鋯鋼復合板反應器包覆式攪拌軸的設計與制造

原杰+趙斌+葉建林+董斌+金躍峰

摘 要：本文針對攪拌式反應器中攪拌軸采用純鋯、純鉭等有色金屬時會大大增加設備制造成本的缺點，設計了一種包覆式結構的攪拌軸。包覆結構簡單可靠，易于制造實現。通過攪拌軸制造關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上，達到了要求的功能與質量。

關鍵詞：鋯；反應器；包覆軸；設計制造

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

0 引言

通常鋯材在大多數酸性介質、還原性介質以及強氧化性環境中均有良好的耐腐蝕性能[1]。但與不銹鋼、鈦材等傳統耐腐蝕材料相比，鋯材價格較為昂貴。化工設備通常采用復合板結構或襯里結構，從而達到降低成本、提高效率，保證產品質量的目的。然而對于反應器類設備，由于其攪拌設備結構的特殊性，無法采用以上復合結構或襯里結構，其中攪拌系統的攪拌軸若直接采用純鋯材制作攪拌機構，必然會大大增加原材料成本和設備制造成本，這就違背了設備制造的經濟原則。

本文著手考慮功能、安全、經濟等多方面因素，針對特殊腐蝕工況，專門設計了一種分段分半結構的包覆式攪拌軸。在保證實現攪拌系統尺寸、功能、安全的前提下，大大節約了原材料成本和制造成本，充分發揮了鋯材的耐腐蝕性能。

1 結構設計與產品制造

1.1 總體結構設計

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

1.2 分段包覆設計

根據攪拌軸所要使用的工況和攪拌釜的結構等特點，將攪拌軸設計成三段式，首先為軸頭部分。該部位不直接與介質接觸，攪拌釜工作時，該部分直接落露于設備內腔體外，并與聯軸器、減速機、電機等驅動設備相連，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，機械密與封軸結合面之間要保持無摩擦的旋轉運動，因此軸與機械密封之間通常屬于間隙配合[2]。通常釜體內的介質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的揮發，從而通過間隙影響攪拌系統的質量。為了確保間隙內攪拌軸的耐腐蝕性，該間隙段在TA2軸芯的外側包覆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良好的旋轉性能。因此該段采用R60702環形鍛件原材料，經過數控精加工成型，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，再統一經過精密車床加工。具體結構如圖2所示：

最后為攪拌軸段，該段為輪轂、槳葉與軸的連接部分。通常軸體旋轉通過鍵等連接件帶動輪轂、槳葉旋轉從而加速物料的均勻融合，因此軸的該部分需要與介質直接接觸。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構。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，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]。具體結構如圖3所示：

2 軸的包覆制作

包覆軸的總體結構和包覆結構設計完成后，如何采用先進的工藝和有效的質量控制手段，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，則無法保證包覆質量。為了保證包覆層與軸芯之間的緊密貼合，根據軸段的不同功能，將包覆層分解為若干個短節。在組對包覆短節時，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量，也對軸的整體質量和可靠性有著至關重要的作用。在組對包覆層短節焊縫時，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量，防止焊接反滲情況的出現，參考借鑒復合板設備墊板結構，在軸上開設有墊板槽，放入R670702墊板，再進行縱、環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鍵工藝、對關鍵點質量嚴格控制，最終制造完成的產實際使用效果良好，證明了以上工藝措施的可行性和正確性。

3 結語

本文針對以上問題，設計了一種包覆式攪拌軸，并通過控制制造中的關鍵工藝措施從而確保包覆結構的實現。最終制造的包覆式攪拌軸，在功能、安全等方面均能達到設計要求，同時由于包覆式結構的設計，大大節約了原材料的使用，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備中的應用[J].化工設計，2003，13（4）：19-20.

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

[3] 王洪波.反應釜攪拌軸的改進設計[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.