轻稀土钐（Sm）提纯风机技术解析与应用：以D(Sm)342-2.71型高速高压多级离心鼓风机为例

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轻稀土钐（Sm）提纯风机技术解析与应用：以D(Sm)342-2.71型高速高压多级离心鼓风机为例

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：轻稀土钐（Sm）提纯，稀土矿离心鼓风机，D(Sm)342-2.71型风机，风机配件与修理，工业气体输送，多级离心鼓风机，高速高压风机

引言

在稀土矿的采选与提纯工艺中，离心鼓风机是保障生产连续性与稳定性的核心动力设备。尤其是针对轻稀土元素钐（Sm）的提纯流程，对鼓风机的压力、流量、耐腐蚀性及运行稳定性提出了严苛要求。我国稀土工业经过数十年发展，已形成一系列专用风机型号，其中“C(Sm)”型系列多级离心鼓风机、“CF(Sm)”与“CJ(Sm)”型系列专用浮选离心鼓风机、“D(Sm)”型系列高速高压多级离心鼓风机、“AI(Sm)”型系列单级悬臂加压风机、“S(Sm)”型系列单级高速双支撑加压风机以及“AII(Sm)”型系列单级双支撑加压风机等，共同构成了稀土提纯领域的气体输送装备体系。本文将聚焦于轻稀土钐（Sm）提纯工艺中广泛应用的高速高压设备:D(Sm)342-2.71型多级离心鼓风机，系统阐述其工作原理、结构特点、配件构成、维护修理要点，并延伸探讨其在输送各类工业气体（如空气、CO₂、N₂、O₂、He、Ne、Ar、H₂及混合无毒工业气体）中的应用技术。

第一章：稀土提纯工艺与离心鼓风机概述

1.1 轻稀土钐（Sm）提纯工艺简介

钐（Sm）作为轻稀土元素，主要从氟碳铈矿、独居石等矿物中提取。其典型提纯流程包括矿石破碎、焙烧、酸溶、萃取分离、还原冶炼等环节。在萃取、浮选及气体保护冶炼等工序中，需要精确控制的气体环境与压力支持。例如，在浮选工序中，需向矿浆中注入特定压力的空气或惰性气体以形成气泡，吸附目标矿物；在还原炉中，可能需要输送高纯氩气或氢气作为保护气氛。这些工艺环节对鼓风机的性能要求可归纳为：流量稳定可调、出口压力高、气体密封性好、耐一定腐蚀与磨损、能适应连续长周期运行。

1.2 离心鼓风机在稀土提纯中的作用

离心鼓风机通过高速旋转的叶轮对气体做功，将机械能转化为气体的压力能与动能，从而实现气体的输送与增压。在钐提纯流程中，其主要作用包括：

浮选供气：为浮选槽提供恒定压力的空气或惰性气体，形成适宜大小的气泡，实现矿物分离。 工艺气输送：输送CO₂、N₂、O₂等参与化学反应或作为保护气的工业气体。 烟气排放与处理：输送焙烧、冶炼过程中产生的工业烟气至净化系统。 系统流化与搅拌：在部分湿法冶金环节，通过气体鼓入实现反应器的流态化或搅拌。

1.3 稀土提纯专用风机系列概览

针对不同工艺点位和工况，发展了多个系列风机：

C(Sm)系列多级离心鼓风机：适用于中低压、大流量场合，如浮选工艺的主供气。 CF(Sm)/CJ(Sm)系列专用浮选离心鼓风机：针对浮选工况优化，强调抗堵塞、易维护。 D(Sm)系列高速高压多级离心鼓风机：本文重点，适用于要求较高出口压力的环节，如高压浸出、远程气体输送、高压反应器等。 AI(Sm)/S(Sm)/AII(Sm)系列单级加压风机：结构相对紧凑，适用于中低压、空间受限的增压点。

第二章：D(Sm)342-2.71型高速高压多级离心鼓风机深度解析

2.1 型号命名规则与技术参数释义

以D(Sm)342-2.71为例，其型号解读如下：

“D”：代表D系列高速高压多级离心鼓风机。该系列设计特点是采用多级叶轮串联、齿轮增速箱驱动，以达到普通单级风机无法实现的高压比。 “(Sm)”：表示该风机设计或优化适用于轻稀土钐（Sm）的提纯工艺环境，可能在材质选择、密封形式、防腐处理等方面有特殊考量。 “342”：代表风机在设计工况下的进口容积流量，单位为立方米每分钟（m³/min）。即该风机在设计进气条件下，每分钟可输送342立方米的实际气体。需要特别注意，当输送介质非标准空气时，需进行介质密度、温度、压缩性等因素的换算。 “-2.71”：表示风机出口的表压为2.71个大气压（即绝压约为3.71 atm）。这是风机在额定流量和进气条件下能够克服的管网阻力并提供的气体压力。型号中未标注进气压力，默认为标准大气压（约0.1013 MPa绝压，即表压为0）。若有特殊进气压力要求，通常在技术协议中单独标明。

作为对比，参考型号D(Sm)300-1.8表示：D系列，钐提专用，流量300 m³/min，出口表压1.8 atm。

2.2 核心工作原理与性能曲线特征

D(Sm)342-2.71属于多级离心鼓风机。其核心工作原理是：原动机（通常为电动机）通过齿轮增速箱将转速提升至数千甚至上万转每分钟，驱动多级叶轮在同一主轴或不同主轴（分体式）上高速旋转。气体依次通过各级叶轮和导流器，在每一级中获取能量，压力逐级升高，最终以高压状态排出。

其性能可用压力-流量曲线、功率-流量曲线和效率-流量曲线来描述。对于多级风机，其压力-流量曲线通常较为陡峭，意味着在转速恒定的情况下，流量变化对出口压力影响显著。因此，在实际运行中，常通过调节进口导叶、旁路回流或改变转速（变频驱动）来适应工艺流量变化，并确保风机在高效区内运行，避免进入喘振区（压力剧烈波动、气流倒灌的危险工况）。

2.3 核心结构部件详解

D(Sm)342-2.71型风机结构复杂精密，主要核心部件包括：

风机主轴：
作为传递扭矩和支撑旋转部件的核心零件，通常采用高强度合金钢（如40CrNiMoA）锻造而成，经过精密加工、热处理（调质）和动平衡校正。其设计要求极高的强度、刚性和疲劳寿命，以承受高速旋转产生的离心力、齿轮啮合传递的扭矩以及转子自重引起的弯曲应力。轴上的各个装配位置（如叶轮、齿轮、联轴器安装段）有严格的尺寸公差和形位公差要求。 风机转子总成：
这是风机做功的核心旋转组件，通常由主轴、多级叶轮、定距套、平衡盘、推力盘、联轴器等部件组成。叶轮是核心中的核心，多为三元流后弯式设计，采用高强度铝合金或不锈钢（如304、316L，或更高级别的双相不锈钢、钛合金以应对腐蚀介质）精密铸造或五轴联动数控加工而成。每级叶轮装配后，整个转子总成需进行高速动平衡（G2.5级或更高），以将残余不平衡量控制在极低范围内，确保高速运行平稳。 风机轴承与轴瓦：
高速多级离心鼓风机常采用滑动轴承（轴瓦），因其承载能力大、阻尼性能好、适用于高转速。轴承合金层通常为巴氏合金（锡基或铅基）。径向轴承支撑转子重量，保持轴心稳定；推力轴承承受转子剩余的轴向推力，并与平衡盘共同工作以平衡大部分轴向力。轴承润滑依靠强制循环油系统，提供润滑、冷却和清洁作用。轴承间隙、油膜厚度是确保稳定运行的关键参数。 密封系统： 气封（级间密封与轴端密封）：主要用于防止高压气体向低压区泄漏。在叶轮与隔板之间常采用迷宫密封，利用多次节流膨胀效应来减少泄漏。对于D(Sm)系列这类高压风机，密封设计至关重要。油封：安装在轴承箱两端，防止润滑油外泄和外部杂质进入轴承箱。常用形式为骨架油封或机械式油封。 碳环密封：在输送有毒、贵重或危险气体（如H₂、He）时，轴端密封会采用碳环密封。它由多个具有弹性的碳环组成，在弹簧力和气体压力作用下紧贴轴套表面，形成微间隙密封，泄漏量远小于迷宫密封，安全性更高。维护时需注意碳环的磨损情况。 轴承箱与齿轮增速箱： 轴承箱：为轴承提供稳定、洁净的安装环境，并构成润滑油回路的一部分。箱体需有足够的刚性，防止变形影响轴承对中。 齿轮增速箱：是D(Sm)系列实现高速的关键。采用高精度人字齿轮或斜齿轮，齿轮材料为优质渗碳钢，经渗碳淬火和磨齿加工，确保传动平稳、噪声低、效率高。齿轮箱有自己的润滑系统和冷却系统。 机壳与隔板：
机壳通常为水平剖分式铸铁或铸钢结构，便于安装和检修内部转子。隔板将机壳内部分隔成多个级，并固定导流器，形成气体流道。对输送腐蚀性气体的风机，机壳和隔板内壁可能需要涂覆防腐涂层或采用耐蚀材料。

第三章：风机关键配件的选型、维护与常见故障处理

3.1 关键配件的特性和选型要点

叶轮：选材需根据输送介质决定。输送空气或惰性气体可用高强度铝合金或不锈钢；输送含腐蚀性成分（如酸性烟气、湿氯气）的介质，需选用双相不锈钢、哈氏合金或钛材。叶轮的型线设计决定了风机的效率和性能曲线。 轴承与轴瓦：巴氏合金的厚度、结合强度是关键质量指标。安装时需保证合适的轴承间隙（通常为轴径的千分之1.2到1.5）和紧力。 密封组件： 迷宫密封：间隙控制是关键，过大则泄漏严重，过小易发生摩擦。安装时需按技术要求预留热膨胀间隙。 碳环密封：选型时需考虑气体的特性（温度、洁净度）、轴速和压力。碳环的弹力需适中，保证密封效果又不致过度磨损。 润滑系统配件：包括主油泵、辅助油泵、油冷却器、滤油器、油压调节阀等。油的牌号（通常是ISO VG32或VG46透平油）、清洁度（NAS 7级或更高）和油温（一般控制在40-50℃）必须严格遵守规定。

3.2 风机日常维护与定期检查

运行监控：密切监视风机轴承温度（通常不高于75℃）、振动值（用振动速度有效值mm/s或位移μm衡量，不超过ISO 10816相应标准）、进出口压力、流量、齿轮箱油温、润滑油压等参数。 定期检查：每日：检查油位、有无泄漏、听诊运行声音。每月：分析润滑油样，检测水分、颗粒物和金属磨损元素。 每半年至一年：停机检查联轴器对中情况，检查紧固件松紧。 根据运行小时数（通常8000-16000小时）或状态监测结果：安排大修。

3.3 常见故障分析与修理

振动超标： 可能原因：转子动平衡破坏（叶轮结垢或磨损不均）；轴承磨损或损坏；联轴器对中不良；地脚螺栓松动；基础松动；喘振。修理：重新进行转子现场动平衡或返厂动平衡；更换轴承；重新对联轴器进行激光对中；紧固地脚螺栓；加固基础；通过调节工况点避开喘振区。 轴承温度过高： 可能原因：润滑油量不足或油质劣化；冷却器效果差；轴承间隙过小或装配不当；轴向力未平衡好，推力轴承负荷过大。修理：检查油路，更换清洁润滑油；清洗冷却器；调整或更换轴承；检查平衡盘和推力轴承，调整间隙。 风量或压力不足： 可能原因：进口滤网堵塞；密封间隙磨损过大，内泄漏严重；转速未达额定值（皮带打滑或变频器问题）；叶轮磨损严重；管网阻力实际高于设计值。修理：清洗或更换滤网；测量并调整密封间隙，必要时更换密封件；检查驱动系统；检查叶轮，必要时修复或更换；复核管网系统。 气体泄漏： 可能原因：轴端密封（迷宫或碳环）磨损或损坏；机壳结合面垫片老化。修理：停机更换密封组件；更换机壳中分面密封胶或垫片。

大修流程通常包括：拆卸、清洗、检查、测量、修理或更换、重新装配、对中、单机试车。大修后必须进行性能测试，验证风机是否恢复设计性能。

第四章：D(Sm)系列风机在输送各类工业气体中的应用技术

D(Sm)342-2.71型风机虽为钐提纯设计，但其高速高压特性使其经适当选材和改造后，可适用于多种工业气体的输送。关键在于针对气体物性进行适应性设计。

4.1 不同工业气体输送的要点

空气：最常规介质。注意空气中可能含尘、含水，需前置高效过滤器，防止叶轮结垢和磨损。 工业烟气：成分复杂，可能含SO₂、NOx、粉尘、湿气，具腐蚀性和磨蚀性。风机需选用耐蚀耐磨材料（如双相钢、内衬陶瓷涂层），密封需防腐蚀，且需考虑保温防结露。 二氧化碳（CO₂）、氮气（N₂）、氩气（Ar）：一般为惰性气体。注意气体的纯度和干燥度。高纯气体输送要求极高的密封性（优先选用碳环密封或干气密封），防止空气渗入污染介质。材料兼容性一般较好。 氧气（O₂）：强氧化性，助燃。绝对禁止油脂！所有与氧气接触的部件（流道、密封腔）必须在装配前进行严格的脱脂清洗。材料需选择铜合金、不锈钢（确保在氧环境中摩擦不起火），并控制流速以防静电积聚。密封要求严格防泄漏。 氦气（He）、氖气（Ne）：稀有气体，分子量小，粘度低，极易泄漏。对密封系统要求极高，必须采用碳环密封、干气密封或磁流体密封等高效密封形式。由于气体轻，压缩所需的功与空气不同，风机性能曲线需重新核算。 氢气（H₂）：密度小、扩散性强、易燃易爆。首要问题是防泄漏和防爆。风机壳体需按防爆标准设计，电气部分防爆。密封必须采用零泄漏或微泄漏的干气密封或特殊设计的碳环密封。由于H₂对某些钢材有氢脆作用，材料需选用抗氢脆钢种（如奥氏体不锈钢）。 混合无毒工业气体：需明确混合气体的具体组成、比例、平均分子量、绝热指数、湿度、腐蚀性等，以此为依据重新计算风机的压力、流量、功率和选材。特别注意混合气体是否在特定温度压力下会出现冷凝。

4.2 选型与改造的核心考量因素

当将D(Sm)系列风机用于非空气介质时，必须进行以下核算与调整：

气动性能换算：根据实际气体的密度、绝热指数，利用风机相似定律进行换算，确定在要求流量和压力下风机所需的转速、功率。公式描述为：风机的压力比、流量与转速成正比关系，功率与气体密度和转速的三次方成正比。 材料兼容性：根据气体腐蚀性、氧化性、毒性，选择相容的流道材料、密封材料和润滑油（若密封可能接触介质）。 密封形式重选：根据气体价值、危险性、泄漏要求，升级或更换密封系统。 安全防护：对于可燃、助燃、有毒气体，需配备气体泄漏检测报警、氮气吹扫、消防等系统。

结论

D(Sm)342-2.71型高速高压多级离心鼓风机是轻稀土钐提纯工艺中实现高压气体输送的关键装备，其高性能源于精密的多级叶轮设计、高速齿轮传动、可靠的滑动轴承支撑以及针对性的密封系统。深入理解其型号含义、工作原理、核心部件构造，是进行正确操作、日常维护和计划性维修的基础。同时，该系列风机所体现的设计原则，通过针对性的材料选择和密封改造，可延伸应用于氧气、氢气、氦气等多种特殊工业气体的输送领域，展现了其技术的通用性与拓展性。

对于风机用户和技术人员而言，建立以状态监测为导向的预防性维护体系，掌握核心部件的故障诊断与修复技能，并深刻理解输送介质特性对风机运行安全与寿命的影响，是保障稀土提纯及其他工业气体输送生产线连续、高效、安全运行的不二法门。随着稀土产业向精细化、绿色化发展，对离心鼓风机的效率、可靠性和智能化水平也将提出更高要求，这将是未来风机技术持续创新的方向。

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