滑板阀在多晶硅上的运用案例

——解决冲刷、卡阻、外漏和使用寿命短的技术难题

多晶硅作为新能源及电子工业的基础原材料，目前比较成熟的生产工艺有改进型西门子法、硅烷法和流化床法等。多晶硅的生产属于高能耗、高污染的生产活动，且转换效率低，即使是目前最先进的改进型西门子法一次通过转换效率也仅为5%～20%。以改进型西门子生产技术为例，其工艺流程分为SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收和SiCl4的氢化分离等五个工艺环节。因生产过程涉及到具有爆炸危险的H2，有毒的氯硅烷等中间产品，以及具有强烈腐蚀、有毒的HCL气体，就对整个生产工艺流程下的自控阀门提出了极高的技术要求。

在生产设备上运行的自控阀门往往被要求具备耐高压、耐温、耐腐蚀、耐磨、耐冲刷、启闭可靠、持久严密密封的性能。

特别是在SiHCl3合成和SiHCl3还原工段，因介质中含有硅粉颗粒（原料硅和高纯硅），且硅粉颗粒非常坚硬，硬度介于锗和石英之间（石英的莫氏硬度为7），对阀内件冲刷磨损非常严重，常出现阀门内、外泄漏，启闭卡阻和使用寿命短的技术问题。运行在硅粉工况下的阀门使用寿命一般为3～6个月，就不得不对阀门进行更换或者维修。一方面严重影响了生产连续性，另一方面因阀门故障的不确定性增加了系统发生事故的可能性。

如下图一所示，运行在某公司硅粉工况下的阀门阀体被介质击穿，造成外漏的图片；图二，为阀内件被严重冲刷的图片；图三，为阀门卡阻造成阀杆断裂的图片。

解决硅粉工况上自控阀的内、外泄漏，启闭卡阻和使用寿命短等的技术问题一直是生产企业致力的方向，也是多晶硅生产实现长周期运行必须解决的关键技术之一。

生产之初，尝试通过采用提高硬度或者整体陶瓷材料（阀内件）的球阀、偏心球阀结构，虽然在一定程度上减少了介质冲刷磨损，但是阀门卡阻一直未得到很好的解决。特别是球阀结构，常常因为介质进腔而卡阻。分析其卡阻原因一方面来自于介质进腔造成阀门卡阻，另一方面来自于阀门动作时球芯与介质存在相对运动夹角（45°）产生机械拉伤造成卡阻和泄漏。如图四所示，球阀拉伤示意图。

图四、球阀拉伤示意图

后来采用盘阀结构，通过改变阀芯与阀座的相对运动形式，采用90°的剪切型启闭方式，虽然在一定程度上解决了球阀、偏球阀出现的技术问题，阀门的使用寿命也得到了延长，但是还是会出现阀体、内件被严重冲刷磨损，或者阀门启闭卡阻的问题。如图一至图三所示。

延长硅粉工况自控阀的使用寿命，解决介质冲刷磨损的决心并没有因为遇到的问题长期得不到解决而停下脚步。2021年重庆川武仪表有限公司鉴于硅粉工况自控阀存在的技术难题，争取到四川某多晶硅生产公司共同研发的试用机会，采用川武仪表近年自主研发的双向全密封型滑板阀结构。滑板阀于2021年6月安装至今一直运行良好，阀门启闭顺畅、无泄漏，此阀受到了业主的一致好评。

阀门参数如下所示：

公称口径：DN80

公称压力：150LB

工作介质：硅粉(含少量氯硅烷、HCL和氢气)

工作压差：0.3MPa，反向压差：0.45MPa

泄漏等级：双向VI级

针对此种具有严重冲刷、卡阻和腐蚀（氯离子腐蚀）工况，川武仪表公司提出的解决方案是采用双向全密封滑板阀结构。阀体采用耐酸腐蚀的不锈钢材料，阀内件采用整体陶瓷材料。

滑板阀能够在此工况下取得成功的使用主要归功其特殊的结构设计：

1、阀门结构采用全密封形式，就是将阀门腔体与介质流道完全隔离。阀门从开启到关闭的整个过程中，都避免了硅粉颗粒物进入到阀门腔体，有效防止了硅粉颗粒堵塞阀门正常启闭情况发生。

2、滑板阀采用直通流道，介质直接流过，且与阀门启闭方向和密封面成90°。阀门在全开或全闭时可完全避免介质直接冲刷密封面，即使在阀门半开状态时，介质也只能沿密封面外沿流过，介质冲刷角度要么为90°，要么接近0°，这两种冲刷角度介质冲刷极小。另外，滑板阀采用面密封结构，密封面宽度＞5mm，留有足够的密封面外沿冲刷余量。

3、阀门密封面采用基体材料+金属陶瓷材料，材料莫氏硬度达9.5，接近金刚石，硬度高硅粉两个数量级。完全不用担心阀门在半开状态下密封面被冲刷磨损掉。

4、阀门密封面采用自动补偿式面密封结构（阀板可在介质流向上自由浮动，即阀板与阀杆采用活动的连接方式）。阀板在启闭过程中，借用介质压力自动补偿正常的机械磨损，不担心阀门密封性能因磨损而降低。

5、阀门的密封力改变了传统的机械密封力为介质压力密封力，阀前介质压力越大，阀板与阀座贴合越紧密，更有利于阀门密封。介质密封力还具有各向均一的特性，保证密封面每一处的密封力都是均匀的。

6、滑板与阀座相对运动，运动方向相反（180°），还具有剪切和自洁作用，可以有效的刮落和切断附着在密封面及密封面附近的颗粒物，且不会影响密封面。

结束语：滑板阀采用直通直行程面密封结构，将介质流道与阀门内腔完全隔离；启闭输出强有力的自洁和剪切力等结构设计措施，消除了介质直接冲刷、堆积卡阻的结构因素。此阀自安装以来，已经取得并超过了某公司在此工况下的最高使用寿命记录。此阀的最终使用寿命如何，望大家拭目以待。