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矿井耐磨风机叶轮制造术研究进展 刘爱军1 工程师 刘德顺1, 2 教授 周知进1 高级工程师 矿井风机叶轮是风机的主要部件,而叶片又是叶轮的核心。由于在许多场合风机运行过 程中存在固体颗粒的渗入,有些甚至长期工作在高浓度固粒的环境中,且它们以极高的速度 运动并与风机叶片表面碰撞、摩擦,致使叶片磨损,从而导致叶片的变形和洞穿,极大地恶化 了风机的流动特性。这样不仅影响了风机的性能,缩短风机的寿命,降低生产效率,加大能耗 和设备的投资,而且会引发矿井安全的重大事故。 1998年鸡西矿务局小恒山煤矿安装在东风井的两台轴流式通风机叶轮叶片严重磨损, 造成矿井风量由要求的150m3/s降至91m3/s,井下温度高达30b左右,不仅影响了生产,还存 在严重的事故隐患。文献[2]中由于固体微粒冲击叶轮导致翼型叶片磨穿,引发4次/飞车0 事故,生产受损严重,每次检修费用高达5万元。由此可见,研究矿井风机叶片抗磨机理与技 术具有非常重要的意义。 分析矿井风机叶片磨损机理,对磨损机理的研究经历了从单个磨粒冲击机理到气固两相 流场两个阶段,对磨损规律的认识从点扩展到空间。归纳总结影响叶片磨损的各种因素,指出 材料硬度、颗粒特性、冲击速度和冲击角度对叶片磨损影响较大。 1 影响叶片磨损的主要因素 影响叶片磨损的因素很多,有叶片本身的原因,也有叶片运行流场的原因,下面主要就磨 粒特性、磨粒浓度、材料性能、叶片结构、风机转速分别进行论述。 1.1 磨粒特性的影响 磨粒粒度的影响一方面是磨粒尺寸效应,另一方面是脆性材料磨损特性变化。研究表明, 一般磨粒尺寸在20~200Lm时,材料磨损率随磨损尺寸的增大而上升,但磨粒尺寸增加到某一 临界值DC时材料磨损率几乎不变或变化很缓慢,这一现象被称为/尺寸效应0。磨粒的硬度 对磨损的影响更为突出。当试验用磨粒尺寸为125~150Lm,磨粒冲击速度为130m/s,材料各 含11% Cr的钢。 1.2 风机叶片的材料 材料的硬度对耐磨性有重要的影响。但是,仅用硬度来评价耐磨性是不够的。耐磨性不 仅取决于材料的硬度,还取决于材料的化学成份及显微组织。通过对22种工业纯金属、合金 及不同温度下回火后有不同硬度的40Cr钢,经过冷作硬化后,进行磨损试验,可得出以下结论 1)在硬磨料磨损条件下,高的载荷或高的摩擦速度下,淬火低温回火钢的硬度比退火状态 的硬度可以成倍提高,但是其对应的耐磨性却只提高了10%~30%。 2)不同含碳量的淬火钢有不同的曲线,说明同一硬度下的不同材料有不同的耐磨性。 Sundara-jan等指出,退火状态的纯金属硬度与冲蚀率呈良好的线性关系,而冷加工、细晶强化、 固溶强化等不能提高单晶金属材料的抗冲蚀能力,马氏体硬化、沉淀强化、弥散强化等方法 对多相合金冲蚀率的影响无明显规律。 1.3 风机转速的影响 通风机的转速直接决定磨粒对叶片材料的冲击速度。材料发生冲蚀磨损时存在一个冲击 速度的门槛值,低于这个数值不产生冲蚀磨损,只发生弹性变形。磨粒的速度对材料的冲蚀率 产生影响,主要是因为冲蚀磨损量与磨粒的动能有关。转速越高,尘粒对叶片撞击能量就越大, 磨损也越严重。根据试验得出,风机叶片的磨损量与转动速度的平方及输送气体中尘粒含量 成正比。 一般情况设计选择时应考虑风机转速与风机出力(流量)、叶片直径与压头等参数。在确 保风机压头、出力的前提下,应适当地选择低转速、大叶片风机,以减少对风机叶片的磨损速 度,延长使用寿命。据资料介绍,某风机将转速由980r/min改为730r/min (为保证出力,相应地 将叶片直径由1800mm 增大到2230mm),其运行寿命由70天延长到166天,达2倍以上。 2 2 22 叶片抗磨防护技术 2.1 提高叶片的耐磨性 叶片的磨损与叶片所用材料和结构都有关系,同时叶片的磨损主要是局部磨损。通过提 高叶片自身的耐磨性,或使叶片磨损趋于均匀,可以达到延长叶片的使用寿命。主要从叶片材 料和结构两个方面着手,采取以下几种常用的措施。 一般风机厂家使用堆焊的效果，在风机的迎风面堆焊一层耐磨层，根据风机工作的温度、 粉尘度、粉尘颗粒大小、粉尘的硬度不同而不同。 ① 一般在高效后向机翼型叶片上附加低锰钢制成的叶片衬板，在叶片进口防磨圆钢两 侧增设防磨板；在特殊工况下运行的风机采用后向板形叶片代替机翼型空心叶片。 ② 在叶片头部正反两面 50~70mm 宽度、全部堆焊北京固本耐