高温低压高速旋转轴密封

2013-06-28安徽六安江淮永达机械制造有限公司技术部237010王忠新

金属加工(热加工) 2013年11期

安徽六安江淮永达机械制造有限公司技术部（237010）王忠新

加热温度在500～1000℃的热加工设备中，有很多设备都是通过搅拌的方式来保证加热区温度或炉内添加介质的均匀，而搅拌的动力都是通过外部的电动机驱动，其转速大都在1400r/min，而设备内部由于加热后空气膨胀或设备内要增添其他成分的介质，所以炉膛一般带有≤0.005MPa的正压力。因此，高速搅拌轴的轴颈密封难度很大。一般密封方法容易磨损失效，且失效后不容易发现。而一旦密封不可靠，就会影响炉内产品的质量。

1. 密封的失效模式

图1

目前高温、低压状态下的高速搅拌轴采用的密封方式主要有两种：一种比较传统的是采用耐高温材料（如石棉、石墨等）进行填料式密封（见图1）；另一种是采用一组活塞环进行机械式密封（见图2）。这两种都是接触式密封，第二种相对于第一种来说寿命长一点，但更换麻烦。对各种接触式密封的失效方式进行分析，可归纳为：一是磨损引起失效；二是磨损后不能长期有效地补偿；三是磨损后更换不方便。

图2

2. 失效原理分析

针对上述问题，要想彻底解决密封失效模式，只有从密封结构原理上重新设计，针对密封结构的磨损不断进行有效的补偿，才能根本解决问题。

密封作用好的零件，其材质是比较软的，有弹性，一般是用橡胶，但只能用于≤200℃场所。热加工设备的工作条件恶劣：温度500～1000℃、压力≤0.005MPa、轴转速1400r/min。这种低压力不允许有轻微的密封失效，适合该条件的密封目前只有填料式和机械式。对于旋转部位，这两种方式主要的缺陷就是磨损后补偿性能非常有限，造成密封性能失效。改进主要从密封材料和密封结构两个方面入手。

3. 解决方案

（1）改进密封材料由于传统的橡胶密封圈只能在弹性限度内起到密封作用，为接触式密封，也有磨损问题，在高温场合适用。因此，必须寻找一种有同样效果的替代材料。

因为压力较低，所以我们将替代材料的主要作用确定在耐高温和柔软性较好两点上。在日常静态机械密封中，我们经常在石棉等密封材料的表面涂上一层润滑脂来加强密封效果，而市场上二硫化钨类高温润滑脂有使用温度在600～800℃的产品。这一点符合此种场合要求，可以借用。

（2）改进密封结构机械类所有接触式的密封都会有磨损，解决磨损的办法最好是采用非接触式密封。但非接触式密封又存在着不能密封高温气体的问题。因此需要另寻路径，先从这方面入手，寻求一种新的结构来解决该种矛盾。

要想密封性能好，就必须用软性材料作密封介质，并结合使用连续不断自动补偿密封材料磨损的结构。要将这两者有效地结合起来，利用各自的长处来解决密封问题。因此，考虑借用旋转轴的动力来实现补偿。

4. 新密封结构说明

经过反复试验，选择采用如图3所示的结构，彻底解决了上述问题。新的密封结构中，接触式填料密封仍然被采用，只是当作粗密封来用，在此基础上增加了上述“二硫化钨类高温润滑脂+离心甩油盘”的新密封结构。

图3

工作原理是：工作前离心甩油盘10周围装满二硫化钨类高温润滑脂5，工作时搅拌轴7旋转的摩擦力带动装润滑脂螺母8（螺纹旋向与搅拌轴7旋转方向相同）产生向下的压力，将二硫化钨类高温润滑脂不断向下推，压在离心甩油盘上。为防止装润滑脂螺母在将润滑脂向下挤压的过程中，润滑脂从装润滑脂螺母和搅拌轴之间的缝隙中泄漏，特在装润滑脂螺母和搅拌轴结合处增加一O形密封圈6。搅拌轴带动离心甩油盘高速旋转，由于离心力的作用，二硫化钨类高温润滑脂顺着离心甩油盘将周围填满，并带有一定的压力，将从耐高温材料2处泄漏出来的部分气体封闭。同时，由于冷却水的作用，高温气体流到二硫化钨类高温润滑脂处时温度已经降低很多，二硫化钨类高温润滑脂已经能承受流到此处的气体温度。为了增强冷却效果，特将密封座12靠近耐高温材料的位置内侧加工成三角槽，以增加热交换面积。补充润滑脂的方法：旋开装润滑脂螺母，加入二硫化钨类高温润滑脂，旋上装润滑脂螺母，向离心甩油盘上压入二硫化钨类高温润滑脂，直至压满为止。

从新密封结构的工作原理可以看出，它仍然属于接触式密封，但其密封材料选用了软性材料——高温润滑脂，并结合高速旋转轴的动力产生的离心力，来自动补偿接触式密封产生的磨损，彻底解决了高温、低压、高速旋转轴的密封问题。

经过改进后的密封机构已在我公司多台热处理电阻炉上使用多年，且从未更换过。