单质钙(Ca)提纯专用风机技术解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：单质钙提纯专用风机、D(Ca)72-1.91型号解析、离心鼓风机结构、风机配件维修、工业气体输送技术、金属单质提纯设备

引言：金属单质提纯工艺中的风机技术

在有色金属冶炼和金属单质提纯领域，离心鼓风机作为核心气体输送与加压设备，发挥着不可替代的作用。特别是在高纯度金属钙的生产过程中，对鼓风机的密封性能、材料兼容性、压力稳定性和气体纯度保持能力提出了极其严苛的要求。金属钙作为活泼碱土金属，在提纯过程中极易与氧气、氮气等发生反应，因此需要专用风机设备在惰性气体保护环境下完成输送与循环作业。本文将系统阐述金属单质钙提纯专用离心鼓风机的基础知识，重点解析D(Ca)72-1.91型号的技术特点，并深入探讨风机关键配件、维修保养要点及工业气体输送相关技术。

第一章：金属钙提纯工艺与风机选型原则

1.1 金属钙提纯工艺流程概述

高纯度金属钙的工业化生产主要采用真空蒸馏法或电解法，这两种方法都需要在严格控制的惰性气氛中进行。在真空蒸馏法中，需要将粗钙加热至880-920℃使其汽化，然后在低温区冷凝收集高纯度钙。整个过程需要连续、稳定地提供氩气或氦气作为保护气体，防止钙蒸气与空气接触氧化。电解法则需要在熔融氯化钙电解质中进行，同样需要惰性气体覆盖电解槽表面。无论是哪种工艺，离心鼓风机都承担着保护气体循环、压力维持和气氛控制的关键任务。

1.2 钙提纯专用风机的特殊要求

针对钙提纯工艺的特殊性，专用风机必须满足以下技术要求：

第二章：单质钙提纯专用风机系列概述

根据金属钙提纯工艺的不同阶段和不同需求，行业内开发了多个专用风机系列，每个系列都有其特定的应用场景和技术特点。

2.1 “C(Ca)”型系列多级离心鼓风机

该系列风机采用多级叶轮串联设计，每级叶轮均配备导流器，通过多级压缩实现较高的压力比。C(Ca)系列特别适用于需要中高压力的钙提纯工艺段，如真空系统的前级加压或保护气体的高压注入。其结构特点是各级叶轮对称布置，可部分抵消轴向推力，减少推力轴承负荷。该系列风机通常配备可调进口导叶，能够在不改变转速的情况下调节流量和压力，适应工艺波动。

2.2 “CF(Ca)”与“CJ(Ca)”型系列专用浮选离心鼓风机

这两个系列专门为钙矿浮选工艺开发，但经过特殊改造后也可用于钙提纯的某些辅助环节。CF(Ca)型采用前弯型叶轮，在相同转速下可获得较高压力，但效率相对较低；CJ(Ca)型则采用后弯型叶轮，效率较高但达到相同压力需要更高转速或更多级数。在钙提纯应用中，这两个系列主要用于原料预处理阶段的空气分离设备或辅助气体输送，不直接接触钙蒸气。

2.3 “AI(Ca)”型系列单级悬臂加压风机

AI(Ca)系列采用单级叶轮和悬臂式转子设计，结构紧凑，维护方便。该系列风机适用于钙提纯工艺中需要中等压力、大流量的气体循环环节。悬臂设计避免了轴穿过机壳可能带来的密封问题，但限于单级压缩，压力比较低。AI(Ca)风机通常配备磁力耦合驱动，实现完全无泄漏的动力传递。

2.4 “S(Ca)”型系列单级高速双支撑加压风机

S(Ca)系列是为高转速应用设计的单级风机，采用两端支撑的转子结构和高速齿轮箱或变频电机驱动，叶轮线速度可达250-350m/s。这种高速设计使得单级叶轮就能产生较高的压力比，简化了风机结构，减少了潜在泄漏点。S(Ca)风机特别适用于钙提纯系统中空间受限但需要较高压力的场合。

2.5 “AII(Ca)”型系列单级双支撑加压风机

AII(Ca)系列在AI(Ca)基础上增加了转子另一端支撑，提高了转子刚性和运行稳定性，可承受更大的叶轮直径和更高的工作压力。该系列风机适用于钙提纯工艺的主循环系统，需要在长期连续运行中保持极高稳定性的场合。

2.6 “D(Ca)”型系列高速高压多级离心鼓风机

D(Ca)系列综合了多级压缩和高速转子的优点，是实现高压力比的主力机型。该系列采用2-6级叶轮，每级叶轮都经过空气动力学优化，级间设置回流器和扩压器，确保高效率转换。转子由高精度齿轮箱驱动，转速可达15000-30000rpm。D(Ca)系列是钙提纯工艺中最核心、技术含量最高的风机类型，特别适用于需要将保护气体压缩到1.5-3.0个大气压的高压提纯系统。

第三章：D(Ca)72-1.91型号技术深度解析

3.1 型号命名规则解读

根据行业标准，钙提纯专用风机的型号编码包含丰富信息。以D(Ca)72-1.91为例：

作为对比，参考型号D(Ca)300-1.6表示：D系列钙提纯专用风机，编码300（通常表示大流量设计），出口压力1.6个大气压，进口为标准大气压，与跳汰机配套使用。

3.2 D(Ca)72-1.91设计参数与性能特点

D(Ca)72-1.91作为钙提纯专用风机的典型代表，其设计充分考虑了金属钙提纯工艺的特殊需求：

流量特性：在额定转速下，该型号风机的体积流量范围通常为60-80m³/min（标准状态），质量流量根据输送气体的不同而变化。对于氩气保护气体，额定流量下的质量流量约为1.8-2.4kg/s。

压力特性：出口压力1.91个大气压为表压值，绝对压力为2.91个大气压，压力升高值（压升）为0.91MPa。风机能够在额定流量的70-120%范围内保持压力稳定，波动范围不超过设计值的±2%。

效率指标：由于采用多级设计和精密制造，D(Ca)72-1.91的等熵效率可达82-86%，机械效率94-96%，综合效率在78-82%之间。高效率不仅降低能耗，也减少了机械发热，有利于系统温度稳定。

转速与驱动：该型号通常采用齿轮箱增速设计，工作转速在18000-22000rpm之间，由四级防爆电机通过弹性联轴器驱动。部分高端型号配备磁力驱动系统，彻底消除轴封泄漏风险。

材料选择：所有与气体接触的部件均采用316L超低碳不锈钢或哈氏合金C-276，表面进行镜面抛光处理（Ra≤0.4μm），减少钙蒸气附着和积存。叶轮采用沉淀硬化不锈钢17-4PH整体数控铣制，并经动平衡校正至G2.5级精度。

3.3 结构特点与技术创新

D(Ca)72-1.91在结构上进行了多项针对性创新：

级间密封系统：多级风机各级之间的密封采用非接触式迷宫密封与碳环密封组合设计。迷宫密封减少级间泄漏，碳环密封则作为最终屏障，确保工艺气体不向大气泄漏。密封间隙控制在0.15-0.25mm，既保证不接触，又将泄漏降至最低。

轴向力平衡系统：多级叶轮产生的巨大轴向推力通过平衡盘和推力轴承组合平衡。平衡盘直径经过精密计算，可平衡90-95%的轴向力，剩余轴向力由金斯伯雷型推力轴承承受。这种设计大大延长了推力轴承寿命，提高了运行可靠性。

热膨胀补偿设计：风机运行中，转子与静子部件存在温差，产生不均匀热膨胀。D(Ca)72-1.91采用浮动轴承座和柔性基础设计，允许轴承箱在受热时自由膨胀，避免热应力导致的变形和对中失准。

在线监测系统：配备振动、温度、压力多点监测，实时监控风机运行状态。特别针对钙提纯工艺，增加了密封气压力差监测和气体纯度在线分析接口，确保工艺安全。

第四章：风机关键配件详解

4.1 风机主轴

D(Ca)72-1.91的主轴采用整体锻造的42CrMoA合金钢，调质处理至硬度HRC28-32，表面镀硬铬0.05-0.08mm增加耐磨性。主轴精度达到IT5级，直线度偏差小于0.01mm/m，全长跳动不超过0.02mm。主轴与叶轮的配合采用过盈配合加键连接，过盈量根据转速和离心力精确计算，确保在最高转速下叶轮与主轴不产生相对运动。主轴内部设计有中心通孔，用于平衡轴向气压和减轻重量。

4.2 风机轴承与轴瓦

D(Ca)72-1.91采用滑动轴承而非滚动轴承，主要原因是滑动轴承在高速下的稳定性更好，阻尼特性优异，能够有效抑制油膜振荡。径向轴承为椭圆瓦设计，椭圆度0.3-0.5mm，这种设计在水平和垂直方向具有不同的油膜刚度，可提高转子稳定性。推力轴承采用金斯伯雷型可倾瓦结构，每块瓦块独立浮动，自动调整形成最佳油楔。

轴瓦材料为巴氏合金（锡锑铜合金）离心浇铸在钢背上，厚度3-5mm。巴氏合金具有良好的嵌入性和顺应性，微小异物可嵌入合金中而不损伤轴颈。轴瓦与轴颈的间隙经过精密计算，直径间隙为轴颈直径的0.0012-0.0015倍，确保形成稳定的动压油膜。

4.3 风机转子总成

转子总成是离心风机的核心部件，D(Ca)72-1.91的转子由主轴、2-4级叶轮、平衡盘、轴套和联轴器组成。每级叶轮均为闭式后弯型，叶片数12-16片，采用三元流设计，效率高、工作范围宽。叶轮制造完成后，单个叶轮进行静平衡校正，不平衡量小于1g·mm/kg；所有叶轮装到主轴后，进行整体高速动平衡，在18000rpm下校正至G2.5级精度（残余不平衡量小于1.2g·mm）。

转子临界转速经过精确计算，一阶临界转速为工作转速的130%以上，二阶临界转速为工作转速的200%以上，确保工作转速远离临界区，避免共振。

4.4 气封与油封系统

气封系统：D(Ca)72-1.91采用多级组合式密封。主要密封形式包括：

密封系统通入略高于内部压力的惰性密封气（通常为氮气），形成气幕防止工艺气体外泄。

油封系统：轴承箱的油封采用复合式设计。内侧为甩油环加迷宫密封，防止润滑油沿轴渗出；外侧为骨架油封或机械密封，防止外部杂质进入。润滑油系统配备恒压供油装置，油压稳定在0.15-0.2MPa，油温控制在40-50℃。

4.5 轴承箱与润滑系统

轴承箱为铸铁件，分上下两半，便于安装检修。箱体设计有足够的刚性，避免在运行中变形。轴承箱内设有多道挡油板和回油槽，确保润滑油顺畅回流。

润滑系统由主油泵、辅助油泵、油冷却器、双联过滤器和蓄能器组成。主油泵由主轴直接驱动，辅助油泵为电动，在启停时提供润滑。油过滤器精度10μm，确保润滑油清洁度NAS 7级。系统设有低压报警和联锁停机保护，油压低于0.08MPa时报警，低于0.05MPa时停机。

4.6 碳环密封详解

碳环密封是D(Ca)72-1.91的关键密封部件，由多个浸渍金属（通常为铜或巴氏合金）的碳环组成。每个碳环内径略小于轴径，依靠自身弹性抱紧轴表面，形成初始密封。运行中，碳环与轴轻微接触，摩擦生热使接触面形成极薄气膜，实现准非接触运行。

碳环密封的优点包括：

碳环密封的缺点是寿命有限，通常8000-12000小时需要更换，且对轴的表面硬度要求高（HRC≥50）。

第五章：风机维护与故障处理

5.1 日常维护要点

D(Ca)72-1.91的日常维护应重点关注以下方面：

振动监测：每天记录各轴承座的振动值，水平、垂直、轴向三个方向均应监测。振动速度有效值应小于4.5mm/s，峰值不超过7.1mm/s。发现振动增大趋势，应及时分析原因。

温度监测：轴承温度不超过75℃，油温不超过65℃。温度异常升高往往是故障前兆，需立即排查。

密封系统检查：定期检查密封气压力，应比风机内压高0.02-0.05MPa。密封气流量异常增大可能预示密封磨损。

油系统维护：每周检查油位，每月取样分析油质，每半年更换润滑油。过滤器压差超过0.15MPa时应更换滤芯。

5.2 常见故障分析与处理

振动过大：可能原因包括转子不平衡、对中不良、轴承磨损、基础松动或共振。处理步骤：首先检查地脚螺栓和联轴器对中；其次进行振动频谱分析，判断故障类型；不平衡需重新做动平衡，轴承损坏需更换。

轴承温度高：可能原因包括油质不良、油量不足、轴承间隙不当、负载过大或冷却不良。处理措施：检查油质和油量；测量轴承间隙；检查工艺系统是否超压运行；清洗油冷却器。

密封泄漏：表现为工艺气体泄漏或密封气消耗量异常增大。可能原因包括密封磨损、弹簧失效、密封间隙过大或轴表面损坏。处理措施：停机更换密封件；检查轴颈表面，必要时修复或更换。

压力波动：可能原因包括进口过滤器堵塞、叶轮结垢、转速波动或系统泄漏。处理措施：清洗进口过滤器；检查叶轮洁净度；检查变频器或调速装置；进行气密性试验。

5.3 大修周期与内容

D(Ca)72-1.91建议每运行24000-30000小时或3-4年进行一次大修，主要内容包括：

第六章：工业气体输送技术要点

6.1 可输送气体类型及特性

D(Ca)72-1.91及其系列风机设计用于输送多种工业气体，每种气体特性不同，对风机设计和运行参数有不同要求：

空气：最常用介质，密度1.293kg/m³，等熵指数1.4。输送空气时，风机性能参数可直接按设计值使用。

工业烟气：成分复杂，可能含腐蚀性成分，需选用耐腐蚀材料，并考虑结垢和堵塞问题。

二氧化碳(CO₂)：密度1.977kg/m³，等熵指数1.28。CO₂在高压下可能液化，需控制最低运行温度。

氮气(N₂)：密度1.251kg/m³，等熵指数1.4。化学性质稳定，是常用的密封气和吹扫气。

氧气(O₂)：密度1.429kg/m³，等熵指数1.4。强氧化剂，所有材料必须禁油，并防静电设计。

氦气(He)：密度0.1785kg/m³，等熵指数1.66。密度极低，需要特殊设计的叶轮和密封，防止外泄。

氖气(Ne)：密度0.9002kg/m³，等熵指数1.64。稀有气体，价格昂贵，密封要求极高。

氩气(Ar)：密度1.784kg/m³，等熵指数1.67。钙提纯最常用保护气体，化学性质极不活泼。

氢气(H₂)：密度0.0899kg/m³，等熵指数1.41。密度最小，易泄漏，易燃爆，需特殊防爆设计。

混合无毒工业气体：需根据具体成分确定物性参数，特别是平均分子量和等熵指数。

6.2 气体特性对风机设计的影响

密度影响：气体密度直接影响风机功率。功率计算公式为：功率与气体密度成正比。输送轻气体（如氢气）时，相同体积流量下功率大大降低；但相同质量流量下，功率变化不大。

等熵指数影响：等熵指数影响压缩过程的温升和功率。等熵指数大的气体（如氩气1.67）在相同压缩比下温升更高，需加强冷却；同时所需功率也稍大。

可压缩性影响：高压下气体偏离理想气体，需考虑压缩因子修正。实际流量计算公式中需加入压缩因子项。

腐蚀性与毒性：腐蚀性气体需选用耐腐蚀材料；毒性气体需确保零泄漏，采用双机械密封或磁力驱动。

6.3 不同气体输送时的风机调整

当使用同一台风机输送不同气体时，需进行参数调整：

转速调整：为保持相同压比，输送轻气体时需要提高转速；输送重气体时可降低转速。转速调整公式为：转速比等于气体密度比的开平方分之一。

功率调整：电机功率需根据实际气体密度重新核算，避免过载或欠载。

密封调整：输送易泄漏气体（如氢气、氦气）时，需加强密封；输送危险性气体时，需增加安全防护。

材料兼容性检查：确保风机材料与所输送气体兼容，特别是氧气输送必须禁油，氟气输送需特殊材料。

第七章：选型与应用实例

7.1 D(Ca)72-1.91在钙提纯工艺中的典型应用

在某年产2000吨高纯钙（纯度99.99%）的真空蒸馏装置中，配置了3台D(Ca)72-1.91风机，分别用于：

实际运行数据表明，D(Ca)72-1.91在该应用中表现出色：连续运行时间超过8000小时无故障；氩气消耗量比旧型号降低23%；系统氧含量始终保持在5ppm以下；单位产品能耗降低15%。

7.2 选型计算示例

为某钙提纯项目选配风机，已知条件：

选型计算步骤：

7.3 与其他型号对比选型

在选择钙提纯专用风机时，需根据具体工况选择合适的系列：

D(Ca)72-1.91在流量70m³/min、压比1.9左右的工况下，综合效率比AI(Ca)系列高8-12%，比进口同类产品低15-20%成本，具有显著性价比优势。

第八章：未来发展趋势

8.1 智能化与预测性维护

未来钙提纯专用风机将深度融合物联网和人工智能技术。通过在风机关键位置布置更多传感器，实时监测振动、温度、压力、声发射等多维度数据，结合机器学习算法，实现故障预测和健康管理。系统能够在故障发生前数周甚至数月发出预警，安排计划性维修，避免非计划停机。

8.2 新材料应用

新型复合材料、陶瓷涂层和表面处理技术将进一步提高风机性能和寿命。例如：

8.3 零泄漏技术

磁力驱动和干气密封技术的进一步成熟，将实现真正的零泄漏风机。无接触式动力传递和密封，彻底消除工艺气体外泄和润滑污染可能，满足未来更严格的环保和安全要求。

8.4 能效提升

通过计算流体动力学优化、自适应导叶、变频调速与工艺参数智能匹配，新一代钙提纯专用风机的效率有望再提升5-8%，显著降低金属钙生产的能耗成本。

结语

D(Ca)72-1.91作为单质钙提纯专用风机的典型代表，体现了我国在特种工业风机领域的技术积累和创新成果。从设计理念到制造工艺，从材料选择到密封技术，每一个细节都针对金属钙提纯的特殊需求进行了优化。正确理解风机型号含义，掌握关键配件特性，实施科学维护保养，根据输送气体特性调整运行参数，是确保钙提纯装置安全、稳定、高效运行的基础。随着新材料、新技术、智能化的不断发展，钙提纯专用风机将向着更高效率、更高可靠性、更智能化方向持续演进，为我国有色金属冶炼和高端材料制备行业提供坚实的技术装备支撑。