史軍

（北京國冶銳誠工程技術有限公司，北京100083）

摘 要：根據河北一鋼鐵廠180 m²燒結機余熱利用項目中的循環風機的磨損情況，分析探討風機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措施。

關 鍵 詞：燒結廠；離心風機；除塵風機；磨損；余熱利用

0  引言

離心風機是鋼鐵廠燒結廠的重要輔助設備，如燒結段的主抽風機、除塵風機、余熱利用的循環風機都是離心風機。這些風機的工作介質都是煙氣，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）。由于這些離心風機是在含塵氣流中工作，氣流中的粉塵顆粒既要對離心風機機殼、葉輪產生磨損，又要在風機葉片上附著積灰，且這種磨損和積灰是不均勻的，可能會因使風機轉子平衡遭到破壞，機殼磨穿，葉片磨損變形，引起風機振動，漏風、縮短風機壽命，嚴重可使風機不能正常工作，尤其是風機葉片的磨損最為嚴重，它不僅破壞了風機內的流動特性，而且容易引發葉片斷裂及飛車等重大事故。因此，研究風機的磨損機理、采取相應的防磨措施、選擇合理的風機材質對安全經濟生產十分必要。

1  工程實例

河北一鋼鐵廠180 m²燒結機余熱利用項目于2014年1月投產，循環風機為兩臺。2014年12月使用方反映蝸殼嚴重磨損，出現漏風現象。現場觀察，磨損主要部位發生在進風口煙氣流轉彎進入葉輪處（進風箱），靠近葉輪處磨穿。如下圖1。

查閱風機隨機資料，得到本風機主要參數如下：型式為雙吸、離心、單出、F式；流量630 000 m³/h；壓力6500 Pa；轉速960 r/min；效率為87%；輸送介質為燒結煙氣；密度0.8093 kg/m³；正常工作溫度135℃～155℃；介質含粉塵平均濃度（經驗值） 2000 mg/Nm³、1 g/Nm³～5 g/Nm³；粒徑最大100um（經驗值），約10%；調節門阻力矩5 242 N·m；冷卻水量3 t/h；冷卻水壓力0.3 MPa～0.5 MPa；配套電機為YKK710-6-1800kW-10kV-IP54；風機最大起吊重量為8 000 kg （轉子組）；風機最大起吊高度為2.6 m（軸心向上）；電機參考重量為14500 kg；主要材質：葉片、葉輪采用16Mn，機殼采用Q235-A，主軸采用35CrMo。

2  磨損機理分析

燒結廠環冷機余熱利用風機為離心風機，其工作介質為燒結礦的冷卻煙氣。煙氣中含有礦物顆粒、燃燒顆粒，會對風機形成磨損。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。在大量塵粒的連續作用下，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。當塵粒的作用負荷超過塑性變形層的極限強度時，這一表層即被破壞而掉落，造成磨損。

風機工作時，含塵氣流中塵粒與氣體分兩相流動，氣體從風機入口風箱向出口流動時偏轉90°，由于塵粒具有動量，質量較大的塵粒進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。粉塵粒子進入葉輪后與壁面相互作用，在離心流道的進口區域和整個軸向流道內，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，然后又反彈進入流道內，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域內，塵粒在流道內運動了較長一段距離，大部分和壁面發生過多次碰撞，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域的集中。該項目中風機磨損發生在入口風箱進入風機蝸殼處，氣流轉彎處，沖蝕磨損和磨粒磨損是導致磨損的直接主要原因^[1]。

3  影響磨損的主要因素

離心風機磨損主要由固粒對機殼及葉片的沖蝕磨損和固粒在葉片表面運動的擦傷式磨粒磨損組成。離心力公式：

式(1)中，F為離心力，N；K為常數；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。同時風機材料的物理性能和機械性能等影響防止磨損的能力大小。

3.1  塵粒

相關材料表面塵粒在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，單位時間內固體顆粒撞擊葉輪葉片壁面次數和頻率越高，磨蝕越嚴重；磨損量與氣體運動速度的成正比，速度越大，塵粒的離心力和動能越大，沖擊越大，磨損越嚴重。

3.2  轉速

材料磨損與風機轉速的關系式^[3]：

式(2)中，δ為磨損量，mm/h；K為磨損系數，實驗值；A為含塵量，kg/m³；n為轉速，r/min。

由此可見風機的磨損受其轉速的影響較大，轉速越高，磨損越嚴重。在滿足系統流量、壓力要求的前提下，選擇低比轉數的風機，可降低風機轉速以減輕磨損。

3.3  沖角

磨粒以一定角度沖擊風機機殼、葉片，其磨損隨沖角的增大而增大，在20°～30°時達到最大，繼續增大，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，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；Ha為磨料硬度，MPa。

隨著磨料硬度越高，磨損越大。可見，提高材料的耐磨性，既要提高材料硬度，也要選用合適的材料。該項目實例中風機葉片、葉輪采用Q345（16Mn），機殼采用Q235-A。風機機殼磨穿檢修時，尚未發現葉輪及其它部位有磨損。

4  整改措施

根據影響風機材料耐磨性的各因素，相應采取措施，減輕磨損。

4.1  設除塵系統

煙氣中的粉塵顆粒是導致風機磨損的根源，設置除塵設備、提高除塵設備效率、降低粉塵濃度是防止風機磨損最有效的方法。在除塵系統中，一般應將通風機安裝在除塵設備之后運行，以保證離心風機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，應盡量采用效率高的除塵設備，提高氣體的凈化程度。對于除塵設備，還要根據其結構特點，定期維護和檢修，確保其正常的工作條件。

在該項目中，風機前設置有除塵系統，除塵器采用重力沉降式，除塵效率50%。實踐證明，這個除塵器效率太低，型式不適合。由于此風機為循環風機，煙氣回用，不外排到環境中去，若同時采用布袋除塵器會增加系統阻力，增加工程造價。建議此除塵器采用沉降式適當增加沉降面積，或采用旋風除塵器。

4.2  轉速

離心風機的磨損受其轉速的影響較大，轉速越高，磨損越嚴重。在滿足系統流量、壓力要求的前提下，選擇低比轉數的風機，可降低風機轉速以減輕磨損。該項目中風機轉速960 r/min，若降速至740 r/min，由于電機及風機增大，風機成本增加約25%，對成本影響較大，故設計采用了轉速960 r/min。

4.3  沖角

可以和風機廠共同優化風機設計，入口風箱可考慮增加導流葉片，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機材料，增加其耐磨性。在該項目整改中，更換進氣箱，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，未發現磨損。在此類項目，風機設計時，要根據工作介質選擇合適的部件材料，筆者認為此風機外殼、葉片材料選用不得低于Q345；

b) 在易磨損區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  結語

在該項目實例中，被磨穿風機整體更換了進氣箱，材質由Q235更換為Q345。更換后，未發現磨損，滿足使用要求。項目實施過程中，采用后期整改方式滿足性能需求，顯然會造成設備浪費和停產損失。在設計之初就應該針對影響風機磨損的因素采用相應的方法。如在此類工作介質為燒結煙氣含大量顆粒物，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；采用較低的轉速；采用耐磨材料；擴大進氣向截面積，降低介質流速；入口風箱增加導流片；在易磨損區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到防磨或減少磨損目的。

參 考 文 獻：

［1］ 劉愛軍.礦井風機葉片磨損機理與抗磨技術研究進展［J］.中國安全科學學報，2008，18(11)：169-176.

［2］ 張惠寧.燒結設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1990.

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

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