林志佳， 陳 貺

(1.中冶瑞木新能源科技有限公司， 河北 唐山 063200； 2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 工藝和設(shè)備管理介紹

某新能源材料公司作為濕法冶煉企業(yè)，利用自身獨(dú)特的原料及工程建設(shè)等優(yōu)勢，僅用18個月建成并投產(chǎn)國內(nèi)規(guī)模最大的三元前軀體生產(chǎn)企業(yè)，其濕法冶煉工藝制備工藝為：氫氧化鎳鈷原料為噸袋包裝，從港口碼頭卸船后汽車倒運(yùn)至原料倉庫貯存；由廠房內(nèi)行車吊送至漿化區(qū)域，破袋后倒入鎳鹽儲倉，經(jīng)皮帶輸送機(jī)送至漿化槽攪拌漿；物料經(jīng)過槳化、浸出、萃取、合成、烘干等濕法冶金工序生產(chǎn)三元前驅(qū)體材料。

該新能源材料公司作為生產(chǎn)型企業(yè)，設(shè)備投資占據(jù)了企業(yè)固定資產(chǎn)投資比例的50%以上，設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而固定資產(chǎn)投資中主要設(shè)備運(yùn)行的好壞直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營情況，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、確保生產(chǎn)安全、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和提高市場競爭力的有力工具[1]。在濕法冶煉行業(yè)，生產(chǎn)工況對設(shè)備耐腐蝕性、耐磨性、強(qiáng)度等設(shè)備性能提出了較高的要求，根據(jù)工況條件選擇合適的設(shè)備，做到合理維護(hù)保養(yǎng)，對降低設(shè)備故障率和生產(chǎn)成本尤為重要。隨著生產(chǎn)時間的延長與推進(jìn)，許多設(shè)備及工藝問題凸顯出來，如部分設(shè)備不適應(yīng)工況、工藝繁雜、冗長等，生產(chǎn)成本高于其他生產(chǎn)企業(yè)，為提高企業(yè)生存空間，優(yōu)化工藝、開展設(shè)備改造、控制生產(chǎn)成本已迫在眉睫。

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

本企業(yè)分兩期建設(shè)，一期已于2018年底投產(chǎn)，二期計劃于2020年投建，合計年產(chǎn)6萬t高鎳三元前驅(qū)體并副產(chǎn)高純氧化鈧，是目前在建的國內(nèi)最大的高鎳三元前驅(qū)體及全球最大的高純氧化鈧研發(fā)及生產(chǎn)基地，具有原料來源穩(wěn)定、工藝流程先進(jìn)、產(chǎn)品去向明確、市場競爭力強(qiáng)等綜合優(yōu)勢。

本企業(yè)設(shè)置有浸出凈化、成品、萃取、公輔、氧化鈧等生產(chǎn)車間，設(shè)備總數(shù)量為13 000余臺，其中浸出凈化車間使用大量的金屬離心泵，用于輸送鐵鋁渣洗滌液、除鈣鎂壓濾液等還原浸出液液體，此類液體的特性為腐蝕性強(qiáng)、含固量高、顆粒懸浮物高、易氣化及易結(jié)晶。此類泵的特點(diǎn)為葉輪懸臂式結(jié)構(gòu)，軸向吸入、徑向排出，軸封采用填料密封，葉輪通過葉輪鎖母定位于軸上，起到輸送液體的作用。

3 金屬離心泵生產(chǎn)中存在的問題

自2018年12月投產(chǎn)至2019年9月，公司已生產(chǎn)運(yùn)行近10個月，期間金屬離心泵在生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)了諸多問題，主要是軸封泄漏頻繁，填料需要頻繁更換。造成大量含金屬成分的貴重液體泄漏，影響環(huán)境也造成資源浪費(fèi)。經(jīng)統(tǒng)計填料密封材料更換周期為5天，需要每天安排2～3名操作人員專門處理金屬離心泵的軸端泄漏問題，消耗大量的人力、物力。據(jù)統(tǒng)計2018年12月～2019年9月處理金屬離心泵泄漏故障的檢修項目1 300余項。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析，填料密封頻繁泄漏的原因是：(1)填料密封型式中盤根作為主要密封材料，與軸或軸套直接接觸，且相對轉(zhuǎn)動，由于其表面光潔度差，造成填料與填料函及軸之間的摩擦系數(shù)大，使軸或軸套易磨損，磨損后泵內(nèi)溶液滲漏；(2)經(jīng)過一定時間的使用之后，填料中的潤滑劑流失，盤根的生產(chǎn)工藝多數(shù)情況為編織，較其他密封材料相比，其膨脹系數(shù)大，膨脹后在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中填料與軸之間產(chǎn)生較大的摩擦力，使得盤根更加易損。因此為了延長盤根的使用壽命，降低盤根與軸套產(chǎn)生的摩擦熱，允許一定的泄漏量，以便盤根得到有效冷卻和潤滑。

在生產(chǎn)運(yùn)行中，時常出現(xiàn)泵泄漏故障，經(jīng)檢修后新更換的盤根運(yùn)行狀況良好。但短暫使用后，泄漏量加大，需頻繁調(diào)整填料壓蓋及更換盤根，如果不及時更換填料繼續(xù)使用，軸套磨損加劇變形而報廢，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)軸套磨斷，使得盤根密封失效，無法有效密封[2]。

鑒于上述盤根密封的缺點(diǎn)，盤根密封形式允許保持一定的泄漏量，如此勢必造成對現(xiàn)場環(huán)境的污染及貴重金屬溶液的損失；盤根填料摩擦系數(shù)大，使得電機(jī)的有效功率降低，電能消耗增加；盤根密封較其余密封形式(如機(jī)械密封)相比，漏泄量大，有時不可控[3]。

4 金屬離心泵相關(guān)問題解決方案

經(jīng)過對泵現(xiàn)有的軸封結(jié)構(gòu)分析泄漏原因及現(xiàn)有填料密封的缺點(diǎn)，找到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出將填料密封改為K型動力密封結(jié)構(gòu)的改造方案。

K型動力密封的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)泵運(yùn)行時由于葉輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，泵腔內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，K型油封的唇口因負(fù)壓而收縮，與軸套不直接接觸，減小相互之間的磨損，液體無法向外泄漏；(2)泵停止運(yùn)行后，由于葉輪停轉(zhuǎn)，泵腔內(nèi)負(fù)壓消失，轉(zhuǎn)為正壓，K型油封唇口由收縮變?yōu)閺埦o，油封唇口與軸緊緊抱住，達(dá)到停機(jī)時密封的效果。因此K型密封結(jié)構(gòu)利用的是K型油封唇口的柔韌性及耐磨性達(dá)到開機(jī)及停機(jī)時的密封效果[4]。

金屬離心泵的密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中填料和軸套是配套使用。填料安裝在填料函中，通過填料壓蓋將填料(盤根)緊固于密封腔體中，隨著軸的轉(zhuǎn)動，軸或軸套與填料形成動密封[5]。填料示意圖如圖2所示，軸套示意圖如圖3所示。

1.填料 2.軸套圖1 金屬離心泵密封型式結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 填料示意圖

圖3 軸套示意圖

改造后的金屬離心泵密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，K型密封圈通過過渡配合安裝于軸套與襯套之間，形成有效的密封結(jié)構(gòu)。K型密封圈與軸套及襯套的裝配示意圖如圖5所示。

1.K型密封圈 2.軸套 3.襯套圖4 改造后的金屬離心泵密封型式結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 K型密封圈與軸套和襯套裝配示意圖

本次改造的關(guān)鍵部位為軸套與襯套的加工，軸套外表面粗糙度為Ra1.6，通過如此高的粗糙度要求，確保軸套運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與K型密封圈的低摩擦力，延長K型密封圈的使用壽命。

5 金屬離心泵改造特點(diǎn)

(1)原有填料密封形式與改造后K型密封結(jié)構(gòu)的對比：

①原有填料密封結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：填料盤根為易耗件，更換周期短、價格高，填料易磨損泵軸及泵殼，磨損后泵的修復(fù)費(fèi)用高。

②改造后K型密封結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：易耗件將盤根替換為K型密封圈，更換周期長、價格低；K型膠圈不易磨損泵軸及泵殼，后續(xù)修復(fù)費(fèi)用極低；K型密封基本實現(xiàn)零泄漏，減少溶液損失。

(2)本次金屬離心泵改造的特點(diǎn)為：在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上不需要更換泵殼、泵軸等價值高的配件，通過對泵殼及軸套進(jìn)行機(jī)械加工，并合理選用規(guī)格與之匹配的價格低的易耗件K型密封圈，以取代現(xiàn)有價值較高的填料盤根。

(3)技術(shù)核心點(diǎn)為：

①K型密封圈的選型：選用規(guī)格合理、材質(zhì)適用的(標(biāo)準(zhǔn)件，價格低)。

②軸套與泵殼襯套的加工：根據(jù)選型后的K型密封圈對現(xiàn)有軸套、泵殼進(jìn)行重新設(shè)計，并對設(shè)計后的軸套、襯套等機(jī)械加工配件的制造精度進(jìn)行控制，將軸套外表面的粗糙度控制為Ra1.6以內(nèi)，通過對粗糙度高要求，確保軸套運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與K型密封圈的低摩擦力，延長K型密封圈的使用壽命。

6 金屬離心泵改造效果與效益

經(jīng)對原有金屬離心泵的壓力、轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程等技術(shù)參數(shù)、以及輸送介質(zhì)的濃度、粘度、腐蝕性等特性，結(jié)合金屬離心泵的周邊公共條件、空間限制及生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性細(xì)致分析后，根據(jù)實際工況要求設(shè)計合適的密封結(jié)構(gòu)，使K型密封完全能滿足現(xiàn)在工況的要求。金屬離心泵的密封使用壽命由原來的5天延長至45天，極大地延長了設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備維修消耗，確保生產(chǎn)正常有序進(jìn)行。通過改造降低設(shè)備維護(hù)和維修成本、減輕工人的勞動強(qiáng)度、減少物料浪費(fèi)、避免環(huán)境污染，通過此次改造產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。