砖厂离心风机的磨损与防治方法

发布于:2021-06-23 00:43:02

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砖厂离心风机的磨损与防治方法
吴含1,马阳2
(1.武汉通用机械设备公司,湖北武汉,430062;2.武汉盘龙城砖瓦厂,湖北武汉,430012)
摘要:介绍风机磨损机理,分析影响风机磨损的主要因素,提出预防风机磨损的各种措施,介绍风机的防磨实践。 关键词:风机;磨损;原因;防治

离心风机是砖瓦生产的重要辅助设备,砖瓦工 业使用的风机一般为气固两相流风机,即工作介质 中常含有一定量大小不等、形状各异的固体颗粒, 如除尘系统的引风机、气力输送的鼓风机。由于这 些风机是在含尘气流中工作,气流中的粉尘颗粒既 要对风机产生磨损,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,因而使风机转子的 *衡遭到破坏,引起风机振动,缩短风机寿命,严重 者可使风机不能正常工作¨1。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,对提高 砖瓦企业设备寿命,安全生产是十分必要的。 1风机的磨损机理 1.1风机磨损的原因
风机叶轮磨损,实际上是一种喷砂型的固体粒 子对靶材表面的冲蚀。固体粒子冲击到靶材表面 上,一般都会造成靶材的冲蚀破坏。靶材的耐磨性 或耐冲蚀性反比于一定工作环境下单位重量的磨 粒冲击材料表面造成的靶材重量或体积损失。
风机叶片的磨损形式通常分为侵蚀磨损、化学 磨损、疲劳磨损和磨粒磨损等。风机工作时,含尘 气流中尘粒与气体分两相流动,气体从风机入口向 出口流动时偏转0.由于尘粒具有动量,质量较大 的尘粒进人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【2】。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,然后又反弹进人流道内,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,并对壁面有着一定的压力 作用,这样造成背面材料的磨损属于擦伤式磨粒磨 损,尘粒在压力面附*区域的集中更加剧了磨粒磨 损的危害程度。叶片磨损主要由固粒对叶片的冲蚀 磨损和固粒在叶片表面运动的擦伤式磨粒磨损组

成,前者主要发生在叶片前部,后者则主要发生在 叶片尾部。磨损的具体情况视叶轮材料的物理性能 和机械性能、尘粒的硬度、形状、流速、入射角而定。

1.2磨损率与寿命131



对于金属材料的摩擦,叶片的磨损率定义为单

位时间界面被磨蚀的*均厚度,可用式(1)表示。

强,式aP=aZ中;·P,P·界卜v面lH磨相损对率速,度c,m/m/hs;;卜卜界磨面损接系触数压,(1)

影响;卜界面较软材料的硬度,Pa。 其值受材料、表面、速度、润滑及散热等界面情况的

固体颗粒对风机的磨损,将缩短风机叶轮叶片
的使用寿命,其寿命可用式(2)估算。
式撇·中s/,(c·卜伊风) 机叶片的寿命,h;P叶片厚(2) 度外缘m;的产圆—周气速度流,中m固/体s;颗卜粒寿浓命度系k数g/,mPa3,;七y一为叶硬轮度

的因次,对于碳钢k=16x1012Pa,铝合金/c=6x1012Pa。 2影响风机磨损的因素

影响离心风机磨损的因素很多,有风机本身的

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因素,也有系统的因素。 (1)气体中尘粒的硬度 尘粒对金属的磨损是由尘粒对金属的撞击和
擦伤两种作用构成的,但其先决条件是尘粒被压入 金属,使之形成一个塑性的凹坑,在大量尘粒的连 续作用下,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。当尘 粒的硬度较高并超过风机流道部件的硬度时,就会 打击或磨损其所接触的流道壁面,如同锉刀在工件 上锉削一样。尘粒硬度越高,风机中的流道壁面就 被磨损得越快。
与的叶磨叶轮尘性片的粒率材磨硬越料损度大硬率对。度较叶嬲风低轮≤的;的0比讽.磨值>6损 04描.时影述6表响4,时现可嬲表为用越现软粉大为料尘磨,硬硬损叶磨度,轮料见
磨损,叶轮的磨损率较大【4】。 (2)叶轮的材质 叶轮耐磨性能与其材料的硬度关系很大,一般
而言,叶轮材料的硬度越高,则抗冲击能力越强,耐 磨性能越好。但叶轮的耐磨性不仅取决于材料硬 度,而且还与材料成分有关。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*,但16Mn比40 钢耐磨性强得多。由此可见,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。
(3)气体的含尘浓度和速度 叶轮的磨损量F与气体含尘浓度和速度的关 系可用式(3)表示。
F式=e中e',卜叶轮的磨损量,m;产-气体含尘(3)
浓度,kg/m3;1卜—气体的速度,m/s;,产一速度指
数,一般取7"/=2.0~3.0。 叶轮的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,叶轮叶片磨蚀越严重;叶轮的磨 损量与气体运动速度的玎次方成正比,速度越大, 尘粒的离心力和动能越大,对叶轮的冲击越大,磨 损越严重。
“)尘粒的入射角 粉尘粒子的入射角是影响磨损量的一个重要 参数,磨损量随入射角的变化规律如图1。对于脆 性材料,尘粒入射角越大则磨损量越大,入射角为

90。时磨损率达到峰值,主要是疲劳脱落;对于塑性

材料,入射角为15。~25。时磨损量最大,主要是切削 磨损‘翻。因此,确定入射角时要避开两峰值对应的 入射角,选择最佳入射角,以期达到减少磨损的目 的。

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入射角,o 图1磨损量与入射角关系曲线

(5)尘粒的粒径与形状 尘粒的冲击能量E与其粒径d的立方成正比, 即E oc矿,尘粒的直径越大,冲击能量越大,粒子的 能量增加容易击穿被磨材料的表面,使叶轮的磨损 速率增加。但当粒度在50一1001.Lm以上时,磨损量 就不再以正比例关系增加了,而趋于一定值。 尘粒在风机流道中具有压入钢板的能力,其能 力不仅取决于它的硬度,还与尘粒的几何形状和大 小有关。具有棱锥或其它刃尖凸出表面形状的物 体往往能在本身形状不被破坏的情况下,较表面圆 滑的尘粒更容易压入硬度比它软的物体。 (6)叶片的形状 叶轮叶片形状对磨损的程度有着重要的影响。 一般单直型叶片通风机,比机翼型叶片通风机耐 磨,后向式叶片通风机,比前向式叶片通风机耐磨。 高效机翼型叶片通风机由于其压力系数较低,叶片 直径大,圆周速度高,磨损程度也大。因此,通过设 计改变叶片型式和叶片角度,可以减少或避免叶轮 叶片的磨损。 (7)吸附现象(61 粉尘中因含“湿”或分子吸附以及颗粒的摩擦 或碰撞引起的静电吸引,使粒径较小的尘粒粘附于 流道壁面上。气固两相流风机中,微粒的粘附大多 出现在叶轮的出口处或突出处,它的出现会改变流 道,恶化风机性能,腐蚀叶轮叶片。 3风机的防磨措施 3.1提高除尘系统的效果Ⅲ

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烟气中的粉尘颗粒是导致风机磨损的根源,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。对于产尘设备和产尘点,必须设置 高效率的除尘系统,决不能采取只设通风机而不设 置净化设备的排尘方式。在除尘系统中,一般应将 通风机安装在除尘设备之后运行,以保证风机在净 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, 定期进行维护和检修,确保其正常的工作条件。 3.2控制合理的运行工况点
风机运行工况的变化,对叶轮内气固两相流动 具有较大影响。当流量偏离风机的设计流量时,风 机内颗粒的运动轨迹将发生变化,粉尘粒子对盘盖 和叶片的碰撞位置前后移动,磨损量相应地发生改 变。总的来说,当实际流量向小流量偏移时,有利 于减少叶轮的磨损;偏离设计工况较多时,风机的 磨损状况将恶化14】。因此,必须优化和合理控制风 机的运行工况。对某个特定条件风机,一般最小流 量等于设计流量的80%时,对减少叶轮的磨损较有 利。 3.3选择耐磨风机
不同类型的风机耐磨程度不同,一般大而低速 的风机抗磨性好,单板或空心翼形叶片的离心风机 总比轴流风机耐磨性好。与轴流风机相比,离心风 机通常可提供4~5倍的抗磨性。目前我国已生产 制造出几种型号的耐磨风机,如C4—73型,适用于 抽排含尘气体,M7—29型,适用于粉粒物质的输送。 耐磨风机的蜗壳部分用钢板焊接,内衬有护板,以 便磨损后更换。叶轮全部采用碳素弹簧焊接,叶片 系前向型。在粉尘气流中工作的风机,应优先选择 具有一定耐磨特性的风机【l】。 3.4降低风机转速
从前面的分析知道,风机的磨损受其转速的影 响较大,转速越高,磨损越严重。在满足了系统流 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。 3.5提高叶片的耐磨性
(1)叶片表面进行防护处理 对叶片表面进行渗碳、渗硼、涂刷防磨涂料、喷 焊耐磨合金等工艺处理,使金属表面形成硬而耐磨 的保护层,可提高叶片的抗磨性。常用的是叶片表 面渗碳处理,使金属表面形成硬而耐磨的碳化铁
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层,并保持钢材芯部的韧性。由于钢材在组织状态 呈奥氏体时,吸收碳的能力最强,所以在渗碳过程 中,必须把叶片加热到能使内部组织转变为奥氏体

所需要的温度。但温度不宜过高,否则,易引起晶 粒变大和表面层含碳过高而出现脆性,致使叶片容 易产生裂纹。一般渗碳温度应控制在9000C左右。

渗碳层越深,防磨效果越好,但脆性越大,叶片易断

裂。实际渗碳时,渗碳层的厚度和部位,要根据叶
片厚度和磨攒隋况以及渗碳工艺决定。

(2)叶片表面设防磨块

由于粉尘粒子在磨损部位的基本运动方式是

沿着叶片的表面滑动或滚动,并对表面有一定的压 力作用,在叶片工作面上沿轴向加装突出横条,可

阻挡这种运动,改变粉尘粒子的运动方向,从而使

粉尘粒子跳离叶片表面,如同气流在叶片工作面上

形成一空气垫对其起保护作用,可以延长风机使用 寿命1~2倍。在叶片工作面上加装错列的突起小块,

也能起到防磨作用【3】。风机叶片加焊防磨小块后, 应对风机叶轮作静*衡和动*衡校正,以保证叶轮

运转*稳。对于小型风机,可不作动*衡校正,仅

作静*衡校正。



(3)叶片表面加防磨衬板

在叶片的易磨损区加防磨衬板或堆焊耐磨层,

同样可防止叶片磨损。一般可在叶片工作面、非工 作面、叶片头易磨损区加16Mn低合金衬板。工作

面由于磨损严重,还可在衬板上堆焊耐磨层来提高

其耐磨性能。如在叶片工作面的防磨衬板上可堆焊

条状耐磨层,在叶片头的一定区域内堆焊3-Smm厚 的耐磨层;非工作面磨损很小,仅加衬板即可。防磨 衬板需要预制成与叶片形状一致,以免组装时产生 焊接应力。在堆焊耐磨层之前,要对衬板进行除锈、

预热处理,焊条要烘干,以防止耐磨层产生裂纹、气

孔等缺陷。

(4)叶片表面粘接耐磨陶瓷

陶瓷材料具有高耐磨、高耐腐蚀、低密度、低摩

擦系数、高硬度的优点。在冲角较小时,陶瓷和金

属、橡胶相比磨损最小田。在叶片表面粘接陶瓷材

料,即在叶片易磨损部位粘接厚度1.5 nlm陶瓷片, 对提高叶片抗磨损能力非常有效。由于陶瓷片厚度 小,对叶轮质量增加很小,不影响叶轮设计强度和

风机启动时的惯性矩。值得注意的是,陶瓷材料与

钢材料的膨胀差大,叶片的工作温度不能太高;必
须保证粘接的复合强度,防止耐磨陶瓷在运行中的l
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脱落;要保证叶片表面*整,没有喷涂层。 (5)设置耐磨刃口 风机叶片的头部一般磨损较为严重,提高叶片
头部抗磨性能非常关键。采用由复合硼化铁组成的 烧结硬质合金耐磨叶片前缘是一项有效措施。为 了使风机具有良好的空气动力性能,前缘刃口的外 形应制造精确,耐磨刃口可以用扩散结合电子束焊 接技术制造。 3.6改进风机的结构
(1)合理选用进风口 从气一固两相流运动规律出发,分析粒子的运 动及磨损机理,从气动角度改变风机中粒子的运动 轨迹,是一种从设计方面改善风机磨损的方法。合 理选用风机进风口就是改善风机的进气条件和含 尘气流运动方式,降低风机磨损。实践证明,当采用 普通圆柱形进风口时,风机磨损严重,且不均匀;当 改装喇叭型进风口以后,叶片进口磨损变轻,且磨 损均匀。 (2)变中空叶片为实心叶片 这种方法主要针对的是机翼型叶片。由于机 翼型叶片是中空的,所以当叶片磨穿后会有尘粒进 入,破坏风机的*衡,使风机寿命进一步缩短【5】。为 了避免这一现象,可将空心叶片做成等厚度实心直

于较窄的直板叶片离心风机,只要合理设计叶片安 装角,磨损则相对较轻。
(4)采用前置防磨叶栅或增加导向叶片 风机的磨损部位之所以很不均匀,其原因是气 流中固体粒子分布不均匀,浓度大的地方磨损严 重,浓度小的地方磨损轻。采用前置防磨叶栅或增 加导向叶片都是从气体动力学的角度出发,控制粒 子运动使其均匀分布,从而降低磨损的方法。当叶 轮安装了前置防磨叶栅后,叶轮运转时前置叶栅随 之转动,产生一股可驱散粒子束的气流,强制使其 轨道半径减少,阻止粒子向后盘及叶根处运动,使 固体粒子沿叶轮进口边比较均匀的分布,从而将粒 子的集中磨损转化为均匀磨损,提高叶轮耐磨性, 延长风机使用寿命。 4风机的抗磨改造实践 某砖瓦企业一旋风除尘器配套一离心引风机, 型号为№6—12。使用中发现叶轮叶片后盘部位磨 损严重,*均1个月左右修理或更换一件叶轮,维 护费用高,影响工艺生产。为了提高叶轮的抗磨性, 决定对叶轮进行改造。本着减少投资的原则,改造 中利用了原风机机壳、电机、轴及传动装置,并保持 风机的流量、风压、转数等参数不变,仅改进叶轮结 构及配套集流器。具体如下: (1)叶轮改为锯齿形中盘直板叶片型叶轮(如图 3)。这种叶轮的特点是叶片工作面出口处没有中盘, 而使整个中盘呈锯齿形。烟气从左右前盘入口进入 叶轮后,烟气中尘粒不与中盘相撞,而是随左右侧 气流汇合后共同到达出口。左右侧气流汇合后使 部分尘粒还未来得及到达叶轮工作面就已经飞出 了叶轮,避免大量尘粒与中盘相撞而集中磨损。尽 管有一部分尘粒由于与对侧的气流及尘粒相撞而 消耗了能量,在离心力的作用下到达叶片对叶轮产 生磨损,但是数量大为减少。因磨损面积由原来中 盘根部扩展到大部分的叶片工作面,所以单位面积 的磨损量减少了,且对叶片均匀磨损。



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1——中盘;2一叶片;卜防磨板;4-—前盘

(a)叶轮结构

(b)叶片叶面形状

图3锯齿形中盘直板叶片型风机叶轮

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(2)改变气流中尘粒的入射角。叶片出口安装 角从原30。提高到55。,使气体尘粒的入射角尽量避 开叶片磨损最严重的200~30。角,提高叶轮的寿命。
(3)增加叶片防磨衬板。在叶片上焊接6Mn材 料的衬板,增强叶片的抗磨损性能。
新叶轮使用一个修理周期(半年)以后,叶片中 盘根部仅有轻微的磨损,且磨损均匀,经局部补焊 校验*衡后仍可继续使用。可见,锯齿形叶轮的改 造应用,较好地解决了叶轮磨损不均匀的现象,同 时也大幅度地减轻了叶轮的磨损。 5结束语
砖瓦工业风机大多数为气一同两相流风机。 气一固两相流风机磨损的原因很多,有风机本身的 原因,如风机结构形式、材质等;也有除尘系统状态 原因,如粉尘性质、浓度等。风机的防磨损措施,大 体可分为两大类:被动防磨和主动防磨。被动防磨 是选取适当的耐磨材料或对被磨材料进行适当的

耐磨处理。虽然被动防磨方法在防磨方面起到了 一定的作用,但却不从根本上消除和缓解磨损的发 生。主动防磨也称为气动防磨,主要是从气一固 两相流的动力学特征入手,对流体机械本身进行抗 磨损等的优化设计,对流动参数进行控制与优化配 置。气动防磨才是解决带粒流磨损问题的根本。
参考文献
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