轻稀土提纯风机技术解析：以S(Pr)1821-2.30型离心鼓风机为核心

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轻稀土提纯风机技术解析：以S(Pr)1821-2.30型离心鼓风机为核心

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯、离心鼓风机、风机型号解析、风机配件、风机维修、工业气体输送、风机选型、稀土分离技术

一、引言：稀土提纯工艺中的风机技术

稀土作为国家战略资源，其提纯工艺的技术水平直接关系到资源利用效率和产品质量。在轻稀土（铈组稀土）特别是镨（Pr）的提纯过程中，离心鼓风机作为核心动力设备，承担着气体输送、气氛控制、压力调节等关键任务。我国稀土工业经过数十年发展，已形成了一套完整的风机技术体系，针对不同工艺环节开发了多系列专用设备。本文将深入探讨轻稀土提纯用离心鼓风机的基础知识，重点解析S(Pr)1821-2.30型风机的技术特点，并系统介绍风机配件、维修保养及工业气体输送的专业知识，为行业技术人员提供参考。

二、稀土提纯风机系列概述与选型原则

在轻稀土提纯流程中，不同工艺阶段对风机的性能要求各不相同。目前行业内主要应用的鼓风机系列包括：

“C(Pr)”型系列多级离心鼓风机：采用多级叶轮串联设计，适用于中等流量、较高压力的工艺环节，如氧化焙烧后的气体输送。 “CF(Pr)”与“CJ(Pr)”型系列专用浮选离心鼓风机：专门针对稀土浮选工艺开发，具有气量调节范围宽、压力稳定特点，确保浮选槽内气泡均匀分布。 “D(Pr)”型系列高速高压多级离心鼓风机：采用齿轮增速技术，转速可达15000-30000转/分钟，适用于高压、小流量的气体压缩环节。 “AI(Pr)”型系列单级悬臂加压风机：结构紧凑，维护方便，常用于辅助工艺的气体供应。 “AII(Pr)”型系列单级双支撑加压风机：转子两端支撑，运行稳定性高，适用于连续生产的关键环节。 “S(Pr)”型系列单级高速双支撑加压风机：本文重点机型，结合了高速与双支撑的优点，在轻稀土提纯的加压分离环节发挥关键作用。

选型基本原则：风机的选型需综合考虑气体性质（密度、腐蚀性、洁净度）、工艺参数（流量、压力、温度）、运行环境（海拔、湿度）及能耗指标。对于轻稀土提纯，还需特别考虑气体中可能含有的微量化学物质对风机材料的腐蚀影响。

三、S(Pr)1821-2.30型风机技术深度解析

3.1 型号规格解读

“S(Pr)1821-2.30”这一完整型号编码蕴含了丰富的技术信息：

“S”：代表单级高速双支撑加压风机系列。单级指只有一个叶轮级；高速指工作转速通常在8000-15000转/分钟范围；双支撑指转子两端均有轴承支撑，这种结构比悬臂式具有更好的动平衡性和抗振能力。 “(Pr)”：表示该风机专为镨（Pr）及其伴生轻稀土的提纯工艺优化设计。这意味着风机的材料选择、密封配置和运行参数都针对镨提纯过程中的气体环境和工艺特点进行了针对性调整。 “1821”：这是风机的主要尺寸参数。在离心风机行业中，通常前两位数字“18”代表风机进口直径的近似值（单位为分米），即进口直径约1800毫米；后两位数字“21”代表叶轮外径的近似值，约2100毫米。这一尺寸组合决定了风机的基本流通能力和性能范围。 “2.30”：表示风机在设计工况下的出口绝对压力为2.30个大气压（约233.4kPa）。需要注意的是，这里没有出现“/”符号，根据行业标注规范，这表示风机的进口压力为标准大气压（1个大气压）。因此，该风机的实际压升为1.30个大气压。

3.2 设计参数与性能特点

S(Pr)1821-2.30型风机是专为轻稀土提纯中的加压分离工序设计的。该工序通常要求风机提供稳定、连续且具有一定压力的气体，以维持分离设备的正常工作条件。

流量特性：根据型号推算及行业标准，该风机的设计流量在1800-2200立方米/分钟范围内可调，具体取决于系统阻力和转速调节。这一流量范围能够满足中型稀土提纯生产线对气体供应的需求。

压力特性：出口压力2.30个大气压的设计，是针对镨分离过程中的最佳压力参数确定的。压力过高可能导致设备泄漏风险增加和能耗上升，压力过低则会影响分离效率。风机性能曲线呈抛物线特征，即流量增加时压力逐渐降低，这一特性需要在系统设计时充分考虑。

转速与功率：作为高速风机，S(Pr)1821-2.30通常采用电动机+增速齿轮箱的驱动方式，工作转速可达10000转/分钟以上。配套电机功率根据具体工况计算确定，一般遵循“功率等于流量乘以压升再除以风机效率”的基本关系式。高效率设计是该型号的突出特点，全压效率通常可达82%-86%。

气体适应性：虽然型号中标明为Pr专用，但该风机经过适当调整可适用于多种工业气体，包括空气、氮气、氩气等惰性气体。输送不同气体时，风机的性能会发生变化，主要与气体密度有关，遵循“风机产生的压力与气体密度成正比，所需功率也与气体密度成正比”的基本规律。

四、风机核心配件详解

4.1 风机主轴

主轴是风机的“脊梁”，承担着传递扭矩、支撑转子的关键作用。S(Pr)1821-2.30型风机的主轴采用高强度合金钢（如42CrMo）整体锻造，经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：

刚度与临界转速：主轴必须有足够的刚度，确保一阶临界转速高于工作转速的125%，避免共振。计算临界转速时需考虑支撑刚度、转子质量分布等因素。 精度要求：主轴各段轴颈的圆度、圆柱度误差需控制在0.005毫米以内，表面粗糙度Ra≤0.4μm，确保与轴承的良好配合。 防腐处理：针对稀土提纯环境中可能存在的腐蚀性介质，主轴表面通常进行镀铬或喷涂陶瓷等防腐处理。

4.2 风机轴承与轴瓦

S(Pr)1821-2.30型风机采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承，这是由高速重载的工作条件决定的。滑动轴承具有承载力大、抗振性好、寿命长等优点。

轴瓦材料：通常采用锡基巴氏合金（如ChSnSb11-6）作为衬层材料，这种材料具有良好的嵌入性、顺应性和抗咬合性。巴氏合金层厚度一般为1-3毫米，浇铸在钢背瓦体上。

润滑系统：风机配备强制循环润滑系统，油压通常维持在0.15-0.25MPa。润滑油不仅起润滑作用，还承担着冷却轴承、带走杂质的功能。润滑油路设计需确保每个轴瓦都有充足的油量供应。

轴承间隙控制：轴瓦与轴颈之间的径向间隙是关键技术参数，一般控制在轴颈直径的0.12%-0.15%范围内。间隙过大会导致振动加剧，间隙过小则可能引起发热甚至烧瓦。

4.3 风机转子总成

转子总成是风机的“心脏”，由叶轮、主轴、平衡盘、联轴器等部件组成。

叶轮设计：S(Pr)1821-2.30型风机的叶轮采用后弯式叶片设计，叶片数通常为12-16片。这种设计效率高、性能曲线平坦。叶轮材料根据输送气体性质选择，对于腐蚀性较强的介质，可采用不锈钢（如304、316L）或钛合金制造。

动平衡要求：高速转子的动平衡至关重要。转子总成需进行精确的动平衡校正，平衡精度通常要求达到G2.5级（根据ISO1940标准），即在工作转速下，转子重心偏移量不超过2.5毫米/秒。

连接方式：叶轮与主轴采用过盈配合加键连接，过盈量需精确计算以确保在高速旋转下不会松动。现代设计也常采用液压装配技术，实现更精确的过盈控制。

4.4 密封系统

密封系统直接影响风机效率和运行安全性，S(Pr)1821-2.30型风机采用多重密封组合：

气封：安装在机壳与转子之间，减少气体从高压侧向低压侧的泄漏。常用迷宫密封结构，密封齿与轴之间的径向间隙一般控制在0.3-0.5毫米。

油封：防止润滑油从轴承箱泄漏，同时阻止外部杂质进入。常用骨架油封或机械密封，根据轴颈线速度选择合适的密封形式。

碳环密封：在输送特殊气体（如氢气、氦气等小分子气体）时采用的高性能密封形式。碳环由多个弧形碳块组成，在弹簧力作用下紧贴轴表面，形成动态密封。碳环密封的优点是磨损小、寿命长，且对轴表面的损伤小。

4.5 轴承箱与机壳

轴承箱：不仅支撑轴承，还形成润滑油腔。设计需确保足够的刚度和散热面积。轴承箱通常设置测温点（铂热电阻）和振动监测点，实现运行状态的实时监控。

机壳：采用铸铁或铸钢制造，分为上下两半，便于检修。机壳内部流道型线经CFD优化，减少气体流动损失。对于腐蚀性气体，机壳内壁可衬防腐材料或采用整体不锈钢铸造。

五、风机维修与保养专业指南

5.1 日常维护要点

振动监测：每日记录风机轴承部位的振动值，水平、垂直、轴向三个方向的振动速度有效值均应小于4.5毫米/秒（根据ISO10816标准）。振动异常增大往往是故障前兆。 温度监控：轴承温度不得超过75℃，润滑油回油温度不超过65℃。温度异常升高可能表示润滑不良或轴承磨损。 润滑油管理：定期检查油位、油质，每3-6个月取样化验一次。润滑油含水量应低于0.05%，机械杂质含量低于0.01%。根据化验结果确定换油周期，通常为8000-12000运行小时。 密封检查：观察气封、油封是否有泄漏迹象，轻微泄漏可调整，严重泄漏需停机更换。

5.2 定期检修内容

月度检查：清理进气过滤器，检查联轴器对中情况（径向偏差应小于0.05毫米，角向偏差小于0.02毫米/100毫米），紧固地脚螺栓。

年度小修：更换润滑油和滤芯，检查密封件磨损情况，测量轴瓦间隙，检查叶轮积垢情况并进行清理。

大修周期：每3-5年或运行24000-40000小时后进行大修，内容包括：

全面拆卸风机，清洗所有部件检查主轴直线度（全长弯曲度不超过0.03毫米）测量轴瓦磨损量，巴氏合金层剩余厚度不足0.5毫米时应重新浇铸检查叶轮叶片磨损、腐蚀情况，必要时进行修复或更换转子重新进行动平衡校正更换所有密封件重新组装后，进行4小时以上的试运行，监测各项参数

5.3 常见故障处理

振动超标：可能原因包括转子不平衡、轴承磨损、对中不良、基础松动等。处理方法：首先检查对中和基础紧固情况；若无改善，需停机检查转子和轴承。

轴承温度高：可能原因包括润滑油不足或变质、冷却系统故障、轴承间隙过小、负载过大等。处理方法：检查油系统和冷却系统；若仍无效，需检查轴承状况。

风量不足：可能原因包括进口过滤器堵塞、密封间隙过大、转速下降、系统阻力增加等。处理方法：检查过滤器和系统管道；测量实际转速；检查密封状况。

异常噪音：可能原因包括轴承损坏、转子与静止件摩擦、喘振等。喘振是离心风机的危险工况，发生时需立即调整操作参数（如打开旁通阀），使风机脱离喘振区。

六、工业气体输送的技术要点

轻稀土提纯过程中涉及多种工业气体的输送，不同气体对风机的要求各不相同：

6.1 气体性质与风机适应性

空气：最常用的介质，风机设计基准。S(Pr)1821-2.30型风机最初就是以空气为介质设计的。

工业烟气：通常含有粉尘和腐蚀性成分。输送此类气体时需在风机进口加装高效过滤器，风机内部通流部件需采用耐腐蚀材料或增加防腐涂层。

二氧化碳(CO₂)：密度大于空气（约1.5倍），输送时风机的压力能力不变，但所需功率按密度比例增加。需注意CO₂在高浓度下的窒息风险，要求密封更可靠。

氮气(N₂)、氩气(Ar)：惰性气体，化学性质稳定，主要考虑其密度与空气的差异对性能的影响。N₂密度略小于空气，Ar密度大于空气。

氧气(O₂)：强氧化性气体，要求风机内部绝对无油，所有密封材料必须采用耐氧化材料（如聚四氟乙烯），严禁使用普通润滑油。

氢气(H₂)：密度极小（仅为空气的1/14），极易泄漏。输送氢气需采用特殊密封（如碳环密封），电机需防爆设计，所有电气设备需符合防爆要求。

氦气(He)、氖气(Ne)：稀有气体，价格昂贵，要求风机泄漏率极低。通常采用双端面干气密封等特殊密封形式。

6.2 不同气体的性能换算

当风机输送不同于设计介质的气体时，性能参数需进行换算：

流量换算：风机的容积流量基本不变（不考虑气体可压缩性时） 压力换算：风机产生的压力与气体密度成正比 功率换算：风机所需功率与气体密度成正比

具体换算公式为：实际压力等于设计压力乘以实际气体密度再除以设计气体密度；实际功率等于设计功率乘以实际气体密度再除以设计气体密度。

6.3 安全注意事项

爆炸性气体：输送氢气、一氧化碳等爆炸性气体时，风机需整体防爆设计，包括电机、仪表等所有电气部件。 毒性气体：输送有毒气体时，风机房需设置气体泄漏监测报警系统，风机密封等级需提高。 高压气体：输送高压气体时，风机机壳需按压力容器标准设计制造，定期进行无损检测。 低温气体：输送低温气体时，需考虑材料冷脆问题，通常选用奥氏体不锈钢等低温材料。

七、结语：技术创新与展望

随着稀土提纯技术的不断发展，对风机设备也提出了更高要求。未来轻稀土提纯风机的发展趋势将集中在以下几个方面：

智能化：集成振动监测、温度监测、性能分析等智能传感器，实现预测性维护和远程故障诊断。 高效化：通过CFD优化叶轮流道、改进密封技术等手段，将风机效率提升至90%以上。 材料创新：开发耐腐蚀、耐磨损的新型复合材料，延长风机在恶劣环境下的使用寿命。 定制化设计：针对特定稀土元素提纯工艺，开发更专业的定制化风机，如专门用于镨钕分离的高精度压力控制风机。

S(Pr)1821-2.30型风机作为当前轻稀土提纯的成熟设备，其设计理念和技术特点代表了行业的先进水平。深入理解该风机的结构原理、维护要点和气体适应性，对于保障稀土生产线的稳定运行、提高资源利用率具有重要意义。作为风机技术专业人员，我们应不断学习新技术、新工艺，推动我国稀土装备技术持续进步，为稀土产业的发展贡献力量。

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