140 t/h干熄焦循環(huán)風機國產(chǎn)化研制

常 超，胡四兵，饒 杰，于躍平，王鵬亮，朱曉農(nóng)

（1合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2蘇州歐拉透平機械有限公司，江蘇蘇州 215413）

引言

熄焦是煤炭煉焦過程的專用術語，其意義為將煉制好的赤熱焦炭冷卻到便于運輸和貯存的溫度。熄焦分為濕法熄焦和干法熄焦兩類，干法熄焦相對于濕法熄焦產(chǎn)能高、污染少而被廣泛應用[1]。干法熄焦（又稱“干熄焦”）裝置之前一直從國外引進，直到2004年馬鋼125 t/h干熄焦國產(chǎn)化示范工程的投產(chǎn)，干熄焦裝置才逐步國產(chǎn)化[2]。干熄焦循環(huán)風機作為干熄焦系統(tǒng)動力中樞裝置，有著至關重要的作用，但無論在進口還是國產(chǎn)工藝中，干熄焦循環(huán)風機都是單機運行，沒有備臺風機，因此其對風機的穩(wěn)定性要求極高；而且由于循環(huán)氣體中焦粉含量高、硬度大，對風機耐磨性要求也較高，受這兩方面制約，國內(nèi)的干熄焦循環(huán)風機之前一直采用進口產(chǎn)品，主要由德國TLT公司和日本安川公司供貨。近年來，國內(nèi)風機廠也逐步實現(xiàn)干熄焦循環(huán)風機的國產(chǎn)化[3]，但是由于設計水平和加工工藝的不足，在使用性能上與進口風機仍有一定的差距。

基于干熄焦循環(huán)風機在國內(nèi)大量使用進口產(chǎn)品，現(xiàn)有的國產(chǎn)干熄焦循環(huán)風機技術水平偏落后的現(xiàn)狀，我司與南京鋼鐵燃料供應廠擬合作開展干熄焦循環(huán)風機的國產(chǎn)化研制工作。用高性能的國產(chǎn)風機替代進口風機，為鋼鐵企業(yè)節(jié)約設備采購成本，提高我國裝備制造業(yè)的技術水平和國際競爭力。

1 設計要求

南京鋼鐵燃料供應廠140 t/h干熄焦裝置原循環(huán)風機為進口TLT風機，服役年限已到，急需新風機替代。根據(jù)長期使用經(jīng)驗，確定風機設計參數(shù)如下:流量199000 m3/h，進口壓力-4300 Pa，全壓11300 Pa，轉(zhuǎn)速1450 r/min，介質(zhì)為焦爐煙氣，焦粉含量1 g/m3。

2 設計過程

風機氣動設計和結構設計是國產(chǎn)化研制的兩個重要部分。氣動設計上，此次研制過程是為了替代進口風機，風機效率要求高，另外也需兼顧耐磨性；結構設計上，主要考慮整機的運行可靠性、穩(wěn)定性及耐磨性。

2.1 氣動設計

此次研制是替代進口風機的改造項目，風機外形尺寸、安裝尺寸和接口尺寸要求與原風機一致，風機機殼按照原風機測繪尺寸設計制造，為匹配風機機殼，葉輪直徑與原風機一致，重點在葉片及流道形狀上進行高效氣動設計。

一般來說，直葉片耐磨性能好但是效率較差，圓弧葉片耐磨性能差但效率較高。為比較兩種形狀葉片氣動性能的差距，在保證葉輪直徑不變的前提下，根據(jù)不同的葉片形狀、出口角、出口寬度設計出3種葉輪結構，結構參數(shù)如表1所示：

表1 三種葉輪結構參數(shù)

對表1中3種葉輪進行CFD流場仿真模擬計算[4,5]，模擬結果如表2所示。

表2 3種葉輪CFD計算結果

圖1列出了3種葉輪在額定流量點50%葉高流道處的速度矢量分布圖。

圖1 3種葉輪在50%葉高處的速度矢量分布圖

根據(jù)經(jīng)驗，機殼內(nèi)壓力損失約1500 Pa，葉輪全壓必須要達到12800 Pa才能滿足11300 Pa的設計需求。從氣動計算結果分析，葉輪1出口角度偏小，導致全壓不足，而且由于工況點偏離最佳效率點，葉輪效率也較低；葉輪3出口角度大，全壓偏高，工況點在最佳效率點附近，但效率仍比葉輪2低1%；葉輪2的出口角度合理，全壓滿足設計要求，工況點正好是最佳效率點，葉輪效率較高。從耐磨效果來看，葉輪2耐磨效果雖然不如葉輪3，但葉輪2的葉片圓弧半徑大，對耐磨性能影響較少，從圖1也能看出，從圖中可以看出，葉輪2的速度矢量分布較均勻、附面層分離少，與壁面沖擊少，耐磨性能有一定的保證。綜合比較采用葉輪2作為風機的葉輪氣動設計結果。

2.2 結構設計

此次研制的風機轉(zhuǎn)速不高，按照以往使用經(jīng)驗，最有可能出現(xiàn)問題的地方在風機軸承處，因此風機可靠性的重點在軸承選擇上，另外軸封設計也是風機能否穩(wěn)定運行的一個要素。

2.2.1 軸承選擇

風機是關鍵設備，一旦軸承發(fā)生故障導致停機，在沒有備臺風機的情況下，只有短暫的時間維修，無法拆開風機機殼吊出轉(zhuǎn)子組。因此，雖然風機轉(zhuǎn)速不高，但仍選擇對半剖分式的滑動軸承，在極端情況下軸承發(fā)生故障時，可以保證不拆開風機機殼迅速更換軸承。

風機轉(zhuǎn)速低，軸承的發(fā)熱量很小，采用自潤滑式滑動軸承即可滿足要求[6]。根據(jù)專業(yè)計算軟件得到的結果，軸承軸瓦溫度為91.8℃，自潤滑式滑動軸承軸瓦的最高溫度 ＜95℃，軸承溫度滿足使用要求。從使用經(jīng)驗上說，滑動軸承相較于滾動軸承振動小，使用壽命長。無論從可靠性、溫度、振動方面來說，自潤滑式滑動軸承都有其優(yōu)點，最終選用自潤滑式滑動軸承。

2.2.2 軸封選擇

干熄焦循環(huán)風機為雙吸雙支承結構，軸封位于進氣箱處，此處為負壓，對軸封的密封要求不高，無需選擇密封性能好的機械式密封。考慮機組的可靠性要求，軸封更換也需要簡單快速，可選擇剖分式碳環(huán)密封，在碳環(huán)外圈加彈簧支撐，可以使碳環(huán)內(nèi)圈與主軸緊密的貼合起來，這種軸封型式不僅更換方便，而且密封性能滿足風機運行要求。

2.2.3 耐磨設計

由于介質(zhì)中焦粉含量高且硬度大，通過普通堆焊耐磨層的方式已經(jīng)無法滿足要求，需要敷設專用的復合耐磨板[7]。復合耐磨鋼板，就是用堆焊的方法在低合金鋼板上堆敷一層高鉻及其碳化物材料。相對于普遍使用的堆焊耐磨層的耐磨方式，使用復合耐磨板的耐磨性能更好，而且由于只需要將其母材與需要耐磨的部位焊上，焊接工作量也大大降低。復合耐磨板的表面硬度可達到HRC60，完全可以抵御焦粉的長期沖擊。

氣流從葉輪進口進入，遇到中盤后轉(zhuǎn)向，由軸向轉(zhuǎn)為徑向，在旋轉(zhuǎn)的離心力作用下從葉輪出口流出，在中盤轉(zhuǎn)彎處和葉輪出口部位焦粉的沖擊力較強，因此在這些部位敷設復合耐磨板。一般風機僅在葉片和中盤部位采取耐磨措施，而本次研制在葉片、中盤、前盤均焊有耐磨板，形成一道U形耐磨槽，耐磨性能更為顯著，如圖2所示。

圖2 葉輪敷設耐磨復合板示意圖

氣流在機殼內(nèi)流速相對較小，只需要在氣流速度最大的部位敷設復合耐磨板即可，此次研制主要在機殼出口及蝸舌部位敷設復合耐磨板，如圖3。

圖3 機殼部位敷設耐磨板示意圖

此次敷設的復合耐磨板硬度不低于原進口風機耐磨板，而且采取了葉輪流道優(yōu)化設計和特殊的焊接工藝，確保了風機的耐磨性能優(yōu)于進口風機。根據(jù)進口風機使用效果來看，10年內(nèi)磨損量很小，因此國產(chǎn)化的風機使用壽命至少在10年以上。

3 使用情況

由我司研制的140 t/h干熄焦循環(huán)風機自2017年7月份投產(chǎn)至今，已穩(wěn)定運行一年以上，運行期間軸承最高溫度為83℃，軸承振動為0.1 mm/s，機械運轉(zhuǎn)情況良好；電機電流值120 A，與原進口風機電流值基本持平，說明新研制的風機整機效率保持與進口風機相當水平。

4 結語

根據(jù)140 t/h干熄焦循環(huán)風機 設計參數(shù)確定國產(chǎn)化研制從氣動設計和結構設計上著手。氣動設計上，在保證安裝及接口尺寸不變的情況下，設計出高效葉輪。結構設計上，通過軸承選擇、軸封選擇、耐磨設計確保國產(chǎn)化風機滿足可靠性、穩(wěn)定性和耐磨性要求。從風機使用效果來看，研制的產(chǎn)品可以很好地替代進口產(chǎn)品，風機效率高，運行穩(wěn)定，性能可與進口風機媲美，可認為此次140 t/h干熄焦循環(huán)風機國產(chǎn)化研制成功。