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)提纯、离心鼓风机、AI(Ce)1148-1.27、风机配件、风机维修、工业气体输送

一、引言：稀土提纯工艺中的关键设备:离心鼓风机

在稀土矿产资源开发利用过程中，离心鼓风机作为关键的气体输送与加压设备，发挥着不可替代的作用。轻稀土（铈组稀土）主要包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)和铕(Eu)等元素，其中铈(Ce)作为含量最丰富的稀土元素之一，其提纯工艺对设备有着特殊要求。铈的提取和分离通常涉及焙烧、酸浸、萃取、沉淀等多个工序，这些工序中需要大量的气体输送、加压和循环，特别是工业气体的精确控制输送，对鼓风机的性能、材质和可靠性提出了严苛标准。

我国稀土提纯行业经过数十年的技术积累，已形成了针对不同工艺环节的专用风机系列，其中包括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等。这些风机根据稀土提纯工艺的特殊需求，在结构设计、材料选择、密封技术和运行控制等方面进行了专门优化。

本文将重点围绕AI(Ce)1148-1.27型单级悬臂加压风机，系统阐述其在铈提纯工艺中的应用特点、技术参数、配件组成及维护修理要点，同时对稀土提纯过程中涉及的工业气体输送风机进行综合分析，为从事稀土提纯工程的技术人员提供实用参考。

二、AI(Ce)1148-1.27型风机技术详解

2.1 型号命名规则与技术参数解读

根据行业标准，AI(Ce)1148-1.27型风机的完整型号可以分解为以下几个关键部分：

“AI”代表单级悬臂加压风机系列，这是针对中等流量、中等压力需求设计的紧凑型风机，特别适合空间有限的稀土提纯车间布局。“(Ce)”表示该风机针对铈提纯工艺进行了专门优化设计，包括材料选择、防腐处理和密封配置等。“1148”表示风机在设计工况下的流量为每分钟1148立方米，这一流量范围适用于中型铈提纯生产线的气体输送需求。“-1.27”表示风机出风口压力为1.27个大气压（表压0.27kgf/cm²或约26.5kPa），这一压力水平能够满足大多数铈提纯工序的气体加压要求。

需要特别说明的是，在风机型号标注中，如果没有“/”符号，则表示风机进风口压力为标准大气压（101.325kPa，海拔0米基准）。如果工艺需要特殊进气压力，型号中会以“/”分隔并注明进气压力值，例如AI(Ce)1148/0.8-1.27表示进气压力为0.8个大气压。

AI(Ce)1148-1.27型风机的主要技术特点包括：采用单级悬臂式结构，转子直接安装在电机轴上或通过联轴器连接，结构紧凑，维护方便；叶轮采用后向叶片设计，效率较高，工作点稳定；机壳设计兼顾强度与气流顺畅性，减少涡流损失；进出口法兰采用标准尺寸，便于管道连接。

2.2 结构特点与工作原理

AI(Ce)1148-1.27型风机属于单级离心鼓风机，其工作原理基于离心力作用。当电机带动叶轮高速旋转时，叶片间的气体在离心力作用下被甩向叶轮外缘，叶轮中心区域形成负压，从而不断吸入新气体。被甩出的气体在蜗壳形机壳内汇集，动能部分转化为压力能，最终以一定压力从出风口排出。

悬臂式结构是此类风机的核心特点，叶轮安装在轴的一端，另一端通过轴承支撑。这种设计的优点是轴向尺寸小，结构简单，拆装方便，特别适合需要频繁检修的稀土提纯环境。但同时，悬臂结构对轴的刚性、轴承的承载能力和动平衡精度要求较高，需要在设计和制造中特别关注。

针对铈提纯工艺的特殊性，AI(Ce)1148-1.27在材料选择上进行了优化：与腐蚀性气体接触的部件（如机壳内表面、叶轮）采用不锈钢或特种合金钢制造，防止稀土提取过程中酸性或碱性气体的腐蚀；密封系统采用多重防护设计，防止贵重稀土物料泄漏或外部杂质进入系统；轴承和润滑系统能够适应连续运行和可能的负荷波动，保证生产稳定性。

三、关键配件详解

3.1 风机主轴系统

主轴是离心鼓风机的核心承载和传动部件，其质量直接决定风机运行的可靠性和寿命。AI(Ce)1148-1.27型风机的主轴采用优质合金钢（如42CrMo）整体锻造而成，经过调质处理获得良好的综合机械性能:芯部保持足够的韧性以承受交变载荷，表面具有较高硬度以增强耐磨性。

主轴的设计需要同时满足强度、刚度和临界转速的要求。强度计算需考虑最大扭矩和弯矩组合作用，确保在最恶劣工况下仍有足够的安全裕度；刚度计算主要控制最大挠度，防止轴变形过大影响叶轮与机壳的间隙，甚至导致摩擦碰撞；临界转速分析确保风机工作转速远离轴的各阶固有频率，一般要求工作转速低于第一阶临界转速的70%或高于第二阶临界转速的130%，防止共振发生。

主轴的加工精度要求极高：轴承档直径公差通常控制在±0.005mm以内，表面粗糙度Ra≤0.8μm；叶轮安装段的配合精度同样严格，通常采用过盈配合，确保高速旋转下不会松动。主轴动平衡精度需达到G2.5级（根据ISO1940标准），残余不平衡量控制在极低水平，以减少振动和噪声。

3.2 轴承与轴瓦系统

AI(Ce)1148-1.27型风机根据具体配置可能采用滚动轴承或滑动轴承（轴瓦）。在较高转速和较大载荷的应用中，多采用滑动轴承，因其具有更好的阻尼特性和更高的承载能力。

滑动轴承的轴瓦通常由钢背和耐磨层组成。钢背提供强度支撑，材料一般为低碳钢；耐磨层常用巴氏合金（锡基或铅基），厚度约1-3mm。巴氏合金具有优异的嵌入性和顺应性，当有微小硬颗粒进入轴承间隙时，可嵌入合金层，防止轴颈划伤；同时，其良好的摩擦相容性可防止与轴颈材料粘着。

轴瓦设计的关键参数包括宽径比（通常为0.6-1.0）、间隙比（直径间隙与轴颈直径之比，一般为0.001-0.002）和油槽布置。润滑油的供给至关重要，一般采用强制循环润滑系统，油压稳定在0.1-0.3MPa，进油温度控制在35-45℃，回油温度不超过70℃。润滑油不仅减少摩擦，还带走轴承产生的热量，维持热平衡。

对于采用滚动轴承的风机，多选用双列向心球面滚子轴承或角接触球轴承，能够同时承受径向和轴向载荷。轴承的预紧力调整、游隙控制和润滑方式（油脂或稀油）需根据实际工况精确确定。

3.3 转子总成

转子总成是风机的“心脏”，由叶轮、主轴、平衡盘（多级风机）、联轴器等部件组成。AI(Ce)1148-1.27为单级风机，其转子主要包括叶轮和主轴。

叶轮是能量转换的核心部件，其设计直接影响风机效率、性能和稳定性。铈提纯用风机的叶轮通常采用后向叶片设计，叶片出口角度一般小于90°，这种设计虽然单级压力比较低，但效率高、工作特性曲线平缓、不容易过载。叶轮材料根据输送气体性质选择：输送洁净空气时可采用优质碳钢；输送腐蚀性气体时需用不锈钢（如304、316L）或特种合金；在特殊情况下，还可能采用钛合金或双相不锈钢。

叶轮制造工艺要求严格：叶片通常由板材冲压成型，然后与轮盘、轮盖焊接，焊缝需100%探伤检验；或者采用整体精密铸造，减少应力集中。叶轮完成后需进行静平衡和动平衡校正，平衡精度直接影响轴承寿命和整机振动水平。

转子总成的装配精度极为关键：叶轮与主轴的过盈量需精确计算，装配时通常采用热装法（加热叶轮至150-200℃后套入主轴）；各个部件的端面跳动和径向跳动需控制在0.02-0.05mm以内；最终完成的转子总成需在动平衡机上校正至G2.5级精度。

3.4 密封系统

密封系统是防止气体泄漏、维持风机效率和安全运行的关键，在稀土提纯环境中尤为重要，既要防止贵重物料外泄，也要避免有害气体逸出污染环境。AI(Ce)1148-1.27型风机通常配置多重密封。

气封（迷宫密封）是最常用的非接触式密封，由一系列环形齿片与轴构成微小间隙，气体通过多次节流膨胀达到密封效果。迷宫密封的间隙设计非常关键：间隙过大会降低密封效果；间隙过小则可能引起摩擦。通常径向间隙控制在轴径的0.001-0.002倍，并根据热膨胀进行适当调整。迷宫密封材料通常选用铝或铜合金，硬度低于轴材料，万一发生摩擦，优先磨损密封齿，保护主轴。

碳环密封是一种接触式密封，由多个碳环组成，依靠弹簧力使碳环内孔与轴表面紧密接触。碳环密封的优点是泄漏量极小，密封效果好，但会产生一定摩擦热，需要适当冷却。碳环材料具有良好的自润滑性和耐磨性，即使短期干摩擦也不易损坏轴表面。

油封主要用于轴承箱的密封，防止润滑油泄漏和外界杂质进入。常见的有骨架油封和迷宫式油封两种类型。在AI(Ce)1148-1.27型风机中，通常采用多重油封组合：内侧防止润滑油外泄，外侧防止外界灰尘、水分进入。

针对铈提纯工艺中可能遇到的腐蚀性气体，所有密封材料都需要进行耐腐蚀评估，必要时采用特种材料或表面处理技术。

3.5 轴承箱与润滑系统

轴承箱为轴承提供精确的定位和可靠的支撑，其设计制造质量直接影响轴的运行精度。AI(Ce)1148-1.27型风机的轴承箱通常采用铸铁（HT250）或铸钢（ZG230-450）整体铸造，结构上保证足够的刚性和散热面积。

轴承箱的加工精度要求很高：轴承座的圆度和圆柱度误差通常控制在0.01mm以内；两侧轴承座的同轴度误差不超过0.02mm；轴承箱与机壳的对接面需精加工，保证准确定位。轴承箱内部通常设计有导油槽和排油孔，确保润滑油能充分到达轴承各部位并顺利回流。

润滑系统是风机可靠运行的“生命线”。小型风机可能采用油脂润滑或油浴润滑，但AI(Ce)1148-1.27这类中等功率风机多采用强制循环润滑系统。系统包括油箱、油泵、滤油器、冷却器、压力调节阀和监控仪表等。润滑油的选择需综合考虑粘度、抗氧化性、防锈性和极压性能，通常选用ISO VG32或VG46等级的透平油。

四、风机维修与故障处理

4.1 日常维护要点

铈提纯工艺中风机通常连续运行，日常维护对预防故障、延长寿命至关重要。每日检查应包括：振动值监测（轴承处振动速度有效值不应超过4.5mm/s）；轴承温度检查（滑动轴承温度不应超过70℃，滚动轴承不超过80℃）；润滑油位和油压检查；异常声音监听；气体泄漏检查等。

定期维护项目包括：每月检查联轴器对中情况，不对中误差控制在0.05mm以内；每季度清洗滤油器，检查油质，必要时更换润滑油；每半年检查密封磨损情况，测量迷宫密封间隙；每年进行全面检修，包括检查轴承磨损、叶轮腐蚀、主轴直线度等。

4.2 常见故障分析与处理

振动超标是风机最常见故障之一。原因可能包括：转子不平衡（需重新进行动平衡）；对中不良（重新调整对中）；轴承磨损或损坏（更换轴承）；地脚螺栓松动（紧固并加防松装置）；喘振现象（调整工作点，避开喘振区）；基础刚性不足（加固基础）等。处理振动问题时，应使用振动分析仪测量振动频率和相位，帮助准确判断故障源。

轴承温度过高可能原因有：润滑油不足或油质劣化（补油或换油）；润滑油牌号不对（更换合适牌号）；冷却系统故障（检查冷却器）；轴承间隙过小（调整间隙）；轴弯曲（校正或更换轴）；过载运行（调整工况）等。

风量风压不足可能原因包括：转速降低（检查电机和电源）；进口滤网堵塞（清洗或更换滤网）；密封间隙过大（调整或更换密封）；叶轮磨损或腐蚀（修复或更换叶轮）；管道泄漏（检查并密封漏点）；气体密度变化（调整工艺参数）等。

异常噪声可能是机械摩擦（检查间隙）、轴承损坏（更换轴承）、喘振（调整工况）或气动噪声（检查进出口条件）等引起的。不同原因的噪声特征不同，需要经验判断或借助声学分析仪器。

4.3 大修工艺要点

风机运行一定时间后（通常2-3年或按运行小时数）需要进行全面大修。大修基本流程包括：停机并切断所有能源；拆除连接管道和电气接线；拆卸联轴器护罩和联轴器；测量原始对中数据；拆除轴承箱上盖，测量轴承间隙；拆卸转子总成；检查各部件磨损情况；修复或更换损坏部件；重新组装；对中调整；单机试车；联动试车。

大修中的关键技术环节包括：叶轮修复，磨损量小时可采用堆焊后机加工修复，磨损严重时需更换新叶轮；主轴检查，重点检查轴颈磨损、弯曲变形和表面裂纹，轻微磨损可通过磨削修复，但尺寸减小量不应超过原直径的1%；轴承更换，新轴承装配前需测量实际尺寸，确保配合间隙符合设计要求；密封调整，迷宫密封间隙需按制造厂标准调整，碳环密封需检查接触均匀性。

大修完成后，必须进行严格测试，包括：机械运转试验，测量振动、温度、噪声等指标；性能试验，在安全前提下尽可能接近实际工况，测量风量、风压、电流等参数，与设计值对比；密封性试验，检查各密封点泄漏情况；连续运行试验，至少连续运行4-8小时，观察运行稳定性。

五、稀土提纯工艺中的工业气体输送风机

5.1 不同气体的输送特点与风机选型

铈提纯过程涉及多种工业气体，不同气体对风机有不同要求：

空气是最常用的气体，用于氧化焙烧、物料输送、仪表控制等。空气风机需考虑过滤问题，防止灰尘进入风机磨损叶轮，常用C(Ce)型多级离心鼓风机或AI(Ce)型单级风机。

工业烟气通常含有腐蚀性成分（SO₂、NOx等）和粉尘，风机需采用耐腐蚀材料（如316L不锈钢、钛合金涂层），并考虑防腐结构和排水设计。CF(Ce)型和CJ(Ce)型专用浮选风机常用于此类工况。

二氧化碳CO₂在稀土沉淀工序中使用，CO₂密度大于空气，相同工况下风机功率需求较高。CO₂可能遇水生成碳酸，具有弱腐蚀性，需要考虑材料的耐酸性。AII(Ce)型双支撑加压风机适合此类应用。

氮气N₂作为惰性气体用于保护性气氛，要求风机密封性极高，防止空气渗入污染系统。氮气分子量与空气接近，风机选型可参考空气，但需强化密封系统。

氧气O₂具有强氧化性，输送氧气的风机必须禁油，所有与氧气接触的部件需彻底脱脂，材料选择需考虑氧化反应风险，运行中需严格控制温升。D(Ce)型高速高压多级离心鼓风机常经特殊处理用于氧气输送。

稀有气体（氦He、氖Ne、氩Ar）价值高、密度差异大，要求风机泄漏率极低。氦气密度小，粘度低，密封难度大；氩气密度大，功率需求高。此类气体输送多采用S(Ce)型单级高速双支撑加压风机，配置特殊密封系统。

氢气H₂密度小、渗透性强、易燃易爆，是最难输送的气体之一。氢气风机要求防爆设计、极高密封性、防止静电积聚，且材料需考虑氢脆问题。通常采用专为氢气设计的D(Ce)型风机。

混合无毒工业气体需根据具体成分确定物性参数（密度、比热比、压缩因子等），风机设计需按实际混合气体参数计算，不能简单套用空气数据。

5.2 风机选型计算基本原则

工业气体风机的选型需要基于工艺要求的流量、压力、气体性质和安装条件。基本计算步骤如下：

首先确定所需体积流量，需注意风机样本上的流量通常标注为进口状态下的体积流量，而工艺参数可能是标准状态或实际状态，需进行换算。换算公式为：实际体积流量等于标准体积流量乘以（实际绝对温度除以标准绝对温度）再乘以（标准绝对压力除以实际绝对压力）。

其次确定压力需求，包括系统阻力、出口背压和进口压力。风机全压等于出口全压减进口全压，而出口全压等于出口静压加出口动压，进口全压等于进口静压加进口动压。在稀土提纯系统中，还需考虑气体成分变化导致的密度变化对压力的影响。

然后根据气体性质修正风机参数。风机样本性能曲线通常基于标准空气（密度1.2kg/m³），输送其他气体时需进行换算：所需功率与气体密度成正比；压力与气体密度成正比；流量与密度无关（体积流量相同）。对于可压缩气体，还需考虑压缩性系数的影响。

最后校核风机是否在高效区工作，检查是否可能发生喘振。喘振是离心风机在低流量区域运行时发生的流量压力周期性剧烈波动的现象，会严重损坏风机。防止喘振的方法包括：设置最小流量限值；采用可调进口导叶；使用防喘振控制系统等。

5.3 系统配置与安全考虑

工业气体风机系统除主机外，还需合理配置辅机系统：进口过滤器防止杂质进入；消声器控制噪声污染；柔性接头减少管道应力；止回阀防止倒流；安全阀防止超压；调节阀控制流量压力；仪表系统监测运行参数。

安全设计至关重要：易燃易爆气体系统需整体防爆设计，包括防爆电机、防爆仪表、安全接地；氧气系统严格禁油，所有部件需化学清洗脱脂；有毒气体系统需强化密封和泄漏检测；所有压力容器和管道需按规范设计，定期检验。

控制系统应具备：启停程序控制，特别是大功率风机的软启动；运行参数监测与报警；安全联锁保护，当振动、温度、压力超标时自动保护；远程监控与故障诊断功能。

六、AI(Ce)1148-1.27在铈提纯工艺中的典型应用

6.1 氧化焙烧工序中的应用

铈精矿通常含有铈的碳酸盐或氟碳铈矿，需要通过氧化焙烧转化为氧化物。该工序在回转窑或流化床焙烧炉中进行，需要连续供给预热空气，空气量、压力需精确控制以确保氧化完全且不过烧。

AI(Ce)1148-1.27型风机在此工序中通常作为助燃风机，为焙烧炉提供燃烧所需空气。运行参数根据矿石处理量、焙烧温度曲线和燃料特性调整。实际操作中，风机流量通过进口导叶或变频器调节，压力需克服炉膛阻力和管道损失，保持炉内微正压防止冷风渗入。

在此应用中，风机需耐受较高温度（进口空气可能预热至200-300℃），因此轴承冷却和轴密封需特别加强。叶轮材料通常选择耐热不锈钢（如304H），机壳需考虑热膨胀补偿。

6.2 气体输送与物料输送

在湿法铈提纯过程中，各种气体需要输送到反应器、沉淀槽等设备。AI(Ce)1148-1.27可用于输送CO₂至碳酸铈沉淀工序，通过精确控制CO₂流量和压力，控制沉淀速度和晶体粒度，这对最终产品质量至关重要。

此外，风机还可用于气力输送系统，将粉状铈化合物在工序间转移。由于铈化合物价值高且有一定毒性，输送系统要求密封可靠、无泄漏、无残留。风机在此类应用中需特别考虑气体净化，防止物料进入风机磨损叶轮，通常在风机进口前设置高效过滤器。

6.3 废气处理系统

铈提纯过程中产生的废气含有酸性气体、粉尘和微量放射性物质，需经处理达标排放。AI(Ce)1148-1.27可用作废气处理系统的引风机或增压风机，将废气从生产设备抽出，经过洗涤塔、吸收塔等处理设备后排放。

废气风机的特殊要求包括：耐腐蚀（接触酸性气体）；耐磨（可能含有粉尘）；可靠密封（防止废气泄漏）；便于清洗维护（可能结垢）。在此应用中，风机叶轮可能需要采用双相不锈钢或喷涂耐磨涂层，机壳内壁加防腐衬里，密封系统采用双机械密封加氮气保护。

七、技术发展趋势

7.1 高效节能技术

随着稀土行业能效要求提高，风机节能技术不断发展。三元流叶轮设计、叶片型线优化、流道精细化等技术的应用，使风机效率从传统的75-82%提高到85-90%。AI(Ce)系列风机正在采用计算流体力学(CFD)优化设计，减少流动损失；表面抛光处理降低摩擦阻力；间隙控制技术减少内泄漏损失。

变频调速技术已成为标准配置，根据工艺需求实时调节风机转速，避免节流损失，节能效果显著。对于AI(Ce)1148-1.27这类风机，变频控制可节能20-40%，同时实现软启动，减少机械冲击。

7.2 智能监控与预测性维护

物联网和大数据技术在风机管理中的应用日益广泛。智能传感器实时监测振动、温度、压力、流量等参数，通过边缘计算分析运行状态，早期发现异常趋势。AI(Ce)系列新一代风机将集成智能监测系统，实现预测性维护，避免突发故障，提高设备利用率。

数字孪生技术也在探索应用中，建立风机的虚拟模型，模拟不同工况下的性能变化、应力分布和寿命消耗，为优化运行和维修决策提供支持。

7.3 材料与制造技术创新

新材料应用提升风机性能和使用寿命：陶瓷涂层提高叶轮耐磨耐腐蚀性；复合材料用于轻量化部件；新型密封材料降低泄漏率。增材制造（3D打印）技术开始用于制造复杂叶轮和定制部件，缩短交货周期，实现拓扑优化设计。

针对铈提纯的特殊环境，风机材料正在向更高耐腐蚀性、更长寿命方向发展，例如采用哈氏合金、钛合金等高端材料，虽然初期投资增加，但全生命周期成本更低。

八、结语

离心鼓风机作为铈提纯工艺中的关键动力设备，其性能直接影响生产过程的稳定性、产品质量和能耗水平。AI(Ce)1148-1.27型单级悬臂加压风机凭借其结构紧凑、维护方便、运行可靠的特点，在中等规模的铈提纯生产线中得到广泛应用。

正确的选型、安装、操作和维护是保证风机长期稳定运行的基础。技术人员需充分理解风机工作原理、结构特点和性能参数，掌握常见故障的诊断和处理方法。随着技术进步，风机正朝着高效、智能、耐用的方向发展，为稀土提纯行业的转型升级提供有力支撑。

作为风机技术人员，我们应不断学习新技术、新工艺，结合稀土提纯的具体需求，优化风机设计和应用方案，为推动我国稀土工业的高质量发展贡献力量。