史军

（北京国冶锐诚工程技术有限公司，北京100083）

摘 要：根据河北一钢铁厂180 m²烧结机余热利用项目中的循环风机的磨损情况，分析探讨风机磨损原理及影响磨损大小的因素，并提出了减少磨损的一些技术措施。

关 键 词：烧结厂；离心风机；除尘风机；磨损；余热利用

0  引言

离心风机是钢铁厂烧结厂的重要辅助设备，如烧结段的主抽风机、除尘风机、余热利用的循环风机都是离心风机。这些风机的工作介质都是烟气，常含有一定量大小不等、形状各异的固体颗粒（CaO、FeO、燃烧颗粒）。由于这些离心风机是在含尘气流中工作，气流中的粉尘颗粒既要对离心风机机壳、叶轮产生磨损，又要在风机叶片上附着积灰，且这种磨损和积灰是不均匀的，可能会因使风机转子平衡遭到破坏，机壳磨穿，叶片磨损变形，引起风机振动，漏风、缩短风机寿命，严重可使风机不能正常工作，尤其是风机叶片的磨损最为严重，它不仅破坏了风机内的流动特性，而且容易引发叶片断裂及飞车等重大事故。因此，研究风机的磨损机理、采取相应的防磨措施、选择合理的风机材质对安全经济生产十分必要。

1  工程实例

河北一钢铁厂180 m²烧结机余热利用项目于2014年1月投产，循环风机为两台。2014年12月使用方反映蜗壳严重磨损，出现漏风现象。现场观察，磨损主要部位发生在进风口烟气流转弯进入叶轮处（进风箱），靠近叶轮处磨穿。如下图1。

查阅风机随机资料，得到本风机主要参数如下：型式为双吸、离心、单出、F式；流量630 000 m³/h；压力6500 Pa；转速960 r/min；效率为87%；输送介质为烧结烟气；密度0.8093 kg/m³；正常工作温度135℃～155℃；介质含粉尘平均浓度（经验值） 2000 mg/Nm³、1 g/Nm³～5 g/Nm³；粒径最大100um（经验值），约10%；调节门阻力矩5 242 N·m；冷却水量3 t/h；冷却水压力0.3 MPa～0.5 MPa；配套电机为YKK710-6-1800kW-10kV-IP54；风机最大起吊重量为8 000 kg （转子组）；风机最大起吊高度为2.6 m（轴心向上）；电机参考重量为14500 kg；主要材质：叶片、叶轮采用16Mn，机壳采用Q235-A，主轴采用35CrMo。

2  磨损机理分析

烧结厂环冷机余热利用风机为离心风机，其工作介质为烧结矿的冷却烟气。烟气中含有矿物颗粒、燃烧颗粒，会对风机形成磨损。其磨损形式通常为冲蚀磨损和磨粒磨损。尘粒对金属的磨损是由尘粒对金属的撞击和擦伤两种作用构成，但其先决条件是尘粒在法向力的作用下被压入金属，并在切向力的作用下使磨粒推进。在大量尘粒的连续作用下，使之形成一个塑性的凹坑，这些凹坑将逐渐形成一个塑性变形的薄层。当尘粒的作用负荷超过塑性变形层的极限强度时，这一表层即被破坏而掉落，造成磨损。

风机工作时，含尘气流中尘粒与气体分两相流动，气体从风机入口风箱向出口流动时偏转90°，由于尘粒具有动量，质量较大的尘粒进入流道后加速向叶片工作面与后盘的交界处、叶片工作面流动，也有少量的尘粒向叶片非工作面流动。粉尘粒子进入叶轮后与壁面相互作用，在离心流道的进口区域和整个轴向流道内，基本上是在气流的夹带及自身惯性的综合作用下以非零攻角碰撞壁面，然后又反弹进入流道内，这样引起的壁面材料的磨损是典型的冲蚀磨损；而在离心流道的出口区域内，尘粒在流道内运动了较长一段距离，大部分和壁面发生过多次碰撞，基本上沿着压力表面滑动或滚动，并对壁面有一定的压力作用，这样造成背面材料的磨损属于擦伤式磨粒磨损，更加剧了尘粒在压力面附近区域的集中。该项目中风机磨损发生在入口风箱进入风机蜗壳处，气流转弯处，冲蚀磨损和磨粒磨损是导致磨损的直接主要原因^[1]。

3  影响磨损的主要因素

离心风机磨损主要由固粒对机壳及叶片的冲蚀磨损和固粒在叶片表面运动的擦伤式磨粒磨损组成。离心力公式：

式(1)中，F为离心力，N；K为常数；ρ为密度，kg/m³；d为粒径，um；μ为流速，m/s；r为半径，m。

可知尘粒的密度ρ、流速μ、粒径d影响离心力的大小，硬度、形状、入射角等影响磨损大小。同时风机材料的物理性能和机械性能等影响防止磨损的能力大小。

3.1  尘粒

相关材料表面尘粒在20μm～200μm时，材料磨损率随粒径增大而增大。烧结粉尘粒径在50μm以上的约占20%^[2]，粒径50μm以下的占80%，粒径10μm～20μm的占25%，粒径20μm～30μm的占15%；多角形磨粒冲蚀远大于圆状粒子，甚至低硬度的多角形磨粒冲蚀比高硬度的圆状粒子大；尘粒硬度越高冲蚀越大；磨损量与气体的含尘浓度成正比，粉尘浓度越大，单位时间内固体颗粒撞击叶轮叶片壁面次数和频率越高，磨蚀越严重；磨损量与气体运动速度的成正比，速度越大，尘粒的离心力和动能越大，冲击越大，磨损越严重。

3.2  转速

材料磨损与风机转速的关系式^[3]：

式(2)中，δ为磨损量，mm/h；K为磨损系数，实验值；A为含尘量，kg/m³；n为转速，r/min。

由此可见风机的磨损受其转速的影响较大，转速越高，磨损越严重。在满足系统流量、压力要求的前提下，选择低比转数的风机，可降低风机转速以减轻磨损。

3.3  冲角

磨粒以一定角度冲击风机机壳、叶片，其磨损随冲角的增大而增大，在20°～30°时达到最大，继续增大，磨损反而减少。

3.4  材料

材料硬度分为宏观硬度和表面硬度，耐磨性取决于材料的表面硬度。一般而言，叶轮材料硬度越高，则抗冲击能力越强，耐磨性能越好。奥氏体钢比碳钢和合金钢耐磨。奥氏体组织的高锰钢硬度比碳钢和合金钢提高了很多。经过热处理后的各种不同成分的钢，虽然硬度相同，却有不同的耐磨性。如40钢和16Mn热处理后硬度相近，但16Mn比40钢耐磨性强得多。金属硬度与磨料硬度的比值（Hm/Ha）越高，磨损越小，超过一定值后，磨损迅速下降^[4]。磨损量见下式：

式(3)中，Ka为磨损系数；Ha为磨料硬度，MPa。

随着磨料硬度越高，磨损越大。可见，提高材料的耐磨性，既要提高材料硬度，也要选用合适的材料。该项目实例中风机叶片、叶轮采用Q345（16Mn），机壳采用Q235-A。风机机壳磨穿检修时，尚未发现叶轮及其它部位有磨损。

4  整改措施

根据影响风机材料耐磨性的各因素，相应采取措施，减轻磨损。

4.1  设除尘系统

烟气中的粉尘颗粒是导致风机磨损的根源，设置除尘设备、提高除尘设备效率、降低粉尘浓度是防止风机磨损最有效的方法。在除尘系统中，一般应将通风机安装在除尘设备之后运行，以保证离心风机叶轮在净化后的气流中工作，消除磨损条件。在条件允许的情况下，应尽量采用效率高的除尘设备，提高气体的净化程度。对于除尘设备，还要根据其结构特点，定期维护和检修，确保其正常的工作条件。

在该项目中，风机前设置有除尘系统，除尘器采用重力沉降式，除尘效率50%。实践证明，这个除尘器效率太低，型式不适合。由于此风机为循环风机，烟气回用，不外排到环境中去，若同时采用布袋除尘器会增加系统阻力，增加工程造价。建议此除尘器采用沉降式适当增加沉降面积，或采用旋风除尘器。

4.2  转速

离心风机的磨损受其转速的影响较大，转速越高，磨损越严重。在满足系统流量、压力要求的前提下，选择低比转数的风机，可降低风机转速以减轻磨损。该项目中风机转速960 r/min，若降速至740 r/min，由于电机及风机增大，风机成本增加约25%，对成本影响较大，故设计采用了转速960 r/min。

4.3  冲角

可以和风机厂共同优化风机设计，入口风箱可考虑增加导流叶片，更改冲角大小，以最大程度减少磨损。

4.4  材料

a) 采用硬度更高更耐磨的材料作为风机材料，增加其耐磨性。在该项目整改中，更换进气箱，材料采用Q345替换之前的Q235，提高其耐磨性。更换至今，效果较好，未发现磨损。在此类项目，风机设计时，要根据工作介质选择合适的部件材料，笔者认为此风机外壳、叶片材料选用不得低于Q345；

b) 在易磨损区加防磨衬板或堆焊耐磨层，同样可防止磨损。一般可在工作面、非工作面、叶片头易磨损区加16Mn低合金衬板，还可在衬板上堆焊耐磨层来提高其耐磨性能。非工作面磨损很小，仅加衬板即可。

5  结语

在该项目实例中，被磨穿风机整体更换了进气箱，材质由Q235更换为Q345。更换后，未发现磨损，满足使用要求。项目实施过程中，采用后期整改方式满足性能需求，显然会造成设备浪费和停产损失。在设计之初就应该针对影响风机磨损的因素采用相应的方法。如在此类工作介质为烧结烟气含大量颗粒物，需针对磨损影响因素考虑以下措施：前置效率较高的除尘器，降低含尘量；采用较低的转速；采用耐磨材料；扩大进气向截面积，降低介质流速；入口风箱增加导流片；在易磨损区加防磨衬板或堆焊耐磨层。在以上因素中配合成本分析，可采用一种或几种组合达到防磨或减少磨损目的。

参 考 文 献：

［1］ 刘爱军.矿井风机叶片磨损机理与抗磨技术研究进展［J］.中国安全科学学报，2008，18(11)：169-176.

［2］ 张惠宁.烧结设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，1990.

［3］ 陈大泉.引风机叶片磨损的分析［J］.四川电力技术，1997(3)：68-73.

［4］ 何奖爱，王玉伟.材料磨损与耐磨材料［M］.沈阳：东北大学出版社，2001.