鋯鋼復(fù)合板反應(yīng)器包覆式攪拌軸的設(shè)計與制造

原杰+趙斌+葉建林+董斌+金躍峰

摘 要：本文針對攪拌式反應(yīng)器中攪拌軸采用純鋯、純鉭等有色金屬時會大大增加設(shè)備制造成本的缺點，設(shè)計了一種包覆式結(jié)構(gòu)的攪拌軸。包覆結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于制造實現(xiàn)。通過攪拌軸制造關(guān)鍵工藝措施的有效控制，最終制造的包覆式攪拌軸在保證安全的基礎(chǔ)上，達到了要求的功能與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋯；反應(yīng)器；包覆軸；設(shè)計制造

中圖分類號： TQ052 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）23-160-2

0 引言

通常鋯材在大多數(shù)酸性介質(zhì)、還原性介質(zhì)以及強氧化性環(huán)境中均有良好的耐腐蝕性能[1]。但與不銹鋼、鈦材等傳統(tǒng)耐腐蝕材料相比，鋯材價格較為昂貴?；ぴO(shè)備通常采用復(fù)合板結(jié)構(gòu)或襯里結(jié)構(gòu)，從而達到降低成本、提高效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。然而對于反應(yīng)器類設(shè)備，由于其攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，無法采用以上復(fù)合結(jié)構(gòu)或襯里結(jié)構(gòu)，其中攪拌系統(tǒng)的攪拌軸若直接采用純鋯材制作攪拌機構(gòu)，必然會大大增加原材料成本和設(shè)備制造成本，這就違背了設(shè)備制造的經(jīng)濟原則。

本文著手考慮功能、安全、經(jīng)濟等多方面因素，針對特殊腐蝕工況，專門設(shè)計了一種分段分半結(jié)構(gòu)的包覆式攪拌軸。在保證實現(xiàn)攪拌系統(tǒng)尺寸、功能、安全的前提下，大大節(jié)約了原材料成本和制造成本，充分發(fā)揮了鋯材的耐腐蝕性能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與產(chǎn)品制造

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

包覆式攪拌軸的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中攪拌軸采用純TA軸芯，軸徑為Φ140，軸外側(cè)根據(jù)工況需要包覆有3mm厚R60702板材，板材通過特殊工裝壓制成型，內(nèi)壁與軸芯外壁吻合。輪轂、槳葉、鍵等直接與腐蝕介質(zhì)接觸的零部件均采用R60702材質(zhì)。

1.2 分段包覆設(shè)計

根據(jù)攪拌軸所要使用的工況和攪拌釜的結(jié)構(gòu)等特點，將攪拌軸設(shè)計成三段式，首先為軸頭部分。該部位不直接與介質(zhì)接觸，攪拌釜工作時，該部分直接落露于設(shè)備內(nèi)腔體外，并與聯(lián)軸器、減速機、電機等驅(qū)動設(shè)備相連，因此該部分不需要在TA2軸芯外進行R60702材料的包覆，只需保證其機械加工精度。

其次為與機械密封相配合的軸段，機械密與封軸結(jié)合面之間要保持無摩擦的旋轉(zhuǎn)運動，因此軸與機械密封之間通常屬于間隙配合[2]。通常釜體內(nèi)的介質(zhì)不會超過釜體高度的2/3，但由于高溫、高壓等因素的影響，可能會造成腐蝕介質(zhì)的揮發(fā)，從而通過間隙影響攪拌系統(tǒng)的質(zhì)量。為了確保間隙內(nèi)攪拌軸的耐腐蝕性，該間隙段在TA2軸芯的外側(cè)包覆R60702板材。由于該段為機械密封配合段，除了保證機械密封性能外，還需保證整個攪拌系統(tǒng)良好的旋轉(zhuǎn)性能。因此該段采用R60702環(huán)形鍛件原材料，經(jīng)過數(shù)控精加工成型，再使用高精度的線切割分割成兩半，再進行包覆制作層制作。采用這種方法保證了包覆層與軸的緊密貼合，也保證了良好的機械密封和軸的旋轉(zhuǎn)性能。為了進一步保證該段的耐腐蝕性能，包覆層的一端采用鋯絲堆焊，一端利用另一包覆層進行重疊覆蓋，再統(tǒng)一經(jīng)過精密車床加工。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

最后為攪拌軸段，該段為輪轂、槳葉與軸的連接部分。通常軸體旋轉(zhuǎn)通過鍵等連接件帶動輪轂、槳葉旋轉(zhuǎn)從而加速物料的均勻融合，因此軸的該部分需要與介質(zhì)直接接觸。為了保證其耐腐蝕性和良好的攪拌性能，該段全部采用包覆式結(jié)構(gòu)。輪轂與軸之間的扭矩是通過鍵來傳遞，因此需要加工貫穿于包覆層的鍵槽用于安裝平鍵。由于鍵槽的開設(shè)，安裝平鍵后，無法保證包覆層與平鍵接觸兩端的密封性，使得軸芯直接暴露于介質(zhì)中，大大降低了軸的可靠性。因此采用密封焊，將包覆層與平鍵間隙完全消除。同時在緊定螺釘一端開有小孔，使用鋯絲將兩個緊定螺釘進行固定，從而防止緊定螺釘失效 [3]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示：

2 軸的包覆制作

包覆軸的總體結(jié)構(gòu)和包覆結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，如何采用先進的工藝和有效的質(zhì)量控制手段，制造加工出合格的包覆軸也是本文的重點。

首先，由于包覆段較長，若直接使用一整段包覆層進行包覆，則無法保證包覆質(zhì)量。為了保證包覆層與軸芯之間的緊密貼合，根據(jù)軸段的不同功能，將包覆層分解為若干個短節(jié)。在組對包覆短節(jié)時，使用特殊制作的卡箍工裝夾持，從而保證包覆層與軸芯之間的緊密貼合。

包覆層之間的焊縫質(zhì)量，也對軸的整體質(zhì)量和可靠性有著至關(guān)重要的作用。在組對包覆層短節(jié)焊縫時，留有一定組對間隙，焊接后利用焊縫收縮進一步保證包覆層與軸芯的緊密貼合[4]。同時為了確保焊縫質(zhì)量，防止焊接反滲情況的出現(xiàn)，參考借鑒復(fù)合板設(shè)備墊板結(jié)構(gòu)，在軸上開設(shè)有墊板槽，放入R670702墊板，再進行縱、環(huán)的焊接從而確保焊縫良好的耐蝕性。

最后，如何有效控制輪轂與槳葉連接板之間的焊接變形控制，保證輪轂連接板的精度，對軸的可靠性和使用壽命有著一定的影響。利用專門設(shè)計的工裝進行輪轂連接板的組焊。不僅提高了組對精度和效率，還有效控制了焊接變形。

通過制造過程使用關(guān)鍵工藝、對關(guān)鍵點質(zhì)量嚴(yán)格控制，最終制造完成的產(chǎn)實際使用效果良好，證明了以上工藝措施的可行性和正確性。

3 結(jié)語

本文針對以上問題，設(shè)計了一種包覆式攪拌軸，并通過控制制造中的關(guān)鍵工藝措施從而確保包覆結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。最終制造的包覆式攪拌軸，在功能、安全等方面均能達到設(shè)計要求，同時由于包覆式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，大大節(jié)約了原材料的使用，降低了制造加工成本。

參 考 文 獻

[1] 周耀.鋯和鋯合金在化工設(shè)備中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計，2003，13（4）：19-20.

[2] 陸亞偉，陸燕，柯沁.壓力容器-反應(yīng)釜中攪拌軸的設(shè)計[J].中國化工裝備，2000（4）：30-31.

[3] 王洪波.反應(yīng)釜攪拌軸的改進設(shè)計[J].機械工程師，2013.

[4] GB/T150.3-2011 壓力容器[J].機械工程師，2013（2）：138.