環(huán)形退火爐風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定性研究

張學(xué)森 朱吉聲 郝曉鵬 李亮亮 鄭利元 齊杰斌

(首鋼智新遷安電磁材料有限公司 河北遷安 064404)

1 前言

首鋼智新遷安電磁材料有限公司硅鋼高溫環(huán)形退火爐于2010年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)最高溫度1250℃，能夠滿足同時(shí)處理100卷帶鋼，單爐產(chǎn)值巨大。環(huán)形爐加熱系統(tǒng)的能量來(lái)源是天然氣，空氣的來(lái)源是兩臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)提供的空氣，一用一備。冷卻系統(tǒng)是4臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)提供的冷卻空氣，對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行降溫，以達(dá)到工藝所要求的溫度。環(huán)形爐投產(chǎn)以來(lái)，風(fēng)機(jī)設(shè)備先后出現(xiàn)振動(dòng)、噪音、喘振等故障。圍繞機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)對(duì)環(huán)形爐風(fēng)機(jī)設(shè)備故障進(jìn)行了理論研究，并提出了改進(jìn)措施。

1.1助燃風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)由葉輪、主軸、機(jī)殼、入口、出口、調(diào)節(jié)閥門、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。環(huán)形爐機(jī)組所用的助燃風(fēng)機(jī)是南通金通靈風(fēng)機(jī)有限公司廠家生產(chǎn)的，型號(hào)為pG6-30-11NO9.7D，具體參數(shù)如下：

電壓：380V，50Hz；風(fēng)量：250Nm3/min；風(fēng)壓：15kPa(20℃)；功率：110kW；轉(zhuǎn)數(shù)：2900r/min；絕緣等級(jí)：F；噪音等級(jí)：≤85dB (1.0m)；振動(dòng)：≦5.6mm/s.

1.2冷卻風(fēng)機(jī)

環(huán)形爐爐區(qū)2C-4C段設(shè)有冷卻管路進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，冷卻空氣是由四臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)來(lái)提供的。強(qiáng)制冷卻分為間接冷卻和直接冷卻兩種方式，間接冷卻空氣是在管內(nèi)流動(dòng)的，冷卻后的空氣通過(guò)煙囪排出爐外，而直接冷卻是噴射式的，冷卻空氣直接噴到內(nèi)罩上。并在2014年對(duì)2#環(huán)形爐冷卻系統(tǒng)的分支管道進(jìn)行了改造。環(huán)形爐冷卻管路的布置圖2所示。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1-消音器；2-入口擋板；3-葉輪；4-傳動(dòng)組；5-聯(lián)軸器；6-電機(jī)

圖2 環(huán)形爐冷卻管路布置圖1-直接冷卻噴嘴；2-間接冷卻U型管；3-切斷閥或控制閥；4-間接冷卻控制閥；5-冷卻總管路

冷卻風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：數(shù)量2用2備，流量650Nm3/min，類型離心式，壓力8kPa，功率160kW。

2 常見(jiàn)故障

2.1助燃風(fēng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題

環(huán)形爐機(jī)組助燃風(fēng)機(jī)在6年左右的使用過(guò)程中出現(xiàn)了多次風(fēng)機(jī)軸承基座振動(dòng)大的問(wèn)題，最大時(shí)達(dá)到54mm/s，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，一旦助燃風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，不能及時(shí)的對(duì)燒嘴進(jìn)行供風(fēng)，將會(huì)對(duì)環(huán)形爐的生產(chǎn)運(yùn)行造成非常大的影響。

2.2 冷卻風(fēng)機(jī)管道系統(tǒng)噪音與喘振問(wèn)題

2.2.1 噪音

根據(jù)近幾年的觀察與實(shí)際測(cè)量，環(huán)形爐冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的噪音很大，已經(jīng)嚴(yán)重影響到附近所在點(diǎn)檢樓辦公室內(nèi)人員的身心健康。據(jù)儀器測(cè)量，噪音最大處達(dá)到96dB，已經(jīng)超出人體所能承受的安全級(jí)別60dB，對(duì)噪聲的治理已經(jīng)是一個(gè)必須要解決的問(wèn)題。

2.2.2 喘振

2#環(huán)形爐的冷卻風(fēng)機(jī)在2014年經(jīng)過(guò)改造之后，后段的支管管徑變小，雖然冷卻風(fēng)的壓力及風(fēng)量變大，但由于管道直徑、彎曲程度出現(xiàn)了改變，導(dǎo)致冷卻風(fēng)的管道出現(xiàn)了一定頻率的喘振。

3 故障原因分析

3.1助燃風(fēng)機(jī)振動(dòng)分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與觀察，環(huán)形爐助燃風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的原因主要有：聯(lián)軸器平衡對(duì)中有問(wèn)題、風(fēng)機(jī)的葉輪動(dòng)平衡存在問(wèn)題、風(fēng)機(jī)支座的開(kāi)焊、葉輪殼體的焊接不牢、風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸承的損壞等。

3.2冷卻風(fēng)機(jī)噪音分析

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察與分析，噪音產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1)風(fēng)機(jī)電機(jī)的電磁噪聲，磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的徑向力，使定子鐵心和機(jī)座隨時(shí)間周期性變形，即定子發(fā)生振動(dòng)而使周圍空氣脈動(dòng)引起的氣載噪聲。

2)風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲，產(chǎn)生的原因較多，主要有：葉輪磨損不均勻或因風(fēng)壓導(dǎo)致零件的變形使整個(gè)轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生的噪聲、軸承在運(yùn)行后由于磨損與軸相互作用產(chǎn)生的噪聲、由于安裝不良或各零件聯(lián)接松動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲、葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致機(jī)體某一部分共振而產(chǎn)生的噪聲、氣流遇到尖角或筋狀物時(shí)發(fā)出的尖嘯聲等。

3)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲，氣動(dòng)噪聲的聲源產(chǎn)生因素較多，按聲源輻射特性可劃分為單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源[1]。分類如圖3。

圖3 風(fēng)機(jī)噪音分類

蝸舌非定常氣動(dòng)力噪聲源被學(xué)者們認(rèn)為是離心式通風(fēng)機(jī)本體的主要噪聲源[2]。

4)管道噪聲,是在管道內(nèi)產(chǎn)生的或沿管道傳播的噪聲，主要指氣流通過(guò)管道時(shí)產(chǎn)生的噪聲。管道噪聲通常包括：阻擋噪聲和閥門噪聲。

3.3 冷卻風(fēng)機(jī)喘振分析

3.3.1 喘振機(jī)理

當(dāng)冷卻風(fēng)機(jī)的工況發(fā)生變動(dòng)并偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，比如分管的管徑變小，但進(jìn)風(fēng)口及主管道沒(méi)有變化，若是風(fēng)機(jī)還在原來(lái)的情況下進(jìn)行工作，風(fēng)機(jī)管道內(nèi)的氣柱因?yàn)槌隹谧冃　⑦M(jìn)口沒(méi)有變化，氣柱就會(huì)在主管道內(nèi)進(jìn)行震蕩，因?yàn)闅怏w可以壓縮、膨脹, 故可以看作一個(gè)類似彈簧的振動(dòng)系統(tǒng), 具有一定的固有頻率；當(dāng)激發(fā)頻率與某階固有頻率相等或相近時(shí), 系統(tǒng)即產(chǎn)生對(duì)應(yīng)該階頻率的共振;同時(shí)也發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離，脫離時(shí)葉道中的氣流通不過(guò)去，上級(jí)的壓力又突然下降，排氣管內(nèi)較高壓力的氣體便倒流回下級(jí)里來(lái)；瞬間倒流回下級(jí)中的氣體又補(bǔ)充了下級(jí)流量的不足，使葉輪又恢復(fù)了正常工作，從而重新把倒流回來(lái)的氣體壓出去。這樣又使下級(jí)中流量減少，于是壓力又突然下降，上級(jí)的壓力氣體又倒流回下級(jí)中來(lái)，如此周而復(fù)始，在系統(tǒng)中既產(chǎn)生了周期性的氣體振蕩現(xiàn)象，冷卻風(fēng)機(jī)及管道系統(tǒng)就發(fā)生了“喘振[3]”。

3.3.2 喘振影響因素

1)流量

圖4為出口壓力P與流量Q之間的曲線，隨著流量的減少，風(fēng)機(jī)的出口壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到該轉(zhuǎn)速下最大出口壓力時(shí)，機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū),風(fēng)機(jī)出口壓力開(kāi)始減小，流量也隨之減小，風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振。從曲線上看，流量減小是發(fā)生喘振的根本原因，在實(shí)際生產(chǎn)中盡量避免風(fēng)機(jī)在小流量的工況下運(yùn)行。冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)管道氣柱周期性的在管道內(nèi)進(jìn)行震蕩，因?yàn)楣艿纼?nèi)及風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)的壓力變化會(huì)影響到風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口吸入的風(fēng)量，這就導(dǎo)致兩臺(tái)其中的一臺(tái)會(huì)周期性的出現(xiàn)在喘振區(qū)。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下出口壓力與流量的關(guān)系

圖5 不同入口壓力時(shí)的性能

2)入口壓力

如圖5所示，風(fēng)機(jī)的入口壓力P1>P2>P3，在風(fēng)機(jī)恒壓的運(yùn)行工況下， 入口壓力越低，冷卻風(fēng)機(jī)越容易發(fā)生喘振，這也是入口過(guò)濾器壓差增大時(shí)，要及時(shí)清理冷卻風(fēng)機(jī)消音器過(guò)濾網(wǎng)的原因。

3 )如圖6所示，恒壓恒轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的離心式風(fēng)機(jī)在不同入口氣體溫度時(shí)的進(jìn)行曲線，從曲線上可以看出在恒壓運(yùn)行工況下，氣體入口溫度越高，越容易發(fā)生喘振。因此，對(duì)同一臺(tái)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，夏季比冬季更容易發(fā)生喘振，這就可以解釋為什么在夏季冷卻風(fēng)機(jī)管道的異響非常明顯：夏季溫度高，環(huán)形爐區(qū)域的溫度更是平均達(dá)到48℃，風(fēng)機(jī)的性能曲線會(huì)向下移動(dòng)，更容易落到喘振區(qū)。夏季溫度高，所以管道異常的響聲就是風(fēng)機(jī)發(fā)生了喘振，管道最粗的地方最甚。

圖6 不同入口壓力時(shí)的性能

4 風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障處理方法

4.1助燃風(fēng)機(jī)振動(dòng)處理方法

根據(jù)環(huán)形爐機(jī)組助燃風(fēng)機(jī)近幾年的故障處理情況歸納了幾種關(guān)于風(fēng)機(jī)振動(dòng)原因不明的處理方法。

表1 風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的可能原因及處理方法

其中，對(duì)風(fēng)機(jī)的聯(lián)軸器做了較多的工作，如更換梅花型聯(lián)軸器為柱銷聯(lián)軸器、日常維護(hù)時(shí)定期的對(duì)聯(lián)軸器打表檢查并調(diào)整。環(huán)形爐機(jī)組助燃風(fēng)機(jī)自2013年以來(lái)在振動(dòng)問(wèn)題的事件中因聯(lián)軸器的對(duì)中出現(xiàn)問(wèn)題所占的比例近一半，因此對(duì)聯(lián)軸器的調(diào)整是一個(gè)至關(guān)重要的過(guò)程，在風(fēng)機(jī)設(shè)備的振動(dòng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，首先考慮聯(lián)軸器的調(diào)整。

4.2 冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪音處理方法

1)根據(jù)以上的理論研究，管道噪音的發(fā)生機(jī)理，系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)盡可能使氣流均勻流動(dòng)，避免急劇轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生渦流[4]引起再生噪音，尤其是主管道與進(jìn)入使用房間支管聯(lián)接處。如圖7所示,主管路和支路的尺寸是一樣的，但a圖中變徑有弧度，氣流在由主管路經(jīng)由此類變徑時(shí)能夠較為平緩的流入支路，遇到的棱角較少，急劇轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的渦流也較少，噪音也就較少，這樣的設(shè)計(jì)是較好的；b圖中雖然也有變徑，但比較生硬，急劇轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生渦流較a圖中多，產(chǎn)生的噪音較a圖大，這樣的設(shè)計(jì)一般能夠滿足基本的要求；c圖中無(wú)變徑，氣流由主管道直接進(jìn)入支路，急劇轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的渦流非常大，噪音也是最甚的，這樣的設(shè)計(jì)最差。

鑒于環(huán)形爐機(jī)組冷卻風(fēng)機(jī)的管道系統(tǒng)已經(jīng)形成，主管道與分支管道處的連接沒(méi)有過(guò)度，很是生硬，設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，因此，待條件允許，可以對(duì)此處進(jìn)行完善。

2)對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，使其達(dá)到5.6mm/s以內(nèi)，并定期檢測(cè)葉輪的動(dòng)平衡，檢查葉輪的工作狀況，定期的更換風(fēng)機(jī)的軸承，定期的對(duì)風(fēng)機(jī)及管道系統(tǒng)的螺栓進(jìn)行預(yù)緊，消除機(jī)械噪音方面所帶來(lái)的影響。

3)對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)進(jìn)行定期的維護(hù)，定期更換軸承，定期對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子做檢查，消除電磁噪聲方面所帶來(lái)的影響。

4)將聲源控制在用隔聲材料做成的圍擋結(jié)構(gòu)中，防止設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲傳出，環(huán)形爐機(jī)組采用的方法是用隔音棉將冷卻風(fēng)機(jī)全部密封在隔音房?jī)?nèi)，并在隔音房墻壁上用吸音棉來(lái)進(jìn)一步削減噪音的影響。

經(jīng)過(guò)以上的措施之后，再次在96dB的地方進(jìn)行測(cè)試，噪聲已經(jīng)降低到60dB，效果顯著。

4.3 冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)喘振問(wèn)題處理方法

冷卻風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振的根本原因是管道內(nèi)的流量減小：當(dāng)管道內(nèi)氣柱壓力慢慢的在較小的出口被釋放出過(guò)程中，脈動(dòng)的氣柱的壓力并沒(méi)有減小多少，這就使風(fēng)機(jī)吸入的流量較小，在管道內(nèi)風(fēng)機(jī)的流量過(guò)小，小于風(fēng)機(jī)的最小流量，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣體旋轉(zhuǎn)分離；并且由于管道內(nèi)的壓力高于風(fēng)機(jī)所提供的排壓，造成氣體倒流，并產(chǎn)生大幅度的氣流脈動(dòng)。

a變徑有弧度(較好) b變徑無(wú)弧度(一般) c 無(wú)變徑直接連接(最差)圖7 主管道與支路不同連接形式的效果示意圖

因此，對(duì)于兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)的喘振原因可以歸結(jié)如下：

1)后期管道的改變破壞了原來(lái)的風(fēng)機(jī)與管道的工作契合度，使管道內(nèi)的氣柱脈動(dòng)現(xiàn)象加劇，影響到了管道內(nèi)的壓力(因?yàn)楣艿老到y(tǒng)已經(jīng)形成，條件允許的情況下再對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改善)。

2)夏季外界溫度高，廠房?jī)?nèi)的平均溫度更是達(dá)到了48℃，會(huì)使本就很容易落入喘振區(qū)的風(fēng)機(jī)更容易在喘振區(qū)工作(每年的5月～9月把隔音房的大門打開(kāi)，降低隔音房?jī)?nèi)的溫度)。

3)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)入口擋板都開(kāi)啟時(shí)，由于開(kāi)度達(dá)到最大，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)所做的功使得冷風(fēng)管道內(nèi)的氣柱震蕩加劇，更易發(fā)生喘振，但是開(kāi)一臺(tái)時(shí)還達(dá)不到工藝要求，因此，既要削減振動(dòng)的程度又要滿足工藝的要求，將兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的開(kāi)度都調(diào)到45﹪，并且還使得風(fēng)機(jī)之間出口壓力不至于出現(xiàn)相互對(duì)頂?shù)那闆r出現(xiàn)。

4)風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，及時(shí)清理消音器的過(guò)濾網(wǎng)，避免因?yàn)檫^(guò)濾網(wǎng)的阻塞導(dǎo)致風(fēng)進(jìn)口風(fēng)量降低，根據(jù)風(fēng)機(jī)的喘振與壓力的關(guān)系曲線，進(jìn)口風(fēng)量降低，風(fēng)機(jī)容易落入喘振區(qū)。

4.4喘振、振動(dòng)、噪音關(guān)系

風(fēng)機(jī)的喘振及振動(dòng)又加劇了噪音的程度，振動(dòng)和噪音是同時(shí)產(chǎn)生，相生相休，平時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)的各方面的維護(hù)減少噪音的同時(shí)也在減小振動(dòng)及喘振的程度，因此，在維護(hù)時(shí)，使風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)是非常有必要的。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀察、理論與實(shí)際相結(jié)合，助燃風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題得到了有效的解決。

對(duì)于噪音問(wèn)題，通過(guò)建立隔音房、安裝隔音板等降噪措施，2#爐冷卻風(fēng)機(jī)處的噪音由原來(lái)的96分唄降至60 分唄以下，有效的降低了噪音對(duì)健康的傷害；對(duì)于振動(dòng)問(wèn)題，2017年全年的助燃風(fēng)機(jī)問(wèn)題通過(guò)本文理論的指導(dǎo)，快速的查找到風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的原因所在，由原來(lái)的檢查、確診原因、修復(fù)風(fēng)機(jī)等一些列所要耗費(fèi)8小時(shí)的處理時(shí)間降至4小時(shí)，為生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的后盾。一旦振動(dòng)出現(xiàn)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備人員能夠根能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決。同時(shí)對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的噪音、喘振機(jī)理的研究，從根本上指出了產(chǎn)生的原因，為采取正確的應(yīng)對(duì)處理方法提供了理論支撐。