轻稀土钷(Pm)提纯风机技术专题：D(Pm)1572-1.71型高速高压多级离心鼓风机深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：稀土矿提纯、轻稀土钷(Pm)、离心鼓风机、D(Pm)1572-1.71、风机配件、风机修理、工业气体输送、多级离心技术

一、稀土矿提纯工艺与离心鼓风机技术概述

稀土元素的提纯是现代化工冶金领域的关键技术环节，其中轻稀土元素钷(Promethium, Pm)的分离与提纯对设备提出了特殊要求。钷作为人造稀土元素，主要从核燃料裂变产物中提取，其提纯过程涉及复杂的化学处理、气体输送和压力控制环节。离心鼓风机在这一过程中扮演着核心角色，负责为各工艺段提供稳定、可控的气体流动和压力环境。

稀土提纯用离心鼓风机与传统工业风机存在显著差异，主要体现在材料兼容性、密封可靠性、压力精度和耐腐蚀性等方面。针对钷提纯工艺，风机需适应可能存在的微量放射性环境、腐蚀性介质以及精确的压力控制需求。我国风机行业为此开发了专用系列产品，包括C(Pm)、CF(Pm)、CJ(Pm)、D(Pm)、AI(Pm)、S(Pm)、AII(Pm)等系列，形成了完整的稀土提纯风机技术体系。

二、D(Pm)系列高速高压多级离心鼓风机技术特性

D(Pm)系列风机是专门为稀土提纯等高压工艺设计的高速多级离心鼓风机，采用多级叶轮串联结构，通过逐级增压实现高压比输出。该系列风机具有以下核心特点：

高压能力：通过多级叶轮串联设计，单台风机可实现1.2-3.5个大气压的稳定输出压力，满足钷提纯过程中对气体压力的精确要求。

高效运行：采用后弯型叶轮设计，级间设置导叶整流装置，整机效率可达82-88%，显著降低能耗。

宽工况适应性：通过可调进口导叶、变转速调节等方式，实现流量30-120%范围内的稳定调节，适应钷提纯工艺的波动需求。

特殊材料应用：接触介质部分采用不锈钢、钛合金或特殊涂层处理，防止稀土元素及其化合物对流道的腐蚀和沉积。

三、D(Pm)1572-1.71型风机详细技术解析

3.1 型号标识解读

D(Pm)1572-1.71型风机的完整标识包含以下信息：

“D(Pm)”：表示D系列高速高压多级离心鼓风机，专为钷提纯工艺设计

“1572”：表示风机设计流量为1572立方米每分钟，这是风机在标准进口条件下的体积流量

“-1.71”：表示风机出口设计压力为1.71个大气压（表压），相当于0.71公斤力每平方厘米的表压

型号中未标注进口压力，按照惯例表示进口压力为1个标准大气压（绝对压力）

该流量参数对应钷提纯生产线中特定工艺段的气体需求，通常与萃取塔、反应器或干燥设备配套使用。1.71个大气压的输出压力能够克服工艺系统阻力，为气体在管道和设备中的流动提供充足动力。

3.2 设计与结构特点

D(Pm)1572-1.71型风机采用水平剖分式机壳设计，便于维护和检修。主体结构包括：

机壳部分：采用高强度铸铁或铸钢制造，水平中分面设计确保密封性能。机壳内部流道经过精密加工，表面进行防腐处理，减少气体流动阻力。进出口法兰按照标准压力容器规范设计，配备专用密封垫片。

转子系统：采用多级叶轮背靠背布置方式，平衡轴向推力。叶轮数量根据压力需求确定，一般为4-8级。每个叶轮均经过动平衡测试，平衡精度达到G2.5级标准。叶轮与主轴采用过盈配合加键连接，确保高速运行下的可靠性。

轴承与润滑系统：支持端采用径向-推力联合轴承，驱动端采用径向轴承。轴承形式为滑动轴承（轴瓦），配备强制润滑油系统，确保油膜稳定形成。润滑油系统包含主油泵、辅助油泵、油冷却器和双联过滤器，保障轴承长期稳定运行。

密封系统：采用多重密封组合设计。级间密封采用迷宫密封，减少内部泄漏。轴端密封采用碳环密封组合结构，防止气体外泄和杂质进入。针对可能存在的危险性气体，可配备氮气吹扫系统，形成气幕密封。

3.3 性能参数与运行特性

D(Pm)1572-1.71型风机在标准工况下（进口压力1个大气压，温度20℃，相对湿度50%）的主要性能参数：

设计流量：1572立方米每分钟（可调节范围1100-1800立方米每分钟）

出口压力：1.71个大气压（绝对压力）

压升比：1.71

轴功率：约450-520千瓦（取决于运行点效率）

转速：根据具体设计，通常在5000-9000转每分钟范围

效率：设计点效率不低于85%

风机性能曲线呈现典型的离心风机特性：在恒定转速下，压力随流量增加而降低，功率随流量增加而增加。针对钷提纯工艺的特殊要求，该型号风机在60-100%流量范围内保持较高的效率和平稳的压力特性，确保工艺稳定性。

四、风机核心配件详解

4.1 风机主轴

D(Pm)1572-1.71型风机主轴采用42CrMoA合金钢锻造，经调质处理获得良好的综合机械性能。主轴设计考虑以下关键因素：

临界转速：工作转速设计在一阶临界转速以下，通常为临界转速的70-80%，避免共振风险。计算临界转速时考虑轴承支撑刚度、转子质量分布和轴段刚度。

轴肩与过渡圆角：轴肩部位采用大圆角过渡，减少应力集中。关键部位的表面粗糙度要求达到Ra0.8以下，提高疲劳强度。

配合精度：叶轮安装段采用k6级过盈配合，配合表面粗糙度要求高，确保高速旋转下的连接可靠性。

轴颈处理：轴承支撑段经高频淬火处理，表面硬度达到HRC50-55，提高耐磨性。轴颈尺寸精度达到IT5级，圆度误差小于0.005毫米。

4.2 风机轴承与轴瓦

D(Pm)系列风机采用滑动轴承（轴瓦）支撑，相比滚动轴承具有承载力大、阻尼性能好、寿命长的优点。

轴瓦结构：采用剖分式厚壁轴瓦，瓦背材料为低碳钢，内衬巴氏合金（锡锑铜合金）。巴氏合金厚度1.5-3毫米，与瓦背通过浇铸结合。轴瓦内表面开设油槽和油囊，确保润滑油均匀分布。

轴承参数：

长径比：0.8-1.2，优化承载能力和功耗平衡

径向间隙：按轴颈直径的0.001-0.0015倍控制，确保油膜形成

表面粗糙度：轴瓦内表面Ra0.4以下，轴颈表面Ra0.2以下

润滑计算：滑动轴承润滑油膜厚度计算采用雷诺方程求解，考虑轴承间隙、润滑油粘度、转速和载荷等因素。最小油膜厚度需大于轴瓦和轴颈表面粗糙度之和的3-5倍，确保完全流体润滑状态。

4.3 风机转子总成

转子总成是风机的核心旋转部件，包括主轴、叶轮、平衡盘、轴套等组件。

叶轮设计：采用后弯式叶片，出口角一般为30-45度。叶片数12-16片，通过长短叶片组合抑制气流分离。叶轮材料根据输送介质选择，对于腐蚀性环境采用不锈钢或钛合金。叶轮出口宽度根据流量和转速计算确定，确保合理的气流速度。

动平衡要求：转子总成完成组装后，需进行高速动平衡测试。平衡精度要求达到G2.5级（ISO1940标准），剩余不平衡量小于等于转子质量乘以平衡精度等级除以角速度的计算值。平衡校正采用去重法，在特定位置钻孔去除材料。

临界转速验证：转子总成装配完成后，需进行临界转速测试，验证计算值的准确性。测试通过振动监测系统进行，识别各阶临界转速和振型。

4.4 密封系统

气封（迷宫密封）：级间和轴端采用迷宫密封，利用多次节流膨胀原理降低泄漏。密封齿数一般为6-12齿，齿隙0.2-0.4毫米。密封计算基于流量连续性方程和气体状态方程，确定合适的齿形和间隙。

油封：轴承箱两端采用接触式油封，防止润滑油泄漏。油封材料为氟橡胶或丁腈橡胶，耐温范围-30℃至150℃。油封唇口设计有弹簧圈，确保与轴颈的紧密接触。

碳环密封：对于高压或危险气体，轴端采用碳环密封。碳环材料为浸渍树脂石墨，具有自润滑性和良好的密封性能。碳环密封系统通常设计为三段式，中间通入缓冲气体（如氮气），形成双重隔离。

4.5 轴承箱

轴承箱为铸钢件，具有足够的刚度和精度。箱体设计要点：

轴承座孔精度IT6级，同轴度误差小于0.02毫米

设置润滑油进出口、排油口和观察窗

配备温度传感器和振动传感器安装接口

箱体结合面采用密封胶密封，防止漏油

五、风机维护与修理技术

5.1 日常维护要点

振动监测：定期检测轴承座振动速度有效值，应小于4.5毫米每秒。频谱分析可识别不平衡、不对中、松动等故障特征。

温度监控：轴承温度应低于75℃，润滑油进油温度控制在35-45℃之间，回油温度不超过65℃。

润滑油管理：每月检测润滑油粘度、水分和颗粒污染度。每半年更换一次润滑油，清洗油箱和过滤器。

密封检查：定期检查碳环密封磨损情况，碳环径向磨损超过原厚度1/3时应更换。迷宫密封间隙每半年检查一次，间隙增大超过设计值50%需调整或更换。

5.2 常见故障与处理

振动异常：

原因：转子不平衡、对中不良、轴承损坏、基础松动

处理：重新动平衡、调整对中、更换轴承、紧固基础螺栓

轴承温度高：

原因：润滑油不足或变质、冷却不良、轴承间隙不当、载荷过大

处理：检查润滑系统、清理冷却器、调整轴承间隙、检查系统阻力

性能下降：

原因：密封磨损间隙增大、叶轮腐蚀或积垢、进口过滤器堵塞

处理：调整或更换密封、清洁或更换叶轮、清洗过滤器

5.3 大修流程与标准

D(Pm)1572-1.71型风机建议每运行24000-30000小时或3-4年进行大修，主要步骤：

拆卸检查：按顺序拆卸联轴器、轴承箱上盖、转子组件。检查各部件磨损和腐蚀情况，测量关键尺寸。

转子检修：叶轮超声波探伤检查裂纹，轴颈测量尺寸和圆度，必要时进行修复或更换。转子重新动平衡测试。

轴承修复：检查轴瓦巴氏合金层，脱壳面积超过15%或磨损超过厚度1/3需重新浇铸。重新刮研轴瓦，接触面积达到70%以上，接触点分布均匀。

密封更换：更换所有碳环密封和油封，调整迷宫密封间隙至设计值。

对中调整：风机与电机重新对中，径向偏差小于0.03毫米，角度偏差小于0.02毫米每100毫米。

试车验收：空载试车2小时，检查振动、温度、噪声。负载试车4小时，验证性能参数。

六、工业气体输送风机技术要点

稀土提纯工艺中涉及多种工业气体输送，不同气体对风机有特殊要求：

6.1 气体特性与风机适配

氧气(O₂)输送：

风机需彻底脱脂清洗，所有零件用四氯化碳清洗

密封材料采用氟橡胶或聚四氟乙烯，避免使用橡胶类材料

流道表面光滑，减少摩擦生热风险

配备惰性气体吹扫系统，防止启停时油气进入

氢气(H₂)输送：

采用特殊轴端密封，泄漏率低于标准要求

电气设备防爆等级符合氢气环境要求

转子设计考虑氢气低密度特性，适当增加叶轮宽度

设置氢气泄漏检测和报警系统

腐蚀性气体(如工业烟气)：

流道材料采用耐蚀合金或衬防腐涂层

轴承箱正压通风，防止腐蚀气体侵入

定期检查腐蚀情况，特别是焊缝和热影响区

6.2 不同系列风机适用场景

C(Pm)型多级离心鼓风机：适用于中低压、大流量场合，如稀土矿浮选供气、浸出槽曝气等。

CF(Pm)型浮选专用风机：针对浮选工艺优化，压力稳定性高，流量调节范围宽。

CJ(Pm)型浮选专用风机：紧凑型设计，适合空间受限场合，维护简便。

AI(Pm)型单级悬臂加压风机：小流量、较高压力场合，如实验室或中试线。

S(Pm)型单级高速双支撑风机：高速运行，体积小，适合高压小流量场合。

AII(Pm)型单级双支撑加压风机：传统可靠设计，维护成本低，适用一般工艺气体输送。

6.3 风机选型计算原则

工业气体风机选型需考虑以下修正：

密度修正：风机压力和功率与气体密度成正比。输送非空气气体时，需按实际密度换算：
实际压力 = 标定压力 × (实际气体密度 / 空气密度)
实际功率 = 标定功率 × (实际气体密度 / 空气密度)

压缩性修正：当压比大于1.03时，需考虑气体可压缩性影响。等熵压缩温升计算采用公式：温升等于进口绝对温度乘以压比的零点二八五次方减一的差除以等熵效率。

湿度修正：湿气体需按含湿量调整密度，同时考虑可能出现的凝结对叶轮的冲蚀。

七、轻稀土钷提纯工艺对风机的特殊要求

钷提纯工艺通常在封闭系统中进行，风机作为关键动力设备，需满足以下特殊要求：

放射性防护：钷及其化合物具有微弱放射性，风机设计需考虑辐射防护。接触气体的部件可能需要进行表面处理，减少放射性物质吸附。维护人员需接受辐射防护培训。

材料兼容性：钷提取过程中可能使用盐酸、硝酸等腐蚀性介质，风机材料需耐相应腐蚀。常用材料包括316L不锈钢、哈氏合金、钛材等。

零泄漏要求：为防止放射性物质扩散和工艺气体损失，密封系统要求极高。通常采用三重密封组合：迷宫密封+碳环密封+氮气吹扫密封。

远程监控：关键参数如振动、温度、压力、流量等实现远程监控和自动记录，减少人员接近设备的需要。

净化接口：风机进出口预留净化气体接口，停机时可通入惰性气体吹扫，防止有害物质残留。

八、技术发展趋势与展望

稀土提纯用离心鼓风机技术正朝着以下方向发展：

智能化控制：集成传感器和智能算法，实现预测性维护、自适应调节和能效优化。

新材料应用：陶瓷涂层、复合材料等新材料的应用，提高耐腐蚀性和耐磨性。

高效化设计：采用三维流动模拟和优化算法，提高风机效率2-5个百分点。

模块化设计：标准化、模块化设计缩短交货周期，降低维护成本。

低碳环保：提高能效，减少泄漏，降低环境影响，适应绿色发展要求。

D(Pm)1572-1.71型风机作为钷提纯工艺的关键设备，其稳定运行直接关系到产品质量和生产安全。通过深入了解其技术特点、维护要求和适用条件，可以充分发挥设备性能，为稀土工业发展提供可靠保障。