阅读说明：本技术 一种碳纤维碳化硅复合材料搅拌器 (Carbon fiber silicon carbide composite material stirrer ) 是由 袁宗久 王连飞 郭凯 顾恩硕 刘啸 刘畅 李林 华娟 庞成倬 沈曲 贾鲁男 李 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种碳纤维碳化硅复合材料搅拌器,主要技术特征是：搅拌叶轮的叶轮安装孔处、搅拌轴以及延长连接轴的轴伸处分别设有连接键槽,在叶轮轮毂的一侧分别等间距阵列布置折弯叶片,折弯叶片的连接部与叶轮轮毂的一侧采用材质是1.4529的螺栓连接,折弯叶片沿着搅拌轴转动并与物料接触顺序的先后,依次设置有第一折弯段、第二折弯段、第三折弯段和第四折弯段,折弯叶片的内层是基材芯片,基材芯片均布设置通孔,碳纤维碳化硅复合材料层透过基材芯片的通孔包覆在基材芯片表面。有益效果是：提高搅拌器耐腐蚀性及冲蚀性、耐磨性高、抗冲击能力强,在搅拌的过程中不分层、不离析、触变性好、施工不流淌,不含有挥发性溶剂,安全无毒,提高使用寿命。(The invention discloses a carbon fiber silicon carbide composite material stirrer which is mainly technically characterized in that: impeller mounting hole department of impeller, the shaft extension department of (mixing) shaft and extension connecting axle is equipped with the connecting key groove respectively, arrange the blade of bending in impeller wheel hub's one side equidistant array respectively, the connecting portion of the blade of bending adopts the material to be 1.4529 bolted connection with one side of impeller wheel hub, the blade of bending rotates along the (mixing) shaft and with the material contact order in proper order, first section of bending, the second section of bending, third section of bending and fourth section of bending have set gradually, the inlayer of the blade of bending is the substrate chip, substrate chip equipartition sets up the through-hole, carbon fiber silicon carbide composite material layer sees through the through-hole cladding of substrate chip at substrate chip surface. The beneficial effects are that: the corrosion resistance and the washout resistance of the stirrer are improved, the wear resistance is high, the impact resistance is strong, the stirrer is not layered or isolated in the stirring process, has good thixotropy and no flow in construction, does not contain volatile solvents, is safe and nontoxic, and prolongs the service life.)

一种碳纤维碳化硅复合材料搅拌器

技术领域

本发明涉及搅拌器，特别是一种碳纤维碳化硅复合材料搅拌器。

背景技术

目前，随着日益严峻的环保形势，国际及国家层面均对节能减排、降低能耗、提高循环利用等格外重视。诸如所有的火力发电机组都必须进行烟气脱硫同时对于其中使用的设备需要最大限度提升使用寿命。搅拌器在输送搅拌石灰石浆液的脱硫混合过程中，叶轮需要应对酸碱盐类的复杂介质，这类介质具有腐蚀性和冲蚀性，且介质在移动中会产生较强的敲击力。

其次，现有技术中，搅拌器在搅拌的过程中，普遍存在着分层、离析的缺陷，该缺陷且随着搅拌器的磨损而越加严重。现有结构的脱硫混合搅拌器与该类介质直接接触使用时，普遍存在使用寿命短的固有问题，即使采用磁感应、无接触密封等新型技术，以及极高造价的超级奥氏体不锈钢材料，仍然无法避免搅拌器的搅拌叶轮在腐蚀、冲蚀和敲击共同作用的使用环境下，极快损坏失效的现象。故有必要对现有技术的搅拌装置进行改进。

发明内容

本发明主要目的是要克服上述问题中的不足之处，提供一种具有耐腐蚀性及冲蚀性，抗冲击能力强的碳纤维碳化硅复合材料搅拌器，克服搅拌分层、离析的缺陷、提高在恶劣介质环境中的使用寿命。

为克服上述问题，本发明采用的技术方案是：

包括搅拌驱动电机、以及与搅拌驱动电机连接的减速机、与减速机连接的轴承箱、搅拌轴、安装在轴承箱内与搅拌轴一端连接的密封组件、搅拌叶轮、联轴器、延长连接轴，其特征是：搅拌叶轮的叶轮安装孔处、搅拌轴以及延长连接轴的轴伸处分别设有连接键槽，搅拌叶轮通过键分别与搅拌轴、延长连接轴连接，搅拌轴的另一端与延长连接轴通过联轴器连接，搅拌叶轮是以叶轮轮毂处的中心为基准，在叶轮轮毂的一侧分别等间距阵列布置折弯叶片，折弯叶片的连接部与叶轮轮毂的一侧采用材质是1.4529的螺栓连接，折弯叶片沿着搅拌轴转动并与物料接触顺序的先后，依次设置有第一折弯段、第二折弯段、第三折弯段和第四折弯段，折弯叶片的第一折弯段与同搅拌轴轴线相垂直的竖直面之间是夹角α，折弯叶片的第二折弯段与竖直面之间是夹角β，折弯叶片的第三折弯段与竖直面之间是夹角γ，折弯叶片的第四折弯段与竖直面之间是夹角θ，折弯叶片的内层是基材芯片，基材芯片均布设置通孔，碳纤维碳化硅复合材料层透过基材芯片的通孔包覆在基材芯片表面。

所述折弯叶片包覆碳纤维碳化硅复合材料层包括如下步骤，

步骤一、施工准备，拟定施工方案，准备工具和配制碳化硅陶瓷材料；

步骤二、模具预处理，清理模具内表面，使之清洁光滑，然后进行脱模预处理，使其顺利脱模；

步骤三、折弯叶片的基材芯片前处理，去除表面的油质、灰尘和其他松散物料，去除表面附着铁锈、水锈、碾压表皮；

步骤四、合装模具，将折弯叶片的基材芯片放入模具，合装叶片模具；

步骤五、真空搅拌混料，将配好的碳化硅材料倒入真空搅拌设备中，真空混料搅拌碳化硅陶瓷材料，搅拌时间为30min~120min。

步骤六、振动浇铸陶瓷，向合装好的模具中浇注混料搅拌碳化硅陶瓷材料；边振动边浇注直至注满为止；

步骤七、高温固化处理，将注满碳化硅陶瓷材料的模具放入热处理炉，采取二次加热固化工艺，第一次加热时间是30min~60min,温度为60~80℃，第二次加热时间是120min~240min,温度在120~160℃；

步骤八、冷却处理，采取炉冷和空冷的方式对模具实施冷却，其中，炉冷温度范围是在80~100℃范围内、炉冷时间为60min~180min，空冷的环境温度范围是在10~25℃范围内、空冷时间为120min~240min；

步骤九、拆模清理，依据顺序拆卸模具组件后，得到折弯叶片碳纤维碳化硅复合材料层清理陶瓷叶片，使之清洁光滑；

步骤十、无损检测，采用超声波探伤检测碳纤维碳化硅复合材料内在质量，无气孔、夹渣、裂纹等缺陷，验收合格后缴库。

本发明的有益效果是：在恶劣介质环境中，提高搅拌器的耐腐蚀性及冲蚀性、耐磨性高、抗冲击能力强，并搅拌器在搅拌的过程中不分层、不离析、触变性好、施工不流淌，且不含有挥发性溶剂，安全无毒，提高其使用寿命。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步的详细说明。

图1本发明的结构示意图。

图2是图1所示沿A-A线的剖视图。

图3是本发明折弯叶片的结构示意图。

图4图3所示沿C-C线的剖视图。

图5是折弯叶片包覆碳纤维碳化硅复合材料层流程图。

具体实施方式

如图1-5可知：包括搅拌驱动电机1、以及与搅拌驱动电机1连接的减速机2、与减速机2连接的轴承箱3、搅拌轴5、安装在轴承箱内与搅拌轴一端连接的密封组件4、搅拌叶轮6、联轴器7、延长连接轴8，其特征是：搅拌叶轮6的叶轮安装孔处、搅拌轴5以及延长连接轴8的轴伸处分别设有连接键槽9，搅拌叶轮6通过键分别与搅拌轴5、延长连接轴8连接，搅拌轴5的另一端与延长连接轴8通过联轴器7连接，搅拌叶轮6是以叶轮轮毂11处的中心为基准，在叶轮轮毂11的一侧分别等间距阵列布置折弯叶片12，折弯叶片12的连接部与叶轮轮毂11的一侧采用材质是1.4529的螺栓20连接，折弯叶片12沿着搅拌轴5转动方向并与物料接触顺序的先后，依次设置有第一折弯段13、第二折弯段14、第三折弯段15和第四折弯段16，折弯叶片12的第一折弯段13与同搅拌轴轴线相垂直的竖直面19之间是夹角α，折弯叶片13的第二折弯段14与竖直面19之间是夹角β，折弯叶片12的第三折弯段15与竖直面19之间是夹角γ，折弯叶片13的第四折弯段16与竖直面19之间是夹角θ，折弯叶片12的内层是基材芯片21，基材芯片21均布设置通孔，碳纤维碳化硅复合材料层22透过基材芯片21的通孔包覆在基材芯片21表面。基材芯片21的材质是碳纤维，基材芯片21的厚度是4mm-6mm范围内，包覆在基材芯片21表面的碳纤维碳化硅复合材料层22的厚度是在15mm-25mm范围内。

所述夹角α的值是在10度～20度范围内。

所述夹角β的值是在20度～30度范围内。

所述夹角γ的值是在40度～50度范围内。

所述夹角θ的值是在50度～70度范围内。

所述折弯叶片12包覆碳纤维碳化硅复合材料层22包括如下步骤，

S1、施工准备，拟定施工方案，准备工具和配制碳化硅陶瓷材料；

S2、模具预处理，清理模具内表面，使之清洁光滑，然后进行脱模预处理，使其顺利脱模；

S3、折弯叶片12的基材芯片21前处理，去除表面的油质、灰尘和其他松散物料，去除表面附着铁锈、水锈、碾压表皮；

S4、合装模具，将折弯叶片12的基材芯片21放入模具，合装叶片模具；

S5、真空搅拌混料，将配好的碳化硅材料倒入真空搅拌设备中，真空混料搅拌碳化硅陶瓷材料，搅拌时间为30min~120min。

、振动浇铸陶瓷，向合装好的模具中浇注混料搅拌碳化硅陶瓷材料；边振动边浇注直至注满为止；

S7、高温固化处理，将注满碳化硅陶瓷材料的模具放入热处理炉，采取二次加热固化工艺，第一次加热时间是30min~60min,温度为60~80℃，第二次加热时间是120min~240min,温度在120~160℃；

S8、冷却处理，采取炉冷和空冷的方式对模具实施冷却，其中，炉冷温度范围是在80~100℃范围内、炉冷时间为60min~180min，空冷的环境温度范围是在10~25℃范围内、空冷时间为120min~240min；

S9、拆模清理，依据顺序拆卸模具组件后，得到折弯叶片碳纤维碳化硅复合材料层清理陶瓷叶片，使之清洁光滑；

S10、无损检测，采用超声波探伤检测碳纤维碳化硅复合材料内在质量，无气孔、夹渣、裂纹等缺陷，验收合格后缴库。

搅拌叶轮6上的折弯叶片12包覆有碳化硅复合材料层材料层22，有如下优点：

1）、可操作性好、不分层、不离析、触变性好、施工不流淌等特点；

2）、固化后材料具有优良的机械性能、良好的韧性和抗震及抗冲击能力；

3）、耐各种复杂介质，如酸、碱、盐等，同时耐老化；

4）、绿色环保不含有挥发性溶剂，安全无毒，不挥发物含量（固体含量）≥99（%）。

碳纤维碳化硅复合材料层材料层22以其优异的比强度、比刚度、耐腐蚀及抗疲劳性、能日益为人们所重视。对比金属材料，碳纤维碳化硅复合材料重量轻，同时在模量和机械强度方面表现都非常好，模量高于铝合金，机械强度通过合理设计可达到高强钢水平，远远高于铝合金，在性能和轻量化两方面优势都非常明显。金属材料通常呈各项同性，有屈服或条件屈服现象。而碳纤维具有明显的方向性，沿纤维方向力学性能高于垂直纤维方向性能和纵横剪切性能1—2个量级，并且应力应变曲线在断裂前呈线弹性关系。因此，碳纤维碳化硅复合材料材料层22可以通过层合板理论，选择单层的铺设角、铺层比、铺层顺序。可根据载荷分布特点，针对性设计来获得需要刚度和强度性能，还可以获得独特的面内与面外之间的耦合刚度。而传统金属材料只能通过加厚来实现。

相比较于金属材料，碳纤维碳化硅复合材料层22具有很强的耐酸碱腐蚀的能力。碳纤维碳化硅复合材料层22中的碳纤维是经过2000—3000℃高温石墨化处理形成的类似石墨晶体的微晶结构，这种结构本身就具有很高的耐介质腐蚀性，在高达50％的盐酸、硫酸或者磷酸中亦能在弹性模量、强度和直径等方面基本保持无变化。因此，作为增强材料来说，碳纤维碳化硅复合材料层22在耐腐蚀性能方面有足够的保证。

碳纤维碳化硅复合材料层的疲劳特性主要影响因素是压缩应变和高应变水平。疲劳性能通常进行压—压（R=10）和拉—压（R=-1）的疲劳试验，而金属材料一般进行R=0.1的拉—拉疲劳试验。相比于金属零件，尤其是铝合金，碳纤维碳化硅复合材料具有优异的疲劳性能。在脱硫、除渣或是其他抗疲劳性要求较高的领域，碳纤维碳化硅复合材料具有更好的应用优势。同时碳纤维碳化硅复合材料层22几乎不存在切口效应。大多数碳纤维碳化硅复合材料在整个寿命期内，有切口试验的S-N曲线与无切口试验的S-N曲线相同。

为了确保碳纤维碳化硅复合材料层22与叶片片体17表面贴合的紧密程度，碳化硅层与折弯叶片12的叶片片体17表面之间设置有浸渍树脂，以避免层间结构出现内部空鼓，使得叶片表面在受到介质内颗粒的连续撞击时、不易破损，有效保护折弯叶片12的内部结构。折弯叶片12上的碳纤维碳化硅复合材料层22形成了陶瓷性质的光滑表面，可以最大程度地保证搅拌效率，进而达到提升整机效率、降低能耗的效果；其耐磨程度比普通叶片提升三倍，显著延长了产品的使用寿命，彻底解决了更换备件频繁、日常维护复杂且费用高的问题。

折弯叶片12的叶片片体17的一端设置有叶片连接部18，叶片片体17上、沿着转动的片体与物料接触的先后顺序，依次设置有第一折弯段13、第二折弯段14、第三折弯段15和第四折弯段16。折弯叶片12的第一折弯段13与同搅拌轴5轴线相垂直的竖直面19之间的夹角α，可以在10度～20度之间；折弯叶片12的第二折弯段14与竖直面19之间的夹角β，可以在20度～30度之间；折弯叶片12的第三折弯段15与竖直面18之间的夹角γ，可以在40度～50度之间；折弯叶片12的第四折弯段16与竖直面19之间的夹角θ，则可以在50度～70度之间；以在确保折弯叶片12强度的同时，有效提升搅拌叶轮6的搅拌效率。各个折弯叶片12分别通过叶片连接部18与叶轮轮毂11的端侧可拆卸式连接。

各个折弯叶片12装配到叶轮轮毂11的位置及仰冲角度不同也是本实施方式的固有特点，通过CFD及有限元分析，找到角度与搅拌效率的最优结合，最终目的是利于搅拌力提升、防止介质缠绕或冲击、提高整体刚度及表面强度、便于施工及不会脱落等。由于搅拌器需要胜任不同的介质要求，需要面对不同的介质冲击及搅动阻力，因此，根据工况环境结合过CFD及有限元分析，确定覆在基材芯片21表面的碳纤维碳化硅复合材料层22的厚度是在15mm-25mm范围内的任意一个厚度值，满足叶片时刻处于腐蚀、冲蚀、交变冲击、介质阻力、驱动扭矩的综合载荷下的使用寿命。

在实施碳纤维作为基材芯片21设计时，强度设计计算主要依据下表1中重要构件的指标。

表1. 重要构件的强度设计计算依据指标

本发明结构上的折弯叶片12涂覆的碳纤维碳化硅复合材料层22可以最大限度的提升搅拌力并通过折弯角度降低阻力，加上质量轻、耐磨损的固有特性，可以大幅提升搅拌器效率，具有推广到造纸、环保、电力、矿机等各种恶劣工况大的搅拌装置。

本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。