大容積磁力攪拌釜的研發與應用

紀民舉 楊 麒 崔鵬程

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大容積磁力攪拌釜的研發與應用

紀民舉*楊 麒 崔鵬程

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根據磁力傳動的工作原理和結構特點，闡述了大容積磁力攪拌釜的研發設計和應用。其中，磁力傳動裝置和攪拌軸支承方式的設計是研發大容積磁力攪拌釜的關鍵技術問題。通過合理設計開發了大容積磁力攪拌釜。

大容積 磁力傳動 攪拌釜

磁力傳動攪拌設備與慣用的攪拌設備相比較，除了動力傳遞方式不同外，其余基本相同。磁力傳動攪拌設備驅動軸的扭矩是通過磁力聯軸器傳遞到攪拌軸上的，而普通的攪拌設備常用夾殼式聯軸器將電動機主軸和攪拌軸直接相連。采用磁力傳動攪拌設備最突出的優勢是可完全消除攪拌設備內的氣體介質通過軸封向外泄漏[1]。目前，中、小型磁力傳動攪拌設備應用十分廣泛，技術也很成熟。隨著經濟的不斷發展，生產規模不斷擴大，中、小型磁力傳動攪拌設備已不能滿足生產的需求，大容積、大功率的磁力傳動攪拌設備的需求不斷增加。因此，需要從技術上解決問題，研制開發大容積的磁力攪拌釜。下面，通過介紹磁力攪拌釜的工作原理、結構特點和關鍵技術的設計來闡述大容積的磁力攪拌釜的開發應用。

1 磁力傳動原理

磁力傳動原理就是利用永磁體的特性同極相斥、異極相吸來完成力矩的空間傳遞。圖1所示為磁力傳動器結構的簡圖。磁力傳動器通常由以下幾個主要部件組成： （1）隔離套； （2）外磁環；（3）內磁環； （4）密封圈等。外磁環由外部的電動機和減速機帶動回轉，基于磁的庫侖定律，外磁環通過磁場作用力驅動內磁環，內磁環帶動攪拌軸運動，從而使整個攪拌釜正常運轉。

從磁力傳動器的工作原理可知，磁力攪拌釜工作時，通過磁力 （磁場）耦合驅動封閉在隔離套內的內磁環轉子旋轉，從而帶動旋轉裝置在密封受壓腔體內作同步轉動[2-3]。隔離套使內磁環和外磁環轉子隔離，靠內外磁場進行傳動，隔離套與釜體僅僅通過密封圈將物料完全密閉在攪拌釜內，從而起到全封閉密封作用。這種傳動方式使其由原先的動密封 （填料密封、機械密封）變為完全無泄漏的靜密封。在能量傳遞的過程中，磁力傳動靜密封不會破壞容器的完整性，保證了密封性能的安全可靠，而且能量傳遞平穩可靠，效率高，無任何振動及電磁和噪音污染，是一種安全、可靠的傳動密封技術[4]。同時，也具有過載保護功能，過載時對電機、變速機構、軸等部件有保護作用。

圖1 磁力傳動器結構

2 大容積磁力攪拌釜開發設計的技術措施

習慣上，我們把釜體容積大于5 m3的稱為大容積磁力攪拌釜。與小容積磁力攪拌釜相比，大容積磁力攪拌釜的磁力傳動裝置和攪拌軸支承方式的設計是一重要的關鍵環節。磁力傳動器的設計主要是解決磁力矩和渦流損失的問題，保證磁力傳動裝置的正常安全運行；攪拌軸支承方式的設計要保證攪拌軸的穩固可靠，從而保證設備的平穩運行。

2.1 磁力矩

在大容積磁力攪拌釜開發設計中，磁力矩的計算十分重要。計算磁力傳動裝置磁力矩的大小，借以判斷所設計的磁力驅動裝置是否能夠滿足工程應用的要求。磁扭矩 （即驅動力矩）的計算方法有等效磁荷法、靜磁能理論力矩求解法、轉矩有限元計算法等等。力矩的計算方法較多，計算也比較復雜。一般在設計計算時，常采用比較實用的經驗公式求解得最大磁力矩，即：

式中Tmax——最大磁力矩，N·m；

Br——永磁體剩余磁感應強度，T；

Hg——工作氣隙中的磁場強度，A/m；

Sm——內外永磁體磁極相互作用的總面積，m2；

R——內外永磁體平均作用半徑，m。

從式(1)可看出，最大磁力矩與永磁體剩余磁感應強度、工作氣隙中的磁場強度、內外永磁體磁極相互作用的總面積以及內外永磁體平均作用半徑有關。在大容積磁力攪拌釜開發設計中，為了得到實際需要的最大磁力矩，可采取的技術措施有下述幾項：(1)采用良好的磁路設計，經試驗裝置反復試驗，采用圓筒型組合疊加磁路，以小單元磁塊產生密集磁力線，磁能利用率高，不僅大大提高了單位輸出扭矩，而且也減小了渦流損失。(2)采用優良的具有高矯頑力和高磁能積的新型稀土合金磁性材料，不僅可提高單位輸出扭矩，同時可耐高溫，以防退磁。

2.2 渦流損失

當磁力驅動裝置的內、外磁轉子同步或不同步旋轉運動時，金屬隔離套便處在交變磁場中，磁場的方向和大小按一定規律瞬間變化，即隔離套壁厚中的磁通量隨時間而變化，作為導體將產生環繞磁通量變化方向的渦電流，即渦流[5]。金屬隔離套密封磁力驅動裝置在正常運轉時由于渦流的產生，連續釋放熱量，磁性材料工作的環境溫度不斷上升，溫度升高到額定溫度值時，磁體的磁性能隨溫度的繼續升高而降低，使傳遞的力或力矩下降，影響磁裝置正常的運行工作。如果溫度升高到磁性材料的居里溫度點時，磁性材料的磁性能完全消失。因此，對大容積磁力攪拌釜來說，為保證磁力傳動裝置的正常安全運行，必須采用良好的設計方法和冷卻措施來消除渦流帶來的不利影響。

磁力傳動裝置隔離套中產生的渦流可采用下式計算：

式中Pj——渦流損失，W；

L——磁化長度，m；

r——隔離套半徑，m；

t——隔離套壁厚，m；

n——電機轉速，r/min；

B0——磁感應強度，T；

γ——電導率，s/m。

從式(2)可以看出，隔離套中產生的渦流與隔離套的壁厚、隔離套半徑、隔離套材料等有關。為了減小渦流損失，在大容積磁力攪拌釜開發設計中，可采取的技術措施有：(1)合理設計隔離套，減小渦流損失。采用電阻功率大、機械強度高、耐腐蝕性能好的非導磁性材料制作。(2)合理設計磁力驅動長徑比。對磁轉子的基本要求是能滿足其轉矩要求，同時應具有較低的渦流損失和較低的成本。根據理論分析和試驗研究，當傳遞轉矩的最大靜磁轉矩在某一范圍值時，長徑比有一個范圍，取值大不利，取值小同樣不利。磁力驅動長徑比選擇的原則是在轉速低、壓力小時取小值，轉速高、壓力大時取大值。(3)合理選擇冷卻方式，及時消除磁力傳動裝置帶來的過高溫升，減小渦流損失。

2.3 攪拌軸支承方式的選擇

磁力驅動攪拌釜攪拌軸的軸承支承方式如圖2的左、右示圖所示。上、下軸承組件分別為徑向軸承和推力軸承組合；兩軸承組件的跨矩根據軸的總長和攪拌輪承載狀態確定；軸承材質根據不同的工作介質選擇確定。

圖2 攪拌軸支承方式

根據工況條件和結構形式設計選用滑動軸承或滾動軸承。載荷較大、轉速較高時，一般多選用滾動軸承；攪拌軸較長時，軸承組件1和軸承組件3的支承方式在結構上難以保證軸的徑向跳動，一般在軸的下端部采用增加輔助軸承組件的方法以保證攪拌軸在運轉過程中的穩定性，如圖2的右圖中元件5所示。

在大容積磁力攪拌釜開發設計中，攪拌軸一般都較長，重量也較大，如果不采取可靠措施，攪拌軸在工作時會產生徑向跳動，不僅影響設備的安全運行，而且會增加功耗。在設計時，可采取的措施有：(1)轉子軸系采用自潤滑徑向與推力組合軸承，具有良好的耐磨耐腐蝕性能，且使用壽命長。同時，由于攪拌軸較長，采用底軸承，多支點支撐，運轉可靠穩定。(2)如果攪拌軸重量較大，在保證機械強度的條件下，可采用空心軸，不僅減輕了重量，容易支承，而且節省了功耗。

3 應用實例

以開發研制的全容積為12.6 m3的磁力攪拌釜為例來說明大容積磁力攪拌釜的開發應用。該反應釜的主要技術參數如表1所示。

表1 12.6 m3磁力釜的主要技術參數

針對關鍵技術難點，采取了合理的技術措施來解決。

（1）采用良好的磁路設計和采用優良的新型稀土合金磁性材料。

（2）根據設計壓力4.0 MPa，隔離套的壁厚取3 mm；根據攪拌轉速n=135 r/min和設計壓力4.0 MPa，磁力驅動長徑比取2。

（3）在冷卻方式上，本設備為立式容器，根據立式容器的結構特點，冷卻方式有自冷卻和外加冷卻系統的形式。由于本設備磁力驅動裝置運轉帶來的溫升并不高，不會影響磁力驅動裝置的正常工作，故選擇自冷卻方式，在磁力驅動裝置的支架上開設散熱孔即可消除磁力傳動產生的渦流損失。

（4）攪拌軸系采用自潤滑徑向與推力組合軸承，具有良好的耐磨耐腐蝕性能，且使用壽命長。同時，由于攪拌軸較長，采用底軸承，多支點支撐，運轉可靠穩定。

經計算，12.6 m3的磁力攪拌釜的磁力矩為750 N·m；實際應用上實測輸出的磁力矩為680 N·m，設計滿足實際的需求。整個隔離套中的渦流損失計算值為1 350 W，實測值為1 405 W，實測值在測試時因受機械摩擦力的影響大于計算值，計算與實測值基本符合實際狀況。

本設備投產至今，從用戶單位反映的使用情況看，該設備滿足用戶的工藝要求，運轉平穩，密封性能良好，保證了加氫反應過程絕對無泄漏，具有良好的運轉安全可靠性，同時產量增加了一倍，降低了能耗、人工和設備投資。

表2 部分大容積磁力釜的主要技術參數

4 大容積磁力釜的開發應用情況

基于上述所采用的技術措施，大容積磁力釜的開發技術日趨成熟，應用越來越多。大容積磁力釜廣泛應用于有機合成、精細化工、農藥或制藥中間體、香料合成及日用輕工等化工工藝所需的氧化、氫化、氟化、乙烯化等反應過程，均能在高溫、高壓、高轉速條件下實現設備的絕對無泄漏操作。該設備也特別適用于各種極毒、易燃、易爆及其它滲透力極強的化工工藝過程。

近年來，還相繼開發了12.6 m3、15 m3和24 m3等更大容積的磁力釜，其相關的參數如表2所示。其中，12.6 m3是1999年為浙江新和成公司開發的，15 m3、24 m3超大容積的磁力驅動反應釜是在2009年為上海、南京石化企業設計制造的，經使用效果良好，并相繼通過批量生產。

經設備實際運行，可以看出大容積磁力攪拌釜其主要的技術特點為：

（1）磁力傳動密封裝置為靜密封結構，保證介質絕對無泄漏，釜內物料無污染。

（2）采用良好的磁路設計，用圓筒型組合疊加磁路，減小渦流損失，磁能利用率高，大大提高了單位輸出扭矩。

（3）采用優良的高矯頑力和高磁能積的新型稀土合金磁性材料。

（4）攪拌轉速高于傳統釜，強化了攪拌操作，提高了生產能力。

（5）節約能耗，因采用了非接觸式磁力傳動裝置，比傳統的填料密封攪拌釜節省功率10%左右。

（6）采用變頻調速，運轉平穩，檢修方便，時間短。

（7）軸系采用底軸承，多支點支撐，運轉可靠穩定。

5 結論

本文闡述了大容積磁力攪拌釜的研發設計和應用。與小容積磁力攪拌釜相比，開發大容積磁力攪拌釜應著重解決的關鍵問題有：

（1）磁力矩要滿足大容積大功率的需求；

（2）合理設計磁力驅動裝置，減少和消除渦流損失；

（3）合理選擇攪拌軸支承方式，保證設備安全平穩運行。

從目前大容積磁力攪拌釜的實際應用情況來看，設備設計合理，運行良好，并取得了很好效益。

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[5]趙克中.磁力驅動技術與設備[M].北京：化學工業出版社，2004.

Study on Development and Application of Magnetic Drive Stirrer with Large Capacity

Ji Minju Yang Qi Cui Pengcheng

Based on the principle of magnetic drive and structural features,the paper describes the designing and application of the magnetic drive stirrer with large capacity.The designing of magnetic drive device and the supporting way of agitating shaft are the key technical problems.Through the rational designing,we designed the magnetic drive stirrer with large capacity.

Large capacity；Magnetic drive；Stirrer

TQ 052.5

*紀民舉，男，1980年生，碩士研究生。上海市，200062。

2011-03-22)