轻稀土(铈组稀土)镧(La)提纯风机基础知识与应用解析:以D(La)270-1.99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、镧分离、离心鼓风机、D(La)270-1.99、风机配件、风机维修、工业气体输送

引言

稀土元素作为现代工业的“维生素”，在新能源、新材料、航空航天等领域具有不可替代的战略价值。轻稀土（铈组稀土）中的镧（La）作为稀土家族的重要成员，其提纯工艺对设备性能有着特殊要求。离心鼓风机作为提纯流程中的关键气体输送设备，其选型、运行和维护直接关系到镧的分离效率和产品质量。本文将从风机技术角度，系统阐述适用于镧提纯工艺的离心鼓风机基础知识，重点解析D(La)270-1.99型高速高压多级离心鼓风机的技术特性，并对风机核心配件、维修要点以及工业气体输送注意事项进行详细说明。

一、稀土提纯工艺对风机设备的特殊要求

轻稀土（铈组稀土）主要包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)等元素，其分离提纯通常采用溶剂萃取、离子交换、真空蒸馏等工艺。在这些工艺中，离心鼓风机主要承担以下关键任务：

气体输送与加压：为萃取槽、反应釜提供工艺气体，维持系统压力平衡

惰性气体保护：在高温、易氧化环节提供氮气、氩气等保护气氛

尾气处理：输送工业烟气至处理系统，确保环保达标

物料输送：在干法工艺中输送粉状物料

镧提纯过程中，风机需满足以下特殊要求：

高纯度要求：避免铁、镍等金属污染，影响稀土纯度

耐腐蚀性：部分工艺环节存在酸性或碱性气体环境

压力稳定性：萃取分离对气体压力波动敏感，需保持压力稳定在±1%以内

密封可靠性：防止工艺气体泄漏，保障生产安全和资源节约

二、稀土提纯专用离心鼓风机系列概述

根据稀土提纯工艺的不同需求，风机厂家开发了多个专用系列：

2.1 “C(La)”型系列多级离心鼓风机

采用多级叶轮串联设计，适用于中低压力、大流量场合，常用于萃取车间的气体循环系统。其结构相对简单，维护方便，性价比高。

2.2 “CF(La)”与“CJ(La)”型系列专用浮选离心鼓风机

专门针对稀土矿石浮选工艺开发，具有抗堵塞、耐磨蚀特性。CF系列注重流量调节性能，CJ系列则强调在矿浆泡沫环境下的稳定运行。

2.3 “AI(La)”型系列单级悬臂加压风机

采用单级叶轮和悬臂结构，结构紧凑，适用于空间受限的改造项目。常用于小型萃取线或实验室规模的镧提纯装置。

2.4 “S(La)”型系列单级高速双支撑加压风机

单级高速设计配以双支撑轴承系统，兼顾高效率和稳定性。适用于需要中等压力、对振动控制要求严格的场合。

2.5 “AII(La)”型系列单级双支撑加压风机

在AI系列基础上加强支撑结构，提高转子刚性，适用于流量变化频繁的工艺条件。

2.6 “D(La)”型系列高速高压多级离心鼓风机

本文重点介绍的系列，采用多级叶轮和高速齿轮箱驱动，可提供高达3.0MPa的出风压力，是高压萃取、精密分离等关键工艺的首选设备。

三、D(La)270-1.99型高速高压多级离心鼓风机详解

3.1 型号命名规则解析

以“D(La)270-1.99”为例进行解读：

“D”：代表D系列高速高压多级离心鼓风机

“(La)”：表示该风机专为镧提纯工艺设计和优化

“270”：表示风机在标准工况下的额定流量为每分钟270立方米

“-1.99”：表示风机出口设计压力为1.99个大气压（表压）

进风口压力说明：型号中没有“/”符号，表示进风口压力为标准大气压（1个大气压绝对压力）

若型号为“D(La)270-1.6/1.2”，则表示进风口压力为1.2个大气压，出风口压力为1.6个大气压。

3.2 主要技术参数与性能特点

D(La)270-1.99型风机设计针对镧提纯的高压气体需求，具有以下技术特点：

流量-压力特性：
在额定转速下，风机能够在240-300立方米/分钟流量范围内稳定提供1.99±0.02MPa的出风压力。流量与压力遵循离心风机特性曲线，即压力随流量增加而缓慢下降，在高效区内呈近似线性关系。

效率特性：
该型号设计效率可达82%-85%，高效区覆盖70%-110%额定流量范围。效率计算采用全压效率公式：全压效率等于有效功率与轴功率的比值乘以百分之百。

转速与功率：
采用高速齿轮箱增速，工作转速通常在8000-12000转/分钟范围。配套电机功率根据气体密度调整，输送空气时约为110-130kW，输送密度较大的气体时需要相应增加功率。

气体适应性：
可输送空气、氮气、氩气等多种工艺气体。当气体种类改变时，需重新计算功率需求，遵循功率与气体密度成正比的调整原则。

3.3 结构设计与材料选择

机壳设计：
采用水平剖分式结构，便于检修内部组件。材料根据输送气体性质选择：输送空气或惰性气体时选用HT250铸铁；输送含腐蚀性成分气体时选用304或316L不锈钢。

叶轮组：
采用3-5级后弯式叶轮串联，每级叶轮间设导流器。叶轮材料为2Cr13不锈钢，经精密动平衡校正，残余不平衡量小于1.0g·mm/kg。

密封系统：

级间密封：采用迷宫密封，间隙控制在0.25-0.35mm

轴端密封：根据气体性质可选碳环密封或机械密封

油封：采用双唇骨架油封，防止润滑油泄漏

四、风机核心配件详解

4.1 风机主轴

D(La)270-1.99的主轴采用42CrMo合金钢，调质处理至HB280-320。主轴设计考虑以下因素：

临界转速：一阶临界转速为工作转速的1.3倍以上，避免共振

轴挠度：最大挠度小于轴承间隙的50%

配合公差：与轴承配合处采用k6公差，与叶轮配合处采用h6公差

主轴检修时需检查：

表面硬度是否达标

径向跳动是否小于0.02mm

键槽是否有磨损或裂纹

4.2 风机轴承与轴瓦

采用滑动轴承（轴瓦）支撑系统，相比滚动轴承具有以下优势：

阻尼特性好，抑制振动

承载能力高，适合高速重载

寿命长，可达50000小时以上

轴瓦材料与结构：

基层：低碳钢08Al，提供机械强度

耐磨层：巴氏合金ChSnSb11-6，厚度1.5-2.0mm

油槽设计：轴向油槽与周向油槽组合，确保润滑充分

轴承间隙控制：
径向间隙按主轴直径的千分之一点二至千分之一点五设置。例如，对于φ100mm的主轴，轴承间隙为0.12-0.15mm。

4.3 风机转子总成

转子总成包括主轴、叶轮、平衡盘、联轴器等组件。组装要点：

动平衡要求：
单级叶轮不平衡量小于1.5g·mm/kg
转子总成不平衡量小于2.0g·mm/kg
平衡精度等级达到G2.5级

装配间隙控制：

叶轮与机壳径向间隙：1.5-2.0mm

叶轮与隔板轴向间隙：2.0-2.5mm

平衡盘间隙：0.20-0.25mm

4.4 气封与密封系统

迷宫密封：
采用高低齿迷宫密封，齿尖厚度0.2mm，齿尖与轴间隙0.25-0.30mm。密封效果取决于齿数和间隙，泄漏量计算公式为：泄漏量等于密封系数乘以压差开平方乘以间隙面积。

碳环密封：
用于有毒、贵重气体密封，由多个碳环组成。每个碳环内径比轴径小0.5-1.0mm，安装时需用专用工具撑开。

机械密封：
用于极高压力或高危险性气体，采用双端面平衡型机械密封，密封压力可达2.5MPa。

4.5 轴承箱

轴承箱为整体铸造结构，材料HT250。设计要点：

油路设计：进油口在轴承底部，回油口在侧面，确保充分润滑

冷却设计：箱体带冷却水套，控制油温在40-55℃

密封设计：轴端采用双唇油封，箱体结合面采用耐油密封胶

五、风机维修与维护要点

5.1 日常维护

运行监测：

每小时记录轴承温度、振动值、进出口压力

轴承温度不超过75℃，温升不超过40℃

振动速度有效值不超过4.5mm/s

润滑管理：

使用ISO VG46透平油，每三个月取样检测

油过滤器压差超过0.15MPa时更换滤芯

每年更换全部润滑油

5.2 定期检修

小修（每运行4000小时）：

检查联轴器对中，偏差不超过0.05mm

检查碳环密封磨损情况，磨损量超过2mm需更换

清洗油过滤器、油冷却器

中修（每运行16000小时）：

解体检查轴承、轴瓦磨损情况

检查迷宫密封间隙，必要时更换

校验仪表和控制系统

大修（每运行48000小时）：

全面解体，检查所有部件

转子做动平衡校验

更换所有密封件和易损件

重新涂装防腐层

5.3 常见故障处理

振动超标：
可能原因及处理：

转子不平衡：重新做动平衡

对中不良：重新调整对中

轴承磨损：更换轴瓦

基础松动：加固基础

轴承温度高：
可能原因及处理：

润滑油不足或变质：补充或更换润滑油

冷却水不足：检查冷却系统

轴承间隙过小：调整或更换轴瓦

压力不足：
可能原因及处理：

密封间隙过大：调整或更换密封

叶轮磨损：修复或更换叶轮

转速下降：检查驱动系统

六、工业气体输送的特殊考虑

6.1 不同气体的特性与风机调整

空气：
标准工况气体，风机参数按空气设计。密度1.293kg/m³，绝热指数为一点四。

工业烟气：
成分复杂，可能含腐蚀性物质。需采用不锈钢材质，前加除尘过滤，转速适当降低10%-15%。

二氧化碳（CO₂）：
密度为空气的1.5倍，绝热指数为一点三。输送CO₂时，功率需增加50%，注意密封性防止泄漏。

氮气（N₂）：
惰性气体，密度与空气接近，绝热指数为一点四。输送氮气时风机参数基本不变，但需确保密封以防氧气渗入。

氧气（O₂）：
强氧化性，禁油处理。风机需全不锈钢结构，使用专用氧气密封，润滑系统与氧气完全隔离。

稀有气体（He、Ne、Ar）：
氦气密度低，需提高转速；氩气密度高，需增加功率。所有稀有气体输送都要求极高密封性。

氢气（H₂）：
密度低，易泄漏，爆炸风险。采用特殊密封结构，防爆电机，运行区域防爆处理。

混合无毒工业气体：
根据混合比例计算平均分子量和绝热指数，重新核算风机性能。

6.2 安全注意事项

气体相容性：确保风机材料与输送气体相容，特别是氧气和腐蚀性气体

防爆要求：输送可燃气体时，风机需防爆设计，区域划分符合防爆要求

泄漏监测：贵重、有毒气体需安装泄漏监测报警系统

压力安全：设置安全阀、爆破片等超压保护装置

紧急停机：设置气体成分异常、压力异常等紧急停机联锁

6.3 能效优化

变频调速：根据工艺需求调节转速，节能20%-40%

热回收：对压缩热进行回收利用，提高系统能效

系统匹配：优化管网设计，减少压力损失

维护优化：定期维护保持风机高效运行

七、镧提纯工艺中的风机选型建议

针对镧提纯的不同工艺环节，风机选型建议如下：

7.1 萃取环节

推荐D(La)系列，压力稳定，可精确控制萃取槽气相压力。流量根据萃取槽大小选择，通常每立方米萃取容积需要1-1.5m³/min气体流量。

7.2 结晶环节

推荐S(La)系列，中等压力，流量稳定。需注意气体纯度，防止杂质引入。

7.3 烘干环节

推荐C(La)系列，大流量，中低压力。需配套加热器和过滤器。

7.4 包装环节

推荐AI(La)系列，小流量，用于惰性气体保护。

7.5 系统选型计算示例

以年产100吨高纯镧的提纯线为例：

总气体需求：约600m³/min

系统压力：1.8-2.0MPa

推荐配置：2台D(La)270-1.99并联运行，1台备用

年运行时间：8000小时

预计能耗：约200万kWh/年

结论

D(La)270-1.99型高速高压多级离心鼓风机作为轻稀土镧提纯的关键设备，其设计充分考虑了稀土工艺的特殊要求。正确的选型、规范的维护和针对不同气体的适应性调整，是确保风机长期稳定运行、保障镧提纯质量和效率的基础。随着稀土工业向高纯化、精细化方向发展，对风机设备的要求也将不断提高，未来风机技术将更加注重智能化控制、能效优化和材料创新，为稀土工业的可持续发展提供有力支撑。

风机技术的进步与稀土提纯工艺的发展相辅相成，作为风机技术人员，我们需不断学习新知识，掌握新技术，为我国的稀土工业发展贡献专业力量。