離心風(fēng)機(jī)是磚瓦生產(chǎn)的重要輔助設(shè)備,磚瓦工業(yè)使用的風(fēng)機(jī)一般為氣固兩相流風(fēng)機(jī),即工作介質(zhì)中常含有一定量大小不等、形狀各異的固體顆粒,如除塵系統(tǒng)的引風(fēng)機(jī)、氣力輸送的鼓風(fēng)機(jī)。由于這些風(fēng)機(jī)是在含塵氣流中工作,氣流中的粉塵顆粒既要對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生磨損,又要在風(fēng)機(jī)葉片上附著積灰,且這種磨損和積灰是不均勻的,因而使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡遭到破壞,引起風(fēng)機(jī)振動(dòng),縮短風(fēng)機(jī)壽命,嚴(yán)重者可使風(fēng)機(jī)不能正常工作。尤其是風(fēng)機(jī)葉片的磨損最為嚴(yán)重,它不僅破壞了風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)特性,而且容易引發(fā)葉片斷裂及飛車等重大事故。因此,研究風(fēng)機(jī)的磨損機(jī)理,采取相應(yīng)的防磨措施,對(duì)提高磚瓦企業(yè)設(shè)備壽命,安全生產(chǎn)是十分必要的。
1、風(fēng)機(jī)的磨損機(jī)理
1.1風(fēng)機(jī)磨損的原因
風(fēng)機(jī)葉輪磨損,實(shí)際上是一種噴砂型的固體粒
子對(duì)靶材表面的沖蝕。固體粒子沖擊到靶材表面
上,一般都會(huì)造成靶材的沖蝕破壞。靶材的耐磨性
或耐沖蝕性反比于一定工作環(huán)境下單位重量的磨
粒沖擊材料表面造成的靶材重量或體積損失。
風(fēng)機(jī)葉片的磨損形式通常分為侵蝕磨損、化學(xué)磨損、疲勞磨損和磨粒磨損等。風(fēng)機(jī)工作時(shí),含塵氣流中塵粒與氣體分兩相流動(dòng),氣體從風(fēng)機(jī)入口向出口流動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)900,由于塵粒具有動(dòng)量,質(zhì)量較大的塵粒進(jìn)人流道后加速向葉片工作面與后盤的交界處、葉片工作面流動(dòng),也有少量的塵粒向葉片非工作面流動(dòng)。粉塵粒子進(jìn)入葉輪后與壁面相互作用,在離心流道的進(jìn)口區(qū)域和整個(gè)軸向流道內(nèi),基本上是在氣流的夾帶及自身慣性的綜合作用下以非零攻角碰撞壁面,然后又反彈進(jìn)入流道內(nèi),這樣引起的壁面材料的磨損是典型的沖蝕磨損;而在離心流道的出口區(qū)域內(nèi),塵粒在流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)了較長(zhǎng)一段距離,大部分和壁面發(fā)生過多次碰撞,基本上沿著壓力表面滑動(dòng)或滾動(dòng),并對(duì)壁面有著一定的壓力作用,這樣造成背面材料的磨損屬于擦傷式磨粒磨損,塵粒在壓力面附近區(qū)域的集中更加劇了磨粒磨損的危害程度。葉片磨損主要由固粒對(duì)葉片的沖蝕磨損和固粒在葉片表面運(yùn)動(dòng)的擦傷式磨粒磨損組成,前者主要發(fā)生在葉片前部,后者則主要發(fā)生在葉片尾部。磨損的具體情況視葉輪材料的物理性能和機(jī)械性能、塵粒的硬度、形狀、流速、入射角而定。
1.2磨損率與壽命
對(duì)于金屬材料的摩擦,葉片的磨損率定義為單位時(shí)間界面被磨蝕的平均厚度,可用式(1)表示。
2、影響風(fēng)機(jī)磨損的因素
影響離心風(fēng)機(jī)磨損的因素很多,有風(fēng)機(jī)本身的因素,也有系統(tǒng)的因素。
(1)氣體中塵粒的硬度
塵粒對(duì)金屬的磨損是由塵粒對(duì)金屬的撞擊和擦傷兩種作用構(gòu)成的,但其先決條件是塵粒被壓入金屬,使之形成一個(gè)塑性的凹坑,在大量塵粒的連續(xù)作用下,這些凹坑將逐漸形成一個(gè)塑性變形的薄層。當(dāng)塵粒的作用負(fù)荷超過塑性變形層的極限強(qiáng)度時(shí),這一表層即被破壞而掉落,造成磨損。當(dāng)塵粒的硬度較高并超過風(fēng)機(jī)流道部件的硬度時(shí),就會(huì)打擊或磨損其所接觸的流道壁面,如同銼刀在工件上銼削一樣。塵粒硬度越高,風(fēng)機(jī)中的流道壁面就被磨損得越快。
塵粒硬度對(duì)葉輪的磨損影響可用粉塵硬度Ha與葉片材料硬度hm的比值描述,HJH越大,葉輪的磨性率越大。HJHm≤0.64時(shí)表現(xiàn)為軟料磨損,葉輪的磨損率較低;HJHm> 0.64時(shí)表現(xiàn)為硬磨料磨損,葉輪的磨損率較大。
(2)葉輪的材質(zhì)
葉輪耐磨性能與其材料的硬度關(guān)系很大,一般而言,葉輪材料的硬度越高,則抗沖擊能力越強(qiáng),耐磨性能越好。但葉輪的耐磨性不僅取決于材料硬度,而且還與材料成分有關(guān)。經(jīng)過熱處理后的各種不同成分的鋼,雖然硬度相同,卻有不同的耐磨性。如40鋼和16Mn熱處理后硬度相近,但16Mn比40鋼耐磨性強(qiáng)得多。由此可見,提高材料的耐磨性,既要提高材料硬度,也要選用合適的材料。
(3)氣體的含塵濃度和速度
葉輪的磨損量F與氣體含塵濃度和速度的關(guān)系可用式(3)表示。
F=cv
n (3)
式中,F(xiàn)-葉輪的磨損量,m;r—氣體含塵濃度,kg/m3;v—氣體的速度,m/s; n-速度指數(shù),一般取n=2.0~3.0。
葉輪的磨損量與氣體的含塵濃度成正比,粉塵濃度越大,單位時(shí)間內(nèi)固體顆粒撞擊葉輪葉片壁面次數(shù)和頻率越高,葉輪葉片磨蝕越嚴(yán)重;葉輪的磨損量與氣體運(yùn)動(dòng)速度的n次方成正比,速度越大,塵粒的離心力和動(dòng)能越大,對(duì)葉輪的沖擊越大,磨損越嚴(yán)重。
(4)塵粒的入射角
粉塵粒子的入射角是影響磨損量的一個(gè)重要參數(shù),磨損量隨入射角的變化規(guī)律如圖1。對(duì)于脆性材料,塵粒入射角越大則磨損量越大,入射角為90°時(shí)磨損率達(dá)到峰值,主要是疲勞脫落;對(duì)于塑性材料,入射角為150~250時(shí)磨損量最大,主要是切削磨損。因此,確定入射角時(shí)要避開兩峰值對(duì)應(yīng)的入射角,選擇最佳入射角,以期達(dá)到減少磨損的目的。
(5)塵粒的粒徑與形狀
塵粒的沖擊能量E與其粒徑d的立方成正比,即,塵粒的直徑越大,沖擊能量越大,粒子的能量增加容易擊穿被磨材料的表面,使葉輪的磨損速率增加。但當(dāng)粒度在50~lOOμm以上時(shí),磨損量就不再以正比例關(guān)系增加了,而趨于一定值。
塵粒在風(fēng)機(jī)流道中具有壓入鋼板的能力,其能力不僅取決于它的硬度,還與塵粒的幾何形狀和大小有關(guān)。具有棱錐或其它刃尖凸出表面形狀的物體往往能在本身形狀不被破壞的情況下,較表面圓滑的塵粒更容易壓入硬度比它軟的物體。
(6)葉片的形狀
葉輪葉片形狀對(duì)磨損的程度有著重要的影響。一般單直型葉片通風(fēng)機(jī),比機(jī)翼型葉片通風(fēng)機(jī)耐磨,后向式葉片通風(fēng)機(jī),比前向式葉片通風(fēng)機(jī)耐磨。高效機(jī)翼型葉片通風(fēng)機(jī)由于其壓力系數(shù)較低,葉片直徑大,圓周速度高,磨損程度也大。因此,通過設(shè)計(jì)改變?nèi)~片型式和葉片角度,可以減少或避免葉輪葉片的磨損。
(7)吸附現(xiàn)象舊
粉塵中因含“濕”或分子吸附以及顆粒的摩擦或碰撞引起的靜電吸引,使粒徑較小的塵粒粘附于流道壁面上。氣固兩相流風(fēng)機(jī)中,微粒的粘附大多出現(xiàn)在葉輪的出口處或突出處,它的出現(xiàn)會(huì)改變流道,惡化風(fēng)機(jī)性能,腐蝕葉輪葉片。
3、風(fēng)機(jī)的防磨措施
3.1提高除塵系統(tǒng)的效果
煙氣中的粉塵顆粒是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)磨損的根源,提高除塵設(shè)備效率,降低粉塵濃度,是防止風(fēng)機(jī)磨損最有效的方法。對(duì)于產(chǎn)塵設(shè)備和產(chǎn)塵點(diǎn),必須設(shè)置高效率的除塵系統(tǒng),決不能采取只設(shè)通風(fēng)機(jī)而不設(shè)置凈化設(shè)備的排塵方式。在除塵系統(tǒng)中,一般應(yīng)將通風(fēng)機(jī)安裝在除塵設(shè)備之后運(yùn)行,以保證風(fēng)機(jī)在凈化后的氣流中工作,消除磨損條件。在條件允許的情況下,應(yīng)盡量采用效率高的除塵設(shè)備,提高氣體的凈化程度。對(duì)于除塵設(shè)備,還要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),定期進(jìn)行維護(hù)和檢修,確保其正常的工作條件。
3.2控制合理的運(yùn)行工況點(diǎn)
風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的變化,對(duì)葉輪內(nèi)氣固兩相流動(dòng)具有較大影響。當(dāng)流量偏離風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)流量時(shí),風(fēng)機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生變化,粉塵粒子對(duì)盤蓋和葉片的碰撞位置前后移動(dòng),磨損量相應(yīng)地發(fā)生改變。總的來說,當(dāng)實(shí)際流量向小流量偏移時(shí),有利于減少葉輪的磨損;偏離設(shè)計(jì)工況較多時(shí),風(fēng)機(jī)的磨損狀況將惡化。因此,必須優(yōu)化和合理控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況。對(duì)某個(gè)特定條件風(fēng)機(jī),一般最小流量等于設(shè)計(jì)流量的80%時(shí),對(duì)減少葉輪的磨損較有利。
3.3選擇耐磨風(fēng)機(jī)
不同類型的風(fēng)機(jī)耐磨程度不同,一般大而低速的風(fēng)機(jī)抗磨性好,單板或空心翼形葉片的離心風(fēng)機(jī)總比軸流風(fēng)機(jī)耐磨性好。與軸流風(fēng)機(jī)相比.離心風(fēng)機(jī)通常可提供4-5倍的抗磨性。目前我國(guó)已生產(chǎn)制造出幾種型號(hào)的耐磨風(fēng)機(jī),如C4-73型,適用于抽排含塵氣體,M7-29型,適用于粉粒物質(zhì)的輸送。耐磨風(fēng)機(jī)的蝸殼部分用鋼板焊接,內(nèi)襯有護(hù)板,以便磨損后更換。葉輪全部采用碳素彈簧焊接,葉片系前向型。在粉塵氣流中工作的風(fēng)機(jī),應(yīng)優(yōu)先選擇具有一定耐磨特性的風(fēng)機(jī)。
3.4降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速
從前面的分析知道,風(fēng)機(jī)的磨損受其轉(zhuǎn)速的影響較大,轉(zhuǎn)速越高,磨損越嚴(yán)重。在滿足了系統(tǒng)流量、壓力要求的前提下,選擇低比轉(zhuǎn)數(shù)的風(fēng)機(jī),可降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以減輕磨損。
3.5提高葉片的耐磨性
(1)葉片表面進(jìn)行防護(hù)處理
對(duì)葉片表面進(jìn)行滲碳、滲硼、涂刷防磨涂料、噴焊耐磨合金等工藝處理,使金屬表面形成硬而耐磨的保護(hù)層,可提高葉片的抗磨性。常用的是葉片表面滲碳處理,使金屬表面形成硬而耐磨的碳化鐵層,并保持鋼材芯部的韌性。由于鋼材在組織狀態(tài)呈奧氏體時(shí),吸收碳的能力最強(qiáng),所以在滲碳過程中,必須把葉片加熱到能使內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體所需要的溫度。但溫度不宜過高,否則,易引起晶粒變大和表面層含碳過高而出現(xiàn)脆性,致使葉片容易產(chǎn)生裂紋。一般滲碳溫度應(yīng)控制在900℃左右。滲碳層越深,防磨效果越好,但脆性越大,葉片易斷裂。實(shí)際滲碳時(shí),滲碳層的厚度和部位,要根據(jù)葉片厚度和磨損情況以及滲碳工藝決定。
(2)葉片表面設(shè)防磨塊
由于粉塵粒子在磨損部位的基本運(yùn)動(dòng)方式是沿著葉片的表面滑動(dòng)或滾動(dòng),并對(duì)表面有一定的壓力作用,在葉片工作面上沿軸向加裝突出橫條,可阻擋這種運(yùn)動(dòng),改變粉塵粒子的運(yùn)動(dòng)方向,從而使粉塵粒子跳離葉片表面,如同氣流在葉片工作面上形成一空氣墊對(duì)其起保護(hù)作用,可以延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命1~2倍。在葉片工作面上加裝錯(cuò)列的突起小塊,也能起到防磨作用。風(fēng)機(jī)葉片加焊防磨小塊后,應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪作靜平衡和動(dòng)平衡校正,以保證葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。對(duì)于小型風(fēng)機(jī),可不作動(dòng)平衡校正,僅作靜平衡校正。
(3)葉片表面加防磨襯板
在葉片的易磨損區(qū)加防磨襯板或堆焊耐磨層,同樣可防止葉片磨損。一般可在葉片工作面、非工作面、葉片頭易磨損區(qū)加16Mn低合金襯板。工作面由于磨損嚴(yán)重,還可在襯板上堆焊耐磨層來提高其耐磨性能。如在葉片工作面的防磨襯板上可堆焊條狀耐磨層,在葉片頭的一定區(qū)域內(nèi)堆焊3~5mm厚的耐磨層;非工作面磨損很小,僅加襯板即可。防磨襯板需要預(yù)制成與葉片形狀一致,以免組裝時(shí)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。在堆焊耐磨層之前,要對(duì)襯板進(jìn)行除銹、預(yù)熱處理.焊條要烘干,以防止耐磨層產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。
(4)葉片表面粘接耐磨陶瓷
陶瓷材料具有高耐磨、高耐腐蝕、低密度、低摩擦系數(shù)、高硬度的優(yōu)點(diǎn)。在沖角較小時(shí),陶瓷和金屬、橡膠相比磨損最小。在葉片表面粘接陶瓷材料,即在葉片易磨損部位粘接厚度1.5 mm陶瓷片,對(duì)提高葉片抗磨損能力非常有效。由于陶瓷片厚度小,對(duì)葉輪質(zhì)量增加很小,不影響葉輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的慣性矩。值得注意的是,陶瓷材料與鋼材料的膨脹差大,葉片的工作溫度不能太高;必須保證粘接的復(fù)合強(qiáng)度,防止耐磨陶瓷在運(yùn)行中的脫落;要保證葉片表面平整,沒有噴涂層。
(5)設(shè)置耐磨刃口
風(fēng)機(jī)葉片的頭部一般磨損較為嚴(yán)重,提高葉片頭部抗磨性能非常關(guān)鍵。采用由復(fù)合硼化鐵組成的燒結(jié)硬質(zhì)合金耐磨葉片前緣是一項(xiàng)有效措施。為了使風(fēng)機(jī)具有良好的空氣動(dòng)力性能,前緣刃口的外形應(yīng)制造精確,耐磨刃口可以用擴(kuò)散結(jié)合電子束焊接技術(shù)制造。
3.6改進(jìn)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)
(1)合理選用進(jìn)風(fēng)口
從氣一固兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā),分析粒子的運(yùn)動(dòng)及磨損機(jī)理,從氣動(dòng)角度改變風(fēng)機(jī)中粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡,是一種從設(shè)計(jì)方面改善風(fēng)機(jī)磨損的方法。合理選用風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口就是改善風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣條件和含塵氣流運(yùn)動(dòng)方式,降低風(fēng)機(jī)磨損。實(shí)踐證明,當(dāng)采用普通圓柱形進(jìn)風(fēng)口時(shí),風(fēng)機(jī)磨損嚴(yán)重,且不均勻;當(dāng)改裝喇叭型進(jìn)風(fēng)口以后,葉片進(jìn)口磨損變輕,且磨損均勻。
(2)變中空葉片為實(shí)心葉片
這種方法主要針對(duì)的是機(jī)翼型葉片。由于機(jī)翼型葉片是中空的,所以當(dāng)葉片磨穿后會(huì)有塵粒進(jìn)入,破壞風(fēng)機(jī)的平衡,使風(fēng)機(jī)壽命進(jìn)一步縮短。為了避免這一現(xiàn)象,可將空心葉片做成等厚度實(shí)心直板葉片。但當(dāng)葉片進(jìn)出口寬度太大時(shí),改成直板葉片后其強(qiáng)度和剛度會(huì)有所下降,會(huì)產(chǎn)生變形,此時(shí)可在位于前盤與后盤中部?jī)蓚(gè)相鄰葉片之間增設(shè)加強(qiáng)筋板(如圖2)。為增加葉片的抗磨性能,在葉片進(jìn)出口部位可再堆焊耐磨焊條FeO5。
(3)選用較窄的葉片
葉片的磨損率與其自身的安裝角和氣流的流入角有密切的關(guān)系。對(duì)于硬度較低的塑性材料,磨損量最大發(fā)生在撞擊角150—300之間,其影響程度又與葉片形狀有關(guān)。當(dāng)葉片的壓力面是圓弧形時(shí),通常存在與塵粒構(gòu)成最不利的撞擊角部位,使這部位的切削能力加強(qiáng),形成磨損最嚴(yán)重的地方。而對(duì)于較窄的直板葉片離心風(fēng)機(jī),只要合理設(shè)計(jì)葉片安裝角,磨損則相對(duì)較輕。
(4)采用前置防磨葉柵或增加導(dǎo)向葉片
風(fēng)機(jī)的磨損部位之所以很不均勻,其原因是氣流中固體粒子分布不均勻,濃度大的地方磨損嚴(yán)重,濃度小的地方磨損輕。采用前置防磨葉柵或增加導(dǎo)向葉片都是從氣體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā),控制粒子運(yùn)動(dòng)使其均勻分布,從而降低磨損的方法。當(dāng)葉輪安裝了前置防磨葉柵后,葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)前置葉柵隨之轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生一股可驅(qū)散粒子束的氣流,強(qiáng)制使其軌道半徑減少,阻止粒子向后盤及葉根處運(yùn)動(dòng),使固體粒子沿葉輪進(jìn)口邊比較均勻的分布,從而將粒子的集中磨損轉(zhuǎn)化為均勻磨損,提高葉輪耐磨性,延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命。
4、風(fēng)機(jī)的抗磨改造實(shí)踐
某磚瓦企業(yè)一旋風(fēng)除塵器配套一離心引風(fēng)機(jī),型號(hào)為№6-12。使用中發(fā)現(xiàn)葉輪葉片后盤部位磨損嚴(yán)重.平均1個(gè)月左右修理或更換一件葉輪,維護(hù)費(fèi)用高,影響工藝生產(chǎn)。為了提高葉輪的抗磨性,決定對(duì)葉輪進(jìn)行改造。本著減少投資的原則,改造中利用了原風(fēng)機(jī)機(jī)殼、電機(jī)、軸及傳動(dòng)裝置,并保持風(fēng)機(jī)的流量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)不變,僅改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)及配套集流器。具體如下:
(1)葉輪改為鋸齒形中盤直板葉片型葉輪(如圖3)。這種葉輪的特點(diǎn)是葉片工作面出口處沒有中盤,而使整個(gè)中盤呈鋸齒形。煙氣從左右前盤入口進(jìn)入葉輪后,煙氣中塵粒不與中盤相撞,而是隨左右側(cè)氣流匯合后共同到達(dá)出口。左右側(cè)氣流匯合后使部分塵粒還未來得及到達(dá)葉輪工作面就已經(jīng)飛出了葉輪,避免大量塵粒與中盤相撞而集中磨損。盡管有一部分塵粒由于與對(duì)側(cè)的氣流及塵粒相撞而消耗了能量,在離心力的作用下到達(dá)葉片對(duì)葉輪產(chǎn)生磨損,但是數(shù)量大為減少。因磨損面積由原來中盤根部擴(kuò)展到大部分的葉片工作面,所以單位面積的磨損量減少了,且對(duì)葉片均勻磨損。
(2)改變氣流中塵粒的入射角。葉片出口安裝角從原30。提高到55。,使氣體塵粒的入射角盡量避開葉片磨損最嚴(yán)重的200~300角,提高葉輪的壽命。
(3)增加葉片防磨襯板。在葉片上焊接6Mn材料的村板,增強(qiáng)葉片的抗磨損性能。
新葉輪使用一個(gè)修理周期(半年)以后,葉片中盤根部?jī)H有輕微的磨損,且磨損均勻,經(jīng)局部補(bǔ)焊校驗(yàn)平衡后仍可繼續(xù)使用。可見,鋸齒形葉輪的改造應(yīng)用,較好地解決了葉輪磨損不均勻的現(xiàn)象,同時(shí)也大幅度地減輕了葉輪的磨損。
5、結(jié)束語(yǔ)
磚瓦工業(yè)風(fēng)機(jī)大多數(shù)為氣一同兩相流風(fēng)機(jī)。氣一固兩相流風(fēng)機(jī)磨損的原因很多,有風(fēng)機(jī)本身的原因,如風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)等;也有除塵系統(tǒng)狀態(tài)原因,如粉塵性質(zhì)、濃度等。風(fēng)機(jī)的防磨損措施,大體可分為兩大類:被動(dòng)防磨和主動(dòng)防磨。被動(dòng)防磨是選取適當(dāng)?shù)哪湍ゲ牧匣驅(qū)Ρ荒ゲ牧线M(jìn)行適當(dāng)?shù)哪湍ヌ幚怼km然被動(dòng)防磨方法在防磨方面起到了一定的作用,但卻不從根本上消除和緩解磨損的發(fā)生。主動(dòng)防磨也稱為氣動(dòng)防磨,主要是從氣一固兩相流的動(dòng)力學(xué)特征人手,對(duì)流體機(jī)械本身進(jìn)行抗磨損等的優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行控制與優(yōu)化配置。氣動(dòng)防磨才是解決帶粒流磨損問題的根本。