轻稀土(铈组稀土)镧(La)提纯风机D(La)31-1.50技术解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯 铈组稀土 镧(La)分离 离心鼓风机 D(La)31-1.50 风机维修 工业气体输送 稀土冶炼

一、引言：稀土提纯工艺中的关键动力设备

稀土元素作为现代工业的“维生素”，其提纯工艺对设备性能有着极其苛刻的要求。在轻稀土（铈组稀土）分离过程中，镧(La)作为该组份中的关键元素，其提纯工艺需要精密控制的气体输送和压力系统支持。离心鼓风机在这一过程中扮演着核心动力源的角色，为萃取、分离、浮选等工序提供稳定可靠的气体动力。

我国稀土矿提纯技术经过数十年发展，已形成完整的专用设备体系。其中针对镧(La)提纯工艺设计的"D(La)型系列高速高压多级离心鼓风机"代表了当前行业先进水平。本文将以D(La)31-1.50型号为重点，系统阐述其技术原理、结构特点、配件系统及维护要点，并对稀土冶炼中工业气体输送的特殊要求进行深入分析。

二、稀土提纯工艺对鼓风机的特殊要求

轻稀土提纯是一个复杂的物理化学过程，主要采用溶剂萃取法、离子交换法及氧化还原法等技术。在这些工艺中，气体输送系统需要满足以下特殊条件：

首先，工艺气体需要精确的压力控制。以D(La)31-1.50为例，其出口压力1.50个大气压（表压）需稳定维持在±0.02大气压范围内，任何压力波动都会直接影响萃取效率和产品纯度。

其次，气体洁净度要求极高。稀土化合物对油污、水汽及其他杂质极为敏感，风机密封系统必须确保零泄漏、零污染。特别是镧(La)在提纯过程中容易氧化，需要严格控制氧气含量或使用惰性气体保护。

第三，耐腐蚀性要求严格。稀土冶炼过程中可能接触酸性或碱性介质，风机过流部件需要特殊材质处理。针对不同工业气体，如二氧化碳CO₂、氮气N₂、氧气O₂等，材料选择也有显著差异。

最后，运行稳定性至关重要。稀土生产线通常连续运行数月，任何非计划停机都会造成巨大经济损失。因此，风机设计的可靠性和可维护性成为关键考量因素。

三、D(La)31-1.50型号技术规格详解

3.1 型号命名规则解析

根据行业标准，鼓风机型号"D(La)31-1.50"包含以下信息：

"D"代表D系列高速高压多级离心鼓风机，该系列专为高压小流量工况设计，采用多级叶轮串联结构，每级叶轮逐步提升气体压力，最终达到所需工作压力。

"(La)"表示该风机针对镧(La)元素提纯工艺优化设计，在气动性能、材料选择、密封配置等方面都针对镧分离的特殊要求进行了专门调整。

"31"表示风机进口状态下流量为每分钟31立方米。这个流量值是根据镧(La)提纯生产线的实际用气需求，通过工艺计算确定的优化值。需要注意的是，流量参数是在标准进气条件（温度20°C，相对湿度50%，大气压力101.325kPa）下测定的。

"-1.50"表示风机出口绝对压力为1.50个大气压（绝对压力）。由于没有"/"符号，表明进气压力为标准大气压（1个大气压绝对压力），因此风机提供的压力升高值为0.50个大气压（约50kPa）。这个压力值是通过精确计算管道阻力、设备阻力和工艺要求后确定的。

3.2 性能参数与特性曲线

D(La)31-1.50的设计工作点位于风机特性曲线的高效区中心。其性能特点包括：

流量-压力特性呈现典型的离心风机特征：在转速恒定情况下，流量减小则压力升高，但变化较为平缓，这有利于工艺系统的稳定控制。

效率曲线在额定工作点附近达到峰值，通常全压效率可达82%-85%，这在多级离心鼓风机中属于较高水平。高效运行不仅降低能耗，也减少了机械热负荷，提高了设备可靠性。

功率曲线近似线性增长，电机选型时需考虑一定的安全裕度。D(La)31-1.50通常配备防爆电机，功率根据气体密度和系统阻力确定，一般在45-55kW范围。

3.3 气动设计特点

该型号采用后弯式叶轮设计，叶片出口角一般在30°-45°之间，这种设计虽然单级压比较低，但效率高、工作范围宽、性能曲线平坦。多级串联后，总压比可达1.5，满足工艺要求。

流道设计特别考虑了低雷诺数下的流动特性，因为稀土提纯中常使用分子量较大的气体或混合气体。叶轮流道宽度、叶片数、进出口直径比等参数都经过计算流体动力学优化，确保内部流动损失最小。

蜗壳设计采用等宽度矩形截面，出口扩压段角度控制在6°-8°，避免气流分离。这种设计虽然制造成本较高，但效率提升显著，长期运行经济性好。

四、D系列风机在稀土提纯中的应用对比

4.1 各系列风机适用场景

在稀土冶炼行业，根据不同的工艺环节和气体需求，发展出了多个专用风机系列：

"C(La)"型系列多级离心鼓风机主要适用于中等压力、中等流量场合，通常用于萃取槽的搅拌气体供应。其压力范围一般在1.2-1.8个大气压，流量范围较宽。

"CF(La)"型系列专用浮选离心鼓风机针对浮选工艺优化，特别注重流量稳定性和微气泡发生能力。其出口压力通常不高（1.1-1.3大气压），但流量调节范围宽。

"CJ(La)"型系列也是浮选专用风机，但在结构上有所区别，采用不同的密封和轴承配置，适用于有特殊介质要求的浮选工序。

"D(La)"型系列高速高压多级离心鼓风机是本文重点，专为高压需求设计，转速可达每分钟10000转以上，通过多级压缩实现较高压力，但流量相对较小。

"AI(La)"型系列单级悬臂加压风机结构紧凑，适用于空间受限的改造项目，但压力和流量范围有限。

"S(La)"型系列单级高速双支撑加压风机采用齿轮箱增速，单级叶轮即可产生较高压比，适用于清洁气体输送。

"AII(La)"型系列单级双支撑加压风机结构更为稳固，适用于振动要求严格的场合，常用于最终产品包装线的气体输送。

4.2 D系列的技术优势

D(La)系列在多级离心鼓风机中具有独特优势：首先是压力精确可控，通过调节级数和转速，可以精细调整出口压力，满足镧(La)提纯不同阶段的压力需求。

其次是气体温升小。多级压缩配合级间冷却（部分型号），使气体温升控制在较低水平，这对于热敏性工艺尤为重要。镧(La)的某些化合物在高温下容易分解或氧化，低温运行确保了工艺安全。

第三是适应性强。通过更换密封件和调整材质，同一风机可以输送多种工艺气体，提高了设备利用率。这在多产品稀土生产线上价值显著。

五、核心部件详解

5.1 风机主轴系统

D(La)31-1.50的主轴采用42CrMoA合金钢，调质处理后表面硬度达HB240-280，芯部保持良好韧性。主轴经过精密磨削，径向跳动控制在0.01mm以内，表面粗糙度Ra≤0.4μm。

主轴设计考虑了临界转速避让，一阶临界转速高于工作转速的1.3倍，避免了共振风险。轴颈部位采用特殊表面处理，提高耐磨性，与轴瓦形成优良的摩擦副。

5.2 轴承与轴瓦配置

该型号采用滑动轴承支撑，轴瓦材料为巴氏合金（锡锑铜合金）。巴氏合金具有优异的嵌入性和顺应性，能够在短暂缺油情况下保护轴颈，这对稀土生产线的连续运行安全至关重要。

轴瓦设计采用可倾瓦结构，每块瓦块可以独立摆动，形成最佳油膜。这种设计虽然制造复杂，但极大地提高了转子稳定性，减少了振动。油膜厚度通过雷诺方程计算确定，确保在全工况范围内保持良好润滑。

轴承箱采用双层结构，内层为铸钢件，外层为铸铁件，中间填充隔振材料。这种设计有效隔离了转子振动向基础的传递，同时保持了足够的刚度。

5.3 转子总成平衡技术

转子总成包括主轴、叶轮、平衡盘、联轴器等部件，需要进行精细的动平衡。D(La)31-1.50采用G2.5平衡等级，相当于每级叶轮允许的不平衡量小于0.3g。

平衡过程分三步：首先对每个叶轮单独进行静平衡和动平衡；然后组装成转子后进行低速动平衡；最后在专用试验台上进行工作转速下的高速动平衡。这种多级平衡工艺确保了转子在实际运行中的平稳性。

5.4 气封与油封系统

气封采用迷宫密封和碳环密封组合设计。迷宫密封为非接触式密封，通过多重曲折通道增加泄漏阻力；碳环密封为接触式密封，由多个碳环组成，具有良好的自润滑性和耐磨性。

碳环密封特别适用于稀土提纯环境，因为碳材料化学稳定性好，不污染工艺气体。碳环在弹簧作用下与轴保持适度接触，磨损后自动补偿，确保长期密封效果。

油封采用双唇口骨架油封，内侧防止润滑油泄漏，外侧防止外界杂质进入。油封材料根据润滑油类型和工作温度选择，一般为氟橡胶或聚四氟乙烯复合材料。

5.5 叶轮设计与制造

叶轮是风机的核心部件，D(La)31-1.5采用闭式后弯叶轮，叶片数为12-14片。叶轮材料根据输送气体选择：输送空气和惰性气体时采用铝合金ZL104；输送腐蚀性气体时采用不锈钢304L或316L；特殊情况下可采用钛合金。

叶片型线采用三次贝塞尔曲线设计，确保气流平滑过渡。叶片厚度从根部到尖部逐渐减薄，既保证强度又减少离心力。叶轮制造后需进行X射线探伤，确保内部无缺陷。

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

稀土提纯中使用的各种工业气体对风机设计有不同要求：

空气是最常见的介质，但稀土厂区空气可能含有酸性气体，需要加强过滤和材料防腐处理。

二氧化碳CO₂密度大于空气，在相同转速下风机压力会升高，功率也相应增加。CO₂在一定条件下可能液化，需要控制最低工作温度。

氮气N₂和氩气Ar是惰性气体，常用于保护性气氛。这些气体分子量与空气接近，风机性能变化不大，但要求极高的密封性，防止氧气渗入。

氧气O₂输送需要特别注意，所有接触氧气的部件必须彻底脱脂，防止油脂在高压氧环境中燃烧。材料选择上避免使用易氧化材料。

氢气H₂密度小，泄漏倾向大，需要特殊的密封设计和防爆措施。同时，氢气的压缩温升较小，有利于多级压缩。

氦气He和氖气Ne是稀有气体，价格昂贵，要求零泄漏密封。这些气体声速高，可能引起气动噪声，需要在设计时特别注意。

6.2 混合气体的处理

稀土提纯中经常使用混合气体，如氮氢混合气用于还原工序。混合气体的物理性质需要按组分比例计算等效分子量、比热比等参数，然后重新计算风机性能。

对于可能发生相变的气体混合物，需要特别注意操作范围，避免在风机内出现冷凝或结晶。这需要通过压力-温度-组成相图分析确定安全操作区。

6.3 气体净化与预处理

进入风机的气体必须经过严格净化，固体颗粒物含量应低于5mg/m³，粒径小于5μm。油分含量应低于0.1mg/m³。为此，需要在风机进口设置多级过滤器，包括粗滤、精滤和活性炭吸附。

对于湿度敏感工艺，还需要配备气体干燥装置，使露点温度低于工艺要求至少10°C。常用的干燥方法有冷冻干燥和吸附干燥，根据气体量和经济性选择。

七、风机维护与故障处理

7.1 日常维护要点

每日检查包括：振动值监测（应小于4.5mm/s）、轴承温度（应小于75°C）、润滑油位和油质、密封泄漏情况、进出口压力及流量读数。

每周检查包括：紧固件状态、联轴器对中情况、基础螺栓松动情况、过滤器压差。每月需要进行润滑油化验，检测水分含量、酸值和金属颗粒。

每季度检查碳环密封磨损情况，测量密封间隙。每半年清洗润滑油系统，更换过滤器滤芯。每年进行一次全面检查，包括轴瓦间隙测量、叶轮腐蚀检查、转子动平衡复验。

7.2 常见故障与处理

振动超标是最常见故障，可能原因包括：转子不平衡、轴承磨损、对中不良、基础松动或气体脉动。处理步骤是首先检查最简单的原因，逐步深入。振动分析仪可以帮助诊断故障类型。

压力不足可能由于：进口过滤器堵塞、密封间隙过大、叶轮磨损或结垢、转速下降。需要系统检查气体通路和机械状态。

轴承温度过高可能原因：润滑油不足或变质、冷却系统故障、轴承负荷过大、对中不良。需要检查润滑系统和机械对中。

异常噪声可能来自：气动噪声、机械摩擦、轴承损坏或喘振。喘振是最危险的情况，需要立即调整工况点，远离喘振区。

7.3 大修工艺要点

风机大修一般每3-5年进行一次，或累计运行20000小时后进行。大修内容包括：

转子全面检查：磁粉探伤检查裂纹，测量轴颈圆度和圆柱度，叶轮着色检查。不平衡量超过标准时需要重新平衡。

轴承更换：测量轴瓦间隙，一般要求为轴径的0.001-0.0015倍。更换新轴瓦时需要刮研，确保接触面积大于75%。

密封更换：碳环密封磨损超过原厚度1/3时需要更换。安装新碳环时需要注意方向，弹簧预紧力要均匀。

流道清理：使用化学清洗剂清除叶轮和蜗壳内积垢，避免使用机械方法以免损伤表面。清洗后需中和处理并充分干燥。

性能测试：大修后需要在试验台上进行性能测试，确保流量-压力曲线符合出厂标准。同时进行机械运转试验，振动、温度等参数达标后方可重新投用。

八、选型与系统集成

8.1 选型计算要点

风机选型需要准确的基本参数：所需流量（考虑裕量系数1.1-1.2）、进出口压力（考虑管路损失）、气体性质（成分、温度、湿度）、安装环境（海拔、环境温度）。

流量计算需要考虑工艺波动和未来发展，通常按最大需求量的1.1倍选择。压力计算需详细计算管路阻力，包括直管摩擦损失、弯头损失、阀门损失、设备阻力等。

气体密度修正至关重要，特别是对于非空气介质或高海拔地区。密度变化直接影响风机压力和功率，需要按气体状态方程精确计算。

8.2 系统配套设备

完整的鼓风系统包括：进口过滤器、消声器、柔性接头、风机主机、出口消声器、止回阀、安全阀、放空阀、压力表、流量计等。

控制系统应具备：本地/远程控制切换、软启动功能、压力自动调节、故障报警和保护（超温、超振、过载、喘振保护）、运行参数记录等功能。

对于重要生产线，建议配置备用风机和自动切换系统，确保连续生产。两台风机可以并联运行，但需要注意性能曲线的匹配，防止相互干扰。

8.3 安装调试要求

基础要求：混凝土基础质量应为风机质量的3-5倍，基础自然频率应避开风机激振频率的0.8-1.2倍范围。安装时使用水平仪调整水平度，要求纵向和横向偏差小于0.1mm/m。

管道连接：进出口管道应独立支撑，避免将管道重量和热应力传递到风机上。柔性接头应安装在靠近风机口的位置，减少振动传递。

对中调整：联轴器对中需要使用千分表精确测量，要求径向偏差小于0.05mm，角度偏差小于0.05mm/100mm。热态对中需要考虑工作温度下的膨胀量。

试运行：首次启动需要点动检查旋转方向，然后空载运行2小时，检查振动、温度等参数。逐步加载至额定工况，每个负荷点稳定运行30分钟以上，记录所有参数。

九、技术发展趋势

9.1 智能化监控系统

现代稀土提纯风机正朝着智能化方向发展，振动在线监测、温度无线传感、性能实时分析等技术逐渐普及。通过大数据分析，可以实现故障预警、寿命预测和预防性维护。

智能控制系统可以根据工艺需求自动调整风机参数，实现最佳能效运行。通过与工艺控制系统的集成，形成闭环优化，提高整个生产线的效率和稳定性。

9.2 新材料应用

复合材料叶轮开始应用于特殊场合，如碳纤维增强复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀的优点，特别适用于高速轻载工况。

表面工程技术进步明显，纳米涂层、激光熔覆等技术的应用提高了叶轮和密封件的耐磨性、耐腐蚀性，延长了设备寿命。

9.3 能效提升技术

三元流叶轮设计、叶片开缝技术、蜗壳优化等新技术的应用，使风机效率得到进一步提升。永磁同步直驱电机逐渐替代传统的齿轮增速和皮带传动，减少了传动损失，提高了系统效率。

余热回收技术在大型风机系统中开始应用，将压缩热用于工艺预热或发电，提高了能源利用率。

9.4 模块化设计

模块化设计使风机维修更加快捷，主要部件可以快速更换，减少停机时间。标准化接口设计便于系统升级和功能扩展。

十、结语

D(La)31-1.50离心鼓风机作为轻稀土镧提纯的关键设备，其技术性能直接影响生产效率和产品质量。随着稀土行业对纯度要求不断提高和生产规模持续扩大，对鼓风机的技术要求也越来越高。

未来稀土提纯风机将朝着更高效率、更高可靠性、更智能化的方向发展。作为风机技术人员，我们需要不断学习新技术、新材料、新工艺，掌握先进的设计、制造和维护技术，为我国稀土工业的发展提供坚实的设备保障。

正确选择、合理使用、精心维护D系列离心鼓风机，不仅能够确保稀土生产线的稳定运行，还能降低能耗、延长设备寿命、提高经济效益。希望本文能为从事稀土提纯设备工作的同行提供有益的参考和帮助。