史軍

（北京國冶銳誠工程技術(shù)有限公司，北京100083）

摘 要：根據(jù)河北一鋼鐵廠180 m²燒結(jié)機(jī)余熱利用項(xiàng)目中的循環(huán)風(fēng)機(jī)的磨損情況，分析探討風(fēng)機(jī)磨損原理及影響磨損大小的因素，并提出了減少磨損的一些技術(shù)措施。

關(guān) 鍵 詞：燒結(jié)廠；離心風(fēng)機(jī)；除塵風(fēng)機(jī)；磨損；余熱利用

0  引言

離心風(fēng)機(jī)是鋼鐵廠燒結(jié)廠的重要輔助設(shè)備，如燒結(jié)段的主抽風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、余熱利用的循環(huán)風(fēng)機(jī)都是離心風(fēng)機(jī)。這些風(fēng)機(jī)的工作介質(zhì)都是煙氣，常含有一定量大小不等、形狀各異的固體顆粒（CaO、FeO、燃燒顆粒）。由于這些離心風(fēng)機(jī)是在含塵氣流中工作，氣流中的粉塵顆粒既要對離心風(fēng)機(jī)機(jī)殼、葉輪產(chǎn)生磨損，又要在風(fēng)機(jī)葉片上附著積灰，且這種磨損和積灰是不均勻的，可能會因使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡遭到破壞，機(jī)殼磨穿，葉片磨損變形，引起風(fēng)機(jī)振動，漏風(fēng)、縮短風(fēng)機(jī)壽命，嚴(yán)重可使風(fēng)機(jī)不能正常工作，尤其是風(fēng)機(jī)葉片的磨損最為嚴(yán)重，它不僅破壞了風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動特性，而且容易引發(fā)葉片斷裂及飛車等重大事故。因此，研究風(fēng)機(jī)的磨損機(jī)理、采取相應(yīng)的防磨措施、選擇合理的風(fēng)機(jī)材質(zhì)對安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)十分必要。

1  工程實(shí)例

河北一鋼鐵廠180 m²燒結(jié)機(jī)余熱利用項(xiàng)目于2014年1月投產(chǎn)，循環(huán)風(fēng)機(jī)為兩臺。2014年12月使用方反映蝸殼嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。現(xiàn)場觀察，磨損主要部位發(fā)生在進(jìn)風(fēng)口煙氣流轉(zhuǎn)彎進(jìn)入葉輪處（進(jìn)風(fēng)箱），靠近葉輪處磨穿。如下圖1。

查閱風(fēng)機(jī)隨機(jī)資料，得到本風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如下：型式為雙吸、離心、單出、F式；流量630 000 m³/h；壓力6500 Pa；轉(zhuǎn)速960 r/min；效率為87%；輸送介質(zhì)為燒結(jié)煙氣；密度0.8093 kg/m³；正常工作溫度135℃～155℃；介質(zhì)含粉塵平均濃度（經(jīng)驗(yàn)值） 2000 mg/Nm³、1 g/Nm³～5 g/Nm³；粒徑最大100um（經(jīng)驗(yàn)值），約10%；調(diào)節(jié)門阻力矩5 242 N·m；冷卻水量3 t/h；冷卻水壓力0.3 MPa～0.5 MPa；配套電機(jī)為YKK710-6-1800kW-10kV-IP54；風(fēng)機(jī)最大起吊重量為8 000 kg （轉(zhuǎn)子組）；風(fēng)機(jī)最大起吊高度為2.6 m（軸心向上）；電機(jī)參考重量為14500 kg；主要材質(zhì)：葉片、葉輪采用16Mn，機(jī)殼采用Q235-A，主軸采用35CrMo。

2  磨損機(jī)理分析

燒結(jié)廠環(huán)冷機(jī)余熱利用風(fēng)機(jī)為離心風(fēng)機(jī)，其工作介質(zhì)為燒結(jié)礦的冷卻煙氣。煙氣中含有礦物顆粒、燃燒顆粒，會對風(fēng)機(jī)形成磨損。其磨損形式通常為沖蝕磨損和磨粒磨損。塵粒對金屬的磨損是由塵粒對金屬的撞擊和擦傷兩種作用構(gòu)成，但其先決條件是塵粒在法向力的作用下被壓入金屬，并在切向力的作用下使磨粒推進(jìn)。在大量塵粒的連續(xù)作用下，使之形成一個塑性的凹坑，這些凹坑將逐漸形成一個塑性變形的薄層。當(dāng)塵粒的作用負(fù)荷超過塑性變形層的極限強(qiáng)度時，這一表層即被破壞而掉落，造成磨損。

風(fēng)機(jī)工作時，含塵氣流中塵粒與氣體分兩相流動，氣體從風(fēng)機(jī)入口風(fēng)箱向出口流動時偏轉(zhuǎn)90°，由于塵粒具有動量，質(zhì)量較大的塵粒進(jìn)入流道后加速向葉片工作面與后盤的交界處、葉片工作面流動，也有少量的塵粒向葉片非工作面流動。粉塵粒子進(jìn)入葉輪后與壁面相互作用，在離心流道的進(jìn)口區(qū)域和整個軸向流道內(nèi)，基本上是在氣流的夾帶及自身慣性的綜合作用下以非零攻角碰撞壁面，然后又反彈進(jìn)入流道內(nèi)，這樣引起的壁面材料的磨損是典型的沖蝕磨損；而在離心流道的出口區(qū)域內(nèi)，塵粒在流道內(nèi)運(yùn)動了較長一段距離，大部分和壁面發(fā)生過多次碰撞，基本上沿著壓力表面滑動或滾動，并對壁面有一定的壓力作用，這樣造成背面材料的磨損屬于擦傷式磨粒磨損，更加劇了塵粒在壓力面附近區(qū)域的集中。該項(xiàng)目中風(fēng)機(jī)磨損發(fā)生在入口風(fēng)箱進(jìn)入風(fēng)機(jī)蝸殼處，氣流轉(zhuǎn)彎處，沖蝕磨損和磨粒磨損是導(dǎo)致磨損的直接主要原因^[1]。

3  影響磨損的主要因素

離心風(fēng)機(jī)磨損主要由固粒對機(jī)殼及葉片的沖蝕磨損和固粒在葉片表面運(yùn)動的擦傷式磨粒磨損組成。離心力公式：

式(1)中，F(xiàn)為離心力，N；K為常數(shù)；ρ為密度，kg/m³；d為粒徑，um；μ為流速，m/s；r為半徑，m。

可知塵粒的密度ρ、流速μ、粒徑d影響離心力的大小，硬度、形狀、入射角等影響磨損大小。同時風(fēng)機(jī)材料的物理性能和機(jī)械性能等影響防止磨損的能力大小。

3.1  塵粒

相關(guān)材料表面塵粒在20μm～200μm時，材料磨損率隨粒徑增大而增大。燒結(jié)粉塵粒徑在50μm以上的約占20%^[2]，粒徑50μm以下的占80%，粒徑10μm～20μm的占25%，粒徑20μm～30μm的占15%；多角形磨粒沖蝕遠(yuǎn)大于圓狀粒子，甚至低硬度的多角形磨粒沖蝕比高硬度的圓狀粒子大；塵粒硬度越高沖蝕越大；磨損量與氣體的含塵濃度成正比，粉塵濃度越大，單位時間內(nèi)固體顆粒撞擊葉輪葉片壁面次數(shù)和頻率越高，磨蝕越嚴(yán)重；磨損量與氣體運(yùn)動速度的成正比，速度越大，塵粒的離心力和動能越大，沖擊越大，磨損越嚴(yán)重。

3.2  轉(zhuǎn)速

材料磨損與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式^[3]：

式(2)中，δ為磨損量，mm/h；K為磨損系數(shù)，實(shí)驗(yàn)值；A為含塵量，kg/m³；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

由此可見風(fēng)機(jī)的磨損受其轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速越高，磨損越嚴(yán)重。在滿足系統(tǒng)流量、壓力要求的前提下，選擇低比轉(zhuǎn)數(shù)的風(fēng)機(jī)，可降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以減輕磨損。

3.3  沖角

磨粒以一定角度沖擊風(fēng)機(jī)機(jī)殼、葉片，其磨損隨沖角的增大而增大，在20°～30°時達(dá)到最大，繼續(xù)增大，磨損反而減少。

3.4  材料

材料硬度分為宏觀硬度和表面硬度，耐磨性取決于材料的表面硬度。一般而言，葉輪材料硬度越高，則抗沖擊能力越強(qiáng)，耐磨性能越好。奧氏體鋼比碳鋼和合金鋼耐磨。奧氏體組織的高錳鋼硬度比碳鋼和合金鋼提高了很多。經(jīng)過熱處理后的各種不同成分的鋼，雖然硬度相同，卻有不同的耐磨性。如40鋼和16Mn熱處理后硬度相近，但16Mn比40鋼耐磨性強(qiáng)得多。金屬硬度與磨料硬度的比值（Hm/Ha）越高，磨損越小，超過一定值后，磨損迅速下降^[4]。磨損量見下式：

式(3)中，Ka為磨損系數(shù)；Ha為磨料硬度，MPa。

隨著磨料硬度越高，磨損越大?？梢姡岣卟牧系哪湍バ?，既要提高材料硬度，也要選用合適的材料。該項(xiàng)目實(shí)例中風(fēng)機(jī)葉片、葉輪采用Q345（16Mn），機(jī)殼采用Q235-A。風(fēng)機(jī)機(jī)殼磨穿檢修時，尚未發(fā)現(xiàn)葉輪及其它部位有磨損。

4  整改措施

根據(jù)影響風(fēng)機(jī)材料耐磨性的各因素，相應(yīng)采取措施，減輕磨損。

4.1  設(shè)除塵系統(tǒng)

煙氣中的粉塵顆粒是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)磨損的根源，設(shè)置除塵設(shè)備、提高除塵設(shè)備效率、降低粉塵濃度是防止風(fēng)機(jī)磨損最有效的方法。在除塵系統(tǒng)中，一般應(yīng)將通風(fēng)機(jī)安裝在除塵設(shè)備之后運(yùn)行，以保證離心風(fēng)機(jī)葉輪在凈化后的氣流中工作，消除磨損條件。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用效率高的除塵設(shè)備，提高氣體的凈化程度。對于除塵設(shè)備，還要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定期維護(hù)和檢修，確保其正常的工作條件。

在該項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)前設(shè)置有除塵系統(tǒng)，除塵器采用重力沉降式，除塵效率50%。實(shí)踐證明，這個除塵器效率太低，型式不適合。由于此風(fēng)機(jī)為循環(huán)風(fēng)機(jī)，煙氣回用，不外排到環(huán)境中去，若同時采用布袋除塵器會增加系統(tǒng)阻力，增加工程造價。建議此除塵器采用沉降式適當(dāng)增加沉降面積，或采用旋風(fēng)除塵器。

4.2  轉(zhuǎn)速

離心風(fēng)機(jī)的磨損受其轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速越高，磨損越嚴(yán)重。在滿足系統(tǒng)流量、壓力要求的前提下，選擇低比轉(zhuǎn)數(shù)的風(fēng)機(jī)，可降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以減輕磨損。該項(xiàng)目中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速960 r/min，若降速至740 r/min，由于電機(jī)及風(fēng)機(jī)增大，風(fēng)機(jī)成本增加約25%，對成本影響較大，故設(shè)計(jì)采用了轉(zhuǎn)速960 r/min。

4.3  沖角

可以和風(fēng)機(jī)廠共同優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，入口風(fēng)箱可考慮增加導(dǎo)流葉片，更改沖角大小，以最大程度減少磨損。

4.4  材料

a) 采用硬度更高更耐磨的材料作為風(fēng)機(jī)材料，增加其耐磨性。在該項(xiàng)目整改中，更換進(jìn)氣箱，材料采用Q345替換之前的Q235，提高其耐磨性。更換至今，效果較好，未發(fā)現(xiàn)磨損。在此類項(xiàng)目，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時，要根據(jù)工作介質(zhì)選擇合適的部件材料，筆者認(rèn)為此風(fēng)機(jī)外殼、葉片材料選用不得低于Q345；

b) 在易磨損區(qū)加防磨襯板或堆焊耐磨層，同樣可防止磨損。一般可在工作面、非工作面、葉片頭易磨損區(qū)加16Mn低合金襯板，還可在襯板上堆焊耐磨層來提高其耐磨性能。非工作面磨損很小，僅加襯板即可。

5  結(jié)語

在該項(xiàng)目實(shí)例中，被磨穿風(fēng)機(jī)整體更換了進(jìn)氣箱，材質(zhì)由Q235更換為Q345。更換后，未發(fā)現(xiàn)磨損，滿足使用要求。項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用后期整改方式滿足性能需求，顯然會造成設(shè)備浪費(fèi)和停產(chǎn)損失。在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該針對影響風(fēng)機(jī)磨損的因素采用相應(yīng)的方法。如在此類工作介質(zhì)為燒結(jié)煙氣含大量顆粒物，需針對磨損影響因素考慮以下措施：前置效率較高的除塵器，降低含塵量；采用較低的轉(zhuǎn)速；采用耐磨材料；擴(kuò)大進(jìn)氣向截面積，降低介質(zhì)流速；入口風(fēng)箱增加導(dǎo)流片；在易磨損區(qū)加防磨襯板或堆焊耐磨層。在以上因素中配合成本分析，可采用一種或幾種組合達(dá)到防磨或減少磨損目的。

參 考 文 獻(xiàn)：

［1］ 劉愛軍.礦井風(fēng)機(jī)葉片磨損機(jī)理與抗磨技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(11)：169-176.

［2］ 張惠寧.燒結(jié)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

［3］ 陳大泉.引風(fēng)機(jī)葉片磨損的分析［J］.四川電力技術(shù)，1997(3)：68-73.

［4］ 何獎愛，王玉偉.材料磨損與耐磨材料［M］.沈陽：東北大學(xué)出版社，2001.