硅粉的加工,硅粉加工技术

332

硅粉的加工,硅粉加工技术
硅 粉 的 加 工
介绍：安全、低耗、高效、优质的硅粉加工技术
常  森
一、对硅的了解与认识：
硅在地壳中分布很广，约占地壳总量的四分之一。硅的用途很广泛，日常生活中离不开它，现代高科技尖端领域也离不开它，将来科学技术不断发展，硅的适用价值就更加显得神通广大，如将粗硅提炼出高纯度的单晶硅是等量黄金价格的数倍，硅的适用性与经济性是可想而知的。
硅是由硅石SiO2+2C→Si+2CO2↑，这样制得的硅是含少量杂质的粗硅，也叫金属硅，其中Si约占98%，Fe、Al、Ca、Zn、Cu、Ni、Sn、Pb、Mn、Ti等约占2%，金属硅的外观是灰褐色而具有金属光泽、硬而脆的硅块，硅元素符号Si，原子序数14，原子量：28.0355，硅的原子半径是1.17μm，主要化合价：+2、+4，硅原子外层电子的结构为382，3P2，硅晶体的每个硅原子跟另外4个硅原子形成4个共介健，晶体硅的键长是2.35×10-10μm，Si—Si的键能是42.5千米/摩尔，硅的密度是2.32~2.34g/cm3或2.32~2.4g/cm3，熔点是1410℃，沸点是2355℃；硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，硅是良好的半导体；在常温下，硅的化学性质不活泼；在加热条件下，硅能跟许多非金属起反应；硅不溶于水；如：硅粉的热燃烧生成二氧化硅，同时放出大量的热。
Si+O2→SiO2

二、成品硅粉的用途：
将硅块进行工业加工制成的成品硅粉，分级为粗粉、细粉、微细粉、超微细粉，可用于高温耐火材料、铁、铝合金、硅溶胶、有机硅等主要原料。目前有机硅新型材料制品发展前景看好，市场空间大，获得利润可观，如美国道康宁、GE公司，德国瓦克公司，法国罗地亚，日本信越公司和泰国有机硅公司近些年来，企业发展速度较快，产品越做越多。我国有机硅事业也在迅速发展。有机硅企业生产甲基混合粗单体，以Si粉作为主要原料，其主反应为：
Si+2CH3Cl→（CH3）2SiCl2
付反应为：
Si+3CH3Cl→（CH3）SiCl3+2CH3+
Si+CH3Cl+2CH3→（CH3）SiCl
自从我国加入WTO国际商贸组织以来，国内的硅业对外贸易份额也逐渐增长，并在快速做大、做强、做优。据有关消息报道：浙江元通硅业有限公司正在兴建全国最大的硅粉生产厂（5万吨/年）；美国道康宁与瓦克化学公司今年计划在上海合资组建数亿美元的微硅粉产品生产园区。于是硅粉的生产技术也成为相关方面的注视重点，本文就是针对有机硅行业制取硅粉的技术，作一番评论，提供大家参考。
三、硅粉生产方法简介：
以硅块为原料生产成品硅粉，有多种方法。效果较好，应用较多的是：球磨法、辊磨法、冲旋法，其主要设备：球磨机、辊磨机、冲旋机在制粉中对达到质量技术要求是有区别的。前两种是在重力下挤压辗磨粉碎，后一种是冲击细碎。各种磨机对非易燃易爆，莫氏硬度低于7.0级的矿物均可加工粉碎。成品粒度通过工艺调节，控制在30目（0.613mm）至425目（0.033mm）范围内。
表1：硅粉各种生产方法比较：
序号        项    目        制粉法
                球磨法        辊磨法        盘磨法        冲旋法
1        产品质量        比表面积m3/g        0.26        0.36        0.42        0.57
                粒
度        范围mm        0~0.35        0~0.35        0.015        0~0.4
                        <0.05粉量%        <30%        <18%        <20%        <25%
                颗粒形貌        扁平光面少裂纹        扁平光面少裂纹        扁平光面少裂纹        峰窝表面多裂纹
2        成品产量  t/h        1.5        1.0        2.5        2
3        单机能耗  kWh/t        25/85        44/120        44/108        22.5/35
4        加工成本  元/t        180        270        300        120
5        工艺设备使用可靠性        可靠性较好控制较困难        可靠性较好        可靠性较好检修工作量大        可靠性好检修方便
6        环    保        噪音大超标劳动条件差        粉尘大噪音大需要隔音        噪音大
粉尘较大        环保达标噪音小粉尘少
注：①各制粉法使用设备主机为：φ500mm球磨机（22kW/60kW），辊磨机（37kW/170kW），中径1250盘磨机（132Kw/270kW），ZYF430型冲旋式粉碎机（45Kw/70kW）。
②形貌：根据电子扫描显微照片。
③能耗和加工成本等属一个确定的制粉机组，从原料硅块投入至排出成品粉料。
④加工成本计算包括电耗，人工，折旧，大、中、小修4项费用。电价：0.7元/度，折旧率7%。操作定员（两班总数）5人。
四、硅粉生产技术及要求：
①物料平衡图：
1吨包袋装硅块→破碎→磨机制粉→分筛出粉  
1000kg                                 收率>98%
→布袋除尘→尾气放空（每立方米小于100毫克）
细粉收率<2%
②产品技术规格：
表2：硅粉技术指标：
名称        规    格        分析方法        国家标准        含水量        堆积比        平均粒径μm
硅粉        100%通过60目筛        干筛分法        CB/T1480-1995        <200PPM        1.34~1.42        50~100
注：粒度组成按工艺确定。
表3：硅粉主要物性参数：
名
称        分
子
量        熔
点
℃        沸
点
℃        闪
点
℃        自燃
点
℃        在空气中爆炸极限(V%)        国家环保标准
                                                下限        
硅粉          28            1420        2355                        <7%02        
表4：硅粉的化学成份：
Si        Fe        Al        Ca        Zn        Ca        Ni        Sn        Db        Mh        Ti
798.5        <0.4        <0.2%        0.1        微量        微量        微量        微量        微量        微量        微量
注：总杂质<1.5%（一级品），其中Fe<0.3，Al<0.15，Ca<0.1
五、硅粉生产工艺流程简述：
①袋装硅块→行吊或叉车吊卸→颚式破碎机→斗式提升机→≤15mm硅块贮仓→电磁振动给料机→磨制粉机→旋风分离器→集粉仓→筛分机→成品硅粉→布袋过滤器→收尘罐→尾气放空抽风机。
②硅块→破碎→皮带→斗提→制粉机→气固分离→分筛→成品仓
               放空←抽风机←布袋过滤←鼓风机←     →粗粉回制粉机
↑进N2
                           →细粉回收   
③原料硅块仓→皮带称→一级破碎→分筛→二级破碎
冲旋式粉碎←给料机电磁振动←斗提←
↑
→筛分→粗粉回斗提
中粉贮存→二级筛分→细粉仓→布袋过滤→抽风机→尾气放空
包装微细粉←
六、硅粉设备组成：
根据工艺条件与技术要求，匹配以ZYF430型冲旋式制粉机组为核心，前后系统配置的定型设备及非标设备见表5。
表5：
序号        设备名称        型号规格        数量        材质
1        原料仓        L2非标        1        A3碳钢
2        振动给料机        GZ2F定型        1        碳钢
3        颚式破碎机        PE-400-250定型        1        铸钢
4        冲旋式粉碎机        GCF430定型        1        铸钢  高温锰钢
5        斗式提升机        D200  1m/s定型        1        A3碳钢
6        振动筛        φ400×1200        1        外克碳钢 白钢网
7        离心风机        9-19No.6.3A        1        外壳碳钢
8        布袋式收尘器        FGM64-6        1        外壳碳钢 防静电材料
七、活性好的硅粉：
    不同的制粉方法得到的硅粉活性是有区别的，判定活性的因素为：粉粒的微观结构，比表面积、粒径级配、表面保护和设备钢耗等。
①微观结构：
化学成份符合要求指标的硅，炼制中已获得最佳微观结构，保证其拥有参与反应的最佳活性，即其天性或自然性能，制粉时一定要尽量降低对其天然微观结构的劣化作用，减少其晶粒及晶粒群间的变形，使绝大部分硅粉（99.8%以上）仍保持住原有的天然微观结构。表1中列举四法中，以冲旋法为最佳。因为它利用凌空打碎硅块的方式，让其自身循着体内最薄弱环节碎裂，没有挤、压、碾引起的结构变形。
②比表面积：
粉粒的表面积是单位质量所占有的表面积以m2/g为单位。它是参与化学反应能力的重要指标。硅粉比表面积大，参与反应速度加快，反应更完善，硅的利用率高，反应区域流化态更理想，硅耗率最低，从而显示其活性高。因此表面积已成为硅粉活性的一个重要指标。表1中列出各类粉的比表面积，其中以冲旋粉为最佳。
③粒度级配：
直接合成法是流化态中分步完成的，物料粒度逐步变化，其表面不断进行更新，反应完全，硅的单耗也明显下降。所以，硅粉粒径粗细搭配成粒级，以便获得最佳效果，来制定相应的最适宜的粒度级配。因此制粉方法必须保证粒度组成可调，而且得率更高。如制取1t硅粉的粒级0.1mm~0.4mm约占85%以上是最适宜合成反应的，这是国外某家10万t/a有机硅粗单体流化床使用的Si粉原料指标。
④表面保护：
生产出符合质、粒指标要求的合格成品硅粉，表面需要活性保护，其原则有三：1、有利于化学反应；2、有利于预防燃烧；3、有利于保持松散干燥。硅的氧化性能较强，尤其是微细粉状态，在空气中遇到明火能燃烧，生成二氧化硅同时放出大量的热：Si+O2→SiO2。
由此可以采取两种制粉保护方法：1、氮气保护，在制粉过程中进行氮气循环和不断地补充新鲜N2，控制循环N2含量≥93%，O2的含量≤7%。2、大气条件下，封闭系统，比较干燥的空气同原料硅块同时进入制粉系统，定量给料，空气和碎硅块在机内形成微负压运行，随后制取硅粉，排放空气不循环使用。如：冲旋机制取硅粉。
在成品硅粉贮存和运输、输送中，一般都采用封闭、N2封和N2输送，这也是保护Si粉活性的有效措施。硅粉表面活性高低的最终判定还是生产实践，参与化学反应后的效果如何以及在市场竞争中的能力表现。当然，为获得高活性，还有一个掌握制粉方法的问题，需要一个认识过程，要经得起时间的检验。
辊磨法在制粉过程中，需要高能耗N2保护，其保持制粉系统内N2≤93%，每吨产品需要耗N2量>300m3，由于循环N2在制粉系统温度升高，达到60℃~70℃，其中还含有7%氧气，微硅粉表面N2、O2化也就难免了。而且制粉过程中，钢耗也较高，大约在0.15kg/t，钢耗（铁粉）及易沾附在细硅粉的表面，辊磨法制得的硅粉，外观呈暗黑色。无保护N2气的冲旋法制得的硅粉，外观却是亮晶晶的。就其冲旋机制粉系统内温度一般<40℃，钢耗主要在刀片上，每吨粉耗钢约0.1kg~0.05kg以下。从中可以看出：两种生产方法得出两种差距较大的制造成本与获得不同的硅粉表面活性。
八、结论：
1、硅制粉应选择硅粉质量（活性、粒径、化学成份等）最适宜的条件。
2、硅制粉应选择制粉方法、安全稳定可靠、环保的的国家标准等条件。
3、硅制粉应选择单机加工能力大、成本低的条件。
从以上3点得出，推荐使用冲旋机制取硅粉的方法。