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摘 要 多晶硅行业设备因其工艺性质及操作特殊性，大部分为特种设备，密封要求较高。静设备采用标准垫片和螺栓压紧密封。多晶硅生产中还原炉是改良西门子法生产多晶硅的核心设备，因反应介质为三氯氢硅与氢气，密封性要求较高，通过研究设计还原炉密封卡紧螺栓装置有效解决生产中螺栓卡死等实际问题，节约大量劳动力，提高了生产效率，该工作为同行业首创。
关键词 多晶硅；还原炉；密封卡紧螺栓装置
中图分类号：TF06 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0024-02
多晶硅行业设备因其工艺性质及操作特殊性，大部分为化工类特种设备，压力等级密封要求严格。一般的流体设备采用机械密封进行密封，静设备采用固定标准垫片密封。
1 还原炉密封卡紧螺栓装置研究设计的实例
某多晶硅工厂核心设备还原炉，即采用固定标准垫片密封方式，但该方式密封的设备在使用过程中存在如下问题。
1.1 还原炉现有螺栓拆卸困难
还原炉密封压紧螺栓原设计采用内外防松自紧结构，该结构设计适合高温高压状况和紧固件（螺栓）直径较大却不常拆卸工况。该螺栓优点带自紧，用于高温或振动条件下靠内外螺纹反向相互制约而防松。但用于还原炉生产中，因还原炉属于间歇式周期生产，拆装螺栓较频繁，采用此螺栓拆装费时费力，对于拆装频繁的条件宜采用卡紧螺栓或夹具等，既满足工况压力要求又方便拆装。采用原设计螺栓完全考虑安全性，未注重适用性，结合生产实际情况，拆炉时容易出现置换残留的氯硅烷，产生氯离子腐蚀，车间每次拆完螺栓采用特殊润滑剂保养螺栓，但依然存在部分螺栓很难拆卸，每次需要割断处理，或采用手拉葫芦进行拆卸。生产以来，出现手拉葫芦松不了，螺母敲坏等情况导致钟罩不能顺利拆下，最后只有采用切割处理。为了开炉，常常出现十多人共同拆装一个螺栓的场景，导致工作效力低下，影响生产。
2 研究过程
针对以上情况，在生产中进行研究分析，进行过一些研究改进工作如下。
1）将原来螺栓增加强度，8.8级增强为10.9级，结构不变。
2）采用30 mm钢板制作夹具试验，试图采用高强锻钢制作夹具进行密封，但因强度及结构不适合（现场空间不够）。
3）采用活结螺栓，通过计算，强度要求较高，超出国内标准GB/T798范围，只有德国标准DIN444标准中最大活节螺栓M39X4，强度能满足要求，但活结螺栓优点是旋转，旋转只能放在基盘周围，在取硅棒时容易受到硅棒砸伤，并且专门制作还需要配合固定装置及转轴，因此没有实施。
3 还原炉密封卡紧螺栓装置的设计
1）经过多次现场测绘及实践，结合还原实际情况，对还原炉进行实际测绘，分析结构尺寸（见图1）。
2）针对结构尺寸通过计算校核，设计出还原炉卡紧螺栓，通过讨论分析，总结如下：
①还原炉为压力容器，不易在设备本体上进行加工等改进工作。
②还原炉钟罩和基盘连接处为密封面，基盘安装水平度要求较高，方案需考虑应力释放变形问题，在设备上不应有焊接产生。
③现场还原炉基盘受支撑部件位置限制，采用夹具结构应尽量小，避免改动支架等其他部件。
④螺栓拆装方便，能尽量采用气动扳手进行拆装，工装不要每次拆卸，避免硅棒损伤紧固螺纹，减少维修频率。
3）结合以上原则，通过多次优化设计对比，设计出还原炉密封卡紧螺栓装置（见图2）。
4）还原炉密封卡紧螺栓装置研究设计说明。
①卡紧夹具螺栓采用件1连接螺栓将件3夹具固定在钟罩底部密封法兰和基盘密封法兰上，装配位置为原来的螺栓孔位置，数量与原螺栓数量一致，有效避免焊接、开孔等对原有设备的损伤。两套夹具通过件2卡紧螺栓进行连接，紧固密封，确保还原炉安全生产。
②考虑螺栓外移产生力矩，对卡具加工进度控制要求高一些，增加调整垫片调整，使卡具与法兰尽可能贴合靠近，通过件1连接螺栓紧固压紧，正常开炉不需拆卸夹具和连接螺栓，减小工作量，采用气动扳手拆装件2卡紧螺栓即可。
③件2卡紧螺栓设计为双头螺柱，底部带锁紧放松销，在上部螺母损坏时可以从下部拆卸。中上部位焊有防转块，防止紧固螺母时螺杆转动。安装在钟罩法兰部位的夹具考虑螺栓松懈方便，在件3-3固定板上开有U型口，方便卡紧螺栓拆装，不用完全将螺母全部拆卸，螺母松懈一定丝牙从侧面倾斜即可。同时增加卡紧螺栓适用性，避免因钟罩与基盘对正产生的微小偏差。
④螺母及螺杆拆卸时顺势下落至基盘下，防止取硅棒时硅料对螺栓的损伤。安装时人工拉住防转块向上拉，卡到U型槽内，采用气动扳手紧固即可。
⑤卡紧夹具螺栓只需按图采购，安装即可，不影响生产正常进行。
5）还原炉密封卡紧螺栓装置受力校核计算。
4 结束语
某多晶硅工厂还原炉连接螺栓在使用过程中存在拆卸困难，损耗大费用高等问题，经过对生产操作过程的认真分析、研究，最终确认一种新颖的固定连接方式，通过设计计算，强度可靠、结构简单，较好的解决多晶硅行业中还原炉拆卸困难，劳动强度大的问题，对同类工况操作具有指导意义，并申报专利。
参考文献
[1]GB150-2011压力容器.
[2]机械设计手册（新编版2008）ISBN：9787122017109.
作者简介
顾国宝（1978-），男，机械工程师，工程硕士，2003年毕业于昆明理工大学过程装备与控制工程专业，2013年7月毕业于昆明理工大学化工学院化学工程专业工程硕士。
关键词 多晶硅；还原炉；密封卡紧螺栓装置
中图分类号：TF06 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0024-02
多晶硅行业设备因其工艺性质及操作特殊性，大部分为化工类特种设备，压力等级密封要求严格。一般的流体设备采用机械密封进行密封，静设备采用固定标准垫片密封。
1 还原炉密封卡紧螺栓装置研究设计的实例
某多晶硅工厂核心设备还原炉，即采用固定标准垫片密封方式，但该方式密封的设备在使用过程中存在如下问题。
1.1 还原炉现有螺栓拆卸困难
还原炉密封压紧螺栓原设计采用内外防松自紧结构，该结构设计适合高温高压状况和紧固件（螺栓）直径较大却不常拆卸工况。该螺栓优点带自紧，用于高温或振动条件下靠内外螺纹反向相互制约而防松。但用于还原炉生产中，因还原炉属于间歇式周期生产，拆装螺栓较频繁，采用此螺栓拆装费时费力，对于拆装频繁的条件宜采用卡紧螺栓或夹具等，既满足工况压力要求又方便拆装。采用原设计螺栓完全考虑安全性，未注重适用性，结合生产实际情况，拆炉时容易出现置换残留的氯硅烷，产生氯离子腐蚀，车间每次拆完螺栓采用特殊润滑剂保养螺栓，但依然存在部分螺栓很难拆卸，每次需要割断处理，或采用手拉葫芦进行拆卸。生产以来，出现手拉葫芦松不了，螺母敲坏等情况导致钟罩不能顺利拆下，最后只有采用切割处理。为了开炉，常常出现十多人共同拆装一个螺栓的场景，导致工作效力低下，影响生产。
2 研究过程
针对以上情况，在生产中进行研究分析，进行过一些研究改进工作如下。
1）将原来螺栓增加强度，8.8级增强为10.9级，结构不变。
2）采用30 mm钢板制作夹具试验，试图采用高强锻钢制作夹具进行密封，但因强度及结构不适合（现场空间不够）。
3）采用活结螺栓，通过计算，强度要求较高，超出国内标准GB/T798范围，只有德国标准DIN444标准中最大活节螺栓M39X4，强度能满足要求，但活结螺栓优点是旋转，旋转只能放在基盘周围，在取硅棒时容易受到硅棒砸伤，并且专门制作还需要配合固定装置及转轴，因此没有实施。
3 还原炉密封卡紧螺栓装置的设计
1）经过多次现场测绘及实践，结合还原实际情况，对还原炉进行实际测绘，分析结构尺寸（见图1）。
2）针对结构尺寸通过计算校核，设计出还原炉卡紧螺栓，通过讨论分析，总结如下：
①还原炉为压力容器，不易在设备本体上进行加工等改进工作。
②还原炉钟罩和基盘连接处为密封面，基盘安装水平度要求较高，方案需考虑应力释放变形问题，在设备上不应有焊接产生。
③现场还原炉基盘受支撑部件位置限制，采用夹具结构应尽量小，避免改动支架等其他部件。
④螺栓拆装方便，能尽量采用气动扳手进行拆装，工装不要每次拆卸，避免硅棒损伤紧固螺纹，减少维修频率。
3）结合以上原则，通过多次优化设计对比，设计出还原炉密封卡紧螺栓装置（见图2）。
4）还原炉密封卡紧螺栓装置研究设计说明。
①卡紧夹具螺栓采用件1连接螺栓将件3夹具固定在钟罩底部密封法兰和基盘密封法兰上，装配位置为原来的螺栓孔位置，数量与原螺栓数量一致，有效避免焊接、开孔等对原有设备的损伤。两套夹具通过件2卡紧螺栓进行连接，紧固密封，确保还原炉安全生产。
②考虑螺栓外移产生力矩，对卡具加工进度控制要求高一些，增加调整垫片调整，使卡具与法兰尽可能贴合靠近，通过件1连接螺栓紧固压紧，正常开炉不需拆卸夹具和连接螺栓，减小工作量，采用气动扳手拆装件2卡紧螺栓即可。
③件2卡紧螺栓设计为双头螺柱，底部带锁紧放松销，在上部螺母损坏时可以从下部拆卸。中上部位焊有防转块，防止紧固螺母时螺杆转动。安装在钟罩法兰部位的夹具考虑螺栓松懈方便，在件3-3固定板上开有U型口，方便卡紧螺栓拆装，不用完全将螺母全部拆卸，螺母松懈一定丝牙从侧面倾斜即可。同时增加卡紧螺栓适用性，避免因钟罩与基盘对正产生的微小偏差。
④螺母及螺杆拆卸时顺势下落至基盘下，防止取硅棒时硅料对螺栓的损伤。安装时人工拉住防转块向上拉，卡到U型槽内，采用气动扳手紧固即可。
⑤卡紧夹具螺栓只需按图采购，安装即可，不影响生产正常进行。
5）还原炉密封卡紧螺栓装置受力校核计算。
4 结束语
某多晶硅工厂还原炉连接螺栓在使用过程中存在拆卸困难，损耗大费用高等问题，经过对生产操作过程的认真分析、研究，最终确认一种新颖的固定连接方式，通过设计计算，强度可靠、结构简单，较好的解决多晶硅行业中还原炉拆卸困难，劳动强度大的问题，对同类工况操作具有指导意义，并申报专利。
参考文献
[1]GB150-2011压力容器.
[2]机械设计手册（新编版2008）ISBN：9787122017109.
作者简介
顾国宝（1978-），男，机械工程师，工程硕士，2003年毕业于昆明理工大学过程装备与控制工程专业，2013年7月毕业于昆明理工大学化工学院化学工程专业工程硕士。