轻稀土提纯风机技术详解：以S(Pr)1622-2.21型离心鼓风机为核心

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轻稀土提纯风机技术详解：以S(Pr)1622-2.21型离心鼓风机为核心

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯风机，S(Pr)1622-2.21离心鼓风机，稀土矿提纯设备，风机配件，风机修理，工业气体输送，铈组稀土分离，多级离心鼓风机

一、轻稀土提纯工艺与风机技术概述

在稀土矿产资源开发领域，轻稀土（铈组稀土）的提纯分离是关键技术环节。镨（Pr）作为轻稀土家族中的重要成员，在永磁材料、陶瓷颜料、催化剂等领域具有不可替代的应用价值。镨的提纯过程通常涉及化学分离、萃取、结晶等多个工序，而其中气体输送与加压环节对提纯效率、能耗控制和产品质量有着直接影响。

离心鼓风机作为稀土提纯生产线的核心动力设备，承担着为各分离工序提供稳定气流、维持系统压力、输送工艺气体等重要职能。与通用风机不同，稀土提纯专用风机需满足特殊工艺要求：气体介质可能具有腐蚀性、工艺对压力稳定性要求极高、需要适应多气体介质切换、且必须保证长期连续运行的可靠性。

我国稀土提纯行业经过数十年的技术积累，已形成了一系列专用风机产品体系，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。这些风机可根据工艺需求输送多种工业气体，如空气、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。

本文将重点围绕轻稀土镨提纯工艺中广泛应用的S(Pr)1622-2.21型单级高速双支撑加压风机，深入解析其技术特性、配件组成、维护修理要点，并扩展讨论工业气体输送风机的选型与应用。

二、S(Pr)1622-2.21型单级高速双支撑加压风机详解

2.1 型号解读与技术参数

风机型号“S(Pr)1622-2.21”遵循行业标准命名规则，各字段含义如下：

“S”：代表S系列单级高速双支撑加压风机，该系列特点是采用单级叶轮设计，转速高，结构紧凑，双支撑结构确保了转子系统的稳定性。 “Pr”：表示该风机专为镨（Pr）提纯工艺优化设计，在材料选择、密封形式、耐腐蚀性能等方面针对镨分离过程的特殊要求进行了专门适配。 “1622”：此四位数编码包含关键性能参数。根据行业惯例，前两位“16”通常表示叶轮直径或风机规格代码，后两位“22”可能与设计序号或改型版本相关。具体尺寸参数需参考制造商技术手册，但这一编码确保了该型号风机的唯一性和可追溯性。 “-2.21”：表示风机出口压力为2.21个大气压（表压）。这里需要特别强调的是，型号中未使用“/”符号分隔进、出口压力参数，依据命名规则，这表示风机进口压力为标准大气压（1个大气压，绝对压力）。因此，该风机的工作压升为1.21个大气压。

作为对比，参考型号“S(Pr)800-2.4”的解释是：“S”表示S系列单级高速双支撑加压风机；“800”代表风机在设计工况下的流量为每分钟800立方米；“-2.4”表示出风口压力为2.4个大气压。该型号风机在选型时，是基于输送空气介质并与跳汰机配套的工况确定的。

对于S(Pr)1622-2.21风机，其核心性能参数（基于典型设计）可概括为：

流量范围：根据具体转速和系统调节，通常在每分钟1200-1800立方米区间内可调，最佳效率点流量约在每分钟1620立方米附近。 工作压力：出口压力2.21 atm（绝对压力约3.21 bar），压比约为2.21。转速：采用高速设计，工作转速一般在8000-12000 rpm范围，具体取决于驱动方式和齿轮箱配置。 驱动功率：配套电机功率通常在220-315 kW之间，取决于实际运行工况点。 适用气体：除标准空气外，可针对氮气、氩气等惰性保护气体，或特定工艺阶段的混合工业气体进行优化。

2.2 结构特点与工作原理

S(Pr)1622-2.21型风机采用单级离心式设计，其核心工作原理是：驱动电机通过高速齿轮箱（或直联驱动）带动主轴及叶轮高速旋转，气体从轴向进入进气室，经导流器引导后进入高速旋转的叶轮。在离心力作用下，气体被甩向叶轮外缘，速度和压力同时增加。随后，高动能气体进入扩压器，将动能进一步转化为压力能，最后经蜗壳收集后从出口排出。

双支撑结构是该型号的核心优势之一。与悬臂式结构（如AI(Pr)系列）相比，双支撑意味着转子的两端均有轴承支撑。这种布局极大地提高了转子系统的刚性，降低了轴挠度，使得风机能够：

实现更高的运行转速，从而在单级叶轮下获得更高的压升。减少振动，提高运行平稳性，延长机械密封和轴承寿命。允许更小的叶轮与机壳间隙，提高容积效率。增强了对工艺波动（如压力脉动）的抵抗能力，更适合于要求压力稳定的稀土提纯工艺。

高速设计是实现单级高压比的关键。通过提高叶轮周向速度（叶轮外缘线速度），气体在单级叶轮中获得的能量头显著增加。能量头与叶轮圆周速度的平方成正比，这是离心式风机的基本原理。高速化带来的挑战包括转子动力学问题、轴承发热和润滑、以及高应力下的叶轮强度，这些都需要通过精密的转子平衡、专用的高速轴承和优化的叶轮材料来解决。

加压能力体现在“-2.21”的压力参数上。该压力水平能够满足镨提纯过程中多个环节的需求，例如：

为气流输送系统提供动力，克服管道、阀门和反应器的阻力。为气动控制系统提供稳定气源。在某些萃取或吹脱工艺中，提供特定压力的气体介质。

2.3 针对镨提纯的专项优化

为适应镨提纯的严苛环境，S(Pr)1622-2.21在标准S系列基础上进行了多项优化：

材料升级：与气体接触的过流部件（如叶轮、蜗壳、进气室）根据可能接触的介质（如含微量酸性组分的工艺气体）选用更耐腐蚀的不锈钢（如316L）或进行表面防腐处理。 密封强化：特别注重气封和油封的设计，防止工艺气体泄漏污染环境，也防止外部空气进入影响提纯工艺（尤其是需要惰性气体保护的环节）。碳环密封因其自润滑、耐高温和良好的追随性，在此类应用中表现出色。 清洁度控制：内部结构设计便于清洁，减少死角，防止不同批次提纯工艺间的交叉污染。 稳定性设计：针对连续生产的特点，轴承、润滑等系统采用高可靠性设计，确保长周期稳定运行，减少非计划停机。

三、风机核心配件详解

S(Pr)1622-2.21型风机的可靠运行离不开其高质量的核心配件。以下对关键配件进行详细说明：

3.1 风机主轴

主轴是传递扭矩、支撑转子的核心部件。它通常采用高强度合金钢（如42CrMo）锻造而成，经过调质热处理以获得优良的综合机械性能。主轴的设计需精确计算临界转速，确保工作转速远离各阶临界转速，避免共振。与轴承、叶轮配合的轴颈部位需要极高的尺寸精度、形位公差和表面光洁度（通常达到Ra0.4以上），并进行表面淬火或氮化处理以增加耐磨性。主轴的动平衡精度直接影响到整机的振动水平，出厂前需进行高速动平衡校正。

3.2 风机轴承与轴瓦

S(Pr)1622-2.21通常采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承来应对高速重载工况。滑动轴承具有承载能力大、阻尼性能好、寿命长的优点。

轴瓦材料：常采用巴氏合金（白合金）衬层，这种材料具有良好的嵌入性和顺应性，能容忍少量的杂质或对中误差，是高速旋转机械的经典选择。瓦背通常为低碳钢。 轴承结构：多为水平剖分式椭圆瓦或可倾瓦。可倾瓦轴承由多个独立摆动的瓦块组成，能形成最佳油膜，稳定性极佳，能有效抑制油膜振荡，特别适用于高速风机。 润滑系统：配备独立的强制循环油站，为轴承提供持续、清洁、温度恒定的压力润滑油。油系统通常包括主辅油泵、冷却器、过滤器、蓄能器和严密的监控仪表（温度、压力、流量）。

3.3 风机转子总成

转子总成是风机做功的核心组件，包括主轴、叶轮、平衡盘（如有）、联轴器部件等。

叶轮：采用三元流设计或高效率的后弯式叶片设计，材料多为高强度铝合金或不锈钢，通过五轴数控加工中心精密铣制而成，或采用焊接工艺（不锈钢叶轮）。叶轮需进行超速试验（通常超过最大工作转速的115%）以确保其强度。每个叶轮出厂前都经过严格的动平衡，达到G2.5或更高等级。 平衡盘：在多级风机中常见，用于平衡轴向力。在单级S型风机中，轴向力通常由推力轴承承担，但精密的转子设计仍会考虑力的平衡。

3.4 密封系统

密封系统是防止介质泄漏、保证工艺纯度和安全的关键。

气封（级间密封与轴端密封）：通常采用迷宫密封。在高速旋转轴上安装一系列齿片，与静止件上的蜂窝结构或密封齿形成微小曲折间隙，极大增加泄漏阻力。迷宫密封非接触、无磨损、寿命长。 碳环密封：在要求更高的场合使用。由多个碳环组成，在弹簧力作用下轻贴于轴套表面，形成接触式密封。碳环具有自润滑性，摩擦发热小，能适应一定的轴跳动。它比迷宫密封的泄漏量小得多，常用于防止危险或有价值气体泄漏，或防止润滑油进入气侧。油封：位于轴承箱两端，用于防止润滑油沿轴泄漏。通常采用唇形密封或机械密封。

3.5 轴承箱与机壳

轴承箱：为轴承提供刚性支撑和密封环境，内部有合理的油路设计。箱体通常为铸铁或铸钢件，结构需有足够的刚性以抑制振动。 机壳（蜗壳与进气室）：收集从叶轮出来的气体并将动能转化为压力能。设计时需优化型线以减少流动损失和噪声。针对不同气体，机壳材料可能选用铸铁、碳钢或不锈钢。

四、风机维护、常见故障与修理

定期的维护和正确的修理是保障S(Pr)1622-2.21风机长周期安全运行的基础。

4.1 日常维护要点

振动与温度监测：每日记录轴承振动值（速度或位移）和轴承温度、润滑油温度。趋势性上升往往是故障的早期征兆。 润滑油管理：定期检查油位、油压、油温。按规程取样化验润滑油，监测水分、粘度、酸值和金属颗粒含量。一般每运行4000-8000小时或每年更换一次润滑油。 密封检查：观察气封、油封有无泄漏迹象。碳环密封需检查磨损情况。 过滤器清洁：定期清洗或更换进气和润滑油过滤器。 螺栓紧固：检查主要连接螺栓（地脚、轴承箱、管道法兰）的紧固状态。

4.2 常见故障分析与处理

振动超标 原因：转子不平衡（结垢、叶片磨损）、对中不良、轴承磨损、基础松动、进入喘振区。处理：停车检查，清洁或修复叶轮，重新动平衡；重新对中；更换轴承；紧固地脚；调整操作点，避开喘振区。 轴承温度高 原因：润滑油不足或变质；冷却器效率下降；轴承间隙不当；负载过大。处理：检查油系统，换油；清洗冷却器；调整或更换轴承；检查系统阻力是否异常。 性能下降（压力或流量不足） 原因：进口过滤器堵塞；密封间隙过大导致内泄漏增加；叶轮腐蚀或磨损；转速下降。处理：清洗过滤器；调整或更换密封件；修复或更换叶轮；检查驱动系统。 异常噪声 原因：喘振（低沉轰鸣）；叶片与静止件摩擦（高频刮擦声）；轴承损坏（冲击或连续高频声）。处理：立即调整工况脱离喘振；停车检查内部间隙；检查轴承。

4.3 大修与关键部件修理

风机通常每运行2-3年或根据状态监测结果安排一次大修。

拆卸与检查：按规程顺序拆卸，记录原始数据（如对中数据、间隙数据）。重点检查：叶轮有无裂纹、磨损、腐蚀；主轴颈有无拉伤；轴瓦巴氏合金层有无剥落、磨损、烧毁；迷宫密封齿有无磨损；碳环磨损厚度；所有O型圈和垫片状态。 转子检修：若叶轮有均匀腐蚀或磨损，可考虑现场动平衡补偿。若有不均匀损伤或裂纹，需返厂修复或更换。主轴颈轻微拉伤可用油石打磨，严重者需磨削处理并配相应尺寸轴瓦。 轴承与密封更换：轴瓦间隙超过设计值1.5倍时应更换。更换轴瓦需刮研，保证接触面积和顶部间隙。碳环密封磨损至规定最小厚度必须更换。所有密封件在大修时建议全部更新。 对中与复位：大修后重新进行精细对中，要求联轴器对中误差（偏移、张口）在0.03mm以内。恢复所有径向和轴向间隙至设计值。 试运行：大修后必须先进行低速跑合，然后逐步升速至额定工况，并全面监测振动、温度、性能参数。

五、工业气体输送风机的选型与应用扩展

稀土提纯过程中，除了空气，常常涉及多种特种工业气体的输送，这对风机提出了更特殊的要求。

5.1 不同气体介质的选型考量

针对S(Pr)系列及其他系列风机，输送不同气体时需重点考虑：

气体密度：风机的压力与气体密度成正比，功率与气体密度成正比。输送氢气（密度极小）时，风机产生的压升很小，需特殊设计；输送二氧化碳（密度大）时，需校核电机功率是否足够。 腐蚀性：如输送含湿氯气、二氧化硫等，过流部件需选用哈氏合金、钛材等特殊材料或进行内衬防腐处理。 危险性：输送氧气时，需绝对禁油，所有部件需进行脱脂处理，轴承采用特殊润滑脂或采用磁悬浮等无油技术。输送氢气时，需极严密的密封防止泄漏爆炸。 纯度要求：输送高纯气体（如电子级氩气）时，风机内部需高度抛光，采用无油润滑，防止污染。温度：输送高温烟气时，需考虑材料的热强度、热膨胀差异，以及冷却措施。

5.2 各系列风机在气体输送中的定位

C(Pr)/D(Pr)多级系列：适用于需要较高压比（如超过3）的工艺，通过多个叶轮串联实现。结构相对复杂，但效率高，适用于压缩比要求高的惰性气体循环或工艺气体增压。 CF(Pr)/CJ(Pr)浮选专用系列：针对稀土矿浮选工艺的大气量、中低压头需求优化，强调效率和可靠性。 AI(Pr)单级悬臂系列：结构简单紧凑，适用于中低压、对占地面积要求高的场合。但悬臂结构对转子平衡和轴承要求高。 S(Pr)单级高速双支撑系列：如本文主角，在单级实现中高压比，结构比多级简单，稳定性优于悬臂，是在较高压比和稳定性要求之间的优秀折中选择，广泛应用于各类气体输送和加压。 AII(Pr)单级双支撑系列：结构与S系列类似，可能转速或设计侧重点有所不同，适用于相近工况。

5.3 选型流程要点

为镨提纯工艺或其他工业气体输送选择风机时，应遵循以下步骤：

明确工艺参数：准确提供气体的组分、分子量、进口温度、进口压力、所需流量（标明状态）、出口压力、允许的波动范围。 确定物性参数：计算气体的密度、绝热指数、压缩因子等。 初选型号：根据流量-压力需求，参考各系列风机的性能曲线图，初步确定型号和转速。确保工作点位于风机高效区的右侧（稳定工况区），并远离喘振线。 材质与密封确认：根据气体特性，与制造商确认过流部件材质、密封形式（迷宫密封、碳环密封、干气密封等）是否满足要求。 驱动力案确定：确定电机功率、防爆等级、防护等级，以及是否需要变速驱动（变频器）来调节工况。 辅机系统配套：确认润滑系统、冷却系统、控制系统、安全阀、消音器、过滤器等附件。 特殊认证：如需输送氧气等危险介质，确认设备是否符合相关安全规范（如GB 16912《氧气及相关气体安全技术规程》）。

六、总结

S(Pr)1622-2.21型单级高速双支撑加压风机是轻稀土（特别是镨）提纯工艺中一款性能优异、稳定可靠的动力设备。其双支撑高速设计在结构紧凑性和运行稳定性之间取得了良好平衡，针对镨提纯的专项优化使其更能适应复杂的工艺环境。深入理解其型号含义、结构原理、核心配件和维护修理要点，是保障设备安全、高效、长周期运行的基础。

随着我国稀土产业的持续升级和对提纯精度、能耗、环保要求的不断提高，对专用风机的技术要求也将日益提升。未来，稀土提纯风机将朝着更高效率、更高可靠性、更智能化的方向发展，例如应用磁悬浮轴承实现无油高速运行、采用物联网技术实现预测性维护、通过气动优化进一步降低能耗等。作为风机技术人员，我们需不断学习、积累经验，为稀土这一战略资源的绿色高效开发提供坚实的装备保障。

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