原料準(zhǔn)備和粉料外送；加工成本計(jì)算包括電耗、人工、折舊、大修4項(xiàng)費(fèi)用。電價(jià)0.7元/kWh，折舊率7%，操作定員(兩班總數(shù))5人。新近投產(chǎn)的CXFL1500型，設(shè)計(jì)5t/h，生產(chǎn)線電總?cè)萘?50kW，尚需實(shí)際考驗(yàn)。

表2 有機(jī)硅用硅粉各種生產(chǎn)方法比較

十一 煥發(fā)硅的天然優(yōu)質(zhì)特性

硅在地球里含量很高，為人類社會(huì)的現(xiàn)代化作出的貢獻(xiàn)也很大，在經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)各行業(yè)都顯現(xiàn)出巨大的作用，在文化和生活各領(lǐng)域更是業(yè)績(jī)輝煌。硅，的確是值得稱道的寶物?？墒牵獜牡V石中提煉硅卻不容易，要消耗大量的能源；要將其深度加工，還要付出很大的代價(jià)。它天生就很硬，而且又脆又滑，不就范，生就一付“剛強(qiáng)的骨架”。而制成沖旋硅粉更是光澤熠熠，銀灰錚亮，化學(xué)活性高、制取能耗低、成品率高、成本低，極致一表的“亮麗風(fēng)貌”。這是因?yàn)樗蛹{了人們對(duì)它的期望，吸取了人們的辛苦勞作和創(chuàng)新理念，自然天成地讓它煥發(fā)出智慧的風(fēng)采，在光伏現(xiàn)代化空間閃光，為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)奉獻(xiàn)一份力量。