轻稀土(铈组稀土)镧(La)提纯风机核心技术解析:以D(La)2335-1.74型离心鼓风机为例

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、铈组稀土、镧提纯风机、D(La)2335-1.74、离心鼓风机、风机维修、工业气体输送、轴瓦轴承、碳环密封

第一章 稀土矿提纯与离心鼓风机技术概述

稀土元素作为现代工业的“维生素”，在新能源、航空航天、电子信息等领域具有不可替代的战略地位。轻稀土(铈组稀土)主要包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)等元素，其中镧元素的提纯工艺对气体输送设备有着特殊要求。在镧的湿法冶金提纯过程中，离心鼓风机承担着气浮分离、氧化还原反应供气、尾气处理等关键工序的气体输送任务，其性能直接影响到稀土产品的纯度、收率和生产成本。

离心鼓风机在稀土提纯中的应用可分为多个工艺环节：在萃取分离阶段需要输送保护性气体防止氧化；在沉淀工序需提供精确的气体流量控制；在焙烧过程中需输送高温烟气；在尾气处理环节需输送各种工业气体。这些工艺条件对风机的密封性、耐腐蚀性、压力稳定性和流量调节精度提出了极高要求。

针对轻稀土提纯的特殊工况，我国风机行业开发了专门的产品系列，包括“C(La)”型系列多级离心鼓风机、“CF(La)”型系列专用浮选离心鼓风机、“CJ(La)”型系列专用浮选离心鼓风机、“D(La)”型系列高速高压多级离心鼓风机、“AI(La)”型系列单级悬臂加压风机、“S(La)”型系列单级高速双支撑加压风机以及“AII(La)”型系列单级双支撑加压风机。这些风机可输送空气、工业烟气、二氧化碳CO₂、氮气N₂、氧气O₂、氦气He、氖气Ne、氩气Ar、氢气H₂及混合无毒工业气体，基本覆盖了稀土提纯全流程的气体输送需求。

第二章 D(La)2335-1.74型离心鼓风机技术详解

2.1 型号命名规则与技术参数

在稀土提纯风机命名体系中，“D(La)2335-1.74”这一完整风机型号蕴含着丰富的技术信息：“D”代表D系列高速高压多级离心鼓风机；“La”特指适用于镧元素提纯工艺的专用设计；“2335”表示风机在设计工况下的流量为每分钟2335立方米；“-1.74”表示风机出口压力为1.74个大气压（表压）。需要特别说明的是，如果没有“/”符号，则表示进风口压力为标准大气压（1个大气压）。

D(La)2335-1.74型风机是针对镧元素提纯过程中高压气体输送需求而研发的专用设备。其设计流量2335m³/min是根据年产5000吨氧化镧生产线实际气体消耗量，结合气液传质效率、反应动力学参数和安全系数综合计算得出的最优值。1.74个大气压的出口压力能够克服稀土提纯过程中萃取塔、反应釜、洗涤塔等设备的气体阻力，确保气体均匀分布和充分接触。

2.2 结构特点与工作原理

D(La)2335-1.74型风机采用多级离心式结构，通常包含4-6个叶轮串联工作。每个叶轮级都能将气体的压力提升一定值，多级串联后实现总压升1.74个大气压的设计要求。该型号风机转速一般在8000-12000rpm范围内，通过高速旋转的叶轮对气体做功，将机械能转化为气体的压力能和动能。

该风机的气体动力学设计充分考虑了稀土提纯工艺的特点：首先，叶型采用后弯式设计，效率曲线平坦，能够在流量波动时保持压力稳定；其次，流道表面进行特殊抛光处理，减少尘埃和结晶物附着；第三，材料选择上，与气体接触部分采用双相不锈钢或特殊涂层，提高耐腐蚀性能。

风机性能曲线显示，在额定流量2335m³/min时效率最高，达到88%-92%。当流量在±15%范围内变化时，压力变化不超过5%，这一特性对保持稀土提纯工艺稳定性至关重要。风机采用进口导叶调节和变频调速双重控制方式，可根据工艺需求实现流量20%-100%范围内的无级调节。

第三章 风机核心配件技术解析

3.1 风机主轴与轴承系统

D(La)2335-1.74型风机的主轴采用42CrMoA合金钢整体锻造，经过调质处理和精密加工，表面硬度达到HRC45-50，芯部保持良好的韧性。主轴设计考虑了临界转速问题，工作转速远离一阶和二阶临界转速，确保运行平稳。在主轴与叶轮配合处采用过盈配合加键连接的双重固定方式，配合精度达到H7/k6级。

风机轴承系统选用液体动压滑动轴承（轴瓦），这种设计相比滚动轴承具有承载能力强、阻尼特性好、使用寿命长的优点。轴瓦材料为锡锑轴承合金（ChSnSb11-6），厚度3-5mm，浇铸在钢背衬上。瓦面开设合理的油槽，保证润滑油形成稳定的动压油膜。轴承间隙控制为轴径的0.1%-0.15%，通过精密刮研确保接触面积大于85%。

3.2 转子总成与动平衡

转子总成是风机的核心运动部件，包括主轴、叶轮、平衡盘、联轴器等组件。D(La)2335-1.74的叶轮采用高强度铝合金ZL114A或钛合金TC4精密铸造，每个叶轮都经过X射线探伤、荧光探伤等无损检测。叶轮与主轴的装配采用热装工艺，加热温度控制在180-220℃范围内。

动平衡精度直接影响到风机振动水平和轴承寿命。该型号风机转子总成要求进行G2.5级动平衡，不平衡量小于0.5g·mm/kg。平衡校正采用去重法，在叶轮轮盖或轮盘上钻孔去除材料，钻孔深度不超过壁厚的1/3。完成动平衡后，转子总成需进行超速试验，试验转速为工作转速的115%，持续运转2分钟，确保结构完整性。

3.3 密封系统

密封系统是防止气体泄漏和外界杂质进入的关键，D(La)2335-1.74型风机采用三级密封组合设计：

气封（迷宫密封）安装在叶轮与机壳之间，由多组铜合金密封齿组成，齿间间隙控制在0.3-0.5mm。迷宫密封利用多次节流膨胀原理降低气体泄漏量，可将级间泄漏控制在流量的1%以内。

碳环密封应用于轴端密封，由多个碳环组成密封组。碳环材料为浸渍呋喃树脂的石墨，具有自润滑性能和良好的化学稳定性。碳环与轴之间的径向间隙为0.05-0.1mm，轴向通过弹簧保持压紧力。这种密封在稀土提纯环境中表现优异，耐腐蚀、耐磨损，使用寿命可达16000小时以上。

油封采用骨架油封与迷宫油封组合，防止润滑油泄漏和外部粉尘进入轴承箱。骨架油封材质为氟橡胶，耐温-20℃至200℃，适合稀土提纯车间的环境温度变化。

3.4 轴承箱与润滑系统

轴承箱为整体铸造结构，材料为HT250灰铸铁，壁厚设计充分考虑刚度和减振需求。轴承箱内部设有精确的油路通道，确保润滑油能够到达每个润滑点。箱体结合面采用平面加密封胶的密封方式，防止漏油。

润滑系统采用强制循环油润滑，包含主油泵、辅助油泵、油冷却器、双联过滤器、蓄能器等组件。润滑油选用ISO VG46透平油，油压维持在0.15-0.25MPa，油温控制在35-45℃范围内。系统设有油压、油温、油位等多重保护，当油压低于0.08MPa时自动启动辅助油泵，低于0.05MPa时联锁停机。

第四章 稀土提纯工艺中的工业气体输送

4.1 不同气体的输送特性与风机选型

稀土镧提纯过程中涉及多种工业气体的输送，每种气体对风机的要求各不相同：

氮气N₂输送主要用于保护性气氛建立，防止稀土化合物氧化。氮气分子量与空气接近，密度略轻，输送时风机功率需求稍低。但氮气环境可能造成“氮脆”现象，风机材料需选择奥氏体不锈钢。

氧气O₂输送用于氧化工序，如将Ce³⁺氧化为Ce⁴⁺。氧气具有助燃性，风机设计必须考虑防爆要求：叶轮与机壳采用铜合金或不会产生火花的材料；密封系统更严密；设置氧气浓度监测和氮气吹扫系统。

氢气H₂输送用于还原工序，氢气密度小、粘度低，泄漏倾向大且爆炸极限宽（4%-75%）。输送氢气的风机需特殊设计：提高密封等级，采用干气密封；增加泄漏检测点；防爆等级达到ExdⅡCT4以上。

二氧化碳CO₂、氩气Ar等惰性气体主要用于搅拌和置换，这些气体密度较大，风机需相应提高功率。同时CO₂遇水生成碳酸，对碳钢有腐蚀性，风机过流部件需采用不锈钢材质。

4.2 混合气体输送的特殊考虑

稀土提纯中常使用混合气体，如空气与氧气的混合气用于控制氧化速率，氮气与氢气的混合气用于调节还原气氛。混合气体输送对风机提出了特殊要求：首先，必须精确掌握混合气体的密度、比热比、压缩因子等物性参数，这些参数直接影响风机的性能曲线；其次，混合气体的爆炸极限需要重点评估，特别是氢气、氧气参与的混合气；第三，混合气体可能发生组分液化，如CO₂在高压下可能液化，需控制最低工作温度。

D(La)2335-1.74型风机在设计时已考虑混合气体输送的适应性：性能曲线提供多种气体换算系数；密封系统能够适应不同气体渗透特性；材料选择兼顾各种气体的化学相容性。

4.3 工艺匹配与系统集成

风机在稀土提纯生产线中不是孤立设备，必须与前后工艺设备良好匹配。与萃取塔匹配时，风机需提供稳定压力，保证气体均匀分布；与反应釜匹配时，风机需具备快速调节能力，响应工艺变化；与尾气处理系统匹配时，风机需克服系统阻力，保持负压操作。

系统集成考虑包括：风机进出口管路设计，减少压力损失；阀门配置，实现流量精确控制；仪表系统，监测压力、温度、流量和气体成分；控制系统，与DCS或PLC集成，实现自动调节和安全联锁。

第五章 风机维护保养与故障排除

5.1 日常维护要点

D(La)2335-1.74型风机的日常维护工作对保障稀土提纯生产连续性至关重要：

每日检查包括：振动值监测，轴承部位振动速度应小于4.5mm/s；声音检查，倾听有无异常摩擦或冲击声；油系统检查，确认油压、油温、油位在正常范围；密封检查，观察有无气体或润滑油泄漏；仪表检查，确认所有监测仪表工作正常。

每周维护包括：润滑油品质检查，取样分析水分、酸值、颗粒度；密封空气系统检查，确认压力、流量正常；过滤器检查，清洗或更换滤芯；螺栓紧固检查，特别是轴承箱、机壳等关键部位连接螺栓。

每月维护包括：全面振动频谱分析，识别早期故障特征；轴承温度趋势分析，预测轴承状态；密封间隙测量，评估磨损情况；联轴器对中复查，确保对中精度在0.05mm以内；控制系统校验，检查传感器精度和控制逻辑。

5.2 定期大修规程

风机每运行24000小时或4年（以先到者为准）需进行大修，大修内容包括：

转子总成全面检查：叶轮表面进行磁粉探伤，检查裂纹；测量叶轮口环、轴套等易损件磨损量；检查主轴直线度，要求弯曲小于0.02mm；重新进行动平衡校正。

轴承系统检修：测量轴瓦间隙，超过设计值30%需更换；检查轴瓦接触情况，必要时重新刮研；检查轴承箱内表面有无磨损。

密封系统更换：更换所有碳环密封；检查迷宫密封齿磨损，严重磨损的更换；更换所有油封。

机壳与流道检查：检查机壳有无腐蚀、裂纹；检查进气室、扩压器等流道部件结垢情况，彻底清洗；检查所有密封面，修复损伤。

5.3 常见故障分析与处理

振动超标是最常见故障，可能原因包括：转子不平衡，需重新进行动平衡；轴承磨损，需更换轴瓦；对中不良，需重新对中；基础松动，需紧固地脚螺栓；喘振现象，需调整工况点远离喘振区。

轴承温度过高可能原因：润滑油不足或品质劣化，需检查润滑系统；轴承间隙过小，需调整间隙；冷却水系统故障，需检查冷却器；负荷过大，需检查系统阻力。

气体泄漏可能原因：碳环密封磨损，需更换密封件；迷宫密封间隙过大，需调整或更换；机壳密封面损坏，需修复密封面。

性能下降可能原因：叶轮磨损或腐蚀，效率降低；密封间隙过大，内泄漏增加；进气过滤器堵塞，进气压力降低；系统阻力增加，需检查管路和设备。

第六章 技术发展趋势与创新方向

6.1 智能化与预测性维护

随着工业4.0技术的发展，稀土提纯风机正朝着智能化方向演进。智能风机系统配备振动、温度、压力、位移等多种传感器，实时采集运行数据。通过大数据分析和机器学习算法，系统能够识别早期故障特征，实现预测性维护。例如，通过振动频谱分析可提前300-500小时预警轴承故障，通过性能参数分析可提前发现叶轮效率下降趋势。

远程监控与诊断系统允许技术人员远程访问风机运行数据，即使是在偏远的稀土矿区也能获得专家的技术支持。数字孪生技术创建风机的虚拟模型，模拟不同工况下的性能表现，为优化运行和故障诊断提供有力工具。

6.2 新材料与新工艺应用

新材料应用是提升风机性能的重要途径。在稀土提纯这一特殊工况下，陶瓷基复合材料开始应用于叶轮和密封部件，其耐腐蚀、耐磨损性能远优于金属材料。纳米涂层技术可在叶轮表面形成致密保护层，有效抵抗酸性气体的腐蚀。石墨烯增强复合材料在密封件中的应用，提高了密封性能和使用寿命。

制造工艺方面，3D打印技术开始用于制造具有复杂内部流道的叶轮，这种一体化成型的叶轮气流效率比传统制造方法提高3%-5%。激光熔覆技术用于修复磨损的轴颈和密封部位，修复后性能可恢复到新件的95%以上。

6.3 能效优化与环保设计

“双碳”目标下，风机能效优化成为重要发展方向。D(La)2335-1.74型风机的下一代产品将通过以下措施提高能效：采用三元流叶轮设计，减少二次流动损失；优化扩压器和回流器，提高静压恢复系数；应用磁悬浮轴承，消除机械摩擦损失；采用永磁同步电机，提高传动效率。这些措施综合可使风机效率提升5%-8%。

环保设计包括：低噪声设计，通过流道优化和隔声材料将噪声控制在85dB以下；零泄漏设计，采用干气密封和磁力传动，彻底消除工艺气体泄漏；材料可回收设计，提高材料回收率和再利用价值。

6.4 标准化与模块化设计

针对稀土提纯行业的特点，风机正朝着标准化和模块化方向发展。标准化设计包括：接口尺寸标准化，便于设备更新和替换；性能参数系列化，形成完整的产品谱系；控制协议标准化，便于系统集成。

模块化设计将风机分解为进气模块、压缩模块、传动模块、控制模块等标准化单元。用户可根据具体需求组合不同模块，快速构建定制化解决方案。模块化设计还大大简化了维修工作，故障模块可整体更换，减少停机时间。

结语

轻稀土(铈组稀土)镧提纯风机作为稀土产业链中的关键设备，其技术水平直接影响我国稀土产业的竞争力和可持续发展。D(La)2335-1.74型离心鼓风机代表了当前稀土提纯专用风机的先进水平，其科学的设计理念、精湛的制造工艺和可靠的运行性能，为镧元素高效提纯提供了坚实保障。

随着稀土新材料需求的不断增长和环保要求的日益严格，稀土提纯风机技术将持续创新。未来，更高效、更智能、更环保的风机产品将不断涌现，推动我国稀土产业向高质量方向发展。作为风机技术人员，我们需不断学习新知识、掌握新技术，为稀土这一战略资源的开发与利用贡献专业力量。