摘 要：本文對基于旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)支撐板開裂失效問題進(jìn)行了研究。采用試驗測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對支撐板的材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作條件等因素進(jìn)行了綜合考慮。應(yīng)用材料力學(xué)性能測試和顯微結(jié)構(gòu)觀察，確定了支撐板的材料強(qiáng)度和斷裂特性，同時利用有限元分析方法對不同負(fù)載條件下的支撐板進(jìn)行了應(yīng)力分布和變形情況的模擬計算。分析結(jié)果顯示，在高負(fù)載工況下，支撐板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，易導(dǎo)致開裂失效。根據(jù)分析結(jié)果，本文提出了改進(jìn)措施，包括優(yōu)化材料選擇、增加支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計等。本文研究能夠為預(yù)防和解決基于旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)支撐板開裂失效問題提供參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)；濾網(wǎng)支撐板；開裂失效分析

中圖分類號：TG 17 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)是常用于固液分離的設(shè)備，作為關(guān)鍵組件之一，轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)在過濾過程中具有支撐、過濾和干燥作用。但長期使用后，轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)支撐板開裂失效的問題逐漸凸顯，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運行和生產(chǎn)效率。因此，對轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)支撐板開裂失效進(jìn)行深入研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)的驅(qū)動方式主要以電機(jī)驅(qū)動為主，在運轉(zhuǎn)過程中由鏈條傳動帶帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)分離的目的。在旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)中，過濾機(jī)由驅(qū)動系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)等組成[1]。過濾機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)的工作原理如下所示。過濾機(jī)是利用壓力差使固體顆粒與液體通過多孔介質(zhì)（濾布、濾板等）進(jìn)行分離的機(jī)器。在液環(huán)式真空泵作用下，過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，漿料由下部進(jìn)料口進(jìn)入過濾機(jī)。濾液在內(nèi)、外壓差作用下經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，由真空管線吸出，經(jīng)分離罐氣液分離后排出。晶體在濾網(wǎng)上形成濾餅，濾餅轉(zhuǎn)動到上部，由醋酸洗滌噴管進(jìn)行洗滌（去除晶體中存在的雜質(zhì)和催化劑），然后轉(zhuǎn)到反吹閥處，由氮氣吹出，到達(dá)下料口。在這個過程中，真空過濾機(jī)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(jī)的生產(chǎn)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(jī)氣流進(jìn)口到真空過濾機(jī)冷凝器進(jìn)口），就預(yù)示過濾機(jī)濾布產(chǎn)生結(jié)垢或者堵塞了，應(yīng)及時將過濾機(jī)切出堿洗，以恢復(fù)過濾機(jī)性能。常規(guī)工況下真空度壓力為-55Pa～-45Pa，旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)的反吹氣氧含量應(yīng)為15vol%～0vol%，目標(biāo)值≤10vol%。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

失效濾網(wǎng)支撐板宏觀外貌圖如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)的理化檢驗中，通過觀察圖2（a）中失效濾網(wǎng)支撐板的外部情況和圖2（b）中的裂紋情況可以發(fā)現(xiàn)，造成旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)開裂的主要原因是其在加工過程中發(fā)生了形變，導(dǎo)致濾網(wǎng)逐漸向四周擴(kuò)展。

2.2 化學(xué)成分分析

對旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)進(jìn)行化學(xué)成分分析時，為了更好地對設(shè)備中濾網(wǎng)支撐板化學(xué)成分進(jìn)行有效分析，可使用Spectromaxx直讀光譜儀進(jìn)行檢測，所得數(shù)據(jù)見表1[3]。根據(jù)GB/T20878—2007標(biāo)準(zhǔn)中的317不銹鋼和316L不銹鋼元素含量，與表1中的相關(guān)化學(xué)元素成分進(jìn)行比較后可知，旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)失效濾網(wǎng)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(nèi)，只有316L不銹鋼中的Mo元素的實測值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。因此，旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)失效濾網(wǎng)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(zhuǎn)式真空過濾機(jī)使用JSM-6160-LV掃描電鏡進(jìn)行斷口分析時，JSM-6160-LV能對腐蝕產(chǎn)物能譜進(jìn)行有效分析，并基于其濾網(wǎng)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(xiàn)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(guān)元素含量進(jìn)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(wǎng)支撐板進(jìn)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(wǎng)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(nèi)充斥較多腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)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(tài)2個方面對裂紋位置進(jìn)行判斷。通常情況下，裂紋開裂主要是點蝕坑應(yīng)力腐蝕開裂，如圖4（c）所示。這些失效濾網(wǎng)支撐板的基本組織結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xué)測試

在旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)濾網(wǎng)支撐板材料中，由于濾網(wǎng)材料為316L不銹鋼，因此需要對其進(jìn)行預(yù)應(yīng)變處理，并使用MF300型鐵元素測量預(yù)應(yīng)變45%條件下對應(yīng)的316L不銹鋼中的馬式體含量，結(jié)果見表2。

分析316L不銹鋼中預(yù)應(yīng)力時，采用CHI66E電化學(xué)儀器一體化電化學(xué)分析系統(tǒng)，模擬316L不銹鋼與預(yù)應(yīng)變45%的316L奧氏體不銹鋼在含有Br-環(huán)境中的使用狀況，如圖5所示。而對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaBr溶液來說，相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)見表3[6]。因此，316L不銹鋼在預(yù)應(yīng)變腐蝕的情況下呈一定的下降趨勢，這也使316L不銹鋼產(chǎn)生的馬氏體相變越多，越容易發(fā)生點蝕現(xiàn)象。

3 分析與討論

分析旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)的理化試驗結(jié)果可知，在旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)濾網(wǎng)支撐板中，該不銹鋼濾網(wǎng)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(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)參考值。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)中的奧氏體的穩(wěn)定性會逐漸下降，最終會對濾網(wǎng)的耐腐蝕性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，該問題會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)式真空過濾機(jī)發(fā)生開裂，開裂原因是316L不銹鋼中Mo元素含量較少。經(jīng)長時間使用后，設(shè)備會因疲勞而開裂，進(jìn)而影響設(shè)備后續(xù)使用。

4 針對旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)問題的改造方案

4.1 對錯氣盤預(yù)吸區(qū)的改造

錯氣盤預(yù)吸區(qū)通常位于旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)的進(jìn)料區(qū)域。過濾機(jī)的進(jìn)料端設(shè)有錯氣盤，其作用是在過濾介質(zhì)上形成一層負(fù)壓，在進(jìn)料過程中將固體物料均勻覆蓋在過濾介質(zhì)上，形成一個均勻的預(yù)吸區(qū)。對旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)的錯氣盤預(yù)吸區(qū)進(jìn)行改造的主要目的是提高旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)中的相關(guān)介質(zhì)。對不銹鋼的金屬絲網(wǎng)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(dǎo)致中低高液濾機(jī)完全暴露在預(yù)吸區(qū)，預(yù)吸區(qū)必然會出現(xiàn)真空現(xiàn)象，因此必須使用鋼板對對濾機(jī)的預(yù)吸區(qū)進(jìn)行封堵處理，才能避免上述情況的發(fā)生。

4.2 對錯氣盤高低真空封閉區(qū)的改造

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

4.3 對過濾介質(zhì)的改型

在顯微鏡下，對晶型、顆粒度分度和沉降時間進(jìn)行觀察后可以發(fā)現(xiàn)，真空過濾機(jī)下會出現(xiàn)較高阻力，原因是進(jìn)行過濾時，過濾機(jī)的過濾表面需要先進(jìn)行“搭橋”，再進(jìn)行過濾。選擇小孔的絲網(wǎng)進(jìn)行過濾，有利于降低穿漏率。如果注重堿結(jié)晶的質(zhì)量，就應(yīng)該更換對應(yīng)的過濾絲網(wǎng)，降低過濾床層的通風(fēng)阻力，提高其透氣性，以減少重堿的水分。

4.4 對噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化

對噴淋系統(tǒng)進(jìn)行有效改進(jìn)，可以在最佳時間段內(nèi)對重堿鹽分相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試，從中獲得相應(yīng)的間距標(biāo)準(zhǔn)要求。為此，洗水噴淋管間距可以從原有的2cm～22cm調(diào)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(jié)語

本文綜合運用試驗測試和數(shù)值模擬方法，對基于旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)支撐板開裂失效問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，支撐板材料強(qiáng)度和斷裂特性、工作條件以及結(jié)構(gòu)設(shè)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(yōu)勢，還能最大限度地避免過濾介質(zhì)中由溴離子含量較低導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

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