高炉冲渣泵的设计优化

景瑞 孙国政 满敬江 王卫东

摘要：根据钢铁炼铁工艺用高炉冲渣泵运行反馈，输送介质温度高、含渣量大、介质有一定的腐蚀性，对泵汽蚀性能、过流部件使用寿命以及运行可靠性要求高等特点，常规渣浆泵运行过程中存在汽蚀性能差、使用寿命短、能耗高、轴封易泄露、振动大等缺点，本文从高炉冲渣泵的水力性能及结构方面进行分析，并对其整机结构进行优化设计和使用验证，结果表明该优化设计达到了预期效果，有效提升高炉冲渣泵的使用寿命、降低了能耗，为客户取得了良好的经济效益，并为同类产品改进提供借鉴。

关键词：高炉冲渣泵、结构优化设计、使用寿命、经济效益

引言

高炉冲渣泵是冶金行业炼铁工艺的关键设备。由于近年来国内高炉向着的大型化、高效化、自动化发展，其生产和处理规模较过去逐步的增长，这就对其提出了更高的要求，如：流量大，使用寿命长，效率高、可靠性高等;目前国内生产的冲渣泵，近十几年来没有大的结构和水力更新，存在水力效率低、汽蚀性能差、使用寿命短、密封不可靠、振动大、轴承发热等缺点，已严重制约该行业的发展。由于近年来国内经济的不断发展，高炉冲渣泵的应用领域越来越广泛，用户对其的使用要求越来越高，这就对其结构及其可靠性提出了更高的要求。三联泵业作为冶金行业冲渣泵产品主要供应商之一，拥有高素质的研发队伍和先进的生产设备（包括铸造设备和冷加工设备），先后成功研制和生产了全系列的高效渣浆泵和脱硫泵，在杂质泵方面积累了相当多的设计和制造经验，对于此产品，通过新技术、新工艺、新材料的研究和应用，其整体结构形式为单级单吸卧式双壳体离心式杂质泵，水力部件采用两相流设计，叶轮采用高效水力模型;轴承组件采用可调性油脂润滑筒式结构，可根据叶轮磨损情况调整叶轮与前后护板之间的间隙;轴封形式采用副叶轮+填料+挡渣器结构，无需外接冲洗水。

本文通过对高炉冲渣泵的水力部件及结构进行优化设计，有效提高了泵的使用寿命及运行安全可靠性。

设计优化

根据高炉冲渣泵输送介质的特性及现有常规杂质泵的使用情况，在设计上进行下述考虑。

（1）水力部件两相流设计理念。由于高炉冲渣泵内部叶轮、蜗壳等水力部件是空间三维扭曲的，内部流体流动复杂，传统的性能预测方法较难准确预测泵的水力性能。水力设计采用两相流设计技术，对水力部分内部流场分析和外部特性进行预测分析，模拟浆体在泵腔内的运动状态，提高泵的水力性能，实现产品性能的持续改进，从而更进一步的提高过流部件使用寿命。拟采用“数值模拟--修改流道几何参数和形状--数值模拟”的多次循环，解决矿浆泵内部流动特性的分析方法。（2）高效耐磨叶轮设计方法研究。冲渣泵叶轮是其核心水力部件，叶轮型线（及水力模型）直接影响了性能参数和过流部件的使用寿命。叶轮采用两相流水力模型，经过多次优化验证改进，具有水力流动性能好，流速均匀、水力效率高的特点。其叶轮叶片采用长、短叶片各为4枚均匀间隔布置，前后背叶片采用花瓣式宽窄交替结构交替间隔，从而减少了叶轮进口处的回流量和轴封处压力，使得水力性能优良、效率高（比常规渣浆泵效率提高5%）;磨损率低，使用寿命较传统矿浆泵提高1.5倍以上;叶片采用扭曲型长短叶片结构，流道宽畅，过流能力在原有渣浆泵基础上提高30%、抗堵塞性能好、汽蚀性能优越。（3）前护板和叶轮之间密封的结构优化研究。冲渣泵叶轮和前护板密封结构采取叶轮进口处设有燕尾槽密封和端面密封有效的结合，燕尾槽密封采用60度夹角设计，有效的减少叶轮进口处的回流量，叶轮前盖板和前护板的泄露，提高泵的效率，降低了叶轮进口前盖板和前护板的磨损。（4）高效可靠轴承组件设计优化方法研究。轴承组件采用圆筒式油脂润滑结构，承载能力强，具有转子窜动量小，可满足大流量高扬程多级串联工况运行，有效的解决了轴承发热，轴承使用寿命短、油封使用寿命短易漏油等问题，使整泵结构合理、运行稳定、轴承使用寿命长、轴封可靠，大大降低了整泵的振动和噪音。（5）轴封形式采用副叶轮+填料+挡渣器结构，无需外接冲洗水。在冶金行业的冲渣泵的使用环境都比较恶劣，介质温度高，含渣量大，以往传统的渣浆泵轴封都需要外接冲洗水，轴封水对轴封冲洗后直接进入冲渣水池，能源消耗严重，而且轴封处容易漏浆，盘根容易损坏，从而影响泵的性能及可靠运行。现轴封结构优化为副叶轮+填料+挡渣器组合结构，无需外接冲洗水;整体结构简单、拆装方便、运行平稳、安全可靠等优点，通过挡渣器和副叶轮组合密封，从而有效的防止浆体进入轴封损坏盘根。（6）合理的選型及应用技术。实践表明，冲渣泵因选型选材不当，在泵的运行过程中将会发生抽空，汽蚀，效率低，过流部件部件使用寿命短等不良现象，为了有效的发挥每台泵的工作性能，延长使用服务期限，必须做到选型合理，准确。首先要合理确定运行工况参数，实际使用与理论设计参数匹配，运行工况点在在泵高效点的40-80%重磨蚀区域内;其次，运行转速低于最高转速的80%，泵的出口流速控制在8m/s;最后，研究基于不同介质工况条件下管路特性曲线和冲渣泵性能曲线匹配技术，从根本上避免运行工况点偏离泵高效区间，从而保证冲渣泵的过流部件使用寿命和可靠性。（7）冲渣泵过流部件材质的耐磨性分析研究。高炉冲渣泵输送介质温度高、含渣量大、介质有一定的腐蚀性，对泵汽蚀性能和过流部件使用要求。针对其工况特点，拟对研制的冲渣泵过流部件材质的铸造工艺及材料性能进行实验研究，通过对其关键的过流部件铸造工艺的研究和改进，提高泵关键过流部件的耐磨性，并在此基础上研究关键过流部件的表面涂层材料及工艺，以进一步提高其过流部件的耐磨性和使用寿命。

总结

本文针对高炉冲渣泵的介质特性，结合水泵设计手册和实际工作经验，对水力部件、轴承组件以及轴封部件金进行优化设计，合理准确的选型选材。通过本次立足理论、结合实际的设计优化，通过现场试运行，优化后的泵型在同样的工况条件下，水力效率较常规冲渣泵提高5%;过流部件使用寿命较传统冲渣泵提高1.5倍以上;过流能力在原有基础上提高30%、汽蚀性能优越，轴封采用无冲洗水结构，大大减少能源的消耗。该结构及性能的优化调整，在保证机组安全稳定运行的基础上为客户取得了良好的经济效益，为同类型产品的设计制造提供了参考经验。

参考文献：

[1]窦以松 等. 渣浆泵理论与设计  北京：水利水电出版社，2010

[2]王玉坤.  离心式渣浆泵设计与应用简要手册  河北：河北科学技术出版社，2013

[3]许洪元 等.  离心式渣浆泵叶轮磨损规律研究[犑].摩擦学学报，1998