轻稀土提纯风机基础知识与应用详解：以S(Pr)1655-2.54型离心鼓风机为例

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、镨提纯风机、S(Pr)1655-2.54、离心鼓风机、风机配件、风机修理、工业气体输送、稀土分离技术

一、轻稀土提纯工艺与风机技术概述

轻稀土（铈组稀土）元素如镨（Pr）、钕（Nd）、镧（La）、铈（Ce）等的提纯是现代稀土工业的核心环节。在萃取分离、浮选富集、气体输送等关键工序中，离心鼓风机作为提供气源动力的关键设备，其性能直接影响到稀土产品的纯度、回收率和生产效率。稀土矿提纯过程通常涉及气体加压输送、浮选曝气、烟气处理等多个环节，对风机的密封性、耐腐蚀性、压力稳定性和气体兼容性都有特殊要求。

我国稀土提纯行业经过数十年的发展，已形成了一套完整的风机选型与应用体系。针对镨（Pr）等轻稀土元素的特性，专门开发了"C(Pr)"、"CF(Pr)"、"CJ(Pr)"、"D(Pr)"、"AI(Pr)"、"S(Pr)"、"AII(Pr)"等系列风机，以满足不同工艺阶段的气体输送需求。这些风机在设计时充分考虑了稀土生产环境的特殊性，包括可能接触的腐蚀性介质、连续运行要求以及精密控制需求。

二、S(Pr)1655-2.54型单级高速双支撑加压风机详解

2.1 型号编码解读与技术参数

S(Pr)1655-2.54型风机的完整型号包含以下信息：

2.2 设计特点与结构优势

S(Pr)1655-2.54型风机针对轻稀土提纯的工艺特点，具备以下设计优势：

结构刚度与稳定性：采用双支撑结构，转子两端由径向轴承支撑，部分型号还可能配备止推轴承。这种布局使转子在高速旋转时弯曲变形最小，临界转速远高于工作转速，确保了运行平稳性。轴承跨度经过优化设计，既保证足够的刚性，又避免过长导致的振动敏感。

高效气动设计：叶轮采用后弯式叶片设计，叶片型线经过CFD（计算流体力学）优化，确保在额定工况点附近具有最高效率。叶轮材质通常为不锈钢（如304、316L）或更耐蚀的合金，以适应稀土生产环境中可能存在的腐蚀性成分。蜗壳设计采用等宽度或渐扩式流道，有效将动能转化为压力能，同时减少涡流损失。

紧凑高速设计：单级叶轮配合高速驱动（通常通过增速齿轮箱实现），使得整机尺寸相对紧凑，适合空间有限的稀土生产车间布置。高速设计也意味着较小的叶轮直径即可达到所需压比，降低了转子转动惯量，启停更加迅速。

介质兼容性：针对镨提纯工艺中可能输送的气体（如空气、氮气、氧气或特定工艺气体），风机的过流部件材质、密封形式都进行了针对性选择。例如，当输送含氧气体时，会避免使用可能产生火花的材料；当输送腐蚀性气体时，会采用更高级别的不锈钢或涂层保护。

三、S(Pr)1655-2.54风机核心部件详解

3.1 主轴与转子总成

主轴是风机的核心传动部件，S(Pr)系列风机的主轴通常采用高强度合金钢（如42CrMo、35CrMoV）锻造而成，经过调质处理获得良好的综合机械性能。主轴设计需满足以下要求：足够的强度以承受扭矩和弯矩；足够的刚度以控制挠度；精确的尺寸和形位公差以保证动平衡精度和装配质量。主轴与叶轮的连接通常采用过盈配合加键连接，或液压胀紧套连接，确保高速下可靠传递扭矩。

转子总成包括叶轮、主轴、平衡盘（如果有）、联轴器轮毂等旋转部件的组合体。S(Pr)1655-2.54的叶轮为闭式或半开式结构，经过精密加工和动平衡校正。平衡精度通常要求达到G2.5级或更高（根据ISO1940标准），以确保振动值在允许范围内。转子总成的第一临界转速通常设计为工作转速的1.3倍以上，避免共振。

3.2 轴承系统与轴瓦

S(Pr)系列风机采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承，主要原因在于滑动轴承更适应高速重载工况，具有更好的阻尼特性，能有效抑制振动。

轴瓦材料与结构：常用轴瓦材料有巴氏合金（锡基或铅基）、铜基合金或高分子复合材料。巴氏合金因其良好的嵌入性、顺应性和抗胶合能力，在稀土风机中应用广泛。轴瓦通常为剖分式结构，便于安装和检修。瓦背上浇铸或镶嵌一层巴氏合金，厚度约1-3毫米。轴瓦内表面可能开有油槽，确保润滑油的分布。

润滑系统：风机配备强制润滑系统，包括主油泵、辅助油泵、油冷却器、过滤器、油箱和管路。润滑油不仅提供润滑，还带走轴承产生的热量。进油压力通常维持在0.15-0.25兆帕，轴承间隙一般控制在轴颈直径的0.1%-0.15%。润滑油温度需监控，入口油温通常控制在35-45℃，出口油温不超过65℃。

3.3 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污染环境或造成损失，也要防止外部空气进入系统影响工艺过程。

气封（级间密封和轴端密封）：在叶轮进口与蜗壳之间，以及多级风机的级间，采用迷宫密封。迷宫密封由一系列环形齿片和腔室组成，气体通过多次节流膨胀达到密封效果。对于S(Pr)单级风机，主要在叶轮进口处设置迷宫密封。密封间隙非常关键，通常控制在0.2-0.4毫米（直径方向），间隙过大会降低效率，过小可能导致摩擦。

碳环密封：在轴伸出机壳处，常采用碳环密封作为主要或辅助密封。碳环由多个分割的扇形碳环组成，靠弹簧力抱紧在轴上。碳材料具有自润滑性、耐高温和一定的耐腐蚀性。碳环密封能实现较低的泄漏率，通常用于密封压力不特别高的场合，或作为干气密封的前置密封。

油封：在轴承箱端盖处，采用唇形密封圈或机械密封防止润滑油泄漏。唇形密封结构简单，但寿命有限；机械密封更可靠，但成本较高。对于S(Pr)1655-2.54这类高速风机，常采用复合密封方式，如迷宫式油封加甩油环的组合。

干气密封（可选）：对于要求零泄漏或输送有毒有害气体的场合，可选用干气密封作为主密封。干气密封通过微米级的气膜实现非接触密封，泄漏量极小。但干气密封系统较复杂，需要洁净的密封气源。

3.4 轴承箱与机壳

轴承箱是支撑轴承和转子的重要部件，通常为铸铁或铸钢结构，具有足够的强度和刚度。轴承箱设计需保证良好的对中性，轴承座孔加工精度通常要求IT6-IT7级。箱体上设有油路接口、温度测点接口、振动探头接口等。轴承箱与机壳之间可能有热隔离设计，减少机壳温度对轴承的影响。

机壳（蜗壳）收集从叶轮出来的气体并将其导向出口，同时将部分动能转化为压力能。S(Pr)系列机壳通常为铸铁或不锈钢铸造，剖分式设计（水平剖分或垂直剖分）便于检修。机壳内表面可能涂有防腐涂层，以抵抗工艺气体的腐蚀。机壳设计需考虑热膨胀，设置合理的支撑和固定方式。

四、风机在稀土提纯中的修理与维护

4.1 常见故障与诊断

S(Pr)1655-2.54风机在长期运行中可能出现的故障包括：

振动超标：可能原因有转子不平衡（叶轮磨损、结垢）、轴承磨损、对中不良、基础松动或共振。振动分析是主要诊断手段，通过测量振动频率、幅值和相位，可以判断故障类型。例如，1倍频振动通常与不平衡或对中有关，高频振动可能与轴承缺陷有关。

轴承温度高：可能原因包括润滑油不足或污染、轴承间隙不当、负荷过大或冷却不良。需检查油质、油压、油温及冷却水系统。

性能下降（流量或压力不足）：可能原因有密封间隙过大、叶轮磨损、进口过滤器堵塞或转速下降。需测试性能曲线，与原始曲线对比。

异常声音：可能指示轴承损坏、转子与静止件摩擦、喘振或旋转失速。需结合声音特征和振动分析判断。

4.2 定期检修内容

小修（每运行3000-5000小时）：检查润滑油质并更换；检查密封情况；检查联轴器对中；检查基础螺栓紧固；清洁进口过滤器；监测振动和温度趋势。

中修（每运行12000-18000小时）：包括小修内容；拆检轴承，测量间隙和磨损；检查迷宫密封间隙；检查叶轮有无磨损或腐蚀；校验仪表和控制系统。

大修（每运行40000-60000小时或根据状态监测决定）：包括中修内容；转子总成吊出进行全面检查；叶轮无损检测（磁粉或渗透探伤）；主轴检查（直线度、表面状态）；机壳内壁检查；更换所有密封件和易损件；转子重新动平衡；整机重新装配和调试。

4.3 关键部件修理技术

叶轮修复：轻微磨损可进行堆焊后机加工修复，但需控制焊接变形和应力。修复后必须重新进行动平衡，平衡精度需达到原始要求。严重腐蚀或磨损的叶轮建议更换。

轴瓦修复：巴氏合金层磨损或脱层时，需重新浇铸。浇铸前需彻底清洁瓦背，预热，然后浇铸熔融的巴氏合金。浇铸后需机加工到规定尺寸，并开油槽。修复后轴承间隙需符合设计值。

主轴修复：轴颈磨损可采用镀铬或热喷涂修复，但需注意涂层与基体的结合强度和厚度均匀性。修复后需磨削到精确尺寸和粗糙度。轴弯曲需进行矫直，矫直后需检查直线度和表面是否有裂纹。

密封修复：迷宫密封齿磨损后，可更换密封片或重新加工齿形。碳环密封更换新环即可。修复后必须仔细调整间隙，确保各方向均匀。

4.4 装配与调试要点

装配顺序：先安装下半机壳和下半轴承箱；吊入转子，安装下半轴瓦；安装上半轴瓦和轴承箱盖；测量和调整轴承间隙；安装迷宫密封和碳环密封；安装上半机壳；安装联轴器；最终对中。

间隙控制：轴承间隙用压铅法或百分表测量；迷宫密封间隙用塞尺测量，需确保圆周方向均匀；叶轮与机壳的轴向间隙需保证热膨胀后不接触。

对中要求：风机与驱动机（电机或齿轮箱）的对中至关重要。冷态对中需考虑热膨胀的影响，通常预留一定的偏移量。对中精度要求：径向偏差不超过0.05毫米，角度偏差不超过0.05毫米/米。对中需在联轴器自由状态下进行，并盘动转子多个位置测量。

试运行：大修后需分步试运行：先点动检查旋转方向和无摩擦；然后无负荷运行2-4小时，监测振动和温度；逐步加载到额定工况，进行性能测试。试运行期间需记录所有运行参数，与历史数据对比。

五、稀土提纯工艺中工业气体的输送要点

5.1 可输送气体类型与特性

稀土提纯过程中可能涉及多种工业气体，S(Pr)系列风机设计时已考虑这些气体的特性：

空气：最常用的介质，用于浮选曝气、物料输送、仪表气源等。需注意空气中可能含有的水分、尘埃，以及在某些工艺条件下与稀土物料反应的可能性。

氮气（N₂）：常用于惰性保护气氛，防止稀土物料氧化。氮气通常由制氮机提供，纯度要求99.5%以上。输送氮气时需特别注意密封，防止氧气渗入。

氧气（O₂）：用于某些氧化工艺环节。输送氧气对风机有特殊安全要求：所有过流部件必须脱脂清洗，避免油脂在高压氧环境下引发火灾；材料选择需避免可能产生火花的组合；流速需控制以防静电积累。

二氧化碳（CO₂）：可能用于调节pH或作为反应介质。CO₂在一定条件下可能形成碳酸，对碳钢有腐蚀性，因此风机材质需选用不锈钢。

稀有气体（氦He、氖Ne、氩Ar）：通常用于分析仪器保护气或特殊反应气氛。这些气体惰性高，但氦气分子小，易泄漏，对密封要求极高。

氢气（H₂）：在某些还原工艺中使用。氢气密度小，要求风机有良好的密封以防泄漏和爆炸风险；同时氢气可能导致某些材料氢脆，材质选择需注意。

工业烟气和混合无毒工业气体：成分复杂，可能含有腐蚀性成分（如SO₂、HCl、HF）或固体颗粒。需根据具体成分选择风机材质、密封形式和可能的冲洗保护措施。

5.2 气体特性对风机设计的影响

气体密度：影响风机的功率和压力。风机选型时需根据实际气体密度修正性能曲线。公式为：实际功率等于标准功率乘以实际气体密度与空气密度的比值；实际压力等于标准压力乘以密度比值。

气体压缩性：在压比较高（如大于1.2）时需考虑气体可压缩性的影响，性能计算需使用多变过程公式而非恒定密度公式。

腐蚀性：决定材质选择的关键因素。对于酸性气体，通常选用316L不锈钢、哈氏合金或衬塑/衬氟材料；对于碱性气体，需考虑碱脆问题。

温度：高温气体会影响材料强度、密封性能和间隙设置。需考虑热膨胀计算和冷却措施。

湿度与凝露：湿气体可能引起腐蚀和结垢，需考虑排水和加热措施，防止低温部位凝露。

固体颗粒：含尘气体会加剧磨损，需在风机前设置高效过滤器，叶轮和流道可能需采用耐磨涂层或可更换衬板。

5.3 安全注意事项

防爆要求：输送易燃易爆气体时，风机需满足相应防爆等级（如Ex d IIB T4），电机、仪表等都需防爆。可能有静电接地要求。

氧气安全：输送氧气的风机必须严格遵守氧气设备安全规范，包括严格清洁、禁油、控制流速、使用相容材料等。

泄漏监测：对于有毒或有害气体，需设置泄漏检测报警系统，密封系统需采用双重或三重密封。

过压保护：出口管路需设置安全阀或爆破片，防止系统超压。

惰化程序：在启停可能接触易燃气体或空气混合物的风机时，需有惰化（用氮气置换）程序，防止形成爆炸性混合物。

六、不同系列风机在稀土提纯中的应用选择

6.1 各系列特点对比

6.2 选型基本原则

6.3 S(Pr)1655-2.54的典型应用场景

在轻稀土（特别是镨）提纯工艺中，S(Pr)1655-2.54型风机通常应用于：

七、总结与展望

S(Pr)1655-2.54型单级高速双支撑加压风机作为轻稀土提纯工艺中的关键设备，其设计充分考虑了稀土生产的特殊需求，在结构可靠性、密封性能、介质兼容性和运行效率等方面取得了良好平衡。通过深入了解其型号含义、结构特点、核心部件、维护要点和气体输送适应性，设备管理人员可以更好地操作、维护和优化风机性能，保障稀土生产的稳定高效进行。

随着稀土工业向精细化、绿色化、智能化方向发展，未来稀土提纯风机技术也将呈现新的趋势：更高效率的气动设计以降低能耗；更智能的状态监测和故障预警系统；更先进的密封技术实现近零泄漏；更广泛的材料选择以适应更苛刻的工艺条件；以及更好的系统集成能力，与工艺控制系统无缝连接。

作为风机技术人员，我们需要不断学习新技术、新材料、新方法，结合稀土生产的实际需求，优化设备选型、维护策略和改造升级，为我国稀土产业的可持续发展提供可靠的技术装备支持。