鈾純化煅燒爐管進出料端密封裝置的改進與應用

劉偉林，李 勤

(中核二七二鈾業有限責任公司，湖南 衡陽 421004)

0 引 言

鈾純化煅燒爐是鈾純化生產線煅燒工序主要設備，其作用是將來自上一工序的物料加熱煅燒，生產最終產品。煅燒爐中煅燒爐管與進出料裝置通過動密封進行連接，由于生產工藝要求爐內系統為微正壓，故進出料端密封的好壞是煅燒轉爐能否正常運行的關鍵。目前國內外常見的動密封方式有填料密封、機械密封、迷宮密封、氣氛保護動態密封等[1-4]。我國鈾純化煅燒爐爐管進出料口采用了盤根加黑色黃油進行密封。由于爐管內溫度長期保持在800～900 ℃之間，爐內物質為粉料，設備運行幾天后出現密封失效的問題，導致爐氣和放射性產品粉塵泄漏，從而增加了維修維護工作量，影響了生產環境和工人的身體健康。針對上述問題，筆者對原煅燒爐管密封結構進行了介紹，對原密封方式失效的原因進行了分析和總結，并在總結普通工業用回轉爐密封方式的基礎上，對鈾純化煅燒爐管進行了改進和應用驗證[5-7]。

1 傳統密封方式

1.1 傳統密封結構

出料端的傳統密封結構示意圖如圖1所示。

圖1 傳統密封結構示意圖1.爐管 2.鏈輪 3.法蘭壓盤 4.盤根和黃油 5.卸料風箱

爐管出料端部分伸進卸料風箱內，盤根和黑色黃油填充在爐管出料端外表面和卸料風箱的連接處，用于壓緊盤根的法蘭壓盤與風箱連接盤通過螺栓連接，爐管圓柱外表面與卸料風箱端頭之間的空隙通過石墨盤根加黑色黃油密封。

1.2 密封失效原因分析

盤根密封的原理主要取決于迷宮效應。軸在微觀情況下表面非常不平整，軸和盤根之間存在像迷宮一樣微小的間隙，帶壓介質在迷宮中被多次截流，從而達到密封的作用。盤根密封主要在離心泵、活塞泵、壓縮機等液體密封中使用[8-10]。由于鈾純化煅燒爐爐管內物質為高溫粉末狀物質，采用盤根加黑色耐溫黃油進行密封頻繁失效的原因主要如下：

(1) 黑色黃油變硬導致盤根發生干摩擦。爐管內溫度長期保持在800～900 ℃之間，黃油在長期高溫烘烤下，容易變硬。因未及時補充黃油，爐管與盤根直接接觸，發生干摩擦，導致盤根與爐管之間出現縫隙。爐管內粉塵和爐氣從縫隙內泄漏。

(2) 粉末狀顆粒進入盤根處加速盤根磨損。在爐管內微正壓的作用下，粉末物料進入盤根和爐管之間，因為爐管一直保持轉動，在粉末的加入后，加快了對盤根的磨損，長期磨損后，物料也會出現泄漏。

(3) 爐管與連接套管未對中，導致盤根出現偏磨。由于爐管與連接套管未絕對對中，這樣就導致爐管偏磨連接套管內盤根，使盤根的使用周期大大減少。爐管上下受交變應力導致的慣性擺動，來回擠壓盤根，造成粉料物料泄漏。

2 改進后密封裝置

2.1 密封裝置的結構設計

由于進出料端密封的好壞是煅燒轉爐能否正常運行的關鍵，在爐管的進出料端分別設計了一套密封裝置。改進后的重錘式自補償動密封裝置總體示意圖如圖2所示。

圖2 重錘式自補償動密封裝置總體示意圖1,20.軌道輪架 2,19.軌道 3,18.進卸料風箱 4,16.鋼絲繩 5,17.重錘 6,15.滾輪 7,14.進出料端錐面靜環 8,13.進出料端石墨密封環 9,12.進出料端錐面動環 10.鏈輪 11.爐管

該密封裝置主要由密封機構和重錘式自補償機構兩部分構成。進料端密封機構由錐面靜環7、石墨環8、錐面動環9構成，進料端重錘式自補償機構由重錘5、滾輪6、鋼絲繩4以及其他附加構成；出料端密封機構由錐面靜環12、石墨環13、錐面動環14構成，出料端重錘式自補償機構由重錘17、滾輪15、鋼絲繩16以及其他附加構成。

(1) 進料端密封裝置的結構設計 爐管進料端密封機構布置在進料風箱3和爐管11進料端之間，進料端密封結構中錐面靜環7與進料風箱3右端面法蘭通過螺栓連接，進料端錐面動環9與煅燒爐爐管11的進料端法蘭通過螺栓連接，進料端石墨環8安裝在進料端錐面靜環7、進料端錐面動環9之間。

進料端重錘式自補償機構中進料風箱3與軌道輪架1固定連接，重錘5與進料風箱通過鋼絲繩4連接，在重錘5的作用下，進料端密封機構中的錐面靜環7隨軌道輪架1和進料風箱一起在軌道2上可向右移動。

(2) 出料端密封裝置的結構設計 爐管出料端密封機構布置在爐管11出料端和卸料風箱18之間，出料端料端錐面靜環14與卸料風箱18左端面法蘭通過螺栓連接，出料端錐面動環12與煅燒爐爐管11的出料端法蘭通過螺栓連接，出料端石墨環13安裝在出料端錐面靜環14、出料端錐面動環12之間。

出料端重錘式自補償機構中卸料風箱18與軌道輪架20固定連接，重錘17與卸料風箱通過鋼絲繩16連接，在重錘17的作用下，出料端密封機構中的錐面靜環14隨軌道輪架20和卸料風箱13一起在軌道19上可向左移動。

進、出料端采用動、靜錐面配以石墨密封環進行動密封，利用靜環處所附的重錘對石墨密封環的磨損予以補償。

2.2 密封裝置的材質選擇

由于進出料端溫度長期維持在300 ℃以上，爐管內保持微正壓，重錘式自補償動密封結構中的錐面動環和靜環采用耐高溫、耐腐蝕不銹鋼材料。爐管轉動過程中，爐管兩端錐面動環與其接觸的石墨密封環具有相對轉動，因此，連接錐面動、靜環的石墨密封環采用耐高溫、耐磨的浸漬樹脂石墨材料。

2.3 密封裝置工作原理

如圖2所示，物料通過煅燒爐進料電機及進料裝置從進料風箱推入爐管內。爐管通過外部電機及鏈條帶動鏈輪進行轉動，轉速為0.5～5 r/min，進入爐管內的物料經過三個階段的煅燒后形成的產品從爐管出料端推出，進入卸料風箱。

(1) 進料端密封裝置的工作原理 煅燒爐剛開始使用時，爐管11與進料風箱3之間的密封直接通過不銹鋼錐面靜環7、石墨密封環8和錐面不銹鋼動環9形成的密閉腔室實現，確保爐管內爐氣和粉末物料無法從爐管11與進料風箱3之間泄漏。隨著煅燒爐運行時間的增長，由于與爐管11連接的進料端不銹鋼錐面動環9和進料端石墨密封環8有相對轉動，錐面動環9在轉動的過程中會磨損石墨密封環8，形成縫隙。此時，連接在進料風箱右端的不銹鋼錐面靜環7會在重錘5的拉力作用下向錐面動環9方向移動，實時彌補錐面動環9和被磨損石墨環8之間的縫隙，確保爐管11內物料與外界始終是隔絕的。

(2) 出料端密封裝置的工作原理 同樣，煅燒爐剛開始使用時，爐管11與卸料風箱18之間的密封直接通過不銹鋼錐面靜環14、石墨密封環13和錐面不銹鋼動環12形成的密閉腔室實現，確保爐管內爐氣和粉末物料無法從爐管11與卸料風箱18之間泄漏。隨著煅燒爐運行時間的增長，由于與爐管11連接的出料端不銹鋼錐面動環12和出料端石墨密封環13有相對轉動，錐面動環12在轉動的過程中會磨損石墨密封環13，形成縫隙。此時，連接在卸料風箱左端的不銹鋼錐面靜環14會在重錘17的拉力作用下向錐面動環12方向移動，實時彌補錐面動環12和被磨損石墨環13之間的縫隙，確保爐管11內物料與外界始終是隔絕的。

3 應用驗證

將改進后的密封裝置應用于鈾純化煅燒爐管進出料端進行試驗，具體試驗數據如表1所列。

表1 改進后密封裝置試驗數據表

原始狀態下，動、靜環之間的距離為35 mm，經過一段時間運行試驗，觀察到爐管進、出料端浸漬石墨密封環有一定的磨損，當因磨損可能出現縫隙時，在150 kg重錘的作用下，錐面靜環實時向動環方向移動，對縫隙進行了實時補償，確保了生產過程中爐管進、出料端的密封，未見爐管內爐氣和產品粉塵泄漏，如圖3所示。因此可以證明改進后的密封裝置密封性能良好，能滿足生產要求。

圖3 運行過程中密封部分實物圖

4 結 語

針對傳統煅燒爐爐管密封結構較差，導致維修維護工作量大，影響生產環境和工人的身體健康的現狀，改進了鈾純化煅燒爐管的密封結構。設計并制造了一種重錘式自補償動密封裝置，爐管進、出料端采用動、靜錐面配以石墨密封環進行動密封，利用靜環處所附的重錘對石墨密封環的磨損予以補償。通過應用證明，改進后的密封裝置改善了密封效果，延長了密封件的使用壽命，該密封方式取代了傳統煅燒爐爐管進出料端盤根密封方式，解決了由于密封件材質問題及過高的工作溫度，致使爐管密封效果差的問題，提高了產品收率，改善了現場環境、杜絕了粉塵對員工身體健康造成影響。