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燒結(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)子工藝控制      燒結(jié)機配套用的主抽風(fēng)機，即通常所稱的燒結(jié)鼓風(fēng)機，是冶金行業(yè)燃料燒結(jié)的關(guān)鍵設(shè)備之一，擁有極其廣闊的市場需求，其耗電量占燒結(jié)廠總耗電量的百分之四十左右，輸送的介質(zhì)為燒結(jié)煙氣，含塵量交大，風(fēng)機的轉(zhuǎn)子極其蝸殼磨損嚴(yán)重，且因其流量較大，壓力相對較高，一般轉(zhuǎn)速多為1450/min或3000/min，因而要求其轉(zhuǎn)子制作的材料在高溫狀態(tài)下既要有較高的屈服極限，又要有一定的耐磨性能，同時還要有較好的焊接性能，這就給燒結(jié)風(fēng)機的制作增加了一定的難度。    武漢鼓風(fēng)機廠于八十年代末引進日本三菱技術(shù)之后，在原有的SJ系列及D系列燒結(jié)風(fēng)機的基礎(chǔ)上，著手開發(fā)、研制了高效率、低耗能、使用壽命廠的AF燒結(jié)風(fēng)機系列，流量范圍從2500m3/min至13000m3/min，該系列產(chǎn)品因其性能可靠、效率高、結(jié)構(gòu)合理、維修方便等特點而深受用戶歡迎，并且逐漸占有一定的市場份額。正因于此，上海寶鋼于1998年底決定于我廠合作生產(chǎn)450m2IDL風(fēng)機轉(zhuǎn)子組。    上海寶山鋼鐵（集團）公司燒結(jié)廠450m3IDL主排風(fēng)機是日本日立造船株式會社生產(chǎn)的產(chǎn)品，使用時間已達(dá)10年之久，運行情況良好。但由于長時間的粉粒摩擦。致使轉(zhuǎn)子磨損嚴(yán)重，雖經(jīng)過幾次中間維修后仍可正常使用，但訂購哦備件轉(zhuǎn)子已迫在眉睫。直接從國外進口備件價格昂貴，因此，寶鋼決定立足國內(nèi)廠家，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子制造國產(chǎn)化。 450m3IDL主排風(fēng)機的基本性能要求是：流量：21000m3/min進口壓力：為-19.11KPa，出口壓力為0.49KPa，全壓升19.6KPa，溫度：150℃電機功率為9300Kw，轉(zhuǎn)速為1000/min 介質(zhì)為燒結(jié)煙氣，溫度從80℃至250℃，葉輪要求采取耐磨措施。經(jīng)設(shè)計計算確定該風(fēng)機轉(zhuǎn)子為離心式雙進氣、雙支撐、錐形前盤、單板葉片附耐磨襯板焊接結(jié)構(gòu)，葉輪外徑D2=4270mm葉輪出口寬度b2=500mm，為減輕轉(zhuǎn)子重量，主軸設(shè)計為中空管焊接軸頭結(jié)構(gòu)，最大加工外徑為φ810mm，總長為6948mm。轉(zhuǎn)子總重量約26噸。是目前我國風(fēng)機行業(yè)自己生產(chǎn)制造的最大燒結(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)子。 為了確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際上同類產(chǎn)品的水平，我們決定與日本荏原工機株式會社合作進行該風(fēng)機轉(zhuǎn)子的設(shè)計、生產(chǎn)及檢驗，且葉輪的關(guān)鍵原材料由荏原工機負(fù)責(zé)在日本制鋼所采購后進口，轉(zhuǎn)子在整個制造過程中由荏原工機派專業(yè)人員到現(xiàn)場進行技術(shù)指導(dǎo)，并接受用戶嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)督。通過前后兩年多的通力合作，此轉(zhuǎn)子已經(jīng)順利制作完成，經(jīng)用戶嚴(yán)格驗收后已送交到了用戶現(xiàn)場。 通過完成此轉(zhuǎn)子的設(shè)計、制造，我能又學(xué)到了很多新的東西，也積累了一些經(jīng)驗。下面，我僅就450m3IDL主排風(fēng)機轉(zhuǎn)子在制造過程中壓膜成型、焊接及焊后表面處理和主軸精加工等涉及到產(chǎn)品表面質(zhì)量的諸方面與各位專家簡要交流一下： 葉輪錐形前盤成型 通常錐形前盤成型采用平板料壓模成型，扇形板料滾彎成型。而450m3IDL葉輪錐形前盤采用的是素線法在1100噸水壓機上成型，即在前盤展開料上過中心等分劃線，圓棒沿所劃線逐條施壓。采用此方法基于以下幾點考慮： 展開直徑達(dá)φ4376mm，板厚30mm。單件生產(chǎn)的產(chǎn)品采用壓膜成型成本太高 采用滾彎成型需對大型三星滾機進行改造也非易事 采用素線法成型將壓型和整形工序合二為一，成本不高且可行。成型檢驗結(jié)果：錐盤高度誤差3mm，錐底平面誤差2.5mm。錐面整體樣板型線最大間隙2.5mm。 二、葉輪組裝（定位焊） 葉輪各零件組裝定位焊遵循對稱分布、先內(nèi)后外的原則。由于葉輪材料的施焊條件必須具備一定的溫度，預(yù)熱和后熱處理（消氫處理）。因此在定位焊和滿焊時都面臨變形量增加和防變形、反變形的問題。根據(jù)葉輪的具體情況采取了相應(yīng)的措施： 組裝葉片時采用了三角形防變形支撐。保證葉片與中盤的垂直度。（葉片長1400mm） 中盤內(nèi)圈防翹曲變形圈，保證了軸盤連接平面的平面度 前盤防波浪變形圈，保證焊后前盤跳動誤差最小 葉片出口防變形支撐，保證葉輪出口寬度 葉輪外圓人字形防變形支撐，保證前盤與中盤不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形 采用十字形剛性固定以防止進口圈拼焊時的收縮變形 在以上六種方法的基礎(chǔ)上，通過焊接順序、位置、和焊接量的調(diào)整來防止焊接變形 這些防變形措施通過實踐證明起到了很好的作用。檢驗結(jié)果：中盤端面跳動4.5mm以內(nèi)，前盤跳動6mm以內(nèi)，葉輪出口寬度±2mm以內(nèi)，葉片垂直度2mm以內(nèi)。 三、主軸焊接 主軸的特點是采用中空軸，目的是降低對軸承承載能力的要求和磨損，減小對電機功率的要求，使風(fēng)機能再長期運轉(zhuǎn)中節(jié)省相當(dāng)大的能源。該主軸是由中空管和兩端軸頭三段組焊為一體的焊接結(jié)構(gòu)件，其軸長6948mm，軸徑810mm，中空管管壁厚135mm，構(gòu)件剛度很大。而轉(zhuǎn)子葉輪直徑也很大（4270mm），在1000/min高速運轉(zhuǎn)的條件下傳動的扭矩很大。因此必須制定和采用合理的焊接工藝及嚴(yán)格的工藝措施，方能滿足該轉(zhuǎn)子的要求。 焊接性分析：主軸所采用材料為S25C，其碳當(dāng)量Cep=0.335%。由此可知其焊接性能較好，產(chǎn)生冷裂紋的傾向不大。但考慮到焊接厚度為135mm且為環(huán)焊縫，有很大的約束力，這是產(chǎn)生冷裂紋的重要因素，且冶金缺陷也大大增加。由此可計算得碳當(dāng)量CEN=0.47%，則焊接預(yù)熱125±25℃是必須的（層間溫度不大于240℃） 焊接方法及焊材：焊接方法選用直流（反接）手工電弧焊，焊條選用J507Ni，這主要是該焊條熔敷金屬機械性能好，具有良好的塑性，低溫韌性和良好的抗裂性能，工藝性能也很好； 焊接坡口設(shè)計：根據(jù)主軸的特點，設(shè)計了便于X射線探傷，便于施焊及盡量小的焊接量和熱影響區(qū)的坡口 防變形措施：采用楔形定位塊在坡口處安裝定位，然后用鞍形固定板剛性固定，以減小主軸的變形量，同時在焊接中通過焊接順序、焊接量和焊接位置的調(diào)整來消除或減小變形量。 焊后處理：合理的焊后消氫處理和充分的去應(yīng)力熱處理。 按以上焊接要點進行的主軸焊接質(zhì)量滿足了設(shè)計要求（達(dá)GB3323-82Ⅱ級以上），焊接變形量能控制在工藝范圍內(nèi)（同軸度不大于1.5mm）。 四、葉輪焊接 要保證如此大直徑葉輪的制造精度，焊接質(zhì)量（防裂紋和減小變形）是其關(guān)鍵。該葉輪用材較復(fù)雜：前盤、中盤和進口圈材料為13C-4Ni（進口洛鎳鋼），而葉片、襯板及葉片頭為WELTEN590(進口低合金高強鋼)因而所對應(yīng)的焊條也較復(fù)雜，其中13C-4Ni之間的焊接、13C-4Ni與WELTEN590焊接、WELTEN590之間的焊接及兩種耐磨焊條共采用了五種不同的焊條。根據(jù)材料要求，結(jié)構(gòu)焊縫的焊接預(yù)熱150~180℃及30分鐘300℃的后熱消氫處理是必須的，而該葉輪焊接位置板厚較大，板厚差異也大，焊縫強度高，剛度大，焊接收縮量大。因此產(chǎn)生裂紋的傾向和焊接變形的可能性也很大，所以必須采用合理的焊接工藝及嚴(yán)格的工藝措施。 防變形措施（前文已所述） 各部焊接要點： 葉片襯板的耐磨堆焊：葉片襯板材料為WELTEN590。厚度為4mm，長1400mm，在葉片工作面要進行大量的塊狀和條狀堆焊。大量的堆焊可導(dǎo)致襯板的嚴(yán)重變形，在校正的過程中勢必產(chǎn)生大量的裂紋（因堆焊層的HRC&g;60）。為此，將葉片襯板先壓型。然后再剛性固定在相同的胎膜上進行堆焊，這樣就大大的減小了變形，從而避免了校正過程中大量的裂紋產(chǎn)生。 葉片與前盤（中盤）的焊接：葉片與前盤（中盤）的焊接為異種鋼焊接（13C-4Ni與WELTEN590）。因為焊接產(chǎn)生的收縮量大，給葉片在高度上預(yù)留了3mm的收縮余量，以保證焊接完后葉輪進出口的高度符合圖紙要求。再者，因焊接量大，且要在一定范圍內(nèi)（焊接及周邊200~300mm）預(yù)熱150~180℃，為避免裂紋的產(chǎn)生和減小變形，須將葉輪直立，以使焊縫處于平角焊位置，采用雙人以中盤對稱跳躍式后退法，在順序上采用十字交叉焊，每條焊縫在焊完立即進行30分鐘300℃消氫處理。 前盤與進口圈的焊接：前盤與進口圈的材料均為13C-4Ni，選擇的焊條應(yīng)使焊縫獲得良好的成分組織和機械性能。而前盤厚度30mm和進口圈厚度80mm兩者間的板厚差異極大，焊縫強度高，剛性大，焊接收縮量大且為環(huán)焊縫，為此我們設(shè)計出了合理的焊接坡口以減小熱影響區(qū)和焊接量，同時在焊接中采用了局部預(yù)熱等份（10等份）雙人對稱交叉焊，在多層焊中進行嚴(yán)格的過程控制（包括層間溫度控制），焊后立即進行消氫處理，從而避免了裂紋的產(chǎn)生和盡可能的減小了焊接變形。 葉片頭的焊接：葉片頭焊接位置處于較為復(fù)雜的地方，這里既有WELTEN590與WELTEN590的焊接，也有WELTEN590與13C-4Ni的焊接，且有多條焊縫的交合點，這是應(yīng)力較為集中的地方，也是最易產(chǎn)生裂紋的地方。因此，在焊接中除了要進行大范圍充分預(yù)熱外，其焊接要點是： 合理應(yīng)用焊條，特別是焊縫交會處焊條的應(yīng)用； 合理的焊接順序、方向以盡量減小應(yīng)力集中； 焊后立即進行消氫處理； 焊后處理：焊后要進行充分的消除應(yīng)力熱處理，然后在無火狀態(tài)下去掉防變形裝置。 按以上要點進行制作的葉輪，保證了焊縫質(zhì)量（通過了PT滲透,MT磁粉,VT探傷檢查），焊接變形量也控制在工藝范圍內(nèi)（前盤跳動&l;6mm，中盤跳動&l;4.5mmVT超聲波RT射線）。 五、主軸精加工 一般情況下，保證主軸精加工同軸度和軸徑位表面粗糙度的加工方法，是以兩端中心孔為基準(zhǔn)，高速精車，或者在磨床上磨削。主軸的加工精度主要是靠機床本身的精度來保證。而450m2主軸需用重型機床加工，僅靠機床本身的精度很難保證。因此，我們在CW2100臥式車床上采用了托架支撐，低速反轉(zhuǎn)、寬刃切削并輔以混合油潤滑冷卻的加工方法，保證了主軸的加工精度。該加工方法不用中心孔定位，以兩個托架支撐，用百分表測主軸與機床花盤的垂直度和二支撐位的同軸度，隨時修正誤差，使主軸始終保持在理想的狀態(tài)。這樣，避免了機床尾座和機床主軸可能出現(xiàn)的同軸度誤差（即機床本身的精度誤差），同時由于低速寬刃車刀和混合油的配合使用，大大的降低了切削熱量對加工精度的影響，基本上消除了走刀過程中產(chǎn)生的刀紋，提高了表面粗糙度。經(jīng)最終檢驗，同軸度誤差在0.012mm，表面粗糙度到了0.4，證明主軸的此加工方法是成功可行的。 六、轉(zhuǎn)子動平衡 轉(zhuǎn)子動平衡是在德國申克公司生產(chǎn)的18噸硬支撐動平衡機上進行的。動平衡機的平衡精度可達(dá)每公斤重轉(zhuǎn)子0.5克毫米。平衡精度完全靠機床的精度保證。由于450m2轉(zhuǎn)子重量達(dá)26噸，動平衡機振擺架的支撐是滾輪支撐結(jié)構(gòu)，與主軸表面的接觸力較大，在旋轉(zhuǎn)過程中容易使軸頸產(chǎn)生壓痕，因而會影響到主軸的表面質(zhì)量。因此，避免動平衡產(chǎn)生壓痕是必須解決的問題。我們采用了在支撐軸頸為套裝（經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼）內(nèi)外錐緊定軸套，以保護支撐位軸頸，取得了圓滿的效果。這也是我們目前所做過的最大直徑和最大重量轉(zhuǎn)子的動平衡。 結(jié)束語：本文僅介紹了大型燒結(jié)轉(zhuǎn)子在制造過程中壓膜成型、焊接及焊后表面處理和主軸精加工等涉及到產(chǎn)品表面質(zhì)量等方面的一些較為重要的技術(shù)問題。目前，此轉(zhuǎn)子已順利制作完成，并通過了嚴(yán)格的檢驗驗收，各項指標(biāo)均滿足了《技術(shù)協(xié)議》中的技術(shù)要求。 實踐證明：采用高韌性焊條、焊后熱處理、焊后消氫及焊后去應(yīng)力處理、合理的坡口焊接方式及得當(dāng)?shù)姆雷冃未胧诖髣偠鹊闹锌蛰S的焊接中，保證焊縫內(nèi)在和外在的質(zhì)量及控制焊后變形是必要的和有效的，而在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度高、剛度大、材料復(fù)雜的大型葉輪組焊中，合理的焊接工藝和有效的防變形措施，也是保證葉輪制造質(zhì)量的關(guān)鍵所在。                                 

摘要:使用CFD數(shù)值計算軟件對一5.6號離心風(fēng)機進風(fēng)口與葉輪徑向間隙(徑向間隙&dela;與葉輪直徑D2比值)分別為1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)時的整機進行三維數(shù)值模擬，并且與葉輪和進風(fēng)口沒有間隙的離心風(fēng)機數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。分析間隙對內(nèi)部流場的影響，總結(jié)得到該離心風(fēng)機全壓、內(nèi)功率和內(nèi)效率隨間隙變化情況 0引言 離心風(fēng)機是工業(yè)生產(chǎn)部門使用非常廣泛的機械設(shè)備，在冶煉、石油和化工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其能否安全、經(jīng)濟的運行直接關(guān)系著各個生產(chǎn)部門的經(jīng)濟效益。離心通風(fēng)機中的損失可分為流動損失、泄漏損失、輪阻損失和機械損失等。為了保證高速旋轉(zhuǎn)的離心通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)的可靠性，進風(fēng)口和葉輪之間要有一定的間隙，由于存在這一間隙，氣體經(jīng)過葉輪前蓋與進風(fēng)口之間的泄漏形成循環(huán)流動，使葉輪對這部分流體的做功均被損失掉。這種損失被稱為內(nèi)泄漏損失。 一般經(jīng)驗認(rèn)為，進風(fēng)口與葉輪之間的徑向間隙越小，內(nèi)泄漏損失會越小，故在制造工藝和安全運行的條件許可下，間隙應(yīng)盡可能小。但是由于制造工藝和加工成本的限制，間隙過小可能有較大的制造困難，所以要在兼顧多種因素的情況下，找到最佳的徑向間隙量。 本文以某一高效離心風(fēng)機（機號5.6號）為模擬對象，使用三維造型軟件對進風(fēng)口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)時的離心2風(fēng)機整機建模，對建模后的整機劃分網(wǎng)格，再使用CFD數(shù)值計算軟件對整機進行數(shù)值分析，最后對計算結(jié)果進行對比分析，得到不同間隙對該機號風(fēng)機的全壓、內(nèi)功率和效率的影響，總結(jié)得到不同間隙對間隙內(nèi)泄漏損失的影響。同時得到該機型的最佳的徑向間隙。2不同徑向間隙離心風(fēng)機整機CFD數(shù)值模擬 2.1模型建立及網(wǎng)格劃分 使用三維造型軟件UG對進風(fēng)口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為離心風(fēng)機整機建模，圖?表示的為間隙1??時的二維圖。建模時將整機分為?個區(qū)域，分別為進風(fēng)口、葉輪、葉輪和進風(fēng)口之間的間隙、以及機殼部分。 圖2表示三維數(shù)值計算模型和網(wǎng)格，計算網(wǎng)格使用分塊四面體網(wǎng)格，由建模的4部分組成。其中，間隙和葉輪部分設(shè)計為旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格。近壁面以及間隙部分網(wǎng)格加密處理，離心通風(fēng)機整機網(wǎng)格總數(shù)為230萬。 2.2CFD數(shù)值計算方法 在CFD數(shù)值計算中,使用K-?湍流模型求解相對坐標(biāo)系下守恒形式的三維Navie-sokes方程。空間項采用有限體積中心離散方法[5]。采用四階Runge-kua法時間推進以獲得定常解。為了加速收斂，采用多重網(wǎng)格法。 數(shù)值模擬的邊界條件為：進口給定速度條件，根據(jù)不同流量給定不同的進口速度；出口為自由出口條件；葉輪給定旋轉(zhuǎn)速度. 2.3內(nèi)部流場分析 圖3表示的是間隙為4mm時間隙中的速度分布，可以很明顯的看到，蝸殼中壓力較高的流體經(jīng)過間隙重新流回葉輪，同時間隙對氣流又產(chǎn)生了節(jié)流作用，氣流的速度快速增加，并且在間隙處產(chǎn)生了渦流。通過間隙進入葉輪的氣流再次和葉輪中的主氣流混合。這與一般 的理論分析是一致的，葉輪對氣體的做功的一部分消耗在了間隙內(nèi)的循環(huán)上。 圖4和5分別表示的是沒有間隙和3種不同間隙時蝸殼中截面的總壓分布。對比圖4和5可以得到，沒有間隙時的蝸殼中的總壓比有間隙時要明顯大，而且渦的分布也比有間隙時少。這就表明間隙會明顯減小風(fēng)機的做功能力。隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會明顯降低，也會出現(xiàn)明顯的渦流。這也表明間隙泄漏對蝸舌部位的氣流影響較大。 2.4不同間隙時的全壓和內(nèi)效率比較 圖6和7分別表示的是葉輪進口沒有徑向間隙和徑向間隙與葉輪直徑比值(&dela;/D2)分別為數(shù)值模擬的流量和全壓曲線以及流量和內(nèi)效率曲 線。從兩張圖可以很明顯的看出，隨著間隙的增大，在全流量工況，全壓和內(nèi)效率都有明顯的下移。 從圖6可以看出，在小流量區(qū)域，隨著間隙的增大，雖然全壓有一定的降低，但是降低的不是很明顯，而且在全壓降低到一定程度以后，基本不再降低；然而在大流量區(qū)域，壓力降低的比較明顯。這就說明在小流量區(qū)域，間隙的大小對全壓的影響較??；在大流量區(qū)域， 間隙的大小對全壓有較大的影響。這和理論分析的結(jié)果是一致的。 從圖7可以看出，和沒有間隙時的理想情況比，徑向間隙會明顯的降低整機的內(nèi)效率，隨著&dela;/D2的增大，在小流量區(qū)域，內(nèi)效率變化不是很明顯；在大流量區(qū)域，內(nèi)效率下降的比較明顯。在大流量區(qū)域，&dela;/D2為0.18%時，內(nèi)效率和沒有間隙時的情況比較接近，并且&dela;/D2為0.36%和0.54%時內(nèi)效率比較接近，而當(dāng)&dela;/D2為0.71%時，效率又有比較明顯的下降。 對于該5.6號的風(fēng)機，一般情況下做到&dela;/D2為0.18%要求比較高，實現(xiàn)起來既耗費時間又增加成本，但是同時又不希望效率降低過大，由于&dela;/D2由0.36%增加到0.54%時內(nèi)效率變化較小，所以該型風(fēng)機最佳的徑向間隙量&dela;/D2為0.54%，這與經(jīng)驗公式要求的一般間隙約為0.5%D2的要求是相符合的。 3結(jié)論 1）使用CFD數(shù)值計算軟件對一5.6號高效離心風(fēng)機進風(fēng)口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為時的整機進行三維建模和數(shù)值模擬，并且與沒有間隙時的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，蝸殼中壓力較高的流體經(jīng)過間隙重新流回葉輪，同時間隙對氣流又產(chǎn)生了節(jié)流作用，氣流的速度快速增加，并且在間隙處產(chǎn)生了渦流。 2）不同間隙時蝸殼中截面的總壓分布表面，隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會明顯降低，也會出現(xiàn)明顯的渦流。間隙泄漏對蝸舌部位的氣流影響較大。 3）隨著間隙的增大，在全工況內(nèi)，全壓和內(nèi)效率都會減小。在綜合考慮制造成本和徑向間隙對內(nèi)效率的影響，得到該機型最佳的徑向間隙與葉輪直徑的比值&dela;/D2為0.54%。