摘 要: 鈾純化煅燒爐爐管進出料端原密封方式為盤根和黑色黃油，由于材質問題及過高的工作溫度，致使密封失效頻繁。為解決該問題，對進出料端密封結構進行了改進，研制了一種重錘式自補償動密封裝置。工作時，利用重錘式自補償動密封裝置中靜環處所附的重錘對的磨損予以補償。使用效果表明，改進后的密封裝置有效解決了鈾純化煅燒爐管進出料端密封失效的問題，確保了鈾純化煅燒爐的正常運行。
關鍵詞: 煅燒爐管; 進出料口; 密封; 自補償
鈾純化煅燒爐是鈾純化生產線煅燒工序主要設備，其作用是將來自上一工序的物料加熱煅燒，生產最終產品。煅燒爐中煅燒爐管與進出料裝置通過動密封進行連接，由于生產工藝要求爐內系統為微正壓，故進出料端密封的好壞是煅燒轉爐能否正常運行的關鍵。目前國內外常見的動密封方式有、、迷宮密封、氣氛保護動態密封等[1-4]。鈾純化煅燒爐爐管進出料口采用了加黑色黃油進行密封。由于爐管內溫度長期保持在 800～900℃ 之間，爐內物質為粉料，設備運行幾天后出現密封失效的問題，導致爐氣和放射性產品粉塵泄漏，從而增加了維修維護工作量，影響了生產環境和工人的身體健康。針對上述問題，筆者對原煅燒爐管密封結構進行了介紹，對原密封方式失效的原因進行了分析和總結，并在總結普通工業用回轉爐密封方式的基礎上，對鈾純化煅燒爐管進行了改進和應用驗證[5-7]。
1 傳統密封方式
1.1 傳統密封結構
出料端的傳統密封結構示意圖如圖 1 所示。
爐管出料端部分伸進卸料風箱內，盤根和黑色黃油填充在爐管出料端外表面和卸料風箱的連接處，用于壓緊盤根的法蘭壓盤與風箱連接盤通過螺栓連接，爐管圓柱外表面與卸料風箱端頭之間的空隙通過石墨盤根加黑色黃油密封。
1.2 密封失效原因分析
盤根密封的原理主要取決于迷宮效應。軸在微觀情況下表面非常不平整，軸和盤根之間存在像迷宮一樣微小的間隙，帶壓介質在迷宮中被多次截流，從而達到密封的作用。盤根密封主要在離心泵、活塞泵、壓縮機等液體密封中使用[8-10]。由于鈾純化煅燒爐爐管內物質為高溫粉末狀物質，采用盤根加黑色耐溫黃油進行密封頻繁失效的原因主要如下:
( 1) 黑色黃油變硬導致盤根發生干摩擦。爐管內溫度長期保持在 800 ～ 900 ℃ 之間，黃油在長期高溫烘烤下，容易變硬。因未及時補充黃油，爐管與盤根直接接觸，發生干摩擦，導致盤根與爐管之間出現縫隙。爐管內粉塵和爐氣從縫隙內泄漏。
( 2) 粉末狀顆粒進入盤根處加速盤根磨損。在爐管內微正壓的作用下，粉末物料進入盤根和爐管之間，因為爐管一直保持轉動，在粉末的加入后，加快了對盤根的磨損，長期磨損后，物料也會出現泄漏。
( 3) 爐管與連接套管未對中，導致盤根出現偏磨。由于爐管與連接套管未對中，這樣就導致爐管偏磨連接套管內盤根，使盤根的使用周期大大減少。爐管上下受交變應力導致的慣性擺動，來回擠壓盤根，造成粉料物料泄漏。
2 改進后密封裝置
2.1 密封裝置的結構設計
由于進出料端密封的好壞是煅燒轉爐能否正常運行的關鍵，在爐管的進出料端分別設計了一套密封裝置。改進后的重錘式自補償動密封裝置總體示意圖如圖 2 所示。
圖 2 重錘式自補償動密封裝置總體示意圖
該密封裝置主要由密封機構和重錘式自補償機構兩部分構成。進料端密封機構由錐面靜環 7、石墨環 8、錐面動環 9 構成，進料端重錘式自補償機構由重錘 5、滾輪 6、鋼絲繩 4 以及其他附加構成; 出料端密封機構由錐面靜環 12、石墨環 13、錐面動環 14 構成，出料端重錘式自補償機構由重錘 17、滾輪 15、鋼絲繩 16 以及其他附加構成。
( 1) 進料端密封裝置的結構設計 爐管進料端密封機構布置在進料風箱 3 和爐管 11 進料端之間，進料端密封結構中錐面靜環 7 與進料風箱 3 右端面法蘭通過螺栓連接，進料端錐面動環 9 與煅燒爐爐管11 的進料端法蘭通過螺栓連接，進料端石墨環 8 安裝在進料端錐面靜環 7、進料端錐面動環 9 之間。進料端重錘式自補償機構中進料風箱 3 與軌道輪架 1 固定連接，重錘 5 與進料風箱通過鋼絲繩 4 連接，在重錘 5 的作用下，進料端密封機構中的錐面靜環 7 隨軌道輪架 1 和進料風箱一起在軌道 2 上可向右移動。
( 2) 出料端密封裝置的結構設計 爐管出料端密封機構布置在爐管 11 出料端和卸料風箱 18 之間，出料端料端錐面靜環 14 與卸料風箱 18 左端面法蘭通過螺栓連接，出料端錐面動環 12 與煅燒爐爐管 11的出料端法蘭通過螺栓連接，出料端石墨環 13 安裝在出料端錐面靜環 14、出料端錐面動環 12 之間。出料端重錘式自補償機構中卸料風箱 18 與軌道輪架 20 固定連接，重錘 17 與卸料風箱通過鋼絲繩16 連接，在重錘 17 的作用下，出料端密封機構中的錐面靜環 14 隨軌道輪架 20 和卸料風箱 13 一起在軌道 19 上可向左移動。
進、出料端采用動、靜錐面配以石墨密封環進行動密封，利用靜環處所附的重錘對石墨密封環的磨損予以補償。
2.2 密封裝置的材質選擇
由于進出料端溫度長期維持在 300 ℃ 以上，爐管內保持微正壓，重錘式自補償動密封結構中的錐面動環和靜環采用耐高溫、耐腐蝕不銹鋼材料。爐管轉動過程中，爐管兩端錐面動環與其接觸的石墨密封環具有相對轉動，因此，連接錐面動、靜環的石墨密封環采用耐高溫、耐磨的浸漬樹脂石墨材料。
2.3 密封裝置工作原理
如圖 2 所示，物料通過煅燒爐進料電機及進料裝置從進料風箱推入爐管內。爐管通過外部電機及鏈條帶動鏈輪進行轉動，轉速為 0.5 ～ 5 r /min，進入爐管內的物料經過三個階段的煅燒后形成的產品從爐管出料端推出，進入卸料風箱。
( 1) 進料端密封裝置的工作原理 煅燒爐剛開始使用時，爐管 11 與進料風箱 3 之間的密封直接通過不銹鋼錐面靜環 7、石墨密封環 8 和錐面不銹鋼動環 9 形成的密閉腔室實現，確保爐管內爐氣和粉末物料無法從爐管 11 與進料風箱 3 之間泄漏。隨著煅燒爐運行時間的增長，由于與爐管 11 連接的進料端不銹鋼錐面動環 9 和進料端石墨密封環 8 有相對轉動，錐面動環 9 在轉動的過程中會磨損石墨密封環 8，形成縫隙。此時，連接在進料風箱右端的不銹鋼錐面靜環 7 會在重錘 5 的拉力作用下向錐面動環 9 方向移動，實時彌補錐面動環 9 和被磨損石墨環 8 之間的縫隙，確保爐管 11 內物料與外界始終是隔絕的。
( 2) 出料端密封裝置的工作原理 同樣，煅燒爐剛開始使用時，爐管 11 與卸料風箱 18 之間的密封直接通過不銹鋼錐面靜環 14、石墨密封環 13 和錐面不銹鋼動環 12 形成的密閉腔室實現，確保爐管內爐氣和粉末物料無法從爐管 11 與卸料風箱 18 之間泄漏。隨著煅燒爐運行時間的增長，由于與爐管 11 連接的出料端不銹鋼錐面動環 12 和出料端石墨密封環 13有相對轉動，錐面動環 12 在轉動的過程中會磨損石墨密封環 13，形成縫隙。此時，連接在卸料風箱左端的不銹鋼錐面靜環 14 會在重錘 17 的拉力作用下向錐面動環 12 方向移動，實時彌補錐面動環 12 和被磨損石墨環 13 之間的縫隙，確保爐管 11 內物料與外界始終是隔絕的。
3 應用驗證
將改進后的密封裝置應用于鈾純化煅燒爐管進出料端進行試驗，具體試驗數據如表 1 所列。
原始狀態下，動、靜環之間的距離為 35 mm，經過一段時間運行試驗，觀察到爐管進、出料端浸漬石墨密封環有一定的磨損，當因磨損可能出現縫隙時，在150 kg 重錘的作用下，錐面靜環實時向動環方向移動，對縫隙進行了實時補償，確保了生產過程中爐管進、出料端的密封，未見爐管內爐氣和產品粉塵泄漏，如圖 3 所示。因此可以證明改進后的密封裝置密封性能良好，能滿足生產要求。
4 結 語
針對傳統煅燒爐爐管密封結構較差，導致維修維護工作量大，影響生產環境和工人的身體健康的現狀，改進了鈾純化煅燒爐管的密封結構。設計并制造了一種重錘式自補償動密封裝置，爐管進、出料端采用動、靜錐面配以石墨密封環進行動密封，利用靜環處所附的重錘對石墨密封環的磨損予以補償。通過應用證明，改進后的密封裝置改善了密封效果，延長了密封件的使用壽命，該密封方式取代了傳統煅燒爐爐管進出料端盤根密封方式，解決了由于密封件材質問題及過高的工作溫度，致使爐管密封效果差的問題，提高了產品收率，改善了現場環境、杜絕了粉塵對員工身體健康造成影響。
參考文獻:
[1] 張軒銘，韓宇翔，閆鵬程，等.一種耐高溫的機械密封裝置研究[J].科學技術創新，2021( 07) : 172-173.
[2] 王 瑞，張玉龍，敬曉輝，等.重型壓力離心機內部機械密封結構優化設計[J].機械設計，2020，37( 11) : 42-46.
[3] 宋國慶，李俊杰.立式水輪機主軸密封選型[J].山西水利，2020( 08) : 34-36.
[4] 耿安康，何 聰，顏久娟，等.蜂巢迷宮密封技術在推進劑大孔洞泄漏中的應用研究[J].化學工程與裝備，2019( 10) : 154-158.
[5] 張煥耀.復雜位移工況下管式爐爐管進出口密封結構設計[J].工業爐，2019，41( 3) : 39-41.
[6] 許澤華. 回轉反應爐密封的設計[J]. 化工設計通訊，2019，45( 5) : 186-187.
[7] 張 娟，張仁強.焙燒爐爐頭和爐尾密封結構改進[J].硫磷設計與粉體工程，2019( 2) : 35-36+41.
[8] 朱春花.砂漿泵密封的技術改進[J].山東化工，2021，50( 3) : 137-138.
[9] 楊博峰，李 香，吳 萍，等.深冷泵軸端密封結構型式探討[J].液壓氣動與密封，2020，40( 9) : 85-88.
[10] 龐 洵.往復式柱塞泵密封結構研究[J].中國設備工程，2020( 6) : 94-95.
