轻稀土(铈组稀土)铈(Ce)提纯风机基础知识与应用详解

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、铈(Ce)分离、离心鼓风机、AI(Ce)142-2.61型号、风机配件、风机维修、工业气体输送、稀土冶炼设备

第一章 稀土矿提纯工艺中的气体输送需求

稀土元素作为现代工业的“维生素”，其提纯工艺对气体输送设备有着特殊而严格的要求。轻稀土（铈组稀土）主要包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)等元素，其中铈(Ce)是最丰富且应用广泛的轻稀土元素之一。在铈的提纯过程中，需要多个工艺环节，包括矿石破碎、浮选、焙烧、酸浸、萃取分离、结晶干燥等，每个环节都对气体输送设备提出了不同的技术要求。

离心鼓风机在稀土提纯工艺中扮演着至关重要的角色，其主要功能包括：为浮选工艺提供稳定气流、为焙烧炉供氧、输送反应气体、提供气动传输动力以及废气处理等。不同类型的工艺环节需要不同性能参数的鼓风机设备，这直接催生了专门针对稀土提纯工艺设计的系列风机产品。

第二章 铈(Ce)提纯专用离心鼓风机系列概述

针对轻稀土特别是铈(Ce)提纯工艺的特殊要求，风机行业开发了多个专用系列产品，每个系列都有其特定的设计特点和适用范围：

“C(Ce)”型系列多级离心鼓风机：采用多级叶轮串联设计，每级叶轮间设有导流器，可实现较高的压比。这类风机特别适用于需要中高压力的工艺环节，如萃取塔的气体搅拌、气动输送系统等。其结构特点是流量稳定、压力波动小，但体积相对较大，维护复杂度较高。

“CF(Ce)”型系列专用浮选离心鼓风机：专门为稀土矿浮选工艺设计的特种风机。浮选过程需要稳定而可控的气流来产生气泡，使稀土矿物附着在气泡上实现分离。该系列风机具有流量调节范围宽、压力稳定、耐湿度高等特点，能够适应浮选车间恶劣的工作环境。

“CJ(Ce)”型系列专用浮选离心鼓风机：这是“CF(Ce)”系列的改进型，主要优化了气动效率和能耗比。通过改进叶轮型线和进气道设计，使其在同等工况下能耗降低约8-12%。此外，该系列还增强了耐腐蚀性能，适用于含有化学药剂的浮选气体环境。

“D(Ce)”型系列高速高压多级离心鼓风机：采用高速直驱技术，转速可达15000-30000转/分钟，能够实现更高的单级压比。这类风机特别适用于需要高压气体的工艺环节，如高压氧化焙烧、气动输送高密度物料等。其结构紧凑，但制造精度要求极高。

“AI(Ce)”型系列单级悬臂加压风机：这是本文重点介绍的型号系列，采用单级叶轮和悬臂结构设计，结构简单、维护方便。适用于中等流量和压力的工艺环节，如酸浸槽的气体搅拌、结晶干燥系统的热风循环等。型号中的“AI”表示单级悬臂结构，“(Ce)”表示适用于铈提纯工艺。

“S(Ce)”型系列单级高速双支撑加压风机：采用两端支撑结构，转子稳定性更高，适用于高速运转工况。叶轮经过特殊动平衡处理，可在高转速下保持平稳运行。这类风机常用于需要高气流的工艺环节，如大型焙烧炉的供风系统。

“AII(Ce)”型系列单级双支撑加压风机：这是“AI(Ce)”系列的改进型，增加了另一端轴承支撑，提高了转子的刚性和稳定性。适用于叶轮直径较大、轴向力较显著的工况，能够有效延长轴承寿命和维修周期。

第三章 重点型号AI(Ce)142-2.61详解

3.1 型号命名规则解析

以“AI(Ce)142-2.61”为例，完整解析该型号的技术含义：

作为对比，“AI(Ce)400-1.3”表示：同系列风机，设计流量400立方米/分钟，出口压力1.3个大气压，压升为0.3个大气压。该型号通常用于流量要求较大但压力要求不高的场合，如大型浮选槽的供气。

3.2 设计特点与气动性能

AI(Ce)142-2.61风机采用后向叶片叶轮设计，这种设计在效率和稳定性之间取得了良好平衡。叶轮直径经过优化计算，使其在142立方米/分钟流量和2.61个大气压出口压力的工况下，运行点接近最高效率点。

气动性能方面，该风机的设计遵循离心式鼓风机的基本原理：气体从轴向进入叶轮，在叶轮旋转产生的离心力作用下，从叶轮外缘径向流出，同时气体的压力和速度均得到提高。随后，高速气体进入蜗壳扩压器，速度能进一步转化为压力能。这一过程可以用能量守恒方程描述：叶轮对气体做的功等于气体获得的压力能增量加上动能增量减去各种损失。

该风机的性能曲线呈现典型离心风机特征：在额定转速下，随着流量的增加，压力逐渐下降；功率消耗则随流量增加而增加，但在接近最大流量时可能略有下降；效率曲线呈抛物线形，在某一中间流量处达到最大值。

3.3 结构特点与材料选择

AI(Ce)142-2.61的结构设计充分考虑了铈提纯工艺的特殊要求：

悬臂结构：叶轮直接安装在电机轴伸端或通过联轴器与电机连接，轴承布置在叶轮一侧。这种结构简化了风机整体设计，减少了零部件数量，便于维护。但同时，悬臂结构对转子的动平衡精度要求更高，轴承需要承受较大的径向负荷。

机壳设计：采用铸铁或铸钢材料，内表面经过特殊防腐处理，以抵抗稀土提纯过程中可能接触到的酸性或碱性气体。蜗壳型线经过计算流体动力学优化，减少气体流动损失，提高效率。

叶轮材料：根据输送气体的性质，叶轮可采用普通碳钢、不锈钢或特种合金。对于可能接触腐蚀性气体的工况，通常选用316L不锈钢或更高级别的耐腐蚀材料。叶轮制造完成后，需进行严格的动平衡测试，确保残余不平衡量在允许范围内。

轴封系统：针对稀土提纯工艺中可能存在的有害气体泄漏风险，AI(Ce)142-2.61配备了多重密封系统，包括迷宫密封、碳环密封和填料密封的组合，确保气体不向外泄漏，同时防止外部空气进入系统影响工艺气体纯度。

第四章 风机核心配件详解

4.1 风机主轴

风机主轴是传递动力的核心部件，其设计制造质量直接影响整个风机的运行稳定性和寿命。AI(Ce)系列风机主轴通常采用42CrMo或类似合金钢材料，经过调质热处理，表面硬度达到HRC28-32，芯部保持较好的韧性。主轴与叶轮的配合采用过盈配合加键连接的双重固定方式，确保在高转速下不会松动。

主轴的加工精度要求极高：轴承档直径公差通常控制在0至负0.015毫米范围内，表面粗糙度要求Ra0.8以下；叶轮安装段的同轴度要求不超过0.02毫米；各档之间的跳动量要求不超过0.03毫米。这些精度要求保证了叶轮旋转时的同心度，减少不平衡力。

4.2 风机轴承与轴瓦

AI(Ce)142-2.61风机采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承，这是考虑到滑动轴承在高速重载工况下具有更好的稳定性和更长的使用寿命。滑动轴承的工作原理是依靠轴颈与轴瓦之间的油膜将金属表面隔开，实现液体摩擦，显著降低磨损。

轴瓦通常采用锡基巴氏合金（Babbitt metal）作为衬层材料，这种材料具有良好的嵌入性和顺应性，即使有微小杂质进入轴承，也能嵌入软质的巴氏合金中，防止主轴损伤。轴瓦背部采用铸铁或铸钢材料，保证足够的强度和刚度。

润滑系统对于滑动轴承至关重要。AI(Ce)142-2.61配备强制循环油润滑系统，包括油箱、油泵、冷却器、过滤器和监控仪表。润滑油不仅提供润滑，还带走轴承产生的热量，维持轴承温度在安全范围内（通常不超过70℃）。

4.3 风机转子总成

转子总成是风机的“心脏”，包括主轴、叶轮、平衡盘、联轴器半体等旋转部件的组合体。装配前，每个部件都需要单独进行平衡校正；装配后，整个转子总成还需要进行动平衡测试。

动平衡精度等级根据风机的工作转速确定。对于AI(Ce)142-2.61这类工作转速在3000-6000转/分钟的中速风机，通常要求达到G2.5平衡等级。这意味着转子剩余不平衡量导致的振动速度不超过2.5毫米/秒。高精度的动平衡保证了风机运行平稳，减少对轴承和基础的冲击。

4.4 气封与碳环密封

密封系统对于保持风机性能和防止气体泄漏至关重要。AI(Ce)142-2.61采用多层次密封设计：

迷宫密封：安装在叶轮进气侧和出气侧，由一系列环形齿和槽组成，形成曲折的泄漏路径，增加气体泄漏阻力。迷宫密封不接触旋转部件，无磨损，寿命长，但密封效果相对有限。

碳环密封：这是AI(Ce)系列风机的关键密封技术。碳环由特殊石墨材料制成，具有良好的自润滑性和耐高温性。碳环分为多个弧段，由弹簧箍紧在主轴或轴套上，与旋转表面形成接触式密封。碳环密封的优点是密封效果好，能够实现几乎零泄漏，但需要定期更换磨损的碳环。

油封：用于轴承箱的密封，防止润滑油泄漏和外部杂质进入。通常采用唇形密封圈或机械密封，根据轴承箱内部压力和温度条件选择合适类型。

4.5 轴承箱

轴承箱是支撑主轴和轴承的壳体结构，其设计需要考虑刚度、散热和密封等多方面因素。AI(Ce)142-2.61的轴承箱采用铸铁材料，箱壁设计有加强筋，保证足够的刚度抵抗变形。

轴承箱内部设有润滑油通道和收集槽，确保润滑油能够充分覆盖轴承表面。箱体上还设有温度传感器接口和油位观察窗，便于运行监控。轴承箱与机壳之间的连接采用柔性设计，允许一定的热膨胀差异，避免产生额外应力。

第五章 风机维护与修理要点

5.1 日常维护与检查

正确的日常维护是保证风机长期稳定运行的关键。对于AI(Ce)系列风机，日常维护应包括以下内容：

振动监测：使用便携式振动仪定期测量轴承座的振动值，重点关注水平、垂直和轴向三个方向的振动速度。振动值异常增大往往是故障的先兆，如不平衡、不对中、轴承磨损等。

温度监测：定期检查轴承温度和润滑油温度，正常运行时轴承温度不应超过70℃，润滑油温度不应超过65℃。温度异常升高可能表明润滑不良、冷却系统故障或轴承磨损。

油质检查：每三个月取样检查润滑油质量，检测项目包括粘度、水分含量、酸值和金属颗粒含量。根据检测结果确定是否需要更换润滑油或加强过滤。

密封检查：定期检查各密封点的泄漏情况，特别是碳环密封处。轻微的渗漏是正常的，但如果泄漏量明显增加，可能需要调整弹簧压力或更换碳环。

5.2 常见故障与处理方法

振动过大：可能原因包括转子不平衡、轴承磨损、联轴器不对中、基础松动等。处理方法是首先检查并紧固所有连接螺栓，然后重新校正联轴器对中。如果问题仍未解决，需要拆检轴承和转子，检查是否有磨损或损坏部件。

轴承温度过高：可能原因包括润滑油不足、油质劣化、冷却系统故障、轴承间隙过小等。处理方法是首先检查油位和油质，必要时更换润滑油；检查冷却水系统是否畅通；测量轴承间隙，如不符合标准则需调整或更换轴瓦。

风量不足：可能原因包括进口滤网堵塞、叶轮磨损、密封间隙过大、转速下降等。处理方法是清洗或更换进口滤网；检查叶轮磨损情况，如磨损严重需修复或更换；调整密封间隙至设计值；检查电机和传动系统，确保转速正常。

异常噪音：可能原因包括轴承损坏、转子与静止部件摩擦、喘振现象等。处理方法是先确定噪音来源，如果是轴承问题则更换轴承；如果有摩擦痕迹，检查各部间隙；如果发生喘振，调整运行工况点远离喘振区。

5.3 大修要点与周期

风机大修通常每运行3-5年或累计运行20000-30000小时后进行一次。大修工作应在专业车间进行，主要包括以下内容：

转子总成全面检查：拆卸转子总成，清洗所有部件。检查主轴有无裂纹、弯曲或磨损，必要时进行磁粉探伤和直线度测量。检查叶轮有无裂纹、磨损或腐蚀，重点检查焊缝和叶片前缘。

轴承与轴瓦更换：测量轴瓦磨损量，如超过允许值（通常为合金层厚度的1/3）则需更换。检查主轴轴颈的圆度和圆柱度，如有磨损需修复或更换主轴。

密封系统更新：更换所有碳环密封和油封，检查迷宫密封的间隙，如间隙过大需修复或更换密封环。

动平衡校正：转子重新组装后，必须在动平衡机上校正平衡，确保达到G2.5或更高等级。

性能测试：大修完成后，有条件的情况下应在试验台上进行性能测试，测量流量、压力、功率和效率等参数，确保恢复设计性能。

第六章 工业气体输送特殊考虑

稀土提纯工艺中需要输送多种工业气体，不同气体对风机设计有不同要求。AI(Ce)系列风机可根据输送介质的不同进行定制设计。

6.1 气体特性与风机选型

空气：最常用的输送介质，风机设计相对标准。AI(Ce)142-2.61的标准设计就是针对空气介质。需要注意空气中可能含有粉尘或腐蚀性成分，需在进口加装过滤器。

工业烟气：通常温度较高（200-400℃），含有粉尘和腐蚀性成分。输送烟气时，风机需采用耐高温材料（如锅炉钢板），轴承箱需加强冷却，叶轮可能需要耐磨涂层。

二氧化碳(CO₂)：密度大于空气（约1.5倍），分子量大。输送CO₂时，风机所需功率增加，叶轮设计需考虑更高的强度要求。同时CO₂在高压下可能液化，需控制最低工作温度。

氮气(N₂)：性质与空气相似，但分子量略小。输送纯氮气时，需特别注意密封，防止氧气渗入形成爆炸性混合物。

氧气(O₂)：强氧化性气体，对材料的氧化腐蚀性强。输送氧气的风机必须采用禁油设计，所有与氧气接触的部件需彻底脱脂，材料需选用铜合金或不锈钢等不易产生火花的材料。

稀有气体(He、Ne、Ar)：通常为惰性气体，化学性质稳定。但由于这些气体价值高，对密封要求极高，通常需要采用多级密封甚至磁流体密封。

氢气(H₂)：密度小（约为空气的1/14），分子量小。输送氢气时，风机容易发生泄漏，密封系统需特别加强。同时氢气易燃易爆，风机需符合防爆要求。

混合无毒工业气体：需根据具体成分确定气体常数、比热比等热物性参数，然后进行专门的气动计算和强度校核。

6.2 安全注意事项

输送特殊工业气体时，安全是首要考虑因素：

防泄漏设计：对于有毒、易燃或有价值气体，风机应采用双机械密封或干气密封等高效密封系统。壳体接缝处采用金属缠绕垫片或O形圈密封。

防爆措施：输送易燃易爆气体时，风机需采用防爆电机，所有电气部件符合相应防爆等级。叶轮和壳体采用碰击不起火花的材料。

压力控制：设置安全阀或爆破片，防止超压造成设备损坏或气体泄漏。对于可能产生分解或聚合反应的气体，还需控制最高工作温度。

材料兼容性：确保所有与气体接触的材料（金属、密封件、润滑油等）与输送气体兼容，不发生化学反应或溶解。

监测报警：安装气体泄漏检测报警器，特别是对于有毒气体。同时监测轴承温度、振动等参数，异常时自动报警或停机。

第七章 发展趋势与展望

随着稀土提纯工艺的不断进步和对环保、能效要求的提高，铈提纯风机技术也在不断发展：

高效节能化：通过计算流体动力学优化叶轮和流道设计，提高风机效率。AI(Ce)系列新一代产品效率已从78-82%提高到85-88%，节能效果显著。

智能化控制：采用变频调速和智能控制系统，使风机能够根据工艺需求自动调节流量和压力，避免不必要的能量浪费。

材料升级：采用更耐腐蚀、耐高温的新材料，如双相不锈钢、镍基合金、陶瓷涂层等，延长风机在恶劣工况下的使用寿命。

状态监测与预测性维护：集成振动传感器、温度传感器、润滑油在线监测等设备，结合大数据分析和人工智能算法，实现故障预测和预防性维护，减少非计划停机。

模块化设计：将风机分解为标准模块，便于快速更换和维护，减少维修时间和成本。

作为风机技术专业人员，我们需要不断跟踪这些新技术发展，结合实际应用需求，为稀土提纯行业提供更高效、更可靠、更智能的气体输送解决方案。轻稀土特别是铈的提纯工艺仍有很大优化空间，而离心鼓风机作为关键工艺设备，其技术进步将直接推动整个行业的发展。