轻稀土提纯风机核心技术解析：以S(Pr)1174-1.53型单级高速双支撑加压风机为例

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轻稀土提纯风机核心技术解析：以S(Pr)1174-1.53型单级高速双支撑加压风机为例

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、铈组稀土、镨元素分离、S(Pr)1174-1.53离心鼓风机、风机配件、风机维修、工业气体输送、多级离心鼓风机、轴瓦、碳环密封

引言：风机技术在稀土分离工业中的核心地位

稀土，被誉为“现代工业的维生素”，其提纯与分离是获得高附加值功能材料的关键环节。在轻稀土（铈组稀土）矿的湿法冶金流程中，特别是针对镨（Pr）等单一元素的萃取分离、氧化焙烧等工序，需要大量稳定、纯净且参数精确的工业气体（如空气、氮气、氧气等）作为反应介质、保护气或输送动力。离心鼓风机作为提供这些气体的核心动力设备，其性能直接关系到生产线的效率、产品纯度及能耗水平。本文将从一线技术工程师的视角，深入剖析应用于镨提纯工艺的典型风机设备:S(Pr)1174-1.53型单级高速双支撑加压风机的基础知识，并系统阐述其关键配件、维修要点以及在不同工业气体输送中的应用考量。

第一部分：轻稀土提纯工艺对风机的特殊要求与风机型号谱系

轻稀土矿提纯是一个复杂的物理化学过程，涉及焙烧、萃取、沉淀、灼烧等多个单元操作。这些工序对配套风机提出了苛刻要求：

气体高纯净度要求：任何微量的油脂泄漏或密封不严导致的污染，都可能影响最终稀土产品的纯度。因此，风机密封系统的可靠性至关重要。 工况稳定性：萃取分离等过程要求气体压力与流量极度稳定，波动会扰乱化学平衡，降低分离效率。 介质多样性：流程中可能需要输送空气、惰性的氮气（N₂）、氩气（Ar）、助燃的氧气（O₂），甚至是具有还原性的氢气（H₂）等，风机材料必须兼容这些气体。 耐腐蚀性：尽管轻稀土流程腐蚀性相对弱于重稀土，但过程中可能产生的微量酸性蒸汽或湿气仍不容忽视。

为满足这些多元化需求，风机行业形成了专门针对稀土（以Pr为例）提纯的系列化产品，其型号解读以“S(Pr)1174-1.53”为例：

“S”：代表S系列，即单级高速双支撑加压风机。其特点是转子转速高，单级叶轮即可产生较高压升，结构紧凑，双支撑设计保证了转子在高速下的稳定性。 “(Pr)”：明确标注此风机系列设计适用于镨（Pr）元素相关的提纯工艺，意味着在材料选择、间隙控制、密封方式上进行了针对性优化。 “1174”：表示风机在设计工况下的进口体积流量为每分钟1174立方米。这是选型的核心参数之一。 “-1.53”：表示风机的出口绝对压力为1.53个大气压（即表压约为0.053MPa）。此压力值是根据镨提纯流程中特定设备（如氧化炉、气流输送系统）的阻力精确计算确定的。 进风口压力：型号中未出现“/”符号，表示默认进风口压力为1个标准大气压（绝压）。若进口气体来自前一级设备或有增压要求，则会以“/”后接数字表示，如“S(Pr)1174/1.1-1.53”表示进口压力为1.1个大气压。

完整的离心鼓风机型号谱系还包括：

“C(Pr)”型系列多级离心鼓风机：通过多个叶轮串联，适用于中高压力、大流量的气体输送场景，如大规模供风系统。 “CF(Pr)”与“CJ(Pr)”型系列专用浮选离心鼓风机：专门为稀土矿浮选工序设计，注重流量调节范围和抗泡沫能力。 “D(Pr)”型系列高速高压多级离心鼓风机：融合了多级增压和高速技术，用于对压力要求极高的特殊反应或输送环节。 “AI(Pr)”型系列单级悬臂加压风机：结构简单，维护方便，适用于中低压、中小流量的工况。 “AII(Pr)”型系列单级双支撑加压风机：与S系列相比，通常转速略低，适用于对稳定性要求高但压比需求稍低的场合。

第二部分：S(Pr)1174-1.53型风机核心结构与配件详解

该型号风机作为高速精密设备，其性能依赖于各核心配件的协同工作。

1. 动力核心：风机主轴与转子总成

主轴：通常采用高强度合金钢（如40CrNiMoA）整体锻制，经过调质热处理和精密磨削，具有极高的强度、韧性和同轴度。它承载着叶轮产生的所有扭矩和轴向力，其临界转速必须远高于工作转速，以避免共振。 转子总成：由主轴、叶轮、平衡盘（如有）、联轴器部件等组成一个高速旋转的动力学整体。叶轮是心脏部件，为三元后弯式设计，采用不锈钢或钛合金材料，经五坐标机床精密加工和动平衡校正。转子总成在装配后需进行高速动平衡，确保在工作转速下残余不平衡量极小，这是风机长期平稳运行的根本。

2. 支撑与润滑关键：轴承箱与轴瓦

轴承箱：是容纳轴承和润滑系统的铸铁或铸钢部件，要求有足够的刚性和散热性能。内部油路设计确保润滑油能均匀、稳定地供应到轴承部位。轴瓦：S系列风机通常采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承。其优势在于承载能力大、阻尼性能好、运行平稳、噪音低。轴瓦材料多为巴氏合金（锡基合金），内表面开有油槽。润滑油在轴旋转时形成稳定的动压油膜，将转子“托起”，实现非接触式旋转，摩擦和磨损极小。润滑油的压力、温度和清洁度是轴瓦寿命的决定性因素。

3. 密封系统生命线：气封、油封与碳环密封
密封系统是防止气体泄漏和润滑油污染的核心，在输送昂贵或危险工业气体时尤为重要。

气封与油封：在轴承箱靠近叶轮的一侧，通常设置迷宫密封（气封）与骨架油封的组合。迷宫密封通过一系列节流间隙和膨胀空腔，有效降低气体向轴承箱的泄漏量。骨架油封则主要防止润滑油沿轴向外泄。 碳环密封：在输送氢气、氮气等特殊气体或要求零泄漏的场合，S(Pr)系列风机常采用先进的碳环密封作为主密封。它由多个预紧的碳环组成，在弹簧力和气体压力作用下，碳环内孔与轴表面形成极窄的稳定间隙，实现微泄漏甚至零泄漏。碳环具有自润滑、耐高温、适应轴少量窜动的优点，是高端工艺风机的标准配置。

4. 其他关键配件

增速齿轮箱（如有）：若电机转速无法直接达到风机工作转速，需配置增速齿轮箱。其齿轮精度要求极高，采用渗碳淬火磨齿工艺，确保传动平稳高效。 润滑系统：包括主油泵、辅助油泵、油冷却器、过滤器、油箱及全套监控仪表（压力、温度、流量），为轴承和齿轮提供持续、洁净、温度适宜的润滑油。 进出口膨胀节与消声器：补偿管路热膨胀，降低气流脉动和噪声。

第三部分：S(Pr)1174-1.53型风机的维护与修理要点

预防性维护和精准修理是保障风机长周期、稳定运行的关键。

1. 日常巡检与监测

振动监测：使用振动分析仪定期检测轴承座各方向的振动速度或位移值。振动异常增大往往是转子不平衡、对中不良、轴承磨损或喘振的先兆。 温度监测：重点关注轴承温度、润滑油进回油温度。轴承温度突然升高可能与润滑不良、负载过高或磨损有关。 性能监测：记录进气压力、排气压力、流量、电流等参数，与设计曲线对比，效率下降可能暗示内部流道结垢或密封间隙磨损增大。

2. 常见故障分析与修理

振动超标：原因：转子积垢（输送气体不纯导致）、叶轮磨损、动平衡破坏、联轴器对中偏移、基础松动、轴瓦磨损或油膜涡动。修理：停机后，首先重新校验联轴器对中。若无效，则需吊出转子总成，进行清洁、检查和无损探伤。叶轮需重新进行高速动平衡校正。检查轴瓦，测量间隙，若超过允许值（通常为轴颈直径的千分之一点二至千分之一点五），需刮研或更换新瓦。 轴承温度高：原因：润滑油量不足、油质劣化、冷却器效率下降、轴瓦刮研不良导致接触面积不够或油槽不合理、轴向力过大（平衡盘或密封失效）。修理：检查润滑系统，更换合格润滑油，清洗冷却器。检查轴瓦接触斑点，必要时重新刮研。检查平衡气管是否畅通，复核转子轴向力。 气体泄漏或润滑油污染：原因：碳环密封或迷宫密封磨损、O形圈老化、密封气（若是干气密封）压力不稳。修理：停机更换磨损的碳环密封组件或迷宫密封齿。检查所有静密封点。对于碳环密封，必须检查密封腔和轴的表面光洁度。 风量或压力不足：原因：进口过滤器堵塞、叶轮流道腐蚀或结垢、密封间隙过大导致内泄漏严重、转速下降（皮带打滑或电机问题）。修理：清洗滤网和叶轮，测量并调整密封间隙（如迷宫密封齿顶间隙），检查驱动系统。

修理后的关键步骤：任何大修后，必须严格按照规程进行单机试车，逐步升速至工作转速，密切监测所有参数，并进行至少4小时的连续运行考核，确认一切正常后方可投入工艺联调。

第四部分：面向多种工业气体输送的风机设计考量

如前所述，稀土提纯流程涉及多种气体，风机设计需随之调整：

输送介质物性影响：风机的压头（能量头）与气体分子量大致成正比，与进口状态下的气体常数成反比。例如，输送氢气（H₂，分子量2）时，由于其密度极低，要达到相同的压比，所需叶轮做功（压头）远高于空气，但轴功率可能因质量流量小而降低。反之，输送二氧化碳（CO₂，分子量44）时，密度大，需注意电机功率是否足够。 材料兼容性： 氧气（O₂）：严禁油脂，所有通流部件需进行严格的脱脂处理，材料宜选用铜合金或不锈钢，并控制流速以防燃爆。 氢气（H₂）：防止氢气渗入轴承箱，密封必须极其可靠（首选干气密封或高性能碳环密封）。壳体需考虑防爆泄压。 腐蚀性气体（如含湿氯气、酸性烟气）：过流部件需采用超级双相不锈钢、哈氏合金或进行特氟龙涂层处理。 密封特殊要求：对于氦气（He）、氖气（Ne）等贵重或易泄漏的惰性气体，以及所有混合无毒工业气体，均要求极低的泄漏率。此时，采用带缓冲气的串联式干气密封或高性能碳环密封系统成为标配，有时甚至需要设置泄漏气体回收装置。 热力学效应：对于氮气、氩气等，压缩过程接近等温线，温升可控。但对于高压比工况，仍需计算出口温度，确保材料能承受。

选型与配套：为特定气体和工艺选配风机时，必须提供准确的气体组分、进口温度、压力、所需流量和出口压力。制造商将根据气体的实际物性重新计算性能曲线，并确定合适的材料、密封和冷却方案。例如，为跳汰机配套的空气风机“S(Pr)800-2.4”，其压力2.4个大气压就是与跳汰机所需风压精确匹配的结果。

结语

在轻稀土，尤其是镨元素的高端提纯领域，离心鼓风机已不再是简单的通用动力设备，而是深度融合了特定工艺要求的高精度、高可靠性关键装备。深入理解如S(Pr)1174-1.53这类专用风机的型号含义、核心配件原理、维护修理技术以及适应不同工业气体的设计变通，是保障生产线稳定高效运行、提升产品竞争力、实现安全生产与节能降耗的基石。作为一线技术工作者，我们应不断深化对设备“脾性”的掌握，做到精准操作、精细维护、精明改造，让这些“工业心脏”在稀土强国之路上澎湃跳动。

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