重稀土铥(Tm)提纯专用风机基础技术详解

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重稀土铥(Tm)提纯专用风机基础技术详解

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：重稀土铥提纯、离心鼓风机、D(Tm)484-2.23风机、稀土矿提纯、风机维修、工业气体输送、多级离心风机

第一章稀土矿提纯与离心鼓风机技术概述

1.1 重稀土铥提纯工艺对风机设备的特殊要求

重稀土元素铥（Tm）作为重要的战略资源，在现代高新技术产业中具有不可替代的作用。铥元素提纯工艺复杂，涉及焙烧、浸出、萃取、结晶等多个环节，每个环节都对气体输送设备提出了严格的要求。在稀土冶炼过程中，风机设备不仅要提供稳定的气源压力，还必须具备耐腐蚀、防泄漏、高精度控制等特性，以适应酸性气体、高温烟气和各类化学介质的环境。

铥提纯工艺中，气体输送的稳定性直接影响到产品纯度和回收率。离心鼓风机在此过程中承担着提供氧化空气、输送工艺气体、维持系统压力平衡等关键功能。特别是高压段的萃取分离和真空结晶工序，对风机的压力控制精度要求极高，波动范围需控制在±0.5%以内。

1.2 稀土专用风机系列化发展历程

为适应稀土冶炼行业的特殊需求，我国风机行业已发展出完整的专用风机产品系列：

“C(Tm)”型系列多级离心鼓风机：采用多级叶轮串联设计，适用于中等压力要求的冶炼环节，如稀土精矿的流态化焙烧供风。 “CF(Tm)”与“CJ(Tm)”型系列专用浮选离心鼓风机：专门针对稀土浮选工艺开发，具有气量调节范围宽、抗泡沫携带能力强的特点。 “D(Tm)”型系列高速高压多级离心鼓风机：本文重点介绍型号，采用高速转子设计，适用于高压、大流量工况，是铥提纯高压工序的核心设备。 “AI(Tm)”型系列单级悬臂加压风机：结构紧凑，适用于辅助工序和气体循环。 “S(Tm)”型系列单级高速双支撑加压风机：平衡性能优异，用于精密气体输送。 “AII(Tm)”型系列单级双支撑加压风机：传统可靠设计，用于一般工艺气体输送。

这些专用风机系列均针对稀土冶炼环境进行了材料、密封和结构的特殊优化，形成了完整的技术体系。

第二章 D(Tm)484-2.23型高速高压多级离心鼓风机详解

2.1 型号解析与技术参数

重稀土铥(Tm)提纯专用风机D(Tm)484-2.23型号标识遵循行业统一规范：

“D”：代表D系列高速高压多级离心鼓风机，区别于C、CF等其他系列。 “(Tm)”：表明该风机专为重稀土铥提纯工艺设计和优化。 “484”：表示风机在标准工况下的额定流量为每分钟484立方米（m³/min）。该流量值是在进口温度20℃、进口压力101.325kPa、相对湿度50%的标准空气条件下测得的。 “-2.23”：表示风机出口绝对压力为2.23个大气压（绝对压力约225.8kPa）。根据行业惯例，若未标注进口压力，则默认进口压力为1个大气压（绝对压力101.325kPa）。

该型号风机主要用于铥提纯工艺中的高压浸出、高压氧化或气体加压输送等关键环节，其工作点需与跳汰机、高压反应釜等设备精确匹配。

2.2 设计与结构特点

D(Tm)484-2.23型风机采用高速多级离心式结构，其主要设计特点如下：

气动设计：采用三元流理论进行叶轮和扩压器设计，每级叶轮后均配有高效扩压器和回流器，确保将动能高效转化为压力能。通过多级串联（通常为3-6级），逐级提升气体压力，最终达到2.23atm的设计出口压力。其气动效率通常在82%-86%之间，高于通用型风机。

转速与驱动：为达到高压比，该风机采用高转速设计，工作转速一般在10000-20000rpm范围。通常由异步电动机通过增速齿轮箱驱动，齿轮箱采用高精度斜齿轮传动，保证平稳增速和功率传递。

材料选择：过流部件（如机壳、叶轮、隔板）根据输送介质的不同选用特殊材料。对于可能接触酸性气体的工况，采用双相不锈钢（如2205）或哈氏合金；对于一般空气或惰性气体，可采用高强度铝合金或不锈钢。

冷却系统：由于高速压缩会产生热量，风机配备有级间冷却或整体冷却系统。对于多级风机，常在级间设置冷却盘管或外接中间冷却器，以控制气体温升，提高压缩效率并保护设备。

2.3 性能曲线与调节

D(Tm)484-2.23风机的性能曲线以流量为横坐标，压力、功率和效率为纵坐标。其压力-流量曲线呈下降趋势，即随着流量增加，出口压力逐渐降低。稳定工作区通常位于最高效率点右侧的70%-110%额定流量范围内。

流量调节方式多样：

进口节流调节：最简单经济的办法，但能耗较高。 变转速调节：通过变频器改变电机转速，实现流量和压力的无级调节，节能效果显著，是当前主流方式。 可调进口导叶：通过改变进入第一级叶轮的气流预旋角来改变性能曲线，调节范围较宽。

在铥提纯应用中，常采用变频调速与工艺参数联动，实现按需供气，保证工艺稳定性。

第三章核心部件与配件技术说明

3.1 转子总成

转子总成是风机的核心运动部件，D(Tm)484-2.23的转子总成包括：

主轴：采用高强度合金钢（如42CrMo）整体锻制，经调质处理和精密磨削，保证在高转速下的强度、刚度和动平衡要求。轴上有安装叶轮、平衡盘和联轴器的键槽或过盈配合面。叶轮：每个叶轮都经过严格的三元流设计，采用后弯式叶片以获取较高的压力系数和较宽的稳定工作区。叶轮与主轴采用过盈配合加键传递扭矩，并通过液压装置进行精密装配。叶轮材料根据介质选择，并需进行超速试验（通常为1.2倍最高工作转速）以确保安全。 平衡盘：用于平衡多级叶轮产生的轴向推力，减小推力轴承的负荷。平衡盘与固定部件间有很小的间隙，利用压差产生反向推力。

转子组装后需进行高速动平衡校正，平衡精度需达到G2.5级（ISO 1940标准），确保在工作转速下振动值低于2.8mm/s。

3.2 轴承与轴瓦系统

D(Tm)484-2.23风机采用滑动轴承（轴瓦）支撑转子，相比滚动轴承，具有承载能力大、阻尼性能好、寿命长的优点。

径向轴承：采用椭圆瓦或可倾瓦结构，具有良好的油膜稳定性和抗振性。轴瓦基体为铸钢，内衬巴氏合金（锡基或铅基）。巴氏合金层厚度约2-3mm，具有优异的嵌入性和顺应性。 推力轴承：采用金斯伯里型或米歇尔型可倾瓦块推力轴承，用于承受残余轴向推力。推力瓦块同样衬有巴氏合金。 润滑系统：配备强制循环油站，提供过滤和冷却后的润滑油。油压、油温均有监测和报警装置。

3.3 密封系统

密封系统是防止气体泄漏和油泄漏的关键，尤其对于输送稀有、贵重或有害气体的稀土提纯风机至关重要。

气封（级间密封和轴端密封）：一般采用迷宫密封。在转轴上安装密封齿（或密封片），与固定部件上的蜂窝密封或密封齿形成多级节流间隙，极大减小级间泄漏和轴向泄漏。密封间隙需严格控制，通常为0.3-0.5mm。 碳环密封：在输送特殊气体（如氢气、氦气）或要求零泄漏的场合，轴端会采用碳环密封。碳环由多个碳环片组成，在弹簧力作用下紧贴轴套，实现接触式密封。碳环密封具有自润滑、耐高温、泄漏量极小的特点，但需要清洁的密封气（通常是氮气）进行缓冲或隔离。油封：位于轴承箱两端，防止润滑油外泄。常用的是骨架油封或迷宫式油封。对于高速风机，油封的设计需考虑离心力的影响。

3.4 轴承箱与机壳

轴承箱：为铸铁或铸钢件，是支撑轴承和转子的基础部件。设计有合理的油路和回油腔，保证轴承充分润滑和顺利回油。轴承箱与机壳之间设有隔热腔，减少热量从机壳向轴承箱传递。 机壳（气缸）：为多级离心鼓风机的静止外壳，通常采用水平剖分式结构，便于转子安装和检修。机壳材料根据压力和介质选择，需有足够的强度和刚度以承受内压并减小变形。吸排气口通常布置在机壳下半部。

第四章风机维护、修理与故障处理

4.1 日常维护要点

运行监控：密切监测风机振动、轴承温度、润滑油压和油温、进气过滤器压差等关键参数。对于D(Tm)484-2.23风机，轴承部位振动速度有效值应持续低于4.5mm/s，轴承温度应低于85℃。 润滑管理：定期化验润滑油，检查水分、酸值和杂质含量。一般每运行2000-4000小时或每半年更换一次润滑油，视化验结果而定。 密封检查：定期检查气封和油封的泄漏情况。迷宫密封的间隙会因磨损而增大，当泄漏量明显增加影响性能时，需计划检修。 过滤器维护：定期清洁或更换进气过滤器，保证进气洁净，防止叶轮磨损和结垢。

4.2 常见故障与修理

振动超标 原因：转子动平衡破坏（结垢、叶轮磨损不均）；对中不良；轴承磨损；基础松动；喘振。修理：停机检查对中情况；检查地脚螺栓；委托专业队伍进行现场动平衡或返厂平衡；检查更换轴承。 轴承温度高 原因：润滑油量不足或油质劣化；冷却器效果差；轴承间隙过小或损坏；轴瓦巴氏合金层脱落或磨损。修理：检查油路、油泵和冷却器；化验并更换润滑油；测量并调整轴承间隙；刮研或更换轴瓦。 性能下降（压力或流量不足） 原因：进气过滤器堵塞；密封间隙磨损过大导致内泄漏增加；叶轮腐蚀或磨损；转速下降。修理：清洁过滤器；测量并调整迷宫密封间隙，必要时更换密封件；检查叶轮状态，严重时更换；检查电机和变频器。 异常噪音 原因：喘振；轴承损坏；齿轮箱故障；转子与静止件摩擦。修理：立即检查运行工况是否进入喘振区并调整；停机检查内部间隙和零部件状态。

4.3 大修流程与注意事项

D(Tm)系列风机的大修周期通常为24000-30000运行小时或3-5年。大修基本流程：

停机、隔离、置换：对于输送有害或可燃气体的风机，必须用惰性气体彻底置换。拆卸：按顺序拆卸联轴器罩壳、联轴器、轴承箱上盖、径向和推力轴承、密封部件，吊出转子。 检查测量：测量所有轴承间隙、瓦背过盈量。测量各级迷宫密封间隙。检查叶轮、主轴有无裂纹、磨损、腐蚀（必要时进行无损探伤）。检查机壳、隔板有无变形或裂纹。 修理更换：根据检查结果，更换所有O型圈、密封垫；修复或更换磨损超差的轴瓦、密封齿；对转子进行清洁和动平衡校验。 回装与对中：按逆序回装，严格控制各部位间隙。最后进行精确对中，通常要求联轴器径向和端面偏差均不超过0.03mm。 试运行：先进行机械试运行（无负荷），检查振动、温度、噪音。正常后逐步加载至工艺要求状态，进行性能测试。

第五章工业气体输送应用技术

5.1 各类工业气体的输送特性与风机适应性

稀土提纯工艺中涉及多种工业气体，重稀土铥(Tm)提纯专用风机必须根据气体特性进行选型和材料选择：

空气：最常用介质，按标准空气设计的风机可直接使用。需注意空气中可能含腐蚀性成分（如冶炼烟气中的SO₂）。 工业烟气：成分复杂，可能含尘、高温、具腐蚀性。需前置高效除尘和降温装置，风机过流部件选用耐腐蚀材料，并考虑积灰的可能性。 二氧化碳(CO₂)：密度大于空气，压缩功耗相对较高。需注意CO₂在高压下的凝华问题，特别是在级间冷却时。 氮气(N₂)、氩气(Ar)：惰性气体，化学性质稳定，主要考虑其密度与空气的差异对风机压力和功率的影响。计算公式：风机压力与气体密度成正比，功率与密度成正比。 氧气(O₂)：强氧化性，禁油。风机所有接触氧气的部位必须进行严格的脱脂处理，轴承箱密封必须可靠，防止润滑油渗入。通常采用无油润滑或使用特殊相容的润滑脂。 氢气(H₂)：密度极小，极易泄漏。要求风机有极高的密封性能，通常采用碳环密封或干气密封，并辅以氮气隔离。压缩氢气温升明显，需加强冷却。同时需防爆设计。 氦气(He)、氖气(Ne)：稀有气体，贵重。首要目标是极低的泄漏率，密封要求与氢气类似。

5.2 气体参数换算与选型修正

当风机输送的气体不是标准空气时，其性能会发生显著变化。选型时必须进行换算：

压力换算：风机产生的压力（压比）与进口状态下的气体密度直接相关。同一台风机，输送密度为ρ的气体时，其产生的压力ΔP与输送空气时产生的压力ΔP_air的关系为：ΔP = ΔP_air × (ρ/ρ_air)。因此，输送密度大的气体（如CO₂）压力会升高，输送密度小的气体（如H₂）压力会大幅降低。 功率换算：风机轴功率与质量流量和压比有关。近似计算公式为：功率与气体密度的一次方成正比，与压比的对数成正比。输送轻气体（如H₂）时，虽然压比下降，但由于质量流量相同条件下体积流量巨大，所需功率仍可能很高，且易发生过载。 流量换算：工艺要求的通常是标准状态下的体积流量或质量流量。风机铭牌流量是进口状态下的体积流量。选型时，必须将工艺要求的标准流量，根据气体状态方程换算成风机进口温度、压力下的实际体积流量，再去匹配风机型号。

因此，为重稀土铥(Tm)提纯工艺选配输送特殊气体的风机时，不能直接套用空气性能曲线，必须向制造商提供准确的气体成分、进口温度、进口压力和要求的出口压力，由制造商进行性能修正和选型计算，必要时调整叶轮尺寸或转速。

5.3 安全与控制系统

输送工业气体的风机需配备完善的安全控制系统：

防喘振控制：设置防喘振曲线，通过自动调节回流阀或进口导叶，确保风机始终在稳定区运行。 气体监测：对于可燃、有毒气体，在风机房和可能泄漏点安装气体探测器。 联锁保护：润滑油压力低、轴承温度高、振动超高、密封气压力低等均应与主电机联锁停机。 紧急排放：对于压缩机后的高压管路，设置安全阀或爆破片。

第六章总结与展望

重稀土铥(Tm)提纯专用风机D(Tm)484-2.23作为针对特定工艺研发的高技术装备，体现了特种风机向高效化、专业化、智能化发展的趋势。其高速多级设计、特殊的材料与密封选择、以及针对工业气体的适应性设计，是保障铥提纯工艺稳定、高效、安全运行的关键。

未来，随着稀土提纯技术的不断进步和对产品纯度、回收率要求的进一步提高，对风机设备也提出了新要求：更高的调节精度和响应速度（以适应更精细的工艺控制）、更低的泄漏率（特别是对于贵重稀有气体）、更强的耐腐蚀和耐磨损能力、以及基于物联网的智能预测性维护功能。

风机技术人员在安装、维护、修理此类设备时，必须深刻理解其工作原理、结构特点和工艺要求，严格遵循操作规程，才能充分发挥设备性能，保障稀土生产线的长期稳定运行，为我国战略资源的高效利用提供坚实保障。

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