＊劉長安 杜劍偉 杜昱宏 肖鵬 戰(zhàn)航 熊思強

（包鋼集團礦山研究院（有限責任公司） 內(nèi)蒙古 014010）

在化工與冶金等領(lǐng)域中，機械攪拌反應釜作為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵設備，扮演著促進化工過程、冶金工藝和其他生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展的重要角色。在實際生產(chǎn)工作中，由于內(nèi)部反應不穩(wěn)定或設備本身出現(xiàn)問題，反應釜通常會發(fā)生各種故障問題，特別是反應釜中的機械攪拌裝置，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題的頻率較大。通常情況下，機械攪拌裝置會出現(xiàn)以下故障：

軸承故障：由于長時間的運轉(zhuǎn)造成軸承的磨損，導致軸承故障。這可能表現(xiàn)為軸承發(fā)出異常聲音、轉(zhuǎn)動不靈活等情況。

密封問題：攪拌裝置的密封件會因為磨損或老化而導致泄漏。泄漏問題會影響反應釜的工作效率，甚至對操作環(huán)境產(chǎn)生負面影響。

電機故障：如果驅(qū)動機械攪拌裝置的電機發(fā)生故障，例如電機燒壞、線路問題等，將影響攪拌器的正常運轉(zhuǎn)。

攪拌器問題：由于攪拌器設計、安裝或磨損問題，會導致攪拌器失衡、攪拌強度不夠，進而引起振動和噪音、物料沉積等問題，對反應釜的穩(wěn)定性和設備壽命造成影響。

材料磨損：機械攪拌裝置的關(guān)鍵部件，如攪拌葉片，可能因為長時間的使用而產(chǎn)生磨損，降低攪拌效果。

驅(qū)動裝置問題：如果驅(qū)動機械攪拌裝置的電機或傳動系統(tǒng)存在問題，例如齒輪損壞或傳動帶斷裂，將影響攪拌器的正常運行。

因此，有必要對攪拌裝置進行優(yōu)化改造，從而有效的確保反應釜的穩(wěn)定運行，提高生產(chǎn)效率。盡管在修理和改造設備方面投入一定的經(jīng)費和人力，對于企業(yè)而言，這項投資實際上是確保安全生產(chǎn)的必要措施。通過對機械攪拌反應釜進行修理和改造，化工企業(yè)能夠在經(jīng)營和運營過程中實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益的雙贏。通常情況下，反應釜內(nèi)部進行的反應是復雜且多變的，物料之間的相互反應的過程中會對設備本身造成一定影響，長期以往就會損傷設備。忽視對設備微小細節(jié)問題的及時修理和改造，未在定期檢查中提前排查這些細節(jié)問題，可能導致在長期運行中發(fā)生嚴重的安全事故。因此，就更應該對設備進行優(yōu)化改造，合理設計釜體結(jié)構(gòu)以及機械攪拌裝置，有效避免設備運行過程中出現(xiàn)的問題，規(guī)避可能出現(xiàn)的安全生產(chǎn)風險，提高生產(chǎn)效率，為工業(yè)應用中的化學反應提供了全新的可能性。以期為工程實踐和科研領(lǐng)域的專業(yè)人士提供有益的參考和啟示，幫助化工行業(yè)在發(fā)展的過程中不斷提升安全生產(chǎn)以及安全管理水平。

1.機械攪拌反應釜概述

（1）工作原理。機械攪拌反應釜的工作實現(xiàn)，依靠的是力學作用。在反應釜內(nèi)設置機械攪拌裝置，通過旋轉(zhuǎn)機械組件將輸入的電能轉(zhuǎn)化為反應釜內(nèi)的動能，并通過誘發(fā)流場內(nèi)的復雜湍動過程實現(xiàn)流體的動量耗散，以此來保證反應物間的擴散能力，最終對反應釜內(nèi)化學反應的進行起到促進作用[1]。

（2）機械攪拌反應釜的組成。機械攪拌反應釜可分為四個部分，其主要組成包括釜體、機械攪拌裝置、管路系統(tǒng)、渣漿泵。

釜體：釜體是反應釜的主要容器，通常由耐腐蝕、高溫高壓的材料構(gòu)成，以承受不同反應條件下的壓力和溫度。

機械攪拌裝置：機械攪拌裝置通過動力裝置驅(qū)動，使得攪拌器或攪拌葉輪在釜體中旋轉(zhuǎn)，以確保反應物料充分混合，提高反應效率。攪拌裝置的設計可以根據(jù)不同的反應需求而變化，包括葉輪形狀、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

管路系統(tǒng)：反應釜內(nèi)部設置有管路系統(tǒng)，通常包括進料口、出料口以及其他管路，如渣漿泵連接的管路等。這些管路系統(tǒng)用于輸入反應物料、輸出產(chǎn)物或進行其他必要的操作。

渣漿泵：一種通過離心力將固、液混合介質(zhì)能量增加的機械設備，通過電能轉(zhuǎn)換成介質(zhì)的動能和勢能。在泵的作用下，混合介質(zhì)被拋向外緣并獲得能量，然后通過蝸形泵殼逐漸減速，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最終以較高的壓力流入排出管道，輸送含有渣滓的固體顆粒與水的混合物。

（3）機械攪拌裝置的結(jié)構(gòu)。機械攪拌裝置可分為六個部分：攪拌軸、攪拌器、動力裝置、軸承、密封裝置、控制系統(tǒng)。其中攪拌器是主要部分，其連接在攪拌軸上，起攪拌作用。攪拌器一般根據(jù)反應釜用途及大小進行設計，有多種攪拌器形式。

表1 攪拌器按結(jié)構(gòu)分類

（4）攪拌器分類。在工業(yè)生產(chǎn)中攪拌設計的相關(guān)方面仍有需要完善與發(fā)展的空間，例如，單一的攪拌槳葉形狀與結(jié)構(gòu)、不合理的攪拌器選型、不恰當?shù)牟僮鬟\行參數(shù)導致生產(chǎn)資源的浪費，效益低下等問題[2-3]。攪拌器主要由攪拌軸和攪拌槳組成，其中攪拌槳是影響攪拌效果的主要因素。攪拌槳葉的選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，直接對攪拌釜的攪拌性能以及功耗產(chǎn)生了影響[4]。攪拌器按槳葉攪拌結(jié)構(gòu)分類，可以分為不同類型。以下是一些常見的按槳葉攪拌結(jié)構(gòu)分類的攪拌器。

攪拌器的槳葉形狀多種多樣，不同形狀的槳葉適用于不同的混合要求和工藝條件。以下是一些常見的攪拌器槳葉形狀。

表2 攪拌器按槳葉分類

2.機械攪拌反應釜主要問題及改進措施

(1)存在的問題

①反應物聚集。當前的工業(yè)生產(chǎn)中，面臨的主要問題之一是礦漿在前期工藝處理后進入機械攪拌反應釜，與相關(guān)介質(zhì)發(fā)生反應。在這個過程中，反應釜中的礦漿會與硫酸和堿反應，生成物逐漸在礦物表面聚集形成結(jié)殼。結(jié)殼的逐漸堆積使得礦物無法有效地與酸和堿繼續(xù)深入反應，對整個生產(chǎn)過程的效率產(chǎn)生負面影響。

②礦漿沉積。隨著反應的進行，礦物被反應生成物形成的結(jié)殼包圍，導致無法與反應釜中的酸反應，同時由于結(jié)殼的包圍導致礦物比重變大，礦物及結(jié)殼逐漸沉積到反應釜的底部，攪拌器力度不夠，難以將沉積物擴散。這種沉積不僅增加了清理和維護的難度，還導致攪拌器動力受阻，損耗和縮短設備壽命。

因此，解決結(jié)殼和沉積問題對于提高反應效率、確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性以及降低設備維護成本至關(guān)重要。

圖1 反應釜結(jié)構(gòu)簡圖

(2)改造措施

目前，在化工與冶金等領(lǐng)域生產(chǎn)中，通用的機械攪拌反應釜的攪拌效果并不理想，并且機械攪拌對處理物料的表面形成結(jié)殼的效果不佳。因此，亟需一種反應釜能夠提高礦漿與相關(guān)介質(zhì)的反應效率。

本次改造措施是基于包鋼集團礦山研究院（有限責任公司）下屬的氧化鈧中試基地進行的“從包鋼選鈮尾礦中提取三氧化二鈧的中試試驗研究”。

①改造攪拌器結(jié)構(gòu)。為改善機械攪拌反應釜攪拌時的強度狀況，提出一種改造措施：與傳統(tǒng)的反應釜攪拌器結(jié)構(gòu)比較，攪拌器由單層葉輪結(jié)構(gòu)改為雙層葉輪結(jié)構(gòu)。第一層葉輪位于釜體的中部，第二葉輪位于釜體的底部，攪拌器采用雙層結(jié)構(gòu)，將沉積到底部的礦物擴散出去，同時中部的葉輪攪拌可加速礦物擴散，也阻止礦物及結(jié)殼的聚集物向底部沉積，大大提高了攪拌強度。葉輪結(jié)構(gòu)分布見圖2。

圖2 機械攪拌反應釜改造簡圖

②改造攪拌器槳葉。在實際應用中，根據(jù)具體工藝需要選用適當?shù)臉~形狀，以提高混合效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這些分類主要依據(jù)槳葉的數(shù)量、排列方式以及角度等結(jié)構(gòu)特征來劃分，確保在特定工藝條件下實現(xiàn)最佳的混合效果。在一般工業(yè)生產(chǎn)中，對于內(nèi)部反應較為簡單的傳統(tǒng)反應釜來說，槳葉要求不高，通常為平直形狀，適用于一般混合強度，攪拌強度不高。針對本次改造，雙層葉輪均選用四葉式斜葉，第二層葉輪形狀采用彎月形。四葉槳葉可顯著增加攪拌強度，快速混合。斜葉的槳葉呈斜角，提高混合效率，加快了反應速度，有效阻止了結(jié)殼在礦物表面聚集，使反應高效進行。改進后的槳葉，攪拌時間縮短了40%～50%，礦物混合效率提高了50%，反應速度提高了一倍。底部彎月形槳葉，增加了槳葉的切割能力，極大減小攪拌器阻力，同時由于其具有較高的切割能力，能將底部沉積物迅速擴散。

③釜體底部安裝渣漿泵。在反應過程中，由于結(jié)殼的存在，礦物會逐漸沉積在底部，不利于反應進行。因此在釜體底部安裝一個低流量高揚程的渣漿泵，通過連接的管路再打回機械攪拌反應釜，在釜體內(nèi)部形成一個循環(huán)，可以讓礦物和酸更好的接觸，釜體內(nèi)礦物擴散的更加均勻，見圖2。

④優(yōu)化管路系統(tǒng)。在釜體底部，從釜體內(nèi)部延伸出一條管路連接渣漿泵，再由渣漿泵從釜體上部延伸到釜體內(nèi)部形成循環(huán)，管路末端做一個徑縮，從渣漿泵抽出的底部沉積物經(jīng)過循環(huán)到管路末端產(chǎn)生射流。射流具有較大動能，產(chǎn)生較高速度的撞擊，將礦物表面的結(jié)殼破壞，同時這種循環(huán)撞擊的過程防止了反應生成物在釜體內(nèi)聚集形成結(jié)殼，見圖2。此外，管路系統(tǒng)材料的選擇可根據(jù)反應物性質(zhì)的不同進行靈活選擇，以適應各種反應物料和介質(zhì)情況。

⑤加強精細管理。通過加強現(xiàn)場崗位操作人員培訓，細化機械攪拌反應釜的操作指標考核等方式，提高運行水平。部門領(lǐng)導、技術(shù)員、現(xiàn)場崗位操作人員每天多次檢查反應釜運行情況，及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

3.結(jié)論

（1）攪拌器改為雙層葉輪結(jié)構(gòu)后，加速了礦物在釜體內(nèi)部的擴散，也有效阻止了礦物及結(jié)殼的聚集物向底部沉積，大大提高了攪拌強度。

（2）改變槳葉形狀、數(shù)量及角度后，相較改造前，攪拌時間縮短了40%～50%，礦物混合效率較改造前提高了50%，有效阻止了結(jié)殼在礦物表面聚集，反應速度提高了一倍，使反應高效進行。增加了槳葉的切割能力，極大減小攪拌器阻力，底部沉積物能迅速擴散。

（3）安裝渣漿泵及優(yōu)化管路后，提高了釜內(nèi)礦物循環(huán)能力，阻止生成物聚集，提高反應效率。

綜上所述，通過對機械攪拌反應釜的問題分析，對其進行針對性的改造，顯著增強攪拌強度，減小物料聚集沉底程度，從而大幅提高反應效率，使機械攪拌反應釜的運行更加穩(wěn)定可靠。也間接降低維修成本，延長設備壽命。這為未來工業(yè)生產(chǎn)帶來了潛在的益處。