高爐沖渣泵的設計優化

景瑞 孫國政 滿敬江 王衛東

摘要：根據鋼鐵煉鐵工藝用高爐沖渣泵運行反饋，輸送介質溫度高、含渣量大、介質有一定的腐蝕性，對泵汽蝕性能、過流部件使用壽命以及運行可靠性要求高等特點，常規渣漿泵運行過程中存在汽蝕性能差、使用壽命短、能耗高、軸封易泄露、振動大等缺點，本文從高爐沖渣泵的水力性能及結構方面進行分析，并對其整機結構進行優化設計和使用驗證，結果表明該優化設計達到了預期效果，有效提升高爐沖渣泵的使用壽命、降低了能耗，為客戶取得了良好的經濟效益，并為同類產品改進提供借鑒。

關鍵詞：高爐沖渣泵、結構優化設計、使用壽命、經濟效益

引言

高爐沖渣泵是冶金行業煉鐵工藝的關鍵設備。由于近年來國內高爐向著的大型化、高效化、自動化發展，其生產和處理規模較過去逐步的增長，這就對其提出了更高的要求，如：流量大，使用壽命長，效率高、可靠性高等;目前國內生產的沖渣泵，近十幾年來沒有大的結構和水力更新，存在水力效率低、汽蝕性能差、使用壽命短、密封不可靠、振動大、軸承發熱等缺點，已嚴重制約該行業的發展。由于近年來國內經濟的不斷發展，高爐沖渣泵的應用領域越來越廣泛，用戶對其的使用要求越來越高，這就對其結構及其可靠性提出了更高的要求。三聯泵業作為冶金行業沖渣泵產品主要供應商之一，擁有高素質的研發隊伍和先進的生產設備（包括鑄造設備和冷加工設備），先后成功研制和生產了全系列的高效渣漿泵和脫硫泵，在雜質泵方面積累了相當多的設計和制造經驗，對于此產品，通過新技術、新工藝、新材料的研究和應用，其整體結構形式為單級單吸臥式雙殼體離心式雜質泵，水力部件采用兩相流設計，葉輪采用高效水力模型;軸承組件采用可調性油脂潤滑筒式結構，可根據葉輪磨損情況調整葉輪與前后護板之間的間隙;軸封形式采用副葉輪+填料+擋渣器結構，無需外接沖洗水。

本文通過對高爐沖渣泵的水力部件及結構進行優化設計，有效提高了泵的使用壽命及運行安全可靠性。

設計優化

根據高爐沖渣泵輸送介質的特性及現有常規雜質泵的使用情況，在設計上進行下述考慮。

（1）水力部件兩相流設計理念。由于高爐沖渣泵內部葉輪、蝸殼等水力部件是空間三維扭曲的，內部流體流動復雜，傳統的性能預測方法較難準確預測泵的水力性能。水力設計采用兩相流設計技術，對水力部分內部流場分析和外部特性進行預測分析，模擬漿體在泵腔內的運動狀態，提高泵的水力性能，實現產品性能的持續改進，從而更進一步的提高過流部件使用壽命。擬采用“數值模擬--修改流道幾何參數和形狀--數值模擬”的多次循環，解決礦漿泵內部流動特性的分析方法。（2）高效耐磨葉輪設計方法研究。沖渣泵葉輪是其核心水力部件，葉輪型線（及水力模型）直接影響了性能參數和過流部件的使用壽命。葉輪采用兩相流水力模型，經過多次優化驗證改進，具有水力流動性能好，流速均勻、水力效率高的特點。其葉輪葉片采用長、短葉片各為4枚均勻間隔布置，前后背葉片采用花瓣式寬窄交替結構交替間隔，從而減少了葉輪進口處的回流量和軸封處壓力，使得水力性能優良、效率高（比常規渣漿泵效率提高5%）;磨損率低，使用壽命較傳統礦漿泵提高1.5倍以上;葉片采用扭曲型長短葉片結構，流道寬暢，過流能力在原有渣漿泵基礎上提高30%、抗堵塞性能好、汽蝕性能優越。（3）前護板和葉輪之間密封的結構優化研究。沖渣泵葉輪和前護板密封結構采取葉輪進口處設有燕尾槽密封和端面密封有效的結合，燕尾槽密封采用60度夾角設計，有效的減少葉輪進口處的回流量，葉輪前蓋板和前護板的泄露，提高泵的效率，降低了葉輪進口前蓋板和前護板的磨損。（4）高效可靠軸承組件設計優化方法研究。軸承組件采用圓筒式油脂潤滑結構，承載能力強，具有轉子竄動量小，可滿足大流量高揚程多級串聯工況運行，有效的解決了軸承發熱，軸承使用壽命短、油封使用壽命短易漏油等問題，使整泵結構合理、運行穩定、軸承使用壽命長、軸封可靠，大大降低了整泵的振動和噪音。（5）軸封形式采用副葉輪+填料+擋渣器結構，無需外接沖洗水。在冶金行業的沖渣泵的使用環境都比較惡劣，介質溫度高，含渣量大，以往傳統的渣漿泵軸封都需要外接沖洗水，軸封水對軸封沖洗后直接進入沖渣水池，能源消耗嚴重，而且軸封處容易漏漿，盤根容易損壞，從而影響泵的性能及可靠運行?，F軸封結構優化為副葉輪+填料+擋渣器組合結構，無需外接沖洗水;整體結構簡單、拆裝方便、運行平穩、安全可靠等優點，通過擋渣器和副葉輪組合密封，從而有效的防止漿體進入軸封損壞盤根。（6）合理的選型及應用技術。實踐表明，沖渣泵因選型選材不當，在泵的運行過程中將會發生抽空，汽蝕，效率低，過流部件部件使用壽命短等不良現象，為了有效的發揮每臺泵的工作性能，延長使用服務期限，必須做到選型合理，準確。首先要合理確定運行工況參數，實際使用與理論設計參數匹配，運行工況點在在泵高效點的40-80%重磨蝕區域內;其次，運行轉速低于最高轉速的80%，泵的出口流速控制在8m/s;最后，研究基于不同介質工況條件下管路特性曲線和沖渣泵性能曲線匹配技術，從根本上避免運行工況點偏離泵高效區間，從而保證沖渣泵的過流部件使用壽命和可靠性。（7）沖渣泵過流部件材質的耐磨性分析研究。高爐沖渣泵輸送介質溫度高、含渣量大、介質有一定的腐蝕性，對泵汽蝕性能和過流部件使用要求。針對其工況特點，擬對研制的沖渣泵過流部件材質的鑄造工藝及材料性能進行實驗研究，通過對其關鍵的過流部件鑄造工藝的研究和改進，提高泵關鍵過流部件的耐磨性，并在此基礎上研究關鍵過流部件的表面涂層材料及工藝，以進一步提高其過流部件的耐磨性和使用壽命。

總結

本文針對高爐沖渣泵的介質特性，結合水泵設計手冊和實際工作經驗，對水力部件、軸承組件以及軸封部件金進行優化設計，合理準確的選型選材。通過本次立足理論、結合實際的設計優化，通過現場試運行，優化后的泵型在同樣的工況條件下，水力效率較常規沖渣泵提高5%;過流部件使用壽命較傳統沖渣泵提高1.5倍以上;過流能力在原有基礎上提高30%、汽蝕性能優越，軸封采用無沖洗水結構，大大減少能源的消耗。該結構及性能的優化調整，在保證機組安全穩定運行的基礎上為客戶取得了良好的經濟效益，為同類型產品的設計制造提供了參考經驗。

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