[发明专利]能量耗散磨损环及其方法

说明书

交叉引用

本申请是要求申请日为2011年8月12日，申请号为61/522,986的美国临时申请的优先权的PCT国际申请。

技术领域

本发明涉及用于工业、垃圾、煤炭、聚合体和矿物处理技术的设备的消耗密封件，且更具体地涉及用于水力旋流器、浆料泵和相关装置的能量耗散耐磨技术。

背景技术

使用水力旋流器以在装满颗粒的水悬浮液中集中并分离较粗尺寸的颗粒的方法已经使用超过100年；然而，工业水力旋流器的工作负荷随着时间增加。现今，特别是在矿物处理应用中，固体的高进给速度和这些颗粒的摩擦特征要求水力旋流器被改善并改进以实现更高的性能，更好的固体回收，和更长的使用寿命。

水力旋流器的影响使用寿命的操作动能的重要方面是在操作水力旋流器内的旋转流动符合自由漩涡定律（law of free-vortex rotation）。换言之，在工业水力旋流器中的旋转速度（切向速度）随着水力旋流器的半径的减小而增大。从数学方面考虑，该“自由漩涡”情况由以下等式表示：“VR=常数（constant）”，其中“V”等于浆料速度，“R”等于水力旋流器在给定点的半径。因此，随着浆料朝向水力旋流器的底部旋转和下降，其发生半径减小且速度增大。

为了满足自由旋转等式，浆料必需切线地加速，从而维持恒定的结果。例如，如果浆料以每秒25英尺的线性速度进入24英寸直径的水力旋流器，该水力旋流器装配有4英寸直径的顶部开口，则朝向水力旋流器的底部下降的浆料必需在其到达减小的半径时加速到达大约每秒150英尺或者将其切向速度增加到大约6倍。由于浆料通常含有可腐蚀水力旋流器的内部的磨料颗粒，所以在具有较小内直径的区域处增加耐磨性是特别普遍的。

迄今为止，水力旋流器设计者已使用多种方法，包括使用由耐磨材料构成的内部衬垫。在很多情况下，该方法要求多件式水力旋流器本体。FLSmidthKrebs在50年前首先提出了“组件化水力旋流器设计”的概念。该概念使用了在各个钢壳体中被保持在一起的多段耐磨衬垫。通常，衬垫由挠性弹性体材料构成，且因此不存在在各段衬垫之间的接头件的密封问题。

然而，在20世纪70年代中，当将“组件化”旋流器用于煤炭处理时，由于煤炭颗粒的磨耗，弹性体衬垫具有较短的使用寿命。在其后的短时间内，FLSmidth Krebs首先提出使用耐磨耐火陶瓷衬垫，其尽管提供了更加耐磨的水力旋流器，但是由于陶瓷材料的非弹性特性而在其之间形成小的间隙。一经发现，与弹性体衬垫不同，在刚性陶瓷衬垫之间各接头处的间隙允许水力旋流器中的一些旋转浆料悬浮液漏出，从而造成较不耐磨的内部钢壳体的过早磨损。

由于水力旋流器可由多至八个或更多部分构成，各部分具有一个或多个接头，由于旋转浆料中的大量动能，因此至少一个衬垫接头可发生浆料泄露和腐蚀的机会很大。

多年来，进行了多种尝试来解决陶瓷衬垫之间的间隙中的浆料腐蚀。其挑战在于陶瓷衬垫通常在“绿”（未淬火）状态时由粉浆浇铸或者等静压形成，这意味着，取决于材料组分，衬垫的尺寸需要设置成比要求的最终产品尺寸（淬火后）大出约15%至17%。归因于窑燃烧（kiln-firing）的显著收缩比例会导致不一致性，使得很难在陶瓷衬垫之间选择紧密接头间隙容差，特别是对于具有不规则尺寸或形状的衬垫来说。此外，在铸造、压制和煅烧步骤中采用紧密容差将导致较高的制造成本，这样的设计在市场上缺乏竞争力。

更近期的尝试在陶瓷衬垫的各端内置结合了迷宫式密封或者半搭接连接类型的设置。该设计的一个示例可参见国际专利申请公开WO10085331。然而，独立测试表明结合该机械互锁的内部配合陶瓷衬垫非常易于被损坏，这是由于陶瓷边缘基本上会延伸超过各壳体凸缘。此外，该界面引起一定水平的应力集中。因此，对常规迷宫式密封的依赖形成了对冲击具有弱抵抗性的脆弱陶瓷构件。此外，较高密度的磨料颗粒在水力旋流器的中间和较下部分具有盘旋趋势，还增加了盘旋的材料引起的搭接失效的机会。

通常用于水力旋流器的常规密封件和垫圈通常由固体弹性体复合材料制成，如氨基甲酸乙酯（urethane）或者氯丁橡胶（neoprene）。这些常规密装填置的问题在于其不能承受苛刻的环境，特别是那些密装填置需要承受高速或高压的磨损性浆料的环境。此外，结合密封件和垫圈的常规机械界面不能如上所述有效地防止壳体爆裂。上述缺点在浆料泵和水力旋流器的上部区域也很普遍，其中在高压和/或高速下的磨损性浆料可在一段时间后在构件之间泄露。例如，其它高磨损区域包括水力旋流器中与涡流芯管（vortex finder）相邻的区域以及浆料泵中与干式密封（dry gland seals）、泵壳体、背板和毂相邻的区域。