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        140 t/h干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化研制

        2018-10-23 10:33:46胡四兵于躍平王鵬亮朱曉農(nóng)
        冶金動(dòng)力 2018年11期
        關(guān)鍵詞:機(jī)殼軸封國(guó)產(chǎn)化

        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(guò)程的專用術(shù)語(yǔ),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(duì)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(guó)外引進(jìn),直到2004年馬鋼125 t/h干熄焦國(guó)產(chǎn)化示范工程的投產(chǎn),干熄焦裝置才逐步國(guó)產(chǎn)化[2]。干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)作為干熄焦系統(tǒng)動(dòng)力中樞裝置,有著至關(guān)重要的作用,但無(wú)論在進(jìn)口還是國(guó)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(tái)風(fēng)機(jī),因此其對(duì)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(duì)風(fēng)機(jī)耐磨性要求也較高,受這兩方面制約,國(guó)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(guó)TLT公司和日本安川公司供貨。近年來(lái),國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)大量使用進(jìn)口產(chǎn)品,現(xiàn)有的國(guó)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(guó)產(chǎn)化研制工作。用高性能的國(guó)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(gòu)成本,提高我國(guó)裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)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(guò)程

        風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是國(guó)產(chǎn)化研制的兩個(gè)重要部分。氣動(dòng)設(shè)計(jì)上,此次研制過(guò)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(dòng)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(cè)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(dòng)設(shè)計(jì)。

        一般來(lái)說(shuō),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(dòng)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(duì)表1中3種葉輪進(jìn)行CFD流場(chǎng)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(dòng)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(lái)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(duì)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(dòng)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(gè)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(tái)風(fēng)機(jī)的情況下,只有短暫的時(shí)間維修,無(wú)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(duì)半剖分式的滑動(dòng)軸承,在極端情況下軸承發(fā)生故障時(shí),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(rùn)滑式滑動(dòng)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(rùn)滑式滑動(dòng)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(shuō),滑動(dòng)軸承相較于滾動(dòng)軸承振動(dòng)小,使用壽命長(zhǎng)。無(wú)論從可靠性、溫度、振動(dòng)方面來(lái)說(shuō),自潤(rùn)滑式滑動(dòng)軸承都有其優(yōu)點(diǎn),最終選用自潤(rùn)滑式滑動(dòng)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(duì)軸封的密封要求不高,無(wú)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(jiǎn)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(lái),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(guò)普通堆焊耐磨層的方式已經(jīng)無(wú)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(lái)看,10年內(nèi)磨損量很小,因此國(guó)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(dòng)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(shuō)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(yǔ)

        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(guó)產(chǎn)化研制從氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上著手。氣動(dòng)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(guò)軸承選擇、軸封選擇、耐磨設(shè)計(jì)確保國(guó)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(lái)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(guó)產(chǎn)化研制成功。

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