一种夹套设备内胆外壁防止氯离子腐蚀方法

技术领域

本发明属于单晶炉制备技术领域，尤其涉及一种夹套设备内胆外壁防止氯离子腐蚀方法。

背景技术

在单晶硅的工业生产过程中，核心设备为单晶炉，为了能够满足工艺要求，一般会采用夹套冷却的形式对设备进行冷却，冷却介质则采用循环水。由于单晶炉与水接触的部分通常采用不锈钢材质，以满足防锈要求，延长设备使用寿命。

但由于不锈钢材质对游离氯的耐腐蚀性较差，所以一般对循环水的水质是有一定要求的，通常要求水中游离氯离子含量不高于25ppm。不过，在设备运行过程中，循环水水质超标情况经常出现，一旦出现非正常工况，诸如循环水系统进入杂质或部分冷却设备出现内漏等情形，循环水中氯离子含量会急剧增加，会对单晶炉的不锈钢内胆产生腐蚀，一旦循环水水质超标，水中的游离氯离子就会破坏不锈钢材质表面的钝化层，从而对不锈钢内胆进行晶间腐蚀，由于单晶炉夹套层为非可拆卸结构，无法通过设备拆检进行清理，且内胆由于被夹套层覆盖，通常情况下也极难发现，只有当设备锈蚀穿孔才会被发现，此时，因单晶炉内温度高达1400-1500℃，一旦内胆穿孔，循环水会漏入炉内，因升温而急剧气化，引起设备爆炸。会对单晶炉设备产生了较大的损坏甚至直接报废。

目前常规的处理工艺一般采用循环水加药和纯化等手段，提升水质，避免水中氯离子含量超标，降低这一腐蚀发生的概率，但由于事故工况的不可预见性，夹套设备腐蚀的情况依然存在，且影响较大。因此，需要寻求可以更好防止单晶炉腐蚀的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种夹套设备内胆外壁防止氯离子腐蚀方法。本发明通过在单晶炉内胆外壁增设环绕外围铝合金阳极带，铝合金带作为牺牲阳极阴极保护措施生效，能对不锈钢内胆外壁形成阴极保护，有效缓解氯离子对设备的不锈钢外壁的腐蚀；或在单晶炉相应位置增设辅助阳极和参比电极，连接多路恒电位仪，通过附加电流的方式，实现设备内胆外壁始终保持富电子状态，从而实现对设备内胆外壁形成阴极保护，有效缓解氯离子对设备的不锈钢外壁的腐蚀。

本发明的技术方案如下：

一种夹套设备内胆外壁防止氯离子腐蚀方法，所述方法是通过在夹套设备内胆外壁上设置阳极带形成牺牲阳极阴极保护系统或者在现有设备的夹套层设置阴极保护形成强制电流阴极保护系统。

进一步地，所述内胆的材质为不锈钢。

进一步，上述方法优选在新产品生产中使用，先在夹套设备内胆外壁设置阳极带，形成牺牲阳极阴极保护系统，然后在固定夹套。

进一步地，所述牺牲阳极阴极保护系统的构建方法为：在设备的内胆外壁上缠绕阳极带，通过焊接将阳极带固定于内胆外壁，然后设置夹套。

进一步地，所述阳极带为铝合金带，所述阳极带为宽4cm，厚3cm的铝合金带，每平方米(按外壁圆周方向计算)外壁设置1.9～2.1米的铝合金带；所述阳极带优选宽4cm，厚3cm长度为27米的铝合金带。

进一步地，所述牺牲阳极阴极保护系统的保护电流为0.65～2.6A，优选0.65A；保护电流密度为50～200mA/m

进一步地，所述强制电流阴极保护系统包括双路强制电流阴极保护系统，一路为设备副室外壁的强制电流阴极保护系统Ⅰ；另一路为炉体夹套外壁的强制电流阴极保护系统Ⅱ；所述强制电流阴极保护系统的保护电流均为0.65～2.6A，保护电流密度均为50～200mA/m

进一步地，所述设备副室外壁的强制电流阴极保护系统Ⅰ是在设备副室外壁设置环形导轨Ⅰ、环形导轨Ⅱ和环形导轨Ⅲ，将恒电位仪的阴极接线端子与设备副室外壁环形导轨Ⅰ连接，形成阴极保护；在循环水出口位置设置参比电极盒，参比电极盒包括接线柱Ⅰ，参比电极盒的接线桩与环形导轨Ⅱ连接，环形导轨Ⅱ上设置有电刷Ⅱ，电刷Ⅱ与恒电位仪的参比电极连接；在循环水进口位置设置辅助阳极盒，辅助阳极盒包括接线柱Ⅱ，辅助阳极盒的接线柱Ⅱ与环形导轨Ⅲ连接，导轨Ⅲ上设置有电刷Ⅲ，电刷Ⅲ与恒电位仪的辅助阳极连接。

进一步地，所述设备炉体夹套外壁的强制电流阴极保护系统Ⅱ是将恒电位仪的阴极接线端子与设备炉体夹套外壁连接，形成阴极保护；在将恒电位仪的参比电极与参比电极盒连接，具体是将恒电位移的参比电极与参比电极盒的接线柱连接；将辅助阳极盒的接线柱与恒电位仪的辅助阳极用导线连接，所述参比电极盒设置于循环水出口管道，辅助阳极盒设置于循环水进水管道。

进一步地，所述参比电极盒包括接线柱、参比电极、电极盒壳体、防冲挡板、入口接管、出口接管。

进一步地，所述辅助阳极盒包括接线柱、辅助阳极、电极盒壳体、防冲挡板、入口接管、出口接管；所述辅助阳极采用铂铌复合阳极。

进一步地，所述电刷与参比电极盒的接线柱连接。

本发明有益的技术效果在于：

本发明通过采取主动措施对可能存在的循环水氯离子超标工况下，对设备进行有效防护，可以最大限度的延长设备的使用寿命，避免因孔蚀等原因导致设备损坏。

本发明通过为设备保护表面提供电荷，在金属表面形成阴极极化，当金属的电位负于某一电位值的时候，水中的游离氯离子与不锈钢之间的电化学腐蚀就会得到有效的抑制。牺牲阳极法通过阳极带为设备表面提供电荷，而强制电流法则通过恒电位仪的提供的直流电为设备表面提供电荷。

附图说明

图1为本发明实施例1的示意图。

图2为本发明实施例2的示意图。

图3为本发明实施例2中参比电极盒的结构示意图。

图中：1为接线柱，2为参比电极；3为电极盒壳体；4为防冲挡板；5为入口接管；6为出口接管。

图4为本发明实施例2中辅助阳极盒的结构示意图。

图中：1为接线柱，2为辅助阳极；3为电极盒壳体；4为防冲挡板；5为入口接管；6为出口接管。

图5为辅助阳极盒动态接线结构示意图。

图6为本发明中夹套设备腐蚀的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

现有单晶炉设备依赖水质的控制和材质自身的防腐特性，在遇到氯离子超标的非正常工况时不可避免发生孔蚀损坏设备不同，本发明提供了防止单晶炉内胆外壁腐蚀的方法。

在本发明的一个实施例中，对于新设备，在制造的过程中，将铝合金阳极带环绕于设备内壁，并按照等分形式，将阳极带于设备内壁外壁进行焊接，完成后设备安装外加套，在后续的生产使用过程中，根据一旦水质超标，铝合金阳极带能够对设备筒体进行有效保护。

在本发明的另一个实施例中，对现有设备改造，通过在设备接口增设辅助阳极和参比电极，在设备筒体焊接阴极导线，与多路恒电位仪串联导通，采用强制电流阴极保护，对设备筒体进行有效保护。

实施例1

一种夹套设备内胆外壁冷却层防止氯离子腐蚀方法，本实施例针对现有单晶炉进行改造，采用牺牲阳极阴极保护方案对现有设备进行改造；采用的循环水指标为：物料(循环水)温度30～50℃，电导率28/366μS/cm(正常/异常)，氯化物1.53/20.7mg/L(正常/异常)。

(1)根据单晶炉外形参数计算得出需保护外表面积13m

W＝8760It/ZUQ

式中：I为阳极电流输出(外表面积与保护电流密度相乘得到)，单位A；t为设备设计寿命，单位；U为电流效率(0.5)

Z为理论电容量，取2970Ah/kg；Q为阳极使用率，取85％；W为阳极重量(Kg)。

根据保护面积和电流密度计算阳极电流输出值取0.65A，设计寿命与设备相同取20年，可得所需铝合金带状阳极(3A21)重量90.22kg，折合规格4x3cm(厚度)阳极带数量约27米，对设备内壁进行环绕均分点焊敷设，即可确保其在内壁的防腐效果，如图1所示。

(2)在单晶炉制作过程中，将上述27米的铝合金阳极带环绕于设备内壁，并按照等分形式，将阳极带于设备内壁进行焊接，完成后设备安装外夹套，在后续的生产使用过程中，根据一旦水质超标，铝合金阳极带能够对设备筒体进行有效保护对设备内壁进行保护。即工作中，增设的铝合金阳极带由于其金属活性高于不锈钢外壁，阳极带会优先于单晶炉内胆外壁反应，避免单晶炉外壁电子损失，从而形成对单晶炉外壁的保护。

实施例2

一种夹套设备内胆外壁冷却层防止氯离子腐蚀方法，本实施例针对现有单晶炉进行改造，采用强制电流阴极保护方案对现有设备进行改造；采用的循环水指标为：物料(循环水)温度30～50℃，电导率28/366μS/cm(正常/异常)，氯化物1.53/20.7mg/L(正常/异常)。

(1)根据单晶炉外形参数，计算得出需保护外表面积为13m

V＝I(R

式中：所述P为电源功率，单位W，V为输出电压，单位V；η为设备效率，I为所需保护电流，单位A；Ra为辅助氧剂组接水电阻，单位欧姆；R

根据经验取所需电源功率P为5.07w，电源设备输出电压V为5.46V(根据Ra为8欧姆；R

(2)进行辅助阳极质量计算，辅助阳极采用铂铌复合阳极，消耗率ω

式中：W

可得所需阳极质量W

(3)由于副室与炉体夹套分离使用，故设置双路强制电流阴极保护系统如如图2-5所示，对设备内壁进行保护；所述双路强制电流阴极保护系统具体为：

在炉体夹套(炉体本体)和副室表面分别设置辅助阳极，参比电极和阴极保护，并与恒电位仪连接。

具体为，副室的设置方式为：单晶炉的副室利用导电支架设置环形导轨Ⅰ、环形导轨Ⅱ和环形导轨Ⅲ，将恒电位仪的阴极通过阴极接线弦端子用导线连接电刷Ⅰ与单晶炉的副室夹套环形导轨Ⅰ，形成阴极回路；

在循环水出口位置设置参比电极盒，参比电极盒的接线柱Ⅰ与环形导轨Ⅱ连接，导轨采用绝缘材料与设备壳体连接；电刷Ⅱ与多路恒电位仪辅助阳极接线端连接，电刷与导轨始终贴合，导通；

循环水进水管道中设置辅助阳极，辅助阳极的接线柱Ⅱ设置环形导轨Ⅲ，导轨采用绝缘材料支架支撑于设备外壁，电位仪辅助阳极端子用导线连接电刷Ⅲ，通过导轨与电刷连接形成通路。

同理炉体本体的设置方法为：将恒电位仪的阴极通过接线桩用铜导线与单晶炉的副室外壁连接形成阴极保护回路；

在循环水出口位置设置参比电极，参比电极的接线桩与恒电位仪的参比电极接线桩连接，循环水进水管道中设置辅助阳极，辅助阳极的接线桩通过铜导线与恒电位仪辅助阳极接线桩连接。

工作中，打开恒电位仪，设置恒电位仪的电压为5.46V，则在单晶炉使用中，可以保证单晶炉外壁形成周围的电位高于单晶炉外壁，从而形成对单晶炉外壁的保护。

同理，副室外壁也可以实现防腐。

对比未采取保护措施时(如图6所示)，发生的腐蚀情况，本发明所述方法可有效避免此种腐蚀情况的发生。

本发明通过在单晶炉外壁设置铝合金带状阳极，采用牺牲阳极阴极保护方法，通过对金属表面阳极带的安装，可以很好地利用新增设阳极带与介质的优先电化学反应，避免单晶炉外壁的腐蚀。通过在副室与炉体夹套分别设置双路强制电流阴极保护系统，降低周围环境的游离氯与金属本体的反应活性，防止内胆外壁的腐蚀。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。