旋轉真空過濾機轉鼓濾網支撐板開裂失效分析

摘 要：本文對基于旋轉真空過濾機的轉鼓濾網支撐板開裂失效問題進行了研究。采用試驗測試和數值模擬相結合的方法，對支撐板的材料特性、結構設計和工作條件等因素進行了綜合考慮。應用材料力學性能測試和顯微結構觀察，確定了支撐板的材料強度和斷裂特性，同時利用有限元分析方法對不同負載條件下的支撐板進行了應力分布和變形情況的模擬計算。分析結果顯示，在高負載工況下，支撐板存在應力集中現象，易導致開裂失效。根據分析結果，本文提出了改進措施，包括優化材料選擇、增加支撐結構強度和改進結構設計等。本文研究能夠為預防和解決基于旋轉真空過濾機轉鼓濾網支撐板開裂失效問題提供參考和指導。

關鍵詞：旋轉真空過濾機；濾網支撐板；開裂失效分析

中圖分類號：TG 17 " " 文獻標志碼：A

旋轉真空過濾機是常用于固液分離的設備，作為關鍵組件之一，轉鼓濾網在過濾過程中具有支撐、過濾和干燥作用。但長期使用后，轉鼓濾網支撐板開裂失效的問題逐漸凸顯，嚴重影響了設備的正常運行和生產效率。因此，對轉鼓濾網支撐板開裂失效進行深入研究具有重要的理論意義和實際應用價值。

1 旋轉式真空過濾機的結構和原理

旋轉式真空過濾機的驅動方式主要以電機驅動為主，在運轉過程中由鏈條傳動帶帶動轉鼓旋轉，從而實現分離的目的。在旋轉式真空過濾機中，過濾機由驅動系統、沖洗系統、密封系統和過濾系統等組成[1]。過濾機結構如圖1所示。

旋轉式真空過濾機的工作原理如下所示。過濾機是利用壓力差使固體顆粒與液體通過多孔介質（濾布、濾板等）進行分離的機器。在液環式真空泵作用下，過濾機轉鼓內產生負壓，漿料由下部進料口進入過濾機。濾液在內、外壓差作用下經過濾網進入轉鼓，由真空管線吸出，經分離罐氣液分離后排出。晶體在濾網上形成濾餅，濾餅轉動到上部，由醋酸洗滌噴管進行洗滌（去除晶體中存在的雜質和催化劑），然后轉到反吹閥處，由氮氣吹出，到達下料口。在這個過程中，真空過濾機主要將真空作為推動力，因此真空度的高、低直接決定了過濾機的生產效率。真空度越高時，處理的速度越快，同時濾餅的含液量也會越底[2]。但如果真空度過高，越來越多的氣流通過旁路管線（從真空過濾機氣流進口到真空過濾機冷凝器進口），就預示過濾機濾布產生結垢或者堵塞了，應及時將過濾機切出堿洗，以恢復過濾機性能。常規工況下真空度壓力為-55Pa～-45Pa，旋轉式真空過濾機的反吹氣氧含量應為15vol%～0vol%，目標值≤10vol%。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

失效濾網支撐板宏觀外貌圖如圖2所示。在旋轉式真空過濾機的理化檢驗中，通過觀察圖2（a）中失效濾網支撐板的外部情況和圖2（b）中的裂紋情況可以發現，造成旋轉真空過濾機開裂的主要原因是其在加工過程中發生了形變，導致濾網逐漸向四周擴展。

2.2 化學成分分析

對旋轉式真空過濾機進行化學成分分析時，為了更好地對設備中濾網支撐板化學成分進行有效分析，可使用Spectromaxx直讀光譜儀進行檢測，所得數據見表1[3]。根據GB/T20878—2007標準中的317不銹鋼和316L不銹鋼元素含量，與表1中的相關化學元素成分進行比較后可知，旋轉式真空過濾機失效濾網支撐板的Cr元素實測值大于316L不銹鋼，但在317不銹鋼的范圍內，只有316L不銹鋼中的Mo元素的實測值在標準范圍內。因此，旋轉式真空過濾機失效濾網支撐板的材料是316L不銹鋼，不是317不銹鋼。

2.3 掃描電鏡分析和能譜分析

對旋轉式真空過濾機使用JSM-6160-LV掃描電鏡進行斷口分析時，JSM-6160-LV能對腐蝕產物能譜進行有效分析，并基于其濾網支撐板斷口的微觀形貌得到如圖3（a）所示的情況[4]。在圖3（a）中，支撐板的表面出現了大量蝕凹坑，使用Spectromaxx直讀光譜儀分析這些蝕凹坑，可以得到如圖3（b）所示的情況。對這些凹坑中的相關元素含量進行測定分析后可知，其中鐵、鉻、氧、鎳、錳、硅、碳以及溴元素的占比分別為61.5%、14.5%、9.9%、8.3%、1.1%、1.3%、0.5%以及2.9%。

2.4 金相檢驗

對濾網支撐板進行金相檢驗時，需要采用AxioImageAim金相顯微鏡，AxioImageAim金相顯微鏡能夠觀察失效濾網支撐板顯微組織，從而得到圖4（a）、圖4（b）所示的圖像。在這2個圖像中，點蝕坑內充斥較多腐蝕產物，這些腐蝕產物的穿晶裂紋通常會從起始點位置的蝕坑底部開始[5]。需要從裂紋的位置與形態2個方面對裂紋位置進行判斷。通常情況下，裂紋開裂主要是點蝕坑應力腐蝕開裂，如圖4（c）所示。這些失效濾網支撐板的基本組織結構為奧氏體，而這些奧氏體通常會有較明顯的加工特征，如圖4（d）所示。這些明顯的加工特征一般以形變馬氏體明命名，使用磁鐵進行檢查，可知其存在一定的磁性特點。

2.5 耐腐蝕性能電化學測試

在旋轉式真空過濾機濾網支撐板材料中，由于濾網材料為316L不銹鋼，因此需要對其進行預應變處理，并使用MF300型鐵元素測量預應變45%條件下對應的316L不銹鋼中的馬式體含量，結果見表2。

分析316L不銹鋼中預應力時，采用CHI66E電化學儀器一體化電化學分析系統，模擬316L不銹鋼與預應變45%的316L奧氏體不銹鋼在含有Br-環境中的使用狀況，如圖5所示。而對質量分數為1.5%的NaBr溶液來說，相應的電化學參數見表3[6]。因此，316L不銹鋼在預應變腐蝕的情況下呈一定的下降趨勢，這也使316L不銹鋼產生的馬氏體相變越多，越容易發生點蝕現象。

3 分析與討論

分析旋轉式真空過濾機的理化試驗結果可知，在旋轉真空過濾機濾網支撐板中，該不銹鋼濾網為316L不銹鋼，而在316L不銹鋼中的各元素含量中，Mo元素的含量遠低于標準參考值。在這種情況下，旋轉式真空過濾機中的奧氏體的穩定性會逐漸下降，最終會對濾網的耐腐蝕性產生嚴重影響。經分析后發現，該問題會導致旋轉式真空過濾機發生開裂，開裂原因是316L不銹鋼中Mo元素含量較少。經長時間使用后，設備會因疲勞而開裂，進而影響設備后續使用。

4 針對旋轉真空過濾機問題的改造方案

4.1 對錯氣盤預吸區的改造

錯氣盤預吸區通常位于旋轉真空過濾機的進料區域。過濾機的進料端設有錯氣盤，其作用是在過濾介質上形成一層負壓，在進料過程中將固體物料均勻覆蓋在過濾介質上，形成一個均勻的預吸區。對旋轉真空過濾機的錯氣盤預吸區進行改造的主要目的是提高旋轉真空過濾機中的相關介質。對不銹鋼的金屬絲網來說，由于其再生效果相對較差，因此在高角度位置的使用過程中，必定會導致中低高液濾機完全暴露在預吸區，預吸區必然會出現真空現象，因此必須使用鋼板對對濾機的預吸區進行封堵處理，才能避免上述情況的發生。

4.2 對錯氣盤高低真空封閉區的改造

濾機的吸干區域通常由高真空區域和低真空區域組成，濾機的吸干區域能夠實現洗水分離，從而使分離后的洗水可以被重復利用。如果出現洗水無法分離的情況，就會使干燥區域的高真空區域和低真空區域無法發揮作用。由于錯氣盤的價格比較高，因此在對封閉區使用尼龍體進行打磨時，需要封閉該區域，才能達到完全消除的目的，并保證施工效率。

4.3 對過濾介質的改型

在顯微鏡下，對晶型、顆粒度分度和沉降時間進行觀察后可以發現，真空過濾機下會出現較高阻力，原因是進行過濾時，過濾機的過濾表面需要先進行“搭橋”，再進行過濾。選擇小孔的絲網進行過濾，有利于降低穿漏率。如果注重堿結晶的質量，就應該更換對應的過濾絲網，降低過濾床層的通風阻力，提高其透氣性，以減少重堿的水分。

4.4 對噴淋系統的優化

對噴淋系統進行有效改進，可以在最佳時間段內對重堿鹽分相關指標進行測試，從中獲得相應的間距標準要求。為此，洗水噴淋管間距可以從原有的2cm～22cm調整到10cm～12cm，同時將洗水噴頭間距降低到15cm的位置，并確保離心液噴淋和攪拌軸始終處于相同的水平位置。

5 結語

本文綜合運用試驗測試和數值模擬方法，對基于旋轉真空過濾機的轉鼓濾網支撐板開裂失效問題進行了研究。研究結果表明，支撐板材料強度和斷裂特性、工作條件以及結構設計等因素，均對開裂失效具有重要的影響，因此建議以鉬和鎳元素含量較高316L不銹鋼材料為主，該材料不僅具有較多優勢，還能最大限度地避免過濾介質中由溴離子含量較低導致的應力腐蝕現象。

參考文獻

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