高爐沖渣泵的設(shè)計優(yōu)化

景瑞 孫國政 滿敬江 王衛(wèi)東

摘要：根據(jù)鋼鐵煉鐵工藝用高爐沖渣泵運(yùn)行反饋，輸送介質(zhì)溫度高、含渣量大、介質(zhì)有一定的腐蝕性，對泵汽蝕性能、過流部件使用壽命以及運(yùn)行可靠性要求高等特點(diǎn)，常規(guī)渣漿泵運(yùn)行過程中存在汽蝕性能差、使用壽命短、能耗高、軸封易泄露、振動大等缺點(diǎn)，本文從高爐沖渣泵的水力性能及結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，并對其整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和使用驗(yàn)證，結(jié)果表明該優(yōu)化設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果，有效提升高爐沖渣泵的使用壽命、降低了能耗，為客戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，并為同類產(chǎn)品改進(jìn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高爐沖渣泵、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益

引言

高爐沖渣泵是冶金行業(yè)煉鐵工藝的關(guān)鍵設(shè)備。由于近年來國內(nèi)高爐向著的大型化、高效化、自動化發(fā)展，其生產(chǎn)和處理規(guī)模較過去逐步的增長，這就對其提出了更高的要求，如：流量大，使用壽命長，效率高、可靠性高等;目前國內(nèi)生產(chǎn)的沖渣泵，近十幾年來沒有大的結(jié)構(gòu)和水力更新，存在水力效率低、汽蝕性能差、使用壽命短、密封不可靠、振動大、軸承發(fā)熱等缺點(diǎn)，已嚴(yán)重制約該行業(yè)的發(fā)展。由于近年來國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高爐沖渣泵的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，用戶對其的使用要求越來越高，這就對其結(jié)構(gòu)及其可靠性提出了更高的要求。三聯(lián)泵業(yè)作為冶金行業(yè)沖渣泵產(chǎn)品主要供應(yīng)商之一，擁有高素質(zhì)的研發(fā)隊伍和先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備（包括鑄造設(shè)備和冷加工設(shè)備），先后成功研制和生產(chǎn)了全系列的高效渣漿泵和脫硫泵，在雜質(zhì)泵方面積累了相當(dāng)多的設(shè)計和制造經(jīng)驗(yàn)，對于此產(chǎn)品，通過新技術(shù)、新工藝、新材料的研究和應(yīng)用，其整體結(jié)構(gòu)形式為單級單吸臥式雙殼體離心式雜質(zhì)泵，水力部件采用兩相流設(shè)計，葉輪采用高效水力模型;軸承組件采用可調(diào)性油脂潤滑筒式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)葉輪磨損情況調(diào)整葉輪與前后護(hù)板之間的間隙;軸封形式采用副葉輪+填料+擋渣器結(jié)構(gòu)，無需外接沖洗水。

本文通過對高爐沖渣泵的水力部件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，有效提高了泵的使用壽命及運(yùn)行安全可靠性。

設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)高爐沖渣泵輸送介質(zhì)的特性及現(xiàn)有常規(guī)雜質(zhì)泵的使用情況，在設(shè)計上進(jìn)行下述考慮。

（1）水力部件兩相流設(shè)計理念。由于高爐沖渣泵內(nèi)部葉輪、蝸殼等水力部件是空間三維扭曲的，內(nèi)部流體流動復(fù)雜，傳統(tǒng)的性能預(yù)測方法較難準(zhǔn)確預(yù)測泵的水力性能。水力設(shè)計采用兩相流設(shè)計技術(shù)，對水力部分內(nèi)部流場分析和外部特性進(jìn)行預(yù)測分析，模擬漿體在泵腔內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)，提高泵的水力性能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的持續(xù)改進(jìn)，從而更進(jìn)一步的提高過流部件使用壽命。擬采用“數(shù)值模擬--修改流道幾何參數(shù)和形狀--數(shù)值模擬”的多次循環(huán)，解決礦漿泵內(nèi)部流動特性的分析方法。（2）高效耐磨葉輪設(shè)計方法研究。沖渣泵葉輪是其核心水力部件，葉輪型線（及水力模型）直接影響了性能參數(shù)和過流部件的使用壽命。葉輪采用兩相流水力模型，經(jīng)過多次優(yōu)化驗(yàn)證改進(jìn)，具有水力流動性能好，流速均勻、水力效率高的特點(diǎn)。其葉輪葉片采用長、短葉片各為4枚均勻間隔布置，前后背葉片采用花瓣式寬窄交替結(jié)構(gòu)交替間隔，從而減少了葉輪進(jìn)口處的回流量和軸封處壓力，使得水力性能優(yōu)良、效率高（比常規(guī)渣漿泵效率提高5%）;磨損率低，使用壽命較傳統(tǒng)礦漿泵提高1.5倍以上;葉片采用扭曲型長短葉片結(jié)構(gòu)，流道寬暢，過流能力在原有渣漿泵基礎(chǔ)上提高30%、抗堵塞性能好、汽蝕性能優(yōu)越。（3）前護(hù)板和葉輪之間密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。沖渣泵葉輪和前護(hù)板密封結(jié)構(gòu)采取葉輪進(jìn)口處設(shè)有燕尾槽密封和端面密封有效的結(jié)合，燕尾槽密封采用60度夾角設(shè)計，有效的減少葉輪進(jìn)口處的回流量，葉輪前蓋板和前護(hù)板的泄露，提高泵的效率，降低了葉輪進(jìn)口前蓋板和前護(hù)板的磨損。（4）高效可靠軸承組件設(shè)計優(yōu)化方法研究。軸承組件采用圓筒式油脂潤滑結(jié)構(gòu)，承載能力強(qiáng)，具有轉(zhuǎn)子竄動量小，可滿足大流量高揚(yáng)程多級串聯(lián)工況運(yùn)行，有效的解決了軸承發(fā)熱，軸承使用壽命短、油封使用壽命短易漏油等問題，使整泵結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、軸承使用壽命長、軸封可靠，大大降低了整泵的振動和噪音。（5）軸封形式采用副葉輪+填料+擋渣器結(jié)構(gòu)，無需外接沖洗水。在冶金行業(yè)的沖渣泵的使用環(huán)境都比較惡劣，介質(zhì)溫度高，含渣量大，以往傳統(tǒng)的渣漿泵軸封都需要外接沖洗水，軸封水對軸封沖洗后直接進(jìn)入沖渣水池，能源消耗嚴(yán)重，而且軸封處容易漏漿，盤根容易損壞，從而影響泵的性能及可靠運(yùn)行?，F(xiàn)軸封結(jié)構(gòu)優(yōu)化為副葉輪+填料+擋渣器組合結(jié)構(gòu)，無需外接沖洗水;整體結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過擋渣器和副葉輪組合密封，從而有效的防止?jié){體進(jìn)入軸封損壞盤根。（6）合理的選型及應(yīng)用技術(shù)。實(shí)踐表明，沖渣泵因選型選材不當(dāng)，在泵的運(yùn)行過程中將會發(fā)生抽空，汽蝕，效率低，過流部件部件使用壽命短等不良現(xiàn)象，為了有效的發(fā)揮每臺泵的工作性能，延長使用服務(wù)期限，必須做到選型合理，準(zhǔn)確。首先要合理確定運(yùn)行工況參數(shù)，實(shí)際使用與理論設(shè)計參數(shù)匹配，運(yùn)行工況點(diǎn)在在泵高效點(diǎn)的40-80%重磨蝕區(qū)域內(nèi);其次，運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于最高轉(zhuǎn)速的80%，泵的出口流速控制在8m/s;最后，研究基于不同介質(zhì)工況條件下管路特性曲線和沖渣泵性能曲線匹配技術(shù)，從根本上避免運(yùn)行工況點(diǎn)偏離泵高效區(qū)間，從而保證沖渣泵的過流部件使用壽命和可靠性。（7）沖渣泵過流部件材質(zhì)的耐磨性分析研究。高爐沖渣泵輸送介質(zhì)溫度高、含渣量大、介質(zhì)有一定的腐蝕性，對泵汽蝕性能和過流部件使用要求。針對其工況特點(diǎn)，擬對研制的沖渣泵過流部件材質(zhì)的鑄造工藝及材料性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過對其關(guān)鍵的過流部件鑄造工藝的研究和改進(jìn)，提高泵關(guān)鍵過流部件的耐磨性，并在此基礎(chǔ)上研究關(guān)鍵過流部件的表面涂層材料及工藝，以進(jìn)一步提高其過流部件的耐磨性和使用壽命。

總結(jié)

本文針對高爐沖渣泵的介質(zhì)特性，結(jié)合水泵設(shè)計手冊和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對水力部件、軸承組件以及軸封部件金進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，合理準(zhǔn)確的選型選材。通過本次立足理論、結(jié)合實(shí)際的設(shè)計優(yōu)化，通過現(xiàn)場試運(yùn)行，優(yōu)化后的泵型在同樣的工況條件下，水力效率較常規(guī)沖渣泵提高5%;過流部件使用壽命較傳統(tǒng)沖渣泵提高1.5倍以上;過流能力在原有基礎(chǔ)上提高30%、汽蝕性能優(yōu)越，軸封采用無沖洗水結(jié)構(gòu)，大大減少能源的消耗。該結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)化調(diào)整，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上為客戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為同類型產(chǎn)品的設(shè)計制造提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]竇以松 等. 渣漿泵理論與設(shè)計? 北京：水利水電出版社，2010

[2]王玉坤.? 離心式渣漿泵設(shè)計與應(yīng)用簡要手冊? 河北：河北科學(xué)技術(shù)出版社，2013

[3]許洪元 等.? 離心式渣漿泵葉輪磨損規(guī)律研究[犑].摩擦學(xué)學(xué)報，1998