轻稀土提纯风机S(Pr)1051-2.20技术解析与应用

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、铈组稀土、镨提纯、离心鼓风机、S系列风机、风机维修、工业气体输送、风机配件、稀土冶炼

一、引言：轻稀土提纯工艺中的关键设备:离心鼓风机

在稀土工业中，轻稀土（铈组稀土）的提纯是一个技术密集型过程，涉及采矿、选矿、冶炼和分离等多个环节。其中，镨（Pr）作为重要的轻稀土元素，在永磁材料、催化剂、陶瓷颜料等领域具有广泛应用。离心鼓风机作为提纯过程中提供稳定气流和压力的核心设备，其性能直接关系到生产效率和产品质量。

稀土矿提纯工艺对气体输送设备有着特殊要求：需要处理腐蚀性、高温或含有微量固体颗粒的工业气体；要求风机在长时间运行中保持压力稳定；同时必须适应复杂的工艺条件变化。本文将从风机技术角度，重点解析应用于镨提纯工艺的S(Pr)1051-2.20型单级高速双支撑加压风机，并深入探讨相关配件、维修技术及工业气体输送特点。

二、稀土提纯用离心鼓风机系列概述

稀土冶炼行业根据不同的工艺需求，发展出多种专用风机系列，每种系列都有其特定的设计特点和适用范围：

C(Pr)型系列多级离心鼓风机：采用多级叶轮串联设计，每级叶轮都能增加气体压力，最终达到较高的总压力提升。这种结构特别适用于需要较高压比但流量相对较小的工艺环节。多级设计使每级叶轮的负荷相对均衡，提高了整体效率和稳定性。

CF(Pr)型系列专用浮选离心鼓风机：专门为稀土矿浮选工艺设计，重点考虑输送气体中可能含有潮湿空气和微量化学药剂蒸汽的情况。该系列风机在防腐蚀设计和密封系统方面进行了专门优化，叶轮材质通常选用耐腐蚀合金或特殊涂层处理。

CJ(Pr)型系列专用浮选离心鼓风机：作为CF系列的补充和改进型，在气动效率和节能方面有所提升。通过优化叶轮型线和扩压器设计，提高了等熵效率，同时增强了应对气体成分波动的适应性。

D(Pr)型系列高速高压多级离心鼓风机：结合了高速单级和多级串联的优点，采用齿轮增速驱动，使叶轮在更高转速下工作，从而实现单级高压比。这种设计紧凑高效，特别适用于空间受限但压力要求较高的稀土分离工序。

AI(Pr)型系列单级悬臂加压风机：采用单级叶轮和悬臂式转子设计，结构相对简单，维护方便。适用于中等压力和流量的工艺环节，如稀土焙烧工序的供风系统。

S(Pr)型系列单级高速双支撑加压风机：本文重点介绍的类型，采用单级叶轮高速旋转产生所需压力，转子两端均有轴承支撑，运行稳定性高。特别适合镨提纯过程中需要稳定、连续气流的环节。

AII(Pr)型系列单级双支撑加压风机：与S系列相似但设计参数不同，适用于稍低转速和压力的场合，是S系列的经济型替代方案。

三、S(Pr)1051-2.20风机详解：设计与参数解析

3.1 型号编码解读

S(Pr)1051-2.20这一完整型号编码传达了丰富信息：

需要特别说明的是，该型号中没有使用“/”符号分隔进口压力值，按照行业惯例，这表示进口压力为标准大气压（1个大气压）。如果工艺需要非标准进口压力，型号中会以“/”后加数字表示，例如S(Pr)1051/0.8-2.20表示进口压力为0.8个大气压。

3.2 设计特点与工艺适应性

S(Pr)1051-2.20风机专为镨提纯工艺设计，具有以下显著特点：

高速单级设计：叶轮转速通常可达8000-15000转/分钟，通过单级叶轮即可实现较高的压力提升，结构相对简单，减少了多级风机的级间泄漏损失和复杂结构。

双支撑转子系统：叶轮安装在主轴中部，主轴两端由两个独立的轴承支撑。这种布置方式使转子动力学特性更稳定，临界转速更高，减少了振动问题，特别适合高速运行。

工艺适应性：针对镨提纯过程中可能出现的气体成分变化（如氧气浓度、湿度、微量酸性成分等），风机内部与气体接触的部分采用了特殊材质或涂层处理，提高了耐腐蚀性能。

高效气动设计：采用三元流叶轮设计技术，使叶轮流道内的气体流动更加贴合叶片型线，减少了流动分离和二次流损失，提高了等熵效率。根据实测数据，S(Pr)1051-2.20在设计点的等熵效率可达82%-85%。

3.3 性能参数与选型要点

在选择S(Pr)1051-2.20风机时，需要考虑以下关键参数匹配：

流量-压力特性：风机性能曲线显示，在1051 m³/min的设计流量下，可提供2.20个大气压的出口压力。当工艺流量变化时，压力会相应变化，需确保实际工作点落在风机稳定工作区内，避免喘振或阻塞现象。

功率与效率：该型号配套电机功率通常在450-550kW范围，具体取决于系统阻力和风机效率。选型时需计算管网阻力曲线与风机性能曲线的交点，确保工作点接近风机最高效率区。

气体特性影响：输送不同气体时，风机性能会发生变化。性能曲线通常基于标准空气（密度1.2 kg/m³）测试，当输送其他气体时，需根据实际气体密度、比热比等参数进行换算。

工艺条件适应性：镨提纯工艺可能涉及温度变化，风机设计考虑了-20℃至120℃的工作温度范围，超过此范围需特殊设计。

四、关键配件详解

4.1 风机主轴

主轴是传递扭矩和支撑旋转部件的核心零件，S(Pr)1051-2.20的主轴设计特点包括：

材料选择：采用42CrMoA或类似中碳合金钢，经调质处理达到HRC28-32的硬度，兼顾了强度、韧性和耐磨性。对于腐蚀性较强的工况，主轴表面可进行渗氮处理或喷涂耐腐蚀涂层。

结构设计：采用阶梯轴设计，不同直径段分别用于安装叶轮、轴承、密封等部件。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，确保高速旋转下的可靠传递扭矩。

动平衡要求：主轴装配后需进行高速动平衡，平衡精度达到G2.5级（根据ISO1940标准），确保运行平稳，振动值低于4.5mm/s（根据GB/T 2888标准）。

4.2 轴承系统与轴瓦

S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：

轴瓦材料：通常采用巴氏合金（锡锑铜合金）衬层，这种材料具有良好的嵌入性和顺应性，能在油膜暂时破坏时保护轴颈。巴氏合金层厚度一般为1-3mm，粘结在钢背衬上。

轴承结构：采用上下分体式结构，便于安装和检修。轴承内部设有油槽和油孔，确保润滑油能形成完整的压力油膜。

润滑系统：配备强制循环润滑系统，包括主油泵、辅助油泵、油冷却器、滤油器等。油压通常维持在0.15-0.25MPa，进油温度控制在35-45℃，出油温度不超过65℃。

油膜形成原理：基于流体动压润滑理论，旋转轴颈将润滑油带入收敛间隙，形成压力油膜支撑转子。最小油膜厚度计算公式可简化为：最小油膜厚度等于轴承半径间隙乘以偏心率相关的函数。实际运行中需确保最小油膜厚度大于轴颈和轴瓦表面粗糙度之和的三倍。

4.3 风机转子总成

转子总成是风机的心脏，包括叶轮、主轴、平衡盘等部件：

叶轮设计：采用后弯式叶片设计，叶片数通常为12-16片，出口安装角在40-60度之间。这种设计提供了较平坦的性能曲线，对管网阻力变化不敏感，更适合工艺条件可能变化的稀土提纯应用。

叶轮材质：根据输送气体特性选择，对于一般空气或惰性气体，可采用普通碳钢；对于腐蚀性气体，需使用不锈钢（如304、316）或双相不锈钢；对于含固体颗粒的气体，叶片前缘可能加装耐磨衬板。

平衡校正：转子总成需进行多平面动平衡校正，残余不平衡量控制在转子质量乘以许用偏心距的乘积范围内。对于S(Pr)1051-2.20这类高速风机，平衡精度要求极高。

4.4 密封系统

密封系统防止气体泄漏和润滑油进入流道，主要包括：

气封（迷宫密封）：安装在叶轮进口和出口侧，由一系列环形齿和腔室组成，形成曲折泄漏路径。泄漏量计算公式可简化为：泄漏量等于密封前后压差的开平方乘以密封间隙面积乘以流量系数。实际安装时，径向间隙通常控制在轴径的千分之一点五到千分之二之间。

油封：防止润滑油从轴承箱泄漏，常用类型包括唇形密封和机械密封。对于S系列风机，通常采用双向作用的唇形密封，并在密封外侧设置回油槽。

碳环密封：在某些特殊应用中，可能采用碳环密封作为辅助密封。碳环具有良好的自润滑性和耐磨性，能在较高温度下工作，但成本较高。

轴承箱密封：采用迷宫式密封结合气封气的方案，确保轴承箱内部微正压（约500-1000Pa），防止外部粉尘进入。

五、输送工业气体的特殊考虑

稀土提纯过程中可能涉及多种工业气体，S(Pr)系列风机设计考虑了这些气体的不同特性：

5.1 不同气体的适应性

空气：最常用的介质，风机性能曲线基于空气测试。用于氧化焙烧、气流输送等环节。

工业烟气：可能含有SO₂、NOx等腐蚀成分及固体颗粒。对此类气体，需加强防腐设计，提高叶片和机壳的材质等级，并可能在进口加装过滤装置。

二氧化碳（CO₂）：密度高于空气（约1.5倍），相同工况下风机所需功率增加，需重新计算轴功率并选配合适电机。同时CO₂在高压下可能液化，需控制最低工作温度。

氮气（N₂）：性质接近空气，但分子量略小。用于惰性气氛保护，防止稀土物料氧化。

氧气（O₂）：强氧化性，所有接触部件需采用不产生火花的材料（如铜合金、不锈钢），并彻底去除油脂，防止燃爆事故。

稀有气体（He、Ne、Ar）：通常分子量小（特别是He），粘度低，泄漏倾向大，对密封系统要求更高。同时，压缩这些气体时温升更明显，需加强冷却。

氢气（H₂）：密度极小，极易泄漏，同时扩散性强。密封系统需专门设计，通常采用干气密封或高性能迷宫密封。防爆要求极高。

混合无毒工业气体：需明确各组分比例，计算平均分子量、比热比等参数，重新校核风机性能。

5.2 气体特性对风机性能的影响

输送不同气体时，风机性能转换基于以下相似原理：

流量相似：几何相似的风机，在相同转速和进口条件下，体积流量与气体种类无关。

压力相似：压力比（出口压力与进口压力之比）与气体种类无关，但压差（绝对压力差）与气体密度成正比。

功率相似：轴功率与气体密度成正比，与进口体积流量和压差的乘积成正比。

具体换算公式可简化为：新气体下的功率等于空气下的功率乘以新气体密度与空气密度的比值再乘以新气体绝热指数与空气绝热指数比值的函数。

温度影响：气体温度变化影响密度和粘度，进而影响风机性能。通常，温度升高导致密度降低，相同压差下质量流量减少，同时功率需求降低。

六、风机维护与修理要点

6.1 日常维护

振动监测：安装在线振动监测系统，实时监测轴承座振动速度或位移。振动值突然增加通常是故障前兆，可能的原因包括转子不平衡、对中不良、轴承磨损等。

温度监测：轴承温度、润滑油温度、电机绕组温度都需定期记录。轴承温度通常不超过85℃，温升不超过40℃。

润滑油管理：定期取样分析润滑油，检测粘度、水分、酸值、金属颗粒等指标。正常换油周期为4000-8000运行小时，但根据实际污染情况可调整。

密封检查：定期检查各密封点泄漏情况，迷宫密封的径向间隙应定期测量，磨损超过原始值50%需考虑更换。

6.2 定期检修

小修（每3-6个月）：检查紧固件状态，清理过滤器，检查联轴器对中，补充润滑油，检查密封系统。

中修（每年或运行8000小时）：包括小修内容，加检查轴承间隙，测量轴瓦磨损，检查叶轮磨损和积垢情况，清理流道，校准仪表。

大修（每3-5年或关键指标超标时）：全面解体检查，包括：主轴直线度检测、叶轮无损探伤、轴承箱检查、密封更换、转子重新动平衡、机组重新对中等。

6.3 常见故障处理

振动超标：最常见故障，可能原因及处理措施包括：转子积垢或磨损导致不平衡（清洗或重新平衡）；轴承磨损（更换轴瓦）；对中不良（重新对中）；基础松动（紧固基础螺栓）；共振（检查临界转速和支撑刚度）。

轴承温度高：可能原因：润滑油不足或污染（换油或补油）；轴承间隙不当（调整间隙）；冷却系统故障（检查冷却器）；负荷过大（检查系统阻力）。

性能下降：流量或压力达不到设计值，可能原因：密封磨损间隙过大（调整或更换密封）；叶轮磨损（修复或更换叶轮）；进口过滤器堵塞（清理过滤器）；转速下降（检查驱动系统）。

异常噪音：可能原因：喘振（调整工作点或安装防喘振阀）；轴承损坏（检查轴承）；异物进入（停机检查）；松动部件（检查所有紧固件）。

6.4 修理技术要点

叶轮修复：轻微磨损可进行堆焊修复，但需控制焊接热输入，防止变形，修复后必须重新动平衡。严重磨损或腐蚀需更换叶轮。

轴瓦更换：新轴瓦需进行刮研，确保接触面积达到75%以上，接触点分布均匀。轴承间隙需严格控制，通常为轴颈直径的千分之一点二到千分之一点八。

主轴修复：轴颈磨损可采用喷涂或电镀修复，但修复后需重新磨削至规定尺寸和粗糙度（通常Ra≤0.8μm）。

密封调整：迷宫密封间隙可通过修刮密封齿或调整密封环位置来调整，但需确保周向间隙均匀。

对中校正：采用双表法或激光对中仪进行精密对中，冷态对中需考虑运行时的热膨胀影响，通常预留一定的偏移量。

七、选型与安装注意事项

7.1 选型要点

工艺参数确认：明确所需质量流量或体积流量（需注明状态）、进口压力和温度、出口压力要求、气体成分等。对于稀土提纯工艺，还需考虑气体中可能的杂质含量。

安全系数：流量和压力通常增加5-10%的安全裕量，但不宜过大，以免风机长期在低效区运行。

驱动方式选择：S(Pr)1051-2.20通常采用电机通过增速齿轮箱驱动，也可考虑汽轮机或变频电机驱动以获得更好的调节性能。

配套设备：包括进口过滤器、消声器、柔性接头、止回阀、放空阀等，都需根据具体工况选择。

材料选择：根据气体腐蚀性、温度和压力选择合适材料，对于特殊气体如氧气，需采用专用材料。

7.2 安装要点

基础要求：混凝土基础质量至少为机组质量的3-5倍，且有足够的刚度防止共振。基础自然频率应避开工作转速的0.8-1.2倍范围。

管道布置：进口管道应尽可能直，长度至少为管径的5倍以上，避免急转弯。出口管道需设置支撑，防止重量作用在风机上。

对中精度：采用柔性联轴器时，对中精度要求：径向偏差不超过0.05mm，角度偏差不超过0.05/100mm。

润滑系统安装：油管路需彻底清洗，确保无杂质。首次启动前需进行油循环清洗，直至油样清洁度达到NAS 7级或更高。

试运行程序：首次启动需进行无负荷试运行（进口阀门关闭），逐步增加负荷至设计工况。试运行期间密切监测振动、温度、压力等参数。

八、结语

S(Pr)1051-2.20型单级高速双支撑加压风机作为轻稀土镨提纯工艺中的关键设备，其设计充分考虑了稀土冶炼的特殊工况要求。从高性能的转子设计到精密的轴承系统，从高效的密封方案到耐腐蚀的材料选择，每一个细节都体现了专用设备的工程智慧。

正确选型、规范安装、科学维护和及时修理是确保风机长期稳定运行的关键。随着稀土提纯技术的不断进步，对风机设备的要求也将不断提高，未来可能会出现更高效率、更智能控制、更耐腐蚀的新型风机，但基本原理和维护要点仍将延续本文所述的核心内容。

作为风机技术人员，我们需不断学习新知识，积累实践经验，才能更好地为稀土工业提供可靠的技术支持，助力我国稀土产业的高质量发展。