重稀土铥(Tm)提纯专用风机:D(Tm)1692-2.91型高速高压多级离心鼓风机技术详解

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：重稀土铥提纯、D(Tm)1692-2.91离心鼓风机、稀土矿提纯设备、工业气体输送、风机配件维修、多级离心风机技术

引言：稀土提纯工艺中的风机动脉

稀土元素作为现代工业“维生素”，其提取与提纯技术直接关系到高端制造业的发展水平。在十七种稀土元素中，重稀土铥(Tm)因其在激光材料、医疗设备和核反应控制领域的特殊应用，提纯工艺要求极为严苛。铥的分离与提纯通常采用离子交换法、溶剂萃取法以及近年来发展的高效离心分离技术，这些工艺过程中，气体输送与压力控制是确保提纯效率与产品纯度的关键环节。离心鼓风机作为提供稳定气源与压力的核心设备，其性能直接影响铥的回收率、纯度及生产成本。

在铥的提纯流程中，风机承担着多种关键功能：为跳汰机提供均匀气流实现矿物初步分选；为反应容器输送特定工业气体创造化学反应条件；为气体循环系统提供动力维持密闭环境压力平衡；为尾气处理系统输送废气进行环保处理。这些应用场景对风机的气密性、压力稳定性、耐腐蚀性和连续运行可靠性提出了高于通用工业风机的特殊要求。

本文将聚焦于重稀土铥提纯专用的D(Tm)1692-2.91型高速高压多级离心鼓风机，系统阐述其工作原理、结构特点、配件配置与维护要点，并延伸探讨稀土提纯过程中其他类型风机的应用特性，为从事稀土冶炼与提纯的技术人员提供全面的设备技术参考。

第一章：重稀土铥提纯工艺与风机选型体系

1.1 铥提纯工艺特点及气体需求

重稀土铥通常存在于磷钇矿、黑稀金矿等复杂矿物中，含量极低且分离困难。现代铥提纯多采用溶剂萃取-离子交换联合工艺，该工艺涉及多个气体敏感环节：

首先在矿石破碎与预处理阶段，需要风机为跳汰机、浮选机提供均匀稳定的气流，实现矿石的初步富集。这一阶段主要使用空气，要求风机提供稳定流量与适度压力，确保矿物颗粒有效分层。

在化学浸出与溶剂萃取阶段，需要向反应体系输送氮气(N₂)创造惰性氛围，防止稀土化合物氧化；有时还需输送氧气(O₂)促进特定化学反应。此阶段对风机的气密性要求极高，微量的空气渗入都可能导致产品氧化损失。

在高温还原与真空蒸馏阶段，需要氩气(Ar)或氦气(He)作为保护气体，同时需要高压气体维持系统压力平衡。此时风机需在高温环境下稳定运行，材料需具备良好耐热性。

尾气处理阶段则需输送含有酸性成分的工业烟气至处理装置，风机需具备优良的耐腐蚀性能。

这些复杂的工艺需求催生了针对稀土提纯的专用风机系列，包括“C(Tm)”型多级离心鼓风机、“CF(Tm)”型与“CJ(Tm)”型浮选专用离心鼓风机、“AI(Tm)”型单级悬臂加压风机、“S(Tm)”型单级高速双支撑风机、“AII(Tm)”型单级双支撑加压风机以及本文重点介绍的“D(Tm)”型高速高压多级离心鼓风机。每种型号针对特定工艺环节优化设计，形成了完整的铥提纯风机选型体系。

1.2 风机型号编码解读

稀土提纯专用风机采用标准化编码系统，以D(Tm)1692-2.91为例：

“D”代表D系列高速高压多级离心鼓风机，该系列采用多级叶轮串联设计，通过逐级增压实现高压输出，特别适用于需要高压力、大流量的气体输送场景。

“(Tm)”表明该风机专为重稀土铥提纯工艺优化设计，在材料选择、密封结构、耐腐蚀处理等方面针对铥提纯环境进行了特殊配置。

“1692”表示风机在设计工况下的额定流量为每分钟1692立方米。该流量值是通过对铥提纯工艺流程中气体需求量系统测算后确定，能够满足中型铥提纯生产线对保护气体、工艺气体及动力气体的综合需求。

“-2.91”表示风机出口绝对压力为2.91个大气压（即表压1.91 kgf/cm²）。此压力值是根据铥提纯反应器工作压力、管道阻力损失及终端设备需求压力综合计算确定，确保气体能够克服系统阻力并维持工艺所需的稳定压力环境。

需要特别说明的是，若型号中没有“/”符号，则表示风机进口压力为标准大气压（1个大气压）。部分特殊型号可能出现如“D(Tm)1692-2.91/1.2”的编码，其中“/1.2”表示进口压力为1.2个大气压，适用于带压进气或前级增压系统。

作为对比，D(Tm)300-1.8型风机流量为300 m³/min，出口压力1.8个大气压，适用于小型提纯线或单一设备供气。而D(Tm)1692-2.91则针对中型生产线设计，体现了不同规模产线的设备匹配原则。

第二章：D(Tm)1692-2.91型风机核心技术解析

2.1 结构设计与工作原理

D(Tm)1692-2.91型风机采用高速高压多级离心式设计，核心原理基于欧拉涡轮方程：气体在高速旋转的叶轮中获得动能，随后在扩压器中转换为压力能。多级串联结构使气体逐级增压，最终达到2.91个大气压的输出压力。

该风机通常包含6-8个压缩级，每级由旋转叶轮和静止扩压器组成。叶轮采用后弯叶片设计，叶片出口角通常在30-50度之间，这种设计兼顾了较高压力和较好效率。根据离心风机基本方程，叶轮传递给气体的理论能量头与叶轮圆周速度的平方成正比，与流量无关。因此，通过提高转速可以显著增加单级压升，D(Tm)1692-2.91采用高速设计，工作转速通常在8000-12000转/分钟范围，具体取决于电机极数和齿轮箱传动比。

气体流动路径经过精心设计：进气口采用渐缩管段，使气体平稳加速进入第一级叶轮；级间转换通道采用低损失设计，减少涡流产生；末级出口配置蜗壳，高效收集气体并进一步将动能转化为压力能。针对铥提纯过程中可能输送的多种气体介质，流道表面进行特殊抛光处理，降低附着风险，便于不同气体介质切换时的清理。

2.2 关键部件材料选择

铥提纯环境复杂多变，可能接触腐蚀性气体、高温及微量放射性物质，因此D(Tm)1692-2.91型风机关键部件采用特殊材料：

机壳与静止部件主要采用316L不锈钢，该材料含钼量2-3%，耐点蚀和缝隙腐蚀性能优于304不锈钢，特别适合含氯离子的酸性环境。对于可能接触氢氟酸的极端情况，可选用蒙乃尔合金或哈氏合金内衬。

叶轮材料根据输送介质不同而区别选择：输送空气或惰性气体时采用高强度铝合金，重量轻、惯性小，有利于快速启停；输送腐蚀性气体时采用双相不锈钢2205，兼顾强度与耐腐蚀性；对于高速重载工况，采用钛合金TC4制造叶轮，虽然成本较高，但其优异的强度重量比和耐腐蚀性确保了长期运行可靠性。

主轴采用42CrMo合金钢，调质处理后表面硬度达到HRC28-32，芯部保持良好韧性。针对高速旋转特性，主轴进行精密动平衡，残余不平衡量控制在G1.0级以内，确保振动值低于ISO 10816-3标准的A区限值。

2.3 密封系统特殊设计

铥提纯工艺对气体纯度要求极高，微量泄漏都可能导致产品污染或安全风险，因此D(Tm)1692-2.91型风机配备了多重密封系统：

碳环密封是核心密封方式，在轴穿过机壳的位置安装一组碳环，利用碳材料的自润滑性和低摩擦特性实现非接触式密封。碳环内径与轴表面保持极小间隙（通常0.05-0.1mm），形成曲折通道，极大增加气体泄漏阻力。每组碳环由3-5个环片组成，各环片切口错开排列，形成迷宫式密封效果。碳环材料选用浸渍呋喃树脂的优质石墨，增强机械强度并降低孔隙率。

气封系统在碳环密封外侧补充布置，将少量洁净缓冲气体（通常为氮气）注入密封间隙，形成气幕阻止工艺气体外泄。气封压力比被密封气体压力高0.05-0.1MPa，确保单向流动。该系统特别适用于输送有毒或昂贵气体的场合。

油封位于轴承箱两端，防止润滑油泄漏并阻止外部污染物进入。采用氟橡胶材质，耐高温、耐磨损，设计寿命不低于16000小时。

三重密封组合确保风机在输送氢气、氦气等小分子气体时，泄漏率仍能控制在0.1%以下，满足铥提纯的严苛要求。

第三章：风机配件系统详解

3.1 转子总成及其平衡工艺

D(Tm)1692-2.91型风机的转子总成是核心运动部件，包括主轴、多级叶轮、平衡盘、联轴器等组件。每级叶轮采用过盈配合加键连接的方式固定在主轴上，过盈量经过精确计算，确保在高速旋转下不松动也不过紧。叶轮装配前逐级进行单体动平衡，精度达到G2.5级；组装成转子后进行整体动平衡，精度提升至G1.0级。平衡校正采用去重法，在叶轮轮盖特定位置钻孔去除材料，孔径深度严格控制，避免引起应力集中。

平衡盘安装于末级叶轮之后，其作用是通过两侧压差产生轴向力，平衡大部分转子轴向推力，剩余推力由推力轴承承担。平衡盘直径经过计算，确保在额定工况下轴向力平衡度达到85%-95%，显著延长推力轴承寿命。

3.2 轴承系统与润滑

该风机采用滑动轴承与滚动轴承组合的支承方案。主轴承为椭圆瓦滑动轴承，巴氏合金衬层厚度1.5-2mm，轴承间隙按轴径的0.0012-0.0015倍设置。椭圆瓦设计提供两个油楔，增强油膜刚度，抑制油膜振荡。推力轴承采用金斯伯雷型可倾瓦块结构，各瓦块独立摆动，自动均衡载荷，轴向承载能力可达2.5吨。

轴承箱为剖分式结构，便于安装维护。润滑油系统包括主油箱、辅助油泵、油冷却器、双联滤油器和温度压力监测仪表。润滑油选用ISO VG46透平油，黏度指数不低于95，抗氧化性能好。润滑系统确保轴承进油温度40-45℃，油压0.15-0.2MPa，每个轴承出口油温升高不超过15℃。

3.3 监测与控制系统

针对高速高压风机的安全运行需求，D(Tm)1692-2.91配备了完善的监测系统：

振动监测：每个轴承安装两个互成90度的振动传感器，测量径向振动；轴向安装一个传感器测量轴向位移。振动报警值设定为4.5mm/s，跳机值设定为7.1mm/s（均方根值）。

温度监测：每个轴承设置两道温度监测，一道用于报警（85℃），一道用于跳机（95℃）。

压力监测：进口、出口、密封气、润滑油压力均设监测点，压力异常时自动调节或停机。

流量监测：出口管道安装热式质量流量计，精度±1%，与压力信号联锁调节转速，实现恒定流量输出。

控制系统采用PLC+触摸屏架构，具备手动/自动模式切换、软启动、防喘振控制、连锁保护等功能。防喘振控制基于风机特性曲线计算安全工作区域，通过调节进口导叶或放空阀开度，确保风机始终在稳定区运行。

第四章：风机维护与故障处理

4.1 日常维护要点

D(Tm)1692-2.91型风机的可靠运行需要系统的日常维护：

每日检查应包括：记录振动、温度、压力等运行参数；检查油位、油质；检查密封气压力；听诊轴承及齿轮箱有无异常声响。特别注意润滑油颜色变化，若迅速变深可能预示异常磨损。

月度维护应包括：清洗油过滤器滤芯；检查联轴器对中情况，偏移量不超过0.05mm，角度偏差不超过0.05°；检查地脚螺栓紧固状态；测试振动传感器灵敏度。

季度维护应包括：抽取油样进行理化分析，检测黏度、水分、酸值、金属颗粒含量等指标；校准所有监测仪表；检查碳环密封磨损情况，测量径向间隙。

4.2 常见故障诊断与处理

振动异常增大是高压离心风机最常见故障。可能原因及处理措施包括：转子积垢破坏平衡:停机清洗；轴承磨损间隙增大:检查轴承间隙，必要时更换；对中不良:重新对中；基础松动:紧固地脚螺栓并检查基础完整性。振动频谱分析是有效诊断工具：工频振动大通常指示不平衡；二倍频大指示对中不良；高频成分可能预示轴承故障。

轴承温度过高可能原因：润滑油不足或污染:检查油位并更换润滑油；冷却水不足:检查冷却器及水路；轴承预紧力过大:调整轴承间隙；载荷过大:检查系统阻力是否异常增加。

气量或压力不足可能原因：进口过滤器堵塞:清洗或更换滤芯；密封间隙过大:检查并调整碳环密封；转速下降:检查电机及传动系统；系统泄漏:进行气密性检查。

异常噪音可能原因：喘振现象:检查并调整运行点远离喘振边界；叶片与机壳摩擦:检查内部间隙；轴承损坏:停机检查轴承状态。

4.3 大修流程与标准

D(Tm)1692-2.91型风机建议每运行24000-30000小时或3-4年进行一次全面大修，主要内容包括：

解体检查：按顺序拆卸联轴器、轴承箱、密封组件、机壳上盖，吊出转子总成。所有部件清洗后仔细检查，测量关键尺寸。

转子检修：检查主轴直线度，允许最大弯曲0.02mm；检查叶轮叶片磨损情况，叶片厚度减少不超过原厚度30%；检查平衡盘磨损，密封齿顶厚度小于0.5mm需更换；重新进行动平衡校正。

轴承与密封更换：滑动轴承巴氏合金层出现剥落、裂纹或磨损超过原厚度1/3需更换；碳环密封径向间隙超过设计值1.5倍需整套更换；所有O型圈、油封等弹性密封件大修时必须更换。

装配与调试：按反向顺序装配，特别注意轴承间隙调整（径向间隙0.12-0.15mm，轴向间隙0.25-0.35mm）。装配后手动盘车应灵活无卡涩。调试时先进行无负荷试车2小时，然后逐步加载至额定工况，监测各参数是否正常。

第五章：铥提纯工艺中其他类型风机的应用

5.1 浮选工艺专用风机

在铥矿石的初步富集阶段，浮选是常用工艺。“CF(Tm)”与“CJ(Tm)”系列浮选专用离心鼓风机针对浮选机充气需求设计，特点包括：

采用单级或双级结构，压力范围0.5-1.2kgf/cm²，满足浮选槽深度要求

流量可调范围宽，适应不同规模浮选生产线

专门设计的气量调节装置，可根据矿石处理量精确控制充气量

防堵塞设计，避免矿浆泡沫倒吸入风机

5.2 中低压气体输送风机

在铥提纯的某些环节，如物料输送、气氛调节等，需要中低压大流量气体。“AI(Tm)”型单级悬臂加压风机结构紧凑，维护方便，压力一般在1.5个大气压以下，流量可达5000m³/min，适用于车间环境气体循环。

“S(Tm)”型单级高速双支撑风机采用齿轮增速，转速可达20000rpm，单级压比高，适合需要较高压力的中流量场合，如反应器气体循环。

“AII(Tm)”型单级双支撑加压风机采用双吸进气设计，流量大且轴向力自平衡，适用于主工艺气体输送，如大型萃取槽的氮气保护系统。

5.3 特殊气体输送注意事项

铥提纯过程涉及多种特殊气体，风机选型与操作需特别注意：

氢气(H₂)：分子量小、易泄漏、易燃易爆。输送氢气的风机需特殊密封设计，通常采用干气密封+氮气隔离双重保障。机壳需设置防爆泄压口，电气设备防爆等级不低于Exd IIB T4。运行中严格控制轴承温度低于80℃，防止热表面引燃。

氧气(O₂)：强氧化剂，与油脂接触可能自燃。氧气风机必须彻底脱脂，所有密封材料采用氟橡胶或聚四氟乙烯等阻燃材料。润滑油系统独立隔离，采用无油润滑轴承或设置可靠的密封气隔离。

氦气(He)/氖气(Ne)：惰性但价格昂贵，泄漏即造成经济损失。此类气体风机强调极致密封，通常采用迷宫密封+碳环密封+机械密封三重组合，泄漏率要求低于0.01%。由于气体分子量小，压缩机温升明显，需强化冷却系统。

二氧化碳(CO₂)：高压下可能液化，且含水时形成碳酸腐蚀设备。输送CO₂的风机需控制每级压比不超过2.0，确保出口温度高于露点；材料选择耐酸不锈钢；定期检查内部腐蚀情况。

工业烟气：成分复杂，常含酸性气体及颗粒物。风机需前置高效过滤器，流道进行防腐涂层处理，易磨损部位设置可更换衬板。轴承箱与气体腔室加强隔离，防止腐蚀性气体侵入润滑系统。

第六章：风机选型与工艺匹配要点

6.1 选型计算基本原则

为铥提纯工艺选择风机时，需综合考虑以下参数：

工艺气体需求总量：根据反应方程式计算理论气体消耗量，乘以1.2-1.5的安全系数

系统压力损失：计算管道、阀门、反应器、末端设备等全程阻力，通常增加10-20%裕量

气体物理性质：分子量影响压缩机功率，绝热指数影响温升，密度影响体积流量

操作弹性要求：考虑生产负荷变化范围，风机最好能在50%-110%额定流量范围内高效运行

环境条件：海拔影响进气密度，温度影响材料选择

计算示例：某铥还原工段需要氮气保护，工艺需求为1500m³/min，反应器压力1.5atm，管道系统压损0.3kgf/cm²，末端设备需求压力0.5kgf/cm²。则风机出口压力需达到：1.5+0.3+0.5=2.3atm（绝对压力）。考虑10%裕量，选型压力应为2.53atm。对照产品系列，D(Tm)1692-2.91型风机额定压力2.91atm，可通过调速降至所需压力，同时流量也有足够调节余量，因此是合适选择。

6.2 节能优化措施

稀土提纯是能耗密集型工艺，风机节能至关重要：

变频调速应用：根据实际气体需求调节转速，避免节流损失。风机流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，功率与转速立方成正比，因此小幅降速即可显著节能

热回收利用：压缩机出口气体温度通常达100-150℃，可通过换热器预热工艺物料或产生低压蒸汽，综合能效提升15-25%

系统优化：合理布置管道减少弯头，选用低阻力阀门，定期清洗过滤器，降低系统压损

多台机组优化配置：大流量需求时，采用两台50%容量风机并联比单台100%容量风机更节能，且提供备用保障

6.3 安全规范与标准

铥提纯风机设计制造需遵循多项标准：

压力容器规范：GB/T 150《压力容器》系列标准

风机专业标准：JB/T 8944《一般用途离心式鼓风机》、JB/T 3165《离心和轴流式鼓风机压缩机热力性能试验》

防爆标准：GB 3836《爆炸性环境》系列标准

振动标准：GB/T 6075《机械振动在非旋转部件上测量评价机器的振动》

环保标准：GB 3096《声环境质量标准》、GB 16297《大气污染物综合排放标准》

安装与操作需建立严格规程：新风机安装后必须进行机械运转试验和性能试验；操作人员需专业培训持证上岗；制定应急预案，包括突然停电、气体泄漏、火灾等情况的处理流程；定期进行安全阀校验、压力表检定等强制性检验。

结语

重稀土铥提纯作为高技术、高附加值的精细化工过程，其设备水平直接决定了产品质量与市场竞争力。D(Tm)1692-2.91型高速高压多级离心鼓风机作为该流程的关键动设备，集成了现代风机设计、材料科学、密封技术和智能控制的先进成果。通过深入了解其工作原理、结构特点、维护要点及与其他工艺风机的协同应用，技术人员能够更好地发挥设备性能，保障铥提纯生产线的稳定高效运行。

随着稀土材料在新兴产业中的应用拓展，对铥等重稀土的纯度要求将不断提高，这必然推动提纯设备向更高精度、更高可靠性、更智能化的方向发展。未来稀土提纯专用风机将呈现以下趋势：采用磁悬浮或空气轴承实现无油化；应用数字孪生技术实现预测性维护；开发自适应控制算法应对复杂多变的工艺条件；应用新型复合材料延长关键部件寿命。作为行业技术人员，持续跟踪这些技术进步并将其应用于实际生产，是提升我国稀土产业核心竞争力的重要途径。