重稀土钪(Sc)提纯专用风机基础技术与应用解析:以D(Sc)61-1.80型离心鼓风机为核心的技术说明

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：重稀土钪提纯专用风机、D(Sc)61-1.80型离心鼓风机、稀土矿提纯离心风机、风机配件与修理、工业气体输送风机

一、稀土矿提纯与离心鼓风机技术概述

稀土元素作为现代高科技产业不可或缺的战略资源，其提取与提纯工艺对设备提出了特殊要求。在众多稀土元素中，重稀土钪（Sc）因其独特的物理化学性质，在航空航天、激光材料、固态燃料电池等领域具有不可替代的作用。钪的提取工艺复杂，需要在特定条件下对矿物进行浮选、分离和提纯，其中气体输送与加压环节至关重要，直接影响到生产效率和产品纯度。

离心鼓风机作为气体输送与加压的核心设备，在稀土矿提纯工艺中承担着关键角色。针对钪提纯的特殊工况，风机技术需要解决以下核心问题：第一，必须适应含有微量腐蚀性成分的工业气体环境；第二，需在连续运转条件下保持稳定的压力与流量输出；第三，必须满足工艺过程对气体纯净度的严格要求，避免二次污染；第四，需要具备良好的调节性能以适应工艺参数变化。

目前，针对稀土矿提纯领域的特殊需求，已形成了多个专用风机系列，包括：“C(Sc)”型系列多级离心鼓风机，主要适用于中等压力要求的提纯环节；“CF(Sc)”型系列专用浮选离心鼓风机，专门针对浮选工艺优化设计；“CJ(Sc)”型系列专用浮选离心鼓风机，侧重于高效节能的浮选气体供给；“D(Sc)”型系列高速高压多级离心鼓风机，适用于高压需求的提纯工序；“AI(Sc)”型系列单级悬臂加压风机，结构紧凑，适用于空间受限的场合；“S(Sc)”型系列单级高速双支撑加压风机，稳定性高，适用于连续运行工况；“AII(Sc)”型系列单级双支撑加压风机，综合性能均衡，适用于多种提纯环节。

这些专用风机可输送的气体介质包括：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，基本涵盖了稀土提纯工艺中涉及的所有气体类型。

二、D(Sc)61-1.80型高速高压多级离心鼓风机技术详解

1. 型号命名规则与基本参数

在重稀土钪提纯工艺中，D(Sc)61-1.80型离心鼓风机是专门针对高压气体输送需求设计的关键设备。根据行业命名规范，“D”代表该风机属于D系列高速高压多级离心鼓风机；“Sc”表示该风机专为重稀土钪提纯工艺优化设计，在材料选择、密封方式和结构设计上进行了针对性改进；“61”表示风机流量为每分钟61立方米，这一流量范围针对中等规模的钪提纯生产线设计，能够平衡设备投资与运行效率；“-1.8”表示风机出口压力为1.8个大气压（表压），即绝对压力约为2.8个大气压。

值得注意的是，在完整型号表示中，压力参数前使用“-”符号，表示出口压力值，而入口压力默认为1个大气压（绝对压力）。如果工艺要求入口压力非标准大气压，则需要在型号中特别标注，通常使用“/”符号分隔入口压力与出口压力值。例如，若入口压力为1.2个大气压，出口压力为1.8个大气压，则型号应表示为D(Sc)61/1.2-1.8。

作为对比，型号D(Sc)300-1.8表示：同属于D系列钪提纯专用风机，流量为每分钟300立方米，出口压力同样为1.8个大气压，主要用于与跳汰机配套的大型提纯生产线。这种型号与流量差异体现了风机系列化的设计思路，可根据生产规模灵活选择。

2. 设计特点与结构原理

D(Sc)61-1.80型离心鼓风机采用多级叶轮串联设计，这是实现高压比的核心技术路径。气体依次通过多个叶轮和扩压器，每经过一级，压力和速度均得到提升。通过多级增压，最终在出口处达到1.8个大气压的设计压力。这种多级结构设计需精确平衡各级之间的匹配关系，避免气体回流和能量损失。

风机的气动设计基于离心力基本公式：气体获得的压力能等于气体质量乘以离心加速度再乘以半径变化量。在实际设计中，工程师通过调整叶轮叶片出口角度、叶片型线、扩压器喉部面积等参数，优化气体流动路径，减少涡流和边界层分离，从而提高风机效率和压力稳定性。

针对钪提纯工艺中可能存在的微量腐蚀性成分，D(Sc)61-1.80型风机的过流部件（包括叶轮、机壳、进气室等）采用特殊不锈钢材料制造，这种材料在氯离子、氟离子等稀土提纯常见腐蚀介质中具有优异的耐腐蚀性能。同时，表面处理采用特殊工艺，减少气体附着和积垢，确保长期运行的稳定性。

3. 在钪提纯工艺中的应用定位

D(Sc)61-1.80型风机主要应用于钪提纯工艺中的加压过滤、气体搅拌和物料输送环节。在加压过滤工序中，风机提供稳定的压力气体，推动矿浆通过过滤介质，实现固液分离；在气体搅拌环节，通过控制气体流量和压力，调节反应釜内的混合强度，促进化学反应；在物料输送环节，利用气流携带固体颗粒，实现连续化生产。

该型号风机的工作点选择基于系统阻力曲线与风机性能曲线的交点。在实际应用中，工艺工程师需要根据管道布置、阀门设置、过滤器阻力等系统特性，绘制系统阻力曲线，然后与风机的压力-流量性能曲线对比，确定最佳工作点，确保风机在高效区运行，避免喘振和阻塞现象。

三、风机核心配件技术说明

1. 风机主轴与轴承系统

D(Sc)61-1.80型风机主轴采用高强度合金钢整体锻造，经过精密加工和热处理，确保在高速旋转条件下（通常转速在5000-15000转/分钟范围内）具有足够的刚度、强度和动态平衡性能。主轴的设计需满足临界转速远离工作转速的原则，通常一阶临界转速至少高于最高工作转速的30%，避免共振现象。

风机轴承采用滑动轴承设计，具体为精密轴瓦结构。轴瓦材料为巴氏合金，这种材料具有良好的嵌入性和顺应性，能在轴颈与轴瓦之间形成稳定的油膜，降低摩擦系数。轴瓦内表面加工有特定几何形状的油槽，确保润滑油均匀分布。轴承间隙经过精密计算和调整，通常控制在轴颈直径的0.1%-0.15%范围内，既保证润滑需求，又限制轴心轨迹幅度。

轴承润滑系统采用强制循环供油方式，包括主油泵、辅助油泵、油冷却器和过滤器等组件。润滑油不仅提供润滑作用，还带走轴承产生的热量，确保轴承温度控制在合理范围内（通常不超过70℃）。润滑油压力、温度和流量均设有监控仪表和报警装置，实现运行状态的实时监控。

2. 风机转子总成

风机转子总成是离心鼓风机的核心旋转部件，由主轴、多级叶轮、平衡盘、联轴器等部件组成。叶轮采用后弯式叶片设计，这种设计虽然单级压力比较低，但效率高、工作范围宽、性能曲线平坦，更适合多级串联使用。叶轮与主轴的连接采用过盈配合加键连接的双重固定方式，确保在高转速下不会松动。

每级叶轮均经过严格的动平衡校正，首先进行单件叶轮的静平衡和动平衡，然后进行转子组件的整体高速动平衡。平衡精度等级通常达到G2.5级（按照ISO1940标准），确保在最高工作转速下，转子剩余不平衡量引起的振动值低于2.8毫米/秒（振动速度有效值）。

平衡盘是多级离心风机特有的部件，位于转子末端，其作用是通过两侧压力差产生与轴向推力方向相反的平衡力，减少推力轴承的负荷。D(Sc)61-1.80型风机的平衡盘设计采用迷宫密封结构，既保证压力差的有效建立，又控制平衡气体的泄漏量。

3. 密封系统

针对稀土提纯工艺对气体纯净度的严格要求，D(Sc)61-1.80型风机采用了多重密封组合设计，主要包括气封、油封和碳环密封。

气封位于叶轮与机壳之间，采用迷宫密封结构。迷宫密封由一系列环形齿片和腔室组成，气体通过齿片间隙时产生节流效应，压力逐渐降低，从而减少级间泄漏。迷宫齿片材料通常为铝青铜或不锈钢，与转子上的密封齿保持微小间隙（通常为0.2-0.5毫米），既保证密封效果，又避免摩擦。

油封位于轴承箱与外界环境之间，防止润滑油泄漏和外部污染物进入。D(Sc)61-1.80型风机采用复合式油封结构，包括甩油环、羊毛毡圈和骨架油封。甩油环利用离心力将沿轴表面流动的润滑油甩回轴承箱；羊毛毡圈具有弹性和吸附性，能有效阻挡油雾；骨架油封则提供主密封作用，其唇口与轴表面紧密接触，形成动态密封。

碳环密封是D系列风机针对有毒、贵重或危险气体输送开发的高级密封技术。碳环由高强度石墨材料制成，具有良好的自润滑性和耐高温性。碳环分为多个弧段，通过弹簧箍紧在轴上，形成圆周密封。碳环密封的泄漏量远低于迷宫密封，特别适用于输送氢气等小分子气体或需要严格控制泄漏的工况。

4. 轴承箱与辅助系统

轴承箱是支撑转子并容纳轴承、密封等部件的关键组件。D(Sc)61-1.80型风机的轴承箱采用铸铁或铸钢材料，结构设计充分考虑刚性和散热需求。轴承箱内设有油路通道、测温孔、观察窗等，便于维护和监控。

除了上述核心配件，风机还包括进气室、蜗壳、扩压器、回流器、出口法兰等静止部件。这些部件的设计均基于计算流体动力学分析，优化气体流动路径，减少局部阻力和涡流损失。所有静止部件与旋转部件之间保持适当的间隙，既保证运行安全，又控制内部泄漏。

四、风机维护、修理与故障处理

1. 日常维护要点

D(Sc)61-1.80型风机的日常维护是确保长期稳定运行的基础。维护工作主要包括：每天检查润滑油位、油温和油压，确保润滑系统正常工作；监听风机运行声音，检测异常振动；监测进出口压力和流量，判断性能变化；检查密封部位是否有泄漏现象。

定期维护项目包括：每运行500小时更换润滑油并清洗油过滤器；每运行2000小时检查联轴器对中和轴承间隙；每运行8000小时全面检查密封磨损情况，必要时更换密封件；每年进行一次全面拆检，评估叶轮、主轴等核心部件的磨损和腐蚀状况。

针对钪提纯工艺的特殊性，需要特别注意气体成分对风机内部的影响。如果工艺气体中含有固体颗粒或腐蚀性成分，应缩短检查周期，重点关注过流部件的磨损和腐蚀情况。建议建立风机运行档案，记录每次维护的参数变化和部件更换情况，为预测性维护提供数据支持。

2. 常见故障诊断与处理

风机振动异常是多级离心鼓风机最常见的故障之一。振动原因可能包括：转子不平衡、轴承损坏、对中不良、基础松动等。诊断时首先测量振动频率和幅值，如果振动频率等于转速频率，主要怀疑转子不平衡；如果振动频率是转速频率的倍数，可能为对中问题；如果出现高频振动，可能为轴承损坏。处理措施包括重新平衡转子、更换轴承、重新对中或紧固基础螺栓。

压力或流量不足是另一类常见故障。可能原因包括：密封间隙过大导致内部泄漏增加；叶轮磨损或腐蚀导致气动性能下降；过滤器堵塞导致进气阻力增加；电机转速下降等。诊断时首先检查系统阻力变化，然后检测风机实际性能曲线，与设计曲线对比确定性能下降程度。处理措施包括调整或更换密封件、修复或更换叶轮、清洗过滤器、检查电机和变频器等。

轴承温度过高也是需要注意的故障现象。可能原因包括：润滑油量不足或油质劣化；轴承间隙过小；冷却系统效率下降；轴承负载过大等。处理措施包括补充或更换润滑油、调整轴承间隙、清洗冷却器、检查平衡系统是否正常等。

3. 大修与部件更换

当风机运行时间达到设计寿命（通常为5-8年）或出现严重性能下降时，需要进行全面大修。大修工作包括：完全拆卸风机，清洗所有部件；检查主轴直线度和表面状况，必要时进行矫直或磨削修复；检查叶轮叶片磨损情况，测量叶片厚度变化，如果超过原厚度30%需更换；检查机壳、进气室等静止部件的腐蚀和磨损情况；更换所有密封件和轴承；重新组装后进行整体平衡和性能测试。

在部件更换过程中，需要特别注意以下几点：新叶轮必须经过单独平衡才能安装；轴瓦刮研需要专业技术人员操作，确保接触面积和间隙符合要求；迷宫密封安装时需使用塞尺检查间隙，确保均匀一致；碳环密封安装前需检查弹簧压力和环的完整性；所有紧固螺栓必须按照规定的扭矩和顺序拧紧。

大修完成后，风机应进行空载试运行和负载试运行。空载试运行主要检查机械部分是否正常，包括振动、温度、声音等指标；负载试运行则验证风机性能是否恢复，需要在不同工况点测试压力和流量，绘制实际性能曲线，与设计曲线对比，确保大修质量。

五、工业气体输送风机的特殊考虑

1. 不同气体介质的适应性设计

稀土提纯工艺中涉及多种工业气体，不同气体对风机设计有不同要求。输送氧气时，需要特别注意材料的相容性和防爆要求，所有过流部件必须采用不产生火花的材料，润滑系统必须与氧气完全隔离；输送氢气时，由于氢气密度小、分子小，容易泄漏，需要采用更高级别的密封系统，如干气密封或双碳环密封；输送腐蚀性气体如氯气时，需要采用耐腐蚀材料如哈氏合金，并考虑腐蚀裕量。

对于D(Sc)61-1.80型风机，其设计主要针对空气和一般工业气体，但如果用户需要输送特殊气体，必须在选型阶段明确说明，以便制造商进行针对性调整。调整可能包括：材料升级、密封形式改变、间隙调整、防腐涂层应用等。这些调整会影响风机成本和交货周期，但为确保安全可靠运行是必要的。

2. 气体性质对性能的影响

气体密度、比热比、压缩性等物理性质直接影响风机的性能表现。风机的基本性能曲线通常基于标准状态空气（20℃，1个大气压，相对湿度50%）绘制，当输送其他气体时，需要进行性能换算。换算公式基于相似原理：压力比和效率保持不变，而流量和功率与气体密度成正比。

例如，输送二氧化碳时，由于其密度约为空气的1.5倍，在相同转速下，风机产生的压力也约为空气的1.5倍，但电机功率需求也相应增加。相反，输送氢气时，由于其密度仅为空气的1/14，风机产生的压力大幅降低，可能需要提高转速或更改叶轮设计才能达到所需压力。

气体温度也是重要影响因素。高温气体会降低气体密度，同时可能引起材料热膨胀，改变运行间隙。D(Sc)61-1.80型风机的标准设计适用于进气温度不超过80℃的气体，如果温度更高，需要采用耐高温材料，并增加冷却措施。

3. 安全与监控系统

工业气体输送风机的安全系统是设计的重要组成部分。D(Sc)61-1.80型风机的标准安全配置包括：喘振保护系统，通过监测流量和压力，在接近喘振线时自动打开旁通阀或降低转速；过载保护，通过电机电流监测防止机械过载；温度监控，包括轴承温度、润滑油温度、排气温度等；振动监控，连续监测轴承座振动值；压力监控，包括润滑油压力、密封气压力、进口压力等。

对于输送易燃易爆或有毒气体的场合，还需要增加特殊安全措施，如：气体泄漏检测报警系统；防爆电机和电气元件；氮气吹扫系统，在启停阶段用惰性气体置换风机内危险气体；防火隔离措施等。这些安全系统的设计需要符合相关行业标准和规范，如GB/T 16941-2008《离心鼓风机安全要求》、GB 3836《爆炸性环境用电气设备》系列标准等。

六、未来发展趋势与技术展望

随着稀土提纯工艺的不断进步，对专用离心鼓风机的要求也在不断提高。未来重稀土钪提纯专用风机的发展趋势可能包括：

智能化水平提升：通过安装更多传感器和智能分析软件，实现风机状态的实时监控和预测性维护。基于大数据和人工智能技术，能够提前识别潜在故障，优化运行参数，提高能源效率。

材料技术进步：新型复合材料、陶瓷涂层、高性能合金等材料的应用，将提高风机的耐腐蚀性、耐磨性和高温性能，延长使用寿命，降低维护成本。

密封技术革新：干气密封、磁流体密封等先进密封技术的应用，将进一步减少气体泄漏，提高工艺气体利用率，降低环境污染风险。

能效标准提高：随着全球节能要求的提高，风机设计将更加注重全生命周期能效优化，包括提高气动效率、降低机械损失、优化控制系统等。

模块化设计：标准化、模块化的设计理念将降低定制成本，缩短交货周期，同时提高互换性和维护便利性。

D(Sc)61-1.80型风机作为当前重稀土钪提纯工艺中的成熟产品，其设计理念和技术特点代表了行业现有水平。随着技术进步和工艺革新，未来必将出现性能更优越、适应性更强的专用风机，为稀土资源的高效、清洁提取提供更可靠的装备支持。

七、结语

重稀土钪提纯专用离心鼓风机是稀土冶金工业中不可或缺的关键设备，其技术水平直接影响提纯效率和产品质量。D(Sc)61-1.80型高速高压多级离心鼓风机针对钪提纯工艺的特殊需求设计，在压力范围、材料选择、密封技术等方面进行了专门优化，能够满足中等规模生产线的工艺要求。

正确的选型、安装、运行和维护是确保风机长期稳定运行的关键。用户需要根据实际工艺条件选择合适的型号和配置，建立完善的维护体系，及时处理运行中出现的问题。同时，制造商应提供详细的技术资料和专业培训，帮助用户充分发挥设备性能。

随着稀土产业的持续发展和环保要求的不断提高，离心鼓风机技术也将不断进步，为稀土资源的高效、清洁利用提供更加强大的装备支持。希望本文对从事稀土提纯工作的技术人员在选择、使用和维护D(Sc)61-1.80型及类似风机时提供有益的参考。