某制藥公司生產(chǎn)的藥霜工藝流程裝置核心設(shè)備 IH／R03攪拌釜是意大利pressinduspria公司提供的，結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過攪拌釜高速的旋轉(zhuǎn)，將不同成分原料藥進行充分混合，制成藥霜成品。2001年開工后，在攪拌過程中，經(jīng)常有黑色石墨污染白色藥霜，造成產(chǎn)品的成批報廢。不但影響了產(chǎn)品的交貨期，而且增加了產(chǎn)品的成本。嚴重地影響了產(chǎn)品的品質(zhì)及公司信譽。
1 問題描述
經(jīng)分析認為，是該釜使用的機械密封石墨磨損后， 落入罐體內(nèi)，造成了污染。該公司立即通知了意大利 pressinduspria公司。隨后，意大利專家對摩擦副、潤滑系統(tǒng)等做了多次的改進，但問題始終沒有得到解決。該 問題困擾該廠長達4年。2005年，該公司找到我們，希望解決這個難題。
2 問題分析
2．1 密封的使用情況分析
該設(shè)備的型號為：te3—4000， 攪拌直徑約為 1500mm，罐體容量為4000L。壓力：一0．5～3MPa (A)溫 度：20℃～84℃；工作轉(zhuǎn)：12～16r／min。從攪拌釜示意圖 (圖1)中可以看出，該釜的較大軸為空心攪拌軸，裝有錨式攪拌頭，軸徑為 φ160，軸與反應(yīng)釜之間有一套密封裝在反應(yīng)釜的上部(見圖2)，為上部機封(件號1)； 第二根軸也是空心攪拌軸，裝有槳式攪拌頭，軸徑為φ 120，裝在較大軸里面，較大軸與第二根軸之間有相對運動，裝有一套密封，為中部機封(件號2)；第二根軸里面還裝有一根實心軸，裝有勻化器，它們之間也裝有 一套密封，為底部機封(件號3)。這套密封是浸在藥液里面，有潤滑和良好的冷卻作用。因此，采用了硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金摩擦副配對的機械密封，避免了污染，同 時其密封壽命也非常長。而上部與中部的機械密封的摩擦副端面無法得到液體冷卻和潤滑。在生產(chǎn)過程中， 當釜內(nèi)的壓力為一0．5MPa時，外部的大氣壓會將上部 (件號1)和中部(件號2)密封石墨摩擦副端面磨損掉的碳黑擠壓進釜體內(nèi)造成污染。
2．2 對原有機械密封摩擦副的改進
解決石墨環(huán)磨損掉渣的污染問題方法很多．較簡單的方法就是選用沒有碳黑掉渣的摩擦副配對如硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金、碳化硅對硬質(zhì)合金等方法。由于該釜上、中部的密封端面沒有冷卻潤滑的條件．如果選擇硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金、碳化硅對硬質(zhì)合金等配對摩擦副，雖然能夠解決石墨環(huán)掉渣污染的問題．但由于密封端面無潤滑．密封面處于完全干摩擦狀態(tài)，密封的壽命會非常短。
據(jù)了解意大利pressinduspria公司及相關(guān)專家采用提高石墨環(huán)密封材料的性能方法等多種方法都沒有能夠解決石墨環(huán)掉渣污染問題
首先排除了軟環(huán)用石墨環(huán)．我們采用自潤滑性能 較好的SiC／SiC，但使用條件惡劣．機械密封的壽命也非 常短。為了保證機械密封有較長的使用壽命和不會無污染產(chǎn)品．經(jīng)過我們反復(fù)的實驗．較后選擇了的白色純聚四氟乙烯(PTFE)作密封軟環(huán)與硬質(zhì)合金配對 PTFE 有優(yōu)良的自潤滑性能，具有生理惰性．能夠用于制作人工血管和臟器長期植人體內(nèi)且無不良反應(yīng)。因此．即使磨損掉渣．也不會影響藥霜的質(zhì)量。
2．3 改進后密封摩擦副存在的問題
盡管PTFE作為摩擦副具有良好的自潤滑特性．但當介質(zhì)溫度或摩擦副端面溫度變化后，F(xiàn)E會產(chǎn)生相當大的變形．影響摩擦副端面的平面度．進而導(dǎo)致密封失效。在一般情況下， FE作為密封的摩擦副。需要與金屬件鑲嵌形成組合件。而四氟線脹系數(shù)為：66x10-6(1／ ℃)，316L的線脹系數(shù)為：15~10-6(1／℃)。我們設(shè)計的摩 擦副外徑為D=214m。當溫度達到84℃時，根據(jù)△S = ( a1一a2)D△T，四氟直徑將增加0．9mm。
顯然，若按照通常圖3所示的鑲嵌環(huán)結(jié)構(gòu)。當溫度的升高，四氟的膨脹，受結(jié)構(gòu)的約束，造成端面PTFE端面產(chǎn)生很大的變形，導(dǎo)致密封失效。當溫度的降低，四 氟的收縮，四氟與金屬貼合面出現(xiàn)間歇。也會導(dǎo)致密封的實效。
3 改進后全新的密封結(jié)構(gòu)
為了能夠?qū)⑺姆鷳?yīng)用于摩擦副．同時避免溫度變化影響。通過反復(fù)的試驗，設(shè)計了一種特殊的結(jié)構(gòu)。如圖4在該結(jié)構(gòu)里。四氟密封環(huán)底部裝有橡膠O形密封 圈，當溫度降低時，四氟收縮，其與環(huán)座之間出現(xiàn)間隙。 這時，受到密封彈簧壓緊力和腔體內(nèi)的壓力的作用。四氟密封環(huán)壓向O形圈，保證介質(zhì)不會從鑲嵌部位泄漏，如果溫度升高，該四氟密封環(huán)的外徑增大，由于結(jié)構(gòu)的約束，會產(chǎn)生一個沿著與環(huán)座配合的楔形面向上的分力，密封環(huán)的徑向變形轉(zhuǎn)換成軸向移動．密封環(huán)在徑向受到的約束力小，產(chǎn)生的變形非常微小，不會導(dǎo)致密封失效。
選擇了這種設(shè)計方案后，通過調(diào)整楔形角度、彈簧 力、端面比壓、四氟密封環(huán)的寬度等不同的參數(shù)。進行臺架幾十次的臺架實驗。較后找出了較佳設(shè)計方案 2006年。我們用上述方法對攪拌釜機械密封進行了改造，完全避免了石墨密封環(huán)掉黑渣的問題。該產(chǎn)品 一直用到了2011年8月。
4 結(jié)論
我們根據(jù)具體的情況，非常規(guī)地選用了四氟作為摩擦副配對材料。并通過新穎的結(jié)構(gòu)形式，解決了四氟鑲嵌環(huán)的變形問題。通過這一次的密封改造。不但解決了用戶現(xiàn)場機械密封掉黑渣的實際問題。而且提出了降低溫度變化對四氟密封環(huán)變形影響的結(jié)構(gòu)。這種方法能夠為低速、重載、干摩擦的工況的密封難題，提供了一種解決方案。
