滑板閥在多晶硅上的運用案例

——解決沖刷、卡阻、外漏和使用壽命短的技術難題

多晶硅作為新能源及電子工業的基礎原材料，目前比較成熟的生產工藝有改進型西門子法、硅烷法和流化床法等。多晶硅的生產屬于高能耗、高污染的生產活動，且轉換效率低，即使是目前最先進的改進型西門子法一次通過轉換效率也僅為5%～20%。以改進型西門子生產技術為例，其工藝流程分為SiHCl3合成、SiHCl3精餾提純、SiHCl3的氫還原、尾氣的回收和SiCl4的氫化分離等五個工藝環節。因生產過程涉及到具有爆炸危險的H2，有毒的氯硅烷等中間產品，以及具有強烈腐蝕、有毒的HCL氣體，就對整個生產工藝流程下的自控閥門提出了極高的技術要求。

在生產設備上運行的自控閥門往往被要求具備耐高壓、耐溫、耐腐蝕、耐磨、耐沖刷、啟閉可靠、持久嚴密密封的性能。

特別是在SiHCl3合成和SiHCl3還原工段，因介質中含有硅粉顆粒（原料硅和高純硅），且硅粉顆粒非常堅硬，硬度介于鍺和石英之間（石英的莫氏硬度為7），對閥內件沖刷磨損非常嚴重，常出現閥門內、外泄漏，啟閉卡阻和使用壽命短的技術問題。運行在硅粉工況下的閥門使用壽命一般為3～6個月，就不得不對閥門進行更換或者維修。一方面嚴重影響了生產連續性，另一方面因閥門故障的不確定性增加了系統發生事故的可能性。

如下圖一所示，運行在某公司硅粉工況下的閥門閥體被介質擊穿，造成外漏的圖片；圖二，為閥內件被嚴重沖刷的圖片；圖三，為閥門卡阻造成閥桿斷裂的圖片。

解決硅粉工況上自控閥的內、外泄漏，啟閉卡阻和使用壽命短等的技術問題一直是生產企業致力的方向，也是多晶硅生產實現長周期運行必須解決的關鍵技術之一。

生產之初，嘗試通過采用提高硬度或者整體陶瓷材料（閥內件）的球閥、偏心球閥結構，雖然在一定程度上減少了介質沖刷磨損，但是閥門卡阻一直未得到很好的解決。特別是球閥結構，常常因為介質進腔而卡阻。分析其卡阻原因一方面來自于介質進腔造成閥門卡阻，另一方面來自于閥門動作時球芯與介質存在相對運動夾角（45°）產生機械拉傷造成卡阻和泄漏。如圖四所示，球閥拉傷示意圖。

圖四、球閥拉傷示意圖

后來采用盤閥結構，通過改變閥芯與閥座的相對運動形式，采用90°的剪切型啟閉方式，雖然在一定程度上解決了球閥、偏球閥出現的技術問題，閥門的使用壽命也得到了延長，但是還是會出現閥體、內件被嚴重沖刷磨損，或者閥門啟閉卡阻的問題。如圖一至圖三所示。

延長硅粉工況自控閥的使用壽命，解決介質沖刷磨損的決心并沒有因為遇到的問題長期得不到解決而停下腳步。2021年重慶川武儀表有限公司鑒于硅粉工況自控閥存在的技術難題，爭取到四川某多晶硅生產公司共同研發的試用機會，采用川武儀表近年自主研發的雙向全密封型滑板閥結構。滑板閥于2021年6月安裝至今一直運行良好，閥門啟閉順暢、無泄漏，此閥受到了業主的一致好評。

閥門參數如下所示：

    公稱口徑：DN80

    公稱壓力：150LB

    工作介質：硅粉(含少量氯硅烷、HCL和氫氣)

    工作壓差：0.3MPa，反向壓差：0.45MPa

    泄漏等級：雙向VI級

針對此種具有嚴重沖刷、卡阻和腐蝕（氯離子腐蝕）工況，川武儀表公司提出的解決方案是采用雙向全密封滑板閥結構。閥體采用耐酸腐蝕的不銹鋼材料，閥內件采用整體陶瓷材料。

滑板閥能夠在此工況下取得成功的使用主要歸功其特殊的結構設計：

1、閥門結構采用全密封形式，就是將閥門腔體與介質流道完全隔離。閥門從開啟到關閉的整個過程中，都避免了硅粉顆粒物進入到閥門腔體，有效防止了硅粉顆粒堵塞閥門正常啟閉情況發生。

2、滑板閥采用直通流道，介質直接流過，且與閥門啟閉方向和密封面成90°。閥門在全開或全閉時可完全避免介質直接沖刷密封面，即使在閥門半開狀態時，介質也只能沿密封面外沿流過，介質沖刷角度要么為90°，要么接近0°，這兩種沖刷角度介質沖刷極小。另外，滑板閥采用面密封結構，密封面寬度＞5mm，留有足夠的密封面外沿沖刷余量。

3、閥門密封面采用基體材料+金屬陶瓷材料，材料莫氏硬度達9.5，接近金剛石，硬度高硅粉兩個數量級。完全不用擔心閥門在半開狀態下密封面被沖刷磨損掉。

4、閥門密封面采用自動補償式面密封結構（閥板可在介質流向上自由浮動，即閥板與閥桿采用活動的連接方式）。閥板在啟閉過程中，借用介質壓力自動補償正常的機械磨損，不擔心閥門密封性能因磨損而降低。

5、閥門的密封力改變了傳統的機械密封力為介質壓力密封力，閥前介質壓力越大，閥板與閥座貼合越緊密，更有利于閥門密封。介質密封力還具有各向均一的特性，保證密封面每一處的密封力都是均勻的。

6、滑板與閥座相對運動，運動方向相反（180°），還具有剪切和自潔作用，可以有效的刮落和切斷附著在密封面及密封面附近的顆粒物，且不會影響密封面。

結束語：滑板閥采用直通直行程面密封結構，將介質流道與閥門內腔完全隔離；啟閉輸出強有力的自潔和剪切力等結構設計措施，消除了介質直接沖刷、堆積卡阻的結構因素。此閥自安裝以來，已經取得并超過了某公司在此工況下的最高使用壽命記錄。此閥的最終使用壽命如何，望大家拭目以待。