锆钢复合板反应器包覆式搅拌轴的设计与制造

原杰+赵斌+叶建林+董斌+金跃峰

摘 要：本文针对搅拌式反应器中搅拌轴采用纯锆、纯钽等有色金属时会大大增加设备制造成本的缺点，设计了一种包覆式结构的搅拌轴。包覆结构简单可靠，易于制造实现。通过搅拌轴制造关键工艺措施的有效控制，最终制造的包覆式搅拌轴在保证安全的基础上，达到了要求的功能与质量。

关键词：锆；反应器；包覆轴；设计制造

中图分类号： TQ052 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）23-160-2

0 引言

通常锆材在大多数酸性介质、还原性介质以及强氧化性环境中均有良好的耐腐蚀性能[1]。但与不锈钢、钛材等传统耐腐蚀材料相比，锆材价格较为昂贵。化工设备通常采用复合板结构或衬里结构，从而达到降低成本、提高效率，保证产品质量的目的。然而对于反应器类设备，由于其搅拌设备结构的特殊性，无法采用以上复合结构或衬里结构，其中搅拌系统的搅拌轴若直接采用纯锆材制作搅拌机构，必然会大大增加原材料成本和设备制造成本，这就违背了设备制造的经济原则。

本文着手考虑功能、安全、经济等多方面因素，针对特殊腐蚀工况，专门设计了一种分段分半结构的包覆式搅拌轴。在保证实现搅拌系统尺寸、功能、安全的前提下，大大节约了原材料成本和制造成本，充分发挥了锆材的耐腐蚀性能。

1 结构设计与产品制造

1.1 总体结构设计

包覆式搅拌轴的总体结构如图1所示：其中搅拌轴采用纯TA轴芯，轴径为Φ140，轴外侧根据工况需要包覆有3mm厚R60702板材，板材通过特殊工装压制成型，内壁与轴芯外壁吻合。轮毂、桨叶、键等直接与腐蚀介质接触的零部件均采用R60702材质。

1.2 分段包覆设计

根据搅拌轴所要使用的工况和搅拌釜的结构等特点，将搅拌轴设计成三段式，首先为轴头部分。该部位不直接与介质接触，搅拌釜工作时，该部分直接落露于设备内腔体外，并与联轴器、减速机、电机等驱动设备相连，因此该部分不需要在TA2轴芯外进行R60702材料的包覆，只需保证其机械加工精度。

其次为与机械密封相配合的轴段，机械密与封轴结合面之间要保持无摩擦的旋转运动，因此轴与机械密封之间通常属于间隙配合[2]。通常釜体内的介质不会超过釜体高度的2/3，但由于高温、高压等因素的影响，可能会造成腐蚀介质的挥发，从而通过间隙影响搅拌系统的质量。为了确保间隙内搅拌轴的耐腐蚀性，该间隙段在TA2轴芯的外侧包覆R60702板材。由于该段为机械密封配合段，除了保证机械密封性能外，还需保证整个搅拌系统良好的旋转性能。因此该段采用R60702环形锻件原材料，经过数控精加工成型，再使用高精度的线切割分割成两半，再进行包覆制作层制作。采用这种方法保证了包覆层与轴的紧密贴合，也保证了良好的机械密封和轴的旋转性能。为了进一步保证该段的耐腐蚀性能，包覆层的一端采用锆丝堆焊，一端利用另一包覆层进行重叠覆盖，再统一经过精密车床加工。具体结构如图2所示：

最后为搅拌轴段，该段为轮毂、桨叶与轴的连接部分。通常轴体旋转通过键等连接件带动轮毂、桨叶旋转从而加速物料的均匀融合，因此轴的该部分需要与介质直接接触。为了保证其耐腐蚀性和良好的搅拌性能，该段全部采用包覆式结构。轮毂与轴之间的扭矩是通过键来传递，因此需要加工贯穿于包覆层的键槽用于安装平键。由于键槽的开设，安装平键后，无法保证包覆层与平键接触两端的密封性，使得轴芯直接暴露于介质中，大大降低了轴的可靠性。因此采用密封焊，将包覆层与平键间隙完全消除。同时在紧定螺钉一端开有小孔，使用锆丝将两个紧定螺钉进行固定，从而防止紧定螺钉失效 [3]。具体结构如图3所示：

2 轴的包覆制作

包覆轴的总体结构和包覆结构设计完成后，如何采用先进的工艺和有效的质量控制手段，制造加工出合格的包覆轴也是本文的重点。

首先，由于包覆段较长，若直接使用一整段包覆层进行包覆，则无法保证包覆质量。为了保证包覆层与轴芯之间的紧密贴合，根据轴段的不同功能，将包覆层分解为若干个短节。在组对包覆短节时，使用特殊制作的卡箍工装夹持，从而保证包覆层与轴芯之间的紧密贴合。

包覆层之间的焊缝质量，也对轴的整体质量和可靠性有着至关重要的作用。在组对包覆层短节焊缝时，留有一定组对间隙，焊接后利用焊缝收缩进一步保证包覆层与轴芯的紧密贴合[4]。同时为了确保焊缝质量，防止焊接反渗情况的出现，参考借鉴复合板设备垫板结构，在轴上开设有垫板槽，放入R670702垫板，再进行纵、环的焊接从而确保焊缝良好的耐蚀性。

最后，如何有效控制轮毂与桨叶连接板之间的焊接变形控制，保证轮毂连接板的精度，对轴的可靠性和使用寿命有着一定的影响。利用专门设计的工装进行轮毂连接板的组焊。不仅提高了组对精度和效率，还有效控制了焊接变形。

通过制造过程使用关键工艺、对关键点质量严格控制，最终制造完成的产实际使用效果良好，证明了以上工艺措施的可行性和正确性。

3 结语

本文针对以上问题，设计了一种包覆式搅拌轴，并通过控制制造中的关键工艺措施从而确保包覆结构的实现。最终制造的包覆式搅拌轴，在功能、安全等方面均能达到设计要求，同时由于包覆式结构的设计，大大节约了原材料的使用，降低了制造加工成本。

参 考 文 献

[1] 周耀.锆和锆合金在化工设备中的应用[J].化工设计，2003，13（4）：19-20.

[2] 陆亚伟，陆燕，柯沁.压力容器-反应釜中搅拌轴的设计[J].中国化工装备，2000（4）：30-31.

[3] 王洪波.反应釜搅拌轴的改进设计[J].机械工程师，2013.

[4] GB/T150.3-2011 压力容器[J].机械工程师，2013（2）：138.