實驗室高壓反應釜攪拌裝置的改進

郭勝，史春亮，黃源，方海

（浙江巨化技術中心有限公司，國家氟材料工程技術研究中心，浙江 衢州324004）

大部分化工企業都或多或少地存在著機械設備設計方面的問題，這嚴重影響著化工工藝的整體實施結果，相關專業技術人員應當做好化工機械設備設計的優化工作，這樣才能滿足化工行業需求[1]。

某實驗室的2 臺5 L 高壓反應釜主要用于乳液聚合、溶液聚合等自由基聚合方法制備含氟聚合物，通過磁力攪拌系統高速攪拌來實現物料分散均勻的目的。磁力攪拌裝置由驅動電機、齒套聯軸器、釹鐵硼磁體的外磁轉子和內磁鋼芯軸轉子、隔離套、攪拌槳和轉動件組成。

磁力傳動技術主要是以永磁體間的磁力來達到力或扭矩無接觸傳遞的一種技術[2]。驅動電機通過齒套聯軸器帶動外磁轉子旋轉，外磁轉子利用磁力作用帶動隔離套內的內磁轉子旋轉，完成非接觸式的力矩傳遞，以實現攪拌均勻，達到物料分散的目的。

從反應釜實際的運行情況看，這樣的軸承組合設計存在著顯著的缺陷，反應釜運行時易造成滾道、滾珠的磨損，電機出現異響和溫升，以至于需頻繁停機檢修，帶來人工和材料成本的增加，也嚴重影響了課題項目的研發進度。

1 存在問題

5 L高壓反應釜磁力攪拌裝置見圖1。

圖1 5 L高壓反應釜攪拌裝置Fig 1 5L high pressure reactor stirring device

轉動件由1只平面軸承和1只聚四氟乙烯浸漬石墨材質的滑動軸承組成，其中平面軸承安裝在內磁轉子的中段，由帶滾道的松圈、緊圈和滾動體（鋼珠）組成；滑動軸承安裝在磁力攪拌軸尾部。從設計層面出發，平面軸承和滑動軸承的組合是為了支撐磁力攪拌軸，降低磁力攪拌軸的摩擦系數，控制其在徑向和軸向上的移動，提高磁力攪拌軸的回轉精度

平面軸承為非標件，拋開松圈、緊圈的滾道加工精度對磁力攪拌軸的回轉精度的影響，滾珠無保持架，滾珠在滾道內分布不均勻，造成運轉時滾珠互相接觸、擠壓、摩擦、磨損，當磨損進一步加劇，會有以下2方面的影響：

1）平面軸承的滾道、滾珠的幾何尺寸減小，游隙增大，不能有效地控制內磁轉子在徑向和軸向上的移動，此時起密封作用的軸套（安裝位置見圖2）與滑動軸承的內外徑磨損會造成其尺寸超差，致使軸的徑向跳動量和軸向竄動量增大，平面軸承、滑動軸承和軸套的磨削物會通過軸套與軸的間隙進入釜內，進而污染反應釜內的高價值物料。

圖2 改進前的內磁轉子Fig 2 Internal magnetic rotor before improved

2）使用測溫槍測量磁力攪拌器和驅動電機外殼時，發現溫度可達60 ℃以上，接近釹鐵硼磁體80 ℃的退磁溫度，也就是居里溫度（磁性材料中自發磁化強度降到0時的溫度），也稱磁性轉變點[3-4]。反應釜長期在這樣的工作溫度下運行，易導致內外磁轉子磁性降低直至完全消磁，具體表現為在一定轉速下外磁轉子旋轉而內磁轉子不轉。當出現這種現象時，即可判斷磁性轉子已經失效。一般情況下內磁轉子的失效可能性會高于外磁轉子，因為內外磁轉子之間的隔離套能夠有效的隔絕內磁轉子上平面軸承磨損產生的高溫向外磁轉子傳遞。

2 改進措施

2.1 軸承重新選型

改進前的平面軸承和安裝在磁力攪拌軸尾部的滑動軸承的組合設計不合理，因為平面軸承和滑動軸承屬于不同種類，有著不同的摩擦系數、傳動效率、旋轉精度和使用壽命。在軸承選型上，相較于平面軸承和滑動軸承，深溝球軸承具有摩擦系數小、傳動效率高、啟動阻力小、徑向間隙小、可承受徑向和軸向的聯合載荷、旋轉精度高，以及使用壽命長的優點，深溝球軸承的這些特點在實驗室高壓反應釜的軸承選型設計中應優先采用，故選用帶防塵蓋的304材質的深溝球軸承（防塵蓋能夠有效阻絕釜內物料竄入軸承），以代替平面軸承和滑動軸承。

2.2 調整內磁轉子軸承定位間距

內磁轉子的軸長與內磁轉子2個支承點之間的距離存在一定關系，通過調整作為支承點的2個深溝球軸承的間距來減小內磁轉子的偏擺量[5]。具體方法為取消平面軸承支承座，簡化磁力攪拌系統的結構，如圖3所示，將深溝球軸承安裝位置從平面軸承處向軸頭部前移105 mm，以增加2 個深溝球軸承間距，減小軸的徑向跳動，提高了磁力攪拌軸的回轉精度和運行的穩定性。

圖3 改進后的內磁轉子Fig 3 Internal magnetic rotor after improved

2.3 制作內磁轉子

通過碳鋼吸附的方法來檢查內外磁轉子的磁性，發現外磁轉子磁性正常，而內磁轉子磁性消失，因此需要重新制作內磁轉子，其長度保持不變，內磁轉子與軸承配合的軸頸尺寸以選用的深溝球軸承內徑尺寸為準。

3 結 論

選用帶防塵蓋的304材質深溝球軸承、取消原結構中的軸承支承座和增加深溝球軸承間的定位間距和重新制作內磁轉子3項改進措施的實施，反應釜運行時的聲音、振動、溫升均得到了有效地改善，磁力攪拌器和驅動電機外殼的實測最高溫度僅40 ℃左右，磁力攪拌器的轉速達到工藝要求；解決了內磁轉子的徑向和軸向定位不合理問題，限制了內磁轉子在徑向和軸向的位移，提高了磁力攪拌軸的回轉精度，運行穩定性和連續性得到了根本的改善，達到預期效果，徹底解決了因物料污染造成的金屬離子超標對測試和應用的影響。

技改前，2 臺反應釜平均每月檢修3 次，每臺次檢修成本2 160元，年檢修費用77 760元。改進后，無此項檢修及產生的費用，更大的意義在于保障了課題項目的研發進度。

經過對實驗室5 L高壓反應釜攪拌系統的技術改進，優化了設備結構，使人力、物力、時間等資源得以充分、合理、有效的利用。在設備的設計階段必須充分考慮各功能部件的可靠性和維修性，把無維修設計和無故障設計植入于設計理念中，從傳統的維修管理轉向重設計的系統管理。