轻稀土提纯风机基础知识：以S(Pr)2998-2.67型离心鼓风机为核心的技术解析

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轻稀土提纯风机基础知识：以S(Pr)2998-2.67型离心鼓风机为核心的技术解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土提纯风机 S(Pr)2998-2.67 风机配件风机修理工业气体输送离心鼓风机镨提纯多级风机

第一章轻稀土提纯工艺与风机选型概述

轻稀土（铈组稀土）主要包括镧、铈、镨、钕等元素，在提纯过程中需要多种专用设备协同工作。其中，离心鼓风机作为提供关键气体动力和工艺气源的核心设备，其性能直接影响提纯效率与产品质量。在镨（Pr）的提取与精制过程中，风机需要为焙烧、溶解、萃取、结晶等工序提供稳定可控的气流，包括空气、惰性保护气体或特定工艺气体。

针对轻稀土提纯的特殊要求，风机行业开发了多个专用系列：“C(Pr)”型系列多级离心鼓风机适用于中等流量高压场合；“CF(Pr)”型系列专用浮选离心鼓风机和“CJ(Pr)”型系列专用浮选离心鼓风机专为浮选工序设计；“D(Pr)”型系列高速高压多级离心鼓风机适用于高压反应气体输送；“AI(Pr)”型系列单级悬臂加压风机结构紧凑，适合空间受限场所；“S(Pr)”型系列单级高速双支撑加压风机以高转速和高稳定性著称；“AII(Pr)”型系列单级双支撑加压风机则平衡了性能与维护便利性。

这些风机可输送的气体范围广泛，包括：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）以及各种混合无毒工业气体。选型时需综合考虑气体性质、压力需求、流量范围、腐蚀性、温度等因素。

第二章 S(Pr)2998-2.67型单级高速双支撑加压风机详解

2.1 型号命名规则与技术参数

S(Pr)2998-2.67型离心鼓风机的命名遵循行业标准编码体系：“S”代表S系列单级高速双支撑加压风机；“Pr”表示该风机针对镨提纯工艺进行了优化设计；“2998”表示风机在标准状态下的额定流量为每分钟2998立方米；“-2.67”表示出风口绝对压力为2.67个大气压（即表压约1.67公斤力每平方厘米）。

需特别注意的是，该型号未标注进风口压力信息，按照惯例，当型号中没有“/”符号分隔进排气压力时，默认进风口压力为1个大气压（标准大气压）。若进风口压力非标准大气压，型号会以“进气压/排气压”形式表示，如“S(Pr)2998-1.2/2.67”表示进气压1.2个大气压，排气压2.67个大气压。

2.2 设计与结构特点

S系列风机采用单级高速双支撑结构，这种设计在轻稀土提纯中具有显著优势：

单级叶轮：通过超高转速（通常可达每分钟10000-30000转）实现所需的压力提升，结构相对简单，维护点较少。 双支撑轴承系统：叶轮安装在主轴中部，主轴两端由轴承支撑。这种布局有效减少了主轴挠度，提高了转子动力学稳定性，特别适合高转速工况，能显著降低振动，延长机械密封和轴承寿命。 高速设计：配合精密制造的叶轮和空气动力学流道，在单级内实现较高压比，减少级数，缩小整机尺寸。

对于S(Pr)2998-2.67，其设计点流量2998立方米每分钟和出口压力2.67个大气压，通常用于镨提纯过程中的气体循环、反应釜加压或气流输送等环节。其性能曲线较陡，适合在相对稳定的工况下运行，流量调节建议采用变频调速或进口导叶调节，避免简单阀门节流造成效率大幅下降。

2.3 气动性能与调节

该风机的气动设计基于离心式压缩机的基本原理。气体进入高速旋转的叶轮，在离心力作用下获得动能和静压能，随后在扩压器中将部分动能转化为静压能。其理论压力比可通过欧拉涡轮方程推导，实际性能则需考虑滑移系数、水力损失、盘面摩擦损失、泄漏损失等多种因素。

对于工艺操作人员，需重点关注风机的工作区间：应避免在喘振线（左侧边界）和阻塞区（右侧边界）附近长期运行。S(Pr)2998-2.67通常设有防喘振控制，当检测到接近喘振条件时，会自动打开旁通阀，保证机组安全。

第三章风机核心配件详解

3.1 风机主轴

主轴是传递动力和支撑旋转部件的核心零件。S(Pr)2998-2.67的主轴采用高强度合金钢（如40CrNiMoA）锻造而成，经过调质热处理，具有高屈服强度和疲劳强度。主轴需进行精密加工，保证轴承档、叶轮档、密封档的同心度和表面光洁度。对于高速风机，主轴还需进行动平衡校正，通常要求达到G2.5或更高精度等级，以消除不平衡力引起的振动。

3.2 风机轴承与轴瓦

S系列采用滑动轴承（轴瓦）而非滚动轴承，这是其高速重载设计的典型特征。轴瓦通常为剖分式，内衬巴氏合金（白合金）。巴氏合金具有良好的嵌入性和顺应性，能容忍少量杂质，并在油膜建立不完善时提供一定保护。轴承润滑为强制压力油润滑，油系统包括主油泵、辅助油泵、冷油器、滤油器等，确保形成稳定的流体动压油膜，将轴颈与轴瓦完全隔开，实现液体摩擦，摩擦系数极低。

运行中需监控轴承温度、油压和振动值。巴氏合金的许用温度通常不超过110℃，正常运行时温度应在70-85℃之间。

3.3 风机转子总成

转子总成是做功的核心部件，包括主轴、叶轮、平衡盘（如有）、联轴器部件等。叶轮是其中最关键的零件，S(Pr)2998-2.67的叶轮采用后弯式或径向出口叶片设计，材料根据输送气体而定：输送空气或无腐蚀气体常用高强度铝合金（如ZL104）或优质碳钢；若输送含腐蚀性成分的工艺气体，则可能采用不锈钢（如304、316）甚至钛合金。叶轮制造工艺多为精密铸造后五轴数控加工，确保型线准确和表面质量。叶轮与主轴采用过盈配合加键连接，或采用液压膨胀无键连接技术。

转子组装后必须进行高速动平衡，在专用动平衡机上以工作转速或接近工作转速进行校正，确保残余不平衡量在允许范围内。

3.4 密封系统：气封、油封与碳环密封

密封系统防止气体泄漏和润滑油进入流道，对能效和安全至关重要。

气封（迷宫密封）：安装在叶轮进口与机壳之间、级间等位置，由一系列齿片和空腔组成。利用气体通过狭小间隙节流膨胀的原理，增加泄漏流阻，减少内部泄漏。材料常为铝或铜合金，较软，避免与转子碰擦时产生火花或严重损坏。油封：主要用于轴承箱两端，防止润滑油外泄。常见形式有唇形密封、机械密封或迷宫式油封。S系列通常采用迷宫式油封配合油气分离器，允许极少量密封气（如空气或氮气）注入，形成微正压，阻止油雾逸出。 碳环密封：在某些改型或特定气体应用中，可能采用碳环密封作为轴端密封。碳环由多个碳精环段组成，靠弹簧力抱紧在转轴上。碳材料具有自润滑性，摩擦系数低，且能在少量摩擦下安全运行，密封效果好。特别适用于不允许油污染或输送易燃易爆气体（如氢气）的场合。但碳环密封对轴的跳动和表面光洁度要求极高。

3.5 轴承箱

轴承箱是容纳轴承、轴瓦和部分密封的铸件或焊件。它为轴承提供精确的定位和支撑，并形成润滑油腔。轴承箱设计需保证足够的刚度和减振性能，通常带有冷却水套或散热翅片以帮助散热。箱体上开设有测温孔、测振孔、油镜、呼吸器等附件接口。

第四章风机修理与维护要点

4.1 日常维护与监测

振动监测：安装在线振动监测系统，持续监测轴承座X、Y方向的振动速度或位移。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：重点监测轴承温度和润滑油进回油温度。温度突升可能预示油膜破坏、冷却失效或摩擦加剧。 油系统维护：定期化验润滑油，监测粘度、水分、酸值和金属颗粒含量。定期清洗或更换油过滤器。 性能监测：记录进出口压力、流量、电机电流等参数，绘制趋势图，及时发现性能衰减。

4.2 常见故障与修理

振动超标：原因：转子积垢（在稀土工艺中，可能附着含稀土粉尘）、动平衡破坏、对中不良、基础松动、轴承磨损、喘振等。修理：停机清洗转子（可采用喷砂或化学清洗），重新进行动平衡校正；检查并重新调整联轴器对中；紧固地脚螺栓；检查更换轴瓦。 轴承温度高：原因：润滑油油质恶化、油量不足、冷却器堵塞、轴承间隙过小、轴瓦刮研不当、载荷过高。修理：更换合格润滑油；检查油泵、管路和滤网；清洗冷油器；测量调整轴承间隙；必要时重新刮研轴瓦或更换。 风量或压力不足：原因：滤网堵塞导致进气阻力增大；密封间隙因磨损而过大，内泄漏增加；叶轮腐蚀或磨损；转速下降（如皮带打滑、变频器问题）。修理：清洗进气过滤器；测量并调整或更换迷宫密封齿；检查叶轮状态，严重时修复或更换；检查驱动系统。 油封或气封泄漏：原因：密封件磨损、老化；轴封处轴颈磨损或划伤；密封气压不当。修理：更换密封件；对轴颈进行修复（如喷涂、磨削）；调整密封气压力和流量。

4.3 大修流程概述

风机每运行一定周期（如2-4年或根据状态监测结果）需进行预防性大修：

拆卸：按顺序拆卸联轴器护罩、管道、仪表、上机壳、转子等。 清洗检查：彻底清洗所有部件，检查主轴有无裂纹（渗透或磁粉探伤），测量主轴直线度、叶轮口环、密封间隙、轴瓦间隙等。 修理更换：修复或更换磨损超差的零件。重新刮研或更换轴瓦。叶轮如需补焊，需选择相匹配的焊材和工艺，焊后必须热处理消除应力并重新做动平衡。组装：按相反顺序精密组装，确保各部位间隙符合图纸要求。重点保证转子在机壳内的对中。对中：使用激光对中仪或百分表精细调整电机与风机转子的同轴度，要求达到0.05毫米以内。试车：先进行机械试车（无负荷），检查振动、温度、异响。合格后进行性能试车，验证压力、流量是否符合要求。

第五章输送工业气体的特殊考量

在轻稀土提纯中，风机输送的介质常常不是空气，而是特定的工业气体，这对S(Pr)2998-2.67的设计、材料和操作提出了特殊要求。

5.1 气体性质的影响

密度：输送氢气（H₂）等轻气体时，密度远小于空气，在相同压比和转速下，风机所需功率大幅下降，但叶轮产生的压头也降低，可能需要更高转速。反之，输送氩气（Ar）等重气体则需更大功率，电机选型需留足余量。 腐蚀性：如输送含氯、氟或酸性成分的工业烟气，需选用耐蚀材料，如叶轮和机壳流道采用不锈钢316L、哈氏合金或进行防腐涂层处理。密封材料也需相应调整。 毒性或窒息性：如输送氮气（N₂）、氩气（Ar）、一氧化碳（CO）等，需重点保证密封可靠性，防止泄漏危及人员安全。机房通风需加强。 易燃易爆性：如输送氢气（H₂）、含氢混合气，或输送氧气（O₂）时存在油污风险。必须采用防爆电机和电器，消除一切点火源。密封优先采用碳环密封、干气密封等非接触式或无油密封。润滑油系统需确保绝不渗入气腔。对于氧压机，所有与氧气接触的零件需严格脱脂清洗。 纯净度要求：在半导体级或高纯稀土制备中，气体纯净度要求极高。风机内部需进行特殊处理（如电解抛光、高纯清洗），并采用磁力驱动或无油润滑等技术，避免碳氢化合物污染。

5.2 操作与调节差异

启动与停车：输送易燃易爆或有毒气体时，开机前需用惰性气体（如氮气）对风机和管路进行彻底吹扫置换，排除空气。停车时同样需要进行吹扫，排空工艺气体。 性能换算：风机样本性能曲线通常基于标准空气（20℃，1atm）。输送其他气体时，需进行相似换算。主要原理是保持马赫数相似和欧拉数相似。简化操作中，对于不可压缩或低压比情况，可近似认为风机输送不同气体时，体积流量和转速不变，但压头和功率与气体密度成正比变化。 防喘振控制：不同气体的声速不同，会影响喘振线的位置。例如，输送氢气时声速高，喘振线可能会右移（向大流量方向），控制系统参数需相应调整。

第六章总结与展望

S(Pr)2998-2.67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动力设备，其高转速、高稳定性、双支撑设计很好地适应了连续化生产的严格要求。深刻理解其型号含义、结构原理、核心配件和维护修理要点，是保障稀土生产线稳定运行、提高提纯效率、降低能耗和维护成本的基础。

随着稀土材料在高科技领域应用不断深入，对提纯工艺和装备提出了更高要求。未来，轻稀土提纯风机将朝着智能化、高效化、专用化方向发展：

智能化：集成更先进的传感器和物联网技术，实现状态实时监测、故障预警、性能优化和远程运维。 高效化：应用三元流叶轮设计、高速直驱电机（磁悬浮或空气轴承）等新技术，进一步提高效率，降低能耗。 专用化：针对特定稀土元素（如镨、钕）的提取和分离工艺，开发气体成分、压力、流量特性更匹配的专用风机型号，并优化耐腐蚀、耐磨损材料体系。

作为风机技术人员，我们需要不断学习新技术、新工艺，将通用风机原理与稀土提纯的特殊需求紧密结合，为提升我国稀土产业的技术水平和核心竞争力贡献力量。

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