轻稀土钷(Pm)提纯风机基础知识与应用详解

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土钷提纯、离心鼓风机、D(Pm)2361-2.0风机、风机配件、风机维修、工业气体输送、多级离心鼓风机、稀土冶炼设备

一、稀土矿提纯工艺中的风机技术概述

稀土元素的提纯是稀土冶金工业中的核心环节，其中轻稀土钷(Promethium, Pm)的分离与提纯对设备提出了特殊要求。在稀土萃取、浮选、焙烧、气体输送等工序中，离心鼓风机作为关键动力设备，其性能直接影响到提纯效率、产品纯度与生产成本。

稀土提纯用离心鼓风机与传统工业风机相比，具有以下特点：首先，需适应腐蚀性介质的输送，稀土冶炼过程中常产生含氟、氯、硫等腐蚀性成分的气体；其次，要求极高的密封性能，防止有价值稀土粉尘外泄及外部杂质进入；再次，需具备稳定的压力-流量特性，以满足连续化生产的工艺要求；最后，材料选择需考虑与工艺介质的兼容性，避免污染产品。

目前应用于稀土行业的离心鼓风机主要系列包括：“C(Pm)”型系列多级离心鼓风机，“CF(Pm)”型系列专用浮选离心鼓风机，“CJ(Pm)”型系列专用浮选离心鼓风机，“D(Pm)”型系列高速高压多级离心鼓风机，“AI(Pm)”型系列单级悬臂加压风机，“S(Pm)”型系列单级高速双支撑加压风机，“AII(Pm)”型系列单级双支撑加压风机。这些风机可输送气体范围广泛，涵盖空气、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)以及混合无毒工业气体。

二、D(Pm)2361-2.0高速高压多级离心鼓风机详解

2.1 型号含义与技术参数

D(Pm)2361-2.0型号解析：

“D”代表D系列高速高压多级离心鼓风机，该系列专门为高压气体输送设计，采用多级叶轮串联结构，每级叶轮逐级增压，最终达到较高出口压力。

“Pm”表示该风机针对轻稀土钷提纯工艺进行了特殊设计与材料适配。

“2361”表示风机额定流量为每分钟2361立方米，此流量参数是根据稀土提纯工艺中气体循环量、反应器容积与工艺周期精确计算确定。

“-2.0”表示风机出风口压力为2.0个大气压（表压），即相对于标准大气压的压差为1.0个大气压。按照型号标注规范，如果没有“/”符号，则表示进风口压力为标准大气压（1个大气压绝对压力）。

该型号风机主要设计参数：

工作流量范围：2000-2600立方米/分钟（可调）

出口压力：2.0±0.1大气压（表压）

进口压力：标准大气压（可根据工艺要求特殊设计）

额定转速：8500转/分钟（具体值根据电机极数与增速箱传动比确定）

配套功率：通常为800-1000kW，具体取决于系统效率与工况点

介质温度：≤200℃（特殊设计可达350℃）

适用介质：空气、氮气、氩气等惰性气体及特定工艺气体

2.2 结构与工作原理

D(Pm)2361-2.0型风机为多级离心式结构，主要由进气室、多级叶轮与导叶组件、扩压器、蜗壳、轴承系统、密封系统、润滑系统和控制系统组成。

其工作原理基于离心力与动能转换原理：电机通过高速联轴器驱动风机主轴旋转，主轴带动多级叶轮高速旋转，气体从进气室轴向进入第一级叶轮，在叶轮叶片作用下获得动能与压力能；随后气体进入导叶组件，部分动能转化为压力能并改变流动方向，准备进入下一级叶轮；经过多级逐级增压后，气体最终进入蜗壳，进一步将动能转化为压力能，从出风口排出。

该风机的气动设计基于欧拉涡轮机械方程，具体表现为：风机产生的理论压头等于叶轮进出口处气体角动量变化量，实际压头需考虑水力损失、容积损失和机械损失。性能曲线呈现流量-压力反比特性，即流量增大时压力减小，这与离心式机械的普遍特性一致。

2.3 在钷提纯工艺中的应用定位

在轻稀土钷的提纯工艺中，D(Pm)2361-2.0风机主要承担以下功能：

焙烧工序供风：为稀土精矿焙烧提供充足、稳定的氧化性气氛（空气）或还原性气氛（惰性气体），控制焙烧温度与反应速率。

气体循环动力：在闭路气体循环系统中，驱动工艺气体（如氯化氢、氟化氢等反应介质）循环流动，提高气体利用效率与反应均匀性。

气氛控制与保护：为钷的分离与还原工序提供惰性气体保护，防止产品氧化，确保钷的纯度与收率。

尾气输送与处理：将工艺产生的尾气输送到净化处理系统，满足环保排放要求。

该型号风机的2.0大气压出口压力设计，特别适合需要克服较长管道阻力、较高反应器压力或密集分布元件的稀土提纯系统。

三、D(Pm)2361-2.0风机关键配件详解

3.1 风机主轴

主轴是离心鼓风机的核心传动部件，D(Pm)2361-2.0风机主轴采用整体锻造合金钢材料（通常为42CrMo或35CrMoV），经过调质处理、精密加工和动平衡校正。主轴设计需满足以下要求：

高强度与高刚度：能够承受高速旋转产生的离心力、气体力传递的弯矩与扭矩组合载荷，确保临界转速高于工作转速的125%以上，避免共振。

精密尺寸公差：轴承档、密封档、叶轮安装档的直径公差控制在正负0.01毫米以内，圆度与圆柱度不超过0.005毫米。

表面处理：轴承档与密封档表面进行高频淬火或氮化处理，硬度达到HRC50-55，提高耐磨性与抗疲劳性能。

防腐涂层：针对稀土工艺中可能接触腐蚀性介质的部分，采用喷涂碳化钨、陶瓷或特殊合金涂层。

3.2 风机轴承与轴瓦

D(Pm)2361-2.0风机采用滑动轴承（轴瓦）支撑系统，相比滚动轴承具有承载力大、阻尼性能好、寿命长等优点，特别适合高速重载工况。

轴瓦材料：通常采用锡基巴氏合金（如ChSnSb11-6）衬层，厚度1.5-3毫米，浇铸在钢背瓦体上。巴氏合金具有良好的嵌入性、顺应性与抗胶合能力，能够适应一定的主轴偏摆与振动。

轴承结构：多为水平剖分式，便于安装与检修。瓦块设计包含进油槽、油楔面与排油边，形成稳定的动压润滑油膜。

润滑系统：强制循环润滑油系统，油压0.15-0.25MPa，进油温度35-45℃，温升不超过25℃。润滑油需具备良好的氧化安定性、抗乳化性与防锈性，推荐ISO VG32或VG46透平油。

监测保护：配置轴瓦温度传感器（通常为PT100铂电阻），温度报警值设定为85℃，停机值设定为95℃；同时监测回油温度与油压。

3.3 风机转子总成

转子总成是产生气动性能的核心组件，包括主轴、多级叶轮、平衡盘、联轴器法兰等部件。

叶轮设计：采用后弯式叶片设计，叶片数12-16片，材料根据输送介质选择，一般为不锈钢（如304、316L）或钛合金。叶轮制造工艺为精密铸造或数控铣削，表面光洁度达到Ra1.6以上，降低流动损失。

叶轮固定：各级叶轮通过热装或液压装配到主轴上，配合过盈量根据转速与温度计算确定，通常为轴径的0.08%-0.12%。配合面采用锥面或圆柱面加键连接，确保扭矩可靠传递。

动平衡校正：转子总成完成装配后，需进行高速动平衡校正，平衡精度达到G2.5级（ISO1940标准），剩余不平衡量小于转子质量乘以允许偏心距的乘积。

平衡盘：在多级风机中设置平衡盘，利用两侧压力差产生轴向力，抵消部分转子轴向力，减小推力轴承负荷。

3.4 密封系统

密封系统是防止气体泄漏与润滑油污染的关键，D(Pm)2361-2.0风机采用组合式密封方案。

气封（迷宫密封）：在叶轮轮盖与机壳之间、平衡盘与固定件之间设置迷宫密封，利用多道节流齿隙形成流动阻力，减少级间泄漏与轴向泄漏。密封间隙设计至关重要，一般为直径的0.001-0.002倍，需综合考虑热膨胀与转子动力特性。

碳环密封：在轴端采用碳环密封作为主密封，碳环材料为浸渍树脂或金属的石墨，具有自润滑、耐高温、化学稳定性好等优点。碳环密封属于接触式密封，通过多个碳环串联形成多级节流，密封压力可达2.5MPa。

油封：在轴承箱两端采用唇形油封或机械密封，防止润滑油外泄。对于高速工况，常采用非接触式螺旋油封或间隙密封，减少摩擦功耗。

氮气密封系统：针对有毒、易燃或贵重气体，可配置氮气缓冲密封系统，在碳环密封内侧引入略高于介质压力的氮气，既防止介质外泄，也防止外部空气进入。

3.5 轴承箱与润滑系统

轴承箱不仅是轴承的支撑壳体，也是润滑油路的分配中心。

箱体结构：采用高强度铸铁（HT250）或铸钢（ZG230-450）制造，水平剖分设计，剖分面精密加工并涂密封胶。箱体具有足够的刚性，防止因载荷变形影响轴承对中。

油路设计：进油口位于轴承负荷区，润滑油直接喷射到轴颈与轴瓦间隙；回油路设计保证畅通，防止油液滞留产生泡沫。箱内设置挡油板与透气帽，维持微负压环境。

辅助系统：包括主油泵（通常由主轴驱动）、辅助油泵（电机驱动，开机前与停机后供油）、油冷却器（管壳式或板式）、双联过滤器（精度25μm）、蓄能器（维持油压稳定）及全套监测仪表。

四、风机维护、故障诊断与修理技术

4.1 日常维护要点

运行监测：每日记录风机振动值（建议测点包括轴承座水平、垂直、轴向）、轴承温度、润滑油压力与温度、进气过滤器压差等参数。振动速度有效值不应超过4.5mm/s（ISO10816标准），注意观察趋势变化。

润滑管理：每月取样分析润滑油，监测粘度、水分、酸值、颗粒污染度等指标。每运行4000-8000小时或每年更换一次润滑油，清洗油箱与油路。

密封检查：定期检查碳环密封泄漏情况，正常泄漏量为每分钟数升（引至安全处收集）。泄漏量突然增大可能预示密封磨损或轴承间隙超标。

过滤器维护：进风过滤器压差超过500Pa时需清洁或更换滤芯，防止因进气阻力增大导致流量下降与喘振。

4.2 常见故障诊断

振动超标：

转子不平衡：振动频率以1倍转频为主，相位稳定。需检查叶轮结垢、磨损或叶片断裂，重新动平衡。

不对中：振动频率以2倍转频为主，轴向振动较大。需重新对中联轴器，冷态对中需考虑热膨胀偏移量。

轴承故障：振动频谱出现高频成分（如轴承通过频率），伴随温度升高。需检查轴瓦磨损、巴氏合金脱落或润滑不良。

性能下降：

流量或压力不足：可能原因包括密封间隙磨损增大、叶轮腐蚀或结垢、进气过滤器堵塞、转速下降等。

喘振：风机在不稳定区工作，表现为流量压力剧烈波动、异常噪音。需检查系统阻力变化，调整放空阀或回流阀，确保工作点远离喘振边界。

温度异常：

轴承温度高：检查润滑油品质、油量、油冷却器效率；测量轴承间隙，标准间隙为轴颈直径的0.12%-0.15%。

排气温度高：检查级间密封泄漏、压缩比是否超设计值、进气温度是否过高。

4.3 大修流程与技术要点

风机每运行3-5年或累计24000小时需进行解体大修，基本流程如下：

拆卸与清洗：按顺序拆除联轴器护罩、管路、仪表探头、上壳体、转子总成等部件。使用专用清洗剂彻底清洗各零件，特别是油路与密封面。

尺寸检测与记录：

测量轴瓦间隙、紧力：使用压铅法或千分尺，记录数据与标准值对比。

测量密封间隙：使用塞尺或贴胶带法测量迷宫密封齿隙，超标需修复或更换。

检查叶轮与主轴：磁粉探伤检查裂纹，特别是叶片根部与轮盘应力集中区；测量叶轮口环与轮盖外圆磨损量。

零件修复与更换：

轴瓦修复：轻微划伤可刮研修整，巴氏合金脱落超过面积15%需重新浇铸。

密封更换：碳环密封磨损超过厚度1/3需成套更换，迷宫密封齿磨损可堆焊后重新加工。

叶轮修复：叶片腐蚀可采用不锈钢焊条补焊后磨光；口环磨损可镶套修复。

回装与对中：

按拆卸逆序回装，所有密封面涂高温密封胶（如硅酮胶）。

关键螺栓采用力矩扳手按交叉顺序紧固，力矩值参照制造厂规范。

转子定位：调整壳体与转子相对位置，确保各级叶轮与扩压器对中。

联轴器对中：使用双表法或激光对中仪，冷态对中预留热膨胀偏移量（需根据工作温度计算）。

试车与验收：

点动检查旋转方向与有无摩擦。

空载试车2小时，监测振动、温度、噪声。

负载试车逐步升压至额定工况，记录性能参数，验证是否达到设计指标。

五、稀土提纯工艺中其他类型风机的应用

5.1 “CF(Pm)”与“CJ(Pm)”型浮选专用离心鼓风机

浮选是稀土矿初步富集的关键工序，通过气泡吸附实现矿物分离。浮选风机需提供稳定、微细的气泡，对风量稳定性与气体分散性要求高。

CF(Pm)型：常压浮选风机，工作压力一般为0.05-0.15MPa，流量范围广，采用单级或双级结构，叶轮设计侧重流量效率，配备气体分散装置（如微孔曝气头）。

CJ(Pm)型：加压浮选风机，工作压力可达0.3-0.6MPa，用于深槽浮选或需要较高溶气压力的工艺。结构上采用多级叶轮，出风口配置减压阀与溶气罐。

浮选风机需特别注意耐腐蚀设计，因浮选药剂（如脂肪酸类、羟肟酸类）可能随气体进入风机，与水分形成腐蚀性环境。材料推荐316L不锈钢或双相不锈钢，密封采用双端面机械密封加冲洗液保护。

5.2 “AI(Pm)”与“S(Pm)”、“AII(Pm)”型加压风机

这三种风机均用于工艺系统的局部加压或气体循环，区别在于结构与适用参数范围。

AI(Pm)单级悬臂加压风机：结构紧凑，转子悬臂布置，无叶轮侧轴承，适合中等流量（≤800m³/min）、中低压力（≤0.3MPa）工况。维护简便，但转子刚性相对较低，需严格控制振动。

S(Pm)单级高速双支撑加压风机：转子两端支撑，刚性更好，适合较高转速（可达15000rpm）与压力（≤0.5MPa）。采用齿轮箱增速，效率较高，常用于需要小流量高压力的气体增压环节。

AII(Pm)单级双支撑加压风机：传统结构，转速较低（通常为电机直联2950rpm），坚固耐用，维护成本低，适合大流量（可达5000m³/min）、低压（≤0.2MPa）的常规加压用途。

5.3 工业气体输送的特殊考虑

稀土提纯过程中涉及多种工业气体输送，风机选型与设计需针对气体特性调整：

氢气(H₂)输送：氢分子量小，压缩功耗低但易泄漏。风机需采用特殊密封（如干气密封）、防爆电机与电器，流道设计避免静电积聚，材料考虑氢脆现象（避免高强度钢）。

氧气(O₂)输送：强氧化性，忌油。需全无油设计，采用不锈钢或铜合金流道，润滑系统与密封系统完全隔离，碳环密封需采用特殊浸渍材料（如磷酸盐），防止摩擦起火。

腐蚀性气体输送：如氯化氢、氟化氢，需采用哈氏合金C276、蒙乃尔合金或内衬聚四氟乙烯(PTFE)等材料。密封选用全氟醚橡胶或石墨材料，轴承箱正压通风防止气体渗入。

惰性气体输送：如氮气、氩气，相对常规，但需注意气体纯度要求，防止润滑油污染。可选用迷宫密封加氮气吹扫的组合方案。

六、风机选型与工艺匹配要点

为稀土提纯工艺选配风机时，需综合考虑以下因素：

工艺参数准确：提供最大、最小与正常工况下的流量、进口压力、出口压力、进口温度、气体成分（包括湿度、杂质含量）等数据。特别注意流量单位是标准立方米每分钟（Nm³/min）还是工况立方米每分钟（m³/min），需根据气体状态方程换算。

系统阻力计算：精确计算管道、阀门、反应器、净化装置等全系统压力损失，留10%-15%余量。对于可能堵塞的系统（如尾气处理），余量适当增大。

气体特性影响：不同气体的绝热指数、气体常数不同，影响压缩功率与排气温度。输送混合气体时，按加权平均计算物性参数，并验证是否可能形成爆炸混合物或腐蚀性凝结液。

调节方式选择：根据工艺负荷变化规律选择调节方式。连续调节推荐变频调速，节能效果好；阶梯调节可采用入口导叶或放空回流。

备用方案：关键工艺点的风机应考虑100%备用（一用一备）或50%备用（两用一备），确保生产连续性。

特殊要求明确：防爆等级、防护等级、噪声限值、振动标准、自动化接口协议等需在技术协议中详细规定。

七、结语

D(Pm)2361-2.0型高速高压多级离心鼓风机作为轻稀土钷提纯工艺中的关键动力设备，其高效稳定运行直接关系到产品质量、生产效率与能耗指标。深入理解风机结构原理、配件功能、维护修理要点，以及根据具体工艺气体特性合理选型与操作，是风机技术人员与工艺工程师必备的专业能力。

随着稀土材料在高新技术产业中应用日益广泛，对提纯工艺的精细化、绿色化要求不断提高，未来稀土提纯风机将朝着更高效率、更高可靠性、智能监测与自适应控制的方向发展。新材料（如陶瓷涂层、复合材料叶轮）、新密封技术（如磁流体密封）、智能故障预警系统等新技术的应用，将进一步提升风机在苛刻工艺环境下的性能与寿命，为我国稀土战略资源的精深加工提供坚实装备保障。