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轻稀土(铈组稀土)铈(Ce)提纯风机AI(Ce)1253-2.32技术详解

作者:王军(139-7298-9387)

关键词:稀土提纯、离心鼓风机、铈(Ce)提纯、AI(Ce)1253-2.32、风机配件、风机修理、工业气体输送、轴瓦、转子总成、碳环密封

第一章 稀土提纯工艺中的离心鼓风机概述

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价值。轻稀土中的铈(Ce)作为含量最丰富的稀土元素,其提纯工艺对设备提出了特殊要求。在铈的湿法冶金提纯过程中,离心鼓风机承担着氧化空气供给、气体输送、工艺搅拌等关键任务,直接影响产品质量和生产效率。

铈组稀土提纯通常包括焙烧、酸溶、萃取、结晶等多个工序,每个环节都需要精确控制气体参数。离心鼓风机在这些工序中提供稳定的气流和压力,确保化学反应在最佳条件下进行。特别是氧化工序中,需要将Ce³⁺氧化为Ce⁺,对氧气的供应量和压力稳定性要求极高。

针对稀土提纯的特殊工况,国内风机行业开发了多个专用系列,包括C(Ce)型系列多级离心鼓风机、CF(Ce)型系列专用浮选离心鼓风机、CJ(Ce)型系列专用浮选离心鼓风机、D(Ce)型系列高速高压多级离心鼓风机、AI(Ce)型系列单级悬臂加压风机、S(Ce)型系列单级高速双支撑加压风机以及AII(Ce)型系列单级双支撑加压风机。这些风机针对稀土提纯中的腐蚀性介质、微小颗粒物、温度变化等特殊条件进行了专门优化。

第二章 AI(Ce)1253-2.32型风机技术解析

2.1 型号解读与技术参数

AI(Ce)1253-2.32型离心鼓风机是专门为铈组稀土提纯工艺设计的单级悬臂加压设备。根据命名规则:“AI”代表单级悬臂加压风机系列;“Ce”表示适用于铈提纯工艺;“1253”表示风机设计流量为每分钟1253立方米;“-2.32”表示出风口压力为2.32个大气压(表压)。该型号未标注进口气体压力,按照惯例表示进口压力为1个标准大气压。

该风机主要技术特点包括:

流量范围:1200-1300 m³/min(可调) 出口压力:2.32 atm(绝对压力) 进口压力:1 atm(标准大气压) 压比:2.32 额定功率:根据具体配置在315-355 kW之间 转速:根据叶轮设计通常在2950-9800 rpm范围内 介质温度:-20℃至200℃(根据密封和材料选择) 气体密度调整系数:可根据实际气体成分调整

2.2 结构特点与工作原理

AI(Ce)1253-2.32采用单级悬臂结构,这种设计减少了轴承数量,降低了机械损失,同时便于维护。叶轮直接安装在电机延伸轴上,或通过高速联轴器连接,减少了中间传动环节。

工作原理基于离心力原理:当电机带动叶轮高速旋转时,气体从轴向进入叶轮,在离心力作用下沿径向加速排出,同时叶轮中心形成负压区,持续吸入新气体。在这一过程中,气体的压力能和动能同时增加。随后,高速气体进入扩压器,速度降低,动能转化为压力能,最终达到所需出口压力。

对于稀土提纯应用,该风机在设计时特别考虑了以下因素:

材料选择:接触介质部分采用不锈钢316L或更高等级耐腐蚀材料 密封系统:多重密封设计防止工艺气体泄漏和外部污染物进入 振动控制:精密动平衡确保在变工况下运行平稳 防腐处理:表面特殊涂层防止酸雾腐蚀

2.3 在铈提纯工艺中的应用定位

在铈提纯工艺中,AI(Ce)1253-2.32主要承担以下任务:

氧化工序供气:将空气或富氧空气输送到氧化槽,确保Ce³⁺充分氧化为Ce⁺。这一过程对氧气流量和压力的稳定性极为敏感,微小的波动都会影响氧化效率和产品纯度。 搅拌辅助:通过底部曝气或侧向喷射,提供气流搅拌,确保反应物均匀混合,避免局部浓度过高或过低。 气体输送:在不同工序间输送工艺气体,如将含有CO₂的气体输送到碳酸沉淀工序。 废气排除:将反应产生的废气及时排出,维持系统压力平衡。

该型号风机特别适用于中等规模铈提纯生产线,能够满足日产5-10吨氧化铈的生产需求。其2.32个大气压的出口压力足以克服管道阻力、液体静压和分布器阻力,确保气体均匀分布。

第三章 风机关键配件详解

3.1 风机主轴系统

AI(Ce)1253-2.32的主轴采用42CrMoA合金钢锻造而成,经过调质处理,表面硬度达到HRC28-32,芯部保持良好韧性。主轴直径根据临界转速计算确定,确保工作转速远离临界转速区,一般设计为第一临界转速的1.3倍以上。

主轴的技术特点包括:

径向跳动公差:不超过0.01 mm 表面粗糙度:Ra 0.4 μm以下 轴颈部位:高频淬火处理,硬度HRC50-55 与叶轮配合锥度:1:10,确保过盈配合的稳定性 动平衡等级:G2.5级,残余不平衡量小于1 g·mm/kg

在稀土提纯环境中,主轴表面通常增加防腐涂层,如喷涂碳化钨或陶瓷涂层,防止酸性气体腐蚀。

3.2 轴承与轴瓦系统

AI(Ce)系列采用滑动轴承支撑,具体为可倾瓦轴承( Tilting Pad Bearing)。这种轴承由多块独立瓦块组成,每块瓦块可自由摆动,形成最佳油膜,具有优异的抗振性和稳定性。

轴瓦材料采用巴氏合金(SnSb11Cu6),厚度3-5 mm,浇铸在钢背上。巴氏合金具有良好的嵌入性和顺应性,能够容忍微小颗粒物,适合稀土提纯中可能存在的微量固体颗粒环境。

轴承系统关键参数:

轴承间隙:轴径的0.15%-0.2% 进油压力:0.15-0.25 MPa 油温控制:进油温度40-45℃,出油温度≤65℃ 润滑油:ISO VG32或VG46透平油,定期监测酸值和颗粒度

3.3 风机转子总成

转子总成包括叶轮、主轴、平衡盘、联轴器等部件。AI(Ce)1253-2.32的叶轮采用三元流设计,通过计算流体动力学优化叶片形状,效率可达85%以上。

叶轮制造工艺:

材料:不锈钢FV520B或钛合金TA2(针对强腐蚀环境) 加工:五轴联动数控加工中心整体铣制 热处理:固溶处理+时效处理 动平衡:G2.5级平衡,在高速动平衡机上测试 超速试验:1.15倍最大工作转速下持续运转2分钟

平衡盘设计用于抵消部分轴向力,减少推力轴承负荷。其直径和间隙经过精确计算,确保在不同工况下都能有效平衡轴向力。

3.4 密封系统

稀土提纯风机对密封要求极高,既要防止工艺气体泄漏,又要防止润滑油进入气流。

气封系统:采用迷宫密封,在转子和静止部件间形成一系列节流间隙,使气体多次膨胀和收缩,减少泄漏。AI(Ce)1253-2.32通常设置4-6级迷宫密封,泄漏量控制在流量的0.5%以内。

油封系统:采用复合密封结构,包括:

骨架油封:防止轴承箱润滑油泄漏 甩油环:离心式甩油装置 油气分离器:将逃逸的油雾分离回收

碳环密封:在高压端采用碳环密封作为辅助密封。碳环由浸渍金属的石墨制成,具有自润滑性和良好密封性能。每个密封单元由3个碳环组成,弹簧提供初始压紧力。碳环密封的优点包括:

允许一定程度的轴跳动和不对中 摩擦系数低,发热量小 耐高温,可在250℃下工作 化学稳定性好,耐腐蚀

在酸性气体环境中,碳环通常采用特殊浸渍剂,如浸锑石墨,提高耐腐蚀性。

3.5 轴承箱与润滑系统

轴承箱为整体铸造结构,材料HT250灰铸铁,内表面精加工确保轴承正确定位。轴承箱设计有观察窗、温度测点和振动传感器接口。

润滑系统采用强制循环方式,包括:

主油泵:齿轮泵或螺杆泵,流量根据热负荷计算 备用泵:独立驱动的应急油泵 油冷却器:板式或管壳式,冷却面积充足 双联过滤器:过滤精度10 μm,可在线切换清洗 油箱:容积为每分钟循环量的8-12倍 监测仪表:压力、温度、流量在线监测

润滑油定期取样分析,监测粘度、水分、酸值和颗粒污染度,确保轴承长期稳定运行。

第四章 风机维护与修理要点

4.1 日常维护与监测

轻稀土提纯风机需要严格的日常维护,特别是针对腐蚀性环境:

振动监测:安装在线振动监测系统,监测点包括轴承水平和垂直方向。振动速度有效值应控制在4.5 mm/s以下,加速度峰值关注高频冲击成分。 温度监测:轴承温度不超过85℃,润滑油进出温差不超过25℃。异常温升往往是故障前兆。 性能监测:定期测试流量-压力曲线,效率下降5%以上需检查内部磨损。 密封检查:每周检查密封泄漏情况,碳环密封允许微量泄漏(约5-10 L/min),超过此值需调整或更换。 腐蚀检查:每月检查暴露表面的腐蚀情况,特别是焊缝和热影响区。

4.2 定期检修内容

根据运行时间制定分级检修计划:

A级检修(每运行4000小时)

清洁叶轮和流道 检查密封间隙 更换润滑油和过滤器 检查联轴器对中情况 紧固所有连接螺栓

B级检修(每运行16000小时)

拆卸轴承检查巴氏合金磨损情况 测量轴瓦间隙和紧力 检查叶轮腐蚀和磨损 更换碳环密封 校验所有监测仪表

C级检修(每运行48000小时)

全面解体检查 转子返厂动平衡校验 轴承箱内表面检查 主轴无损检测(磁粉+超声波) 叶轮叶片厚度测量 基础螺栓和垫铁检查

4.3 常见故障处理

在铈提纯环境中,风机常见故障及处理方法:

振动异常增大: 原因:叶轮积垢、不平衡、轴承磨损、对中不良 处理:清洁叶轮、重新平衡、更换轴承、重新对中 轴承温度过高: 原因:润滑油不足、油质恶化、冷却不良、负荷过大 处理:检查油路、更换润滑油、清洗冷却器、检查系统阻力 性能下降: 原因:密封磨损间隙过大、叶轮腐蚀、进口过滤器堵塞 处理:调整密封间隙、修复或更换叶轮、清洁过滤器 异常噪声: 原因:喘振、旋转失速、部件松动 处理:调整运行工况避开喘振区、检查叶轮、紧固部件 气体泄漏: 原因:密封失效、壳体腐蚀穿孔 处理:更换密封、修补或更换壳体部件

4.4 大修技术要求

当风机需要大修时,应遵循严格的技术规范:

拆卸程序:按顺序标记所有部件,记录原始安装位置,测量并记录所有配合间隙。 检查标准: 主轴:直线度≤0.02 mm,轴颈圆柱度≤0.01 mm 叶轮:叶片厚度减少不超过原始厚度30% 壳体:水平度≤0.05 mm/m,中分面间隙≤0.05 mm 轴承:巴氏合金无剥落、裂纹,接触面积≥70% 修复工艺: 叶轮修复:采用激光熔覆或等离子堆焊修复磨损区域 轴颈修复:尺寸修复后镀硬铬或热喷涂 壳体修复:腐蚀区域补焊后机加工 装配要点: 冷态对中考虑热膨胀影响 螺栓紧固采用扭矩转角法 密封间隙调整考虑运行温度和压力变形 试车程序: 机械试运转4小时,检查振动、温度 性能测试,验证流量-压力曲线 72小时连续运行考核

第五章 工业气体输送应用

5.1 可输送气体类型

稀土提纯工艺中,AI(Ce)系列风机可输送多种工业气体,每种气体需要特殊考虑:

空气:最常见介质,注意过滤杂质和水分,防止腐蚀。 工业烟气:含有SO₂、NOx等腐蚀性成分,需提高材料等级,降低露点腐蚀风险。 二氧化碳(CO₂):密度大于空气,需重新计算功率曲线;注意干燥防止碳酸腐蚀。 氮气(N₂):惰性气体,注意密封防止氧气混入;密度与空气接近,性能调整较小。 氧气(O₂):极高风险介质,需禁油处理,所有部件脱脂清洗,材料选择避免火花产生。 稀有气体(He、Ne、Ar):氦气密度极小,需特殊密封设计;氩气密度大,需加强轴承负荷能力。 氢气(H₂):密度极小,极易泄漏,需特殊密封;注意防爆要求。 混合无毒工业气体:根据具体成分调整设计和材料。

5.2 气体特性对风机设计的影响

不同气体物性参数直接影响风机设计和运行:

气体密度:直接影响功率消耗,功率与密度成正比。AI(Ce)1253-2.32设计基准为空气密度1.2 kg/m³,输送其他气体时功率需按密度比例调整。 绝热指数:影响温升和压力计算,等熵效率公式中考虑气体比热比。 腐蚀性:决定材料选择和防腐措施,酸性气体需提高不锈钢等级或采用钛材。 湿度:湿气体需考虑凝结腐蚀和性能影响,必要时增加除湿装置。 洁净度:含尘气体需前置过滤器,同时考虑叶轮抗磨措施。 温度:高温气体需考虑材料高温强度、热膨胀和冷却措施。

5.3 风机选型与调整

针对不同气体的选型要点:

性能换算:使用相似定律调整,流量不变时,压力比与密度比成正比,功率比与密度比成正比。 材料选择: 氧气:全不锈钢304或316,禁油处理 酸性气体:316L不锈钢或钛合金 氢气:低氢脆敏感材料,特殊密封 密封加强: 轻气体(He、H₂):增加密封级数,采用干气密封 贵重气体:零泄漏要求,采用磁力密封 安全措施: 可燃气体:防爆电机和电器,接地措施 有毒气体:双机械密封加隔离气 系统匹配: 考虑气体特性调整管路设计 配套相应的安全监测系统 准备应急处理方案

第六章 AI(Ce)系列与其他系列对比

6.1 与C(Ce)多级离心鼓风机对比

C(Ce)系列采用多级设计,每级叶轮后设导叶和回流器,压力可达8个大气压以上,适用于需要更高压力的提纯工序。但结构复杂,维护成本较高。AI(Ce)系列单级设计简单,维护方便,更适合中等压力需求。

6.2 与D(Ce)高速高压风机对比

D(Ce)系列采用齿轮箱增速,转速可达20000 rpm以上,单级即可产生高压,效率较高。但齿轮箱增加了复杂性和故障点,且对润滑油要求极高。AI(Ce)采用电机直驱或皮带传动,系统更简洁。

6.3 与S(Ce)和AII(Ce)双支撑风机对比

S(Ce)和AII(Ce)采用双支撑结构,转子稳定性更好,适合更大流量和更高压力应用,但轴向尺寸大,占地面积多。AI(Ce)悬臂结构紧凑,特别适合空间受限的改造项目。

6.4 与CF(Ce)和CJ(Ce)浮选专用风机对比

CF(Ce)和CJ(Ce)专门针对浮选工艺设计,注重流量调节范围和部分负载效率。AI(Ce)更注重压力稳定性和耐腐蚀性,更适合化学反应工序。

第七章 未来发展趋势

随着稀土提纯技术进步,对离心鼓风机提出新要求:

智能化:集成传感器和控制系统,实现预测性维护,自动调整运行参数适应工艺变化。 高效化:通过计算流体动力学优化和新材料应用,效率有望突破90%。 模块化:标准化设计,快速更换部件,减少停机时间。 耐腐蚀材料创新:新型复合材料、陶瓷涂层应用,延长风机在恶劣环境中的寿命。 节能技术:变频调速与工艺参数联动,根据实际需求调节功率,降低能耗。 零泄漏技术:磁力传动、干气密封等技术应用,彻底解决气体泄漏问题。

结语

AI(Ce)1253-2.32型离心鼓风机作为铈组稀土提纯的关键设备,其设计和制造充分考虑了稀土工艺的特殊要求。从材料选择到密封设计,从日常维护到大修技术,每个环节都直接影响生产效率和产品质量。随着稀土产业持续发展,离心鼓风机技术也将不断进步,为这一战略性产业提供更可靠、更高效、更智能的气动解决方案。

作为风机技术人员,深入理解设备原理、掌握维护要点、熟悉工艺需求,是确保风机长期稳定运行的基础。希望本文能为从事稀土提纯设备管理和维护的同行提供有价值的参考,共同推动我国稀土产业的技术进步。

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