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        創新方法推廣應用典型案例 亞洲硅業(青海)有限公司
        來源:青海省科技廳  時間:2013-01-09
        創新方法推廣應用典型案例
        亞洲硅業(青海)有限公司
          一、企業簡介
          亞洲硅業(青海)有限公司是2006年成立的多晶硅企業,通過引進國際先進的設備和工藝,結合自身技術團隊的集成和創新,于2008年12月31日生產出青藏高原第一爐質量優異的多晶硅產品,多晶硅中有害雜質含量小于10-9以下,產品質量達到國內領先、國際一流,實現了全封閉、經濟化、環?;a,成為全國首家同時實現自主工藝設計、自主建設、環保型低成本閉路循環生產、具有國際水平的現代化多晶硅企業。
          公司現有大型分析儀器40余臺套,如:ICP-MS、GC-MS、低溫紅外光譜儀、ICP-OES等,總價值2200多萬元,可提供硅材料生產研究所需的各項分析測試支持。目前,公司研究實驗室面積1800多平米,標準實驗室18間,并擁有半導體級ICP-MS千級超凈實驗室。
          同時,公司模擬仿真計算工作站配備有數十臺高性能計算機,專門應用于工藝流程計算,CVD沉積過程仿真,還原爐流場及溫度場分析,分子熱動力學研究,結構分析,電磁及電路模擬等方面。工作站擁有一批國內技術領先,經驗豐富的計算機模擬仿真計算專家。熟練掌握并運用目前國際流行的眾多商業模擬計算軟件,如ASPNE plus、FLUENT、ANSYS和Materials Studio等。模擬仿真計算在工藝流程和反應器結構優化、反應機理研究等方面大大縮短新工藝、新產品的研發周期,降低了研發成本,提高了產品質量。
          亞洲硅業(青海)有限公司已經掌握了多晶硅生產的全部技術,在工藝和設備設計、操作參數及優化、自動控制方案優化、節能降耗、環境保護等方面已經積累了大量的生產實踐經驗。公司通過引進、研究和吸收國外的先進技術更將公司的多晶硅生產技術提高到國內領先的水平。
          二、應用背景
          亞洲硅業(青海)有限公司專門從營業收入中提取一定比例的資金作為科研投入經費,而且2010年科技廳批復,依托亞洲硅業(青海)有限公司籌建青海省硅材料工程技術研究中心,提升地區工業水平、科技水平,建立健全多晶硅行業的質量檢測、監督控制和標準化,為青海省各產業大發展提供更多的社會服務。青海省硅材料工程技術研究中心的建立使企業自身的技術水平得到不斷升級,使企業的持續性發展得到強力保證,并通過取得自主知識產權,推動企業當前和未來的發展規劃及技術進步,創立新型產、學、研、用相結合的科技發展模式。
          公司有專職人員負責公司技改項目、科研項目和前瞻性技術的研究工作,而且公司還設有模擬仿真實驗室,為滿足有限元分析仿真的大規模運算要求,實驗室配備有16G內存,四核處理器的64位高性能計算機;由曾受聘于ANSYS公司的專業技術顧問牽頭,對工藝流程進行模擬,物料平衡進行計算,流場、溫度場有限元分析。
          但在科研技術難題攻關和創新能力還有待提升,多數技術都是在引進消化吸收技術上進行的再創新,缺乏創新的方法和思路,創新理論不足。另外,企業研究人員對于創新方法的運用還不熟練,缺乏專業理論指導。
          三、開展情況
          工作目標:加強公司科研人員的TRIZ創新理論學習,提高創新方法運行熟練程度,提高創新能力和創新成果的質量。
          實施模式:我公司選派3人科研技術骨干參加了青海省的創新方法理論學習,由河北工業大學TRIZ研究中心專家授課,學員系統學習了TRIZ理論的實際應用技術、破壞性創新等前沿設計創新理論和方法,并在老師指導下結合公司實際將所學的創新方法進行了實際應用,取得了良好的效果。
          實施過程:培訓分了4個階段,總時間15天。
          第一階段:基礎創新利用學習。
          第二階段:創新方法案例學習。
          第三階段:課題演練和實際應用。
          第四階段:現場答疑指導。
          四、應用成效
          公司選派3人科技骨干參加了創新工程師的TRIZ理論培訓學習,課時數達120小時,通過系統和專業性創新理論的學習,學員掌握了TRIZ理論前沿知識,通過案例課題演練提高了理論和實際結合。為了使創新方法理論在公司得到很好的推廣和使用,為了讓公司更多的科技人員掌握,公司專門成立了創新團隊,首批3名學員分別擔任組長,進行內部集中學習、討論和交流。
          課題解決:
          利用學到的TRIZ創新理論,已經解決了2項重大課題,每個課題方案數達到5個以上,同時對成果也申請了專利。
        表4-1 技術課題成果
        序號 課題名稱 概念方案數 專利申請數 備注
        1 輸送料液屏蔽泵氣蝕問題 9 1  
        2 一種便攜式密閉取樣器 4 1  
         
        表4-2  專利申請一覽
        序號 專利名稱 專利類型 發明人 專利狀態
        1 一種便攜式密閉取樣器 實用新型 劉嘉;蔡延國;劉國忠;王體虎;施正榮 授權
        2 一種二氯二氫硅和四氯化硅預混合儲存裝置 實用新型 肖建忠;武華;王體虎 授權
         
          社會效益:
          公司科技人員依據TRIZ理論中的物質—場理論、沖突矩陣理論,結合我單位的實際生產情況,進行了多項技術攻關,有兩項技術最為顯著:一是便攜式密閉取樣器的設計,二是輸送料液屏蔽泵氣蝕問題。
          其中,便攜式密閉取樣器設計有三大特點:第一,解決了取樣器小型化、模塊化的問題,統一了我廠在生產中的取樣接口不一致,取樣準備時間過長的問題,有效的利用了我廠的資源。第二,該設計利用沖突矩陣原理,找出了解決一直困擾多晶硅行業有毒易揮發殘余置換物料的排放收集問題,并利用物質—場理論,有效的利用了單位自身的一些資源,合理,節約的解決了取樣問題。第三,該設計還極大的節約了我單位的設備成本。過去,一個取樣點就需要一套密閉取樣裝置,現在,利用此設備,不同的取樣點只要預留一個模塊化取樣口,就可以快接一套便攜式密閉取樣器來取樣,不用重復的安裝取樣器,極大的節約了企業三、四期項目的成本,預計節約1000萬。
        因此,該“便攜式密閉取樣器”設計為我單位帶來了相當可觀的經濟效益和生產效益,提高了我企業的生產效率,同時還歷練了一批優秀的工業設計人員和創新生產人員。
          經濟效益:
          通過2011年創新方法學習和2012年度公司創新團隊組建,公司創新攻關多項技術難題,取得顯著成績,專利數量和質量都有大幅度提升。
        表4-3  年度申請專利統計數
        年度 已申請專利數目
        2010年度
        2項
        一種P型中低阻硅芯載體的制作方法
        一種組合式密閉取樣器
        2011年度
        3項
        一種便攜式密閉取樣器
        一種新型碳頭料的物理分離方法
        一種二氯二氫硅和四氯化硅預混合儲存裝置
        2012年度
        4項
        三氯氫硅合成爐氫氣壓料、吹掃清理硅粉裝置,
        一種全方位固體粉末取樣器
        一種生產2根硅芯的圓形拉直孔高頻線圈
        三氯氫硅合成爐氫氣壓料、吹掃清理硅粉裝置
         
          公司利用新創新設計的便攜式密閉取樣器備,不同的取樣點只要預留一個模塊化取樣口,就可以快接一套便攜式密閉取樣器來取樣,不用重復的安裝取樣器,極大的節約了企業三、四期項目的成本,節約達1000萬以上。
        領導評價:
          公司從TRIZ創新方法培訓和學習中獲得良好的收益,一是多為技術骨干掌握了理論創新方法,二是通過創新方法的應用,在企業得到了很好結合,解決了企業技術難題,為企業創造了效益,并對企業自主知識產權進行了保護。

          五、典型成果案例
         ?。ㄒ唬┌咐?,基于TRIZ(或工業工程)的輸送料液屏蔽泵氣蝕問題研究           
          1.項目概要
          屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅動電機都被密封在一個被泵送介質充滿的壓力容器內,此壓力容器只有靜密封,并由一個電線組來提供旋轉磁場并驅動轉子。這種結構取消了傳統離心泵具有的旋轉軸密封裝置,故能做到完全無泄漏。屏蔽泵泵和電動機是一個整體制造,電機的轉子和泵的葉輪固定在同一根軸上,利用屏蔽套將電機的轉子和定子隔開,轉子在被輸送的介質中運轉,其動力通過定子磁場傳給轉子,泵的葉輪和電機聯為一體,并在同一個密封殼體內旋轉,電動機的定子和轉子由屏蔽套保護,與輸送液體隔離,避免了泄漏。
          屏蔽泵的優點:
         ?。?)全封閉。結構上沒有動密封,只有在泵的外殼處有靜密封,因此可以做到完全無泄漏,特別適合輸送易燃、易爆、貴重液體和有毒、腐蝕性及放射性液體。
         ?。?)安全性高。轉子和定子各有一個屏蔽套使電機轉子和定子不與物料接觸,即使屏蔽套破裂,也不會產生外泄漏的危險。
         ?。?)結構緊湊占地少。泵與電機系一整體,拆裝不需找正中心。對底座和基礎要求低,且日常維修工作量少。
         ?。?)運轉平穩,噪聲低,不需加潤滑油。由于無滾動軸承和電動機風扇,故不需加潤滑油,且噪聲低。
         ?。?)使用范圍廣。對高溫、高壓、低溫、高熔點等各種工況均能滿足要求。
          氣蝕的原因:
          當屏蔽泵運行時,流體的壓力隨著從泵入口到葉輪入口而降低,在葉片附近,液體壓力最低。此后,因為葉輪對液體做功,壓力很快上升,當葉輪葉片入口附近壓力小于等于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力時,液體就汽化。同時,還可能由溶解在液體內的氣體溢出,他們形成很多氣泡,當氣泡隨液體流到葉片內壓力較高處時,外面的壓力高于氣泡內部的汽化壓力,則氣泡會潰滅,瞬間周邊的液體會以極高的速度向空穴沖來,造成液體互相撞擊使局部壓力驟然劇增(可達幾百個大氣壓),持續沖擊葉片金屬表面,造成氣蝕。
          我公司的二氯二氫硅歧化反應裝置中,需要用屏蔽泵向歧化反應塔中輸送料液,料液為二氯二氫硅和四氯化硅的混合物,二氯二氫硅沸點8.2℃(101.325kPa),四氯化硅沸點57.6℃,(101.325kPa),混合料存儲溫度為25℃,混合料液共沸點在40℃左右,而在用屏蔽泵進行加壓輸送時,由于葉片對液體介質做功,產生低壓,造成氣蝕。
          氣蝕的后果:
          使泵的石墨軸承部位磨損,泵的定子和轉子磨損,影響泵的安全運行和壽命;
          氣蝕使葉片和流體間的能量轉換遭到嚴重干擾,使泵的功率降低,嚴重時會使液流中斷;
          氣蝕使泵產生噪音和震動;
          目前,為了減少氣蝕,用7℃冷卻水冷卻泵的外殼,從而降低料液的溫度,效果有但不明顯,希望利用創新工程培訓的方法找出解決氣蝕問題的解,改善或消除氣蝕造成的噪音、震動和磨損等不良影響。
        問題描述:
          二氯二氫硅歧化反應裝置中,需要用屏蔽泵向歧化反應塔中輸送料液,料液為二氯二氫硅和四氯化硅的混合物,二氯二氫硅沸點8.2℃(101.325kPa),四氯化硅沸點57.6℃,(101.325kPa),混合料液共沸點在40℃左右,而在用屏蔽泵進行加壓輸送時,由于葉片對液體介質做功,產生低壓,造成氣蝕。
          現象:
         ?、?的石墨軸承部位磨損,泵的定子和轉子磨損嚴重,影響泵壽命;
         ?、跉馕g使葉片和流體間的能量轉換遭到嚴重干擾,使泵的功率降低;
         ?、郛a生噪音,劇烈震動;
         
          2.解題過程
         ?。?)問題
          二氯二氫硅歧化反應裝置中,需要用屏蔽泵向歧化反應塔中輸送料液,料液為二氯二氫硅和四氯化硅的混合物,二氯二氫硅沸點8.2℃(101.325kPa),四氯化硅沸點57.6℃,(101.325kPa),混合料存儲溫度為25℃,混合料液共沸點在40℃左右,而在用屏蔽泵進行加壓輸送時,由于葉片對液體介質做功,產生低壓,造成氣蝕。①泵的石墨軸承部、定子和轉子磨損嚴重,產生噪音,劇烈震動,降低泵的功率,影響泵壽命;
         ?。?)物質—場的功能分析
          系統的總功能為“電機葉片壓緊物料移動”,總功能可分解為“推動物料”,“導向物料”,“壓緊物料”三個分功能,其中主要功能是“推動物料”,根據物質一場分析法,得出具體的屏蔽泵功能模型圖。
         
          根據物質一場分析法,得出具體的屏蔽泵的功能模型圖,如圖所示。其中超系統與系統之間存在輸入或輸出關系(如能量)的系統。系統的主要功能是由電力驅動電機推動物料,輔助功能是管道的導向功能,有害功能是葉片作用料液氣化產生噪音、氣化料液反作用于葉片產生氣蝕、管道對流體的摩擦阻礙作用,其中管道對于流體的阻力不能徹底解決,而流體對葉片作用產生噪音及氣蝕,可通過改進設計或采取措施徹底解決。
         ?。?)資源分析
          物質資源:葉輪,料液,管道,電機;
          場資源:液壓場,離心力,重力場,熱學場(熱交換);
          空間資源:泵內部資源,泵外部資源;
         ?。?)現有解決方案
          目前,為了減少氣蝕,用冷卻水冷卻泵的外殼,從而降低料液的溫度,效果有但不明顯,沒有徹底改善或消除氣蝕造成的噪音、震動和磨損等問題。
         ?。?)現有解決方案的缺點
          沒有從根本上解決,效果有限,浪費水源,對泵殼造成腐蝕。
         ?。?)定義技術沖突:
          改善的參數:溫度、壓力;
         ?。?)問題分析
         ?、傥镔|—場分析
          物質:輸送料液,泵葉片,管道,電機
          場:機械場壓力,液壓場,溫度場(熱交換),重力場,
         ?、谖镔|—場模型分析
          泵葉片對輸送料液做功,壓力很快上升,料液獲得機械能,我們期望狀態。

          當葉輪葉片入口附近壓力小于等于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力時,液體就汽化。形成很多氣泡,持續沖擊葉片金屬表面,造成氣蝕,有害的狀態。

          3.概念方案
          運用創新方法得到解決方案的匯總。
          ?。?)查找物質—場模型之三,產生有害的效果,增加一個場,用來平衡產生有害的場。
          ?。?)物質—場規則4,消除有害的,多余的,不需要的物質或場的最有效地方法是引入第三種物質元件或場。
          方案1:增加一個溫度場(F3),用來平衡產生有害的場。在泵入口處加換熱器,讓室溫料液冷卻,降低其飽和蒸汽壓。
          方案2:引入壓力場(阻力),消除有害的場,減小泵出口閥門的開度。
          方案3:引入壓力場(阻力),消除有害的場,減小泵出口管道的直徑。
          方案4:引入壓力場(阻力),消除有害的場,增大泵入口管道的直徑。
          方案5:引入重力場,增強原來效果,將料液儲罐的位置抬高,增加泵進口壓力。
          方案6:引入重力場場,增強原來效果,將泵的位置降低,增加泵進口壓力。
          方案7:改變阻力場,在流量允許的前提下,對屏蔽泵的葉輪進行切削,減小葉輪的半徑,減小葉輪對料液的作用力,減小葉輪局部壓降;----揚程會受影響
          方案8:改變阻力場,通過削切使葉輪更加對稱規整,減少因為葉輪不規整造成的料液湍流,使泵的運行更加平穩,風險較大,要求削切精度高,可能造成葉輪損壞;
          方案9:調整功率,電機加裝變頻器,調節頻率改變電機轉速,降低電機功率;
          4.采用方案:
          方案2,在屏蔽泵和反應塔之間安裝一臺閥門,通過閥門開度解決氣蝕問題,投入少,簡單易行。
          5.方案實施
          通過使用創新方法對該課題進行研究,解決了存在的問題,并申請專利1項。
        表5-1  取得專利情況及類型和狀態
        專利名稱 專利類型 專利狀態
        一種二氯二氫硅和四氯化硅預混合儲存裝置 實用新型 授權
         
         ?。ǘ┌咐?,基于TRIZ(或工業工程)的一種便攜式密閉取樣器研究          
          1.項目概要
          目前三氯氫硅取樣必須要密閉、降溫(管線內三氯氫硅溫度在90度以上),每一個取樣點必須安裝一臺,體積較大,成本大大提高。
          目前國內多家化工企業使用美國UOP公司取樣產品,其工作過程中系統既不密閉,采樣結果也不具有代表性,雖然中國專利CN96232446、CN98227015和CN148244等采用了密閉管路的方式進行采樣,但并不能很好的解決易揮發液體在取樣過程中易揮發、易損失的問題。
          另一方面,目前的取樣器,如中國專利CN98227015等都存在著零件過多,取樣接口不易密閉,構型復雜的問題;當取樣系統出現微小泄漏時不易被發現,即使發現也不易補漏,給取樣結果的準確性帶來了很大問題。同時,對于易揮發介質的取樣的冷卻問題考慮不足,以中國專利CN98227015專利為例,雖然考慮了介質的冷卻問題,但對于冷源的來源問題表述不清晰,對于現場不能提供冷源的情況沒有做深入的研究,因此其可行性有一定的局限性。此外,對于有毒氣體,如中國專利CN98227015等都沒有做具體的處理,這樣排空到大氣中極易污染環境。最后,由于占有體積較大,不便攜,中國專利CN98227015等的適應性較差,一套設備只能專供一個取樣點實用,維護成本和使用成本較高。
          2.問題描述
          對新技術系統的要求氯硅烷為有毒、易揮發液體,目前三氯氫硅取樣必須要密閉、降溫(管線內三氯氫硅溫度在90度以上),每一個取樣點必須安裝一臺,共計60余臺,使用成本過高。
          3.解題過程
          運用TRIZ方法和原理——系統分析、物場分析、矛盾分析、創新原理、進化分析等解決問題的過程。
         ?。?)問題
          氯硅烷為有毒、易揮發液體,目前三氯氫硅取樣必須要密閉、降溫(管線內三氯氫硅溫度在90度以上),每一個取樣點必須安裝一臺,共計60余臺,使用成本過高。
         ?。?)現有解決方案
          在一些溫度略低的管線上安裝一個閥門,發后加一短管。
         ?。?)現有解決方案的缺點
          有毒、易揮發液體會散發到環境里,造成取樣人員中毒,污染環境。
         ?。?)定義技術沖突
          改善的參數:物質或事物的數量。
          惡化的參數:裝置的復雜性
          4.概念方案
          運用創新方法得到解決方案的匯總。
          改善的參數(物質或事物的數量)和惡化的參數(裝置的復雜性)之間構成了一對技術沖突。
          查找沖突矩陣找出創新原理,創新原理:
          3、局部質量
          13、反向(顛倒、成反比)
          27、低成本物體替代
          10、預操作(預先采取行動)
          方案一:
          利用局部質量原理:將現場安裝的密閉取樣器的取樣口保留,其它部分改為可移動式。
          方案二:
          利用反向(顛倒、成反比)原理:我們將在現場安裝的密閉取樣器上取樣,改為帶著便攜式密閉取樣器到現場取樣。
          方案三:
          利用低成本物體替代原理:將在現有的取樣點上安裝一次性的取樣器,使用完后就報廢。
          方案四:
          利用預操作(預先采取行動)原理:將密閉取樣器的冷凍劑提前預置,以便液體冷卻時使用,將液體收集瓶提前預置,以便樣品置換時使用。
          采用方案:
          設計一臺便攜式密閉取樣器,可以快速接入/取下取樣口,取樣過程為密閉、樣品可置換、帶降溫設施,體積小,便于攜帶,降低生產成本。
          5.方案實施
          通過運用創新理論對該課題的研究,取得專利1項。
        表5-2  取得專利情況及類型和狀態
        專利名稱 專利類型 專利狀態
        一種便攜式密閉取樣器 實用新型 授權

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