浙江巨化检安石化工程有限公司
摘要：本文系统阐述了预反应器的用途、结构、原理，实施国产化改造的意义，理论计算了捏合段搅拌桨的运动轨迹，研究探讨了主轴、螺旋轴套、捏合段桶体、延伸段桨叶等主要零部件材质的选用，以此为基础，设计、制造的螺旋搅拌器等预反应器主要部件，实际使用效果良好，达到了进口设备的水平，圆满实现了进口设备的国产化改造。
关键词：预反应器捏合段螺旋搅拌器清洁销国产化
一、概述
1.预反应器的用途及原理
1.1预反应器的用途
氢氟酸预反应器属卧式固、液反应器，是生产氢氟酸的关键设备之一。原料硫酸和萤石在此混合的同时进行预反应，而后进入反应器，生成氟化氢气体。
1.2预反应器作用原理
预反应器的作用原理是：热萤石进入萤石混料段后在螺旋的推动下进入反应段，和一定比例高温混酸（98%硫酸发烟硫酸和洗涤酸的混和物加热以后）混合。在反应段内萤石和硫酸产生反应（用蒸汽采用夹套加热为反应提供热量）。预反应器内的螺旋搅拌器旋转和往复运动使物料捏合均匀并向前移动。随着搅拌的运行，搅拌桨叶一方面扰动反应物料，使萤石粒子不发生沉降，反应能顺利进行。另一方面在搅拌过程中，萤石表面得以更新，与硫酸充分接触，提高了反应的速度。混合并初步反应的物料推进至延伸扩大段。因该段的空间较大，反应产生的的HF从物料中脱出，最后物料在螺旋搅拌器的推动下进入反应炉。预反应器桶体的反应段和延伸扩大段的内壁上安装有大量的清洁销，其与螺旋搅拌器桨叶配合，能及时清除粘附在螺旋搅拌器桨叶之间，以及表面的反应副产物，搅拌器能够够在预反应器内正常运行。
2.预反应器国产化的意义
预反应器的工作原理和内部结构较为复杂，特别是氢氟酸介质对材质耐腐蚀的要求非布斯公司化3000多万元人民币整套引进的。该进口设备连续运行六年来，与介质直接接触的零部件，特别是搅拌器——螺旋轴套及延伸段桨叶磨损、腐蚀相当严重，虽已多次修补，但也无法全部修复，致使生产能力明显下降。而要引进搅拌器等零部件，价格非常昂贵，且订货周期长。为此我公司成立国产化攻关小组，经过两年多的努力，终于研制成功并投入生产，取得了经济和技术显著的成效。
二、预反应器结构及零部件的国产化
1预反应器的结构组成和工作原理
1.1预反应器的结构
预反应器由电机、摆线针轮减速机、传动箱、机座、螺旋主轴总成（主轴、螺旋轴套）、萤石下料段、捏合段、延伸段等组成，如图1，其中最为关键、国产化难度最大的是螺旋主轴总成中的螺旋轴套，即螺旋搅拌器及延伸段搅拌桨。
1.2螺旋搅拌器工作原理
相比其他进口传动设备，预反应器国产化的重点难点就是螺旋搅拌器。螺旋搅拌器沿轴装有三排、共9节螺旋轴套组成，螺旋桨叶外径340mm，螺距140mm，左旋。三排螺旋桨叶片在轴上也不是按单螺旋线排列，前后两片桨叶重叠于螺旋线上某一数值，称此为重叠系数。搅拌轴在连续转动的同时又作轴向往复运动，行程95mm/180°，物料一边混合和表面更新，一边被推入氢氟酸反应器。在机筒内壁面沿轴向设三排清洁销，三排在圆周方向呈120°均布，每排14个，中心距140mm。搅拌轴转动时，螺旋桨叶片在清沽销之间穿行，当旋转到一定角度，其中的一排清洁销与桨叶侧面的最小间隙约为10mm，起清洁螺旋桨叶片粘料作用（三排清洁销轮流清洁）。
2捏合段螺旋搅拌器
在氢氟酸预反应器的国产化过程中，搅拌器的研制是关键的一步。分析搅拌器在氢氟酸预反应中作用原理，以理论计算和测绘相结合，设计制造国产化搅拌器并用于生产。
2.1桨叶运动轨迹的理论分析和计算
在预反应器国产化改造过程中，由于设备的严重磨损和腐蚀，给桨叶叶片螺旋角和重叠系数的测绘带来很大困难，即使测得了精度也不高。桨叶叶片螺旋角和重叠系数又是影响叶片侧面与清洁销之间间隙大小的重要尺寸，间隙太大清洁效果差，间隙太小导致两者相碰而损坏设备。可见，螺旋角和重桑系数准确与否得是国产化成败的关键，为此采用理论计算和测绘分析相结合，设计搅拌器。
2.1.1搅拌轴轴向位移
由原进口预反应器实际运行可知，搅拌轴每旋转一圈，同时作轴向往复运动一次，行程为95mm，以便于将物料，输送到反应器中。以340mm为直径作圆并12等分，每隔30°编上角度。设90°270区间为桨叶轴向进或退的移动区间，再以此作三角形投影图，如图2所示。图2的右图中垂直边表示180°换向区间、水平边为轴向移动行程，斜边为清洁销在180°区间运动路程。当搅拌轴作匀速转动时，每转过30°其轴向移动量按正弦曲线分布，计算如下：
0°：移动量X1=95/2-（95/2）×sin0°=47.5
30°：X2=95/2-（95/2）×sin30•=23.75
60°：X3=95/2-（95/2）×sin60°=6.36
330°：X4=95/2-（95/2）×sin330°=71.25
300：X5=95/2-（95/2）×sin300°=88.64
270°：X6=95/2-（95/2）×sin270°=95
90°：X7=95/2-（95/2）×sin90°=0
2.1.2桨叶展开排列图
根据现场观察并结合测量数据，在搅拌轴伸出至极限位置时，桨叶和三排清洁销的相位分布排列如图3所示。结合实测数值，由桨叶展开图中得到的以下数据可用于设计。
①最左一圈三片叶片中心平面与筒体左端面的距离分别为：8、54.7、101.4mm；
②前后两片桨叶片侧面重叠8mm，符合叶片在轴上左右对称排列的实际情况
③在直径为340mm处，桨叶与搅拌轴中心轴线夹角为11°，即为螺旋角。
三、零部件材质的选择和应用
1螺旋芯轴—主轴材质的选用
螺旋主轴总成是由主轴、油缸、碟簧、轴瓦段、填料段轴套、螺旋轴套（搅拌桨）、端螺母等组成，螺旋轴套是空心的，一节节套装在主轴上，各节轴套端面开有O型圈槽，用氟橡胶O型圈密封，全部组装后，用端螺母初步紧固，再用油缸顶压碟簧，端螺母继续拧紧，卸去油缸压力，碟簧弹开，压紧各轴套端面，使各节轴套端面间密封良好。因此，主轴被外装的的螺旋轴套密封保护，与反应介质隔离。故主轴只要满足实际负载运行所需的强度、刚度即可，不需考虑其耐腐性，因此芯轴我们选用原进口相同的材质—40GrNiMoA。
2螺旋轴套材质的选用
氢氟酸预反应器的运行工况较为复杂，特别是捏合段150度温度硫酸与萤石反应的工况更为恶劣，对材质的耐腐、耐磨性要求特别苛刻。螺旋轴套就处在这样的工况中使用，它的耐腐性和耐磨性显得非常重要。参照原进口设备，使用的是HastelloyC-276合金，因此，我们对Hastelloy系列合金进行了研究、分析、比较，从中选择一种更适合现有介质的材料。
2.1合金概述
Hastelloy合金分为耐蚀合金和际热合金，耐蚀合金又分为3个主要系列即B、C、G。B系列有B、和海水的孔蚀。B-2、B-3；C系列有C、C-276、C4、C-22、C-2000；G系列有G、G-3、G30、G-50等。Hastelloy耐蚀合金中最通用的是C类合金。
2.1.1HastelloyC
HastelloyC是在HastelloyB合金的基础上添加Cr、W元素形成的，是Ni-Cr合金和Ni-Mo合金的兼容和优化，在氧化性和还原性介质中都具有很好的耐蚀性能以及耐局部腐蚀、耐氯化物应力腐蚀破裂和海水的孔蚀。
2.1.2HastelloyC-276
在HastelloyC-276出现之前阻碍C合金发展的最大障碍是需要进行焊后固溶处理，而焊接是绝大多数设备制造必需的加工过程。焊接使焊缝及热影响区的耐蚀性能急剧下降。HastelloyC-276为此难题提供了解决方案。由于极低的C、Si含量，焊接热影响区的耐蚀性能几乎与基体金属相同。在1965年C-276一推出迅速成为Haynes公司的拳头产品之一。在许多腐蚀环境中合金C和C-276的耐蚀性间腐蚀性能相似。在合金C-276的焊接热影响区不存在连续的晶粒边界偏析，因此不会产生严重的晶间腐蚀
但C-276并不具备足够的热稳定性，在650~1090℃温度范围内长时间时效后，也会在晶界析出碳化物或伴随产生金属间化合物μ相（Co2Mo型），使抗晶间腐蚀性能下降。为了克服这种敏感性，20世纪70年代开发了高温稳定性更好的HastelloyC-4。
2.1.3HastelloyC-4
HastelloyC4具有显著的高温稳定性，当置于650~1040℃长期时效后，呈现良好的延展性和耐晶间腐蚀性能。在焊接热影响区可抵制晶界沉积的形成。
在合金C-4中，除了大幅度降低C和Si含量外，主要变化是从基本化学成分中除去了钨，减少铁添加钛。这种成分上的调整显著改进了热稳定性，消除合金中金属间化合物的析出和晶界偏析。在强还原性介质像盐酸中合金C-276表现更好一些，在高氧化性介质中合金C-4的耐蚀性更胜一筹。
2.2螺旋轴套材质的最终确定
综上所述，经过分析比较，从材质耐蚀性、耐磨性、经济性和采购难易程度考虑，我们最终选择了HastelloyC-4，作为螺旋轴套的最佳用材。
3捏合段桶体材质的选用
螺旋轴套与捏合段桶体组装成为搅拌器，它们同处在一个相同的工况中，故同样选用HastelloyC-4，同时考虑国内小直径厚壁卷板设备的加工能力，在满足强度的前提下，将桶体壁厚由35毫米改为24毫米，在44个清洁销孔处另焊实心座，以使清洁销配合状态不变，并取消三条压板，改用帽罩固定清洁销（具体结构见图1）。这样改进之后，可用钢板直接卷制，从材料致密性方面比之精铸、离心浇铸更有保证；比之壁厚35毫米重量减轻了约500KG，加上三条压板重量约60KG，从材料一笔就可节约资金15万元左右。从制造工艺方面又可解决各种加工问题。
4延伸段搅拌浆和桶体材质的选用
延伸段处于预反应器捏合段和反应器（转炉）之间，它的作用是将捏合段预反应的物料推入反应器（转炉）继续反应，此处的物料腐蚀性大为降低，所以考虑节约制造成本，其搅拌轴选用直径120毫米的Inconloy825管材，桨叶选用HastelloyC-276（C-276耐蚀、耐磨性均优于Inconloy825），同理，延伸段桶体也选用厚度15毫米的Inconloy825板材，卷制而成。
四、结论
通过对氢氟酸预反应器用途、结构、工作原理的研究，对其中国产化关键部件——螺旋搅拌器材质选用的探讨，特别是对螺旋搅拌和清洁销运动轨迹的理论计算和测绘，求得了螺旋角和重叠系数等关键参数，为螺旋搅拌器的国产化莫定了基础。经专业设计、精心选材、精密制造，将各部件在厂房组装，整机安装装置现场后，试车一次成功，并用于生产，获得满意的效果。氢酸预反应器的国产化改造，既消化吸收了国外技术，又节约大量的外汇和生产成本（进口一节螺旋轴套需42万元人民币，我们自制一节只需6.2万元，五节共节约约179万元），取得较好的经济效益。进口设备国产化改造的成功经验，值得大力推广。
参考文献：
[1]成大先主编、机械设计手册第三版、第二卷，北京：化学工业出版社2012.8
[2]叶文邦主编、化工设备与管道、第44卷第2期，2007年4月