沖旋技術煥發(fā)硅的天然優(yōu)質特性——評述高活性低能耗沖旋硅粉及其技術

浙江省冶金研究院 ■ 常森

一 引言

用于有機硅和多晶硅生產的硅粉，必須具備相應的技術性能，其中包括化學成份、粒度、形貌、比表面積、理化性能。這五項基本性能集中體現(xiàn)在硅粉的化學反應活性上，它是制取高質量有機硅、多晶硅的一個重要依據(jù)。它的作用效果已日益為業(yè)內外所認可。但是活性僅取決于化學成份和硅冶煉方法的觀點值得商榷，硅粉用戶對其原理尚了解不夠，有必要分項予以闡明。現(xiàn)以CXFL型沖旋式粉碎機組(浙江諸 產，國內現(xiàn)用已有50多套)生產高活性低能耗硅粉為例做一些闡述。

使用CXFL型沖旋式粉碎機組生產的硅粉，俗稱沖旋粉，是利用該機組沖旋粉碎、準概率篩分等技術生產的硅粉。

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，極利于氣固、液固兩相反應（如有機硅單體制成反應等），使硅得到充分完善的利用，為獲得產品高成品率提供有利條件，而其他方法生產的粉，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顆粒硅粉）

三 沖旋粉的粒度

粒度組成品種很多。圖3是生產過程中粉碎機提供的包括粗細粉的原料粉曲線。圖4示出用于多晶硅的成品硅粉(40～180目)粒度特性曲線。運用準概率篩在C-C割去+40目粗粒(回料)，返回粉碎機再粉碎。同時，在180目處(d-d)篩去細粉。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：

(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個低谷用c-c切割，正好黃金分割點(0.618近旁)就在40目處。+40目系返回粉碎機的回料占總體的40%，-40目進入成品粉，占60%(黃金分割點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，對提高產品質量和產量的效果，已在實際生產中顯示。

(4)原料粉特性曲線第3個低谷，用d-d切去細粉。第3個峰體現(xiàn)約束細粉量的能力，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多次測定，約為0.66m2/g(見表1)，比其他方法生產的粉(如對輥、懸輥、立磨等)要大出30%～50%。比表面積對硅同流態(tài)物的兩相反應，作用明顯，是形貌的度量指標之一。

表1 沖旋粉比表面積檢測結果

五 沖旋粉的理化性能

根據(jù)沖旋制粉原理和檢測，沖旋粉獲得與眾不同的兩項理化性能。

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

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

六 沖旋粉高活性的基礎

沖旋硅粉的特點，可概括為：

(1)硅的晶體組織結構中裂紋增多，天然反應活性得到進一步提高。

(2)化學成分沒有變劣，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。極利于氣-固、液-固兩相反應，見圖1。

(4)粒度按要求配置，調節(jié)參數(shù)，使特性曲線前后兩低谷正是篩去粗、細粒的切割點，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%，有利于參與化學反應。

緣于上述五特點，使沖旋粉的天然活性擁有與眾不同的基礎。援引實例1，1993年某廠用沖旋粉生產有機硅單體，1t硅粉可生產4t單體。而原來球磨粉，只能生產3t。實例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到90%(先進指標88%)。究其根本，正在于沖旋制粉(粉碎、篩分等)的工藝設備技術，都是順應硅及其粉體的天然結構和稟性而設計的。

七 工藝設備保證高活性

保證硅高活性的條件是多方面的，所采用的工藝設備則是其中最重要的。因此，有必要對其工藝和設備技術進行一番考究。

1 力能沖旋粉碎技術

基于對硅塊結構和性能的研究，利用粉碎機內建立的不同能量區(qū)，使硅塊得到不同程度的沖擊力能，獲得粗細搭配的粉末，符合用戶對粒度和化學成份的要求。能量區(qū)的配置和調節(jié)，通過粉碎機相關參數(shù)來實現(xiàn)。經沖擊，硅吸收力能后，沿著體內密布的微細紋脹裂，呈多棱的顆粒狀，表面粗糙，如圖1所示。由于沒有受到強制的外力擠實作用，組織結構變疏松，構筑好高活性的基礎，保證沖旋粉5項特點的形成，使化學反應活性隨之提高。并且保持生產成品率＞85%。粉碎過程都是順應著硅本身的天然狀態(tài)完成的。結果是：顆粒形貌、粒度組成、比表面積以及綜合各項指標的化學反應活性，都保持著和超過原有的天然水平。

2 黃金概率篩分技術

沖旋粉碎技術給出三峰原料粉特性曲線圖3a。在線的準概率篩正好在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量的黃金分割點如圖3a。由于該篩的特點，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，使粗粒回料≤40%。使平均粒度(d50)前后10%(總共20%)的粉進入成品。這20%的粉是整批料中最具代表性的部分，其粒度和化學成份適中，既有粗粒又有細料的特性；化學成分中雜質(Fe、Al、Ca)最低。所以，從化學和物理上考慮可以認為是粉體的精華。相反，如該部分落入粗粒回料中，返回再粉碎，就可惜地損失了，又變細了。

200目左右的粉，用戶有較嚴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，抑止了細粉量，減少篩除量，增加了成品粉率。

3 氣流振篩除細技術

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

八 沖旋粉低能耗的基礎

力能沖旋技術運用沖擊和旋流方法，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。沖旋粉的生產能耗就明顯低于輥磨、對輥，只有其30%～50%(實測值)。按電容量計算，與此相近約20kWh/t。

九 安全和防爆措施

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

機組采用開/閉環(huán)自動和聯(lián)鎖控制，氣流系統(tǒng)設備負壓和警報、自動停機控制。保證設備正常穩(wěn)定和安全運行。

十 技術經濟核算

基于沖旋粉的生產技術特點，成品率達到85%～93%。再加能耗低于20kWh/t，活性高，使沖旋粉的生產技術經濟指標處于國內領先地位。詳見表2。其中，各制粉法使用設備是：4R型雷蒙機(37kW/170kW)，ˉ500對輥機(22kW/60kW)，ˉ1250盤磨機(亦稱立式磨等）(110kW/270kW)，ZYF430型沖旋式粉碎機(45kW/70kW)。括弧內數(shù)值：分子指粉碎機主機功率，分母指整個制粉工藝作業(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確定的制粉機組，從原料塊至排出產品粉料。不包括原料準備和粉料外送；加工成本計算包括電耗、人工、折舊、大修4項費用。電價0.7元/kWh，折舊率7%，操作定員(兩班總數(shù))5人。新近投產的CXFL1500型，設計5t/h，生產線電總容量250kW，尚需實際考驗。

表2 有機硅用硅粉各種生產方法比較

十一 煥發(fā)硅的天然優(yōu)質特性

硅在地球里含量很高，為人類社會的現(xiàn)代化作出的貢獻也很大，在經濟、生產各行業(yè)都顯現(xiàn)出巨大的作用，在文化和生活各領域更是業(yè)績輝煌。硅，的確是值得稱道的寶物。可是，要從礦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。它天生就很硬，而且又脆又滑，不就范，生就一付“剛強的骨架”。而制成沖旋硅粉更是光澤熠熠，銀灰錚亮，化學活性高、制取能耗低、成品率高、成本低，極致一表的“亮麗風貌”。這是因為它接納了人們對它的期望，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)出智慧的風采，在光伏現(xiàn)代化空間閃光，為我國生態(tài)文明建設奉獻一份力量。