轻稀土(铈组稀土)镨(Pr)提纯风机基础知识解析:以S(Pr)2935-2.4型离心鼓风机为核心

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、镨(Pr)提纯、离心鼓风机、S(Pr)2935-2.4、风机配件、风机修理、工业气体输送

一、轻稀土提纯工艺与风机技术概述

轻稀土元素，特别是铈组稀土中的镨(Pr)，是现代高新技术产业不可或缺的关键原材料。从矿石开采到高纯度产品产出，需经过破碎、磨矿、浮选、浸出、萃取、沉淀、煅烧等多道工序。在这一复杂流程中，离心鼓风机作为核心动力设备，承担着供氧、气体输送、气氛控制、物料输送等关键任务。其性能直接关系到提纯效率、产品纯度、能耗水平和生产安全。

在镨(Pr)提纯过程中，风机主要用于以下几个环节：浮选工序中的充气搅拌，需要稳定气源形成均匀气泡；焙烧工序中需提供精确控制的氧化或还原气氛；气体输送环节需处理各种工艺气体。这些应用场景对风机的气密性、耐腐蚀性、压力稳定性和调节精度提出了特殊要求。

针对稀土提纯的特殊工况，风机行业开发了专用系列产品，包括"C(Pr)"型系列多级离心鼓风机、"CF(Pr)"型系列专用浮选离心鼓风机、"CJ(Pr)"型系列专用浮选离心鼓风机、"D(Pr)"型系列高速高压多级离心鼓风机、"AI(Pr)"型系列单级悬臂加压风机、"S(Pr)"型系列单级高速双支撑加压风机以及"AII(Pr)"型系列单级双支撑加压风机。这些风机可输送空气、工业烟气、二氧化碳(CO₂)、氮气(N₂)、氧气(O₂)、氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氢气(H₂)及混合无毒工业气体，满足稀土提纯全流程需求。

二、S(Pr)2935-2.4型单级高速双支撑加压风机详解

2.1 型号含义与技术参数

S(Pr)2935-2.4型离心鼓风机的型号编码蕴含了丰富技术信息："S"代表单级高速双支撑加压风机系列，专为高转速、高压力工况设计；"(Pr)"明确标注该风机针对镨提纯工艺优化设计，材料选择和密封结构均考虑了稀土生产环境特点；"2935"表示风机额定流量为每分钟2935立方米，这一流量范围适用于中型稀土提纯生产线；"-2.4"表示风机出风口压力为2.4个大气压（表压），相当于约0.137兆帕。根据型号标注规则，没有"/"符号表示进风口压力为标准大气压（1个大气压）。

该型号风机设计转速通常在8000-12000转/分钟范围内，具体取决于叶轮直径和设计工况。功率配置根据实际工况在220-450千瓦之间，效率可达到82%-88%，比普通工业风机高出5-10个百分点，这对于连续运行的稀土生产线尤为重要，可显著降低能耗成本。

2.2 结构特点与工作原理

S(Pr)2935-2.4采用单级叶轮搭配高速齿轮箱的设计方案。单级设计减少了内部流道损失，提高了效率；高速设计使得在相对较小的叶轮尺寸下实现高压力输出，减少了设备体积和重量。双支撑结构指叶轮主轴两端均有轴承支撑，这种布局极大提高了转子系统的刚性，降低了轴挠度，使风机能够在高转速下平稳运行，振动值通常控制在2.8毫米/秒以下，远优于国家标准要求。

该风机工作原理基于离心力原理：电机通过增速齿轮箱将动力传递给主轴，主轴带动叶轮高速旋转，气体从轴向进入叶轮中心，在叶片作用下获得动能和压力能，随后在蜗壳扩压器中将部分动能转化为压力能，最终从出风口排出。对于稀土提纯应用，蜗壳和流道经过特殊设计，减少气体涡流和冲击损失，确保流量-压力特性的平坦性，便于工艺调节。

2.3 材料选择与耐腐蚀处理

考虑到稀土提纯环境中可能存在的酸性气体、氟化物、氯离子等腐蚀性介质，S(Pr)2935-2.4的关键部件采用特殊材料制造。叶轮通常采用双相不锈钢2205或2507，这些材料兼具奥氏体和铁素体优点，抗应力腐蚀和点蚀能力显著优于普通不锈钢。主轴采用42CrMo合金钢，表面进行高频淬火或氮化处理，提高表面硬度和耐磨性。

蜗壳和进气室根据输送介质不同选择不同材质：输送空气和惰性气体时采用碳钢内涂防腐涂层；输送酸性或反应性气体时采用整体不锈钢或内衬防腐层。所有与工艺气体接触的表面都经过抛光处理，达到Ra0.8以上光洁度，减少积灰和腐蚀起始点。

三、核心配件系统深度解析

3.1 风机主轴系统

主轴是风机的"脊梁"，S(Pr)2935-2.4的主轴采用高强度合金钢整体锻造，经过多道热处理工序确保组织均匀性。主轴设计需同时考虑强度、刚度和临界转速：强度计算保证在最大扭矩和弯矩组合下安全系数不低于2.0；刚度设计确保在最大负荷下轴挠度不超过轴承间隙的70%；临界转速至少高于工作转速的30%，避免共振。

主轴与叶轮的连接通常采用过盈配合加键连接的双重固定方式，过盈量经过精确计算，确保在高速旋转下配合面不松动。部分高端型号还采用液压装配技术，实现更均匀的配合应力分布。主轴上的轴承轴颈区域经过精密磨削，圆度误差小于0.005毫米，表面硬度达到HRC50-55。

3.2 轴承与轴瓦系统

S(Pr)2935-2.4采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承，这是高速离心风机的典型选择。滑动轴承在高速下的稳定性、承载能力和阻尼特性优于滚动轴承。轴瓦材料为巴氏合金（锡锑铜合金），厚度约1-3毫米，浇铸在钢背衬上。巴氏合金具有优良的嵌入性和顺应性，微小杂质可嵌入合金中而不损伤轴颈。

轴承润滑采用强制压力油循环系统，油压通常为0.15-0.25兆帕。润滑油不仅起润滑作用，还带走轴承产生的热量，维持轴承温度在65℃以下。轴承间隙是关键参数，一般为轴颈直径的0.001-0.0015倍，需根据轴颈尺寸、转速和油粘度精确计算。间隙过大会导致油膜不稳定，过小则可能引起热膨胀卡死。

3.3 转子总成与动平衡

转子总成包括主轴、叶轮、平衡盘、联轴器等旋转部件的组合体。S(Pr)2935-2.4的转子在装配后需进行高速动平衡，平衡精度达到G2.5级（ISO1940标准），即在风机工作转速下，转子剩余不平衡量引起的振动速度不超过2.5毫米/秒。

动平衡分两步进行：低速平衡在专用平衡机上校正静不平衡和偶不平衡；高速平衡在风机实际工作转速或接近工作转速下进行，校正转子在高速下的动态变形引起的不平衡。平衡配重采用在叶轮特定位置钻孔或加装平衡块的方式，确保不影响气流特性。

3.4 密封系统：气封、油封与碳环密封

密封系统是防止介质泄漏、保证风机效率和环境安全的关键。S(Pr)2935-2.4采用多重密封组合：

气封（迷宫密封）安装在叶轮入口和轴穿过机壳处，由一系列环形齿和腔室组成，利用节流效应减少气体泄漏。齿隙设计至关重要，通常为0.2-0.4毫米，既保证不摩擦，又形成充分流动阻力。

油封用于轴承箱，防止润滑油泄漏和外部污染物进入。常见的为唇形密封或机械密封，材料为氟橡胶或聚四氟乙烯，耐温范围-40℃至200℃。

碳环密封是高端配置，用于处理有毒、贵重或危险性气体。碳环由特殊石墨材料制成，分为若干瓣，在弹簧力作用下抱紧轴颈，实现接触式密封。碳环具有自润滑性，允许轻微摩擦而不损伤轴颈，密封效果远优于非接触式密封。

3.5 轴承箱与润滑系统

轴承箱是支撑转子、容纳轴承和密封的铸件，其刚性和对中度直接影响风机运行平稳性。S(Pr)2935-2.4的轴承箱为铸铁或铸钢结构，内孔加工精度达到H7级，两个轴承箱的同轴度误差不超过0.03毫米。

润滑系统包括主油泵、备用油泵、油冷却器、过滤器、油箱和监控仪表。油泵通常为齿轮泵，流量根据轴承发热量计算确定，确保足够的冷却油量。油冷却器为管壳式或板式，将油温控制在40-50℃理想范围。油过滤器精度为10-25微米，保持润滑油清洁度达到NAS 7级或更高。

四、风机维护与修理关键技术

4.1 日常维护要点

日常维护是保证风机长期稳定运行的基础。每日需检查：油位是否在视窗1/2-2/3处；油温是否在40-55℃正常范围；振动值是否在允许范围内（通常≤4.5毫米/秒）；有无异常声音；进出口压力是否稳定。每周检查：油质是否清洁，有无乳化或杂质；地脚螺栓有无松动；密封有无泄漏。每月进行油样分析，监测金属磨损颗粒、水分含量和酸值变化。

4.2 定期检修项目

每运行8000小时或一年（以先到者为准）应进行定期检修：彻底更换润滑油和滤芯；检查联轴器对中，偏差不超过0.05毫米；检查基础沉降和螺栓紧固状态；清洁冷却器；测试安全阀和仪表。每运行24000小时或三年应进行中修：打开轴承箱检查轴瓦磨损，巴氏合金层剩余厚度不应小于原厚度的50%；检查轴颈有无划伤、磨损；测量轴承间隙并与原始值比较；检查迷宫密封间隙。

4.3 大修与部件更换标准

大修周期通常为48000小时或6-8年，需全面解体风机。关键部件的更换标准如下：

轴瓦：当巴氏合金层厚度减薄至原始厚度40%以下，或出现裂纹、剥落、严重磨损时应更换。新轴瓦需进行刮研，接触面积达到70%以上，接触点均匀分布。

主轴：轴颈磨损超过直径公差上限0.02毫米，或表面有深度超过0.1毫米的划痕、磨损需修复或更换。修复方法包括磨削后镀铬或热喷涂后精磨。

叶轮：叶片厚度因腐蚀或磨损减少超过原厚度30%，或出现裂纹、变形时应更换。叶轮更换后必须重新进行动平衡。

密封：迷宫密封齿顶磨损超过齿高40%，碳环密封厚度减少30%以上需更换。更换密封时必须调整间隙至设计值。

4.4 常见故障诊断与处理

振动异常是风机最常见故障。振动频率等于转速频率（1X）通常表示不平衡，需重新平衡；2X频率可能表示不对中；高频成分可能表示轴承故障或气动激振。处理方法依次为：检查紧固件→检查对中→检查平衡→检查轴承。

温度异常中，轴承温度高可能原因包括：润滑油不足或变质、冷却不良、轴承间隙过小、负荷过大。应检查油系统、调整间隙、检查工艺系统阻力。

压力或流量不足可能原因：进口过滤器堵塞、叶轮磨损、密封间隙过大、转速下降、工艺系统变化。应检查过滤网、测量叶轮间隙、检查变频器或皮带传动、复核工艺参数。

五、工业气体输送的特殊考量

5.1 不同气体的特性与风机适应性

稀土提纯中涉及多种工业气体，每种气体对风机的要求不同：

氧气(O₂)输送需严格禁油，所有接触氧气的部件需脱脂处理，采用不锈钢或铜合金材料，防止火花产生。S(Pr)系列可通过特殊配置满足氧压机要求。

氢气(H₂)密度小、渗透性强，需加强密封，特别是轴封。同时氢气与空气混合易燃易爆，风机需防爆设计，采用防爆电机和接地措施。

二氧化碳(CO₂)在高压下可能液化，需控制最低运行温度，防止干冰形成损坏叶轮。材料需考虑碳酸的弱腐蚀性。

氮气(N₂)、氩气(Ar)等惰性气体相对简单，但纯度要求高时需防止润滑油污染，可采用干气密封或磁力传动。

酸性气体（如工艺烟气）需耐腐蚀材料，并考虑露点腐蚀，通常需加热进口气体至露点以上15℃。

5.2 气体参数换算与选型修正

风机样本参数通常基于空气（密度1.2千克/立方米）测试，输送其他气体时需换算。关键换算包括：

流量换算：风机体积流量基本不变，但质量流量随气体密度变化。质量流量等于体积流量乘以实际气体密度。

压力换算：风机产生的压力比（出口绝对压力/进口绝对压力）基本不变，但压差随气体密度变化。压差等于空气压差乘以实际气体密度与空气密度比值。

功率换算：轴功率与气体密度成正比，与实际气体密度与空气密度比值成正比。

以S(Pr)2935-2.4输送氢气为例：氢气密度约为空气的1/14，相同体积流量下质量流量大幅减少；产生相同压差所需功率也降至约1/14；但转速和流量特性基本不变。实际操作中需重新计算电机功率，防止电机过载或欠载。

5.3 安全防护与监控系统

工业气体风机需强化安全措施：易燃易爆气体采用全防爆设计，包括防爆电机、防爆仪表、安全栅隔离；有毒气体加强密封和泄漏监测；高压气体配置安全阀、爆破片双重泄压；所有气体管道静电接地。

监控系统除常规的温度、压力、振动监测外，增加气体纯度分析、泄漏检测、氧含量监测（对于惰性气体系统）。控制系统具备联锁保护：油压低于限值停机；振动过高报警并降速；气体参数异常切换备用系统或停机。

六、稀土提纯风机选型与应用建议

6.1 选型原则与参数确定

镨提纯风机选型遵循"工艺优先、安全可靠、经济合理"原则。首先明确工艺要求：气体种类、流量范围、压力需求、温度条件、纯度要求。然后考虑工况特点：连续运行还是间歇运行；负荷稳定性；环境条件。

流量确定需考虑工艺最大需求并留10-15%裕量；压力确定需计算系统阻力（管道、阀门、设备阻力）并留5-10%裕量。对于稀土提纯的变工况需求，建议采用变频调速，在40-100%流量范围内调节，避免节流损失。

型号选择：低压小流量可选"AI(Pr)"系列；中等流量压力选"S(Pr)"或"AII(Pr)"系列；高压力选"D(Pr)"多级系列；浮选专用选"CF(Pr)"或"CJ(Pr)"系列。S(Pr)2935-2.4适用于中等规模稀土生产线的氧化、还原、输送等多用途。

6.2 安装调试要点

安装基础需有足够质量和刚度，通常基础质量至少为风机质量的3-5倍，防止共振。基础与风机之间设置减震垫，大型风机还需预埋地脚螺栓框。

对中是安装关键，采用双表法或三表法精确对中，冷态对中需考虑热膨胀偏移量。对于S(Pr)系列，通常电机侧略高于风机侧0.10-0.15毫米，以补偿运行中温度差异。

调试顺序：先单独试电机转向；再连接联轴器手动盘车；然后点动检查有无摩擦；空载运行2小时监测振动、温度；逐步加载至25%、50%、75%、100%负荷，每个阶段运行稳定后再提升。

6.3 运行优化与节能措施

稀土提纯风机常年连续运行，节能优化意义重大。主要措施包括：

变频调速替代节流调节，在低于额定流量运行时节能效果显著，流量80%时节能约30%，50%时节能可达60%。

优化管网系统，减少不必要的弯头、阀门，定期清洗过滤器，降低系统阻力。

加强保温，特别是高温气体管道，减少散热损失。

采用高效叶轮和流道设计，新式三元流叶轮效率可比传统叶轮提高3-5个百分点。

实施状态维修，基于振动分析和油液分析预测故障，避免过度维修和突发停机。

七、结语

轻稀土镨提纯用离心鼓风机是连接冶金工艺与设备工程的精密装置，其性能直接影响提纯效率和产品质量。S(Pr)2935-2.4型单级高速双支撑加压风机凭借其高效率、高可靠性、良好调节性能，在中等规模稀土生产线中具有广泛应用价值。

正确选型、精心安装、规范操作、科学维护是保证风机长期稳定运行的四项基本原则。随着稀土产业向高纯化、精细化发展，对风机性能要求将不断提高，未来趋势包括：更高效率的气动设计；更耐腐蚀的特殊材料；更智能的状态监测与故障预测；更严格的安全环保标准。

作为风机技术人员，我们需不断学习新技术、新材料、新工艺，将通用风机技术与稀土提纯特殊需求紧密结合，为我国的稀土产业发展提供可靠装备保障。本文所述内容基于实际工程经验，希望对从事稀土生产和风机技术的同行有所启发和帮助。在实际应用中，请务必结合具体工况和设备说明书操作，确保安全第一、效率优先。