常 超，胡四兵，饒 杰，于躍平，王鵬亮，朱曉農(nóng)

（1合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2蘇州歐拉透平機(jī)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(shù)語，其意義為將煉制好的赤熱焦炭冷卻到便于運(yùn)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(yīng)用[1]。干法熄焦（又稱“干熄焦”）裝置之前一直從國外引進(jìn)，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(fēng)機(jī)作為干熄焦系統(tǒng)動力中樞裝置，有著至關(guān)重要的作用，但無論在進(jìn)口還是國產(chǎn)工藝中，干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)都是單機(jī)運(yùn)行，沒有備臺風(fēng)機(jī)，因此其對風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)之前一直采用進(jìn)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(fēng)機(jī)廠也逐步實(shí)現(xiàn)干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)的國產(chǎn)化[3]，但是由于設(shè)計(jì)水平和加工工藝的不足，在使用性能上與進(jìn)口風(fēng)機(jī)仍有一定的差距。

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

1 設(shè)計(jì)要求

南京鋼鐵燃料供應(yīng)廠140 t/h干熄焦裝置原循環(huán)風(fēng)機(jī)為進(jìn)口TLT風(fēng)機(jī)，服役年限已到，急需新風(fēng)機(jī)替代。根據(jù)長期使用經(jīng)驗(yàn)，確定風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:流量199000 m3/h，進(jìn)口壓力-4300 Pa，全壓11300 Pa，轉(zhuǎn)速1450 r/min，介質(zhì)為焦?fàn)t煙氣，焦粉含量1 g/m3。

2 設(shè)計(jì)過程

風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是國產(chǎn)化研制的兩個重要部分。氣動設(shè)計(jì)上，此次研制過程是為了替代進(jìn)口風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)效率要求高，另外也需兼顧耐磨性；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要考慮整機(jī)的運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性及耐磨性。

2.1 氣動設(shè)計(jì)

此次研制是替代進(jìn)口風(fēng)機(jī)的改造項(xiàng)目，風(fēng)機(jī)外形尺寸、安裝尺寸和接口尺寸要求與原風(fēng)機(jī)一致，風(fēng)機(jī)機(jī)殼按照原風(fēng)機(jī)測繪尺寸設(shè)計(jì)制造，為匹配風(fēng)機(jī)機(jī)殼，葉輪直徑與原風(fēng)機(jī)一致，重點(diǎn)在葉片及流道形狀上進(jìn)行高效氣動設(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)出3種葉輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：

表1 三種葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

對表1中3種葉輪進(jìn)行CFD流場仿真模擬計(jì)算[4,5]，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 3種葉輪CFD計(jì)算結(jié)果

圖1列出了3種葉輪在額定流量點(diǎn)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(yàn)，機(jī)殼內(nèi)壓力損失約1500 Pa，葉輪全壓必須要達(dá)到12800 Pa才能滿足11300 Pa的設(shè)計(jì)需求。從氣動計(jì)算結(jié)果分析，葉輪1出口角度偏小，導(dǎo)致全壓不足，而且由于工況點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)，葉輪效率也較低；葉輪3出口角度大，全壓偏高，工況點(diǎn)在最佳效率點(diǎn)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(shè)計(jì)要求，工況點(diǎn)正好是最佳效率點(diǎn)，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(fēng)機(jī)的葉輪氣動設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次研制的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不高，按照以往使用經(jīng)驗(yàn)，最有可能出現(xiàn)問題的地方在風(fēng)機(jī)軸承處，因此風(fēng)機(jī)可靠性的重點(diǎn)在軸承選擇上，另外軸封設(shè)計(jì)也是風(fēng)機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行的一個要素。

2.2.1 軸承選擇

風(fēng)機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，一旦軸承發(fā)生故障導(dǎo)致停機(jī)，在沒有備臺風(fēng)機(jī)的情況下，只有短暫的時間維修，無法拆開風(fēng)機(jī)機(jī)殼吊出轉(zhuǎn)子組。因此，雖然風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)機(jī)殼迅速更換軸承。

風(fēng)機(jī)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(jì)算軟件得到的結(jié)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(yàn)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(diǎn)，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(fēng)機(jī)為雙吸雙支承結(jié)構(gòu)，軸封位于進(jìn)氣箱處，此處為負(fù)壓，對軸封的密封要求不高，無需選擇密封性能好的機(jī)械式密封。考慮機(jī)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(fēng)機(jī)運(yùn)行要求。

2.2.3 耐磨設(shè)計(jì)

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(shè)專用的復(fù)合耐磨板[7]。復(fù)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(fù)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(fù)合耐磨板的表面硬度可達(dá)到HRC60，完全可以抵御焦粉的長期沖擊。

氣流從葉輪進(jìn)口進(jìn)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(qiáng)，因此在這些部位敷設(shè)復(fù)合耐磨板。一般風(fēng)機(jī)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(shè)耐磨復(fù)合板示意圖

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

圖3 機(jī)殼部位敷設(shè)耐磨板示意圖

此次敷設(shè)的復(fù)合耐磨板硬度不低于原進(jìn)口風(fēng)機(jī)耐磨板，而且采取了葉輪流道優(yōu)化設(shè)計(jì)和特殊的焊接工藝，確保了風(fēng)機(jī)的耐磨性能優(yōu)于進(jìn)口風(fēng)機(jī)。根據(jù)進(jìn)口風(fēng)機(jī)使用效果來看，10年內(nèi)磨損量很小，因此國產(chǎn)化的風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)自2017年7月份投產(chǎn)至今，已穩(wěn)定運(yùn)行一年以上，運(yùn)行期間軸承最高溫度為83℃，軸承振動為0.1 mm/s，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好；電機(jī)電流值120 A，與原進(jìn)口風(fēng)機(jī)電流值基本持平，說明新研制的風(fēng)機(jī)整機(jī)效率保持與進(jìn)口風(fēng)機(jī)相當(dāng)水平。

4 結(jié)語

根據(jù)140 t/h干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī) 設(shè)計(jì)參數(shù)確定國產(chǎn)化研制從氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上著手。氣動設(shè)計(jì)上，在保證安裝及接口尺寸不變的情況下，設(shè)計(jì)出高效葉輪。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過軸承選擇、軸封選擇、耐磨設(shè)計(jì)確保國產(chǎn)化風(fēng)機(jī)滿足可靠性、穩(wěn)定性和耐磨性要求。從風(fēng)機(jī)使用效果來看，研制的產(chǎn)品可以很好地替代進(jìn)口產(chǎn)品，風(fēng)機(jī)效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，性能可與進(jìn)口風(fēng)機(jī)媲美，可認(rèn)為此次140 t/h干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化研制成功。